《Environmental Technology & Innovation》：Textile-based biomass carriers for enhanced biological wastewater post-treatment
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为解决现有废水处理厂（WWTPs）出水中低浓度氨氮（NH4+-N）深度脱除难题，本研究创新性地开发了基于经编技术的纺织基微纤维生物质载体。研究通过实验室与半生产规模移动床生物膜反应器（MBBR）测试，证实该载体可实现快速细菌定植与稳定生物膜形成，氨氮去除效率超过95%，且启动时间显著短于传统商业载体，为高效、低能耗的废水后处理提供了可规模化应用的解决方案。
随着全球水资源短缺与水质标准日益严格，城镇污水处理厂（WWTPs）的出水中残留的微量污染物，尤其是氮类化合物（如氨氮），成为制约水体环境质量提升的关键瓶颈。传统的活性污泥法在处理低浓度污染物时往往效率有限，且占地面积大、能耗高。如何在现有基础设施基础上，经济高效地实现深度净化，是水处理领域亟待破解的难题。生物膜技术，特别是移动床生物膜反应器（MBBR），因其能大幅增加单位容积内的生物量，增强系统抗冲击负荷能力，而被视为一种极具潜力的解决方案。然而，其核心部件——生物质载体（Biomass Carriers）的性能，直接决定了生物膜的形成速度、稳定性和处理效能。目前广泛使用的塑料载体普遍存在比表面积有限、生物膜启动慢、易堵塞等问题。因此，开发一种能够促进微生物快速附着、形成高活性生物膜的新型载体，对于推动废水深度处理技术的发展至关重要。
在此背景下，由Irena Lenfeldova、Karel Havlicek、Martina Ryvolova、Magda Nechanicka、Tomas Lederer、Adela Kdyrova和Brigita Kolcavova Sirkova组成的捷克利贝雷茨技术大学纺织工程学院研究团队，在《Environmental Technology》上发表了一项创新性研究。他们独辟蹊径，将纺织工程领域的经编（Warp-knitting）技术应用于生物质载体的设计与制造，开发出一种基于聚丙烯（PP）多丝和聚酯（PES）单丝的微纤维三维（3D）间隔织物载体，并系统评估了其在废水后硝化（Post-nitrification）处理中的性能。
为开展此项研究，研究人员主要运用了几项关键技术：首先，利用双针床拉舍尔（Raschel）经编机设计和制备了具有不同孔洞结构和尺寸的微纤维载体；其次，在250升半生产规模和5升实验室规模的MBBR反应器中进行了长期废水处理效能评估；再者，采用分子遗传学方法（包括定量聚合酶链式反应qPCR和高通量测序NGS）对载体上的生物膜微生物群落结构、丰度和功能基因（如氨氧化细菌AOB的amoA基因、亚硝酸盐氧化细菌NOB的nxrB基因）进行了深入解析；此外，还通过呼吸计量法（Respirometry）监测生物膜的代谢活性，并结合图像分析技术（如共聚焦激光扫描显微镜和扫描电子显微镜）观察生物膜在载体表面的形态结构与定植情况。
研究结果
3.1. 经编生物质载体的设计与结构分析
研究团队设计了五种不同结构的经编载体（样本0至样本4），其基本材料构成相同，均由PP多丝构成载体表层，PES单丝作为连接表层的间隔丝。这些载体的独特之处在于其3D间隔织物结构，内部具有由编织线圈和孔洞形成的宏观与微观孔隙。通过TexMind Warp Knitting Pattern Editor软件生成的模型可以清晰看到，样本0具有中等大小的规则孔洞，样本1孔洞更大但数量较少，样本2和3则具有不同尺寸的孔洞组合，而样本4则为无孔结构。结构参数测量显示，尽管设计不同，但各载体消耗的PP材料重量分数相近，确保了比较的公平性。这种开放的3D架构有利于废水在载体内部无阻碍流动，改善了营养物质和氧气的扩散，同时避免了载体堆积和内部孔隙堵塞，为生物膜的均匀生长创造了理想条件。
3.2. 中试规模载体生物膜评估
将约4500个样本0载体投入250升的半生产规模MBBR柱中进行测试。结果表明，生物膜在投加NH4+-N约一周后即达到稳定状态。即使在进水氨氮浓度模拟为5 mg/L、水力停留时间（HRT）逐步缩短至1小时的苛刻条件下，出水中NH4+-N浓度仍能稳定低于0.5 mg/L，去除效率极高。呼吸计量法检测证实了载体上生物膜在整个实验期间（长达342天）始终保持高活性。分子生物学分析进一步揭示，在运行第55天时，载体生物膜中硝化细菌（AOB Nitrosomonas和NOB Nitrospira）的相对丰度已占总分类细菌属的约40%，并且在整个实验期间保持稳定，表明形成了成熟且功能强大的硝化生物膜系统。微生物群落结构分析还显示，硝化菌在载体空间分布上存在分层现象，Nitrospira更倾向于富集在氧气更充足的外表面。
3.3. 实验室规模载体生物膜评估
在5升实验室MBBR中对样本1-4进行平行测试，以探究载体结构（孔洞大小、数量、分布）对生物膜形成的影响。结果发现，所有类型的纺织基载体均在约28天内实现了生物膜的稳定，氨氮去除效率均超过95%。呼吸计量数据和qPCR结果均表明，硝化功能基因的丰度在实验初期快速增长并很快达到平台期。值得注意的是，尽管样本1（具有较大孔洞）在初始定植阶段略有优势，但长期来看，不同结构载体间的性能差异并不显著。NGS分析显示，不同载体上的生物膜微生物群落组成高度相似，且随着运行时间延长，群落结构趋于稳定。这表明，纺织载体提供的巨大比表面积和微纤维表面形态是促进微生物快速附着和生物膜稳定形成的关键因素，而载体表面具体的孔洞图案设计在长期运行中的影响相对次要。图像分析也直观证实了细菌细胞在PP多丝表面的成功附着和生物膜微观结构的形成。
结论与意义
本研究表明，利用商业化经编技术制备的纺织基微纤维生物质载体，在废水后硝化处理中表现出卓越的性能。其核心优势在于独特的三维间隔织物结构，创造了极高的比表面积和丰富的孔隙环境，从而实现了远超传统塑料载体的快速细菌定植和稳健生物膜形成。该载体系统能在极短的时间内（约1周）启动并达到超过95%的氨氮去除率，即使在低溶解氧（2–4 mg/L）和短水力停留时间（可低至1小时）下也能稳定运行，这预示着其在降低能耗和减小反应器体积方面的巨大潜力。微生物群落分析证实了载体上能够形成以Nitrosomonas和Nitrospira为主导的高效、稳定硝化生物膜系统。
这项研究的意义重大。首先，它将纺织制造技术的精密可控性引入环境工程领域，为生物质载体的设计提供了新思路，展示了跨学科创新的价值。其次，所开发的载体提供了一种实用且可扩展的解决方案，有望在不显著扩大现有污水处理厂基础设施的前提下，提升其出水水质，满足日益严格的排放标准。最后，该技术因其快速启动、高效脱氮和潜在的低能耗运行特点，为推进更可持续的水资源管理实践做出了积极贡献。未来研究可进一步聚焦于载体的长期机械稳定性、抗生物堵塞能力以及与不同污水处理工艺的集成优化，加速其从实验室走向大规模工程应用。
