基于群体感应的膜生物反应器膜污染的控制研究

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1、基于群体感应的膜生物反应器膜污染的控制研究摘要：膜污染是膜生物反应器（MBR）长期稳定运行和广泛应用的瓶颈问题，其中最普遍、对膜通量影响最大的是膜生物污染，就是指微生物在膜面上形成生物膜或者在膜表面和膜孔内滋生成为微生物菌落。而研究表明，微生物生物膜的形成要受到微生物群体感应系统的调控，由此可以阻断群体感应抑制生物膜的形成，从而控制膜污染。本文针对MBR膜生物污染控制，从微生物群体感应系统、信号分子、群体淬灭机制等方面进行阐述，并介绍了一些基于群体淬灭的新颖的生物污染控制手段。关键词：膜生物污染，群体感应，信号分子，群体淬灭1膜生物反应器1.1概况为了解决水资源的紧缺及水质污染问题，人们正致力

2、于探索高效节能的水处理新技术，其中膜生物反应器水处理技术，由于具有体积负荷高、占地面积小、剩余污泥量少、出水水质好且稳定等优点，已受到各国水处理技术科技工作者的关注。所谓膜生物反应器(MBR)，是一种新型高效的水处理技术，将生物处理与膜分离技术相结合而成的一种高效污水处理新工艺，膜分离指以外界能量或化学位差为推动力，以膜的选择透过性，对双组分溶质或溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。膜生物反应器综合了膜处理技术和生物处理技术的优点，通常在常温和常压下进行生化反应，产物或副产物从反应区连续地分离出来，打破反应平衡，从而可大大地提高反应转化率，增加产率或处理能力，过程能耗低、效率高。尽管膜生物反

3、应器的技术可行性早已被人们认可，但处理工艺的费用较高，在一定程度上限制了它的推广。膜工艺的费用主要来自膜价格、膜更换频率和能耗需求。随着制膜水平的提高，膜的价格已大大下降；膜的更换频率与膜的稳定运行有关，但膜污染问题大大影响了膜系统的稳定运行；能耗高的原因是多重的，其中之一是膜污染造成通量下降而迫使能耗增加以维持通量。由此可见膜污染是影响MBR经济性和推广应用的重要因素。1.2膜生物污染膜污染是指MBR内混合液中的悬浮颗粒、胶体粒子或溶解性大分子有机物在膜表面和膜孔内吸附沉积，造成膜孔径减小或堵塞，使膜通量下降的现象。根据造成污染的物质不同可分为无机污染、有机污染和生物污染。其中以有机污染和生

4、物污染最为普遍，对膜通量的影响最大。本文就是针对膜生物污染进行研究。生物污染[1]是由于各种微生物通过扩散、重力沉降、主体对流等作用而能动地积累在膜面上形成生物膜或者在膜表面和膜孔内滋生成为微生物菌落而造成的。在膜表面滋生的微生物还可以分泌细胞外多聚物渗入膜表面，并与膜以化学键的形式紧密地交联在一起，从而改变膜的透水性和渗透特性，既导致了膜透水能力的下降，又遏制了水力剪切力对污染层的去除作用。膜生物污染过程，也就是其表面生物膜的形成过程，大体可分为四个阶段[2]。第一阶段：腐殖质、聚糖脂与其它微生物的代谢产物等大分子物质在膜面吸附，形成一层具备微生物生存条件的生物膜。第二阶段：进水微生物中粘附

5、速度快的细胞形成初期粘附过程。这一阶段是生物膜的初期发展阶段，生物膜受水剪切力和细菌死亡脱除的影响因而生长缓慢。第三阶段：由于后续大量菌种的粘附，特别是细菌胞外聚合物(EPS)的形成，加剧了微生物的繁殖和群集。第四阶段：生物污染的最终形成阶段，在这一阶段生物膜的生长和脱除达到动态平衡，生物膜将趋于稳定。由于生物污染造成了膜的不可逆堵塞，使过滤阻力上升，引起膜通量的下降。2群体感应2.1群体感应信号分子群体感应(Quorumsensing,QS)是细菌根据自身细胞密度变化进行自我协调的一种群体行为。许多细菌能产生并释放一种被称为自诱导物的信号分子，随着细菌密度的增加，信号分子不断积累，当积累到一

6、定浓度时则会与胞浆受体蛋白结合，调控细菌相关基因的表达，使细菌形成一种群体行为[3]，如调节生物发光、细菌的群集运动[4]、抗生素的合成、生物膜的形成[5-7]、细菌色素产生、致病基因的表达等。不同的细菌使用不同种类的化学物质作为信号分子，这些物质[6]主要分为3类：①存在于革兰氏阴性细菌中的脂肪类衍生物，大多数是N-酰化高丝氨酸内酯(N-acylhomoserinelactones，AHLs)类物质，共同之处在于都含有一个酰化高丝氨酸内酯环，不同的AHLs别在于N-基侧链的长度不同，或3-碳位置的取代基不同,或侧链中不饱和键不同。AHLs是由乙酰化的脂肪酸和SAM(S-adenosylmet

7、hionine)在Luxl型合成酶的作用下生成的。②革兰氏阳性细菌以修饰过的寡肽(Oligpeptide)作为细胞间交流的语言。③二酮哌嗪类化合物(DKP)，2-庚基3-羟基4-喹啉(2-heptyl-3-hydroxy-4-quinolonePQS)和呋喃酰硼酸二酯等，被称为AI-2(Autoinducer-2)[8]。AI-2作为种间交流信号分子，是由LuxS合成酶合成的，首先合成一个DPD(