反滲透膜生物污染與防止
來源：上？瞥趟幚砑夹g(shù)有限公司 閱讀：2215 更新時(shí)間：2011-03-14 10:111、前 言
污染是通常用來描述膜表面上生成不需要的沉淀物的過程，污染發(fā)生于被截留物未能自膜表面遷移回主體液之時(shí)。結(jié)果溶解的鹽類、懸浮固體及微生物在膜表面聚積。污染可由以下過程引起：
①無機(jī)物的沉積（結(jié)垢）；
②有機(jī)物分子的吸附（有機(jī)污染）；
③顆粒物的沉積（膠體污染）；
④微生物的粘附及生長（生物污染）。
在RO運(yùn)行中，所有上述過程都將使透過性能下降。不同類型的污染常常同時(shí)發(fā)生，并相互影響，為了開發(fā)預(yù)防及清洗更合理的方法，RO技術(shù)的成功操作要求更系統(tǒng)地研究生物污染。生物污染原則上是一個(gè)生物薄膜生長的問題。只有在細(xì)菌生長的生物薄膜模型的實(shí)質(zhì)和其動(dòng)力學(xué)研究清楚后，生物污染才能確切的了解。
2. RO水系統(tǒng)中的生物污染
2.1 情況與起因
RO系統(tǒng)的特點(diǎn)是有很大的膜表面積，這增加了粘附細(xì)菌的可能性。另外，RO膜受到垂直的動(dòng)力，會(huì)將細(xì)菌遷移至截留表面，因而增加了膜表面與懸浮物微生物接觸的可能性。生成生物薄膜的微生物菌落成分與主體微生物菌落成分大體相同。實(shí)際上，在自然環(huán)境中每一個(gè)表面都被細(xì)菌占據(jù)著。從微生物總的圖譜來看，會(huì)發(fā)現(xiàn)膜材料最易被細(xì)菌粘附。
膜污染的一個(gè)常見原因是用以輔助除去懸浮固體的絮凝劑過量。這為微生物提供了適宜的生長環(huán)境。Ahmed和Alansari（1989）報(bào)道了調(diào)節(jié)劑六偏磷酸鈉（SHAP）既是微生物源（需要消毒），也是微生物薄膜的營養(yǎng)源。（SHMP的水解產(chǎn)物正磷酸鹽是細(xì)菌好的食物源）。用作中和氯的硫代硫酸鈉也可用作細(xì)菌的營養(yǎng)源（Winters和Isquith1979）。
在RO設(shè)備之前的輸送管道及粒狀活性炭過濾器脫氣器和貯槽處理系統(tǒng)提供了適宜生物薄膜生長的表面積。生長在這些設(shè)備的所有生物薄膜都能釋放微生物，這些微生物繼而又占據(jù)包括膜在內(nèi)的系統(tǒng)的其他表面。在一個(gè)例子中，報(bào)道了采用玻璃纖維增強(qiáng)的塑料管的系統(tǒng)中有海藻的生長。已經(jīng)證實(shí)，光線穿透管壁也能誘導(dǎo)這一生長。
了解在像超純水系統(tǒng)那樣非常低的營養(yǎng)環(huán)境中，能使微生物幸存并繁殖的生物薄膜生長模型是很重要的。據(jù)認(rèn)為粘附是饑餓幸存的微生物求生的方式。當(dāng)它粘附在表面時(shí)，它可呼吸空氣并積聚所需的營養(yǎng)，并且還可以對(duì)生物殺菌劑進(jìn)行包圍。細(xì)菌能轉(zhuǎn)變成直徑小于0.1μm的超微細(xì)菌以應(yīng)付營養(yǎng)的缺乏。大腸桿菌、檸檬色葡萄球菌、大懶獸科枯草桿菌、普通變形桿菌和乳酸桿菌能在0.1mg/L的葡萄糖溶液（含碳40μg/L）中共同繁殖。最近發(fā)現(xiàn)，綠濃桿菌可在總碳為25μg/L的自來水中生長，該碳由多種化合物提供。因此，在含總有機(jī)碳（TOC）小于5-100μg/L的高純工業(yè)水中能產(chǎn)生生物薄膜便不足為怪了。
2.2 生物污染對(duì)RO裝置性能的影響
通常，生物污染是一個(gè)緩慢的過程，在許多情況下，它是一個(gè)未被發(fā)現(xiàn)的隱藏的問題，有時(shí)和其他因素有關(guān)。生物污染可以有許多方式顯現(xiàn)出來，這取決于顯露的時(shí)間長短。Ridgway（1988）列出了下述的標(biāo)志和癥狀：
① 單位面積遷移水速率逐步下降（即膜通量下降）；
② 通過膜的壓力和膜兩側(cè)的壓差逐漸增大；
③ 膜對(duì)溶解于水中物質(zhì)的透過性逐漸增大（即礦物截留率下降）。
膜生物污染的累積的影響如下：
① RO系統(tǒng)清洗與維護(hù)費(fèi)用增加；
② 產(chǎn)品水水質(zhì)明顯變壞（水可能要后處理）；
③ 膜壽命明顯下降。
綜上所述：這些因素使RO系統(tǒng)的操作與維護(hù)費(fèi)用明顯增加，若這種情況繼續(xù)而不加遏制，則結(jié)果往往成為不可逆轉(zhuǎn)的污染。
細(xì)菌與超細(xì)胞物質(zhì)按哪些分子機(jī)理使膜通量減小至今仍未很好地了解。膜通量下降通常有兩個(gè)階段：持續(xù)幾個(gè)星期的快速下降階段，然后逐漸地趨于某些平衡值，該值可能僅為最初透過液量的60%-80%。
系統(tǒng)中螺旋卷式組件端頭的污染也能造成較高的膜壓力降。流動(dòng)分布的不均勻（溝流）往往可以增加無機(jī)垢的形成，因?yàn)榻咏っ嫣幫牧骰旌弦衙黠@減弱。
第一個(gè)機(jī)理是生物薄膜可近似認(rèn)為致密的凝膠層。溶解于水中的礦物質(zhì)在此層中聚積而增加濃度極化。該凝膠層將使膜表面的測(cè)流減弱，并將粘滯邊界層擴(kuò)展至清潔膜的正常邊界層范圍之外。這時(shí)，溶解的礦物質(zhì)便有較大機(jī)會(huì)聚集于緊貼膜表面處（被捕集在生物薄膜中，最終為外部聚合物束縛），其濃度超過主體流體相的濃度，因此，生物薄膜便增加了濃度極化。
第二個(gè)機(jī)理是生物薄膜直接地或間接地促進(jìn)RO膜聚合物的分解。有報(bào)道提出吸著在醋酸纖維素（CA）RO膜上的細(xì)菌能產(chǎn)生直接侵蝕和水解膜的酶或其他物質(zhì)。霉菌的某些分離物能夠水解未取代的纖維素。已報(bào)道膜聚合物的顯著水解是在保溫25○C四個(gè)星期之后才產(chǎn)生的。
3、存在于RO系統(tǒng)中的微生物
觀察結(jié)果表明，各種各樣的生理學(xué)種類的微生物能粘附和占據(jù)RO膜表面，結(jié)果生成十分復(fù)雜的微生物薄膜。
4、膜污染的機(jī)理
生物污染過程粗略可分為四個(gè)階段（Winters和 Isquith1979;Winfield 1979；Flemming和Schaule1988a）。
4.1條件作用薄膜
生物薄膜形成的第一步（在微生物粘附之前）是不可逆的大分子的吸附，它導(dǎo)致在RO膜表面開成一“條件作用薄膜”。這些粒子能掩蓋原有的表面性能，并產(chǎn)生輕微的負(fù)表面電荷。在表面浸入水溶液后的幾秒或幾分鐘之內(nèi)這一階段是復(fù)雜的。
4.2微生物對(duì)膜的最初的粘附
細(xì)菌向膜面的遷移源于如下諸因素：
① 流體動(dòng)力學(xué)的推動(dòng)力（主體液流動(dòng)，湍流，透過流）；
② 游動(dòng)（趨化性）；
③ 布朗運(yùn)動(dòng)及擴(kuò)散。
在非靜態(tài)條件下，膜表面處建立起一個(gè)滯流邊界層，它的厚度與流速、液體粘度以及表面粗糙度等有關(guān)。在正常的RO操作條件下，其厚度可能在10-50μm，明顯地大于單個(gè)細(xì)菌的厚度。這便解釋了生物薄膜為何能在高流速系統(tǒng)中存在。湍流的剪切力達(dá)不到粘滯內(nèi)層及影響單細(xì)菌層。
微生物細(xì)胞在達(dá)到與膜面接觸前必須穿過粘滯內(nèi)層。流體動(dòng) 力學(xué)推動(dòng)力導(dǎo)致將細(xì)胞遷移至邊界層，然而細(xì)胞橫穿過邊界層的機(jī)理似應(yīng)是布朗運(yùn)動(dòng)、游動(dòng)和/擴(kuò)散。
在反滲透過程中，作為垂直于膜表面的遷移向量的通量是幫助細(xì)胞穿透過粘滯內(nèi)層的強(qiáng)推動(dòng)力。
4.3最初粘附機(jī)理的動(dòng)力學(xué)和模型
微生物對(duì)RO膜材料的最初粘附發(fā)生在短時(shí)間之內(nèi)。最高附著速率是在第一個(gè)小時(shí)內(nèi)，經(jīng)4-6小時(shí)后該速率變化平緩趨向平直。因此，可導(dǎo)致生物污染的最初生物薄膜的發(fā)展在膜組件壽命的早期就開始了。有趣的是，死細(xì)胞的粘附和活細(xì)胞的粘附一樣快。這意味著對(duì)RO實(shí)際使用過程只殺死細(xì)菌是不夠的，還需把它們移走，否則其中許多細(xì)菌還附著于被清洗的表面，為之后來自于進(jìn)料水的細(xì)菌提供基片與基底。
已經(jīng)提出一個(gè)關(guān)于初始細(xì)菌粘附的兩步模型。其第一步包含一個(gè)可逆粘附，它是由靠近表面的細(xì)菌所持的長程力的瞬時(shí)吸引所致。這些細(xì)菌繼續(xù)進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)，它們能很容易地由水射流的剪切作用或是移動(dòng)細(xì)菌的猛烈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自表面移走。某些移動(dòng)的細(xì)菌可以克服這一吸引力，常反過來附著在另一些位置上，并成為被吸附在表面上的可利用的營養(yǎng)物。第二步為不可逆粘附，定義為與時(shí)間無關(guān)的穩(wěn)固的粘附，從而細(xì)菌不再具有布朗運(yùn)動(dòng)，并不能清洗除去。
4.4生物薄膜的生長與發(fā)展
在不可逆附著之后，細(xì)胞將生長并快速增長為微菌落，分泌出EPS，點(diǎn)據(jù)自由表面積，形成多層生物薄膜。在自然界，細(xì)菌主要生活在粘附的生物薄膜中，在此薄膜中通過離子交換，以及它們的包封的多糖的物理堵塞性質(zhì)（擴(kuò)散勢(shì)壘）而使它們免受抗菌劑作用。
在此場(chǎng)所，生物薄膜開始生成，并呈現(xiàn)了空間的非均勻性。較高的溫度使微生物的新陳代謝更活躍，導(dǎo)致繁殖增快。但是生物薄膜的主要部分常常由EPS組成，超過微生物達(dá)60%以上。生物薄膜是干擾裝置性能的主要原因。
雖然細(xì)菌的生長是彌散的，使膜系統(tǒng)遭遇生物污染的麻煩，但它決不是唯一的類屬。海藻、原生動(dòng)物和霉菌也普遍存在于天然水系統(tǒng)中。尤其是表面水是各種微生物的繁殖基地。最初的生物污染提供了一個(gè)良好的細(xì)菌生長的基底。霉菌的生長除了引起膜自身的分解外，還破壞了膜內(nèi)的流動(dòng)特性。此外，絲狀的生殖根還能拖帶其他的粒子，造成膜的進(jìn)一步污染。
另一種微生物污染是水藻，它能在各種水及土壤中找到。當(dāng)它們不能找到足夠的營養(yǎng)時(shí)，便呈團(tuán)形成一粘泥外套。這樣，這些單細(xì)胞微生物就可利用已死的鄰居作為補(bǔ)充的營養(yǎng)物。細(xì)胞物質(zhì)分泌的粘液能導(dǎo)致進(jìn)一步的污染。
4.5生物污染的控制和預(yù)防
4.5.1生物污染傾向的評(píng)價(jià)
有效地控制和預(yù)防生物污染的首要前提是要知道生物污染問題發(fā)生的可能性。許多生物污染問題在長時(shí)間不加注意后才逐漸引起注意。
以下是一些可能增加生物污染危險(xiǎn)的因素：
① 工廠設(shè)計(jì)：伸展的管道系統(tǒng)，光線的射入，死端，龜裂，帶有死區(qū)的附件，未消毒的貯槽等。
② 進(jìn)料水特性：高溫（＞25〇C），大量的有機(jī)及無機(jī)營養(yǎng)物，大量的細(xì)菌（＞104菌落形成單位/mL），高SDI等。
③ 操作特性：不經(jīng)常監(jiān)控操作性能，使用被微生物污染的預(yù)處理藥劑，較低的錯(cuò)流流速，長貯存周期等。
4.5.2進(jìn)料水的預(yù)處理
有效的預(yù)處理將導(dǎo)致減少膜清洗。
4.5.3生物污染物的消毒處理
在一受到生物破壞的系統(tǒng)中，以殺滅存在的所有微生物來解決問題是一種常見的謬誤。在許多情況下，引起問題的是生物薄膜的存在，而不是細(xì)菌的生理活性。生物學(xué)上無活性的生物薄膜可繼續(xù)引起生物污染作用。因此，去除生物薄膜才是有效清除毒害的關(guān)鍵所在。此外，死端、角落和縫隙都可以帶有生物薄膜，而這些地方是殺生劑不能到達(dá)的，它們對(duì)清洗過的系統(tǒng)能作為接種物，導(dǎo)致快速的細(xì)菌后生長，這在實(shí)際工作中常有報(bào)道。經(jīng)受住處理過程的有機(jī)體的圖譜包括孢子構(gòu)成物、厭酸桿菌、色素有機(jī)體、抗消毒細(xì)菌菌株、各種酵母、霉菌和放線菌。如前所述，重要的是生物薄膜會(huì)保護(hù)它們的組分免受殺生劑作用。有關(guān)殺生劑的效率數(shù)據(jù)常以懸浮培養(yǎng)物取得，它們對(duì)同一類微生物的敏感性超過在生物薄膜中的50-500倍。生物薄膜甚至在消毒劑系統(tǒng)管道壁上也能找。
進(jìn)料水的消毒是整個(gè)消毒過程的一部分。它包括含細(xì)菌數(shù)的減 少，甚至更重要的是水中營養(yǎng)物的減少。已表明新的細(xì)菌的粘附與由營養(yǎng)物引起的生物薄膜的成長相比幾乎可以忽略不計(jì)。
我們研究了各種化學(xué)清洗劑的殺菌和生物薄膜去除的效率。他們發(fā)現(xiàn)許多清洗劑僅能殺死生物薄膜而不能去除它，反之亦然。但是去除生物薄膜對(duì)恢復(fù)裝置的性能比僅殺死微生物重要得多。HTWB-4000是一種特殊專用的膜殺菌劑，它是清洗生物污染膜的最好的藥劑之一。由清洗溶液形成的剪切力非常生要。
業(yè)主提及，死細(xì)胞比活細(xì)胞容易去除。但是關(guān)于自各種膜材料上去除最初生物薄膜的試驗(yàn)清楚地表明死細(xì)胞比活細(xì)胞的粘附力強(qiáng)。為使生物污染的影響減至最小，在生物薄膜尚未廣泛成長前，頻繁地和定期地（例如至少每30天一次）清洗RO膜或許是最好的方法。隨著生物薄膜的老化，膜清洗液的效率明顯降低。
