生物法减缓MBR膜污染的研究进展

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。能量解偶联是通过外部条件的改变抑制ATP的合成，从而使ATP储量无法为微生物生长提供必需的能量，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，能量解偶联理论上是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。

近年来的一些研究表明，解偶联剂可有效抑制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，从而抑制生物膜的形成。赵迎雪使用重力流膜生物反应器（GDMBR），探究TCS对膜污染的减缓效果。实验结果表明，TCS的投加能够降低污泥混合液及膜上EPS的含量，显著减小MBR运行过程中膜的总阻力、滤饼层阻力及膜孔堵塞阻力，并在一定程度上增加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）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）会促使污泥释放更多的SMP，进而显著提高滤饼阻力，加剧膜污染；高投加量（45mg/gVSS）则会抑制EPS中PN和PS的释放，有效减缓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（10～30mg/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（50mg/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时应注意以下问题：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 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）中或固定在膜上，以探究其减缓膜污染的效果。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，且运行20d后，两者之间的TMP差值稳定在10kPa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表现出较好的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，但相比物理法、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。

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有效分离膜表面生物膜。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及生物膜分离方面有着较好的效果。该研究为减缓MBR膜生物污染提供了一条新途径。

此外，为了精准、稳定地酶解MBR膜表面的EPS，在实际应用中通常将生物酶固定化。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的EPS。研究结果表明，运行3h后磁酶-磁膜MBR的TMP增长速率远远小于对照组MBR；运行24h后，对照组MBR的TMP为24.3kPa，而磁酶-磁膜MBR的TMP仅为9.7kPa。此外，Bilad等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降到15.3kPa。以上研究表明，BsXynA可以有效降解膜表面的污染物，阻止TMP的快速上升，进而实现膜污染的显著缓解。

作为一种微量、高效的催化剂，低浓度的生物酶就能有效减缓MBR膜污染。生物酶法减缓膜污染的优势在于生物酶对MBR中功能微生物无毒害作用，在不产生二次污染的同时，还能保持微生物的活性。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其大规模应用的一个重要因素。

1.4 NO诱导法

NO是生物系统中广泛存在的信号分子，它能够诱导生物膜扩散并改变其生长方式，使生物膜向游离状态改变。NO诱导法的原理是通过NO促进生物膜游离基因的表达，即通过刺激磷酸二酯酶的活性以及环二鸟苷酸（c-di-GMP）的降解来诱导生物膜的扩散，进而减缓膜污染。

NO在减缓膜污染以及改变微生物生长方式方面具有应用前景，但是NO的低溶解性、易氧化的特点阻碍了其在膜污染减缓中的直接应用。因此，为克服以上缺点，大量研究使用NO供体化合物（如硝普酸钠、亚硝酸钠、林西多明、MAHMA-NONOate等）以实现NO的持续供给，达到与直接通入NO相同的效果，进而实现膜污染的缓解（见表2）。

编辑：赵凡