生物法减缓MBR膜污染的研究进展

Barnes等采用铜绿假单胞菌（PAO1）模拟膜污染微生物，探究NO供体化合物的投加在减缓膜污染方面的机理。研究发现，在三种供体化合物中MAHMA-NONOate是最佳的NO供体化合物，低浓度的MAHMA-NONOate 能够有效抑制单种、多种混合微生物的膜污染。同时，还指出生物膜的扩散与细菌和EPS的减少紧密相关。Oh等探究了半衰期较长的NO供体化合物（DETA-NONOate）的投加对膜表面细菌群落和生物膜扩散的影响。研究表明，在不降低过滤性能的前提下，投加DETA-NONOate可以减缓TMP的增长速率。此外，对膜表面细菌群落特征的鉴定结果表明，DETA-NONOate的投加对生物膜细菌群落没有选择性偏差。

以上研究表明，NO诱导法不仅可以有效减缓MBR中生物膜的生长，其在微生物群落结构的优化方面也具有重要作用。与能量解偶联相比，NO诱导法在有效减缓膜污染的同时，不会对微生物产生毒害效应，不会影响整个MBR系统的处理效能；但NO诱导法目前仍停留在实验室研究阶段，需要更多的理论和实践支撑其实际运用。

1.5 D-氨基酸(DAA)抑制法

DAA抑制法是通过DAA改变肽聚糖层的结构以及干扰蛋白质的合成，从而抑制MBR中生物膜的生长。DAA能够被各种细菌合成和释放，且自身亲水性较强，难以被细菌降解，因此使用DAA减缓膜污染是一种多来源、低成本的生物方法。Hochbaum等对膜表面生物膜的形成以及DAA对生物膜的作用机理进行了研究，指出膜表面生物膜的形成大致可分为两个阶段，即生物膜最初小部分聚集附着在膜表面，随后逐渐成长为大型聚集体，形成生物膜；投加DAA对膜污染的减缓作用不是通过阻止最初微生物细胞的表面附着，而是抑制了后阶段生物膜中蛋白质组分的积累。该研究不仅说明DAA的投加能有效防止生物膜的生长，还表明在膜表面微生物附着的后一阶段投加DAA效果更好。

Wang等探究了不同种类的DAA减缓膜生物污染的作用机制是否存在差异性。研究表明，三种DAA均能通过抑制革兰氏阳性菌（G+）和革兰氏阴性菌（G-）细菌的吸附，降低聚醚砜膜上的胞外多糖和蛋白质含量来减缓膜生物污染。这表明上述不同种类的DAA减缓膜生物污染的机理大致相同。然而，单独使用DAA抑制法减缓膜生物污染存在着DAA的不稳定、控制效率低等问题。Guo等将DAA固定到由多巴胺改性的埃洛石纳米管上制备了一种新型纳米复合材料，并利用该材料制备了一种改性膜。该纳米复合材料改性膜不仅保证了DAA的活性稳定，提高了膜的长期抗生物污染能力，还具有较好的过滤和机械性能。因此，固定化技术是一种较好的维持DAA稳定性的途径。

DAA是一种低成本、环境友好的抑制剂，但是存在不稳定的问题。此外，目前关于DAA减缓MBR膜污染的相关研究较少，DAA复杂的作用机制及其浓度对微生物和MBR运行效能的影响等问题还需要不断探索和解决。

1.6 裂解与捕食法

① 噬菌体裂解法

近年来，噬菌体裂解法在膜污染减缓方面的应用受到了广泛关注。该法通过噬菌体特异性识别、感染和裂解细菌，从而使生物膜不断分解。Bhattacharjee等从某污水厂中分离出一种溶菌噬菌体，并将其投加至MBR系统中。在投加该溶菌噬菌体后，膜上大量的生物膜开始分解消失，最终膜通量恢复到原来的78%。该项研究虽然表现出噬菌体在减缓膜生物污染方面的巨大潜力，但在细菌和噬菌体的长久对抗过程中，某些细菌可能会对特定的噬菌体免疫，单种噬菌体也许不能取得理想的膜污染减缓效果。

噬菌体鸡尾酒（Pyophage cocktail）技术是一种基于噬菌体控制膜生物污染的新方法，其本质是选用不同种类的噬菌体共同去除污染膜上的微生物。Aydin等采用MBR处理含红霉素、四环素和磺胺甲恶唑等高浓度制药废水，并探究Pyophage cocktail技术对膜污染的减缓效果。研究发现，反应器运行22 d后，与对照MBR相比，采用Pyophage cocktail技术的MBR的TMP显著降低了18.4 kPa。另外，微生物分析结果也表明Pyophage cocktail的生物强化作用对生物膜的分解具有积极的影响。

Pyophage cocktail技术解决了单种类噬菌体可能被细菌免疫的问题，在减缓膜污染方面为噬菌体裂解法提供了一条新的途径。目前，噬菌体裂解法的研究还处于探索阶段，噬菌体的投加量对MBR运行的影响及噬菌体的回收利用等问题需进一步探索。

② 原生、后生动物捕食法

大多数的物理法和化学法减缓膜污染都是从防止生物膜附着在膜表面或使生物膜从膜表面脱离这两个角度来考虑的，但是利用原生动物和后生动物捕食法减缓膜污染，不仅可以保留膜表面的生物膜，还可以提高膜的渗透性。Derlon等发现在没有生物捕食的情况下，膜表面会形成致密扁平的生物膜，大幅降低膜通量。生物的捕食会改变膜上生物膜的结构，提高膜通量。在捕食动物存在的情况下，反应器膜通量约为10L/（m2·h），而在没有捕食的情况下监测到的膜通量仅为5L/（m2·h）。

近年来，有关原生、后生动物中蠕虫减缓MBR膜污染的报道越来越多，蠕虫可通过捕食作用吞食微生物，减少回流污泥产量，进而减缓膜污染。Liu等研究了MBR与蠕虫反应器（SSBWR）组合工艺对膜污染的减缓效果，结果表明，SSBWR-MBR延缓了TMP的增长。Li等建立了一种厌氧-缺氧-好氧膜生物反应器（A2O-MBR）和蠕虫反应器（WR）的组合工艺，并对膜污染减缓效果进行了研究。结果发现，在该组合工艺中，WR中的微好氧处理和捕食的相互作用使得膜过滤周期延长了66.7%。此外，高通量测序分析结果表明联合工艺中滤饼层的微生物群落更加均匀。由此可见，A2O-MBR和WR的组合工艺具有较好的膜污染减缓效果。

噬菌体裂解法与原生、后生动物捕食法都能通过减少生物膜上的细菌数量和优化微生物的群落结构来减缓膜污染，但噬菌体、原生和后生动物投加量过多会导致MBR中细菌数量大量减少，影响MBR的处理效能；并且相比于其他生物法（QQ、生物酶法、能量解偶联等），单独使用噬菌体或者原生、后生动物减缓膜污染的效率较低，回收利用也相对困难；但噬菌体裂解法与原生、后生动物捕食法无需投加化学物质、处理成本低、副产物少，且不产生二次污染，在膜污染减缓方面潜力较大。

编辑：赵凡