近日，地理与环境科学学院林红军教授课题组在Water Research 期刊发表题为“High propensity of membrane fouling and the underlying mechanisms in a membrane bioreactor during occurrence of sludge bulking（膜生物反应器处于污泥膨胀期的高膜污染趋势及其机制）”的研究论文（DOI：10.1016/j.watres.2022.119456）。Water Research 是环境领域两大顶刊之一，也是自然指数源刊，最新影响因子为13.400。按CiteScore排名，Water Research 期刊位列所有环境、土木和结构工程326种英文期刊的第一位。

以膜生物反应器（MBR）为代表的膜法水处理技术相比于传统污水处理技术优势显著，在高质量出水获取、卫生环境改善和废水中资源回收等方面应用前景广泛，是未来几十年最重要的污水资源化技术之一。预计2024年仅MBR涉及的膜组件和反应器装置市场规模将达到420亿美元。但是膜污染问题被认为是膜分离技术广泛应用的最大障碍，也是膜分离技术领域最大的基础科学问题之一。所谓膜污染是指膜在过滤过程中因膜孔堵塞和污染层形成等原因出现压力升高或通量下降的现象。MBR技术在污水处理过程中会经常出现污泥膨胀现象并带来严重的膜污染问题，目前相关机制尚不清楚，限制了MBR技术更广泛的应用。近期林红军教授课题组比较了运行于正常状态时期和污泥膨胀时间的MBR系统的膜过滤行为，发现正常状态时期MBR可以连续运行60天不用膜清洗，而污泥膨胀时间MBR需要每天膜清洗才能运行。同时膨胀期的污泥混合液具有超高的污泥过滤比阻力（1.36×1014 m·kg-1），是正常污泥混合液过滤比阻力的5.33倍。

研究发现，相比于正常污泥，膨胀期的污泥具有更低脱水性、更小粒径、更高分形维数、更高粘度、更多丝状菌和显著不同的胞外聚合物官能团。分析表明微生物种群的变迁是引起污泥膨胀的主要原因，进而导致更严重的膜污染。通过课题组发展的热力学理论计算得到膨胀污泥粘附到膜表面的作用能（粘附倾向）是正常污泥的3.6倍。两种污泥过滤比阻力的差异主要来源于其有机污染物的结构差异。这种结构差异导致其绑水性能有显著的差异。本研究进一步揭示了绑水性能的热力学机制，从而深入揭示了污泥过滤比阻力的热力学本质。同时本研究还表征揭示了引起MBR中污泥膨胀的主要菌群构成。

本研究的图形摘要

浙师大硕士研究生吴梦菲（现为江南大学博士生）、张媚佳博士为本论文的共同第一作者，林红军教授为通讯作者。申利国教授、王新华教授（江南大学）、邓颖（博士生）、李仁杰副教授、徐艳超副教授、洪华嫦教授为联合作者。该研究得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金重大项目、浙江省重点研发计划和浙江省万人计划的资助。

编辑：赵菡婧