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反渗透膜生物污染与防止
1、前言
污染是通常用来描述膜表面上生成不需要的沉淀物的过程,污染发生于被截留物未能自膜表
面迁移回主体液之时。结果溶解的盐类、悬浮固体及微生物在膜表面聚积。污染可由以下过
程引起:
①无机物的沉积(结垢);
②有机物分子的吸附(有机污染);
③颗粒物的沉积(胶体污染);
④微生物的粘附及生长(生物污染)。
在RO运行中,所有上述过程都将使透过性能下降。不同类型的污染常常同时发生,并相互
影响,为了开发预防及清洗更合理的方法,RO技术的成功操作要求更系统地研究生物污染。
生物污染原则上是一个生物薄膜生长的问题。只有在细菌生长的生物薄膜模型的实质和其动
力学研究清楚后,生物污染才能确切的了解。
2.RO水系统中的生物污染
2.1情况与起因
RO系统的特点是有很大的膜表面积,这增加了粘附细菌的可能性。另外,RO膜受到垂直
的动力,会将细菌迁移至截留表面,因而增加了膜表面与悬浮物微生物接触的可能性。生成
生物薄膜的微生物菌落成分与主体微生物菌落成分大体相同。实际上,在自然环境中每一个
表面都被细菌占据着。从微生物总的图谱来看,会发现膜材料最易被细菌粘附。
膜污染的一个常见原因是用以辅助除去悬浮固体的絮凝剂过量。这为微生物提供了适宜的生
长环境。Ahmed和Alansari(1989)报道了调节剂六偏磷酸钠(SHAP)既是微生物源(需
要消毒),也是微生物薄膜的营养源。(SHMP的水解产物正磷酸盐是细菌好的食物源)。用
作中和氯的硫代硫酸钠也可用作细菌的营养源(Winters和Isquith1979)。
在RO设备之前的输送管道及粒状活性炭过滤器脱气器和贮槽处理系统提供了适宜生物薄
膜生长的表面积。生长在这些设备的所有生物薄膜都能释放微生物,这些微生物继而又占据
包括膜在内的系统的其他表面。在一个例子中,报道了采用玻璃纤维增强的塑料管的系统中
有海藻的生长。已经证实,光线穿透管壁也能诱导这一生长。
了解在像超纯水系统那样非常低的营养环境中,能使微生物幸存并繁殖的生物薄膜生长模型
是很重要的。据认为粘附是饥饿幸存的微生物求生的方式。当它粘附在表面时,它可呼吸空
气并积聚所需的营养,并且还可以对生物杀菌剂进行包围。细菌能转变成直径小于0.1μm
的超微细菌以应付营养的缺乏。大肠杆菌、柠檬色葡萄球菌、大懒兽科枯草杆菌、普通变形
杆菌和乳酸杆菌能在0.1mg/L的葡萄糖溶液(含碳40μg/L)中共同繁殖。最近发现,绿浓
杆菌可在总碳为25μg/L的自来水中生长,该碳由多种化合物提供。因此,在含总有机碳
(TOC)小于5-100μg/L的高纯工业水中能产生生物薄膜便不足为怪了。
2.2生物污染对RO装置性能的影响
通常,生物污染是一个缓慢的过程,在许多情况下,它是一个未被发现的隐藏的问题,
有时和其他因素有关。生物污染可以有许多方式显现出来,这取决于显露的时间长短。
Ridgway(1988)列出了下述的标志和症状:
①单位面积迁移水速率逐步下降(即膜通量下降);
②通过膜的压力和膜两侧的压差逐渐增大;
③膜对溶解于水中物质的透过性逐渐增大(即矿物截留率下降)。
膜生物污染的累积的影响如下:
①RO系统清洗与维护费用增加;
②产品水水质明显变坏(水可能要后处理);
③膜寿命明显下降。
综上所述:这些因素使RO系统的操作与维护费用明显增加,若这种情况继续而不加遏制,
则结果往往成为不可逆转的污染。
细菌与超细胞物质按哪些分子机理使膜通量减小至今仍未很好地了解。膜通量下降通常有两
个阶段:持续几个星期的快速下降阶段,然后逐渐地趋于某些平衡值,该值可能仅为最初透
过液量的60%-80%。
系统中螺旋卷式组件端头的污染也能造成较高的膜压力降。流动分布的不均匀(沟流)往往
可以增加无机垢的形成,因为接近膜面处湍流混合已明显减弱。
第一个机理是生物薄膜可近似认为致密的凝胶层。溶解于水中的矿物质在此层中聚积而增加
浓度极化。该凝胶层将使膜表面的测流减弱,并将粘滞边界层扩展至清洁膜的正常边界层范
围之外。这时,溶解的矿物质便有较大机会聚集于紧贴膜表面处(被捕集在生物薄膜中,最
终为外部聚合物束缚),其浓度超过主体流体相的浓度,因此,生物薄膜便增加了浓度极化。
第二个机理是生物薄膜直接地或间接地促进RO膜聚合物的分解。有报道提出吸着在醋酸纤
维素
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