一种基于微生物群体感应猝灭的MBR膜污染控制方法与流程

本发明涉及污水生物处理技术领域，具体涉及一种基于微生物群体感应猝灭的mbr膜污染控制方法。

背景技术：

微生物不是一群孤独的有机体，它们也具有社交的能力。细菌在水生环境中能够合成、释放和检测信号分子，因而它们之间可以进行信息交流，称为群体感应(qs)。qs能够调节一系列的生物行为，如生物膜的形成。最近，有报道说膜生物反应器(mbr)中的膜污染可以归因为qs，从而形成了一系列抑制qs来缓解mbr中膜污染的策略，称为群体感应猝灭(qq)。

qq的方法用在mbr中主要是在mbr中添加qq酶或qq细菌(结合生物包封法)来降解生物反应器中的信号分子。将qq酶(例如酰基转移酶)和qq细菌(例如红球菌、假单胞菌和不动杆菌)应用于mbr中，膜污染有明显的减轻效果。另一方面，发展了不同种类的生物封装方法(qq容器、qq小球、qq片和核壳设计)，以使qq能有持久稳定的效果。此外，qq能够与物理化学控制膜污染的方法(如物理和化学清洁)相结合，可以更好地控制膜污染，减少能源消耗。

研究发现，主要是生物反应器中活性污泥中的细菌产生了信号分子，因此，所有关于qq方法的研究都指出了生物反应器中的目标信号分子。在lee,k.等人的研究中，qq固定化产品都被直接添加到mbr中(in-situqq)，需要严格控制qq固定化产品的数量(通常不超过0.5％v/v)。为了避免由污泥颗粒、过量使用qq固定化产品、膜纤维造成的堵塞，这一事实限制了qq的性能和对膜污染控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种基于微生物群体感应猝灭的mbr膜污染控制方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于微生物群体感应猝灭的mbr膜污染控制方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将群体感应猝灭细菌菌体分散在固定化高分子材料中固定，得到固定化的群体感应猝灭细菌；

(2)将固定化的群体感应猝灭细菌投入mbr反应池前的预处理池中，并将固定化的群体感应猝灭细菌截留在所述预处理池中；

所述群体感应猝灭细菌能降解酰基高丝氨酸内酯(acylhomoserinelactones，ahls)。

发明人发现污水处理厂的进水中存在大量的信号分子(酰基高丝氨酸内酯)，其含量较mbr反应器中的更多，会对膜污染造成显著影响。本发明利用群体感应猝灭细菌对水中信号分子(酰基高丝氨酸内酯)的降解作用，在污水处理厂进水进入到mbr反应池前将固定化的群体感应猝灭细菌投入到预处理反应池，促进信号分子降解，从而达到干扰或抑制微生物之间的群体感应，抑制微生物胞外聚合物分泌，进而减轻微生物在mbr膜表面的粘附，最终持久有效地控制mbr膜污染，而且克服了在mbr反应池中投入固定化的群体感应猝灭细菌中需要严格控制qq小球数量的缺陷。固定化的群体感应猝灭细菌能够方便的将群体感应猝灭细菌截留在预处理池出口前或者mbr反应池出口前，避免了群体感应猝灭细菌被排出污水处理系统；群体感应猝灭细菌固定化之后，有利于保持群体感应猝灭菌的活性，若不固定化，群体感应猝灭细菌在污水处理环境中很快会失去活性。

优选地，所述方法还包括步骤(3)，将固定化的群体感应猝灭细菌投入mbr反应池中，并将投入的固定化的群体感应猝灭细菌截留在所述mbr反应池中。

本发明方法通过将在mbr反应池前的预处理池中投入固定化的群体感应猝灭细菌(pre-qq)和在mbr反应池中投入固定化的群体感应猝灭细菌(in-situqq)相结合，有效的控制了mbr膜污染，突破了单独在mbr反应池中投入固定化的群体感应猝灭细菌的方法控制mbr膜污染的mbr膜的有效期的极限。

优选地，固定化的群体感应猝灭细菌的制备方法为：将群体感应猝灭细菌菌体分散到固定化高分子材料的溶液中，并滴入高分子固化剂形成微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌。

优选地，所述微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌在投入mbr反应池或者预处理池之前在硫酸钠溶液中进行进一步交联。

优选地，所述群体感应猝灭细菌能降解n-己酰高丝氨酸内酯(c6-hsl)。

优选地，所述群体感应猝灭细菌为红球菌。

优选地，所述固定化高分子材料为聚乙烯醇与海藻酸钠的混合物，所述高分子固化剂为氯化钙和硼酸混合液。

优选地，所述预处理池中投加微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌的密度为0.25％-0.75％v/v。

优选地，所述mbr反应池中投加微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌的密度为0.25％-1.25％v/v。

优选地，所述预处池中的水力停留时间为15-45min。

更优选地，所述预处池中的水力停留时间为30min。

优选地，所述预处理池中的搅拌转速为60-180转/分钟。

优选地，固定化高分子材料的溶液中聚乙烯醇的浓度为5-15％w/w，海藻酸钠的浓度为0.5-1.5％w/w。

优选地，步骤(1)中的群体感应猝灭细菌菌体在30℃的培养基中培养8-12小时后离心分离得到。

优选地，步骤(2)中通过在预处理池出口处设置格栅将固定化的群体感应猝灭细菌截留在预处理池中。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种基于微生物群体感应猝灭的mbr膜污染控制方法。本发明方法具有以下优点：

(1)本发明能够有效减少进入mbr反应池中的信号分子的输入，对mbr膜污染的控制效果显著，mbr膜污染的周期增大了100-200％。

(2)将群体感应猝灭细菌固定化之后，预处理池和mbr池的排泥处使用格栅就能将固定化的群体感应猝灭细菌保持在预处理池或mbr池。若不固定化，群体感应猝灭细菌在污水处理环境中很快会失去活性，此外，若不固定化排泥会将群体感应猝灭细菌排出污水处理系统。

(3)本发明在预处理池中的水力停留时间为30min，具有实际应用价值，将在mbr反应池前的预处理池中投入固定化的群体感应猝灭细菌和在mbr反应池中投入固定化的群体感应猝灭细菌相结合，对膜污染的控制更加有效。

(4)本发明克服了in-situqq中需要严格控制固定化的群体感应猝灭细菌数量的缺陷，能够充分发挥群体感应淬灭细菌的性能和对膜污染的控制。

(5)通过微生物群体感应猝灭技术控制膜污染并未影响mbr对污水的cod、氨氮的去除效果。

(6)本发明的操作过程简单，不需要改变传统的污水处理厂mbr工艺的流程，只需将固定化的群体感应猝灭细菌投入到mbr反应池之前的预处理池中即可，可操作性强，便于污水处理厂的应用。

附图说明

图1为本发明的基于微生物群体感应猝灭的mbr膜污染控制方法的流程示意图。

图2为本发明的基于微生物群体感应猝灭的mbr膜污染控制方法的降解信号分子分析效果图。

图3为本发明的基于微生物群体感应猝灭的mbr膜污染控制方法的降解信号分子分析效果图，其中(a)为在mbr反应池前的预处理池中投入固定化的群体感应猝灭细菌中信号分子的降解结果图，(b)为在mbr反应池前的预处理池和mbr反应池中投入固定化的群体感应猝灭细菌中的信号分子的降解结果图。

图4为本发明的实施例和对比例下mbr的跨膜压差图。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

作为本发明实施例的一种基于微生物群体感应猝灭的mbr膜污染控制方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将群体感应猝灭细菌在30℃的培养基中培养12小时后离心分离得到群体感应猝灭细菌菌体，将群体感应猝灭细菌菌体分散到聚乙烯醇与海藻酸钠的溶液中，并滴入氯化钙和硼酸混合液作为高分子固化剂形成微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌，将微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌在硫酸钠溶液中进行进一步交联；

(2)将固定化的群体感应猝灭细菌投入mbr反应池前的预处理池中，并将固定化的群体感应猝灭细菌截留在所述预处理池中；

所述群体感应猝灭细菌为红球菌，能降解酰基高丝氨酸内酯；

聚乙烯醇与海藻酸钠的溶液中聚乙烯醇的浓度为5-15％w/w，海藻酸钠的浓度为0.5-1.5％w/w；

所述预处理池中投加微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌的密度为5-20％v/v。

实施例2

作为本发明实施例的一种基于微生物群体感应猝灭的mbr膜污染控制方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将群体感应猝灭细菌在30℃的培养基中培养12小时后离心分离得到群体感应猝灭细菌菌体，将群体感应猝灭细菌菌体分散到聚乙烯醇与海藻酸钠的溶液中，并滴入氯化钙和硼酸混合液作为高分子固化剂形成微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌，将微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌在硫酸钠溶液中进行进一步交联；

(2)将固定化的群体感应猝灭细菌投入mbr反应池前的预处理池中，并将固定化的群体感应猝灭细菌截留在所述预处理池中；

(3)将固定化的群体感应猝灭细菌投入mbr反应池中，并将投入的固定化的群体感应猝灭细菌截留在所述mbr反应池中；

所述群体感应猝灭细菌为红球菌，能降解酰基高丝氨酸内酯；

聚乙烯醇与海藻酸钠的溶液中聚乙烯醇的浓度为5-15％w/w，海藻酸钠的浓度为0.5-1.5％w/w；

所述预处理池中投加微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌的密度为0.5％v/v；

所述mbr反应池中投加微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌的密度为0.5％v/v。

如图1所示为本发明的基于微生物群体感应猝灭的mbr膜污染控制方法的流程示意图，携带有信号分子的污水经污水管网进入预处理池(预处理处)，并向预处理池中投加微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌(qq固定化产品)，微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌被截留在预处理池中，污水经预处理池中停留处理后，进入mbr反应池中，向mbr反应池中投加微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌(qq固定化产品)，微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌被截留在mbr反应池中，污水经mbr反应池处理后排出。

实施例3

作为本发明实施例的一种基于微生物群体感应猝灭的mbr膜污染控制方法，本实施例与实施例2的唯一区别为：所述mbr反应池中投加微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌的密度为1％v/v。

实验例1

1、实验器材及方法

构建三个工作体积为2l的实验室规模mbr反应池，mbr膜组件由聚乙烯醇二氟化乙烯(pvdf)中空纤维膜制成，中空纤维膜孔径为0.1μm，有效面积为94cm²。

在mbr反应池之前设置预处理池，进水槽中的水温控制在4℃，通过进水泵将进水槽中的水注入mbr反应池之前设置预处理池，然后流入mbr反应池中，将mbr反应池置于30℃的恒温水浴循环器中，进水泵由液位器控制使mbr反应池内水的体积保持在2l；取膜通量为30l/(m²h)，抽水20分钟，暂停1分钟；采用空气泵和空气扩散器进行曝气，空气泵空气流量为0.06m³/h。

2、对照实验

在上述方法条件下，在3个mbr反应池中不添加任何物质，作为空白对照。

实验结果如表1所示：

表1mbr中c6-hsl浓度

3、实验组1

在上述方法条件下，在mbr反应池1中不添加任何物质，向mbr反应池2中添加信号分子(c6-hsl)，向mbr反应池3中添加c6-hsl和密度为0.5％v/v的微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌。

实验结果如表2所示：

表2mbr中c6-hsl浓度

由表2的结果可知，反应池3中添加密度为0.5％v/v的微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌对信号分子(c6-hsl)进行了降解。

4、实验组2

在上述方法条件下，步骤三中向mbr反应池1中添加c6-hsl，向mbr反应池2中添加c6-hsl和密度为0.5％v/v未包含qq细菌的空小球，向mbr反应池3中添加c6-hsl和密度为0.5％v/v的微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌。

其中，未包含qq细菌的空小球的制备方法为：向聚乙烯醇与海藻酸钠的溶液中，滴入氯化钙和硼酸混合液作为高分子固化剂形成微珠状的未包含群体感应猝灭细菌(qq细菌)的空小球。

实验结果如表3所示：

表3mbr中c6-hsl浓度

由表3的结果可知，微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌对信号分子(c6-hsl)进行了降解，未包含qq细菌的空小球对信号分子(c6-hsl)没有降解作用。

4、实验组3

向mbr反应池1中添加c6-hsl；在mbr反应池2中添加c6-hsl，并在mbr反应池2前的预处理池中添加密度为0.5％v/v的微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌；向mbr反应池3中添加c6-hsl和密度为0.5％v/v的微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌，并在mbr反应池3前的预处理池中添加密度为0.5％v/v的微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌。

实验结果如表4所示：

表4mbr中c6-hsl浓度

由表4的结果可知，实验结果表明在mbr反应池前的预处理池中投入固定化的群体感应猝灭细菌(pre-qq)和在mbr反应池中投入固定化的群体感应猝灭细菌(in-situqq)相结合对信号分子的降解效果优于in-situqq单独使用的对信号分子的降解效果。

将实验组1和实验组3的实验结果对比，如图4所示，表明在mbr反应池前的预处理池中投入固定化的群体感应猝灭细菌(pre-qq)和在mbr反应池中投入固定化的群体感应猝灭细菌(in-situqq)对膜污染的控制有一定的效果，但是pre-qq与in-situ相结合对膜污染具有更好的控制效果，膜污染的周期明显的增长。

4、实验组4

向mbr反应池1中添加c6-hsl；在mbr反应池2中添加c6-hsl和密度为1％v/v的微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌；向mbr反应池3中添加c6-hsl和密度为0.5％v/v的微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌，并在mbr反应池3前的预处理池中添加密度为0.5％v/v的微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌。

实验结果如表5所示：

表5mbr中c6-hsl浓度

由表5的结果可知，实验结果表明在mbr反应池前的预处理池中投入固定化的群体感应猝灭细菌(pre-qq)和在mbr反应池中投入固定化的群体感应猝灭细菌(in-situqq)相结合可以达到单独在mbr反应池中投入固定化的群体感应猝灭细菌中高密度qq的效果，克服了需要严格控制在mbr反应池中投入固定化的群体感应猝灭细菌中qq密度的缺陷。

5、实验组5

向mbr反应池1前的预处理池中添加c6-hsl；在mbr反应池2前的预处理池中添加c6-hsl和密度为0.5％v/v的微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌；向mbr反应池3前的预处理池中中添加c6-hsl和密度为0.5％v/v的未固定化的群体感应猝灭细菌。

监测c6-hsl的浓度变化，结果如图2所示，投加初期，c6-hsl的降解效能相当，但投加7天之后，无固定化的实验组信号分子降解效能即出现了显著下降。说明了利用微珠作为固定有效群体感应淬灭菌的有利于保护菌体的活性。若不固定化，群体感应猝灭细菌在污水处理环境中很快会失去活性。此外，若不固定反应器排泥会将功能菌排出反应器，而固定化之后，排泥处使用格栅就能将固定化的功能菌保持在反应器中。

6、实验组6

向mbr反应池1前的预处理池中添加ahls作为信号分子和密度为0.5％v/v的微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌；在mbr反应池2前的预处理池中添加ahls，在mbr反应池2中投加密度为1％v/v的微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌；向mbr反应池3前的预处理池中添加ahls和密度为0.5％v/v的未固定化的群体感应猝灭细菌，在mbr反应池3中投加密度为0.5％v/v的微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌

监测ahls的浓度变化，结果如图3所示，实验结果表明单独的在mbr反应池前的预处理池中、单独的在mbr反应池中添加微珠状的固定化的群体感应猝灭细菌能够控制水中c6-hsl的浓度，但是，在mbr反应池前的预处理池中投入固定化的群体感应猝灭细菌(pre-qq)和在mbr反应池中投入固定化的群体感应猝灭细菌(in-situqq)相结合，具有更好的控制效果。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。