水处理中的生物膜技术：趋势与挑战
生物膜是一种复杂的生物结构，它会出现在所有跟水接触的各种表面上。就定义来说，生物膜由原核生物和其他微生物(例如酵母菌、真菌、原生动物)以及其分泌出保护层的粘液（EPS）组成。生物膜可以在固体或者液体表面，甚至是生物的软组织内形成。它一般具有很强的抗性，能抵挡一般消毒方法的冲击。
《自然》微生物子刊2016年8月曾刊发关于生物膜新兴属性的综述文章
生物膜的形成是原核生物圈一个古老但又必不可少的组成部分，它是结构复杂的动态系统，具备原始多细胞生物和多层面生态系统的特点。它反映了细菌生长的一种保护模式，使其能在恶劣的环境下生存繁衍。
生物膜的存在可能会对一些系统的运行造成负面影响。例如船壳和膜表面的生物膜污染会增加经营成本，而致病性的生物膜则会对人类健康产生危害。囊性纤维变性病人的肺炎、慢性伤口、慢性中耳炎和移植和导尿管相关的感染都是跟生物膜相关的感染疾病，这影响了发达国家每年数以百万的人的健康，甚至夺去了人们的生命。由食物引起的疾病，往往也是由那些能形成生物膜的病原体导致的，这是一个全球性的健康问题。一些牙龈疾病则跟长在牙齿上的多物种生物膜有关。
自然水域里的生物膜有时也是人们不希望看到的，例如富营养化产生的水华藻。生物膜也会长在自来水输送管道的内壁，这使得要增加氯的投放，但同时也会滋生大肠杆菌、腐蚀管道、发出嗅味并最终影响水质。
但另一方面，对水处理而言，当生物膜得到合理控制和适当使用时，它又是有用的工具。这里的水处理主要指的是饮用水、市政和工业污水、海水淡化、地下水以及从水中回收资源。
微生物生态学是生物膜研究的重要部分，它能帮助人们更好地控制生物膜的形成、生物化学的反应工艺及其扩散。目前的研究焦点在应用先进的技术来分析其膜结构和功能，包括驱动其形成和扩散的主要因素。多种生物方法的结合应用是理解和认识微生物膜生态学的关键。
1. 现代分析工具
目前最常用的应用组合是实时荧光定量核酸扩增检测系统 (qPCR)、 荧光原位杂交技术 （FISH - fluorescence in situ hybridization)、高级二维显微镜、微型化学传感器。这个组合应用能帮助研究者跟过去相比更好地描述生物膜的形状，包括细胞和它们的分泌物。
PCR聚合酶连锁反应技术由美国人Kary Mullis和他的团队于1986年发明，并曾获得了1993年的诺贝尔化学奖。结合qPCR和微切割技术使研究者能对生物膜中的微生物功能性种群(functional guilds)进行分层量化分析。
荧光原位杂交技术（Fluorescence in situ hybridization, FISH）是根据已知微生物不同分类级别上种群特异的DNA序列，以利用荧光标记的特异寡聚核苷酸片段作为探针，与环境基因组中DNA分子杂交，检测该特异微生物种群的存在与丰度。应用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）的FISH技术可以对生物膜和活性污泥絮体的特异种群进行空间分布研究。
好氧颗粒污泥经FISH操作后冰冻切片的CLSM影像
研究者也应用CLSM、透射电子显微镜（TEM）和扫描透射X射线显微成像技术 (scanning transmission X-raymicroscopy, STXM)技术来对生物膜中的细胞及其EPS基质的大分子亚成分（例如多糖、蛋白质、脂质和核酸）进行制图。
光学相干断层扫描（optical coherence tomography - OCT）在最近几年也被应用到生物膜的研究中，它能可视化生物膜的中尺度结构（mesoscale structure），而共焦显微拉曼光谱仪（confocal Raman spectroscopy)则为生物膜的化学均质度（heterogeneities）的原位研究提供了工具。
通过OCT技术捕获的人体气管内形成的生物膜三维影像
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。
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)。
从地域分布来看，PE>200的MBBR污水厂欧洲占40%，北美占30% ，亚洲和南太平洋地区占20% (不包括印度)，非洲10%；而PE<200的MBBR污水厂欧洲占80%，北美占10% ，亚洲和南太平洋地区10% (不包括印度)。
MBBR是一个能有效进行部分硝化和厌氧氨氧化的工艺。ANITA™Mox是其中一个商业应用，应用MBBR或IFAS工艺处理高氨氮含量的侧流渗滤液，目前在欧洲已经有8个工程案例，美国则有3个，其中一个代表是位于瑞典马尔默的Sjolunda污水厂。
瑞典Sjolunda污水厂俯瞰图
颗粒污泥是生物膜被验证能有效并富有前景的生物技术。关于厌氧颗粒污泥的文章可以参考Nicolellaet等研究人员于2000年发表的文章 “Wastewater treatment with particulate biofilm reactors”。而好氧颗粒可以在序批式反应器中得以形成并富集。其可行性最早由荷兰TU Delft大学的Beun等研究人员于1999年发表。此后，好氧颗粒污泥的工程案例已经超过25个，分布在欧洲(5个在荷兰)、南美、非洲和澳洲。这些污水厂都是被设计进行市政污水处理的，其中已建成的最大一个位于巴西的里约热内卢，日平均流量为55,000 m3，人口当量为517,000。
荷兰的Garmerwolde污水厂是Nereda工艺的一个商业应用案例，它成功对经格栅和除砂的初沉池出水进行了脱氮除磷的生物处理。该工艺的液体/生物质比例基本保持在一个常数值，进水、沉置和滗水(decanting)同步进行，约占运行时间的25 – 33%，其余为曝气时间，另外还需要10-15分钟让反应器回复静止状态。这些特定的运行参数和调节能使出水的总氮和总磷的浓度分别低于5mg/L和1mg/L。生物反应器为一个空池，池底配有微孔曝气系统和布水系统，处理后的出水从池的顶部流出。反应器没有搅拌器，但有出水管和一个用于将沉降性较差的污泥排出的污泥管。
荷兰的Garmerwolde污水厂
另一个从颗粒污泥获利的系统是利用旋流分离器或者格栅来对颗粒污泥进行选择性富集的工艺。这种技术已经用于厌氧氨氧化工艺，这个工艺被称为DEMON™ ，其中的一个工程应用位于奥地利的Strass污水厂。
基于膜传导的生物膜反应器(MBfR-membrane biofilm reactor)也是拥有巨大发展潜力的。这个工艺的多样式是其很大的优势。这些系统里气体的输送通过膜（管式、中空纤维、平板）输送液进行，生物膜生长在膜的外部表面。
MBfR的逆扩散传质原理
目前有两种MBfR系统得到推广。第一种是基于氢气的MBfR，它传送氢气作为电子供体到生物膜。另一种是基于氧气/空气的MBfR，它传送氧气作为电子受体到生物膜，其另一个更为人熟知的名字叫MABR (membrane aerated biofilm reactor) 。
基于氢气的MBfRs已经在多种污染物的生物化学去除上展现了其可行性，例如硝态氮、亚硝态氮、高氯酸盐(perchlorate)、安定(promate)、硒酸盐(selenate/selenite)、砷酸盐(arsenate) 和铬酸盐(chromate)等。
基于氢气的MBfRs膜的传质原理图
MBfR能更好地控制电子传递，这使同步好氧/缺氧工艺（例如亚硝化/厌氧氨氧化）能通过清晰的氧化还原分层的生物膜得以实现。下图是基于氢气的MBfR位于美国加州的一个商业应用案例。
基于氧气/空气的MABR工艺的主要生厂商有北美的 ZeeLung™ 和爱尔兰的OxyMem™.
ZeeLung的反应器设计原理图
这种工艺很好地结合了COD/BOD的去除、硝化/反硝化和厌氧氨氧化。ZeeLung的其中一个用于三级硝化示的范项目位于芝加哥O’Brien 再生水厂，规模为2300PE。而OxyMem™ 据称至少有9个工程应用案例，分布在日本、瑞典、西班牙、英国、爱尔兰和巴西等国。
OxyMem的MABR组件经运行后的外观
世界各地对水质标准要求一直在提高，面对新的水处理要求和挑战，新工艺的发现让这些成熟的生物膜反应器类型迎来了新的机遇。例如美国环保部EPA最近出台的一项饮用水的基本标准——硒的浓度必须低于0.05 mg/L。这项法规将对农业、矿业和能源行业都产生影响。昂贵的反应剂和有毒的残留副产物使得那些物理化学将变得不再适用。通过生物方法将硒酸盐变成零价硒会变成更好的选择。
此外科学家发现生物膜还可以用于生物发电，也就是所谓的MFC微生物燃料电池。
2. 生物膜面临的挑战
生物膜也有它不好的一面，这也是工艺设计者和生物膜研究者关心的一个问题。膜污染是膜工艺运行的常见问题，而且往往代价昂贵。这在螺旋型膜分离模块中的进料间隔件是常见问题。
科研人员认为控制好微生物的群体感应是解决膜污染的措施，其他解决方法还包括减少流速、修改进料间隔建的设计和更先进的清洗策略等。
另外一个应对生物膜困扰的方法是把焦点放在增加生物膜的水力传导性上，而不是考虑如何防止它的形成，甚至通过生物膜的生物活性改善最终出水水质。
3. 生物膜模型
生物膜模型对生物膜基础研究和生物膜反应器的研发都至关重要。IWA在2006年曾经出版题为“Mathematical Modeling of Biofilms的著作，对生物膜模型进行了系统的阐述。这本书使生物膜的一维模型作为工程工具得到了广泛的推广和应用。
实际上，相对于一维模型，多维度的模型能在很多情况下能更好地促进各种形式的生物膜理论研究和系统研发。现在人们一般把理论研究的生物膜模型和其作为工程应用的工具分成两种模式使用。但随着生物膜水力动力学的重要性不断加强以及系统多样性的增加，生物膜的理论研究和反应器设计的模型会更多地作为一个整体来考量。
4. 趋势和挑战
关于生物膜的基础理论是研究、应用和建模的共同实践的成果。应用型研究给对生物膜机械学原理的理解提供了基础，但目前大多数生物膜反应器的设计标准还是基于这些应用型研究的经验参数，而数学模型的兴起本可成为更可靠的科研和工程应用的工具。我们现在对于生物膜基础认识和反应器的设计经验还存在着差距。在已有的相关文献里可以看出明显的宏观和微观划分，前者多指反应器层面的文章，而后者为生物膜特性。
关于作者
Joshua P. Boltz, CH2M, USA
Eberhard Morgenroth, EAWAG, Switzerland
本文摘译自IWA专家组最新报告《水科学、研究和管理的全球趋势和挑战》。了解更多内容，请访问 IWA专家组网页 http://www.iwa-network.org/iwa-specialist-groups/