[发明专利]其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器及使用该容器的膜法水处理装置

说明书

技术领域

本发明涉及在用于处理水的膜工艺中，抑制由在该膜表面上形成的生物膜（biofilm）所引起的膜生物污染（membrane biofouling）的技术。更具体而言，本发明涉及固定有微生物的容器，该容器中固定有能够抑制生物膜形成的微生物，本发明还涉及膜法水处理装置，所述装置包括位于水处理反应器内的所述固定有微生物的容器，从而能长期稳定地保持该膜的透过性。

背景技术

近来，在各种水处理工艺中已经采用膜工艺来获得高质量的纯净水。除了将膜分离工艺和生物水处理反应器相结合的膜生物反应器（MBR）法以外，与物理/化学预处理工艺相结合的常规膜式水处理法、以及用于高级水处理的纳滤和反渗透膜法已经被积极地进行了研究并且被广泛地用于实际工艺中。

在膜工艺的操作过程中，存在于反应器中的诸如细菌、霉菌和藻类的微生物开始附着并在膜表面上生长（附着生长），并且最终形成覆盖该膜表面的厚度约几十微米的薄膜（即生物膜）。生物膜的形成不仅在膜生物反应器工艺中频繁可见，而且在常规的膜法水处理工艺和高级水处理工艺（如纳滤和反渗透膜法）中也频繁可见。这种生物膜会对膜造成生物污染，其成为过滤阻力而使膜的过滤性能劣化，由此引起透过性降低的问题，例如使清洁周期和膜的寿命缩短并且使过滤所需的能量消耗增加，最终造成膜法水处理工艺的经济效率劣化。

在过去的20年里，已经进行了多种研究来解决上述问题。然而，无法通过常规的物理方法（如曝气）或化学方法（如通过添加聚合凝聚剂而引起的凝聚）来完全除去由那些位于与水接触的表面上的微生物自然形成的生物膜，并且尚未提出令人满意的用于预防并控制膜生物污染的解决方案。尚未解决的膜生物污染问题归因于对处于反应器中的直接和间接影响膜生物污染的微生物的特性缺乏了解和技术上的考虑。

膜法水处理工艺中膜生物污染的主要原因是生物膜，并且其一旦形成就不容易除去，这是由于其对外部的物理和化学影响有较高的抗性。结果，尽管有一些通过物理和化学方法来抑制膜生物污染的常规技术在生物膜形成的初始阶段有效，但是它们抑制生物污染的效果在生物膜成熟后却会降低。为了克服常规方法中的问题，需要开发能够从反应器中微生物的特性这方面着手的新技术，特别是调节和控制膜表面上生物膜的形成和生长的新技术。

不仅是在水处理的膜工艺中，在诸如建筑物和工业设施的水槽或水管之类的供水系统中存在的微生物也会在材料表面形成生物膜或粘液，从而使设备的性能降低（如金属表面的腐蚀、冷却塔效率的降低和由微生物引起的管网污染）或者使外观劣化。因此，需要除去所述生物膜或粘液，但是除了所述物理/化学方法之外，尚没有基于对微生物特性加以研究而提出的根本解决方案。

同时，微生物往往响应于诸如温度、pH、营养物等环境改变，而合成特定的信号分子以及向外界分泌所述分子/从外界吸收所述分子，从而感知外周细胞密度。当细胞密度增加并且信号分子的浓度达到临界水平时，特定的基因开始表达。结果，微生物的群体行为得到调节，并且该现象被称为群体感应（quorum sensing）。通常，群体感应出现在细胞密度高的环境中。作为群体感应现象的代表性例子，已经报道了共生、毒力、竞争、接合、抗生素的产生、游动性、孢子形成和生物膜形成（文献：Fuqua等，Ann.Rev.Microbiol.，2001年，第50卷，第725-751页）。

特别是，微生物的群体感应机制在具有显著较高的细胞密度的生物膜状态的情况下比在悬浮状态的情况下可能会更频繁且更容易地发生。Davies等在1998年报道了病菌铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的群体感应机制与生物膜的各种特性紧密相关，所述特性包括生物膜形成的程度、其物理和结构特性（如厚度和形态）、微生物的抗生素抗性等（文献：Science,第280卷，第295-298页）。自此，已经在医药和农业领域进行了通过人工调节群体感应机制来抑制生物膜形成的研究，从而防止医疗器械的污染（文献：Baveja等，Biomaterials，2004年，第50卷，第5003-5012页）或是控制植物病害（文献：Dong等，Nature，2001，第411卷，第813-817页）。

通过调节微生物的群体感应机制来抑制生物膜形成的常规方法分为以下几类。