本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种基于厌氧膜生物反应器处理市政污水过程中利用群体感应抑制剂呋喃酮减缓膜污染的方法。
背景技术：
利用厌氧膜生物反应器（anmbr）处理市政污水具有污泥产量低，出水水质好，污染物去除效率高等优点。但是，膜污染问题增加了anmbr的运行成本，成为限制anmbr处理市政污水广泛应用的主要障碍之一。因此，如何有效地减缓anmbr的膜污染成为当前的研究热点。
群体感应（qs）是微生物细胞间交流的方式，能够促进生物膜的形成，因此与膜的生物污染密切相关。近年来，基于微生物qs理论的群体淬灭（qq）技术被认为能从源头上抑制生物膜的形成，并逐渐用于膜生物反应器膜污染的控制。
目前关于qq技术的研究主要集中在通过投加qq微生物灭活信号分子，抑制eps的产生和生物膜的形成。但目前所用的qq微生物方法抑制膜污染的不足之处在于，qq微生物培养周期长、不稳定，细胞固定化技术难度大、成本高等问题。基于微生物群体感应淬灭技术减缓膜污染的其他途径的研究亟待进一步开展。
已有研究指出呋喃酮作为一种群体感应抑制剂，可以通过与自身诱导剂的受体竞争性地结合，干扰微生物qs系统，从而有效抑制微生物形成生物膜。文献（waterresearch,2013,47(3):1049-1059）报道了呋喃酮能够有效抑制铜绿假单胞菌生物膜的形成。文献（mycopathologia,2019,184(3):403-411）报道了呋喃酮能够有效地抑制非白色念珠菌生物膜的形成，并且对多种ahl信号分子的表达都具有抑制作用。但是，这些都仅仅是针对食品或者医疗器械相关微生物的生物膜控制，而anmbr复杂微生物系统的膜污染控制的研究还鲜有报道。
技术实现要素：
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于厌氧膜生物反应器处理市政污水过程中利用群体感应抑制剂呋喃酮减缓膜污染的方法，旨在进一步减缓anmbr的膜污染，推动基于anmbr处理市政污水技术的广泛应用。
本发明提出一种利用呋喃酮减缓厌氧膜生物反应器膜污染的方法，该方法是通过在完全混合式anmbr中投加一定量的呋喃酮，改善了厌氧絮状污泥混合液的特性，能够有效改善膜污染问题，延长了膜清洗周期及膜的使用寿命，从而降低了能耗和运行成本，推动基于anmbr处理市政污水技术的广泛应用。
所述的一种基于厌氧膜生物反应器处理市政污水过程中利用群体感应抑制剂呋喃酮减缓膜污染的方法，其特征在于：采用完全混合式的厌氧膜生物反应器anmbr处理市政污水，anmbr包括内含浸没式膜组件的厌氧反应器，膜组件的出水口通过管路连接有抽吸泵，膜组件的出水口与抽吸泵之间的管路上设有压力表，厌氧反应器上还设有用于对其内部混合液进行搅拌的搅拌器；
在市政污水处理过程中，厌氧反应器内接种含有厌氧菌种的厌氧絮状污泥，所述厌氧菌种包括proteobacteria、firmicutes、bacteroidota、chloroflexi和synergistota；市政污水中预先加入呋喃酮并混合均匀，然后通入到厌氧反应器内，搅拌下进行厌氧降解处理，同时在抽吸泵的抽吸作用下通过膜组件的过滤作用，持续排出处理后的清水。
所述的一种基于厌氧膜生物反应器处理市政污水过程中利用群体感应抑制剂呋喃酮减膜污染的方法，其特征在于：在市政污水处理过程中，膜组件出水过程中的跨膜压差tmp通过所述压力表进行测量，当压力表测量的tmp达到30kpa时，将被污染的膜组件从厌氧反应器中取出，替换上新膜组件，然后厌氧反应器继续运行，并对被污染的膜组件进行清洗处理。
所述的一种基于厌氧膜生物反应器处理市政污水过程中利用群体感应抑制剂呋喃酮减缓膜污染的方法，其特征在于：被污染的膜组件进行清洗处理的过程为：膜组件经过清水冲洗后，在400-600mg/l的次氯酸钠溶液中浸泡至少12h；市政污水中添加的呋喃酮的浓度为50-120mg/l，优选为80-100mg/l。
所述的一种基于厌氧膜生物反应器处理市政污水过程中利用群体感应抑制剂呋喃酮减膜污染的方法，其特征在于：在市政污水处理过程中，厌氧反应器内的厌氧絮状污泥的悬浮固体浓度mlss保持在5000-6000mg/l之间，污泥的固体停留时间srt为15-30天；添加有呋喃酮的市政污水在厌氧反应器内的水力停留时间hrt为15-25小时。
所述的一种基于厌氧膜生物反应器处理市政污水过程中利用群体感应抑制剂呋喃酮减膜污染的方法，其特征在于：在市政污水治理过程中，厌氧反应器内的混合液的温度为20-35℃，ph在6.7~7.4范围内，搅拌的转速为200-400rpm。
所述的一种基于厌氧膜生物反应器处理市政污水过程中利用群体感应抑制剂呋喃酮减缓膜污染的方法，其特征在于：所述膜组件采用平板膜，平板膜的材质为聚偏二氟乙烯（pvdf），其孔径为0.08-0.15μm，该膜组件以5-8lm-2h-1的通量持续出水。
所述的一种基于厌氧膜生物反应器处理市政污水过程中利用群体感应抑制剂呋喃酮减缓膜污染的方法，其特征在于：所述含有厌氧菌种的厌氧絮状污泥，是通过以下步骤驯化制得：以厌氧污泥作为接种污泥，接种污泥加入到市政污水中后，在无氧状态下驯化培养15-25h，15-25h后更换新的市政污水，循环操作13-25天；驯化培养得到的厌氧污泥保存在厌氧环境下，即制得所述含有厌氧菌种的厌氧絮状污泥。本发明将接种污泥在市政污水中进行驯化培养，污泥中的厌氧菌能适应市政污水中的有机物作为营养物质。
所述的一种基于厌氧膜生物反应器处理市政污水过程中利用群体感应抑制剂呋喃酮减缓膜污染的方法，其特征在于：接种污泥加入到市政污水中进行驯化培养时，接种污泥在市政污水中的悬浮固体浓度mlss控制在5000-6000mg/l之间。
所述的一种基于厌氧膜生物反应器处理市政污水过程中利用群体感应抑制剂呋喃酮减膜污染的方法，其特征在于：所述市政污水的cod值为300±50mg/l，通过膜组件持续排出处理后的清水的cod值为30±10mg/l。
相对于现有技术，本发明取得的有益效果是：
1）本发明使用的呋喃酮制备简单，成本较低，便于实现。
2）在anmbr中投加呋喃酮，可有效改善膜污染问题，延长了膜清洗周期，降低了anmbr能耗和运行成本。
3）投加呋喃酮对anmbr的出水水质无不良影响，出水满足一级a排放标准。
附图说明
图1是三组平行运行的完全混合式厌氧膜生物反应器装置的示意图；
图2是三组平行运行的完全混合式厌氧膜生物反应器在不同呋喃酮投加量下的跨膜压差随时间的变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
参照图1和图2，一种基于厌氧膜生物反应器处理市政污水处理过程中利用群体感应抑制剂呋喃酮减膜污染的方法，本发明在完全混合式厌氧膜生物反应器中投加群体感应抑制剂呋喃酮控制膜污染。当厌氧污泥混合液分配至anmbr后，打开磁力搅拌器开关，将设定的呋喃酮浓度投加进厌氧反应器与进水中，随后开始将废水通入厌氧反应器中，anmbr开始运行。当反应器系统的跨膜压差tmp值达到设定值时，即表示实验结束。
参见图1中可以看出，anmbr包括内含浸没式膜组件2的厌氧反应器1，膜组件2的出水口通过管路连接有抽吸泵4，膜组件2的出水口与抽吸泵4之间的管路上设有压力表3，厌氧反应器上还设有用于对其内部混合液进行搅拌的搅拌器，每个厌氧反应器1顶部均通过管路连接一个集气袋5。
实施例1：一种利用呋喃酮减缓厌氧膜生物反应器膜污染的方法
首先驯化含有厌氧菌种的厌氧絮状污泥，其驯化过程如下：
s1：配制模拟市政污水，每1l溶液中含有205mg葡萄糖、15mg氯化铵、62mg蛋白胨、6.2mg磷酸二氢钾、21mg牛肉浸膏、500mg碳酸氢钠，0.06mg氯化镍、0.05mg钼酸铵、0.1mg氯化锰、0.3mg氯化钴和2mg氯化亚铁。
s2：以啤酒厂处理高浓度废水的厌氧污泥作为接种污泥（取自杭州雪花啤酒厂的上流式厌氧污泥床反应器（uasb）中的污泥），接种污泥与步骤s1配制的模拟市政污水混合，混合物中污泥的悬浮固体浓度mlss控制在6000mg/l左右，在无氧状态下驯化培养24h，24小时后换新的模拟市政污水，循环操作20天；驯化培养得到的厌氧污泥保存在厌氧环境下，即制得所述含有厌氧菌种的厌氧絮状污泥。
本实施例1采用三组平行的厌氧膜生物反应器，见附图1。三组厌氧反应器的材料与形状相同，材料采用有机玻璃，尺寸均为10cm×10cm×15cm，有效容积为1l。将上述三组anmbr分别标记为a组、b组和c组。
a组、b组和c组的厌氧反应器应用于市政污水处理过程中，操作过程均包括以下步骤：
1）将上述驯化完成的含有厌氧菌种的厌氧絮状污泥，平均分为3份，分别加入到a组、b组和c组的厌氧反应器中，并调配维持每个厌氧反应器内的厌氧絮状污泥的悬浮固体浓度mlss保持在6000mg/l，以保证实验开始时每个厌氧反应器内分配到的污泥浓度和性质相近；
2）随后对3个厌氧反应器中的混合液分别进行搅拌，搅拌转速均为350rpm；然后向b组和c组的厌氧反应器中分别加入呋喃酮添加剂，使得b组和c组的厌氧反应器的混合液中最终呋喃酮的浓度分别为50mg/l和100mg/l，其中a组中不添加呋喃酮添加剂，即a组的厌氧反应器的混合液中最终呋喃酮的浓度为0，作为阴性对照；
3）待3个厌氧反应器中的混合液充分搅拌30分钟后，在3个厌氧反应器中分别加入新膜组件，开始准备反应；
4）在a组、b组和c组的厌氧反应器中，分别通入模拟市政污水，同时在350rpm的转速下进行厌氧降解处理，同时在抽吸泵的抽吸作用下通过平板膜组件的过滤作用持续排出处理后的清水。其中，在膜组件持续出水的过程中，膜组件出水过程中的跨膜压差tmp值也会随时间的进行缓慢上升，且该值由微电脑系统每隔一分钟自动记录一次。当厌氧反应器的tmp值达到30kpa时，将被污染的膜从反应器中取出，替换上新膜，厌氧反应器继续运行，并对污染的膜进行测试后进行物理和化学清洗，清洗过程为：膜经过清水冲洗后，在500mg/l的次氯酸钠溶液中浸泡至少12h。
上述实验过程中，a组、b组和c组的厌氧反应器中的实验条件为：在3个厌氧反应器中，厌氧絮状污泥的悬浮固体浓度mlss保持在6000mg/l左右，污泥的固体停留时间srt为20天；模拟市政污水在厌氧反应器内的水力停留时间（hrt）为17小时。厌氧反应器内的混合液的温度为25.0±2.0℃，ph为7.2±0.2。厌氧反应器中的膜组件采用平板膜，平板膜的材质为聚偏二氟乙烯（pvdf），标准孔径为0.1μm，比表面积为0.01m2，该膜组件以6lm-2h-1的通量持续出水。跨膜压差（tmp）利用压力计进行测量，通过微电脑每隔一分钟记录一次，每个实验周期在tmp达到30kpa时结束。
本实施例1中，实验过程中使用模拟市政污水作为anmbr的进水，每1l模拟市政污水中含有：205mg葡萄糖、15mg氯化铵、62mg蛋白胨、6.2mg磷酸二氢钾、21mg牛肉浸膏、500mg碳酸氢钠，0.06mg氯化镍、0.05mg钼酸铵、0.1mg氯化锰、0.3mg氯化钴和2mg氯化亚铁。进水和出水采用化学需氧量（cod）作为指标参数，配制的模拟市政污水的cod为300±20mg/l。
在实施例1的a组、b组和c组的厌氧反应器应用于市政污水处理过程中，将上述配制的模拟市政污水平均分为3份，分别标记为a组、b组和c组。其中，b组和c组的模拟市政污水中分别添加呋喃酮添加剂，使得b组和c组的模拟市政污水中的最终呋喃酮的浓度分别为50mg/l和100mg/l。而a组的模拟市政污水中不添加呋喃酮，即a组的模拟市政污水中最终呋喃酮的浓度为0，作为阴性对照。
在实施例1的a组、b组和c组的厌氧反应器应用于市政污水治理过程中，将上述a组、b组和c组的模拟市政污水，分别通入到a组、b组和c组的厌氧反应器中进行实验，即每个厌氧反应器中的呋喃酮浓度与进水中的呋喃酮浓度相同。
在a组、b组和c组的厌氧反应器进行实验中，在实验达到稳定后，三者通过膜组件持续出水的cod均在30±10mg/l范围内。b组厌氧反应器持续出水的呋喃酮浓度基本在8mg/l以下，c组厌氧反应器持续出水的呋喃酮浓度基本在14mg/l以下。
进行实验时，三组平行运行的完全混合式厌氧膜生物反应器anmbr，在呋喃酮浓度分别为0mg/l、50mg/l、100mg/l下的跨膜压差随时间的变化图如图2所示。从图2中可以看出，呋喃酮浓度以0mg/l，50mg/l和100mg/l的过滤周期分别为4，5和7天。其中厌氧反应器中的呋喃酮初始投加浓度100mg/l，进水100mg/l呋喃酮投加量下anmbr的过滤周期，是不添加呋喃酮对照组的过滤周期的175%，表明呋喃酮能够显著减缓anmbr膜污染，大大降低了膜清洗的频率并节约运行成本。
当厌氧反应器的tmp值达到30kpa时，记为一次实验结束。运行三个周期后实验结束，通过高通量测序技术表征来了三组anmbr装置厌氧污泥的微生物群落和组成。根据检测结果，污泥混合液门类菌种相对丰度（相对丰度即为样本中各优势菌种所占的数量比重）较高的分别是proteobacteria，firmicutes，bacteroidota，chloroflexi，synergistota。
a组厌氧反应器的污泥混合液中，proteobacteria，firmicutes，bacteroidota，chloroflexi，synergistota门类菌种相对丰度分别为13.98%，20.88%，16.24%，10.59%，11.21%。
b组厌氧反应器的污泥混合液中，proteobacteria，firmicutes，bacteroidota，chloroflexi，synergistota门类菌种相对丰度分别为17.86%，16.95%，17.49%，11.37%，7.18%。
c组厌氧反应器的污泥混合液中，proteobacteria，firmicutes，bacteroidota，chloroflexi，synergistota门类菌种相对丰度分别为28.10%，15.63%，18.24%，5.44%，2.68%。
需要注意的是，在a组、b组和c组厌氧反应器的污泥混合液中，厚壁菌门（firmicutes）的相对丰度分别为20.88%，16.95%，15.63%。这表明呋喃酮的添加对厚壁菌门（firmicutes）的生长具有抑制作用，而firmicutes是易在anmbr中形成生物膜的典型细菌。
此外，在a组、b组和c组厌氧反应器的污泥混合液中，互养菌门（synergistota）的相对丰度分别为11.21%，7.18%，2.68%。synergistota在厌氧反应器中的作用是将氨基酸水解为乙酸，其相对丰度降低归因于反应器体系内的有机化合物含量下降，这有利于减缓膜污染。因此，呋喃酮抑制厚壁菌门和互养菌门生物膜的形成可能是减缓膜污染的主要原因。
为了进一步建立anmbr中的微生物群落与生物污染的联系，对a组、b组和c组厌氧反应器的污泥混合液中的中属类菌种进行分析：
a组厌氧反应器的污泥混合液中，trichococcus，enterobacter，lactivibrio属类菌种相对丰度分别为14.93%，4.63%，7.44%。
b组厌氧反应器的污泥混合液中，trichococcus，enterobacter，lactivibrio属类菌种相对丰度分别为7.75%，4.84%，3.12%。
c组厌氧反应器的污泥混合液中，trichococcus，enterobacter，lactivibrio属类菌种相对丰度分别为8.29%，13.81%，1.41%。
需要注意的是，在a组、b组和c组厌氧反应器的污泥混合液中，毛球菌属（trichococcus）的相对丰度分别为14.93%，7.75%，8.29%。而毛球菌属与碳水化合物转化成乳酸和乙酸盐有关，其可能是膜污染的主要贡献者。
此外，在a组、b组和c组厌氧反应器的污泥混合液中，乳杆菌属（lactivibrio）的相对丰度分别为7.44%，3.12%，1.41%，乳杆菌属与膜污染关系密切。因此，呋喃酮抑制毛球菌属和乳杆菌属的生长可能是减缓膜污染的主要原因。
总而言之，在本研究中发现呋喃酮对于复杂体系（如anmbr）中的多种细菌生长均有较好地抑制作用。具体表现为对厚壁菌门（firmicutes）、互养菌门（synergistota）、毛球菌属（trichococcus）、乳杆菌属（lactivibrio）的生长具有抑制作用，从而有效抑制生物膜的形成，减缓anmbr的膜污染。
本发明在实验过程中发现，b组和c组厌氧反应器持续出水的呋喃酮浓度都维持很低的水平，这说明呋喃酮添加剂在模拟市政污水进行处理的过程中也被anmbr中的复杂菌种有效利用，其可能是因为：呋喃酮添加剂具有特异的抑制选择性，而厌氧絮状污泥中的菌种体系较为复杂，呋喃酮添加剂不会对厌氧反应器内的所有菌种都产生抑制性，而是对firmicutes等易形成生物膜的细菌具有较好的抑制作用。
本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。