【資料圖】

摘要：膜生物反應(yīng)器（MBR）因占地面積小、剩余污泥產(chǎn)量少等諸多優(yōu)點(diǎn)已被廣泛運(yùn)用到水處理中，但膜污染所帶來(lái)的頻繁膜清洗和膜更換提高了MBR的實(shí)際運(yùn)行成本，是制約其發(fā)展的主要因素。因此，大量研究致力于發(fā)展MBR膜污染的減緩方法，包括物理法、化學(xué)法和生物法等；其中，生物法由于具有成本低、環(huán)境友好及可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。對(duì)MBR中減緩膜污染的生物控制方法進(jìn)行了系統(tǒng)分類，重點(diǎn)介紹了群體感應(yīng)與淬滅技術(shù)、能量解偶聯(lián)、生物酶法、NO誘導(dǎo)法、D-氨基酸抑制法、裂解與捕食六種生物法在MBR中減緩膜污染的最新應(yīng)用和進(jìn)展，并根據(jù)目前生物法存在的一些問(wèn)題對(duì)其未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。

膜污染機(jī)理十分復(fù)雜，顆粒、微生物、無(wú)機(jī)離子、胞外聚合物（EPS）、可溶性微生物產(chǎn)物（SMP）等吸附或聚集在膜上都能促進(jìn)膜的污染。減緩膜污染的方法大致可分為物理法、化學(xué)法、生物法三類，其中，物理法、化學(xué)法雖然仍是應(yīng)用最為廣泛的膜污染減緩方法，但其高成本及長(zhǎng)期清洗對(duì)膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生的損害等問(wèn)題不容忽視。相比之下，具有成本低、環(huán)境友好且可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)的生物法可能是一種更好的選擇。生物法主要是借助生物、生物酶、生物機(jī)理等方式去除膜污染物。在MBR運(yùn)行過(guò)程中，采用生物法減緩膜污染可以有效降低膜上微生物數(shù)量和EPS的含量，保持膜完整的化學(xué)結(jié)構(gòu)并恢復(fù)膜通量。為此，著重介紹生物法減緩膜污染的最新研究進(jìn)展，總結(jié)不同生物法的技術(shù)原理、應(yīng)用領(lǐng)域，并對(duì)其研究重點(diǎn)和方向進(jìn)行了展望。

膜污染機(jī)理十分復(fù)雜，顆粒、微生物、無(wú)機(jī)離子、胞外聚合物（EPS）、可溶性微生物產(chǎn)物（SMP）等吸附或聚集在膜上都能促進(jìn)膜的污染。減緩膜污染的方法大致可分為物理法、化學(xué)法、生物法三類，其中，物理法、化學(xué)法雖然仍是應(yīng)用最為廣泛的膜污染減緩方法，但其高成本及長(zhǎng)期清洗對(duì)膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生的損害等問(wèn)題不容忽視。相比之下，具有成本低、環(huán)境友好且可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)的生物法可能是一種更好的選擇。生物法主要是借助生物、生物酶、生物機(jī)理等方式去除膜污染物。在MBR運(yùn)行過(guò)程中，采用生物法減緩膜污染可以有效降低膜上微生物數(shù)量和EPS的含量，保持膜完整的化學(xué)結(jié)構(gòu)并恢復(fù)膜通量。為此，著重介紹生物法減緩膜污染的最新研究進(jìn)展，總結(jié)不同生物法的技術(shù)原理、應(yīng)用領(lǐng)域，并對(duì)其研究重點(diǎn)和方向進(jìn)行了展望。

01 膜污染生物減緩方法研究進(jìn)展

1.1 群體感應(yīng)與群體淬滅技術(shù)

① 群體感應(yīng)（QS）技術(shù)

20世紀(jì)70年代，細(xì)菌細(xì)胞間存在交流首次被報(bào)道，但直至1994年才提出QS概念。QS是指細(xì)菌間通過(guò)信號(hào)分子的傳遞進(jìn)行交流，根據(jù)其濃度的變化調(diào)控微生物的群體行為，如胞外多糖的合成和分泌、細(xì)菌的聚集、生物膜的形成、抗性基因的表達(dá)等。該信號(hào)分子大致分為三類：革蘭氏陰性菌種內(nèi)交流的?；呓z氨酸內(nèi)酯（AHLs）、革蘭氏陽(yáng)性菌種內(nèi)寡肽類物質(zhì)、種間交流的AI-2型群體感應(yīng)信號(hào)分子。其中，對(duì)AHLs信號(hào)分子的研究最為廣泛和深入。

AHLs信號(hào)分子對(duì)群體感應(yīng)調(diào)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號(hào)分子的投加會(huì)促進(jìn)MBR膜表面生物膜的形成，從而加快膜污染過(guò)程。肖霄等對(duì)MBR不同運(yùn)行時(shí)間段的AHLs信號(hào)分子與膜污染之間的聯(lián)系進(jìn)行了探究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MBR不同運(yùn)行階段中微生物的群落結(jié)構(gòu)存在差異，該差異可以改變起主要作用的信號(hào)分子的種類和濃度，其中3種信號(hào)分子（C8-HSL、3-oxo-C8-HSL和3-oxo-C6-HSL）分別促進(jìn)了混合液SMP和EPS、混合液SMP和膜上EPS中蛋白質(zhì)（PN）的形成，從而導(dǎo)致膜生物污染。

然而，張楠等的研究表明，信號(hào)分子的投加可以延長(zhǎng)膜污染周期。他們向MBR自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)中投加不同濃度的信號(hào)分子C8-HSL（2、5、6 μmol/L），發(fā)現(xiàn)信號(hào)分子的投加雖然促進(jìn)了反應(yīng)器內(nèi)和膜絲表面的EPS的分泌，但其膜污染周期隨著C8-HSL濃度的增加從14 d分別延長(zhǎng)到20、23和25 d。其原因可能是信號(hào)分子對(duì)污泥中PN和多糖（PS）的形成具有不同的促進(jìn)作用，導(dǎo)致污泥中PN/PS比的改變，進(jìn)而改變污泥性質(zhì)，延長(zhǎng)膜污染周期。然而，對(duì)其更進(jìn)一步的減緩膜污染的機(jī)理尚不清楚，仍需深入探討。

② 群體淬滅(QQ)技術(shù)

QQ技術(shù)是在QS理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要通過(guò)抑制信號(hào)分子的產(chǎn)生、滅活信號(hào)分子和阻止信號(hào)分子與特異性受體結(jié)合三種方式來(lái)減少或消除細(xì)菌群落之間的聯(lián)系。目前，QQ技術(shù)是環(huán)境學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向，已被廣泛運(yùn)用到MBR系統(tǒng)膜污染研究（見(jiàn)表1），主要使用一些群體淬滅劑（如QQ化合物、QQ 酶、QQ 細(xì)菌等）來(lái)減緩膜污染。

Jiang等在電極-膜生物反應(yīng)器（EMBR）中投加QQ細(xì)菌ssn-2。結(jié)果表明，QQ細(xì)菌ssn-2有著較好的膜污染減緩效果，在120 d的運(yùn)行過(guò)程中，EPS含量與AHLs濃度呈正相關(guān)。此外，為了減少群體淬滅劑的流失以及降低其對(duì)MBR污泥活性的影響，在群體淬滅劑實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，往往需要聯(lián)合固定化技術(shù)以達(dá)到穩(wěn)定的膜污染減緩效果。楊瑩選用了殼聚糖、聚丙烯腈兩種材料外裹海藻酸鈉共同構(gòu)建QQ細(xì)菌的核殼結(jié)構(gòu)，并將新構(gòu)建的QQ小球投入MBR中。結(jié)果表明，該QQ小球能明顯抑制膜組件上生物膜的形成，降低MBR中EPS含量，從而減緩膜污染。

目前，QQ技術(shù)作為環(huán)境學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)研究方向，正在快速發(fā)展。例如，為克服群體淬滅劑中QQ化合物、QQ酶存在的成本高、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，學(xué)者們正在探尋能夠產(chǎn)生QQ酶的QQ細(xì)菌；為保證QQ細(xì)菌的生物活性及減少其流失，開發(fā)了各種固定化技術(shù)（如QQ管束、QQ微球、QQ圓筒等）。但是QQ技術(shù)研究還存在一些問(wèn)題，如QQ技術(shù)大部分研究集中在MBR工藝上，在其他生物處理工藝中的研究相對(duì)較少；現(xiàn)有研究中涉及的污水類型多為生活污水或合成廢水，對(duì)其他污水類型的適用性還需進(jìn)一步探討。

信號(hào)分子是連接QS和QQ技術(shù)的橋梁，兩種技術(shù)最終通過(guò)直接或間接控制信號(hào)分子在反應(yīng)器中的濃度來(lái)減緩膜污染。過(guò)低濃度的信號(hào)分子會(huì)降低污泥中微生物的活性，影響MBR出水水質(zhì)；過(guò)高濃度的信號(hào)分子則會(huì)加速EPS的形成，加劇膜污染。因此，在投加信號(hào)分子或群體淬滅劑時(shí)，應(yīng)注意將反應(yīng)器內(nèi)的信號(hào)分子控制在安全濃度范圍內(nèi)。目前，QS和QQ技術(shù)展現(xiàn)出較好的膜污染控制效果，但其投入實(shí)際工程應(yīng)用前仍有一些問(wèn)題亟待去解決。

關(guān)鍵詞： MBR膜 MBR膜污染 污水處理