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近年來膜分離在污廢水處理、海水淡化、飲用水凈化、純水制備等水處理應用中已成為重要技術。膜分離技術利用具有選擇透過性的半透膜實現多組分體系的分離和純化,在生物、醫藥、石油化工、食品、環保等領域都有廣泛應用。膜污染是水處理膜分離應用面臨的主要問題之一。處理物料中的微粒、膠體、溶解性有機物、金屬沉淀物、微生物等污染物造成表面沉積和膜孔堵塞,使膜的透水性和分離特性發生不可逆變化,將降低產水量和出水水質,提高跨膜壓差(transmembrane pressure,TMP),并縮短膜的壽命。
根據污染物的特性,膜污染分為無機污染、有機污染和生物污染等類型。其中,微生物可在膜上附著生長,形成的生物膜及其蛋白質、多糖等代謝產物還會改變膜表面特性,加速其他類型的污染過程。因此,生物污染比有機污染和無機污染影響更為嚴重。膜生物污染控制對膜技術在水處理應用中的發展具有重要意義。
一、細菌群體感應現象
膜污染控制主要通過膜材料選擇、組件結構設計、料液參數、操作條件和膜清洗再生等方法實現。基于生物方法的膜材料改性和膜污染控制是膜分離領域研究的前沿方向。
細菌可通過產生自誘導物(autoinducer,AI)調控細胞密度依賴型的基因表達,從而調節細菌群體的生理特征,如產生胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)、形成生物膜等,這一現象稱為群體感應(quorum sensing,QS)。
二、群體感應膜污染控制新興技術
生物污染是水處理膜分離應用面臨的主要問題之一。生物膜的形成受細菌群體感應系統調控,群體感應抑制是控制膜生物污染的新興技術。通過干擾和阻斷細菌的QS通路,可抑制相關基因的表達,該群體淬滅機制能抑制生物膜的形成,其在膜污染控制中的研究已引起關注。
1.群體感應的抑制
群體淬滅是通過干擾細胞間的信息交流,阻止QS依賴型基因表達而抑制細菌的特定群體行為。根據QS系統的組成和特點,群體感應抑制有以下幾種途徑。
1)抑制信號分子的產生。
2)降解信號分子。
3)阻止信號分子與受體蛋白的結合。
2.基于群體感應的水處理膜污染控制
細菌在水處理膜表面滋生形成生物膜,影響系統的高效穩定運行。采用群體淬滅方法可抑制生物膜形成,并減少化學殺菌劑引起的細菌抗性等問題。
1) 利用群體感應抑制化合物控制膜污染-具有群體淬滅特性的化合物在膜污染控制中已取得成效,化合物抑制劑具有較穩定的性質,可投加至反應器或通過常規方法用于膜改性,實際應用可行性高。
2) 利用群體淬滅酶控制膜污染-群體淬滅酶可降解QS信號分子、干擾信號分子的合成或鈍化受體蛋白,從而抑制QS通路。
3)利用群體淬滅菌控制膜污染-群體淬滅菌在污廢水處理、海水淡化等系統中廣泛存在,從水處理系統中篩選高效的淬滅菌將是研究熱點之一。另外,可采用生物刺激法原位培養群體淬滅菌。
膜生物污染是膜技術在水處理應用中亟待解決的關鍵問題。通過干擾細菌群體感應系統抑制生物膜的形成已被證明是有效控制生物污染的新技術,在膜污染控制中具有良好的應用前景。現有研究對群體感應系統機制和對生物污染的調控方法仍較局限。
生物膜法和活性污泥等生物處理是水處理中的主要單元之一。細菌的集聚對菌膠團生長、載體掛膜、污泥絮凝沉降等過程有重要作用。例如,在生物膜-膜生物反應器等生物膜法和膜分離的結合工藝中,細菌需有較強的EPS分泌和生物膜形成能力使其在載體表面附著。好氧顆粒污泥法中,群體感應在顆粒形成初期起誘導作用,可促進微生物附著生長并形成顆粒。研究表明群體感應抑制劑對MBR的污染物去除效率無明顯影響。由于工程應用中膜分離會與活性污泥和生物膜等多種生物處理單元聯用,今后應結合實際應用,研究群體感應抑制劑對其他工藝的水處理效果的作用,降低抑制劑對生物處理單元的不利影響,并減少抑制劑投加量和應用成本。