《Environmental Science & Technology》：Rethinking Biocake in Membrane Bioreactors: Beyond the Biofilm Paradigm
编辑推荐：
膜生物反应器（MBR）中生物膜（biocake）与传统生物膜在形成机制、结构特征及控制策略上的差异。研究表明，biocake主要由跨膜压力差和渗透压差驱动的物理被动沉积形成，表现为致密均质层，与微生物选择性吸附无关，传统生物膜控制手段（如抗生素、表面改性、群体感应淬灭）效果有限。需转向水力优化（如变强度曝气、周期性清洗）、污泥特性调控（絮凝剂投加、pH控制）及多模态控制（物理清洗+生物干预+化学抑制），并建立基于机器学习的综合预测模型。
解决水污染和短缺问题的紧迫性使得膜生物反应器（MBR）成为废水处理领域的前沿技术。MBR结合了生物降解和膜过滤技术。然而，膜污染，尤其是由活性污泥微生物附着在膜表面形成的生物污染层（通常称为“生物结块”），仍然是主要的运行限制因素。
(1)由于生物结块和经典生物膜具有相似的关键成分，即微生物和胞外聚合物物质（EPS），因此传统上将其视为生物膜的一个子集，其形成过程可以用经典的生物膜理论来解释，包括附着、群体感应（QS）和EPS的分泌。因此，控制策略主要集中在“生物学”方面，例如使用抗菌剂、修改膜表面以及抑制群体感应。然而，越来越多的证据表明，将生物结块简单等同于经典生物膜是一种过度简化，这种观点偏向于机械机制的研究，并降低了控制效果。
经典生物膜的形成是一个主动的、受生物调控的过程，其中微生物经历顺序性的聚集和附着、生长和积累，以及解聚和脱落，这一过程受到营养物可用性和群体感应信号等环境因素的调控。
(2)相比之下，MBR中的生物结块形成主要受膜两侧的渗透压差（TMP）驱动。这种渗透压差作为一种对流力，将微生物细胞、EPS和非生物颗粒被动地转移到膜表面。
(3)粒子图像测速技术表明，渗透压差驱动污染物在膜表面的单向积累，而渗透压则导致选择性的附着。
(4) 这种驱动机制的根本差异决定了沉积层的独特特性。
经典生物膜是一种由微生物自我组织形成的三维异质结构。从类似生物膜的状态转变为以生物结块为主的状态，与操作过程中的渗透流量密切相关。当渗透流量超过某个临界值时（通常在高TMP条件下），会促进厚实、紧密且均匀的生物结块的形成，从而导致严重的传质限制。相反，在低于该临界值的操作条件下，特别是在渗透压驱动下，会形成更薄、更异质的层，类似于经典生物膜。
(4) 因此，识别并控制相对于系统特定临界值的渗透流量是关键的操作手段。
总之，MBR中的生物结块与经典生物膜不同（
图1）。其形成主要受物理和操作力的影响，特别是流体动力学的作用，形成的沉积层是被动、随机且高度紧密的。继续依赖以生物膜为中心的框架和根除目标，不太可能取得突破。研究应从“哪种物种”转向“在特定条件下为什么和如何发生”，并从彻底根除转向智能管理。通过严格考虑环境和操作因素，并开发综合的物理-化学-生物控制方法，可以克服长期存在的MBR污染瓶颈，从而扩大其应用范围。
图1
图1. 对比传统“以生物学为中心”和提出的“以过程为导向”的范式，用于理解和控制MBR中的生物结块。“以生物学为中心”强调对微生物附着、群体感应和针对微生物的治理方法。相比之下，“以过程为导向”认为操作因素和污泥性质主要控制沉积、压实和生物结块的随机形成。因此，控制措施应优先考虑水力优化、污泥改造以及综合的物理-化学-生物方法。
