水处理中的生物膜技术：趋势与挑战

2. 研究进展案例

研究人员Davies 认为绿脓杆菌(Pseudomonas aeruginosa，又名铜绿假单胞菌)生物膜的形成跟胞间信号的传递相关。研究者发现一种能发送胞间信号的分子可能是控制生物膜在导尿管、囊性纤维变性和其他绿脓杆菌存在的环境的生长。研究人员Shrout曾对群体感应和蜂拥运动性在特定营养环境下对绿脓杆菌的影响进行报道。例如一氧化氮(NO)是在生态系统中的一个重要信使分子，它能在生命中传递信号。信号传递通过一个细胞产生的气体穿过细胞膜进入另一个细胞来控制后者的功能。这个发现给生态系统的信号传递展示了新的理论。一氧化氮为信使分子这一发现背后的相关研究者也获得了1998年诺贝尔生理医学奖。

生物膜反应器的研究已经成为有趣的新的代谢路径的来源。例如厌氧氨氧化工艺就是在反硝化生物膜流化床的中试试验中被发现的。在这个反应系统里，研究者对Anammox菌进行富集，并通过超声波温和破碎和密度梯度离心，发现主要的微生物是一个属于浮霉状菌目(planctomycete)的细菌，他们将其命名为“Candidatus Brocadia anammoxidans”：Brocadia代表细菌发现地——位于荷兰Delft的酵母生产公司Gist-Brocades的污水厂(该公司于1998年被DSM公司收购);anammoxidans指的是其代谢方式;而因为该菌的提取方法不是标准的微生物提取方法，所以在菌种名称上再加上 Candidatus一词。 这是科研界第一次对 Anammox 菌进行命名。在此之后，用生物膜反应器来培养Anammox菌越加普遍和高效。

3. 关于EPS

在生物膜中，微生物生存在自产的EPS粘性基质里。这些EPS的主要组成为多糖、蛋白质、核酸和脂质。除此以外，EPS给生物膜提供了机械稳定性，加强了微生物在特定表面的粘性，并为微生物提供了一个三维的聚合物网络空间。理论上人们已经弄清了EPS胞外基质的功能、属性和组成，但仍有许多问题有待解决：例如其产生的动力学、它们对代谢动力学的贡献，和生物化学转化速率等。因此，能明确清晰描述EPS的生物膜模型还不多，而且缺少对其基础型机械属性的分析——解析生物膜的“暗物质”依然是相关科研人员的挑战。

EPS基质的各种反应

4. 微量污染物的去除

在生物膜大背景下的微量污染物的生物化学和微生物生态学的研究也是一个热点。有研究人员的实验显示，基于生物膜工艺的污水处理系统在去除微量有机污染物的表现要优于悬浮式活性污泥工艺。这个结果显示复合固定膜活性污泥(integrated fixed-film activated sludge - IFAS)可能在去除例如雌激素和微量有机物方面较有优势。

另外，研究者发现这些激素的去除是通过硝化菌的异养生物降解而不是吸附作用去除的，但当然也只是某些特定激素或有机污染物而已。而在2016年的一项研究则发现在MBBR中，生物膜的厚度会影响其中的硝化菌的多样性，这继而影响了生物膜去除微量污染物的能力。

生物膜反应器

1. 三大工艺类型

目前主要的生物膜反应器类型有：

MBBRs和IFAS

MBfRs (membrane-supported biofilm reactors -膜支撑的生物膜反应器)

颗粒污泥工艺

MBBRs 和 IFAS是已经成熟的技术，但也在不断进化的过程中。最新工艺采用浸入式的能移动的生物膜载体，能够实现COD的去除、硝化反硝化和厌氧氨氧化。目前全球有超过1200个运行的MBBR污水厂工程案例(人口当量PE>200)，人口当量少于200的MBBR厂则超过7000。其中超过100个MBBR系统用于养殖业的硝化工艺。据估计，MBBR用于市政污水和工业污水的数量基本相同(PE>200)。

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【污师说】MBBR----移动的生物膜技术

膜技术之厌氧膜生物反应器AnMBR技术简介