膜生物反应器系统中可溶性微生物产物初识

Preliminary Knowledge of Soluble Microbial Products in Membrane Bioreactor System

摘要: 近年来，膜生物反应器(MBR)系统在水处理中的应用日益广泛。然而，可溶性微生物产物(SMP)的污染仍然是更广泛应用的关键性能限制之一。本文就膜生物反应器系统中SMP的性质、生产、影响因素、组成等作一个简要综述。

Abstract: The membrane bioreactor (MBR) systems have been increasingly used in water treatment in recent years. However, fouling by soluble microbial products (SMP) remains one of the key performance limitations for more widespread applications. A brief review concerning the characterization, production, affecting factors, components of SMP in MBR systems is presented.

1. 膜生物反应器系统中可溶性微生物产物

膜生物反应器(membrane bioreactor, MBR)系统具有出水水质好、满足日益严格的排放要求等优点，已被广泛应用于污水处理中 [1]。MBR系统具有出水水质好、满足日益严格的排放要求等优点，已被广泛应用于污水处理中。可溶性微生物产品(soluble microbial products, SMP)目前被认为是从基质代谢(通常伴随生物量增长)和生物量衰变释放到溶液中的有机化合物 [2]，已被确定为MBR系统中的主要污染物 [3]。有研究人员 [4] [5] 认为MBR中的SMP可以被生物降解，但降解动力学比简单底物慢得多。在一定条件下，SMP可以被视为可溶性胞外聚合物 [6]，大多数SMP是复杂的生化物质 [7]。

2. BAP和UAP

SMP可根据其产生的细菌阶段分为两类：生物量相关产品(biomass associated products, BAP)和利用相关产品(utilization associated products, UAP) [8]。BAP的产生与生物质浓度成正比，UAP的产生与基质利用率成正比。有研究者指出BAP随污泥停留时间的增加而增加，UAP随污泥停留时间的增加而降低 [9]。BAP比UAP更加疏水。大多数研究者认为SMP源于生物量的衰变而不是基质的代谢 [10]，因此是 BAP而不是UAP在决定着SMP的浓度 [11]。因此，当污泥停留时间长时，SMP的积累程度应该很大。可以推测在污泥停留时间短时，UAP占SMP的大部分，更容易在MBR系统中的膜中积累。有研究认为BAP是含碳和氮的细胞大分子，UAP主要是小碳化合物 [12]，结合的胞外聚合物水解形成BAP，UAP是可溶性胞外聚合物的生长相关部分。另外BAP比UAP生物降解性差 [13]。

3. SMP的组成

SMP在生物过程中的组成相当复杂，包括蛋白质、碳水化合物、腐殖质等。有研究 [14] 认为碳水化合物组分比蛋白质组分更容易在膜中积累。此外，蛋白的比例在不同的污泥停留时间中保持大致相同，而碳水化合物的百分比从33.2%下降到24.2%，污泥停留时间从10天延长到60天。有趣的是，在污泥停留时间较长时，SMP的产量下降，但SMP含有较高比例的腐殖质。有研究者认为蛋白质组分是SMP的最大组成部分 [15]。也有研究者 [16] 认为碳水化合物成分很可能是SMP的主要成分，特别是在污泥停留时间比较短的情况下，上清液中碳水化合物浓度的变化趋势与膜污染速率一致。有研究者意识到腐殖质在滤膜污染中不起到主要作用，相当大的不可逆污染 [17]。

4. SMP的分子量分布

污水中SMP的分子量分布一般遵循双峰型分布原则 [18]。许多生物废水中的高分子量化合物比进水中的多 [19]。有研究发现20%的SMP分子量小于1 kDa [15]。MBR中的SMP中低分子量物质浓度较大，而且分子量分布跨度较大，UAP比BAP含有更少的高分子量组分 [20]。

5. 温度对SMP的影响

温度对SMP的浓度和组成都有非常重要的影响 [21]。有研究者认为SMP的多糖是膜污染的主要来源，低温下不可逆膜污染并不严重 [22]。有研究者 [23] 对处理能力为60,000 m³/d的MBR工程进行一年以上的监测发现，低温条件下，含量明显增加的亲水性多糖和大分子蛋白质更容易选择性的在膜表面附着。可见，低温条件下，微生物释放大量的 胞外聚合物和SMP，使膜生物污染更加严重。未来对温度的研究应包括温度对脱脂奶粉中蛋白质、碳水化合物、腐殖质等组分的单独影响的研究。

6. 研究展望

在未来的研究中，SMP仍然是MBR研究中的一个重要问题。根据文献资料，未来对SMP的研究应包括：

1) 运行参数对SMP中蛋白质、多糖、腐殖质等组分分离影响的研究；

2) 研究全尺寸MBR装置的效果，以反映实际的膜污染特性；

3) 通过分析方法(如激发–发射矩阵荧光光谱法)对SMP中的各种效应进行建模。

7. 结论

MBR系统已广泛应用于城市污水和工业废水的处理。然而，膜污染是制约MBR广泛应用的主要障碍之一，而SMP是膜污染的主要污染源。本文从来源、组成、分子量分布、温度影响等方面对SMP进行了初步了解。以后研究需要继续深入，希望有利于推动MBR的进一步应用。

基金项目

山东省交通科技创新计划项目(201304-04, 2017A04-03, 2018B25)。