反渗透膜生物污堵的影响因素

反渗透膜生物污堵的影响因素

1影响生物污染的因素1.1复合膜的制备及保鲜效果膜表面的亲水性、膜电位和粗糙度对微生物对膜的吸附作用有显著影响。膜表面亲水性能及粗糙度是影响膜吸附作用的重要因素。一般认为膜表面的亲水性能越强，膜表面越光滑，微生物越不容易吸附在膜表面。Campbell等及Peng等的研究证明了这一点，Campbell等的研究结果表明微生物的吸附作用大多被表面活性剂阻碍了，同时微生物的解吸作用也增强了，说明膜表面的亲水性越强，微生物吸附越不利；Peng等表明生物污染程度随膜表面粗糙度的减小而降低，即粗糙度越小微生物的吸附作用越小。同样NIKKOLA等通过被涂覆亲水性的聚乙烯醇（PVA）的商业复合聚酰胺薄膜的实验说明涂覆的膜比未涂覆的膜表现出更低的表面粗糙度及更好的亲水性，且表明涂覆的膜表面具有抗粘附特性因为粘附的铜绿假单胞菌数量更少。膜电位对于微生物吸附作用的影响主要是由于微生物表面和膜表面之间有静电相互作用，形成一个静电双层阻碍微生物的吸附。BERNSTEIN等在RO膜表面分别接枝荷正电单体、荷负电单体及两性单体，发现接枝荷正电单体的细菌沉积系数在膜表面明显增大。而细菌沉积速率在接枝荷负电化合物的膜表面降至最低，且细菌吸附速率在接枝两性单体的膜表面显著下降。1.2微生物的污水排放有研究发现，RO膜的污堵潜势与微生物细胞数量没有显著相关性，但其释放的胞外聚合物（EPS）含量越高，通量下降越快污堵更严重，EPS含量与通量呈现正相关。即使释放EPS的微生物数量很少也能够导致严重的膜污堵。这是由于微生物会在膜表面吸附且EPS会包裹住微生物使其免于剪切力和杀菌剂等不利因素的影响还会额外增加过水阻力，从而会造成通量和截盐率下降更迅速。不同分子量的EPS对于膜污堵会有不同的影响，EPS对于膜污堵起到的作用比微生物本身更大，且EPS分子量越大，膜越容易污堵。EPS的研究对于RO膜生物污堵研究有着重要意义，在对生物污堵进行处理及控制时不仅仅要处理水中的微生物数量，更需要对微生物的种类及EPS分泌特性进行有针对性的研究。1.3微生物生长及膜表面粗糙度有机物和无机物的种类及浓度对于生物污堵也有一定的影响。往往有机物要先于微生物吸附在膜表面，这就影响了膜表面性质且有机物不可避免的会促进微生物生长，进而加重生物污堵问题。有研究表明膜表面被有机物污染后表面粗糙度会增加，这促进微生物的吸附作用；但同时也增加了亲水性，这又不利于微生物的吸附。生物污染程度由膜表面亲水性和粗糙度两者共同作用决定。同时微生物与膜之间膜电位会受到无机物的种类及浓度的影响，从而影响生物污堵问题。Subramani等人证实了细胞之间的静电斥力会随着溶液中的无机离子强度的增强而减弱但微生物在膜表面的吸附作用则相反。2湿式过滤和控制2.1膜过滤技术的应用水样预处理是最常用的一种处理生物污堵的方法，预处理将微生物的含量降低从而控制膜表面的吸附作用。在水样预处理中最为常见的方法是消毒，比如氯消毒、臭氧消毒、紫外消毒等。氯消毒因其高效的杀菌性能、简单的操作、较低的成本及相对成熟的技术被广泛应用于预处理中。但氯消毒也有着明显的缺点，氯消毒过程中会产生一些具有生理毒性的副产物比如三卤甲烷及卤乙酸等，聚酰胺RO膜上的功能基团会因为氯的一些性质比如强氧化性与水样中的氯进行反应造成膜表面的严重破坏，导致实际运行成本有所增加；且氯消毒会使得耐氯菌增多，分泌出更多的EPS从而加重生物污堵潜势。由于氯消毒中会有余氯的存在，故在实际操作中实验人员会利用加入活性炭或亚硫酸氢钠（SBS）在反渗透装置前来消除余氯的影响。但这种操作可能会导致生物污染加重。虽紫外消毒及臭氧消毒的有毒副产物少甚至没有，且有着占地面积小及杀菌效果强等优点，但臭氧消毒也存在着AOC升高促进微生物生长的缺点，同样紫外消毒也存在容易积垢及无持续消毒清洗效果的缺点。近几年出现了新的预处理技术——利用膜析法（超滤、纳滤、微滤等）的膜过滤技术。膜过滤虽有着处理效果好但是处理成本高的问题，但这种技术却能很好改善膜表面的生物污堵。Ma等利用微滤和超滤技术联用处理水样，证实了微滤和超滤联用可以使水中大部分的真菌和藻类去除率高达98%，同时既减少了生物量又将微生物所需的营养源去除。2.2氧化膜的生长膜清洗作为一种可延长膜寿命的处理方法，在一定程度上缓解了反渗透膜生物污堵。膜清洗有化学清洗和物理清洗等方式，化学清洗是利用酸、碱、表面活性剂等化学药剂配合水对膜表面进行清洗，但这种方法会对膜产生不可逆的损伤。虽然化学清洗的去除效果明显也能杀死大部分细菌，但却会改变膜表面的微生物群落和增加其分泌EPS，促进膜表面污堵。物理清洗反应温和，不会对膜产生损伤，是一种利用对水流速的控制或者空气和水混合成流体对膜进行冲洗的方法。近些年对于膜清洗处理方法的研究很少，Cornelissen等先对反渗透膜用气水冲洗方式定期清洗，对比不同间隔时间的清洗效果，得出每天清洗一次效果更好；同时还设置三组利用不同清洗方式的膜装置，即化学方法组、气水冲洗方法组及两种方法联用的第三组，结果显示气水冲洗法效果更佳，去除污染更好，两种方法联用更能大幅度提高冲洗效果。2.3增强膜的抑菌特性除了膜清洗及水样预处理，膜改性也是一种非常好的生物污堵处理方法，其通过改变膜原本的性质来阻止生物污堵。膜表面的亲水性能、膜电位、粗糙度等对于微生物膜吸附有着重要影响，故可以通过改变膜表面性质来阻止微生物对膜的吸附作用，也可以通过增强膜对于游离氯的抗性来抑制微生物的生长。Wei等把聚芳酰胺表面的酰氯与3-甲基-5,5-二甲基乙内酰（MDMH）结合，因为MDMH有着很高的反应活性，故游离氯会与MDMH反应形成N-卤代胺结构，而反应产物有着很强的杀菌性能。此外，在膜表面引入一些纳米材料来提高膜杀菌特性也是一种直接控制生物污堵的方法。研究表明纳米银粒径大小对于微生物生长有抑制作用，可减轻生物污堵程度。在膜上涂抹纳米银是改性方法中的表面涂覆。有研究者发现在接枝了聚乙烯亚胺的膜表面，其亲水性及荷正电性得到了提高从而增强膜抗吸附性。降低膜表面粗糙度，增强亲水性能及荷电性能都是增强抗吸附特性的方法。其中研究者使用了改性中的另一种方法——接枝，膜改性方式除了上述两种之外还有共混。2.4群体传感调节ro膜生物污堵的n-酰基高丝氨酸两生物处理方法可以利用酶、生物群体感应等对生物膜的形成产生影响。群体感应是指细菌通过感知分泌得到环境中的自诱导物浓度的变化来调整基因表达，增强其在复杂环境中的生存能力，是细菌行为社会化的体现。虽群体感应的研究相对前沿，但近几年才有将群体感应用于处理RO膜的生物污堵问题。N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）信号通路作为群体密度感应信号之一，微生物会在群体感应期间产生出AHL，一定浓度的AHL会改变微生物的生理特性从而微生物形成生物膜的速率和范围将会被控制。依据AHL分子能够被酰基转移酶降解，有研究者研究发现生物膜的形成能明显被酰基转移酶抑制。生物处理方法为反渗透膜生物污堵处理及控制方法提供了很好的思路，这方面的研究在未来有着很好的发展潜力。3预处理生物污堵的可行性在反渗透膜系统中，生物污堵一直是一个复杂且难解决的问题。目前研究方向倾向于微生物初期对膜吸附作用，因此对后期生物污堵的影响及成因有待进一步的验证与研究