革新节能型废水处理技术：用于群体抑制（quorum quenching）工艺的3D打印珠子在MBR（膜生物反应器）中的应用

《Journal of Environmental Management》：Revolutionizing energy-efficient wastewater treatment: 3D-printed beads for quorum quenching MBRs

3D打印聚乳酸-罗德氏菌复合珠用于MBR生物污垢控制，60天试点显示跨膜压力累积减少65%，COD去除率稳定＞85%，MLVSS/MLSS比值提升， techno-economic分析表明可降低化学清洗和运营成本。

　　

Rabia Ardic-Demirbilekli|Oznur Vurgun|Muhammed Ahmet Demirbilekli|Ismail Koyuncu|Borte Kose-Mutlu

土耳其伊斯坦布尔技术大学环境工程系

摘要

膜生物反应器（MBR）由于其出水质量高和占地面积小而被广泛应用于市政污水处理；然而，其更广泛的推广受到严重膜污染的限制，这导致跨膜压（TMP）增加、能源需求提高以及频繁的化学清洗。在这项研究中，开发并评估了一种通过增材制造的三维（3D）打印群体淬灭（QQ）珠子作为创新的生物污染控制策略，用于长期试点规模的MBR处理实际市政废水。这些QQ珠子由机械强度高的3D打印聚乳酸（PLA）骨架构成，内部填充了固定了Rhodococcus sp. BH4的藻酸盐基质。系统性能在60天内进行了评估，并与未使用活性QQ介质的对照MBR进行了比较。结果显示，QQ-MBR的TMP增长明显减缓，累积污染负荷相对降低了约65%，同时保持了高且稳定的化学需氧量（COD）去除效率（>85%）。QQ-MBR中的生物量特性表现出更好的稳定性，表现为MLVSS/MLSS比率持续较高。技术经济分析表明，集成3D打印QQ珠子可以减少化学清洗需求和总体运营成本，而不会带来显著额外费用。总体而言，这些发现表明3D打印QQ珠子提供了一种耐用、可重复使用且经济可行的方法，有效减轻了生物污染，支持了基于群体淬灭的MBR技术的可扩展性。

引言

膜生物反应器（MBR）由于其出色的出水质量、紧凑的占地面积以及满足日益严格的废水排放和再利用法规的能力，已成为一种广泛采用的高级处理技术。然而，MBR的更广泛应用仍然受到膜污染的限制，膜污染会提高跨膜压（TMP），缩短膜寿命，并显著增加曝气需求、化学清洗频率和能源消耗（Deng等人，2016年）。群体淬灭（QQ）通过破坏基于自诱导剂的群体感应（QS）途径来实现，已成为一种有前景的生物抗污染策略，能够减少胞外聚合物物质（EPS）、可溶性微生物产物（SMP）和生物膜积累，而不影响生物处理效率（K?se-Mutlu等人，2019年；Cui等人，2021年）。许多研究证明了在各种介质中固定QQ细菌、QQ酶或群体感应抑制剂对MBR污染控制的有效性，包括早期的PVA或珠子基QQ介质（K?se-Mutlu等人，2016年）以及微生物-容器和旋转框架系统（Cheong等人，2014年；Erg?n-Can等人，2017年），突显了QQ在降低运营成本和延长膜性能方面的潜力。除了抑制生物膜外，最近的研究还表明，群体淬灭可以调节微生物酶活性并影响关键代谢途径。例如，有报道指出QQ驱动的代谢途径调节可以增强厌氧系统中的甲烷产生，这突显了其在生化水平上对生物过程效率的更广泛影响（An等人，2025年）。同样，QQ也被证明可以通过重塑微生物群落结构和抑制形成生物膜的人群来改善处理复杂废水流（如垃圾填埋场渗滤液）的MBR的污染控制和系统稳定性（Zhu等人，2025年）。这些发现表明，QQ不仅干扰群体感应信号，还影响生物处理系统内的微生物生态和代谢功能。因此，QQ策略的有效性与固定介质维持微生物活性、确保适当的质量传递以及在现实条件下保持长期运营稳定性的能力密切相关。

此外，另一项研究评估了在混合MBBR-MBR配置中的3D打印生物载体，结果表明载体几何形状显著影响生物膜发展和污染；然而，这些载体并非为群体淬灭设计，因此无法提供关于QQ特定固定性能的见解（Banti等人，2023年）。将QQ-MBR概念扩展到实验室系统之外的一个关键障碍是缺乏可扩展、可重复使用、机械耐用且几何优化的固定介质。历史上，QQ细菌被固定在藻酸盐或PVA基珠子上，这些珠子易于制备，但物理强度有限，在长期曝气下会分解，限制了其在试点规模系统中的使用（K?se-Mutlu等人，2016年；Kim等人，2013年，2025年）。后续研究探索了多孔聚合物载体、陶瓷基质和海绵基支架等固定结构，虽然提高了机械稳定性，但仍存在质量传递不一致、细菌分布不均和生物膜积累过多的问题，最终降低了QQ的效果（Cheong等人，2014年）。最近的方法将QQ试剂整合到纤维、片材和与膜相关的结构中，包括静电纺丝纳米纤维垫、表面功能化膜和封装的QQ-酶层，显示出增强的接触效率和持续活性（Pang等人，2023年；Pang等人，2024年）。然而，这些设计主要仍处于实验室规模，缺乏在试点或实际运营条件下的耐用性、长期性和成本效益。迄今为止，只有少数QQ-MBR研究报告了与现场相关的长期运营，且没有一种固定介质同时具备耐用性、可重复使用性、水力兼容性和制造可行性，这突显了需要创新制造策略（如增材制造）的必要性。

尽管已报告了几项试点规模的QQ-MBR研究，但它们的运营范围、持续时间和固定策略与本工作有很大不同。Kim等人（2025年）使用传统的固定QQ细菌成功进行了试点规模的QQ-MBR处理显示制造废水，但没有采用工程化的固定几何形状，也未进行技术经济分析。Jeong等人（2020年）研究了并行试点规模的QQ-MBR和非QQ-MBR中的生物膜元群落变化；然而，他们的实验仅限于非常短的运营期（4-8天），主要集中在微生物生态学上，而不是长期污染行为、能源影响或系统级性能。Lee等人（2016年）通过将实验室污染指标与全尺度能源模型相结合，提供了最早的与QQ-MBR运营相关的能源节省定量评估之一；然而，他们的系统仅依赖于珠子型QQ介质，没有在真实废水条件下评估结构优化或可重复使用的载体。尽管通过结合实验室和全尺度建模方法估计了能源节省，Lee等人（2016年）没有进行技术经济评估（TEA），包括资本支出/运营支出（CAPEX/OPEX）比较，也没有评估工程化或可重复使用的固定介质。虽然Pang等人（2023年）也采用了三维制造策略，但他们的静电纺丝QQ涂层直接应用于膜表面，并非作为机械强度高、可重复使用或水力优化的固定载体。因此，他们的研究没有解决工程化3D介质的设计-性能关系，也没有评估试点规模MBR的长期运营稳定性或技术经济可行性。此外，我们之前的研究使用传统的固定方法调查了QQ策略在MBR系统中减轻膜污染的效果，以及实验室规模的实验设置。虽然这些研究证实了QQ在减少EPS产生和生物膜形成方面的生物有效性，但也强调了与固定介质的机械耐用性和缺乏适合长期运营的可扩展载体设计相关的重要限制。这些限制促使开发了能够在现实运营条件下支持持续QQ活性的工程化固定结构。相比之下，本研究采用了专门设计的增材制造3D打印QQ珠子，以增强QQ活性、水力性能和结构耐用性，并在处理实际市政废水的长期试点规模MBR中对其进行了评估。通过结合实验污染抑制、污染物去除性能和介质稳定性结果，以及将试点规模数据外推到全尺度设计和运营的全面TEA，本研究首次展示了3D打印QQ珠子、持续试点规模运营以及量化的能源和成本影响。正如最近的评论所强调的（K?se-Mutlu等人，2019年；Xu等人，2024年），开发全尺度可行的QQ解决方案需要固定材料工程、运营优化和生命周期导向的经济评估的协调进展。本研究通过推进一种可制造、可重复使用且经济可行的QQ-MBR方法，为可扩展和节能的QQ-MBR技术做出了重要贡献。

试剂

Spectinomycin以粉末形式从Sigma-Aldrich（美国）购买，储存在4°C的黑暗环境中。四环素储溶液也以粉末形式提供（Sigma-Aldrich，美国），储存在-20°C。作为典型的信号分子，商业C8-HSL从Cayman（美国）购买，储存在-20°C。使用Merck（德国）提供的二甲基亚砜（DMF）制备后，X-Gal（5-溴-4-氯-3-吲哚基-β-D-半乳吡喃糖苷）被

3D打印QQ和对照珠子的制备

3D打印QQ珠子的制造和实施过程如图2所示。使用高精度的3D打印机成功生产了这些珠子，确保了批次间的形态一致性（图2a）。在实验室玻璃瓶中进行准备和调节后，将制造的珠子系统地引入试点规模的MBR罐中，以评估其在实际运行条件下的抗污染性能（图2b）。

3D打印藻酸盐珠子的活性

图3展示了

结论

MBR是市政废水处理的关键先进技术，但膜污染仍然限制了它们的能源效率和长期运营可靠性。群体淬灭已被广泛研究作为一种生物污染缓解策略；然而，从实验室概念到现场规模应用的转化受到缺乏机械强度高、可扩展且经济可行的固定介质的限制。本研究解决了

CRediT作者贡献声明

Rabia Ardic-Demirbilekli：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，调查，数据管理。Oznur Vurgun：调查。Muhammed Ahmet Demirbilekli：调查。Ismail Koyuncu：资源。Borte Kose-Mutlu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，方法论。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Borte Kose-Mutlu报告与土耳其科学技术研究委员会（TüB?TAK）的关系，包括资金资助。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了土耳其科学技术研究委员会（TüB?TAK）的财政支持，项目编号为121Y199。作者感谢Istanbul技术大学分子生物学和遗传学系的Betul Sayit在3D打印机制造珠子模型方面的支持，以及Istanbul技术大学MEMTEK研究中心的Batuhan Sadiksoz在活性污泥运输方面的协助。