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，生物法由于其具有低成本、环境友好及可持续性等优点而被广泛关注。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猝灭技术、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。

关键词：

       膜生物反应器；膜污染；生物法；EPS

 

       膜生物反应器(MBR)结合了膜分离技术与生物处理技术，是替代传统二沉池进行泥水分离的一种工艺。相较于传统二沉池，MBR 具有占地面积小、结构简单、剩余污泥少、耐冲击负荷等优势，在实际污水处理中的应用日益广泛。然而，膜污染仍是阻碍其更广泛和大规模应用的主要问题。膜污染的机理十分复杂，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。MBR 运行过程中膜污染的存在会增加跨膜压差(TMP)，降低膜通量。因此，如何减缓膜污染成为了众多学者研究的重点。

       减缓膜污染的方法大致可分为物理法、化学法、生物法三类。物理法是通过膜与污染物间的相对运动使污染物从膜上去除的过程，包括曝气、反冲洗、机械振动等；化学法主要是化学清洗，采用酸、碱、表面活性剂等试剂对膜上污染物进行去除，还可以采用一些化学试剂对膜进行改性。目前，物理、化学法仍是应用最为广泛的膜污染减缓方法，但其高成 本及长期清洗会对膜的结构和性质产生损害等问题不容忽视。相比之下，具有低成本、环境友好且可持续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，总结群体感应(QS)与群体猝灭(QQ)技术、能量解偶联、生物酶法、NO 诱导法、D–氨基酸(DAA)抑制法、裂解与捕食六种生物法的技术原理、应用领域，并对该方法的研究重点和方向进行了展望。

1     膜污染生物减缓方法研究进展

       生物法在控制膜污染方面展现出了较好的效果，其主要是通过阻断生物膜的形成或降解生物膜形成所需的重要物质来减缓膜污染。近年来，生物法作为一种可持续的实际应用策略已经受到了极大的关注。因此，对不同膜污染生物减缓方法进行了总结，并对其优缺点、适用场合等进行了比较（见表 1）。相较于其他生物方法，QQ 技术、能量解偶联、生物酶法、NO 诱导法更具有发展前景。

1.1    群体感应与群体猝灭技术

1.1.1 群体感应技术

         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 的概念。QS 感应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)。该信号分子可大致分为三类：革兰氏阴性菌种内交流的酰化高丝氨酸内酯(AHL)、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[1]。其中，对 AHLs 信号分子研究最为广泛和深入，其主要结构见图 1。

          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[5]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 自养脱氮系统投加了不同浓度的信号分子 C8–HSL(2、5、6 μmol/L)，结果发现，虽然信号分子的投加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 14d 分别延长到了 20、23 和 25 d。其原因可能是信号分子对污泥中 PN 和多糖(PS)促进作用的差异，导致污泥中 PN/PS 的改变，进而改变污泥性质，延长膜污染周期。而对于其更深一步的减缓膜污染的机理尚不清楚，仍需进一步探讨。

1.1.2  群体猝灭技术

         QQ 技术是在 QS 理论的基础之上发展起来的，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，图 2展示了 QS 理论技术路线及 QQ 技术的三种实现途径。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 系统中膜污染的研究(见表 2)，

       其主要通过使用一些群体猝灭剂(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，为了减少群体猝灭剂的流失以及降低其对 MBR 污泥活性的影响，在群体猝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，为克服群体猝灭剂中 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，各种固定化技术（如 QQ管束、QQ 微球、QQ 圆筒等）已被开发出来。此外，目前关于 QQ 技术研究同样存在一些问题，如 QQ 技术大部分研究集中在 MBR 工艺，其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废水或合成废水，对于其他污水类型的适用性还需进一步的探讨。

        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猝灭剂时，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技术展现了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。1.2 能量解偶联微生物的生理行为与代谢密切相关，正常情况下微生物代谢氧化与磷酸化相互偶联。能量解偶联是在外部条件改变下，通过抑制 ATP 的合成从而使 ATP 储量无法为微生物生长提供所必需的能量，导致分解代谢与合成代谢相分离的过程。能量代谢是 MBR 中生物膜形成的重要影响因素，能量解偶联理论通过添加解偶联剂抑制细菌的能量合成进而减缓 MBR 膜上生物膜的形成。细菌分解代谢、合成代谢与生物膜形成之间的关系如图 3 所示。

       近年来的一些研究表明，解偶联剂可以有效抑制 MBR 系统中膜组件表面生物膜的形成以及减少 MBR 中 EPS 的含量。Feng 等在解偶联剂 3,3',4',5-四氯水杨酰苯胺(TCS)抑制枯草芽孢杆菌生物膜形成的机理研究中发现，TCS 通过抑制细菌活性和减少细菌 EPS 的分泌从而抑制的生物膜形成。赵迎雪运行重力流膜生物反应器(GDMBR)，探究 TCS 对于膜污染的减缓效果。实验结果发现，TCS 的投加能够降低污泥混合液及膜上 EPS 含量，能够显著降低 MBR 运行过程中膜的总阻力、滤饼层阻力及膜孔堵塞阻力，并能一定程度上增加GDMBR 的出水通量。因此，TCS 可以有效减缓膜污染。

        解偶联剂的投加量对膜污染的减缓效果具有重要影响。Ding 等探究了不同浓度的解偶联剂 2,4 二硝基苯酚(DNP)(0、15、30 和 45 mg/gVSS)对 MBR 膜污染减缓效果的影响。结果表明，不同的 DNP 投加量对膜的污染速率有一定影响；与对照组相比，低投加量(15、30mg/gVSS)污泥会释放更多的 SMP，进而显著提高滤饼阻力，加剧膜污染；高投加量(45 mg/g VSS)则抑制了 EPS 中蛋白质和多糖的释放，有效减缓了膜表面滤饼层的形成。Ding 等还研究了不同浓度 TCS 的投加对 GDMBR 膜污染的影响。他们发现，适宜剂量(10～30 mg/L) 的 TCS 抑制了细菌 ATP 的合成，降低了污泥和 EPS 的产生量；而高剂量(50 mg/L)的 TCS会破坏污泥絮凝体，使更多的细小污泥和 SMP 释放出来并在膜上形成致密的滤饼层，加剧膜污染。因此，不同种类、不同剂量的解偶联剂对膜污染的减缓效果存在差异，这可能与解偶联剂抑制细菌的活性程度有关。

        投加解偶联剂操作简便、成本较低，但利用能量解偶联减缓膜污染应注意以下问题：①目前常见的解偶联剂大都是含有苯环的化合物，对 MBR 中的微生物具有毒害作用，故要控制其在反应器中的浓度；②高浓度的解偶联剂会抑制细菌的活性，反应器中可能会出现污泥浓度降低，出水水质变差的情况；③相关研究周期较短，不能很好地说明解偶联剂长期减缓MBR 膜污染的效果。

1.3   生物酶法

        近年来，应用生物酶法减缓 MBR 膜污染的研究越来越多。生物酶法减缓膜污染的机理一方面是利用对大分子有亲 和力的细胞壁水解酶来促进细胞降解，通过改变膜上生物膜的结构来减缓膜污染；另一方面是通过生物酶对反应器中的 EPS 进行降解，破坏 EPS 的稳定性进而实现膜污染的缓解。

1.3.1  水解细胞壁

         通过补充细胞壁水解酶，可以减少生物膜 EPS 和 SMP 的数量，简化生物膜结构，从而减缓膜污染并改善膜性能。其中，蛋白酶和淀粉酶均有展现较好的膜污染控制效果，溶菌酶也早在 1992 年就被发现具备溶解细菌细胞壁的作用。

        Wong 等将含有蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的水解酶分别投加到厌氧膜生物反应器(AnMBR)中和固定在膜上来探究膜污染减缓的效果。结果表明，分散和固定化酶通过水解作用限制了滤饼层的形成，减缓了膜污染。但在近一个月的 MBR 运行过程中，投加分散酶的 MBR 的 TMP 始终小于固定化酶的 MBR，且 MBR 运行 20 d 过后，两者之间 TMP 差值稳定在 10 kPa 左右，这主要是由于固定化酶和蛋白质水解产物增加了膜的凝胶阻力。虽然酶的两种投加方式均展现了较好的 MBR 膜污染减缓效果，且分散水解酶的性能比固定化水解酶更高，但相比物理、化学法减缓膜污染而言，两种投加方式都还有进一步增强的潜力。

1.3.2   酶解 EPS

           EPS 主要由多糖、蛋白质、核酸、脂质和腐殖质等多种物质组成，是生物膜的重要组成部分。当微生物细胞停留在 MBR 膜表面一段时间后，会产生 EPS 促使更多的微生物吸附在膜表面上，形成生物膜并加剧膜污染。

早在 2003 年，Loiselle 等就发现投加生物酶能够有效的分离膜表面生物膜。蛋白酶 K、胰蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶、艾威蛋白酶、木瓜蛋白酶等酶都能成功降解和分离生物膜，其中枯草杆菌蛋白酶在防止生物附着以及生物膜分离方面有着最好的效果。该研究为减缓MBR 膜生物污染提供了一条新的途径。

       此外，为了能够精准、稳定的酶解 MBR 膜表面 EPS，生物酶在 MBR 实际运用前可以将其进行固定化。目前，较为新颖的固定化方法是将生物酶固定到纳米级磁性颗粒(MNP)表面。MNP 具有较大的比表面积，能够固定化更多的酶，在外部磁场作用下生物酶也易从反应器中分离。Bilad 等将 BsXynA(一种木聚糖酶)与 MNP 耦合，通过磁力将 BsXynA 吸引到 MBR 磁膜表面，以此来持续去除膜表面 EPS。结果表明，运行 3 h 后磁酶–磁膜 MBR的 TMP 增长速率远远小于对照组 MBR；运行 24 h 后，对照组 MBR 的 TMP 为 24.3 kPa， 而磁酶–磁膜 MBR 的 TMP 仅为 9.7 kPa。此外，Bilad 等[4]还将两张污染膜进行了对换，一段时间后磁酶–磁膜 MBR 的 TMP 从 25 kPa 下降到了 15.3 kPa。以上研究表明，BsXynA 可以有效降解膜表面污染物，阻止 TMP 的快速上升，进而实现膜污染的显著缓解。

         生物酶是一种微量、高效的催化剂，低浓度的生物酶能够有效减缓 MBR 膜污染。生物酶法减缓膜污染的优势在于生物酶对 MBR 中功能微生物没有毒害作用，其在不产生二次污染的同时，还可以保持微生物的活性。但是，生物酶法对膜污染的减缓效果会受到温度、pH等外部条件的制约；另外，生物酶的成本问题也是阻碍生物酶法大规模运用到膜污染防治的一个重要因素。

 

 

原标题：生物法减缓 MBR 膜污染的研究进展

原作者：毛鑫，张冰，唐和礼，申渝，时文歆