【資料圖】

摘要：膜生物反應器（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)境友好及可持續性等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。對MBR中減緩膜污染的生物控制方法進(jìn)行了系統分類(lèi)，重點(diǎn)介紹了群體感應與淬滅技術(shù)、能量解偶聯(lián)、生物酶法、NO誘導法、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用和進(jìn)展，并根據目前生物法存在的一些問(wèn)題對其未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。

膜污染機理十分復雜，顆粒、微生物、無(wú)機離子、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(lèi)，其中，物理法、化學(xué)法雖然仍是應用最為廣泛的膜污染減緩方法，但其高成本及長(cháng)期清洗對膜結構和性質(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、生物機理等方式去除膜污染物。在MBR運行過(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量和EPS的含量，保持膜完整的化學(xué)結構并恢復膜通量。為此，著(zhù)重介紹生物法減緩膜污染的最新研究進(jìn)展，總結不同生物法的技術(shù)原理、應用領(lǐng)域，并對其研究重點(diǎn)和方向進(jìn)行了展望。

膜污染機理十分復雜，顆粒、微生物、無(wú)機離子、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(lèi)，其中，物理法、化學(xué)法雖然仍是應用最為廣泛的膜污染減緩方法，但其高成本及長(cháng)期清洗對膜結構和性質(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、生物機理等方式去除膜污染物。在MBR運行過(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量和EPS的含量，保持膜完整的化學(xué)結構并恢復膜通量。為此，著(zhù)重介紹生物法減緩膜污染的最新研究進(jìn)展，總結不同生物法的技術(shù)原理、應用領(lǐng)域，并對其研究重點(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 群體感應與群體淬滅技術(shù)

① 群體感應（QS）技術(shù)

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

AHLs信號分子對群體感應調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MBR不同運行時(shí)間段的AHLs信號分子與膜污染之間的聯(lián)系進(jìn)行了探究。結果發(fā)現，MBR不同運行階段中微生物的群落結構存在差異，該差異可以改變起主要作用的信號分子的種類(lèi)和濃度，其中3種信號分子（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，從而導致膜生物污染。

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

② 群體淬滅(QQ)技術(shù)

QQ技術(shù)是在QS理論的基礎上發(fā)展起來(lái)的，主要通過(guò)抑制信號分子的產(chǎn)生、滅活信號分子和阻止信號分子與特異性受體結合三種方式來(lái)減少或消除細菌群落之間的聯(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，已被廣泛運用到MBR系統膜污染研究（見(jiàn)表1），主要使用一些群體淬滅劑（如QQ化合物、QQ 酶、QQ 細菌等）來(lái)減緩膜污染。

Jiang等在電極-膜生物反應器（EMBR）中投加QQ細菌ssn-2。結果表明，QQ細菌ssn-2有著(zhù)較好的膜污染減緩效果，在120 d的運行過(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MBR污泥活性的影響，在群體淬滅劑實(shí)際應用過(guò)程中，往往需要聯(lián)合固定化技術(shù)以達到穩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建QQ細菌的核殼結構，并將新構建的QQ小球投入MBR中。結果表明，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細菌；為保證QQ細菌的生物活性及減少其流失，開(kāi)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較少；現有研究中涉及的污水類(lèi)型多為生活污水或合成廢水，對其他污水類(lèi)型的適用性還需進(jìn)一步探討。

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

關(guān)鍵詞： MBR膜 MBR膜污染 污水處理