申请日2011.10.14
公开(公告)日2013.06.12
IPC分类号C02F3/06; C02F3/32; C02F3/08; C02F1/44
摘要
本发明涉及在用于处理水的膜工艺中，通过将抑制生物膜形成的微生物固定至容器中，来抑制由生物膜在该膜表面引起生物污染的技术。本发明提供其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器，其包括可透性容器和固定在该容器中的抑制生物膜形成的微生物。本发明还提供膜法水处理装置，该装置包括容纳待处理水的反应器、用于水处理的膜组件、以及放置在该反应器中并且其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器。
权利要求书
1.一种其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器，包括可透 性容器和固定在该容器中的抑制生物膜形成的微生物。
2.根据权利要求1所述的其中固定有抑制生物膜形成的微生物 的容器，其中所述可透性容器为中空的多孔容器。
3.根据权利要求2所述的其中固定有抑制生物膜形成的微生物 的容器，其中所述中空的多孔容器包括中空膜。
4.根据权利要求2所述的其中固定有抑制生物膜形成的微生物 的容器，其中所述中空的多孔容器的一个纵向末端是密封的，并且在 另一个纵向末端还包括阻挡所述微生物流出的多孔元件、以及与外界 环境连通的导管。
5.根据权利要求1所述的其中固定有抑制生物膜形成的微生物 的容器，其中所述可透性容器为通过深层曝气而具有流态化性能的可 流态化的载体。
6.根据权利要求5所述的其中固定有抑制生物膜形成的微生物 的容器，其中所述可流态化的载体包括水凝胶。
7.根据权利要求5所述的其中固定有抑制生物膜形成的微生物 的容器，其中所述可流态化的载体包括选自由藻酸盐、PVA、聚乙二 醇和聚氨酯构成的组中的至少一种。
8.根据权利要求5所述的其中固定有抑制生物膜形成的微生物 的容器，其中所述可流态化的载体通过内部化学交联具有三维网络结 构。
9.根据权利要求5所述的其中固定有抑制生物膜形成的微生物 的容器，其中所述可流态化的载体的形状为球形。
10.根据权利要求1或5所述的其中固定有抑制生物膜形成的微 生物的容器，其中所述抑制生物膜形成的微生物为能够产生抑制生物 膜形成的酶的重组微生物或天然微生物。
11.根据权利要求10所述的其中固定有抑制生物膜形成的微生 物的容器，其中所述抑制生物膜形成的微生物能够产生抑制群体感应 的酶。
12.根据权利要求11所述的其中固定有抑制生物膜形成的微生 物的容器，其中所述抑制群体感应的酶为内酯酶或酰基转移酶。
13.一种膜法水处理装置，包括：容纳待处理水的反应器;用于 水处理的膜组件;以及放置在所述反应器中的根据权利要求1至12中 任意一项所述的其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器。
说明书
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
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。
首先，可通过注入拮抗物来抑制生物膜形成，其中所述拮抗物已知 与群体感应机制中所用信号分子的结构类似，并与所述信号分子竞争基 因表达位点。作为代表性的拮抗物，已经报道了海洋红藻(Delisea pulchra)(其为一种红藻)分泌的呋喃酮、及其卤化衍生物(文献： Henzer等，EMBO Journal，第22卷，第3803-3815页)。
其次，可通过能分解群体感应机制中所用信号分子的酶(能抑制生 物膜形成的酶，如使微生物群体感应淬灭的酶，例如内酯酶或酰基转移 酶)来抑制生物膜形成。例如，Xu等人在2004年开发了一种在不同表 面上抑制生物膜形成的方法，所述方法通过注入能分解酰基高丝氨酸内 酯(AHL，革兰氏阴性菌的信号分子)的酰基转移酶溶液来实施(美国 专利No.6,777,223)。内酯酶或酰基转移酶分解信号分子的反应如下。
然而，由于酶的损耗过大、以及变性所引起的酶的快速失活，所以 通过直接注入酰基转移酶溶液来抑制生物膜形成的方法并不实用。
作为另一方法，近年来报道了一种抑制浸没式膜生物反应器 (submerged membrane bioreactor，sMBR)的膜表面上生物污染的方法， 所述方法通过逐层法将酰基转移酶固定在磁性载体上，从而防止由变性 引起的酶失活，并允许使用磁场来容易地分离和回收所述固定有酶的磁 性载体(韩国专利No.981519)。然而，由于微生物絮凝物以高浓度存 在，并且所述絮凝物被定期取出以使MBR工艺中的污泥停留时间保持 恒定，所以仅通过施加磁场来完全回收与絮凝物相混的磁性载体也存在 一定的限度。此外，为了使磁性载体的回收率最大化，需要这样的浸没 式反应器，其中载体仅存在于反应器中并且不要循环通过系统的其它内 部部件(如管道、阀门、配件等)。因此，该方法不适用于高压膜工艺， 例如，纳滤或反渗透膜工艺，其中大部分都使用外部压力驱动式反应器。 另外，由于使用固定有酶的磁性载体的方法需要通过微生物重组(包括 微生物的培养、提取和纯化)来制备酶以获得可固定的酶，所以生产成 本高。此外，通过逐层法来固定经纯化的酶需要花费大量时间和费用。
本发明的发明人经研究而实现了经济并稳定的膜法水处理工艺，该 工艺通过以下方式来实施：在水处理反应器中使用这样的容器，所述容 器中不是固定抑制生物膜形成的酶，而是固定产生该酶的抑制生物膜 形成的微生物，从而解决了直接固定该酶时出现的上述问题，并且将 从分子生物学方法着手的抑制生物膜形成的技术应用到了膜法水处理 工艺中。
发明内容
技术问题
本发明涉及提供一种在水处理用的膜工艺中抑制或减少膜生物 污染的技术，该技术不是从诸如常规反冲洗或化学清洁之类的物理/ 化学方法着手，而是从基于对生物膜形成机制的理解这样的分子生物 学方法着手，并且可任选的是，还提供物理洗涤膜的效果。
技术方案
本发明的发明人已经发现，可通过对膜法水处理工艺施用用于抑 制生物膜形成的固定有微生物的容器(其中抑制生物膜形成的微生物 被固定在可透性容器中)来有效抑制或减少膜生物污染，从而稳定地 保持所述抑制生物膜形成的微生物的活性。
本发明提供了其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器，包括 可透性容器和固定在该容器内的抑制生物膜形成的微生物。本发明也 提供了膜法水处理装置，包括容纳待处理水的反应器、用于水处理的 膜组件、以及放置于反应器中并且其中固定有抑制生物膜形成的微生 物的容器。
在本发明中，可透性容器可以为任意这样的容器，其能够在水处 理反应器中隔离并以高密度设置抑制生物膜形成的微生物，并且具有 足够的可透性以使所述抑制生物膜形成的微生物的生长和活化所需 的氧、营养物、代谢物等流入和流出，而对其材料、形状等并没有特 别的限制。例如，所述可透性容器可以为具有预定孔径分布的多孔容 器(见实施方案1)或通过曝气而具有流态化性能的可流态化的载体 (如水凝胶，见实施方案2)。
本发明的实施方案1涉及用于抑制生物膜形成的固定有微生物的 容器，其包括中空的多孔容器和固定在该容器中的抑制生物膜形成的 微生物。
图1a至1d示出了根据本发明实施方案1的用于抑制生物膜形成的 固定有微生物的容器的示意图和照片(图1a-1b：两端密封;图1c-1d： 一端密封)，并且图3示出了用于水处理的膜生物反应器装置的示意 图，其中设置有所述用于抑制生物膜形成的固定有微生物的容器。
根据本发明实施方案1的固定有微生物的容器可通过在中空的多 孔容器内捕获抑制生物膜形成的微生物来制备。由于所述抑制生物膜 形成的微生物被固定在中空的多孔容器中，所以诸如抑制生物膜形成 的酶之类的物质能有效地向水处理反应器中释放，而所述抑制生物膜 形成的微生物不会流失到水处理反应器中。结果可稳定地减少膜表面 上和该膜孔中的生物污染。
对根据本发明实施方案1的中空多孔容器的材料或形状没有特别 的限制，只要其具有多孔性使得诸如抑制生物膜形成的酶、水和信号 分子之类的微小物质可以转移、而所述抑制生物膜形成的微生物不会 损失。例如，可使用通常用于水处理的管状或中空纤维型的中空膜， 或是被制成预定形状的过滤容器。
由于微生物通常平均大小为1μm至10μm，所以可使用平均孔径 小于上述范围的中空多孔容器以使该微生物的损失最小化。
根据本发明实施方案1的用于抑制生物膜形成的固定有微生物的 容器可通过以下方式来制备：在中空的多孔容器内注入/捕获抑制生 物膜形成的微生物，并将两端密封(见图1a和1b)。可供选择的是， 可仅密封一端，并且可将另一端与连有多孔元件(该多孔元件用于防 止所述微生物流出，例如为过滤器)的导管相连，从而使其暴露于水 处理反应器外的环境中，这样，水、抑制生物膜形成的酶等穿过水处 理反应器中的中空膜的质量转移可以更容易(见图1c和1d)。
同时，本发明的实施方案2涉及用于抑制生物膜形成的固定有微 生物的容器，其包括通过深层曝气(submerged aeration)而具有流态 化性能的可透性容器(载体)和固定在该容器(载体)中的抑制生物 膜形成的微生物。由于固定在载体中的抑制生物膜形成的微生物，所 以可从分子生物学方面抑制生物膜形成。另外，膜表面上形成的生物 膜可通过直接施加物理冲击来实现物理分离，其中所述物理冲击源自 深层曝气条件下所述载体的流态化性能。
在本发明的实施方案2中，载体可包括含有亲水性聚合物的水凝 胶作为主要成分。更具体而言，水凝胶可包括选自由藻酸盐、PVA、 聚乙二醇和聚氨酯(或是它们的复合物)构成的组中的至少一种。结 果，进入和离开可流态化载体的质量转移可变得更容易，并且可防止 深层曝气条件下浸没式膜的表面受到损伤。
本发明实施方案2中的水凝胶可通过内部化学交联而具有三维网 络结构，这样，抑制生物膜形成的微生物可被捕获于其中并在载体内 生长。
例如，藻酸盐是主要由亲水性天然聚合物构成的载体材料。在氯 化钙溶液中，该材料通过化学交联形成具有网络结构的固体，这样能 使质量转移受到的阻力最小化。因此，它不仅可以固定抑制生物膜形 成的微生物，还可固定所述微生物产生的酶。此外，其有利之处还在 于，由于它具有优异的生物相容性，所以适合用于其中存在水处理所 用微生物的反应器中，并且在便宜经济的同时对人体无害。
本发明实施方案2中的载体可以大体上为球形或形状接近于球 状，从而防止在深层曝气条件下浸没式膜的表面受到损伤。
由于本发明实施方案2的可流态化载体的尺寸可容易地控制，所 以可使用诸如微筛网之类的方法容易地分离并回收所述载体。因此， 常规磁性载体容器的回收问题能够得到解决。
可用于本发明的抑制生物膜形成的微生物可以为能够产生抑制 生物膜形成的酶的任意重组微生物或天然微生物。典型地，可使用能 够产生抑制群体感应的酶的微生物，所述酶能够分解群体感应机制中 所用的信号分子。具体而言，可使用能产生抑制群体感应的酶(如内 酯酶或酰基转移酶)的微生物。例如，可使用通过大肠杆菌XL1-blue 与aiiA基因(涉及内酯酶的产生)基因重组获得的大肠杆菌，其中所 述aiiA基因提取自苏云金芽孢杆菌库斯塔克亚种(Bacillus thuringiensis subsp.kurstaki);或是使用天然微生物，如庆笙红球菌 (Rhodococcus qingshengii)。为了获得适合用于水处理工艺的抑制 生物膜形成的微生物，本发明的发明人从得自城市污水处理厂的生物 反应器的污泥中分离微生物，并通过富集培养法从经分离的微生物中 分离得到了对信号分子具有优异的分解活性的红球菌属(包括庆笙红 球菌)微生物。
对在可流态化的载体内固定抑制生物膜形成的微生物的方法没 有特别的限制。除了粘附、夹带、包封等方法之外，也可使用简单地 向容器中注入微生物并捕获它们的方法。例如，在本发明的实施方案 1中，使用泵将抑制生物膜形成的微生物注入中空的多孔容器(如膜) 中(见图2)，在本发明的实施方案2中，将悬浮液(其中抑制生物膜 形成的微生物以高浓度悬浮于水中)与水凝胶混合，同时以预定速率 滴加氯化钙溶液，这样使得微生物被“夹带”，从而制得具有预定大 小的载体(容器)(见图11)。
本发明也提供了膜法水处理装置，其包括水处理反应器和用于水 处理的膜组件，其中水处理反应器中设置有用于抑制生物膜形成的固 定有微生物的容器。可用于本发明的膜法水处理装置中的膜组件可以 为能够通过抑制或减少膜生物污染来达到使透过性得以改进的任意 常见的水处理用膜组件，并且对膜组件没有特别的限制。另外，本发 明的膜法水处理装置不仅可为诸如微滤膜装置或超滤膜装置之类的 常规膜法水处理装置，还可以为诸如纳滤装置和反渗透装置之类的高 级水处理装置，其中，除了膜生物反应器(MBR)装置(其中各种用 于水处理的微生物在膜表面形成生物膜)之外，待处理水中存在的微 生物也在膜表面形成生物膜。
有益效果
当应用于实际的膜法水处理工艺时，本发明的用于抑制生物膜形 成的固定有微生物的容器可以抑制膜表面上生物膜的形成，并且可任 选的是，还能提供物理冲洗膜的效果。结果能够防止透过性降低、使 膜的清洁周期加长、能够减少清洁剂的消耗并且可进行长期的膜过滤 操作。
