群体感应淬灭菌调控膜生物反应器中胞外聚合物实现高负荷废水处理及通量倍增研究

针对膜生物反应器(MBR)处理高COD/N废水时膜生物污染严重的问题，研究人员通过引入群体感应淬?(QQ)菌调控胞外聚合物(EPS)，成功将临界通量提升100%(0.3→0.6 m/day)，延长运行周期>14天，同步保持NH4+-N(>94%)和COD(>93%)的高效去除，为高负荷废水处理提供了新型生物污染控制策略。

　　

随着全球污水处理标准的日益严格，膜生物反应器(MBR)技术因其高效、紧凑的特点成为研究热点。然而，膜污染问题始终制约着MBR的大规模应用，特别是在处理高化学需氧量(COD)和高氨氮(N)废水时，微生物过度增殖导致的胞外聚合物(EPS)积累会加速膜孔堵塞。更棘手的是，近年来厌氧消化系统的普及产生了大量富含难降解有机物和无机盐(尤其是氨氮)的消化液，这类高负荷废水进一步加剧了MBR的生物污染问题。

传统观点认为，群体感应(QS)系统通过N-酰基高丝氨酸内酯(AHL)等信号分子调控EPS合成和生物膜成熟。基于此，群体感应淬灭(QQ)技术——通过阻断或降解QS信号分子来控制生物污染——被视为突破MBR技术瓶颈的新范式。虽然已有研究证实QQ在常规废水处理中的有效性，但其在高负荷废水条件下的功能稳定性仍缺乏系统验证。这一知识空白严重限制了MBR在厌氧消化液处理领域的应用拓展。

针对这一关键问题，上海浦江计划支持的研究团队开展了一项创新性研究。通过将QQ菌固定于聚合物基质中，研究人员首次系统评估了QQ技术在处理模拟高COD(1500 mg/L)和高氨氮(1100 mg/L)废水时的表现。研究发现，QQ菌不仅能将MBR的临界通量提升至0.6 m/day(较对照组提高100%)，还使运行周期延长3倍以上，同时维持COD(>93%)和NH₄⁺-N(>94%)的高去除率。更值得注意的是，QQ菌通过特异性降低蛋白质类EPS含量(降幅达50.68%)实现膜污染控制，且该效应在长期运行后仍可通过菌体活化恢复。这项发表于《Journal of Environmental Sciences》的研究，为MBR处理高负荷废水提供了兼具理论深度和实践价值的解决方案。

关键技术方法包括：(1)构建三级A/O/MBR(缺氧-好氧-膜生物反应器)系统，采用PVDF中空纤维膜(0.2 μm)；(2)逐步提升进水COD(750→1500 mg/L)和NH₄⁺-N(500→1100 mg/L)浓度模拟高负荷条件；(3)对比分析QQ组与对照组的污染物去除效率、EPS组成及膜污染参数；(4)通过反应器拆解实验验证QQ菌的长期活性保持能力。

【A/O/MBR反应器设置与运行】
研究采用三级连续流反应器系统，其中膜分离槽配备比表面积为0.02 m²的PVDF微滤膜。在逐步提升进水负荷的过程中，系统表现出良好的污染物去除稳定性，但当NH₄⁺-N浓度升至2200 mg/L时出现氨氮去除效率下降，提示该浓度可能接近处理极限。

【污泥培养与污染物去除特征】
初期污泥培养阶段(COD 750 mg/L，NH₄⁺-N 500 mg/L)的去除效率从12.8%(COD)和67.6%(氨氮)稳步提升至90.8%和78.3%。值得注意的是，QQ组的膜污染速率显著低于对照组，在0.35 m/day通量下运行周期延长2倍，再活化后甚至延长3倍以上。

【QQ对膜性能的增强机制】
关键发现是QQ处理使临界通量倍增(0.3→0.6 m/day)，这主要归因于蛋白质类EPS的显著减少(降幅50.68%)。透射电镜显示QQ组膜表面污染物层更薄，且傅里叶变换红外光谱证实污染物中有机组分减少。这些结果从微观层面解释了QQ技术缓解膜污染的机理。

研究结论表明，QQ技术通过干扰微生物群体感应系统，有效抑制了高负荷条件下EPS(尤其是蛋白质组分)的过度积累，从而实现了MBR通量的大幅提升和运行周期的显著延长。该策略不仅突破了传统MBR处理高COD/N废水的技术瓶颈，其"生物调控"而非"化学抑制"的特性也符合绿色污水处理的发展趋势。更重要的是，QQ菌在长期运行后仍保持活性并可再活化的特点，为其工业化应用提供了可靠性保障。这些发现为MBR技术在厌氧消化液等难处理废水领域的推广应用奠定了坚实的理论和实践基础。