好氧颗粒污泥粒径对微量有机污染物好氧/缺氧生物转化的梯度影响机制及系统优化研究

《Journal of Hazardous Materials》：Granule size-dependent biotransformation of organic micropollutants in aerobic granular sludge under different bioconversion conditions

本研究针对传统污水厂对有机微污染物(OMPs)去除率低的难题，首次系统解析了全尺寸好氧颗粒污泥(AGS)中不同粒径颗粒（>4 mm至<0.2 mm）在硝化、好氧异养及反硝化条件下对23种OMPs的生物转化规律。研究发现磺胺甲恶唑、阿替洛尔等8种OMPs在特定条件下转化率超10%，且小粒径AGS（<0.2 mm）因好氧体积占比高，其Kbio值显著高于大颗粒；反硝化条件下OMP转化与脱氮活性无显著相关性。研究首次揭示AGS粒径分级调控对OMP去除的协同机制，为优化污水厂颗粒污泥系统提供理论依据。

　　

随着城市化进程加速，药品和个人护理品等有机微污染物（Organic Micropollutants, OMPs）在市政污水中被频繁检出。传统活性污泥工艺对这些痕量污染物（浓度低至μg L^-1级别）的去除效率普遍低于50%，导致其持续进入自然水体，对水生生态系统和人体健康构成潜在威胁。生物转化是OMPs在污水处理过程中的主要去除途径，但其效率高度依赖微生物群落结构及代谢活性。近年来，好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）技术因其占地小、能耗低等优势成为传统活性污泥法的替代工艺。AGS颗粒内部因氧扩散限制形成好氧-缺氧分层结构，可同步去除碳、氮、磷，但其对OMPs的去除机制尤其是不同粒径颗粒的贡献差异尚不明确。

为解决这一难题，荷兰瓦赫宁根大学的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表研究，首次在全尺寸AGS系统中探究了6个粒径梯度（>4 mm至<0.2 mm）的污泥在硝化、好氧异养和反硝化条件下对23种典型OMPs的生物转化规律。研究通过批量微宇宙实验，结合吸附-生物转化双体系对照，量化了不同粒径AGS的转化动力学参数（K_bio），并关联微生物活性与群落特征。

关键技术方法包括：从全规模AGS厂采集污泥并筛分为6个粒径级配；设计硝化（氨氮为底物）、好氧异养（乙酸为碳源+硝化抑制剂）和反硝化（硝酸盐+乙酸）微宇宙实验；利用UHPLC-MS/MS精准定量OMPs；通过宏基因组学解析粒径分级的微生物组成；采用伪一级动力学模型计算K_bio值。

3.1. AGS系统中生物转化效率超过10%的OMPs

研究发现磺胺甲恶唑、阿替洛尔、呋塞米等8种OMPs在至少一种条件下生物转化效率（Biotransformation Efficiency, BE）超过10%。这些化合物分子量较低、极性基团易被微生物酶攻击，而结构刚性强的OMPs（如四唑环、氟化芳环）难以转化。好氧条件（硝化/好氧异养）下降解率显著高于反硝化条件，可能与好氧菌丰富的单加氧酶体系有关。

3.2. 好氧条件下六种AGS粒径的OMP生物转化

小粒径AGS（<0.2 mm）在好氧条件下表现出最高的K_bio值，与颗粒尺寸呈显著负相关。因其好氧体积占比高，硝化菌和好氧异养菌活性更强，通过共代谢驱动OMP转化。研究首次发现K_bio与氨氮/COD比氧化速率正相关，证实了硝化菌（如Nitrosomonas）通过氨单加氧酶（AMO）的共代谢作用。

3.3. 反硝化条件下六种AGS粒径的OMP生物转化

反硝化条件下仅3种OMPs有效转化，且K_bio与脱氮活性无显著相关性。宏基因组显示反硝化菌（如Candidatus Accumulibacter、Thauera）在粒径间分布异质，导致功能冗余性高，削弱了粒径与降解效率的关联。

3.4. AGS与活性污泥的OMP生物转化比较

系统级K_bio分析表明，AGS整体转化效能略低于活性污泥，因高活性小粒径颗粒（<0.2 mm）在全尺寸反应器中占比不足40%，而主导的大颗粒（>1 mm）转化能力弱。小粒径AGS与活性污泥的相似形态和菌群来源（如Flavobacterium）解释其相近的降解性能。

3.5. 对全尺寸AGS工厂的启示

研究强调通过调控颗粒粒径分布（如提升小颗粒比例）可优化AGS系统对OMPs的去除。但微宇宙实验的底物充足条件与实际污水厂运行差异需进一步验证。

本研究首次揭示AGS粒径与生物转化功能的梯度规律，阐明好氧条件下小颗粒的高效降解机制，为通过工艺调控强化污水深度处理提供新策略。未来需结合全尺度动态监测及转化产物鉴定，深入解析AGS中OMPs的迁移转化路径。