陶瓷微濾膜微生物污染的實驗研究

錢 玲

(鹽城消防技術(shù)服務(wù)事務(wù)所，江蘇 鹽城 224001)

0 引言

陶瓷微濾膜過濾過程中除大量有機(jī)和無機(jī)污染物堵塞在膜表面及孔道外，滋生的一些微生物會附著在膜表面和孔道內(nèi)，并且在膜表面和孔道內(nèi)繁殖，分泌大量的胞外聚合物堵塞膜孔通道，使膜過濾的阻力增加，過濾通量迅速下降，而進(jìn)入到濾液里的大量胞外聚合物則會影響過濾后流體的質(zhì)量。［1］由此可見，在陶瓷膜的應(yīng)用過程中，微生物及胞外聚合物在膜表面和孔道內(nèi)的滋生和黏附嚴(yán)重影響了陶瓷膜的使用效果和使用壽命，造成二次污染。因此陶瓷膜生物污染的研究具有重要的實用價值。文章通過實驗研究了受污染陶瓷膜的微生物污染情況，觀察微生物對膜污染的影響，找出造成微生物污染的主要成分，優(yōu)化陶瓷膜間歇運行的間歇周期，并對減輕微生物污染進(jìn)行了一些探索。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置及器材

實驗采用死端過濾方式，陶瓷膜過濾裝置由南京慧城水處理設(shè)備有限公司生產(chǎn)，設(shè)備實物如圖1，工藝流程圖如圖2。

在恒壓下進(jìn)行過濾試驗，壓力由壓縮氮氣提供，透過液體積用電子秤通過測量重量計算，根據(jù)滲透速率取樣間隔5 min變化，溫度用電子恒溫水浴鍋控制。實驗所用陶瓷膜管為HCCM—200型和HCCM—800型，膜孔徑分別為200 nm和800 nm。圖3為實驗所用陶瓷膜管的實物圖，表1為陶瓷膜管的規(guī)格參數(shù)。

圖1 陶瓷膜過濾裝置實圖

圖2 陶瓷膜過濾裝置工藝流程圖

圖3 實驗所用陶瓷膜管實物圖

表1 陶瓷膜管的規(guī)格參數(shù)

1.2 實驗所需模擬液的配制

自然水體中有機(jī)物的主要成分為腐殖酸、蛋白質(zhì)、多糖等，其中腐殖酸約占45%，蛋白質(zhì)、多糖約占60%。［2］實驗所配制的模擬體系中蛋白質(zhì)(大豆蛋白粉替代)的質(zhì)量占55%，腐殖酸的質(zhì)量占45%。根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)部數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國自然水體TOC值為1.5～40 mg/L(包括我國主要水系)。因此，實驗所配制的模擬體系TOC值選擇為1.5～40 mg/L，以符合工程的實際應(yīng)用。

1.3 實驗?zāi)康募皟?nèi)容

研究自然水體中有機(jī)物對微濾陶瓷膜污染特性是實驗研究的部分內(nèi)容，通過實驗觀察微生物對膜污染的影響，找出造成微生物污染的主要成分，并對如何減輕微生物污染進(jìn)行了一些探索。

實驗主要分3步進(jìn)行:

1)孔徑為200 nm和800 nm陶瓷微濾膜的微生物生長實驗，研究膜運行過程中運行時間與微生物生長的關(guān)系和環(huán)境溫度與陶瓷膜運行間歇期微生物生長的關(guān)系。

2)主要成分的微生物生長實驗，確定引起微生物污染的主要成分。

3)投加次氯酸鈉陶瓷微濾膜過濾研究，驗證投加次氯酸鈉對減輕陶瓷膜的微生物污染有較好的效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 陶瓷微濾膜間歇運行過程中運行時間與微生物生長的關(guān)系

根據(jù)文獻(xiàn)報道［3－4］，微生物在膜上形成污染的過程主要分為3個階段:第一階段，原料液中的腐殖酸、蛋白質(zhì)、多糖、微生物以及微生物的代謝產(chǎn)物等，向膜面沉積并積累，逐漸形成一層適合微生物生長、繁殖的生物膜;第二階段，微生物在生物膜表面生長、繁殖產(chǎn)生代謝產(chǎn)物(細(xì)胞外聚合物)，這些物質(zhì)包裹住細(xì)胞體形成具有很高黏度的水合凝膠層，使污染物與膜表面之間的結(jié)合力更強(qiáng)，更加難于清洗;第三階段，大量的微生物及其代謝產(chǎn)物在膜表面形成黏泥，結(jié)果導(dǎo)致阻力急劇升高，通量迅速下降，出水水質(zhì)嚴(yán)重惡化，且膜的清洗困難較大。因此，陶瓷膜在受到微生物污染的情況下，應(yīng)及時進(jìn)行沖洗，以免污染惡化。

實驗采用的膜管為南京慧城水處理設(shè)備有限公司生產(chǎn)的HCCM—200的陶瓷膜管，在操作壓力為0.1 MP，溫度為20℃的條件下，以死端過濾的形式對TOC值為30 mg/L的模擬液進(jìn)行過濾，由于實驗所用過濾方式與實際應(yīng)用不同(給水車采用錯流過濾形式)，故實驗以通量下降的比例參照陶瓷膜管與微生物生長的關(guān)系，實驗選擇在上述條件下運行，通量下降為60%、50%、40%、30%的膜管在溫度為25～30℃(夏季)的環(huán)境中保存，定時進(jìn)行純水通量測試，觀察其通量的變化情況。

表2所示為膜管運行前55 min的通量情況，分別取運行點 15 min、20 min、35 min、55 min 的膜管在溫度為30℃的環(huán)境中存放，分別測試其純水通量。

表2 膜通量隨時間的衰減情況

圖4～圖7為通量衰減分別為60%、50%、40%和30%的膜管純水通量的變化情況，由圖3～圖6可以看出，膜通量衰減為50%和60%的膜管通量變化緩慢，在160 h左右開始急劇衰減;膜通量衰減為30%和40%的膜管通量在前10 h內(nèi)變化較緩慢，但約在24 h后通量急劇衰減，120 h左右膜管嚴(yán)重堵塞(實驗中發(fā)現(xiàn)出水呈黑褐色)。說明在陶瓷膜運行過程中，膜通量下降為初始計數(shù)點(5 min)通量的40%左右停止使用，需進(jìn)行反沖洗，陶瓷膜停止使用7 d以上未進(jìn)行沖洗的無法直接使用，需進(jìn)行進(jìn)一步處理。

圖4 通量衰減為60%的膜管通量變化情況

圖5 通量衰減為50%的膜管通量變化情況

圖6 通量衰減為40%的膜管通量變化情況

圖7 通量衰減為30%的膜管通量變化情況

2.2 環(huán)境溫度與陶瓷膜運行間歇期微生物生長的關(guān)系

文獻(xiàn)［5］顯示，溫度對膜上微生物生長的影響較大，因此為結(jié)合實際應(yīng)用過程中溫度的變化情況，實驗選擇在15℃以下的冬季、15～25℃的4—5月份、25～30℃的夏季3個溫度段進(jìn)行。實驗采用的膜管為南京慧城水處理設(shè)備有限公司生產(chǎn)的HCCM—200的陶瓷膜管，在操作壓力為0.1 MP，模擬液溫度為20℃的條件下，以死端過濾的形式對TOC值為30 mg/L的模擬液進(jìn)行過濾，待膜通量衰減為40%附近取下膜管保存，定時進(jìn)行純水通量測試。

圖8為不同溫度下膜通量隨時間的變化情況。由圖8可以看出，25～30℃溫度段通量衰減速度最快;15℃以下通量變化很小，趨于平穩(wěn);15～25℃溫度段通量也迅速衰減，但其衰減速度及程度均較25～30℃溫度段低?？梢?，膜通量衰減速度隨溫度升高而升高，隨溫度降低而降低，夏季膜通量衰減速度明顯高于冬季，在溫度為15℃以下的冬季使用，受污染膜表面的微生物生長不明顯，陶瓷膜可連續(xù)間歇運行，無需過多地沖洗。

圖8 不同環(huán)境溫度下膜通量隨時間的變化關(guān)系

2.3 確定引起微生物污染的主要成分

做對比試驗，確定引起微生物污染的主要成分，以及堵塞情況的變化。在壓力為0.05 MP，溫度為20℃的條件下，利用孔徑為200 nm的陶瓷膜，采用死端過濾的形式，過濾TOC值為30 mg/L的模擬液3 h，得到穩(wěn)定通量的膜管，進(jìn)行間歇運行試驗觀察微生物的生長對陶瓷膜堵塞的情況。在低壓0.05 MP(防止壓力過大將膜內(nèi)截留的有機(jī)物沖刷掉)，溫度為30℃的條件下，測試被污染膜管純水通量的變化。

由圖9可以看出，單純被腐殖酸污染的陶瓷微濾膜通量隨時間的變化與被混合模擬液污染的陶瓷微濾膜基本相同，大約36 h后，通量開始迅速下降，90 h左右趨于平穩(wěn)。由圖10可以看出，兩種有機(jī)物通量衰減情況對比，單純被蛋白質(zhì)污染的陶瓷微濾膜管的通量在200 h內(nèi)無明顯變化，說明腐殖酸能夠為滋生的微生物提供生長、繁殖的條件，導(dǎo)致受其污染的膜管滋生大量微生物，使污染程度加重。

圖9 被腐殖酸污染的陶瓷微濾膜通量隨時間衰減曲線

圖10 被兩種物質(zhì)污染的陶瓷微濾膜隨時間衰減曲線

2.4 減輕陶瓷微濾膜微生物污染的方法探索

陶瓷微濾膜過濾過程中在膜表面及孔道內(nèi)，滋生的一些微生物會附著在膜表面和孔道內(nèi)，并且在膜表面和孔道內(nèi)繁殖，分泌大量的胞外聚合物堵塞膜孔通道，使膜過濾的阻力增加，過濾通量迅速下降，且進(jìn)入到濾液里的大量胞外聚合物則會影響過濾后流體的質(zhì)量。

次氯酸鈉作為飲用水的消毒劑之一，經(jīng)常被用作自來水的消毒處理，同時次氯酸也可用作水處理的源水進(jìn)行處理消毒。由于次氯自身的強(qiáng)氧化性，可抑制水中細(xì)菌和病毒等微生物的生長、繁殖，因而可減輕膜的生物污染。實驗采用向待過濾模擬液中投加次氯酸鈉的方法驗證該方法對降低膜污染的效果。

配制有機(jī)物濃度為74.6 mg/L，分別加入次氯酸鈉，使其濃度分別為0 mg/L、3 mg/L、6 mg/L、10 mg/L、15 mg/L的溶液，在操作壓力為 0.1 MP，溫度為20℃的條件下用孔徑為800 nm和200 nm的陶瓷微濾膜過濾，觀察其通量衰減情況，結(jié)果如圖11、圖12所示。

由圖11和圖12可以看出，投加次氯酸鈉對孔徑為800 nm和200 nm的陶瓷微濾膜通量的影響，總體趨勢基本相同。隨著次氯酸鈉投加量的增大，穩(wěn)定通量逐漸升高，但達(dá)到穩(wěn)定通量所需時間的增加。由此可見，投加次氯酸鈉后，減輕了膜管的微生物污染，達(dá)到了改善通量的效果。

3 結(jié)論

圖11 孔徑800 nm陶瓷膜通量變化情況

圖12 孔徑200 nm陶瓷膜通量變化情況

1)陶瓷微濾膜在間歇運行過程中，溫度超過15℃，膜通量衰減為40%以下時，膜管易滋生微生物，造成嚴(yán)重的生物污染，需在使用完畢后進(jìn)行水力清洗。膜通量衰減速度隨溫度升高而升高，夏季明顯快于冬季。在溫度為15℃以下的冬季使用，受污染膜表面的微生物生長不明顯，陶瓷膜可連續(xù)間歇運行，無需過多的水力沖洗。

2)腐殖酸能夠為滋生的微生物提供生長、繁殖的條件，是引起微生物污染的主要原因。向模擬液中投加適量的次氯酸鈉，是控制膜管微生物污染的有效方法。

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