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Membranes：哈尔滨工业大学林政达团队——好氧颗粒污泥膜生物反应器处理磺胺甲恶唑废水的进展与挑战

已有 104 次阅读 2026-11-1 07:55 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

作者简介

第一作者

张晴宇（哈尔滨工业大学环境学院）

研究方向：好氧颗粒污泥 (AGS)、抗生素废水生物处理

通讯作者

林政达（哈尔滨工业大学环境学院）

研究方向：膜材料研发与应用、特种废水深度处理、环境功能材料、AI 赋能环境大数据、人工湿地设计与应用

文章导读

磺胺甲恶唑 (SMX) 是水环境中检出频率最高的抗生素之一，因其难降解、易蓄积且可能诱导耐药基因传播，传统生物处理往往难以有效去除。好氧颗粒污泥 (AGS) 凭借致密的分层结构、高生物量持留和耐冲击负荷能力，被视为处理抗生素废水的promising 平台；而将其与膜分离耦合形成的好氧颗粒污泥膜生物反应器 (AGMBR)，更可实现污泥停留时间 (SRT) 与水力停留时间 (HRT) 的解耦，进一步强化SMX 去除并稳定出水水质。

哈尔滨工业大学环境学院林政达老师团队系统综述了AGMBR 处理SMX 废水的最新进展与现存挑战，从SMX 在颗粒污泥中的赋存与衰减途径、关键运行参数调控、膜污染机制到未来强化策略进行了全面梳理，相关成果发表于MDPI Membranes 期刊。

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图1. 好氧颗粒污泥 (AGS) 内部分层结构示意

研究过程与结果

综述首先剖析了SMX 对颗粒污泥系统的多重影响。SMX 可抑制硝化菌等关键功能微生物的活性，导致污泥絮体解体、细胞破裂，并促使胞外聚合物 (EPS) 和可溶性微生物产物 (SMP) 分泌增加。这些变化不仅削弱颗粒结构完整性，还会提高细小颗粒和胶体物质含量，进而加剧膜面滤饼层形成和孔道堵塞，使跨膜压力上升。换言之，SMX 胁迫将颗粒稳定性与膜污染紧密耦合在一起。

在SMX 去除途径方面，研究团队将其归纳为三条协同路径：一是EPS 与颗粒内部的吸附分配，致密的颗粒结构延长了SMX 与活性细胞的接触时间；二是微生物生物降解与共代谢，颗粒内部分层形成的好氧—缺氧—厌氧微环境为多种功能菌群提供了生态位，可通过酶促转化或共代谢降解SMX；三是膜截留作用，膜屏障延长了有效接触时间并塑造了微生物生态。吸附、生物降解与膜截留三者共同决定了AGMBR 中SMX 的最终归趋。

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图2. 影响好氧颗粒污泥降解抗生素效率的关键因素

关键运行参数的调控是实现高效稳定运行的核心。溶解氧 (DO) 直接影响颗粒内分层结构和微生物代谢活性，过高则颗粒松散、过低则内部缺氧区扩大；水力剪切力决定颗粒粒径和形态，适度剪切有助于形成致密颗粒，但长期高剪切会破坏结构；有机负荷率 (OLR) 和C/N 比通过调控碳源供给和微生物群落组成影响降解效率，过低的C/N 会限制微生物生长代谢。此外，膜通量、曝气强度、膜类型与孔径等膜相关因素也通过改变剪切分布和生物量—膜接触频率共同影响处理性能与过程稳定性。

针对现存挑战，综述提出了多维度强化策略：通过优化颗粒培养条件和反应器 (膜组件) 设计，调控EPS 组成与颗粒粒径，实现扩散—反应耦合的优化；通过共代谢基质投加、功能菌群富集驯化和基因工程手段强化降解能力；引入蒙脱土等矿物添加剂抑制耐药基因 (ARG) 的产生与传播；并强调建立统一元数据的FAIR 数据集、整合多组学与反应输运模型构建数字孪生体，以实现性能预测与精准调控。

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图3. 提高好氧颗粒污泥处理抗生素废水效率的策略

研究总结

该综述系统阐明了AGMBR 处理SMX 废水的进展与挑战：SMX 通过抑制微生物活性、扰动颗粒结构和增加EPS/SMP 分泌，将颗粒稳定性与膜污染紧密关联；吸附、生物降解与共代谢、膜截留三条途径共同决定SMX 的衰减归趋；DO、OLR、C/N、剪切力和膜通量等参数协同调控去除效率与过程稳定性。当前仍存在转化产物 (TPs) 识别不足、ARG/MGE 风险不清、长期污染—生物降解交互作用缺乏认识以及中试验证缺失等关键空白。这项工作为AGMBR 从实验室走向实际抗生素废水处理提供了清晰的路线，也为兼顾高效去除与膜污染控制的一体化工艺设计指明了方向。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2077-0375/16/4/139