胞外聚合物与膜污染的相关关系研究进展

李雨萱¹，马思源¹，李莹^1*，刘强¹，项玮¹，曲吉祥²，杜红梅³

（1.徐州工程学院环境工程学院，江苏徐州221018；2.中国人民解放军陆军工程大学训练基地，江苏徐州 221000；3.山东建筑大学设计集团有限公司，山东济南 250013） 

摘  要：膜生物反应器（MBR）由于自身存在很多优点而得以在世界范围内广泛应用，然而膜污染的存在仍是制约其发展的障碍。了解和认识膜污染的过程、形成机制及影响因素，对控制膜污染、推进MBR在污废水处理中的应用具有重要意义。本文简要介绍了MBR的主要类型、特点和适用条件，综述了膜污染的机理及控制研究进展，重点分析了膜污染影响因素，尤其是胞外聚合物与膜污染的相关关系，并对膜污染控制机理的研究进行了展望，以期为深入理解胞外聚合物、群体感应、微生物群落与膜污染的相关机制提供理论依据。

关键词：膜生物反应器；膜污染控制机理；胞外聚合物

1 引言

膜生物反应器（MBR）技术与传统的活性污泥法相比具有许多独特的优点，比如出水水质好、消毒效果好、容积负荷高、占地面积小、污泥产量少、灵活性高等，另外随着排放标准越来越严格，膜成本的逐步下降，以及由于缺水引起的对城市再生水需求量的急速增长，都大大推动了MBR在生物污水处理中的广泛研究和应用^[1]。MBR研究及应用领域非常广泛，涵盖了城市生活污水、工业废水、洗浴废水、医院污水等等，然而膜污染仍然是限制膜生物反应器（MBR）在实际生产中迅速推广应用的关键因素，国内外很多学者对 MBR 的膜污染过程进行了多方面研究，建立了多种膜污染模型^{[2, 3]}。研究人员开始越来越多地关注胞外聚合物（EPS）与膜污染相关关系^[3-11]，大家从从各个方面探索EPS与膜污染的关系，发现EPS是导致膜污染的主要因素，并尝试通过调节EPS组分、含量或性质来减缓膜污染过程。本文针对膜污染物质、膜污染类型、EPS与膜污染的相关关系、群体感应对EPS的影响进行综述分析，以期为膜污染的控制技术提供理论基础。

2  MBR主要类型

膜-生物反应器主要由膜分离组件及生物反应器两部分组成，通常提到的膜-生物反应器实际上是三类反应器的总称：曝气膜-生物反应器(Aeration Membrane Bioreactor，AMBR)、萃取膜-生物反应器( Extractive Membrane Bioreactor，EMBR)和固液分离型膜-生物反应器( Solid/Liquid Separation Membrane Bioreactor，SLSMBR，简称MBR)。我国对MBR技术的研究以SLSMBR居多，而AMBR和EMBR类型的相关研究相对较少，直到2003年以后国内才有这两种MBR工艺的相关研究报道。本节以下内容将着重介绍SLSMBR，为简单起见，简称为MBR。

MBR是在水处理领域中应用得最为广泛、研究的最为深入的一类膜生物反应器。复合式膜生物反应器是指将一些材料、药剂或者设备与MBR相结合组成的一种膜生物反应器，投加填料的类型有聚乙烯型悬浮填料、聚乙烯和醛化纤维的组合填料软性填料类、弹性立体填料等等，投加的药剂类型有生物活性炭、粉末活性炭、ZnO 纳米颗粒等^[12-16]。HMBR对有机物的降解有两方面作用：一方面是反应器内附着生长和悬浮生长微生物的降解作用，另一方面是膜分离作用。基于复合式MBR 膜生物反应器对进水具有较好的稳定处理效果，耐冲击负荷，容积复合高，占地面积小，自动化程度比较高，近些年复合式膜生物反应器的研究逐年增多。

3 主要研究内容分析

通过中国知网和工程索引对2003年-2019年共17年150篇和MBR、HMBR相关的国内外相关文献进行检索。图1给出了最近17年我国HMBR研究的粗略趋势，从时间维度上看，2003年以来期刊论文数量整体呈增长趋势，2012年以后论文发表数量出现了一个突然增长的阶段，这个现象的出现和新型膜材料的开发以及先进检测仪器的推广应用密不可分；2016年以后国内外MBR、HMBR相关研究一直保持在一个比较高的水平，2019年的成果相对较少，但是成果的发表有滞后性，因此不能武断的认为相关研究停滞不前，因此可以推测MBR、HMBR的研究仍然是学者非常感兴趣的科学领域。

从主要研究内容与相应期刊论文数量分析图（图2）可以看出，虽然MBR、HMBR 应用领域非常广，有对各种污水的处理效果研究，处理的污水种类覆盖了生活污水，工业废水/垃圾渗沥液，饮用水处理^[17]；也有基本原理的研究^[18]和其他内容的研究。其中MWW包括社区生活污水、校园生活污水、船舶生活废水、高速路服务区排水、中水回用水等^[19]；涉及到的工业废水类别有棕榈油废水、制药废水、制革废水、高浓度氨氮废水、老龄垃圾渗滤液废水等。

从主要研究内容与相应期刊论文数量分析图（图2）可以看出，虽然MBR 应用领域非常广，涉及多达（不限于）17个行业，但大部分还是集中于生活污水（39.83%）和工业废水（25.42%）。说明近十几年来，MBR的研究热点主要是城市污水的处理效果及机理研究，其次是工业废水/垃圾渗沥液的处理和基本原理的研究，其中对基本原理的研究主要包括以下几个方面：操作及设计参数的选择和优化、污泥特性分析、微生物特性分析、成本比较分析、膜污染过程以及模型的建立。在国内外发表的学术成果中，约30.51%与机理（或模型）相关，但总的来说，国内膜污染机理（或模型）的研究规模还较小，而且多数研究是以人工配水为主，与实际生产有一定的差异，因此以实际污水为原水、为期较长、规模较大的中试对MBR进行试验研究具有重要的现实意义，研究成果对实际生产具有重要指导意义。

4 MBR膜污染与控制机理研究

随着MBR运行时间的延长，污水混合液中的一些无机物质、有机物质和真菌、细菌、病毒等微生物逐渐在膜孔内部及表面附着或沉积，导致膜过滤阻力逐渐增加，造成膜污染。膜污染不但会降低产水速率，而且由于膜组件必须不时地停止运行，通过反冲、清洗等措施以恢复膜通量，使得操作程序变的异常复杂，维护与运行费用也相应地提高。然而MBR运行过程中是无法避免膜污染的发生，研究发现通过适当控制反应器的运行条件，可以不同程度地减缓膜污染的过程，从而延长膜组件的使用寿命。因此非常有必要研究探讨MBR反应器运行过程中膜污染发生的原因、过程和有效控制方法，以此来维持膜的长期稳定运行。

4.1 膜污染影响因素分析

影响MBR中膜污染的形态和强度的既有物理化学的因素，也有生物的因素，尽管很难对膜污染建立一个通用的公式或规律，但学者们认为其影响要素主要有三个：膜组件特征、生物量特征和运行条件。经过对文献的梳理分析，总结出了影响膜污染的因素之间的相互关系（如图 2所示），以期通过控制影响因素来减缓膜污染过程。

形成生物膜的细菌由于自身代谢和聚合作用会产生大量的细胞外聚合物 (EPS)，EPS是对多种不同类高分子物质的总称，其相对分子质量>10000 Dalton，主要组分为多糖、蛋白质、糖醛酸、腐殖酸、核酸、脂类等。近几年一些学者通过研究后认为胞外多聚物（extracellular polymeric substances，EPS）和溶解性微生物产物（soluble microbial products，SMP）是导致膜污染的主要物质^{[8, 20, 21]}。

4.2 胞外聚合物研究

初期的研究主要关注EPS总量对膜污染的影响，后来一些学者开始重视EPS组分，考察影响EPS形成及组分的各种因素，比如膜材料、光照、水质条件、运行工况等。分析EPS成分中多糖、蛋白质、腐殖酸对EPS含量的影响以及它们之间的交互关系。所采用的技术手段以三维荧光激发发射光谱法（3D-EEM）较为普遍。近几年群体感应系统在污水处理中的研究逐渐备受关注。赵畅等人^[22]从实际运行污水处理厂活性污泥中分离出5 株具有群体感应淬灭功能的菌株，通过淬灭细菌的群体感应系统来抑制生物膜形成、防止膜生物污染，结果表明投放SA-HG10 细菌包埋珠对过滤膜片上生物膜形成具有明显抑制作用，改善了膜过滤性能。随着聚合酶链反应（PCR）、荧光原位杂交（FISH）、焦磷酸测序等现代分子生物技术的发展，快速准确鉴定细菌的条件已经成熟，一些学者开始对 MBR 中的微生物种群分布情况进行研究，所研究的微生物主要是指活性污泥上的微生物^[23-26]。应进一步探索EPS组分和生物群落相关关系，以便更好地从微生物学角度理解和探索更有效和更经济的膜污染控制措施

3.3 实验设计方法研究

响应曲面法（RSM）是基于实验设计、模型建立和数据分析来评估各影响因素间的交互作用，进而确定最优实验条件的一种优化分析方法。与传统的单因素法和正交实验法相比， RSM 可通过建立影响因素与响应值之间的多元二次回归方程，明确因素间的交互作用与影响，从而弥补了单因素法和正交实验法无法解释因素间的交互作用以及不能给出因素和响应值之间明确的回归模型等缺陷^[27]。由于RSM 具有实验次数少、回归方程精度高、预测性能好等优点，已在众多领域得到广泛应用，其在废水处理方面主要被用于废水处理剂制备条件的优化以及污染物治理条件的优化等^[28]。RSM 中常用的实验设计主要为Box-Behnken 设计（BBD）和中心复合设计（CCD）。目前RSM在污、废水中的应用比较欠缺，造成工作量大和各因素之间交互作用不明晰的后果，故应增强 RSM 在污、废水试验中的引入与实践。

5 结语

本文主要介绍了MBR常用类型、特点及应用研究领域，总结了膜污染的机理及控制研究进展，重点分析了膜污染产生及控制机理，尤其是EPS 与膜污染的相关关系。通过综合分析文献，有关MBR在污、废水处理中的应用研究还需要从以下几个方面着手：

1）目前有关膜污染的研究很多，但其机理至今尚不完全清楚，而且研究结果的得出主要依赖于以人工配水为原水，与实际生产可能会有一定的差异，因此建议依托以实际污水为原水、为期较长、规模较大的中试对EPS与膜污染的相关性进行研究，其成果将对实际生产具有重要指导意义。

2）EPS具有复杂性，包括表面电荷，疏水性/亲水性，粘合性能等，这些性能至关重要，目前有关的研究EPS和污泥絮体的性质主要基于定性表征，这些属性尚未得到很好的探索。应该更加定量地重新定义这些属性，并且他们之间的关系需要得到深入研究。

3）群体感应在MBR的应用研究主要集中在AHLs，有关其他感应信号分子的研究还鲜有报道，另外群体感应对污、废水的处理的促进作用感应信号分子的作用方式，以及此过程中关键菌群的演替规律还需研究。

4）在实际的污水处理工程运用中，应总结无机离子、有机分子、运行条件、操作方式等多种条件对膜污染的影响，探讨如何应用物理方法、化学法等其他防治膜污染的方法与群体感应干预相结合，以实现污水处理成本最小化、效益最大化多种防治膜污染方法的协同效果验证。

随着各种生物技术、现代检测技术的发展和研究的深入，可以逐步解决上述问题，从而为全面理解群体感应对废水处理的调控行为、优化废水处理能力奠定基础。

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作者简介：李雨萱（2002.11-），女，本科生，研究方向为水污染控制技术；联系电话: 13914874020；电子邮件: liuqiang_1207@163.com，邮编：221018，通讯地址：江苏省徐州市云龙区丽水路2号，徐州工程学院环境工程学院；