【資料圖】

摘要：膜生物反應器（MBR）因占地面積小、剩余污泥產量少等諸多優點已被廣泛運用到水處理中，但膜污染所帶來的頻繁膜清洗和膜更換提高了MBR的實際運行成本，是制約其發展的主要因素。因此，大量研究致力于發展MBR膜污染的減緩方法，包括物理法、化學法和生物法等；其中，生物法由于具有成本低、環境友好及可持續性等優點而受到廣泛關注。對MBR中減緩膜污染的生物控制方法進行了系統分類，重點介紹了群體感應與淬滅技術、能量解偶聯、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展，并根據目前生物法存在的一些問題對其未來的研究方向進行了展望。

膜污染機理十分復雜，顆粒、微生物、無機離子、胞外聚合物（EPS）、可溶性微生物產物（SMP）等吸附或聚集在膜上都能促進膜的污染。減緩膜污染的方法大致可分為物理法、化學法、生物法三類，其中，物理法、化學法雖然仍是應用最為廣泛的膜污染減緩方法，但其高成本及長期清洗對膜結構和性質產生的損害等問題不容忽視。相比之下，具有成本低、環境友好且可持續性等優點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，保持膜完整的化學結構并恢復膜通量。為此，著重介紹生物法減緩膜污染的最新研究進展，總結不同生物法的技術原理、應用領域，并對其研究重點和方向進行了展望。

膜污染機理十分復雜，顆粒、微生物、無機離子、胞外聚合物（EPS）、可溶性微生物產物（SMP）等吸附或聚集在膜上都能促進膜的污染。減緩膜污染的方法大致可分為物理法、化學法、生物法三類，其中，物理法、化學法雖然仍是應用最為廣泛的膜污染減緩方法，但其高成本及長期清洗對膜結構和性質產生的損害等問題不容忽視。相比之下，具有成本低、環境友好且可持續性等優點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，保持膜完整的化學結構并恢復膜通量。為此，著重介紹生物法減緩膜污染的最新研究進展，總結不同生物法的技術原理、應用領域，并對其研究重點和方向進行了展望。

01 膜污染生物減緩方法研究進展

1.1 群體感應與群體淬滅技術

① 群體感應（QS）技術

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是指細菌間通過信號分子的傳遞進行交流，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：革蘭氏陰性菌種內交流的酰化高絲氨酸內酯（AHLs）、革蘭氏陽性菌種內寡肽類物質、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促進MBR膜表面生物膜的形成，從而加快膜污染過程。肖霄等對MBR不同運行時間段的AHLs信號分子與膜污染之間的聯系進行了探究。結果發現，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）分別促進了混合液SMP和EPS、混合液SMP和膜上EPS中蛋白質（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），發現信號分子的投加雖然促進了反應器內和膜絲表面的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作用，導致污泥中PN/PS比的改變，進而改變污泥性質，延長膜污染周期。然而，對其更進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

QQ技術是在QS理論的基礎上發展起來的，主要通過抑制信號分子的產生、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減少或消除細菌群落之間的聯系。目前，QQ技術是環境學領域的重點研究方向，已被廣泛運用到MBR系統膜污染研究（見表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有著較好的膜污染減緩效果，在120 d的運行過程中，EPS含量與AHLs濃度呈正相關。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，在群體淬滅劑實際應用過程中，往往需要聯合固定化技術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技術作為環境學領域的一個重點研究方向，正在快速發展。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，學者們正在探尋能夠產生QQ酶的QQ細菌；為保證QQ細菌的生物活性及減少其流失，開發了各種固定化技術（如QQ管束、QQ微球、QQ圓筒等）。但是QQ技術研究還存在一些問題，如QQ技術大部分研究集中在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型多為生活污水或合成廢水，對其他污水類型的適用性還需進一步探討。

信號分子是連接QS和QQ技術的橋梁，兩種技術最終通過直接或間接控制信號分子在反應器中的濃度來減緩膜污染。過低濃度的信號分子會降低污泥中微生物的活性，影響MBR出水水質；過高濃度的信號分子則會加速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，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技術展現出較好的膜污染控制效果，但其投入實際工程應用前仍有一些問題亟待去解決。

關鍵詞： MBR膜 MBR膜污染 污水處理