《Journal of Hazardous Materials》：Hydrodynamic regulation drives azo dye transformation and hydrolysis acidification by reshaping microbial metabolism in the micro-aerobic hydrolysis acidification reactor
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•R2（120 转/分钟）平衡了湍流强度与流场均匀性。•水流增强了传质并富集了兼性发酵菌。•阐明了酸性红GR的降解途径。•R2（120 转/分钟）实现了最高的挥发性脂肪酸产量和可生化性。•揭示了MAHA反应器中水流驱动的代谢机制。引言酸性红GR是一种具有代表性的磺化偶氮染料污
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R2（120 转/分钟）平衡了湍流强度与流场均匀性。
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水流增强了传质并富集了兼性发酵菌。
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阐明了酸性红GR的降解途径。
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R2（120 转/分钟）实现了最高的挥发性脂肪酸产量和可生化性。
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揭示了MAHA反应器中水流驱动的代谢机制。
引言
酸性红GR是一种具有代表性的磺化偶氮染料污染物，经常在印染废水中被检测到[1]。其高度共轭的偶氮结构和磺化芳香骨架导致了持久性着色、有限的可生化性以及对传统生物处理的抗性[2]。此外，偶氮染料的不完全转化可能导致芳香胺及其他潜在生态风险中间体的积累[3]。因此，开发既能去除染料颜色又能促进偶氮染料污染物完全分子转化与解毒的有效策略，仍然是废水处理领域面临的重要挑战。
微好氧水解酸化（MAHA）近来作为一种有前景的生物方法，被用于增强偶氮染料转化并改善废水的可生化性[1]、[4]。与传统厌氧水解酸化不同，MAHA引入微量氧气以维持溶解氧（DO）浓度为0.1-1.0 毫克/升，创造微好氧环境，该环境可能同时促进厌氧偶氮键还原、芳香中间体的好氧氧化以及微生物碳代谢[5]、[6]。以往研究表明，MAHA可以实现超过80%的偶氮染料脱色、显著的有机物去除（30-55%）以及可生化性的提高（BOD5/COD = 0.36-0.50），同时通过芳香环裂解等过程促进挥发性脂肪酸（VFA）产量和难降解芳香中间体的进一步转化[1]、[7]、[8]。然而，在这一狭窄的氧气范围内，局部微好氧环境即使存在微小变化，也可能显著影响氧化还原条件和生物响应[9]。因此，理解微环境调控对于优化MAHA性能至关重要。
水动力学条件在塑造MAHA系统特征性微好氧环境方面发挥着关键作用[10]、[11]。通过调节气液传质、气泡分散和氧气传输，水动力学可以重塑功能性微生物所经历的局部微环境，进而影响其代谢活性和污染物转化[12]、[13]、[14]。现有对水解酸化反应器的研究表明，水动力学优化可以改善混合、减轻死区和短流并提高处理效果[15]、[16]。然而，水动力学在调控MAHA系统中微好氧环境方面的具体作用仍未得到充分阐明，因此水动力学研究被列为未来研究的重要方向[17]。这一问题尤为重要，因为最近的MAHA研究表明微好氧条件的变化可以显著改变微生物群落、功能基因、代谢途径以及难降解有机物的转化[1]、[4]。对于偶氮染料而言，酸性猩红GR被认为经历了偶氮键还原、脱磺酸基、水解脱氨、芳香环裂解以及随后通过中心碳代谢的转化[1]。然而，已有报道不同的微好氧条件会导致两条不同的污染物转化途径，分别以羟基化和脱氨为主导[9]。在微生物功能方面，包括酚类氧化和芳香环裂解相关基因与酶，也观察到相应的变化。因此，阐明MAHA系统中微生物代谢和偶氮染料降解机制仍然是一个需要进一步研究的重大问题。
解析这些机制需要一种整合方法，将水动力学调控与微生物代谢响应及偶氮染料分子转化联系起来。宏基因组学分析可以表征微生物功能潜力，而基于液相色谱-质谱（LC-MS）的代谢物鉴定可以揭示转化中间体[18]、[19]。然而，这些方法并不能直接解析功能基团对水动力学扰动的响应相对顺序。二维相关光谱（2D-COS）以湍流强度作为连续外部扰动，可以通过增强重叠的傅里叶变换红外光谱（FTIR）谱带分辨率并确定功能基团的相对响应顺序来补充这些分析[4]、[20]。尽管水动力学分析、宏基因组学分析、基于LC-MS的代谢物鉴定和2D-COS已分别应用于相关的环境和生物过程研究[18]、[21]，但它们在解析MAHA系统中水动力学-微生物-分子相互作用方面的整合应用仍然有限。这种整合是必要的，用于将反应器尺度的流场特征和氧气传输与微生物功能响应、代谢物谱以及染料衍生有机物的结构转化联系起来。
本研究探讨了水动力学条件如何调控MAHA反应器中酸性红GR的生物降解途径和代谢转化。使用欧拉-欧拉两流体模型解析了反应器尺度的流场特征，并通过实验量化了相应的氧气传输响应。进一步评价了工艺性能和胞外聚合物（EPS）特征，以表征不同水动力学条件下的染料转化、可生化性改善和产酸行为。将宏基因组学分析和基于LC-MS的代谢物鉴定与2D-COS相结合，将微生物功能潜力和转化中间体与功能基团的响应顺序联系起来。这些互补数据集进一步用于重建酸性红GR降解和产酸途径，并阐明水流调控、氧气传输、微生物代谢以及MAHA系统中染料衍生有机物转化之间的联系。这些发现为通过水流和氧气传输与微生物代谢及染料衍生分子转化之间的联系，提供了MAHA预处理水动力学调控的机制基础。
章节摘要
MAHA反应器的设置与运行
四个相同的有机玻璃MAHA反应器在常温实验室条件下并联运行。每个反应器内径为23.4 厘米，高70.0 厘米，有效体积为25 升（图S1）。反应器配备了搅拌、曝气、进出水及在线溶解氧监测系统。空气经流量计和气室后通过曝气盘送入每个反应器。曝气孔直径为0.16 毫米，间距为10 毫米。
不同搅拌条件下的水动力学特征
提高搅拌速度逐步改变了气相流场，表现为气相速度、湍流动能和湍流黏度的增加（图1）。这些变化表明，在更强的搅拌下气液混合和动量交换得到增强。然而，较高的搅拌条件（R3和R4）产生了更为显著的速度和湍流相关参数的局部峰值，表明流场的空间异质性增强。此类局部
结论
本研究证明水动力学调控是MAHA反应器中氧气传输、微生物适应和酸性红GR转化的重要控制因素。适中的搅拌强度（R2，120 转/分钟）通过平衡湍流增强与流场均匀性建立了有利的低氧微环境，从而在保持高效脱色的同时提高了可生化性和产酸转化。多尺度分析表明，该条件促进了
环境意义
酸性红GR是一种有害偶氮染料，因为其发色偶氮键、磺化芳香结构和芳香胺衍生物中间体使印染废水具有持久性、着色性和潜在毒性。本研究表明，微好氧水解酸化反应器中的水动力学调控可以引导氧气传输、富集兼性发酵菌，并激活偶氮还原、脱磺酸基、芳香环裂解和产酸相关酶。通过转化难降解
CRediT作者贡献声明
惠佳瑶：撰写——原稿，方法学，经费获取。王敏：调查研究。程文：监督，方法学。万天：方法学。贾子怡：方法学，数据管理。张勇：方法学。任杰辉：撰写——审阅与编辑，调查研究，数据管理，概念化。杨晓新：方法学，数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到西安理工大学博士论文创新基金（104-252072410）、国家自然科学基金（NSFC）[52206210]、动力工程多相流动国家重点实验室（SKLMF-KF-2101）以及陕西省自然科学基金基础研究计划[2025JC-YBMS-593]的支持。
惠佳瑶|任杰辉|杨晓新|贾子怡|张勇|万天|王敏|程文
