基于混合液特性調(diào)節(jié)控制MBR中膜污染的最新研究進(jìn)展

潘國權(quán)+余佳恒

摘要：膜污染是制約膜生物反應(yīng)器發(fā)展與應(yīng)用的主要因素，傳統(tǒng)的膜污染控制方法主要包括增加曝氣量、選擇合適的過濾條件、膜清洗等。而基于混合液特性調(diào)節(jié)的方法對膜污染進(jìn)行控制是一種效果顯著、作用直接的方法，有較好的研究價值和應(yīng)用前景。本文總結(jié)了近年來該領(lǐng)域的主要研究進(jìn)展，以期為該領(lǐng)域研究和實踐工作的進(jìn)一步開展提供參考。

關(guān)鍵詞：膜生物反應(yīng)器；膜污染控制；群體淬滅

中圖分類號：X131 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2017）04-0139-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.067

Abstract：Membrane fouling is one of the main restriction factors to limit the broad application of membrane bio-reactor. Conventional fouling control methods consist of aeration， filtration condition optimization and membrane cleaning. Mixed liquor adjustment is one of the most effective ways to mitigate membrane fouling with favorable research value and application prospect. The article summarized the main research progress in the field to provide conferences in researches of this field.

Key words：Membrane bio-reactor；Membrane fouling control；Quorum quenching

膜生物反應(yīng)器（簡稱MBR）是將生物處理和膜過濾技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。膜生物反應(yīng)器技術(shù)與傳統(tǒng)生物技術(shù)相比具有污泥濃度高、可應(yīng)用范圍廣、處理效果好等優(yōu)點[1-2]。盡管膜生物反應(yīng)器工藝具有顯著的優(yōu)勢，然而在實際應(yīng)用推廣過程中，膜污染問題成為其無法回避的一大難題。膜污染是在MBR運(yùn)行過程中，由于各類膜污染物吸附在膜表面，從而導(dǎo)致反應(yīng)器過濾性能下降的現(xiàn)象[3]，如何有效控制膜污染成為MBR研究中的重點和難點。傳統(tǒng)的膜污染控制方法主要由曝氣沖刷、過濾條件優(yōu)化、定期清洗等方面組成，然而這些常規(guī)方法通常會帶來能耗增加（曝氣）、膜通量較低（次臨界通量運(yùn)行）、無法連續(xù)運(yùn)行（離線膜清洗）等問題。近年來，通過對MBR反應(yīng)器中混合液的特性進(jìn)行調(diào)控來減緩膜污染成為國內(nèi)外的一項研究熱點。該方向主要通過向混合液中投加吸附劑、顆粒物、淬滅劑等物質(zhì)來達(dá)到膜污染控制的目的。本文總結(jié)了近年來通過混合液調(diào)節(jié)控制膜污染的研究，闡明不同類物質(zhì)的膜污染減緩機(jī)制，以期為國內(nèi)外同類研究和進(jìn)一步工程應(yīng)用提供參考。

1 基于混合液特性調(diào)節(jié)控制MBR中膜污染技術(shù)的機(jī)制研究

在通過調(diào)節(jié)混合液特性來減緩膜污染的研究中，各種類型吸附劑、顆粒物和淬滅劑被認(rèn)為是最為有效的幾種投加物。為研究不同投加物的膜污染減緩過程，分析各類環(huán)境下投加物在MBR混合液中的作用機(jī)制，對幾種類型進(jìn)行歸納研究。

1.1 吸附劑

用投加吸附劑的方法進(jìn)行膜污染控制的研究已有較長時間的歷史，其中對粉末活性炭（Powdered Activated Carbon， PAC）的應(yīng)用最為廣泛[4]。向MBR中投加吸附劑一方面能夠為微生物提供附著生長的環(huán)境，另一方面PAC類吸附劑的多孔結(jié)構(gòu)能夠有效吸附混合液中以溶解性微生物代謝產(chǎn)物（Soluble Microbial Products， SMP）為代表的小分子膜污染物，從而提高臨界通量，增加反沖洗周期。Damayanti等[5]在使用MBR處理棕櫚油廢水的過程中比較了PAC、沸石和辣木對膜生物污染減緩的作用，發(fā)現(xiàn)在吸附劑的作用下，混合液中的SMP濃度分別有不同程度的下降。吸附劑對膜污染物的去除是物理吸附過程，吸附量受到吸附劑投加量、混合液溫度等參數(shù)的影響。趙英等[6]研究了吸附劑投加量對膜污染控制的影響，發(fā)現(xiàn)1g/L和2g/L的PAC投加量下混合液中膜污染物的濃度相近，證明1g/L的投加量已經(jīng)能夠較好的吸附混合液中的小分子有機(jī)物。Torretta等[7]則進(jìn)一步研究了不同溫度下吸附劑投加量的最佳值，得到12℃和22℃兩種混合液溫度下，最有效的PAC投加量均位于低水平值上（2mg/L和5mg/L），溫度對吸附效率的影響可以忽略。

除對膜污染物的直接去除外，吸附劑還可以通過改善污泥特性而達(dá)到控制膜污染的目的。Satyawali等[8]發(fā)現(xiàn)向MBR中投加PAC會導(dǎo)致混合液中SMP的組成改變，蛋白質(zhì)/多糖比顯著升高，污泥沉降性能提升。另一項利用沸石的研究得到了類似的結(jié)論[9]：相比于傳統(tǒng)MBR系統(tǒng)，投加了沸石的MBR中大污泥顆粒的比率升高，SMP濃度下降50%，跨膜壓差降低66%。

1.2 顆粒物

在浸沒式MBR系統(tǒng)中，曝氣過程帶來的水力剪切作用是最為常用的膜污染控制手段。而高強(qiáng)度的曝氣條件一方面消耗電力能源，另一方面會導(dǎo)致混合液中微生物新陳代謝變化，釋放出更多的EPS、SMP等膜污染物質(zhì)。為強(qiáng)化曝氣過程中的膜污染控制，曝氣+懸浮顆粒物的復(fù)合方法逐步被開發(fā)出來。懸浮顆粒物在曝氣的作用下不斷與膜表面產(chǎn)生摩擦作用，從而達(dá)到減少膜表面濾餅層形成、延長反沖洗周期和提高膜通量的目的。顆粒物的投加可以有效代替部分曝氣所產(chǎn)生的膜污染控制作用。Siembida等[10]發(fā)現(xiàn)與普通MBR相比，曝氣+顆粒物的MBR出水通量提升了20%，顆粒物帶來的摩擦作用有效減少了濾餅層的形成。Pradhan等[11]同樣指出投加顆粒物可以在曝氣的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減緩膜污染過程，并且其帶來的效果可以與將曝氣量提升2倍接近。在長期操作的條件下，混合液中的顆粒物同樣能夠有效控制膜污染。Krause等[12]通過8個月的連續(xù)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)含有顆粒物的MBR反應(yīng)器中膜過濾性能未發(fā)生明顯降低，而普通的MBR已經(jīng)需要通過化學(xué)方法進(jìn)行清洗。

常用的膜污染控制顆粒物包括顆粒活性炭（GAC）、聚乙二醇顆粒（PEG）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等，顆粒物的投加效果與膜組件結(jié)構(gòu)也有很大關(guān)系。Kwon等[13]發(fā)現(xiàn)顆粒物在平板膜MBR中的濾餅層控制效果要優(yōu)于中空纖維膜MBR，這主要是因為平板膜元件中間的空隙更有利于顆粒物的運(yùn)動。

1.3 淬滅劑

群體淬滅法（Quorum Quenching，QQ）是近幾年新出現(xiàn)的一種膜污染控制技術(shù)，通過抑制微生物的群體感應(yīng)（Quorum Sensing，QS）過程，包括環(huán)境中信號分子的感知、與臨近細(xì)菌發(fā)生協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行基因表達(dá)等。QS過程由自誘導(dǎo)物質(zhì)（即信號分子）與受體蛋白的相互作用決定，從而調(diào)節(jié)微生物的一系列的生物學(xué)行為，包括SMP和EPS的釋放、胞外酶的分泌和生物膜的形成[14]，見圖2。

由于MBR中膜表面的濾餅層由細(xì)菌、EPS和SMP等物質(zhì)混合組成，因此通過抑制微生物的QS過程可以有效控制膜污染。群體淬滅法（QQ）通過破壞信號分子和受體蛋白的作用過程來抑制微生物QS作用。常見的影響機(jī)制分為三類：干擾信號分子的生成（如三氯生抑制烯酰基ACP還原酶的生成）、降解信號分子（如內(nèi)酯酶和酰基轉(zhuǎn)移酶降解革蘭氏陰性菌中的信號分子）和對受體蛋白進(jìn)行競爭（如海洋紅藻分泌的鹵化呋喃酮代替信號分子和受體蛋白結(jié)合）。

可用于QQ過程的淬滅劑來源廣泛，包括植物中獲得的淬滅劑、動物中提取的淬滅酶和微生物中分離的淬滅菌。Zhang等[15]從羅薩玫瑰中提取出茶多酚，發(fā)現(xiàn)640 mg/L的茶多酚可以抑制大腸桿菌K-12和銅綠假單胞菌生物膜的形成。而Yeon等[16]則從豬腎中提取酰胺轉(zhuǎn)移酶并將其投入到MBR中，達(dá)到調(diào)節(jié)MBR中EPS的濃度、降低微生物的QS效果。淬滅菌可以通過基因工程的手段得到，Oh等[17]對大腸桿菌進(jìn)行重組并投入到MBR中，成功地使其分泌信號分子酰基轉(zhuǎn)移酶（AHL-acylase），從而減緩了膜污染。

將三種主要的混合液特性調(diào)節(jié)法的特點總結(jié)，見表1。

2 基于混合液特性調(diào)節(jié)控制MBR中膜污染技術(shù)的發(fā)展趨勢

2.1 吸附劑

吸附劑的投加可以有效的減少MBR中的膜污染物濃度，然而對于不同吸附劑種類，最佳投加量的確定是目前制約其大規(guī)模應(yīng)用的主要因素。過量的吸附劑會導(dǎo)致混合液粘度增加，污泥解體，降低污泥的脫水性。而吸附劑投加過少則有可能使其本身成為膜污染物的一部分，促進(jìn)濾餅層的形成或者堵塞膜孔。此外，Iorhemen等[18]發(fā)現(xiàn)吸附劑的投加可能導(dǎo)致混合液中EPS分泌增多，主要是由于吸附劑將混合液中的有機(jī)物迅速吸附到其表面，導(dǎo)致混合液中的可降解有機(jī)物濃度降低，從而加速的微生物細(xì)胞的自我分解作用。因此，吸附劑的最佳投加量研究是未來一段時間該方法的主要研究內(nèi)容。

2.2 顆粒物

利用混合液中投加的顆粒物產(chǎn)生的摩擦作用來替代高強(qiáng)度曝氣已成為MBR膜污染控制領(lǐng)域的一項新的發(fā)展趨勢。盡管該方法可以有效減緩膜表面污染層的形成，顆粒物與膜表面的碰撞可能帶來膜本身的損傷，而損傷程度與曝氣強(qiáng)度成正比，因此應(yīng)當(dāng)選擇合適的曝氣強(qiáng)度。其次，顆粒物可能導(dǎo)致污泥絮體的解體，釋放出EPS、SMP等膜污染物從而加速膜污染過程，通過選擇合適的顆粒物可以減少該方面的負(fù)面影響。最后，與傳統(tǒng)的MBR相比，應(yīng)當(dāng)對膜組件進(jìn)行改造以適應(yīng)顆粒物的運(yùn)動。對平板膜來說，應(yīng)當(dāng)在膜元件間保持一定的間隔；而中空纖維膜可以通過適當(dāng)增加膜絲的長度來增加顆粒物與膜絲的接觸面積。

2.3 淬滅劑

群體淬滅法（QQ）作為一種新興的膜污染減緩方法，通過直接控制微生物的群體感應(yīng)過程來調(diào)節(jié)為細(xì)菌代謝。盡管顯現(xiàn)出較好的研究價值和應(yīng)用前景，QQ仍然存在著很多的問題需要解決。比如在淬滅酶的使用過程中，酶分子會隨著操作時間的增加而流失，將其固定化的方法有望解決這個問題。此外，微生物的自適應(yīng)能力使得部分細(xì)菌在淬滅劑的作用下可以產(chǎn)生抗性，因此需要在長期運(yùn)行過程中研究淬滅劑的有效性。目前大部分QQ的研究還停留在實驗室探索階段，在實際的MBR反應(yīng)器中考察其運(yùn)行效果的研究需要繼續(xù)進(jìn)行，包括各項反應(yīng)條件和技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化。

3 結(jié)論與展望

膜污染作為MBR廣泛應(yīng)用中必須要解決的問題，近幾十年來國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究。而基于混合液特性調(diào)節(jié)的方法對膜污染進(jìn)行控制是眾多主流研究方向之一。混合液調(diào)節(jié)主要通過投加不同種類的物質(zhì)來實現(xiàn)，包括吸附劑、顆粒物、淬滅劑等，作用對象分別為膜污染物、膜污染層以及微生物代謝過程。盡管該方向的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，然而大部分報道局限在實驗室小試階段，在大型和實際的MBR反應(yīng)器中如何有效應(yīng)用仍需要進(jìn)一步的研究。本文總結(jié)了現(xiàn)有研究成果，以期為該領(lǐng)域的繼續(xù)探索和工程應(yīng)用提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]胡政波. 膜生物反應(yīng)器污水處理技術(shù)[J]. 北方環(huán)境， 2010， 22（1）.

[2]牛濤濤， 汪建根， 李振玉， 等. 膜生物反應(yīng)器處理污水的研究進(jìn)展[J]. 內(nèi)蒙古環(huán)境科學(xué)， 2008 （2）.

[3]宋萬召， 楊云軍. 膜生物反應(yīng)器膜污染機(jī)理及控制措施分析[J]. 北方環(huán)境， 2012 （5）： 177-179.

[4]李紹峰， 高元. PAC 影響 MBR 污泥混合液特性及膜污染研究[J]. 環(huán)境科學(xué)， 2011， 32（2）： 508-514.

[5]Damayanti A， Ujang Z， Salim M R. The influenced of PAC， zeolite， and Moringa oleifera as biofouling reducer （BFR） on hybrid membrane bioreactor of palm oil mill effluent （POME）[J]. Bioresource technology， 2011， 102（6）： 4341-4346.

[6]趙英， 于丹丹， 秦東平， 等. PAC 投加量對 MBR 混合液性質(zhì)及膜污染的影響[J]. 水處理技術(shù)， 2005， 31（11）： 52-55.

[7]Torretta V， Urbini G， Raboni M， et al. Effect of powdered activated carbon to reduce fouling in membrane bioreactors： A sustainable solution. Case study[J]. Sustainability， 2013， 5（4）： 1501-1509.

[8]Satyawali Y， Balakrishnan M. Effect of PAC addition on sludge properties in an MBR treating high strength wastewater[J]. Water research， 2009， 43（6）： 1577-1588.

[9]Rezaei M， Mehrnia M R. The influence of zeolite （clinoptilolite） on the performance of a hybrid membrane bioreactor[J]. Bioresource technology， 2014， 158： 25-31.

[10]Siembida B， Cornel P， Krause S， et al. Effect of mechanical cleaning with granular material on the permeability of submerged membranes in the MBR process[J]. Water research， 2010， 44（14）： 4037-4046.

[11]Pradhan M， Vigneswaran S， Kandasamy J， et al. Combined effect of air and mechanical scouring of membranes for fouling reduction in submerged membrane reactor[J]. Desalination， 2012， 288： 58-65.

[12]Krause S， Zimmermann B， Meyer-Blumenroth U， et al. Enhanced membrane bioreactor process without chemical cleaning[J]. Water Science and Technology， 2010， 61（10）： 2575-2580.

[13]Kwon D， Chang H， Seo H， et al. Fouling behavior and system performance in membrane bioreactor introduced by granular media as a mechanical cleaning effect on membranes[J]. Desalination and Water Treatment， 2016， 57（19）： 9018-9026.

[14]張海豐， 于海歡. 基于群體淬滅理論 MBR 減緩膜污染研究進(jìn)展[J]. 硅酸鹽通報， 2015， 34（003）： 764-769.

[15]Zhang J， Rui X， Wang L， et al. Polyphenolic extract from Rosa rugosa tea inhibits bacterial quorum sensing and biofilm formation[J]. Food Control， 2014， 42： 125-131.

[16]Sensing Q. A New Biofouling Control Paradigm in a Membrane Bioreactor for Advanced Wastewater Treatment Yeon[J]. Environmental Science Technology， 2012， 43（2）： 380-385.

[17]Oh H S， Yeon K M， Yang C S， et al. Control of membrane biofouling in MBR for wastewater treatment by quorum quenching bacteria encapsulated in microporous membrane[J]. Environmental science & technology， 2012， 46（9）： 4877-4884.

[18]Iorhemen O T， Hamza R A， Tay J H. Membrane Bioreactor （MBR） Technology for Wastewater Treatment and Reclamation： Membrane Fouling[J]. Membranes， 2016， 6（2）： 33.

作者簡介：潘國權(quán)（1981-），男，安徽懷寧人，碩士研究生，工程師，從事環(huán)境科研及咨詢方面工作。