用于分散式WASH系统处理表面活性剂与酚类共污染的可现场部署微生物菌群

《Process Safety and Environmental Protection》：A Field?Deployable Microbial Consortium for Treating Surfactant?Phenol Co?Contamination in Decentralized WASH Systems

　　

摘要

由于酚类化合物和表面活性剂具有毒性、持久性以及对生物处理过程的抑制作用，从废水中同时去除这两种污染物仍然是一个重大挑战。本研究通过整合酚类和表面活性剂降解微生物培养物，开发了一种专门的"酚-表面活性剂降解菌"（PSEB）菌群，并评估了该菌群在连续运行的串联厌氧折流板反应器（ABR）与植物基生物反应器（PBR）系统中的处理性能。在连续流运行条件下，PSEB辅助的ABR-PBR系统对酚的去除率超过85%，对表面活性剂的去除率超过94%，对COD的去除率为92.4%，对BOD的去除率为88.3%，对NH?-N的去除率为93%，其中氨的去除主要发生在PBR精制阶段。驯化后的菌群将酚和表面活性剂浓度降至5 mg L?1以下，显示出稳定的生物降解性能。甲烷含量从74.77%提升至82.67%，表明有机质稳定化和沼气提质效果显著。蒙特卡洛模拟（10,000次迭代）证实了一级降解动力学的稳健性，得出酚的平均速率常数为0.0364 h?1，表面活性剂的平均速率常数为0.0576 h?1。宏基因组分析显示，微生物群落以厚壁菌门D（77%）和变形菌门（10.9%）为主导，功能通路涉及酚降解、表面活性剂生物降解和氮代谢。毒性评估表明，处理过程呈现逐步解毒的趋势，最终出水达到无毒状态。本研究的创新性在于将专门的PSEB菌群与ABR-PBR系统集成，实现酚和表面活性剂的同步生物降解，并以动力学不确定性分析、宏基因组表征和毒性评估作为支撑。所开发的系统为分散式废水处理和资源回收提供了一种可持续的方法，有助于改善水质，支持可持续发展目标6（SDG 6）：清洁水和卫生设施。

引言

过去几十年来，全球城市化进程、工业扩张和人口增长导致水体中复杂污染物的排放不断增加，给水资源和废水处理管理带来了重大挑战。在众多新兴污染物中，酚类化合物和合成表面活性剂因其环境持久性、生物累积潜力以及在低浓度下即具有显著生态毒性影响而受到科学界和监管部门的广泛关注（Ahmaruzzaman等，2024；Raja和Kumar，2025）。这些化合物来源广泛，包括制药、石化、洗涤剂和农药等，由于其化学性质不稳定和低生物降解性，往往难以被常规废水处理系统有效去除（Singh等，2019；Zhong等，2018）。特别是酚类化合物，尽管在石油炼制、塑料、树脂和制药等工业中被广泛使用，但其高毒性使其被多个环保机构列为优先污染物。即使在痕量浓度下，酚类化合物也能对水生生物和人类造成内分泌干扰、细胞毒性和氧化应激（Ahmaruzzaman等，2024；Kovács等，2011）。同样，表面活性剂——尤其是阴离子型和非离子型——广泛应用于家庭和工业清洁产品中，通过降低表面张力、破坏微生物群落以及增加水生生物细胞膜的通透性，显著改变水体化学性质。其释放到水生生态系统中可能导致生物失衡并干扰自然生物地球化学循环（Brandt等，2004）。

来自美国、中国、印度和孟加拉国等多个国家的众多研究一致表明，地表水、地下水和工业废水中酚类和表面活性剂的浓度呈上升趋势。这一趋势表明水体普遍受到污染，主要驱动力是快速工业化、城市径流、生活污水排放以及废水处理不足。酚类化合物和合成表面活性剂来源于石化、制药、洗涤剂和农药工业，因其毒性、持久性和低生物降解性而被列为优先污染物。这些化合物持续排入水生环境会破坏微生物群落、改变水体化学性质、引发缺氧，即使在低浓度下也会对水生生物产生负面影响（Kurata等，2008；Naidu等，2021；Yuan等，2021）（Pradeep等，2015）（Kehoe，2005）。

在分散式水、卫生和环境卫生（WASH）系统中，尤其是分散式废水处理系统中，酚类化合物和表面活性剂可能共存于生活污水、灰水、机构废水以及小型商业和工业活动产生的废水中。家用洗涤剂、肥皂、消毒剂、个人护理产品和清洁剂是表面活性剂的来源，而酚类化合物则可能来源于药品、抗菌剂、消毒剂以及各种家用和工业化学品配方。因此，服务于洗衣房、医疗机构以及其他涉及清洁和消毒的小型活动的分散式处理系统可能接收含有这两类污染物的废水。这些污染物的共存会对生物处理过程产生不利影响，因为表面活性剂可能影响污染物的生物可利用性和微生物细胞特性，而酚类化合物则会对微生物群落造成毒性胁迫。因此，在分散式废水处理系统的混合污染物条件下，能够有效同时降解这两类污染物的处理策略对于提高处理效率至关重要（Delhiraja和Philip，2020；Jena等，2023）。尽管环境法规日趋严格且监测技术不断进步，去除这些持久性有机污染物（POPs）仍然在技术和经济上面临巨大挑战。传统的物化和生物废水处理方法，包括化学氧化、活性污泥法、吸附和膜过滤，在处理复杂基质中低浓度污染物方面往往不够有效（Grace Pavithra等，2023）（Arenal和Sample，2015）。这些系统通常能耗高、产生有毒污泥，或者运营成本高且维护要求苛刻。此外，它们无法消除痕量有机物，或将其转化为同等有害的副产物（Kovács等，2011；Roustaei等，2024）。尽管传统分散式废水处理系统如化粪池和人工湿地在城乡结合部和农村地区被广泛应用，但在处理新兴有机污染物——尤其是酚类化合物和表面活性剂方面，仍存在诸多局限性。化粪池主要依赖沉淀和部分厌氧消化，通常无法有效去除溶解性难降解有机物，导致酚和表面活性剂残留物在出水中持续存在。同样，虽然人工湿地能有效去除悬浮固体和营养物质，但由于环境条件波动、冲击负荷、植物毒性效应以及微生物特异性不足，其对有毒有机污染物的处理效果往往不一致。表面活性剂会破坏根系相关微生物群落并降低氧气传输效率，而酚类化合物则可能抑制植物生长和微生物酶活性。此外，大多数分散式系统并未专门设计以支持专性污染物降解微生物菌群或同步能源回收。这些局限性凸显了开发能够适应不同运行条件并保持稳定生物降解能力的集成式分散处理方法的迫切需求。

近年来，研究重心已转向环境友好、经济可行且长期可持续的生物技术和混合技术。这些方法也支持废水处理的循环经济原则，并与可持续绿色工程实践的目标相一致。在各种生物处理技术中，厌氧微生物降解技术为废水处理提供了重要前景（Mahmoudieh等，2024）。厌氧系统运行能耗低、污泥产量少，尤其适用于分散式废水处理场景。在厌氧条件下，酚和表面活性剂的微生物降解由多种功能菌群促进，这些菌群能够催化有机化合物的还原和水解转化（Kuppan等，2024）。本研究开发了专门的功能菌群，如酚降解菌（PEB）和表面活性剂降解菌（SEB），以加速有毒化合物的厌氧分解，从而在成本、可重复使用性和环境安全性方面具有优势。

所开发的微生物菌群可以集成到厌氧反应器系统中，以增强污染物生物降解和处理稳定性。将微生物处理与植物基系统耦合，可通过微生物-植物协同修复机制进一步提高污染物去除效果。厌氧生物修复的一个关键特征是利用协同代谢途径，即多种微生物群落协同运作于电子受限条件下。在厌氧环境中，酚的降解通常通过还原脱羟基化、羧化和断环进行，产生甲烷和二氧化碳等无毒终产物。同样，许多表面活性剂可通过厌氧水解、产酸和产甲烷过程进行降解。然而，这些微生物系统的性能受pH值、温度、水力停留时间（HRT）以及竞争微生物物种或共存污染物等因素的影响（Ladeia Ramos等，2024）。多项研究表明，利用厌氧折流板反应器（ABR）、上流式厌氧污泥床（UASB）反应器和厌氧序批式反应器等反应器构型进行酚类化合物和表面活性剂厌氧降解是可行的，报告去除率一般在70%至90%之间，具体取决于进水浓度、水力停留时间、微生物驯化和运行条件。尽管取得了这些令人鼓舞的成果，但此前大多数研究主要关注在受控实验室条件下对酚或表面活性剂作为单一污染物进行去除。虽然已有研究表明厌氧系统能够分别处理酚类化合物和表面活性剂，但其在同时接触这两类污染物条件下的性能仍知之甚少。这代表了一个重要的研究空白，因为实际废水通常含有复杂的污染物混合物，其中污染物之间的相互作用可能改变其生物可利用性、毒性和生物降解行为。特别是，表面活性剂可能对酚类化合物的生物降解产生浓度依赖性效应。在适当浓度下，表面活性剂可能增强疏水性底物的表观可利用性和传质，从而促进其微生物转化；然而，在高浓度下，表面活性剂可能通过微生物膜破坏、毒性作用或酶活性干扰产生抑制效应。因此，表面活性剂的存在可能促进或抑制酚的降解，具体取决于表面活性剂特性、浓度和微生物群落。在厌氧条件下，微生物活性和共生相互作用对环境胁迫特别敏感，因此这些交互作用尚未得到充分理解。因此，单一污染物的研究结果不一定能外推至混合废水基质。研究酚类化合物和表面活性剂的行为、相互作用及同步去除对于开发能够处理真实复杂废水的稳健厌氧处理系统至关重要（Datta和Chattopadhyay，2024；Raja等，2025；Wang等，2024；Zhang等，2024）。这一知识空白凸显了研究能够在分散式处理条件下有效处理混合污染物废水的微生物系统的必要性。因此，本研究评估了"酚-表面活性剂降解菌"（PSEB）菌群对酚和表面活性剂同步生物降解的性能，并评估了其在混合污染物条件下维持处理稳定性和效率的潜力。

在此背景下，本研究提出了一种增配驯化PSEB菌群的混合ABR-PBR系统，用于在分散式废水处理条件下同时去除酚和表面活性剂。通过理化表征、动力学分析、宏基因组分析和细胞毒性评估对该系统进行了评价，以研究污染物去除性能、微生物群落动态和处理安全性。与以往关注单一污染物或传统生物过程的研究不同，本研究将专门的厌氧微生物菌群与植物基生物反应器相结合，为分散式废水管理提供了一种可扩展且可持续的处理方法。所提出的系统解决了污染物持久性、微生物适应性和处理可扩展性等方面的关键挑战。研究成果有望支持分散式废水处理框架的实施，特别是在缺乏传统基础设施的地区。

实验方法工作流程描述

本研究采用系统的实验设计，利用专门微生物菌群（PSEB）研究酚和表面活性剂的生物修复。废水样品（污泥300 ml）取自印度理工学院查谟分校（32.800148°N，74.897907°E）100 KLD污水处理厂的移动床生物膜反应器（MBBR）。收集到的污泥在环境温度（28 ± 2 °C）下孵育，以富集微生物群落并培养初级培养物。污泥作为接种源使用。

运行变量对COD去除和沼气产量的影响

为改善实验设计（DOE）结果的可视化并便于解读运行变量的影响，绘制了主效应图和热力相关性图，如图3所示。主效应图展示了混合液悬浮固体（MLSS）浓度、牛粪用量、进水表面活性剂浓度和进水酚浓度对COD去除效率和累计沼气产量的影响，而热力图则总结了过程变量之间的关系。

ABR-PBR系统的主成分分析

ABR：主成分分析提取了两个主成分，解释总方差的76.30%，其中PC1和PC2分别占50.68%和25.62%。PC1对表面活性剂（0.595）和酚（0.480）呈现强正载荷，对COD呈现中等正载荷（0.396），对氨呈现强负载荷（?0.511），表明C1至C9循环期间反应器性能主要由有机污染物耦合降解和碳-氮分异主导。正的载荷……

未来展望与挑战

本研究证明，将开发的PSEB菌群与ABR-PBR系统集成，能够在分散式废水处理条件下有效去除酚和表面活性剂，同时支持富甲烷沼气的生产。将专门微生物菌群成功整合到植物基处理系统中，突显了这一方法作为可持续、资源高效废水处理技术的潜力。

然而，几项……**结论**本研究成功开发并评估了用于在分散式处理条件下处理含酚和表面活性剂废水的驯化颗粒污泥微生物群落。在批次驯化阶段，所开发的微生物群落表现出对酚和表面活性剂的有效同步生物降解能力，将两种污染物均降低至低残余浓度，并在重复污染物负荷下保持了稳定的降解性能。成功富集与……**伦理批准**本文不包含作者对人类参与者或动物进行的研究。**CRediT作者贡献声明**Pratik Kumar：写作——审阅与编辑，写作——原稿撰写，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法学，调查研究，资金获取，形式化分析，数据管理，概念构思。B Tharun Kumar：写作——审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理，方法学，调查研究，资金获取，形式化分析，数据管理，概念构思。Satinder Kaur Brar：写作——审阅与……**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。**致谢**作者感谢印度香邦技术研究所（印度）对本研究的局部支持。作者也感谢共同作者提出的宝贵建议，这些建议提高了本文的质量。我们感谢我们研究所和实验室人员在整个工作过程中提供的稳定支持。我们同样感谢在样品分析和反应器操作期间提供的技术援助。印度香邦技术研究所中央仪器设施（CIF）提供了……

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