生物污染的形成及控制

自20世紀(jì)70年代以來，由于中國的引入滲透技術(shù)，許多應(yīng)用于反滲透膜污染的許多方面。膜污染的分類比較復(fù)雜，主要是由有機(jī)污染物、無機(jī)污染物、生物污染和膠質(zhì)污染引起的。因?yàn)楸砻婺ど仙锬ば纬傻乃俣群头秶沁^度生長的，這樣會導(dǎo)致膜性能嚴(yán)重?fù)p害，因此，生物污染是膜污染中危害性很強(qiáng)的1引領(lǐng)民用化行業(yè)反滲透膜技術(shù)(RO)，該技術(shù)于上世紀(jì)六十年代由美國推出，起先多用于宇航事業(yè)后轉(zhuǎn)為民用，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，該技術(shù)日漸完善，當(dāng)前已被廣泛運(yùn)用于食品、海水淡化、醫(yī)藥等行業(yè)1.1膜污染的成因在反滲透系統(tǒng)前端的膜元件中容易發(fā)生膜污染的問題，當(dāng)出現(xiàn)這種現(xiàn)象后，前端R/O系統(tǒng)的壓力以及脫鹽率會相應(yīng)增加，這兩種因素成正相關(guān)的關(guān)系，即當(dāng)系統(tǒng)壓力增大時(shí)，脫鹽率也因此增大，但是如果膜污染問題不能及時(shí)解決，生物污染會隨著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行擴(kuò)散，從而形成大區(qū)域的膜污染。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的生物膜堵塞時(shí)，系統(tǒng)的壓力會增加，從而導(dǎo)致產(chǎn)水量驟減。膜污染和膜堵塞都是由細(xì)菌、藻類和真菌等微生物造成的，而這些微生物會存在于原水中，因此我們需要控制原水的活性，有關(guān)研究表明，當(dāng)需要處理的原水的細(xì)菌含量高于1000cfu/100mg時(shí)，我們需要在反滲透工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中考慮微生物的影響，對原水進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理過程，達(dá)到去除細(xì)菌等微生物的目的，從源頭上防止膜污染的發(fā)生。1.2ro膜表面的黏附對于生物膜的形成過程，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多研究，他們主要研究微生物在RO膜表面的粘附過程。細(xì)菌在膜表面的吸附受細(xì)菌和膜本身的特性、細(xì)菌與膜的相互作用、溶液的組成、濃差極化、流動速率以及其他物理和化學(xué)因素影響，因此此過程十分復(fù)雜，需要進(jìn)行深度的研究。1.2.1細(xì)菌的吸附特性細(xì)胞壁的親疏水性會影響菌體的吸附過程，他們的吸附規(guī)律符合同等性質(zhì)更容易相吸的規(guī)律，即親水性表面更容易吸附親水特性的細(xì)菌，疏水性表面容易吸附疏水特性的細(xì)菌。此外，細(xì)菌的電荷也會影響吸附過程，并且呈現(xiàn)負(fù)電荷數(shù)量與粘附力成反比的規(guī)律，當(dāng)細(xì)胞壁的負(fù)電荷數(shù)量很少時(shí)，相對應(yīng)的粘附力越強(qiáng)，而細(xì)菌的電荷度受溶液pH值、離子濃度等因素的影響。另外，如果細(xì)菌自身沉降速度很快，可以很大程度提高膜的吸附作用，細(xì)菌的沉降特性與EPS有關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)，EPS的存在促進(jìn)了細(xì)菌的沉降，可以說明細(xì)菌表面帶有EPS可以加速膜的吸附。1.2.2細(xì)菌細(xì)胞的多樣性在生物膜形成的初期，膜表面的粘附力與膜本身的疏水性密切相關(guān)，并且呈線性關(guān)系。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，膜表面電位也對生物膜的后續(xù)成熟有顯著影響，膜表面的電位會使得在膜表面和細(xì)菌表面形成雙電層，這種現(xiàn)象會影響細(xì)菌的吸附過程，從而在膜表面會有更多細(xì)胞積聚。在細(xì)菌粘附于膜表面的初始階段，膜表面特性中膜表面粗糙度影響最明顯，膜表面的粗糙特性將形成一個(gè)“谷”，會加大生物膜對細(xì)菌的吸附空間，并且流體剪切力會影響分子的吸附，膜表面的這種特性規(guī)避了這種現(xiàn)象，從而使得大分子可以穩(wěn)定積聚于“谷”中，不會出現(xiàn)后續(xù)的擴(kuò)散和流失。2生物污染的預(yù)防2.1膜表面變化2.1.1膜表面雙性離子和pda的制備方法針對生物污染的影響因素，學(xué)者發(fā)現(xiàn)提高膜表面親水性可以提高細(xì)菌在膜表面的粘附效果，很多學(xué)者通過提高膜表面的親水性進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)可以有效降低生物污染，提高抗粘附特性。Nikkola等人通過將聚乙烯醇(PVA)覆蓋在膜表面，對膜進(jìn)行改進(jìn)后提高了親水性，降低了粗糙度，并且發(fā)現(xiàn)銅綠色假體單細(xì)胞細(xì)菌吸附在膜表面比較困難，表明改性膜表面具有抗粘度特性。提高負(fù)電荷的密度也可以提高細(xì)菌體在膜表面的粘附效果。雙性離子(PZ)具有正負(fù)能量的官能團(tuán)，是呈電中性、親水性的底物，影響蛋白質(zhì)和細(xì)菌在生物膜的吸附過程。國內(nèi)學(xué)者最近進(jìn)行了一項(xiàng)研究，將兩性離子的聚合物結(jié)合在膜表面，對生物膜進(jìn)行改性，旨在增強(qiáng)生物膜的親水性和負(fù)電荷，提高脫鹽率，最終研究發(fā)現(xiàn)生物膜改性后膜脫鹽率高達(dá)99.7%，明顯高于改性前，此外，膜改性后抗污染性能和膜反洗效率提高，可恢復(fù)到90%的初始通量。多巴胺涂層(PDA)是在技術(shù)應(yīng)用方面較新的表面改性方法。多巴胺可以改善各種膜材料(PE、PVDF、PTFE)的疏水特性，是一種很強(qiáng)的親水性物質(zhì)。PDA可以覆蓋在膜表面形成穩(wěn)定的涂層結(jié)構(gòu)，由于它具有多種活性官能團(tuán)且易操作，改性效果穩(wěn)定，因此是一種理想的改性材料。Karkhanechiz等學(xué)者通過將PDA和PZ結(jié)合對膜進(jìn)行改性，從而研究出具有更強(qiáng)防污染特性的改性薄膜。2.1.2納米銀顆粒的抗菌作用通過運(yùn)用有機(jī)或無機(jī)細(xì)菌試劑改變膜表面的特性，這種方法可以提高膜表面滅菌性能。納米銀顆粒與微生物中的-SH官能團(tuán)結(jié)合，從而改變膜表面的結(jié)構(gòu)，影響微生物的生長，從而起到消滅細(xì)菌的作用。此外，在膜表面區(qū)域進(jìn)行納米銀改性，同樣會在膜裝置內(nèi)達(dá)成恒定的滅菌效果除了納米銀顆粒，Ca(OH)2.2集體傳感器調(diào)節(jié)機(jī)制群體感應(yīng)研究比較前沿且具創(chuàng)新性，利用群體傳感機(jī)制控制RO膜生物污染的方法近年來才出現(xiàn)2.2.1luxr蛋白調(diào)節(jié)膜表面生物膜的形成作為群體密度感應(yīng)路徑之一，N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯(AHL)信號通路主要是在細(xì)菌的群體感應(yīng)期內(nèi)，微生物產(chǎn)生AHL，這是一種小分子化合物，并且不同種類的細(xì)菌產(chǎn)生不同的AHL，當(dāng)這些小分子化合物達(dá)到一定的濃度時(shí)，LuxI蛋白質(zhì)會調(diào)節(jié)AHL的生產(chǎn)過程，LuxR蛋白通過與AHL分子結(jié)合，調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)，從而改變其生理特性，對膜表面生物膜形成的速度和范圍進(jìn)行控制。近幾年，AHL分子分析方法受到很多學(xué)者的研究，他們從最初通過A.tumefaciensNTL4(pZLR4)對菌株進(jìn)行定性測試，后來通過物化方法和薄層分析法進(jìn)行量化，從而識別AHL的特性。2.2.2對生物反應(yīng)器中ahl分子活性的影響有研究發(fā)現(xiàn)AHL分子存在于RO膜表面污染物中，由此提出抑制AHL信號通路，以達(dá)到對生物污染的控制。實(shí)現(xiàn)方式主要是通過調(diào)節(jié)AHL的產(chǎn)生;抑制AHL與蛋白質(zhì)含量的結(jié)合;分解產(chǎn)生的AHL分子。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，從植物中提取的材料不同程度地影響了生物膜的形成。由此，Siddiqui等學(xué)者通過從胡椒中提取材料(PBE)，這種提取物作為QS的抑制劑，并且研究發(fā)現(xiàn)最佳劑量為0.3mg/mg的混合溶液懸浮固體(MLSS)，最后發(fā)現(xiàn)PBE的投加降低了活性污泥生物反應(yīng)器中的生物群。通過將PBE和AHL按照不同比例同時(shí)投加到生物反應(yīng)器中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PBE會抑制AHL分子的產(chǎn)生，說明其影響了AHL信號通路，但是并不能影響AHL分子的功能。呋喃酮類化合物與AHL的化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，與AHL競爭LuxR蛋白的結(jié)合點(diǎn)，是常用的QS抑制劑。Ponnusamy等人研究發(fā)現(xiàn)人工合成的2(5H)-呋喃酮對不同長度的AHL活性都有抑制作用。用0.25mg/mL的香草醛處理不同鏈長的AHL，發(fā)現(xiàn)香草醛對短鏈的AHL有更好的抑制作用。此外，Ponnusamy等人在原來的研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究香草醛對嗜水氣單胞菌在不同膜表面(RO、MF、UF)形成生物膜的影響，結(jié)果表明對RO膜的醋酸纖維膜抑制作用最顯著。酰基轉(zhuǎn)移酶還可以降解AHL分子。Paul等人在硼硅酸鹽、聚苯乙烯、反滲透膜3種物質(zhì)表面研究了酰基轉(zhuǎn)移酶對嗜水氣單胞菌和惡臭假單胞菌生物膜生長的影響，結(jié)果表明，