CN103153881B - 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 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
本发明由韩国环境部（“汇聚技术项目”，项目No.2012001440001）和韩国教育科学技术部（韩国国家研究基金会的“Do-Yak项目”，项目No.NRF-2007-0056709）支持。
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（Pseudomonasaeruginosa）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（Deliseapulchra）（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（Bacillusthuringiensis 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。
附图说明
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）。
图2示意性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制备工艺。
图3示出了采用一种用于水处理的膜生物反应器装置的膜生物反应器工艺的示意图，其中所述装置配备有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。
图4示出了在根据本发明实施方案1的实施例2A中以及在比较例2A中的跨膜压的升高（膜生物污染的增加）。
图5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信号分子分解活性。
图6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在长时间内保持对信号分子的分解活性。
图7示出了在根据本发明实施方案1的实施例4A中以及在比较例4A中的跨膜压的升高（膜生物污染的增加）。
图8示出了在根据本发明实施方案1的实施例5A中以及在比较例5A中的跨膜压的升高（膜生物污染的增加）。
图9a和9b示出了根据本发明实施方案2的用于抑制生物膜形成的固定有微生物的容器（可流态化的载体）的示意图和照片。
图10a和10b示出了生物反应器的照片，其包括根据本发明实施方案2的用于抑制生物膜形成的固定有微生物的容器（图10a：未曝气；图10b：曝气）。
图11示出了根据本发明实施方案2的用于抑制生物膜形成的固定有微生物的容器的制备工艺。
图12示出了根据本发明实施方案2的用于抑制生物膜形成的固定有微生物的容器的信号分子分解活性。
图13示出了膜生物反应器装置的示意图，其中在生物反应器内布置有根据本发明实施方案2的用于抑制生物膜形成的固定有微生物的容器。
图14示出了在根据本发明实施方案2的实施例1B中以及在比较例1B和2B中的跨膜压随运行时间的升高（膜生物污染的增加）。
图15示出了根据本发明实施方案2的膜生物反应器装置中的可流态化载体的信号分子分解活性（相对活性）随运行时间的变化，其中所述可流态化载体固定有抑制生物膜形成的微生物。
图16示出了根据本发明实施方案2的膜生物反应器装置中的可流态化载体内抑制生物膜形成的微生物随运行时间的生长程度，以可流态化载体的湿重计算。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明进行说明。然而本发明不是仅限于此。
[实施方案1]
制备例1A:制备其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器（两端密封）
采用能够产生内酯酶的基因重组的大肠杆菌作为抑制生物膜形成的微生物。具体而言，使用基因重组中常用的大肠杆菌XL1-blue，并且通过基因重组向其中插入苏云金芽孢杆菌库斯塔克亚种的aiiA基因。所述aiiA基因编码内酯酶，该内酯酶分解群体感应机制中所用的信号分子。
采用中空纤维膜（可得自Econity公司）作为用于固定抑制生物膜形成的微生物的中空多孔容器。由于该中空纤维膜的孔径为0.4μm，所以所述微生物不能穿过该膜，而水和信号分子能容易地穿过该膜并在所述容器和反应器之间移动。使用共计55股的中空纤维膜来制备固定有微生物的容器，所述容器长度为10cm并且膜表面的总面积为112.31cm2，其两端均密封（如图1a和1b所示）。
培育24小时后，将200mL的大肠杆菌离心并弃掉上清液，以除去培养基。使用Tris-HCl50mM缓冲液（pH7.0）重悬所述微生物，然后用泵将其注入容器中（如图2所示）。
制备例2A:制备其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器（一端密封）
按照与制备例1A相同的方式制备固定有微生物的容器，不同之处在于仅将浸没于反应器中的所述固定有微生物的容器的一端密封，而使另一端通过接有管子的过滤元件（PTFE，孔径为0.45μm）与外界环境连通，然后注入抑制生物膜形成的微生物（大肠杆菌）（见图1c、1d和图2）。
实施例1A:测量其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器的信号分子分解活性
使用N-辛酰基-L-高丝氨酸内酯（OHL）测量其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器的信号分子（AHL）分解活性，OHL为代表性的信号分子中的一种。向试管中加入Tris-HCl50mM缓冲液（pH7.0），然后注入OHL至浓度为0.2μM，以及加入所述的其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器，并使所得混合物在温控摇床中以200rpm的速度在30℃的温度下反应90分钟。结果约60%的信号分子在90分钟内分解（见图5）。
比较例1A
按照实施例1A重复相同的步骤，不同之处在于不向容器中注入微生物。结果信号分子几乎不分解（见图5）。
实施例2A:在膜生物反应器工艺中的应用（基因重组的微生物/两端密封的容器）
将制备例1A制备的其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器应用于实验室规模的膜生物反应器工艺中（见图3）。具体而言，在圆柱形反应器中装入1.2L的活性污泥，并在底部配备扩散器石以保持1L/min的曝气。在反应器中一共对称地放置两片其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器。对于连续操作，使含有葡萄糖作为主要碳源的合成废水通过流入泵而流入。该合成废水的化学需氧量（COD）为约550ppm，并且水力停留时间为12小时。通过浸没于反应器中的中空纤维超滤膜（Zeeweed500，GE-Zenon，孔径为0.04μm）以18L/m2·hr的流量过滤所述的合成废水。使用液面控制器和三通阀，通过使一部分处理水循环来维持反应器中的水位。在运行期间，混合液悬浮固体（MLSS）保持在4500-5000mg/L。由膜表面上的生物膜形成所引起的膜生物污染的程度用跨膜压（TMP）表示。跨膜压越高，膜生物污染程度越大。即使操作200小时后，跨膜压也不超过13kPa（见图4）。
比较例2A
按照实施例2A重复相同的步骤，不同之处在于不向容器中注入微生物。结果运行200小时后，跨膜压达到50kPa（见图4）。
实施例3A:其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器保持活性
研究了其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器是否能长期保持信号分子分解活性。具体而言，在连续运行25天后和连续运行80天后，从反应器中取出所述的其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器，然后用蒸馏水将所述容器的外部洗涤几次，按照与实施例1A相同的步骤进行操作（见图6）。即使在运行80天后，信号分子分解活性也没有显著降低。
实施例4A:在膜生物反应器工艺中的应用（天然微生物/两端密封的容器）
实施例2A中使用的微生物是通过在大肠杆菌中插入能产生内酯酶的基因来进行基因修饰的，它们无法在实际的废水环境中长期存活。因此，为了找到适合应用于实际水处理工艺的微生物，从得自污水处理厂（位于韩国忠清北道沃川郡(Okcheon,Chungchengbuk-do,Korea)）的污泥中分离出微生物。从所述分离出的微生物，通过富集培养法可分离得到对信号分子具有优异的分解活性的红球菌属微生物。采用这些微生物，按照与制备例1A相同的方式制备其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器，并按照与实施例2A相同的条件将其用在膜生物反应器工艺中。
将上述制得的其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器应用于实验室规模的膜生物反应器工艺中。运行40小时后，跨膜压达到24kPa（见图7）。
比较例4A
按照实施例4A重复相同的步骤，不同之处在于不向容器中注入微生物。在运行40小时后，跨膜压达到50kPa（见图7）。
实施例5A:在膜生物反应器工艺中的应用（天然微生物/一端密封的容器）
在与实施例4A相同的条件下运行膜生物反应器，不同之处在于在圆柱形反应器中装入2.5L的实施例4A中所用的活性污泥，在反应器中一共对称地放置四片其中固定有抑制生物膜形成的微生物的容器，将含有葡萄糖的合成废水的水力停留时间设置为8小时，将合成废水通过该膜的流量改变为30L/m2·hr，并且将MLSS保持在7500-8500mg/L。
运行50小时后，跨膜压达到22kPa（见图8）。
比较例5A
按照实施例5A重复相同的步骤，不同之处在于不向容器中注入微生物。运行40小时后，跨膜压达到64kPa（见图8)。
[实施方案2]
制备例1B:制备固定有抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体并测量信号分子分解活性
使用已知能产生内酯酶（一种抑制群体感应的酶）的庆笙红球菌作为抑制生物膜形成的微生物，其是按照与实施方案1中所述相同的方式从城市污水处理厂的污泥中分离出来的。
使用天然聚合物藻酸钠（Sigma公司）作为用于固定抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体。藻酸盐是用于夹带微生物的常用材料。进行预实验以确定藻酸盐的浓度，使得可在长时间内维持膜生物反应器的机械强度。最终注入时，藻酸盐溶液的浓度被调至4重量%。
在温控摇床中培养庆笙红球菌24小时使其繁殖。将200mL的培养物离心并弃掉上清液，从而除去培养基。使用Tris-HCl50mM缓冲液（pH7.0）洗涤剩余的庆笙红球菌颗粒，并使其在超纯水中重悬。如图11所示，随后将抑制生物膜形成的微生物的重悬液与藻酸盐溶液混合并注入氯化钙（CaCl2）溶液中。结果，通过化学交联制得了可实现良好的质量转移的具有网络结构的可流态化载体。在制备所述可流态化载体时，最终注入时藻酸盐溶液的浓度为4重量%。在2重量%氯化钙（CaCl2）溶液中交联1小时后，在室温下干燥制得的可流态化载体20小时，以提高机械强度。
按照实施方案1所述，使用N-辛酰基-L-高丝氨酸内酯（OHL）测量固定有抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体的信号分子（AHL）分解活性。向试管中加入30mL的Tris-HCl50mM缓冲液（pH7），然后注入OHL至浓度为0.2μM，以及加入所述的固定有抑制生物膜形成的微生物（庆笙红球菌）的可流态化载体，并使所得混合物在温控摇床中以200rpm的速度在30℃的温度下反应60分钟。结果，约92%的信号分子在90分钟内被所述抑制生物膜形成的微生物所产生的抑制生物膜形成的酶（内酯酶）分解（见图12）。
实施例1B:在膜生物反应器装置中的应用
将以上制备的固定有抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体应用于实验室规模的膜生物反应器工艺中（见图13）。具体而言，在圆柱形反应器中装入1.6L的活性污泥，并在底部配备扩散器石以保持1L/min的曝气。在反应器中一共放置60片固定有抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体。对于连续操作，使含有葡萄糖作为主要碳源的合成废水通过流入泵而流入。所述合成废水的化学需氧量（COD）为约560ppm，并且水力停留时间为5.3小时。通过浸没于反应器中的中空纤维超滤膜（Zeeweed500，GE-Zenon，孔径为0.04μm）以28.7L/m2·hr的流量过滤合成废水。使用液面控制器和三通阀，通过使一部分处理水循环来维持反应器中的水位。由该膜表面上的生物膜形成所引起的膜生物污染的程度用跨膜压（TMP）表示。跨膜压越高，膜生物污染程度越大。即使运行77小时后，跨膜压也不超过5kPa。在运行400小时后，跨膜压达到70kPa（见图14）。
比较例1B
按照实施例1B重复相同的步骤，不同之处在于：在反应器中不是放置固定有抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体，而是放置未固定任何微生物的60片水凝胶可流态化载体（所述载体是通过在制备例1B中不固定所述抑制生物膜形成的微生物而制得的）。运行77小时后，跨膜压达到70kPa（见图14）。
比较例2B
按照实施例1B重复相同的步骤，不同之处在于：不在膜生物反应器中放置所述固定有抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体。运行43小时后，跨膜压达到70kPa（见图14）。
由实施例1B和比较例1B-2B可以看出，与放置不含被固定的微生物的可流态化载体时（比较例1B）或者未放置可流态化载体时（比较例2B）的情况相比，放置有本发明的固定有抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体的膜生物反应器装置（实施例1B）显著降低了膜表面上的生物污染。认为这是以下二者的协同效应：通过稳定地固定在可流态化载体中的抑制生物膜形成的微生物来抑制生物膜形成的分子生物学效应，以及通过由深层曝气而具有流态化性能的载体所产生的物理冲洗作用来除去膜表面上的生物膜。
实施例2B:固定有抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体保持活性
研究了在固定有抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体内所述抑制生物膜形成的微生物是否能长期保持信号分子分解活性。具体而言，在实施例1B中连续运行0、1、3、5、7、10、13、15、17、20、23、25、27和30天后，从反应器中取出所述固定有抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体，然后用蒸馏水将所述可流态化载体的外部洗涤几次，按照与制备例1B相同的步骤来测量所述抑制生物膜形成的微生物的信号分子分解活性。将固定有抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体在第0天的活性记为100%，测量相对于第0天的相对活性。即使在运行20天后，固定有抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体的信号分子分解活性相比于初始（第0天）活性没有降低而是略微升高（图15）。
实施例3B：抑制生物膜形成的微生物在可流态化载体内的生长
将固定有抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体放入膜生物反应器中并运行较长一段时间之后，研究所述抑制生物膜形成的微生物的生长程度。
具体而言，在放置固定有抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体后，将反应器运行25天，同时，每24小时回收10片固定有抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体，然后用蒸馏水将所述可流态化载体的外部洗涤几次并测量湿重（取5次重复测量的平均值）。25天后，湿重高于初始（第0天）夹带的抑制生物膜形成的微生物的湿重（图16）。
比较例3B
按照实施例3B重复相同的步骤，不同之处在于使用不含被固定的抑制生物膜形成的微生物的藻酸盐可流态化载体。湿重几乎没有改变（图16）。
由实施例2B-3B和比较例3B可以看出，夹带在本发明的固定有抑制生物膜形成的微生物的可流态化载体中的所述抑制生物膜形成的微生物在可流态化载体内生长并导致湿重增加。这解释了为何信号分子分解活性没有降低反而略有升高。
工业实用性
在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能够从分子生物学角度抑制膜表面上生物膜的形成，并且可任选的是，还能提供物理除去膜生物污染的效果。结果可以防止透过性降低、增长了膜的清洗周期、能够减少清洁剂的消耗以及能够延长膜的寿命。
并且，与常规的固定有抑制生物膜形成的酶的磁性载体相比，本发明由于不需要提取和固定酶的步骤，也不需要回收磁性载体的装置，所以本发明在经济上更优越。
Claims (10)
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内部的抑制生物膜形成的微生物，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，
其中所述可透性容器选自：1)中空的多孔容器，其内部具有被捕获的所述微生物，其中所述中空的多孔容器具有多孔性使得所述抑制生物膜形成的酶、水和信号分子能够转移，而所述抑制生物膜形成的微生物不会损失；2)通过深层曝气而具有流态化性能的可流态化的载体，其中所述可流态化的载体为水凝胶。
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，其中所述中空的多孔容器的平均孔径小于所述微生物的平均大小，所述微生物的平均大小为1μm至10μm。
3.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，其中所述中空的多孔容器包括中空膜。
4.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。
6.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，其中所述可流态化的载体通过内部化学交联具有三维网络结构。
7.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，其中所述可流态化的载体的形状为球形。
8.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，其中所述抑制生物膜形成的微生物能够产生抑制群体感应的酶。
9.根据权利要求8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。
10.一种膜法水处理装置，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9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。
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