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基于微生物群体感应猝灭的MBR膜污染控制研究

余华荣  
【摘要】:膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)工艺从成熟到推广应用已经历了25年的时间,但膜污染问题却一直难以解决,并阻碍着该技术的发展。在微生物研究领域,微生物群体感应的概念几乎与MBR工艺于同一时间被提出,并同时经历了快速的发展。微生物群体感应即细菌通过分泌信号分子(如酰基高丝氨酸内酯,Acyl homoserine lactone,AHL),并检测其浓度来感知菌群密度,进而触发一系列群体行为(如致病性、发光、抗生素分泌和生物膜形成等)。此前,群体感应的研究主要集中在微生物领域,近年来一些关于水处理工艺中群体感应的报道也相继出现,并有研究通过抑制MBR中的微生物群体感应(即群体感应猝灭)取得了良好的膜污染控制效果。这为膜污染控制提供了一条新思路。但关于MBR中的群体感应及其猝灭的研究尚处于探索阶段。MBR的运行参数(如污泥停留时间,Solid retention time,SRT)对反应器中群体感应的影响尚未被深入探讨,已报道的群体感应猝灭措施过于复杂且其稳定性也有待加强,此外基于群体感应猝灭的膜污染控制措施对MBR除污染效能的影响也尚未被仔细考察过。本论文拟针对上述问题展开研究,以期获得对MBR中群体感应及群体感应猝灭更深入、全面的了解,并开发出更简单、稳定的基于群体感应猝灭的膜污染控制措施。论文首先考察了不同SRT下MBR中的群体感应及膜污染情况。结果表明,SRT在4-40天范围内,随着SRT的增大,MBR中的群体感应猝灭菌(AHL降解菌)丰度增大,群体感应菌(AHL生成菌)丰度减小。MBR中的活性污泥对AHL的降解效能随SRT的增大而增强,因此,MBR中AHL浓度随SRT增大而减小。MBR中胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)及溶解性微生物产物(Soluble microbial products,SMP)浓度随SRT增大而减小。在长SRT下,由于更弱的群体感应(生物污染)及更少的EPS和SMP(有机污染),MBR中膜污染更轻。以上结果同时也证明了MBR中存在群体感应,且其与MBR中的膜污染密切相关。参考马铃薯培植中为控制黑胫病而采取的群体感应抑制手段,论文提出了MBR中原位刺激群体感应猝灭菌的措施,考察了其对膜污染的控制效果。群体感应猝灭菌的刺激物——γ-己内酯(Gamma-caprolactone,GCL),能够有效地富集活性污泥中的群体感应猝灭菌,其中最主要的功能细菌为Rhodococcus。GCL富集菌能有效地降解AHL,其主要通过Rhodococcus的qsdA酶将AHL中的内酯环水解以实现AHL降解。向MBR中投加GCL富集菌后再连续投加GCL(生物刺激措施)能够有效维持反应器中AHL降解基因qsdA的含量,降低反应器中信号分子C8-HSL的浓度,从而抑制EPS的分泌,进而减轻微生物在膜表面的粘附,最终持久有效地控制膜污染。已有研究报道亚硝化单胞菌(Nitrosomonas europaea)能够分泌AHL,且其亚硝化活性受到群体感应的影响。但以前的报道及本论文中的研究都表明常规条件下微生物群体感应猝灭不会影响MBR中的硝化。为进一步考察MBR中群体感应猝灭措施的适用条件,论文研究了当处于不利于硝化的情况下(短水力停留时间、存在硝化抑制剂(烯丙基硫脲、甲醇、乙腈)及低温(10℃)),该措施对硝化作用的影响。结果表明,微生物群体感应猝灭措施在以上条件下仍能够很好地控制膜污染,但会使硝化变得更为脆弱。在以上不利条件下,采用了微生物群体感应猝灭措施的MBR中的硝化作用更易受到影响或冲击,其出水氨氮更易超标。因此,为保证出水氨氮浓度达标,采用群体感应猝灭措施的MBR适于在较长水力停留时间(如6h)、进水中硝化抑制剂较少且温度较适宜的情况下运行。


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