生物污染的形成及控制

生物污染的形成及控制

自20世纪70年代以来，由于中国的引入渗透技术，许多应用于反渗透膜污染的许多方面。膜污染的分类比较复杂，主要是由有机污染物、无机污染物、生物污染和胶质污染引起的。因为表面膜上生物膜形成的速度和范围是过度生长的，这样会导致膜性能严重损害，因此，生物污染是膜污染中危害性很强的1引领民用化行业反渗透膜技术(RO)，该技术于上世纪六十年代由美国推出，起先多用于宇航事业后转为民用，随着科学技术的进步，该技术日渐完善，当前已被广泛运用于食品、海水淡化、医药等行业1.1膜污染的成因在反渗透系统前端的膜元件中容易发生膜污染的问题，当出现这种现象后，前端R/O系统的压力以及脱盐率会相应增加，这两种因素成正相关的关系，即当系统压力增大时，脱盐率也因此增大，但是如果膜污染问题不能及时解决，生物污染会随着整个系统的运行进行扩散，从而形成大区域的膜污染。当系统出现严重的生物膜堵塞时，系统的压力会增加，从而导致产水量骤减。膜污染和膜堵塞都是由细菌、藻类和真菌等微生物造成的，而这些微生物会存在于原水中，因此我们需要控制原水的活性，有关研究表明，当需要处理的原水的细菌含量高于1000cfu/100mg时，我们需要在反渗透工艺系统设计过程中考虑微生物的影响，对原水进行相应的预处理过程，达到去除细菌等微生物的目的，从源头上防止膜污染的发生。1.2ro膜表面的黏附对于生物膜的形成过程，国内外学者进行了很多研究，他们主要研究微生物在RO膜表面的粘附过程。细菌在膜表面的吸附受细菌和膜本身的特性、细菌与膜的相互作用、溶液的组成、浓差极化、流动速率以及其他物理和化学因素影响，因此此过程十分复杂，需要进行深度的研究。1.2.1细菌的吸附特性细胞壁的亲疏水性会影响菌体的吸附过程，他们的吸附规律符合同等性质更容易相吸的规律，即亲水性表面更容易吸附亲水特性的细菌，疏水性表面容易吸附疏水特性的细菌。此外，细菌的电荷也会影响吸附过程，并且呈现负电荷数量与粘附力成反比的规律，当细胞壁的负电荷数量很少时，相对应的粘附力越强，而细菌的电荷度受溶液pH值、离子浓度等因素的影响。另外，如果细菌自身沉降速度很快，可以很大程度提高膜的吸附作用，细菌的沉降特性与EPS有关，研究发现，EPS的存在促进了细菌的沉降，可以说明细菌表面带有EPS可以加速膜的吸附。1.2.2细菌细胞的多样性在生物膜形成的初期，膜表面的粘附力与膜本身的疏水性密切相关，并且呈线性关系。有学者发现，膜表面电位也对生物膜的后续成熟有显著影响，膜表面的电位会使得在膜表面和细菌表面形成双电层，这种现象会影响细菌的吸附过程，从而在膜表面会有更多细胞积聚。在细菌粘附于膜表面的初始阶段，膜表面特性中膜表面粗糙度影响最明显，膜表面的粗糙特性将形成一个“谷”，会加大生物膜对细菌的吸附空间，并且流体剪切力会影响分子的吸附，膜表面的这种特性规避了这种现象，从而使得大分子可以稳定积聚于“谷”中，不会出现后续的扩散和流失。2生物污染的预防2.1膜表面变化2.1.1膜表面双性离子和pda的制备方法针对生物污染的影响因素，学者发现提高膜表面亲水性可以提高细菌在膜表面的粘附效果，很多学者通过提高膜表面的亲水性进行相应的试验研究，发现可以有效降低生物污染，提高抗粘附特性。Nikkola等人通过将聚乙烯醇(PVA)覆盖在膜表面，对膜进行改进后提高了亲水性，降低了粗糙度，并且发现铜绿色假体单细胞细菌吸附在膜表面比较困难，表明改性膜表面具有抗粘度特性。提高负电荷的密度也可以提高细菌体在膜表面的粘附效果。双性离子(PZ)具有正负能量的官能团，是呈电中性、亲水性的底物，影响蛋白质和细菌在生物膜的吸附过程。国内学者最近进行了一项研究，将两性离子的聚合物结合在膜表面，对生物膜进行改性，旨在增强生物膜的亲水性和负电荷，提高脱盐率，最终研究发现生物膜改性后膜脱盐率高达99.7%，明显高于改性前，此外，膜改性后抗污染性能和膜反洗效率提高，可恢复到90%的初始通量。多巴胺涂层(PDA)是在技术应用方面较新的表面改性方法。多巴胺可以改善各种膜材料(PE、PVDF、PTFE)的疏水特性，是一种很强的亲水性物质。PDA可以覆盖在膜表面形成稳定的涂层结构，由于它具有多种活性官能团且易操作，改性效果稳定，因此是一种理想的改性材料。Karkhanechiz等学者通过将PDA和PZ结合对膜进行改性，从而研究出具有更强防污染特性的改性薄膜。2.1.2纳米银颗粒的抗菌作用通过运用有机或无机细菌试剂改变膜表面的特性，这种方法可以提高膜表面灭菌性能。纳米银颗粒与微生物中的-SH官能团结合，从而改变膜表面的结构，影响微生物的生长，从而起到消灭细菌的作用。此外，在膜表面区域进行纳米银改性，同样会在膜装置内达成恒定的灭菌效果除了纳米银颗粒，Ca(OH)2.2集体传感器调节机制群体感应研究比较前沿且具创新性，利用群体传感机制控制RO膜生物污染的方法近年来才出现2.2.1luxr蛋白调节膜表面生物膜的形成作为群体密度感应路径之一，N-酰基高丝氨酸内酯(AHL)信号通路主要是在细菌的群体感应期内，微生物产生AHL，这是一种小分子化合物，并且不同种类的细菌产生不同的AHL，当这些小分子化合物达到一定的浓度时，LuxI蛋白质会调节AHL的生产过程，LuxR蛋白通过与AHL分子结合，调节相关基因的表达，从而改变其生理特性，对膜表面生物膜形成的速度和范围进行控制。近几年，AHL分子分析方法受到很多学者的研究，他们从最初通过A.tumefaciensNTL4(pZLR4)对菌株进行定性测试，后来通过物化方法和薄层分析法进行量化，从而识别AHL的特性。2.2.2对生物反应器中ahl分子活性的影响有研究发现AHL分子存在于RO膜表面污染物中，由此提出抑制AHL信号通路，以达到对生物污染的控制。实现方式主要是通过调节AHL的产生;抑制AHL与蛋白质含量的结合;分解产生的AHL分子。有学者发现，从植物中提取的材料不同程度地影响了生物膜的形成。由此，Siddiqui等学者通过从胡椒中提取材料(PBE)，这种提取物作为QS的抑制剂，并且研究发现最佳剂量为0.3mg/mg的混合溶液悬浮固体(MLSS)，最后发现PBE的投加降低了活性污泥生物反应器中的生物群。通过将PBE和AHL按照不同比例同时投加到生物反应器中，结果发现PBE会抑制AHL分子的产生，说明其影响了AHL信号通路，但是并不能影响AHL分子的功能。呋喃酮类化合物与AHL的化学结构相似，与AHL竞争LuxR蛋白的结合点，是常用的QS抑制剂。Ponnusamy等人研究发现人工合成的2(5H)-呋喃酮对不同长度的AHL活性都有抑制作用。用0.25mg/mL的香草醛处理不同链长的AHL，发现香草醛对短链的AHL有更好的抑制作用。此外，Ponnusamy等人在原来的研究基础上进一步探究香草醛对嗜水气单胞菌在不同膜表面(RO、MF、UF)形成生物膜的影响，结果表明对RO膜的醋酸纤维膜抑制作用最显著。酰基转移酶还可以降解AHL分子。Paul等人在硼硅酸盐、聚苯乙烯、反渗透膜3种物质表面研究了酰基转移酶对嗜水气单胞菌和恶臭假单胞菌生物膜生长的影响，结果表明，