反滲透膜生物污染的影響因素及控制措施

邵 娜

（安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 安陽 455004）

反滲透膜作為一種通過人工半透膜來分離水分與其他物質(zhì)的技術(shù)手段，具有工藝簡單、易于操作、處理能耗低的顯著優(yōu)勢(shì)，已在污水處理、海水淡化、食品加工等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也發(fā)揮著十分重要的作用。然而，在反滲透膜系統(tǒng)的運(yùn)行期間，卻時(shí)常出現(xiàn)生物污染問題，造成膜系統(tǒng)使用壽命有所減短。這對(duì)于該技術(shù)的應(yīng)用效果產(chǎn)生了明顯影響。因此，對(duì)于如何妥善解決反滲透膜的生物污染問題，且盡量降低污染問題具有重要意義。

1 反滲透膜生物污染概述

1.1 反滲透膜技術(shù)原理

反滲透膜屬于一類仿制生物半透膜打造的人工半透膜，其技術(shù)原理是控制待處理的污水或溶液以較高速度穿過反滲透膜，且憑借膜材較小孔徑，攔截污水和溶液中夾雜的有機(jī)物、溶解鹽類、微生物等物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)污水處理和溶液過濾凈化目的。

1.2 生物污染問題

反滲透膜的生物污染問題主要表現(xiàn)為，膜材表面因吸附微生物而發(fā)生大面積堵塞，主要原因是微生物在繁殖過程中，會(huì)持續(xù)分泌EPS胞外聚合物，如果膜材表面附著的微生物未得到有效清除，經(jīng)過一段時(shí)間后，將會(huì)在膜材表面形成一層保護(hù)型菌膜，并在菌膜厚度達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)后，導(dǎo)致反滲透膜材報(bào)廢，使其無法繼續(xù)使用。

1.3 反滲透膜的污染危害

在反滲透膜處理系統(tǒng)運(yùn)行期間，如果出現(xiàn)生物污染問題，會(huì)干擾系統(tǒng)運(yùn)行、損害膜材，進(jìn)而會(huì)引發(fā)產(chǎn)水量下降、電耗與水耗增加、出水水質(zhì)下降等一系列的問題出現(xiàn)。其中，干擾系統(tǒng)運(yùn)行的危害在于，隨著微生物在膜材表面的生長繁殖，會(huì)持續(xù)堵塞膜孔道，導(dǎo)致實(shí)際水通量持續(xù)降低，并造成膜材兩側(cè)的有效壓差減小、增大膜外濃差極化的后果，從而使反滲透膜系統(tǒng)的運(yùn)行效果無法達(dá)到預(yù)期要求，這樣既降低了系統(tǒng)的處理能力，又加大了實(shí)際的運(yùn)行成本。而損害膜材的危害在于，微生物在繁殖過程中會(huì)持續(xù)破壞膜材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且施加了侵蝕作用力，使膜材遭到嚴(yán)重侵蝕；或是在膜材表面形成過厚的保護(hù)型菌膜層后，系統(tǒng)將無法繼續(xù)使用，最終導(dǎo)致膜材的實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)低于預(yù)期。需要注意的是，在使用醋酸纖維素膜作為反滲透膜時(shí)，膜材遭到生物污染的受損程度最為嚴(yán)重。

2 反滲透膜生物污染的主要影響因素

2.1 微生物自身的特性

在反滲透膜處理系統(tǒng)的運(yùn)行期間，所處理的海水、溶液與污水中普遍含有較多種類的污染物，主要包括孢子、藻類、真菌等。而微生物混雜在水體中，在壓力差的作用下會(huì)形成向前的推動(dòng)力，從而推動(dòng)水體穿過反滲透膜，同時(shí)，在膜材孔道上截流污染物或特定物質(zhì)。因此，在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行過程中，要定期清除攔截物質(zhì)和膜材表面附著物，以延長膜材的使用壽命，使其始終保持高水準(zhǔn)的處理效果。

但從系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況來看，真菌、細(xì)菌等微生物受到靜電吸附、自身沉降特性、疏水特性等多方面因素影響，會(huì)大量地粘附在膜材表面，并且從所處理的水體中攝取生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，然后在膜材表面生長繁殖，持續(xù)分泌EPS胞外聚合物堵塞膜材孔道，最終造成反滲透膜的生物污染。通常情況下，粘附的微生物數(shù)量越多、時(shí)間越長，則反滲透膜生物污染的程度越重。以靜電吸附因素為例，在所處理的溶液與污水的pH值都大于兩性離子pl等電子值時(shí)，將由兩性離子持續(xù)釋放質(zhì)子帶負(fù)電，并在細(xì)菌表面形成負(fù)電荷，但負(fù)電荷數(shù)量和粘附力保持反比關(guān)系，如在細(xì)菌表面的負(fù)電荷數(shù)量較少時(shí)，會(huì)形成強(qiáng)大的粘附力，會(huì)把細(xì)菌牢牢粘附在膜材表面[1]。

2.2 反滲透膜表面特性

反滲透膜的表面具有親疏水性、膜電位和粗糙度的特性，這類表面特性與微生物附著的情況有密切關(guān)系，當(dāng)所處理的溶液、污水穿過反滲透膜時(shí)，受到膜材表面特性的影響，水體中分布的微生物更容易粘附在膜材表面，從而造成生物污染。反滲透膜表面特性的影響機(jī)理如下。

2.2.1 親疏水性

膜材親疏水性一直被視為影響微生物吸附效果的核心因素，主要表現(xiàn)在膜材親疏水性越強(qiáng)，則微生物吸附的數(shù)量越多，且反滲透膜生物污染的速度越快。而對(duì)于膜材親疏水性的問題，可普遍采取膜材表面涂覆、化學(xué)接枝等控制措施，這在一定程度上會(huì)起到延緩膜材生物污染的速度，以及降低膜表面吸附細(xì)菌濃度的作用，但實(shí)際效果有限，還是會(huì)對(duì)膜材造成一定傷害[2]。

2.2.2 膜電位

在反滲透膜系統(tǒng)的運(yùn)行期間，受到膜材、微生物二者靜電作用的影響，在膜材表面會(huì)生成靜電雙層，可起到阻礙細(xì)菌粘附膜材表面的作用，但實(shí)際的阻礙效果取決于膜表面的電位值。當(dāng)膜材表面為正電位時(shí)，細(xì)胞粘附數(shù)量明顯增多，但細(xì)胞活性會(huì)隨之降低；當(dāng)膜材表面為負(fù)電位時(shí)，細(xì)胞粘附數(shù)量會(huì)明顯減少，但細(xì)胞活性有所提高。

2.2.3 粗糙度

由于反滲透膜具有粗糙表面的特性，所以，在膜材表面會(huì)形成若干類似“山谷”的形狀。而這類山谷的尺寸略大于分子顆粒，是微生物粘附膜材表面的前提條件，避免了分子物質(zhì)受到流體剪切力等外部作用力的影響而脫離膜材，導(dǎo)致其在各處“山谷”內(nèi)生長繁衍，出現(xiàn)了不可逆的微生物吸附膜材現(xiàn)象。

2.3 進(jìn)水溶液組分

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來看，反滲透膜吸附點(diǎn)位存在一定數(shù)量限制，且在處理不同組分的污水、溶液時(shí)生物污染的速度、微生物粘附情況存在明顯差異，所以可確定進(jìn)水溶液組分是反滲透膜生物污染的一項(xiàng)重要影響因素。

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)進(jìn)水溶液的離子強(qiáng)度達(dá)到100 mmol/L，且在進(jìn)水溶液穿過反滲透膜時(shí)，明顯改變了膜材表面的藻酸鹽沉積層結(jié)構(gòu)，其空間位阻值有所減小，因此，在膜材表面會(huì)粘附較多數(shù)量的微生物。而當(dāng)進(jìn)水溶液組分中分布著無機(jī)磷時(shí)，就會(huì)對(duì)反滲透膜生物污染的程度造成明顯影響，如在無機(jī)磷濃度較低時(shí)，可以促使細(xì)胞膜表面分布的LapA粘附素自溶，起到了解離細(xì)菌、保持細(xì)菌游離狀態(tài)的作用，從而有效延緩了反滲透膜生物污染的速度[3]。

2.4 操作條件

通常，微生物的生長繁衍，離不開適宜、穩(wěn)定的外部環(huán)境。就目前來看，在反滲透膜系統(tǒng)的運(yùn)行期間，由于相關(guān)工作人員缺乏生物污染防治意識(shí)，所以，設(shè)定的操作溫度、清洗溫度、清洗pH值的范圍、典型操作壓力等參數(shù)缺乏合理性，沒有形成有效控制生物污染程度的操作環(huán)境，導(dǎo)致微生物大量粘附在膜材表面，且還從進(jìn)水溶液中持續(xù)攝取生長繁殖所需的物質(zhì)，進(jìn)而會(huì)在短時(shí)間內(nèi)于膜材表面形成生物膜層。

3 反滲透膜生物污染的有效控制措施

3.1 對(duì)進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理

進(jìn)水溶液是反滲透膜處理系統(tǒng)中微生物的主要來源，如果沒有從源頭上控制微生物數(shù)量，將無法有效延緩膜材生物污染的速度，也會(huì)對(duì)其他控制措施的實(shí)際效果造成明顯影響。對(duì)此，必須在反滲透膜系統(tǒng)的運(yùn)行期間設(shè)置進(jìn)水預(yù)處理步驟，以消滅進(jìn)水溶液中的絕大多數(shù)微生物，同時(shí)，也將微生物的數(shù)量和活性控制在可接受范圍內(nèi)，具體方式可采取投加氧化性殺菌劑、投加LAE月桂酰精氨酸乙酯、投加抑菌劑三項(xiàng)措施。

3.1.1 投加氧化性殺菌劑

在實(shí)際的處理過程中，可將含氯化合物、過氧化物等作為氧化性殺菌劑，因?yàn)檫@類化合物具有很好的殺菌效果，可以快速滅殺進(jìn)水溶液中的微生物，而且，還不會(huì)對(duì)進(jìn)水溶液造成明顯污染。一般情況下，在反滲透膜處理系統(tǒng)中，主要是使用活性氯，該物質(zhì)在遇水后會(huì)逐漸生成分子狀態(tài)的次氯化酸，會(huì)通過穿透微生物細(xì)胞膜、破壞細(xì)胞壁的方式使微生物喪失活性，最終實(shí)現(xiàn)殺菌的目的。但在使用氧化性殺菌劑的過程中，也會(huì)對(duì)反滲透膜材造成一定程度的影響，導(dǎo)致膜元件出現(xiàn)氧化的現(xiàn)象，因此，工作人員就要額外的投放亞硫酸氫鈉、硫酸氫鈉等作為還原劑，避免余氯破壞膜結(jié)構(gòu)或是出現(xiàn)膜元件氧化問題。需要注意的是，要根據(jù)進(jìn)水溶液余氯的檢測結(jié)果來調(diào)節(jié)還原劑的用量[4]。

3.1.2 投加LAE月桂酰精氨酸乙酯

LAE本身屬于一種防腐劑，在反滲透膜系統(tǒng)中投放LAE后，可以在不改變膜材性能與結(jié)構(gòu)的前提下，有效去除膜材表面已成型的生物膜，并抑制微生物的生長。然而，LAE殺菌劑的使用成本較為高昂，且在使用期間會(huì)因靜電的相互作用而形成有機(jī)污染物，所以，當(dāng)前僅在少數(shù)反滲透膜處理系統(tǒng)中進(jìn)行了小規(guī)模應(yīng)用，但可作為一種備選殺菌劑[5]。

3.1.3 投加抑菌劑

根據(jù)反滲透膜處理系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況來看，盡管已提前在進(jìn)水溶液中投放了殺菌劑，但仍無法完全去除全部的微生物，還是會(huì)存在反滲透膜生物污染的可能性。對(duì)此，相關(guān)工作人員需定期在產(chǎn)水口處采集水樣進(jìn)行化驗(yàn)，如果進(jìn)水溶液中的微生物數(shù)量較多，或是反滲透膜系統(tǒng)已遭到生物污染，就要在進(jìn)水口內(nèi)投加適量的抑菌劑，用于抑制微生物的活性。一般情況下，可選用異噻唑啉酮作為抑菌劑，這類抑菌劑是采取斷開細(xì)菌蛋白鍵的方式來抑制細(xì)菌生長，還可以有效擊穿膜材表面、水箱表面等處生物粘液膜下的微生物，抑菌效果極為顯著。

3.2 反滲透膜表面改性

3.2.1 改善抗菌體粘附特性

在反滲透膜處理系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，為了預(yù)防微生物大面積粘附在膜材表面，需重點(diǎn)改善膜材的抗菌體粘附特性，具體可方式從減小膜材表面粗糙度、加大負(fù)電荷密度、改善膜材親水性三方面著手。當(dāng)前，在部分反滲透膜處理系統(tǒng)中，選擇在膜材表面覆蓋多巴胺涂層和兩性離子多聚物的方法，效果顯著。其中，對(duì)于多巴胺涂層的覆蓋，主要是憑借多巴胺的親水特性，使其在膜材表面形成一種較為穩(wěn)定且具備親水屬性的涂層結(jié)構(gòu)。而對(duì)于兩性離子多聚物的覆蓋，主要是由于兩性離子的本質(zhì)是屬于一種同時(shí)帶有正電、負(fù)電官能團(tuán)，既會(huì)起到抑制細(xì)菌與蛋白附著反滲透膜表面的作用，還會(huì)起到提高膜材脫鹽率、恢復(fù)污染膜材水通量等額外效果。此外，對(duì)于改善膜材抗菌體的粘附特性，雖然在初期可以有效抑制微生物粘附在膜材表面，但卻無法防止微生物后期生長繁殖的局面，且不會(huì)對(duì)細(xì)菌活性造成影響，因此，隨著時(shí)間的推移，仍然會(huì)出現(xiàn)微生物粘附、細(xì)菌沉積的現(xiàn)象，但可搭配其他措施進(jìn)行控制。

3.2.2 強(qiáng)化殺菌特性

目前，在反滲透膜處理系統(tǒng)中，主要是使用納米銀顆粒來修飾膜材表面。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)微生物與膜材表面的納米銀顆粒接觸時(shí)，會(huì)起到促使細(xì)菌失去活性、抑制微生物生長等多重作用，最終實(shí)現(xiàn)消滅細(xì)菌目的。然而，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來看，使用納米銀顆粒雖然可以取得良好的滅菌效果，延緩反滲透膜生物污染的速度，但殺菌范圍僅局限在膜材表面周邊，且膜材上的其他污染物還會(huì)影響到實(shí)際殺菌效果。

對(duì)此，可選擇在膜材表面修飾Ca(OH)2、Cu(OH)2等其他無機(jī)殺菌劑，以進(jìn)一步改善殺菌效果。例如，可使用Cu(OH)2，這類殺菌劑的溶解性較差，可以穩(wěn)定吸附在膜材表面，起到提高膜材負(fù)電荷密度、改善膜材親水性等多重作用，從而使膜材表面兼具殺菌、抗菌體粘附兩項(xiàng)功能，而且，也不會(huì)在系統(tǒng)運(yùn)行期間產(chǎn)生大幅降低脫鹽率與膜通量的負(fù)面影響。同時(shí)，這類殺菌劑還可以通過物理方式吸附在膜材表面，但在系統(tǒng)長時(shí)間的運(yùn)行期間，可能會(huì)對(duì)殺菌劑的穩(wěn)定狀態(tài)、吸附效果造成一定程度的影響，因此，需要定期檢查膜材表面情況，必要時(shí)可重新在膜材上吸附Cu（OH）2殺菌劑[6]。

3.3 清洗反滲透膜

在反滲透膜處理系統(tǒng)的運(yùn)行期間，為了延緩反滲透膜的使用壽命，去除膜材表面粘附的微生物和已成型的生物膜，需要定期開展反滲透膜清洗作業(yè)，可采取物理清洗或是化學(xué)清洗方法。第一，物理清洗是把空氣與水混合后高壓沖刷膜材表面，多次重復(fù)沖刷以去除表面已成型的生物膜，這種方法有著清洗效果溫和、不會(huì)損壞膜材結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際清洗效果有限，很難完全去除膜材表面粘附的微生物。第二，化學(xué)清洗是使用特定藥物來沖洗膜材，可先后使用低pH值與高pH值的藥劑來清除水垢、有機(jī)物，再使用螯合劑清除生物雜質(zhì)，這就要求相關(guān)工作人員要合理選用清洗藥劑、嚴(yán)格把控清洗順序、優(yōu)先使用侵蝕性較小的藥劑，并在投加下一種溶液前排盡上一次清洗液。此外，還需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況來設(shè)定清洗間隔時(shí)間、選擇清洗藥劑，并在反滲透膜系統(tǒng)處于停用狀態(tài)時(shí)制定、實(shí)施專項(xiàng)的清洗方案。例如，當(dāng)反滲透膜系統(tǒng)停用時(shí)間在一周內(nèi)時(shí)，相關(guān)工作人員就要每隔24 h開展一次清洗作業(yè)；或每隔48 h清洗一次，這時(shí)可選用2%濃度的甲醛溶液作為清洗液，但要把單次清洗時(shí)間控制在15 min左右[7]。

4 結(jié)語

綜上所述，生物污染是反滲透膜技術(shù)在應(yīng)用期間亟待解決的一項(xiàng)重要問題，因其污染防治處理效果會(huì)直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，也關(guān)乎到膜材的使用壽命和系統(tǒng)運(yùn)行成本。因此，相關(guān)企業(yè)與工作人員必須要提高對(duì)反滲透膜生物污染問題的重視程度，要掌握生物污染的核心影響因素，了解問題本質(zhì)，并有針對(duì)性地落實(shí)進(jìn)水預(yù)處理、反滲透膜表面改性、反滲透膜清洗三項(xiàng)控制措施，從而為反滲透膜技術(shù)的應(yīng)用推廣奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。