利用固定化群体感应的厌氧-好氧动态膜污染调控方法与流程

本发明涉及膜-生物反应器，尤其是涉及利用固定化群体感应的厌氧-好氧动态膜污染调控方法。

背景技术：

膜-生物反应器(MBR)是将膜分离技术与废水生物处理技术组合而成的新系统，兼具了活性污泥法的高效降解能力和膜组件的高效分离特点，近年来已引起广泛的关注，并逐步应用于城市生活污水和工业废水的处理。但是膜价格昂贵和膜污染问题成为MBR更广泛应用的主要瓶颈，动态膜的出现很好地解决了这两大难题。动态膜反应器的关键是使用大孔径网膜代替MBR中的微滤膜，利用运行过程中在网膜表面形成的污泥层起到截留作用。由于多孔底膜和预涂剂的选材广泛和价廉易得，大幅降低了膜组件的造价；另外由于多孔底膜即膜基质的通量本身就很大，在膜污染严重的情况下还可以将膜基质表面的动态膜去除以后再重新预涂或自生，使膜污染得到一定程度的控制。然而，动态膜反应器运行过程中膜污染，依然制约了其推广应用。公开号为CN1872733、CN102249414A和CN103496784A的中国专利分别采用改进反应器膜组件设置、投加颗粒活性炭及使用颗粒污泥替代絮状污泥等方法，缓解动态膜反应器的膜污染问题。然而，这些改进措施并不能从根本上控制膜污染，因此，需要从膜污染的本质机理寻找有效的控制方法。

膜污染是在膜过滤过程中，溶液中的胶体和悬浮颗粒在过滤压力的作用下被截留或吸附在膜表面，造成了膜通量下降的现象。MBR中膜的污染主要分为无机型、有机型及生物型三大类，其中生物污染是一个动态的、复杂的且相对缓慢的过程，是膜通量下降的主要原因。膜生物污染的本质是活性污泥中一些被截留的微生物及其分泌物通过与膜材料之间的相互作用，进而在其表面形成的生物膜的过程。研究表明，群体感应(Quorum sensing，QS)在MBR体系的膜生物污染的形成中有重要的调控作用。群体感应是一种细菌之间信息交流的机制，具有群体感应系统的细菌能够通过产生和释放信号分子，来感知群体密度的变化，从而实现对基因表达的调控。若能通过干扰微生物的群体感应系统从而调控其群体行为，例如抑制细胞粘附或减少胞外聚合物分泌等，进而影响细菌生物膜的形成，便可在分子水平上达到预防或者控制膜生物污染的最终目的。群体感应淬灭(Quorum quenching，QQ)便可以通过抑制信号分子产生、灭活信号分子或干扰受体蛋白达到膜污染层中细菌与膜的相互作用，从而有效控制膜生物污染。研究表明，群体感应淬灭菌能够通过产生AHL内酯酶、AHL酰基转移酶和AHL-氧化酶中的一种或几种，抑制群体感应信号分子的传递，从而达到群体感应淬灭的效果。所以，在膜反应器体系中，通过固定化生物技术强化体系内群体感应淬灭菌的功能，实现以群体感应淬灭为基础的膜污染控制，该技术具有高效、持久及低能耗等优势，对膜处理工艺实际工程应用具有广阔的前景。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有MBR水处理中所存在的膜组件造价高和运行中膜污染问题，提供可实现相对高效、持久的膜污染控制的利用固定化群体感应的厌氧-好氧动态膜污染调控方法。

本发明所述利用固定化群体感应的厌氧-好氧动态膜污染调控方法，包括以下步骤：

1)制备群体感应细菌固定化小球；

在步骤1)中，所述制备群体感应细菌固定化小球的具体方法可为：将群体感应淬灭细菌，在LB培养基中培养后，离心重悬于去离子水后，制得菌悬液，所述菌悬液与无菌的海藻酸钠混合，制得菌-海藻酸钠悬液，再将菌-海藻酸钠悬液加入CaCl₂溶液中浸泡，水洗后，保存于水中；所述培养的时间可为8～36h；所述菌悬液与无菌的海藻酸钠的体积比可为1︰20；所述CaCl₂溶液的质量体积比可为2％～15％，所述浸泡的温度可为0～20℃，浸泡的时间可为24h，所述保存于水中可置于冰箱保存于去离子水中；所述群体感应细菌可采用Rhodococcus erythropolis，Rhodococcus qingshengii等；所述菌悬液的质量浓度可为10～150mg菌/mL水，所述海藻酸钠可采用质量百分浓度为2％～20％无菌的海藻酸钠；所述CaCl₂溶液的质量百分浓度可为2％～10％，交联条件为0～10℃范围内在CaCl₂溶液中浸泡3～8h；所述群体感应淬灭细菌的海藻酸钠包埋颗粒，直径为3～3.5mm，密度为1～2g/L。

2)固定化小球使用时，投入污水处理系统，经过活化、驯化后，即完成群体感应淬灭细菌的富集，群体感应淬灭细菌以0.05％～0.5％的比例向好氧池投加；

3)原水经调节池进入动态膜厌氧－好氧循环一体化反应体系的厌氧池和好氧池，厌氧池内置搅拌装置，厌氧池底部排泥；好氧池内部装有穿孔曝气管，由外部的空气压缩机鼓风曝气，以转子流量计控制曝气量，底部排泥；

在步骤3)中，所述厌氧池的温度可为15～35℃，搅拌装置的搅拌速度可为60～200r/min；所述好氧池的温度可为10～35℃行，所述曝气量可为0.5～10L/min，好氧池中溶解氧可为DO≥2.0mg/L，优选2.0～6.0mg/L；所述穿孔曝气管可采用砂芯曝气头。

4)在线监控膜组件的跨膜压差及膜通量，当自生动态膜形成后，向好氧池以0.05％～0.5％的量投加；

5)厌氧池和好氧池中放置由工业滤布制成的动态膜组件，将厌氧池中的污水通过动态膜组件的出水口抽至好氧池中，同时将好氧池中的污水将动态膜组件的出水口抽回至厌氧池，以形成厌氧池和好氧池中污水在时间和空间上同时连续循环的处理，完成对污水的处理过程；

在步骤5)中，所述工业滤布可选自涤纶短纤、涤纶长纤、维纶、丙纶等中的一种；所述工业滤布的孔径可为10～500μm；所述将厌氧池中的污水通过动态膜组件的出水口抽至好氧池中，可通过电脑恒流泵将厌氧池中的污水通过动态膜组件的出水口抽至好氧池中；所述将好氧池中的污水将动态膜组件的出水口抽回至厌氧池，可用电脑恒流泵将动态膜组件的出水口抽回至厌氧池；所述厌氧池和好氧池之间通过电脑恒流泵进行厌氧池和好氧池之间污水的循环处理，控制循环流速为5～500mL/min。

6)根据废水水质类型、处理水量和有机负荷，控制进水流速和循环流速，使得废水在厌氧池和好氧池中通过动态膜进行循环处理而完成厌氧和好氧微生物的降解，出水达标后排放。

在步骤6)中，所述控制进水流速和循环流速可通过恒流泵控制进水流速和循环流速。

根据废水水质类型、处理水量和有机负荷，通过恒流泵控制进水流速和循环流速，使得废水在厌氧和好氧反应池中进行连续的循环处理，出水达标后排放。

群体感应淬灭技术的作用及功能为：

1)从膜污染的本质机理出发，能够从根本上控制膜污染。膜生物污染是膜污染中最复杂、最难控制的一类污染，其本质是活性污泥中一些被截留的微生物及其分泌物通过与膜材料之间的相互作用，进而在其表面形成的生物膜的过程。基于群体感应对生物膜形成的调控，利用群体感应淬灭原理，能够从本质上抑制膜生物污染的形成，进而达到缓解膜污染的效果

2)利用生物方法控制，无二次污染。群体感应是膜污染层中细菌的普遍存在的信息交流机制，而群体感应淬灭细菌选自污水处理系统，可以很好的适应动态膜系统又不会对其生物种群的等产生影响，更没有添加任何有毒、有害物质。

3)实现方式操作简单，便于自动化控制。只需监控跨膜压差或膜通量的变化，以了解膜污染的程度，适时投加群体感应淬灭细菌，可实现自动化控制。

动态膜循环一体化的作用及功能为：

1)动态膜解决了MBR膜的高成本和膜污染难题：传统的膜组件的成本高，运行过程动力消耗大，造成运行费用高。在膜的运行过程中悬浮污染物在压力的作用下被截留或吸附在膜表面，造成膜的污染。而动态膜由多孔底膜和预涂剂的选材广泛和价廉易得，使得其成本和造价较之传统的MBR有很大幅度的下降。多孔底膜即膜基质的通量本身较大，在膜污染严重的情况下还可以将膜基质表面的动态膜去除以后再重新预涂或自生，从而有效地控制膜污染。

2)用动态膜取代传统的膜组件，它将膜分离技术和生物反应过程有机结合，以膜技术的高效分离作用取代传统活性污泥法中的二沉池，实现传统工艺所无法比拟的泥水分离和污泥浓缩效果，消除了污泥膨胀的影响。它还大幅度提高了曝气池中活性污泥的浓度，省却了污泥回流系统，大大延长了泥龄，减少了剩余污泥量，并通过膜对废水中SS、有机物、病原菌和病毒的高效截留作用，大大提高了处理出水水质。

3)通过动态膜中液体的循环将厌氧池中产生的挥发性酸等中间产物在对厌氧微生物产生抑制之前及时地被转移到好氧池中而被氧化分解，同时，未及时被水解酸化的大分子污染物又能在经过好氧池后及时循环回厌氧池进一步地降解。发挥厌氧和好氧微生物体各自优势。

与传统的MBR污水生物处理技术相比，本发明具有投资成本低、设备简单、易操作、处理效果好等优点，适用于多种污水的生物处理。

附图说明

图1为本发明实施例采用动态膜厌氧-好氧循环一体化生物处理装置及流程图。

图2为本发明实施例制备的包埋小球。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明实施例采用动态膜厌氧-好氧循环一体化生物处理装置及流程图参见图1，在图1中，压力表1分别与温度计2、动态膜组件4和循环泵9连接，动态膜组件4设在厌氧反应器3和好氧反应器7内，搅拌器5设在动态膜组件4的下方，曝气泵6与好氧反应器7连接，在好氧反应器7内放置海藻酸钠小球8，压力表1和温度计2与计算机10连接。

实施例1

将群体感应淬灭细菌Rhodococcus erythropolis，在LB培养基中培养24h后，离心重悬于去离子水后，制得菌悬液作为固定化菌种。菌悬液与无菌的海藻酸钠按1︰20混合制得菌-海藻酸钠悬液。将菌-海藻酸钠悬液滴加入10％(w/v)CaCl₂溶液，于4℃在CaCl₂溶液中浸泡24h，水洗后，置于4℃，保存于去离子水中。固定化小球使用时，将其投入污水处理系统，经过7天的活化、驯化后，即可完成群体感应淬灭细菌的富集。得到的固定化小球平均粒径为3.55±0.15mm，15min传质速率比为65.78％。

动态膜厌氧－好氧循环污水处理工艺，进水为模拟生活污水。根据进水有机负荷，确定水力停留时间和循环流速，使得生活污水分别在厌氧池和好氧池中通过动态膜进行循环处理而完成厌氧和好氧微生物的降解，测定不同降解时间内各池中水体的COD、SS、DO、pH值、温度等指标，监测不同时期跨膜压差的变化。

实施例2

将群体感应淬灭细菌Rhodococcus erythropolis，在LB培养基中培养24h后，离心重悬于去离子水后，制得菌悬液作为固定化菌种。菌悬液与无菌的海藻酸钠按1︰15混合制得菌-海藻酸钠悬液。将菌-海藻酸钠悬液滴加入10％(w/v)CaCl₂溶液，于4℃在CaCl₂溶液中浸泡24h，水洗后，置于4℃，保存于去离子水中。固定化小球使用时，将其投入污水处理系统，经过7天的活化、驯化后，即可完成群体感应淬灭细菌的富集。得到的固定化小球平均粒径为2.65±0.15mm，15min传质速率比为52.49％。

动态膜厌氧－好氧循环污水处理工艺，进水为模拟生活污水。根据进水有机负荷，确定水力停留时间和循环流速，使得生活污水分别在厌氧池和好氧池中通过动态膜进行循环处理而完成厌氧和好氧微生物的降解，测定不同降解时间内各池中水体的COD、SS、DO、pH值、温度等指标，监测不同时期跨膜压差的变化。

表1

实施例1、实施例2制备的包埋小球及动态膜反应器运行情况见表1。

本发明实施例制备的包埋小球参见图2。