生物法减缓MBR膜污染的研究进展

摘要：膜生物反应器（MBR）因占地面积小、剩余污泥产量少等诸多优点已被广泛运用到水处理中，但膜污染所带来的频繁膜清洗和膜更换提高了MBR的实际运行成本，是制约其发展的主要因素。因此，大量研究致力于发展MBR膜污染的减缓方法，包括物理法、化学法和生物法等；其中，生物法由于具有成本低、环境友好及可持续性等优点而受到广泛关注。对MBR中减缓膜污染的生物控制方法进行了系统分类，重点介绍了群体感应与淬灭技术、能量解偶联、生物酶法、NO诱导法、D-氨基酸抑制法、裂解与捕食六种生物法在MBR中减缓膜污染的最新应用和进展，并根据目前生物法存在的一些问题对其未来的研究方向进行了展望。

膜污染机理十分复杂，颗粒、微生物、无机离子、胞外聚合物（EPS）、可溶性微生物产物（SMP）等吸附或聚集在膜上都能促进膜的污染。减缓膜污染的方法大致可分为物理法、化学法、生物法三类，其中，物理法、化学法虽然仍是应用最为广泛的膜污染减缓方法，但其高成本及长期清洗对膜结构和性质产生的损害等问题不容忽视。相比之下，具有成本低、环境友好且可持续性等优点的生物法可能是一种更好的选择。生物法主要是借助生物、生物酶、生物机理等方式去除膜污染物。在MBR运行过程中，采用生物法减缓膜污染可以有效降低膜上微生物数量和EPS的含量，保持膜完整的化学结构并恢复膜通量。为此，着重介绍生物法减缓膜污染的最新研究进展，总结不同生物法的技术原理、应用领域，并对其研究重点和方向进行了展望。

膜污染机理十分复杂，颗粒、微生物、无机离子、胞外聚合物（EPS）、可溶性微生物产物（SMP）等吸附或聚集在膜上都能促进膜的污染。减缓膜污染的方法大致可分为物理法、化学法、生物法三类，其中，物理法、化学法虽然仍是应用最为广泛的膜污染减缓方法，但其高成本及长期清洗对膜结构和性质产生的损害等问题不容忽视。相比之下，具有成本低、环境友好且可持续性等优点的生物法可能是一种更好的选择。生物法主要是借助生物、生物酶、生物机理等方式去除膜污染物。在MBR运行过程中，采用生物法减缓膜污染可以有效降低膜上微生物数量和EPS的含量，保持膜完整的化学结构并恢复膜通量。为此，着重介绍生物法减缓膜污染的最新研究进展，总结不同生物法的技术原理、应用领域，并对其研究重点和方向进行了展望。

01 膜污染生物减缓方法研究进展

1.1 群体感应与群体淬灭技术

① 群体感应（QS）技术

20世纪70年代，细菌细胞间存在交流首次被报道，但直至1994年才提出QS概念。QS是指细菌间通过信号分子的传递进行交流，根据其浓度的变化调控微生物的群体行为，如胞外多糖的合成和分泌、细菌的聚集、生物膜的形成、抗性基因的表达等。该信号分子大致分为三类：革兰氏阴性菌种内交流的酰化高丝氨酸内酯（AHLs）、革兰氏阳性菌种内寡肽类物质、种间交流的AI-2型群体感应信号分子。其中，对AHLs信号分子的研究最为广泛和深入。

AHLs信号分子对群体感应调控的生物膜形成具有重要作用，目前的研究大都表明外源信号分子的投加会促进MBR膜表面生物膜的形成，从而加快膜污染过程。肖霄等对MBR不同运行时间段的AHLs信号分子与膜污染之间的联系进行了探究。结果发现，MBR不同运行阶段中微生物的群落结构存在差异，该差异可以改变起主要作用的信号分子的种类和浓度，其中3种信号分子（C8-HSL、3-oxo-C8-HSL和3-oxo-C6-HSL）分别促进了混合液SMP和EPS、混合液SMP和膜上EPS中蛋白质（PN）的形成，从而导致膜生物污染。

然而，张楠等的研究表明，信号分子的投加可以延长膜污染周期。他们向MBR自养脱氮系统中投加不同浓度的信号分子C8-HSL（2、5、6 μmol/L），发现信号分子的投加虽然促进了反应器内和膜丝表面的EPS的分泌，但其膜污染周期随着C8-HSL浓度的增加从14 d分别延长到20、23和25 d。其原因可能是信号分子对污泥中PN和多糖（PS）的形成具有不同的促进作用，导致污泥中PN/PS比的改变，进而改变污泥性质，延长膜污染周期。然而，对其更进一步的减缓膜污染的机理尚不清楚，仍需深入探讨。

② 群体淬灭(QQ)技术

QQ技术是在QS理论的基础上发展起来的，主要通过抑制信号分子的产生、灭活信号分子和阻止信号分子与特异性受体结合三种方式来减少或消除细菌群落之间的联系。目前，QQ技术是环境学领域的重点研究方向，已被广泛运用到MBR系统膜污染研究（见表1），主要使用一些群体淬灭剂（如QQ化合物、QQ 酶、QQ 细菌等）来减缓膜污染。

Jiang等在电极-膜生物反应器（EMBR）中投加QQ细菌ssn-2。结果表明，QQ细菌ssn-2有着较好的膜污染减缓效果，在120 d的运行过程中，EPS含量与AHLs浓度呈正相关。此外，为了减少群体淬灭剂的流失以及降低其对MBR污泥活性的影响，在群体淬灭剂实际应用过程中，往往需要联合固定化技术以达到稳定的膜污染减缓效果。杨莹选用了壳聚糖、聚丙烯腈两种材料外裹海藻酸钠共同构建QQ细菌的核壳结构，并将新构建的QQ小球投入MBR中。结果表明，该QQ小球能明显抑制膜组件上生物膜的形成，降低MBR中EPS含量，从而减缓膜污染。

目前，QQ技术作为环境学领域的一个重点研究方向，正在快速发展。例如，为克服群体淬灭剂中QQ化合物、QQ酶存在的成本高、稳定性差等缺点，学者们正在探寻能够产生QQ酶的QQ细菌；为保证QQ细菌的生物活性及减少其流失，开发了各种固定化技术（如QQ管束、QQ微球、QQ圆筒等）。但是QQ技术研究还存在一些问题，如QQ技术大部分研究集中在MBR工艺上，在其他生物处理工艺中的研究相对较少；现有研究中涉及的污水类型多为生活污水或合成废水，对其他污水类型的适用性还需进一步探讨。

信号分子是连接QS和QQ技术的桥梁，两种技术最终通过直接或间接控制信号分子在反应器中的浓度来减缓膜污染。过低浓度的信号分子会降低污泥中微生物的活性，影响MBR出水水质；过高浓度的信号分子则会加速EPS的形成，加剧膜污染。因此，在投加信号分子或群体淬灭剂时，应注意将反应器内的信号分子控制在安全浓度范围内。目前，QS和QQ技术展现出较好的膜污染控制效果，但其投入实际工程应用前仍有一些问题亟待去解决。

编辑：赵凡