一种缓解膜生物反应器中生物膜污染的解体剂的制作方法

本发明属于水处理技术领域，具体一种延缓膜生物反应器中生物膜污染解体剂的制备及应用方法。

背景技术：

将传统活性污泥法与膜过滤相结合的膜生物反应器(MBR)工艺，具有出水水质好、占地面积小等优点，在污水处理及中水回用领域备受关注。然而由于膜表面生物膜的形成及随后粘附的泥饼层，在大幅降低了膜通量的同时，引发严重的膜污染，制约了膜生物反应器工艺的大规模广泛应用。前期研究表明，膜生物反应器运行成本的60％以上直接与生物膜污染有关，因而如何从膜生物反应器生物膜污染控制角度采取必要的调控措施，对于延缓膜污染具有重要的实际意义。

生物膜广泛存在于自然界，其形成过程是自发、自然形成的过程，因而以生物膜形成为主要特征的膜生物反应器生物膜污染不可避免。生物膜污染包括：(1)微生物在膜表面粘附及生长；(2)本体溶液中微生物及膜表面形成由生物膜产生的代谢产物对膜的污染。胞外聚合物(EPS)与生物膜形成关系密切，作为“生物胶水”，一方面EPS有助于微生物在膜表面的附着，为微生物在膜表面的初期生长创造了条件；另一方面膜表面生物膜的形成强化了膜截留大分子有机物的能力，使得大部分溶解性微生物代谢产物(SMP)在反应器内累积，从而进一步强化生物膜的形成并加重膜生物污染。膜生物反应器生物膜污染是一个动态的、复杂的和相对缓慢的过程，涉及到群体感应机制(Bioresource Technology,2014,171:472-476)、微生物代谢产物(Water Research,2009,43:1489-512)及可提取胞外脱氧核糖核酸(eDNA)控制生物膜形成机制(Science,2002,295:1487-1487)等。尽管在膜生物反应器中生物膜污染机制错综复杂，然而大量研究表明，eDNA在生物膜形成过程中扮演了十分重要的角色，对于生物膜的形成至关重要。eDNA是细菌的非聚合代谢产物，作为EPS的关键组分，对于维系EPS的空间结构扮演了重要角色，在生物膜形成过程起到了“脚手架”的功能。

利用抑制生物膜形成来减缓膜生物反应器膜污染的研究备受关注，如美国专利(No.6,777,223)公开了利用分解酰基高丝氨酸内酯(AHL)的淬灭酶来抑制生物膜的形成，然而淬灭酶受环境因素波动影响较大，酶易失活，因而利用群体感应淬灭酶来抑制生物膜污染的方法在实际工程中应用前景黯淡。韩国专利(No.981519)公开了利用群体淬灭酶包覆在磁性载体上，解决了淬灭剂流失及回收问题，然而并未从根本上解决淬灭剂易失活、用量大及成本高 等瓶颈问题。本发明提出了膜生物反应器生物膜污染解体剂制备及应用方法，结合膜生物反应器生物膜污染特点，提出了向膜生物反应器反冲洗水中投加以分解eDNA为主要目标的生物膜污染解体剂，以期以较低的成本，实现膜生物反应器膜污染减缓。

技术实现要素：

本发明的目的是，提出一种缓解膜生物反应器中生物膜污染解体剂的制备及其应用方法，结合膜生物反应器操作条件，以完善现有技术的不足。

生物膜污染解体剂的制备通过以下步骤完成：

(1)将脱氧核糖核酸酶I溶于超纯水中，配制成质量浓度为10-30mg/L的溶液，搅拌均匀待用；

(2)将D-络氨酸溶解于甲酸溶液中，配置成质量浓度为5-8mg/L的溶液，置于棕色玻璃瓶中均匀混合，静置1～2h；

(3)将步骤(1)与步骤(2)配制的2种溶液混合均匀，调节pH值为5-6之间，加入激活剂Mn²⁺，Mn²⁺的质量浓度为10-30mg/L，成为生物膜污染解体剂。

膜生物反应器生物膜污染解体剂应用方法：

将生物膜污染解体剂投加至膜生物反应器反冲洗水中，投加量与反冲洗水体积比为1:100～150。

本发明的原理为，生物膜的形成取决于eDNA的浓度，生物膜污染解体剂中含有的脱氧核糖核酸酶I，在Mn²⁺存在下可高效切断双链DNA，从而使eDNA片段化，失去构建生物膜的能力；同时D-络氨酸可将膜表面残留的生物膜解体，并减少EPS的分泌，从而减缓膜生物反应器生物膜污染。

本发明的优点以及产生的有益效果是：

(1)向反冲洗水中投加生物膜污染解体剂后，可显著延长膜生物反应器缓慢阶段膜污染时间，并且未对膜生物反应器污染物去除效果产生影响。

(2)脱氧核糖核酸酶I与D-络氨酸，对膜生物反应器膜表面生物膜形成的关键组分起分解作用，其联合使用具有协同效应；同时激活剂Mn²⁺对脱氧核糖核酸酶I与D-络氨酸均有活化作用。

(3)扩散至本体溶液中的生物膜污染解体剂，可降低活性污泥增殖速率，减小剩余污泥排放量。

附图说明

所示附图1为实施效果说明图。表示不同工况下，膜生物反应器跨膜压差随运行时间的变 化。图1中工况1表示反冲洗水中未加入生物膜污染解体剂，跨膜压差随运行时间增长情况；工况2、3、4表示向反冲洗水中投加不同比例的生物膜污染解体剂，跨膜压差随运行时间增长情况。

实施具体方式

下面通过具体实施例，对本发明提出的制备以及应用方法作进一步的说明，实施效果参照附图1。需要说明的是下述实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此实施例限定本发明所要求的保护范围。实施例中使用的原料均为市购产品。

膜污染解体剂的制备通过以下步骤完成：

(1)将脱氧核糖核酸酶I溶于超纯水中，配制成质量浓度为10-30mg/L的溶液，搅拌均匀待用；

(2)将D-络氨酸溶解于甲酸溶液中，配置成质量浓度为5-8mg/L的溶液，置于棕色容器中均匀混合，静置1～2h；

(3)将步骤(1)与步骤(2)配制的2种溶液混合均匀，调节pH值为5-6之间，加入激活剂Mn²⁺，Mn²⁺质量浓度为10-30mg/L，成为生物膜污染解体剂。

膜生物反应器生物膜污染解体剂应用方法：

将配制好的生物膜污染解体剂投加至膜生物反应器反冲洗水中，投加量与反冲洗水体积比为1:100～150。

实施例1：

膜生物反应器有效体积5L，污泥浓度波动范围为9～13g/L，水力停留时间(HRT)及污泥停留时间(SRT)分别为6h及30d，生活污水进水化学需氧量(COD_cr)为240～460mg/L；膜出水通量为10L/m²h，每工作周期内，膜抽吸时间为13min，停歇时间为2min，停歇阶段进行反冲洗，反冲洗流量为5L/m²h。

(1)首先配制质量浓度为10mg/L的脱氧核糖核酸酶I溶液，搅拌均匀待用；

(2)将D-络氨酸溶解于甲酸溶液中，配置成质量浓度为5mg/L溶液，置于棕色玻璃瓶中均匀混合，静置1h；

(3)将上述2种溶液混合均匀，调节pH值为5.4，加入Mn²⁺质量浓度为10mg/L，混合均匀待用。

将配制好的生物膜污染解体剂投加至膜生物反应器反冲洗水中，投加量与反冲洗水体积比为1:100。

实施效果见附图1工况2，与未投加生物膜污染解体剂(工况1)相比，本实施例显著延长 了缓慢膜污染阶段时间，有效降低了膜污染速率。

实施例2：

本实施例中，所用反应器结构与实施例1相同。污泥浓度波动范围为8～11g/L，稳定阶段运行参数：HRT为6h、SRT为25d，生活污水进水COD_cr为390mg/L～560mg/L；膜运行条件与实施例1相同。

(1)首先配制质量浓度为20mg/L的脱氧核糖核酸酶I溶液，搅拌均匀待用；

(2)将D-络氨酸溶解于甲酸溶液中，配置成质量浓度为7mg/L溶液，置于棕色玻璃瓶中均匀混合，静置1.5h；

(3)将步骤(1)与步骤(2)配制的2种溶液混合均匀，调节pH值为5.2，加入Mn²⁺质量浓度为15mg/L。

将配制好的生物膜污染解体剂投加至膜生物反应器反冲洗水中，投加量与反冲洗水体积比为1:120。

实施效果见附图1工况3，与未投加生物膜污染解体剂(工况1)相比，本实施例明显延长了缓慢膜污染阶段时间，有效降低了膜污染速率。

实施例3：

本实施例中，所用反应器结构及生活污水水质与实施例2相同。污泥浓度波动范围为8～11g/L，运行参数：HRT为8h、SRT为20d；膜运行条件与实施例1相同。

(1)首先配制质量浓度为30mg/L的脱氧核糖核酸酶I溶液，搅拌均匀待用；

(2)将D-络氨酸溶解于甲酸溶液中，配置成质量浓度为8mg/L溶液，置于棕色玻璃瓶中均匀混合，静置2h；

(3)将步骤(1)与步骤(2)配制的2种溶液混合均匀，调节pH值为5.7，加入Mn²⁺质量浓度为30mg/L。

将配制好的生物膜污染解体剂投加至膜生物反应器反冲洗水中，投加量与反冲洗水体积比为1:150。

实施效果见附图1工况4，与未投加生物膜污染解体剂(工况1)相比，本实施例显著延长了缓慢膜污染阶段时间，有效降低了膜污染速率。

由图1可见加入解体剂后，跨膜压差随时间的变化率明显减小，跨膜压差随时间的变化越小说明减缓膜污染的效果越好，尤其是工况4与工况1相比，效果非常显著。