新型的无泡曝气膜生物反应器 (MABR) 在强化有机废水降解方面具有很大技术优势和广泛百富策略白菜网前景.MABR是气体分离膜技术与生物膜法污水处理技术的结合, 采用富氧气体分离膜作为微生物载体, 同时又利用膜对氧气的选择透过性为附着在其表面的微生物提供氧气, 即气体分离膜同时起到生物膜载体和无泡曝气的双重作用.最早由美国的Yeh和Jenkins于1978年提出的膜载体生物膜反应器 (MABR) [1], 采用聚四氟乙烯纤维膜供氧, 利用附着在膜外层的生物膜处理人工污水.随后, Onishi等[2]也采用类似的方法进行生活污水处理研究, 并取得了美国专利.目前在MABR研究方面较深入的有爱尔兰都柏林大学的Eoin Casey[3,4]、美国明尼苏达大学的Michael J Semmens[5]、日本早稻田大学的Kazuaki Yamagiwa、Akira Ohkawa[6]、大连理工大学的杨风林教授[7,8,9], 天津大学的李保安教授[10,11,12]等.研究范围总体上可概括为五个方面: (1) MABR过程特异性优化; (2) MABR处理废水过程的数学模拟; (3) MABR脱氮工艺研究; (4) MABR去除含挥发性有机物或难降解废水研究; (5) MABR功能活性层化研究.但是, 在对MABR微生物膜特性和功能机理方面还缺乏系统、全面和深入的研究, 一定程度上制约了MABR技术进一步的研发和百富策略白菜网.

本文综述了关于MABR微生物膜结构特征、微生物膜微结构表征方法、微生物膜微环境及群落生态学等的研究现状, 并对其未来研究重点进行了阐述, 以期推动MABR技术研究的深入开展.

MABR微生物膜是一种附着于活组织或无活力组织的表面、由其自身产生的细胞外多聚基质包裹的有结构的菌细胞群体.它是微生物在生长过程中为了适应生存环境而形成的一种与浮游细胞相对应的存在形式.在MABR系统中, 细菌首先附着在中空纤维膜表面, 通过分裂生长和不断的吸附作用逐渐形成具有三维结构的稳定的微生物膜, 其中细菌形成的菌落间具有间隙空位, 这一结构为微生物膜提供了一个便于营养物质流入、代谢产物排出的通道.根据MABR特殊的供氧方式和传质过程, 微生物膜会产生明显的分层结构.理论推测和实验证明:微生物膜可大致分为3个基本功能层, 即好氧层、兼氧层和厌氧层.图1为MABR微生物膜的功能结构示意图.在此三个功能层内存在着相互依存相互耦合的多种反应和复杂的传质过程.总体上可被概括如下:

1) 氧气从载体膜内腔的气相扩散透过膜壁依次到达载体膜外壁微生物膜的好氧层、兼氧层和厌氧层, 有机物和氨氮化合物从液相通过微生物膜的外表面扩散至微生物膜内部各层;

2) 在好氧层内发生有机物和氨氮等氧化反应;

3) 在接近微生物膜外表面的兼氧层和厌氧层发生消耗有机物及硝酸盐和亚硝酸盐的反硝化反应等;

4) 氮气从微生物膜扩散至液相, 然后释放到空气中;

5) 二氧化碳透过载体膜扩散至气相, 或扩散到液相再进入空气中.

MABR微生物膜微观结构是污染物去除的物质基础, 因此考察其微观结构已成为近年研究的热点.研究主要集中在微生物群落生态分布、底物浓度分布及活性特征等方面.其目的是通过深入分析微生物膜的作用机理, 解析工艺参数、微生物膜特性和处理效能之间的关联性, 进而为实现MABR过程优化和高效运行提供理论支持.

聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳 (PCR-DGGE) 和荧光原位杂交技术 (FISH) 等分子生物学方法以及生物膜冷冻切片技术、微电极探测技术为解析微生物群落生态结构提供了有效手段.PCR-DGGE利用相同长度DNA片段在变性剂梯度凝胶电泳中具有不同迁移行为的原理, 将不同序列片段的DNA片段区分开来, 其广泛用于微生物群落多样性研究.但在百富策略白菜网该技术进行微生物群落结构分析时存在些许缺陷.PCR-DGGE目前只能分析500个碱基对以下的DNA片段, 因此只能得到较少的系统进化信息;而且只有占总微生物群落1%以上的种群才能被检测出来, 系统中的弱势菌群无法得到表征.FISH技术是以放射性原位杂交技术为基础的一种非放射性分子细胞遗传技术, 以荧光标记取代同位素标记而形成的一种新的微生物定位分析方法.采用这一技术可以同时对不同种类的细菌在细胞水平上进行原位的定性定量分析和空间位置标示, 可以对特定荧光标记的细胞进行定位, 计数或者分离.微电极探测技术在分析微生物膜微环境方面具有重要百富策略白菜网价值, 其针式顶端直径多为3~20μm, 通过微动调节器来控制位移, 用来测定微生物膜内部底物浓度分布.

这些方法在MABR微生物膜微观结构研究方面得到了较为广泛的百富策略白菜网.Beer[13]、Cole[14,15]、Hibiya[16]、Satoh[17]、Schramm[18]、Terade[19]等利用以上方法深入研究了MABR微生物膜内不同层面底物浓度变迁, 功能群落空间分布以及功能种群的定量分析.目前的研究多集中在单一功能种群的生态结构表征, 特别是氨氧化细菌 (AOB) 的空间结构分布、遗传多样性和生态生理学研究已经得到系统的诠释.但是MABR微生物膜是一个复杂的生态系统, 微观环境内部发生着错综有序的生理生化反应;功能种群与其它菌群的生态关联性以及其它重要菌群的分类信息和多样性信息表征并没有得到深入的研究, 这也对分子生态学方法提出了更高的要求.而大通量测序技术的出现和百富策略白菜网为该方面的研究提供了可能.

作为新一代高通量测序技术的典型代表, 454-焦磷酸测序技术能够有效结合微乳滴PCR和焦磷酸测序技术, 采用微阵列配置实现大规模并行化测序[20].最新的GS-FLX Titanium系列试剂盒软件能使该技术的平均读长达到400bp, 序列准确度在99.5%[21].目前已有大量研究利用GS-FLX分析16SrDNA序列中的区序列, 对细菌群体进行分类和细菌丰度和多度的估测[22,23].虽然454-焦磷酸测序技术能够对微生物群落多样性和菌群种类进行分析鉴定, 但无法获得菌落形态、空间分布等信息.因此, 通过结合FISH技术能够克服454-焦磷酸测序技术的局限性, 进一步了解微生物膜内微生物生态系统的群落结构和功能.采用该技术可同时对不同类群的细菌在细胞水平上进行原位定性定量分析和空间位置标示.采用复合测试技术对MABR微生物膜进行较全面的解析是未来微生物膜研究的方向.

Yamigawa[24]最早证实MABR微生物膜的功能分层结构, 其研究结果表明, 硝化菌群主要聚集在靠近载体膜表面氧分压高的附近, 而反硝化菌群主要聚集在生物膜与液相主体界面缺氧区域.这种特殊的分层结构使MABR具有同时除碳脱氮的效果.Hibiya[16]采纳荧光原位杂交技术 (FISH) 测定MABR微生物膜功能菌群的空间分布及组成, 证实氨氧化细菌 (AOB) 主要富集在曝气膜-生物膜界面区域, 而反硝化细菌主要分布在悬浮污泥等缺氧区域, 并非在膜液界面.Terada[19]等发现了MABR同时硝化反硝化现象, 总氮平均去除率高达83%.利用FISH法同样发现AOB主要聚集在曝气膜-微生物膜界面区域, 而在微生物膜与料液界面并没有发现AOB存在.这种特殊的生境保证了AOB拥有足够的停留时间.该研究结果还表明, 微生物膜厚基本稳定在1 600μm, 在补充料液条件下, 好氧区在300μm;在不添加料液的条件下, 好氧区在700μm左右.因为缺氧区域占据了微生物膜相当大的比例, 而且在没有过量污泥的前提下, 反硝化过程发生在微生物膜内.Satoh[17]研究了不同COD负荷和氧分压对MABR性能的影响, 其运用微电极技术测定了生物膜内不同深度O2, NH4+, NO2-, NO3-浓度以及pH值, 确定了生物膜内的硝化和反硝化区域.研究表明, 有机碳和供氧负荷并不影响硝化反应和反硝化反应的相对位置.然而, 反硝化效率依赖缺氧区的厚度.Cole[15]等全面解析了不同水流速度和膜腔压力下生物膜各个分层的群落结构和生物活性, 发现稳态下的生物膜出现明显的分层现象, 缺氧区占据着30%~75%的区域.然而, 水流速度明显影响着AOB和反硝化细菌的浓度和分布区域.

上述研究充分阐明了MABR反应器内微生物膜活化分层结构与其同时硝化反硝化功能之间的关系.而MABR在其长期的连续运行过程中, 反硝化率变化波动较大, 可以采用一些优化微生物膜厚的措施从而维持稳定的反硝化区, 以此保证MABR稳定的脱氮除碳效能.

多位学者针对MABR微生物膜模型的构建进行了初步探索和尝试.最早从事相关研究的是Debus[25], 成功构建了非均相微生物膜模型, 以此预测跟踪二甲苯的生物降解状况, 发现微生物膜厚影响二甲苯的去除率.Wannner等[26]通过建立MABR定量模型方法, 研究降解二甲苯功能菌群的空间布局及其动力学过程.结果表明, 采用空气供氧时, 异养菌群主要聚集生活在靠近曝气载体膜表面区域;采用纯氧曝气时, 该菌群主要活动在微生物膜/液体界面处.Noguera等[27]通过建模来跟踪分析甲烷氧化菌降解三氯乙烯的过程, 结果表明, 曝气载体膜厚和稳态微生物膜厚决定着甲烷和氧气的最佳比例, 出水三氯乙烯浓度与进水负荷呈明显的正比关系, 且其降解副产物毒性容易造成惰性层的脱落, 从而使微生物膜厚随进水负荷的增加而减少.Casey等[28]于1999年采用双底物反向扩散模型研究水体切向流速度对微生物膜性能的影响, 分析发现, 水流速度影响主体料液边界层传质系数、微生物膜脱落速率以及最大微生物膜厚度.Rishell等[29]针对MABR中嗜甲烷菌微生物膜构建了双底物反向扩散模型, 主要探究甲烷废水降解过程中的微生物膜生长变迁状况.该模型较好地预测双底物在微生物膜的渗透区域;较厚的微生物膜将会导致底物扩散限制区域-惰性层的出现.研究还发现, 供氧压力能够改变微生物膜内部活性层的位置.

以上研究主要集中在单一好氧微生物菌群的模型构建领域, 仅能描述单一菌群微生物膜特征.但在实际污水处理过程中, 微生物膜具有复杂的群落结构, 底物的降解往往依靠多种菌群的协同作用进行, 因此单一种群生物膜的建模已不太适用, 但其为复杂微生物膜体系的建模进行了方法学上的有益尝试.

Shanahan等[30]成功建立了多种群结构模型, 研究硝化菌, 好氧异养菌, 反硝化菌和营乙酸型的产甲烷菌4种菌群的动态变化过程, 并依据实验结果利用AQUASIM数学软件预测COD和无机氮的去除路径, 讨论了MABR百富策略白菜网于实际废水处理中的微生物膜动态变化过程.在此基础上, Shanahan[31]对多种群生物模型进行改进, 分析低流速和高流速下微生物膜内不同位置的生物量密度和底物扩散系数的变化.结果表明, 低流速条件下 (2cm/s) , 沿微生物膜厚度方向的生物密度和底物扩散系数会发生很大的梯度变化, 进而影响微生物膜的功能活性层化;高流速条件下 (14cm/s) , 生物密度则变化不大, 该多种群模型能够成功预测到与实际情况相似的种群分层结构.Bell等[32]则开创一种CA混合模型, 依据模型模拟比较了传统生物膜反应器和MABR的脱氮效能, 发现硝化菌、好氧异养菌、反硝化菌在两种微生物膜内的空间分布截然不同, 而且群落结构也因环境条件的变化而变化.

针对MABR微生物膜体系进行深入系统研究, 解析微生物膜结构与MABR废水处理效能之间的关联性, 对于完善MABR理论和开发MABR废水处理技术具有重要的现实意义.通过上述对MABR微生物膜研究进展与现状的总结, 建议未来重点开展的相关研究应包括:

1) 微生物膜形成过程, 主要包括MABR运行环境对微生物膜生长及其结构的影响, 生长动力学过程, 探索和优化生成稳定微生物膜的培育条件.

2) 微生物膜的三维结构特征, 主要包括微生物群落结构、分布状态和动态变化以及其功能与活性、MABR微生物膜的物理化学结构.

3) 全面系统探究微生物膜内的异向传质过程.

4) 处理特种废水MABR微生物膜生态学研究, 特别是特种菌群的培养, 驯化以及群落生态学研究.

5) 建立系统全面的关于微生物膜特性与MABR废水处理效能之间关联性的理论研究.