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一、MBR膜生物反应器概述

膜生物反应器（MBR）结合了膜分离技术与活性污泥法，通过膜的高效截留作用，实现了泥水的有效分离，使得反应器内能够维持高浓度的活性污泥，从而显著提高了污水处理效率和水质。MBR作为新一代污水处理技术，凭借其高效固液分离能力、高活性污泥浓度和稳定出水水质，已经成为市政与工业废水处理领域的核心设备。相较于传统活性污泥法，MBR 具有占地面积小、出水水质优良、污泥产量低等优势，在城市污水、工业废水处理以及中水回用等领域得到了广泛应用。然而，MBR 运行过程中膜污染问题严重制约了其进一步推广与应用。

二、MBR膜污染现状与危害

（一）膜污染的形成机制

MBR 膜污染机理极为复杂，是多种因素共同作用的结果。颗粒物质（如悬浮固体）、微生物（包括细菌、真菌等）、无机离子（如钙、镁离子）、胞外聚合物（EPS）以及可溶性微生物产物（SMP）等都能在膜表面或膜孔内吸附、聚集，逐渐形成污染层，导致膜通量下降。其中，EPS 和 SMP 是膜污染的关键因素，它们具有复杂的化学结构和粘性，容易与膜材料相互作用，促进其他污染物的附着。

（二）膜污染的危害

膜污染不仅会使膜通量显著降低，为维持一定的处理水量，需要增大跨膜压差，这无疑增加了能耗；频繁的化学清洗会缩短膜的使用寿命，增加更换膜组件的成本；严重的膜污染还可能导致出水水质恶化，无法达到预期的处理标准，影响整个污水处理系统的稳定运行。

三、生物法减缓膜污染的机制与技术

（一）群体感应（QS）与群体淬灭（QQ）技术

群体感应原理：细菌间通过信号分子协调生物膜形成的关键机制。根据信号分子浓度变化调控微生物群体行为，如 EPS 合成与分泌、生物膜形成等。某些信号分子（如革兰氏阴性菌种内交流的酰化高丝氨酸内酯 AHLs）在 MBR 中可能促进膜表面生物膜形成，加快膜污染进程。例如，研究发现 MBR 不同运行阶段中微生物群落结构差异，改变了起主要作用的信号分子种类和浓度，部分信号分子促进了混合液 SMP 和 EPS、膜上 EPS 中蛋白质（PN）形成，导致膜生物污染。

群体淬灭技术：在 QS 理论基础上发展而来，通过抑制信号分子产生、灭活信号分子或阻止其与受体结合，减少细菌群落联系，进而减缓膜污染。Jiang 等在电极 - 膜生物反应器（EMBR）中投加 QQ 细菌 ssn - 2，取得了较好的膜污染减缓效果，且 EPS 含量与 AHLs 浓度呈正相关。为减少群体淬灭剂流失及对污泥活性影响，实际应用中常联合固定化技术。如杨莹构建的 QQ 小球投入 MBR 后，能明显抑制膜组件上生物膜形成，降低 EPS 含量。

（二）能量解偶联

微生物正常代谢时氧化与磷酸化相互偶联，能量解偶联通过添加解偶联剂抑制 ATP 合成，使分解代谢与合成代谢分离，从而抑制细菌生长与生物膜形成。Feng 等研究发现解偶联剂 3，3'，4'，5 - 四氯水杨酰苯胺（TCS）可抑制枯草芽孢杆菌生物膜形成，通过抑制细菌活性和减少 EPS 分泌实现。赵迎雪使用重力流膜生物反应器（GDMBR）研究发现，TCS 投加能降低污泥混合液及膜上 EPS 含量，减小膜总阻力、滤饼层阻力及膜孔堵塞阻力，增加出水通量。但解偶联剂投加量对膜污染减缓效果影响显著，不同种类、剂量的解偶联剂效果存在差异，且常见解偶联剂多含苯环，对微生物有毒害作用，需严格控制浓度，同时高浓度解偶联剂可能导致污泥浓度降低、出水水质变差，相关长期研究较少。

（三）生物酶法

水解细胞壁：补充细胞壁水解酶，可减少生物膜 EPS 和 SMP 数量，简化生物膜结构，从而减缓膜污染。有研究表明，通过这种方式能有效改善膜的过滤性能，降低膜污染程度。

降解 EPS：利用生物酶对反应器中的 EPS 进行降解，破坏 EPS 稳定性，实现膜污染缓解。研究发现某些特定生物酶能够高效分解 EPS 中的蛋白质和多糖成分，减少其在膜表面的积累，进而降低膜污染速率。

（四）活性污泥法的优化

优化活性污泥性质：通过调控活性污泥的微生物群落结构，增加具有抗污染能力的微生物种类和数量，可改善污泥的沉降性能和过滤性能，减少膜污染。例如，筛选和富集对 EPS 有分解能力的微生物，使其在活性污泥中占主导地位，能够有效降低 EPS 对膜的污染。

投加助燃剂或添加剂：在活性污泥系统中适量投加某些助燃剂或添加剂，如活性炭、生物炭等，可增强活性污泥的吸附能力，吸附污水中的污染物和膜污染物，减少其在膜表面的沉积。如在 MBR 中添加活性炭，能吸附上清液中溶解性有机物，降低 SMP 和 EPS 浓度，还可增强活性污泥聚集，改变污泥絮体粒径分布，减缓膜污染。研究对比了颗粒活性炭（GAC）和粉末活性炭（PAC）在膜污染控制中的作用，发现 PAC 在运行中后期展现出明显抗污染优势，跨膜压（TMP）增速降低，混合液中 EPS 含量降低，污泥絮体平均粒径增大，同时对总氮（TN）和化学需氧量（COD）去除率也有提升。

四、MBR 膜未来发展方向

（一）膜材料的创新

研发新型膜材料，如具有特殊表面性质（超亲水、抗污染）的膜材料，以提高膜本身的抗污染性能。例如，将具有亲水性基团的物质引入膜材料分子结构中，增强膜与水分子的亲和力，减少污染物吸附；或者开发智能响应型膜材料，能根据环境变化（如污染物浓度、pH 值等）自动调整膜表面性质，抵抗污染。

（二）与新兴技术的融合

与纳米技术结合：利用纳米材料的特殊性能，如纳米颗粒的高比表面积、强吸附性等，对膜进行改性或制备纳米复合膜。如将纳米银颗粒负载到膜表面，可发挥其抗菌性能，抑制微生物在膜表面生长繁殖，减少生物污染；或者制备含有纳米孔结构的膜，提高膜的分离精度和抗污染能力。

与生物技术深度融合：进一步挖掘微生物在膜污染控制中的潜力，开发基于微生物代谢调控的新型 MBR 工艺。例如，通过基因工程技术构建具有特定功能的工程菌，使其能够高效降解膜污染物；或者利用微生物燃料电池原理，将 MBR 与产电微生物相结合，在处理污水的同时产生电能，实现能量回收，同时借助电场作用改善膜污染状况。

（三）可持续发展方向

注重 MBR 系统的可持续性，从减少能耗、降低化学药剂使用、实现资源回收利用等方面入手。开发低能耗的膜组件和运行方式，如采用重力驱动的 MBR 系统，减少曝气能耗；优化清洗策略，减少化学清洗频率，采用生物清洗等环境友好型清洗方式；探索从污水中回收有用资源（如氮、磷、重金属等）的技术，实现污水的资源化利用，降低处理成本，提高 MBR 系统的综合效益。

五、结论

生物法在减缓 MBR 膜污染方面展现出成本低、环境友好等优势，通过群体感应与群体淬灭技术、能量解偶联、生物酶法以及活性污泥法的优化等多种途径，能够有效降低膜污染程度，提高 MBR 系统的运行稳定性和处理效率。然而，目前生物法在实际应用中仍面临一些问题，如部分技术的作用机理尚不完全明确、实际工程应用案例较少等。未来，随着膜材料创新、与新兴技术融合以及可持续发展理念的深入贯彻，MBR 膜技术有望在解决膜污染问题的同时，实现更加高效、经济、环保的污水处理目标，为水资源的可持续利用提供有力支撑。