于海琴，孫慧德，陳 蕊，楊成永，周煜坤

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.上海安昆水處理設備有限公司，上海 200060）

污水深度回用膜集成工程中反滲透膜污染始終是制約膜分離技術發(fā)展的瓶頸［1－2］，是反滲透技術應用過程中關注的重點［3－4］。反滲透膜污染的類型主要有生物污染、有機污染、無機污染及顆粒雜質污染［5］，而微生物污染是眾所周知的最難預防和消除的污染［6］。由于預處理不能完全去除細菌，加上水中有機物成為微生物生長的碳源，所以反滲透膜上微生物污染普遍存在［7］，Vrouwenvelder等［8］通過對中東地區(qū)海水淡化廠的反滲透設備調研，發(fā)現(xiàn)其中70%遭受微生物污染，所以認為微生物污染是NF、RO應用過程中最嚴重的問題之一。由于污水含氮、磷等富營養(yǎng)物質多，TOC、COD、BOD值較高，水溫較高等［9］，所以污水回用RO膜微生物污染相對發(fā)生的幾率更高些。一旦出現(xiàn)生物污染，反滲透會馬上出現(xiàn)滲透通量下降的表現(xiàn)［10－11］，生物污染對通量降低的影響比非生物污染大，所以微生物污染問題日漸突出［12－14］。污染最直接的影響是導致運行成本增加、壽命降低、膜清洗和更換頻繁［15］。有證據(jù)表明微生物污染對膜性能的影響是其污染影響的數(shù)倍［16］，生物膜的存在會加重其它污染的發(fā)生，稱之為生物膜強化污染（Biofilm－enhanced），主要是由于生物污垢造成壓差升高，在膜表面形成低流速狀態(tài)，在生物及其分泌物的黏附作用下進一步加劇了膠體、有機污染、無機結垢和微生物的污染［13］。

膜面微生物污染的復雜性主要表現(xiàn)在它的存在性、生長性、環(huán)境適宜性和與膜面的黏附性、難于徹底去除性上。預處理不能完全消除微生物，加氯消毒的反滲透工廠也發(fā)現(xiàn)有微生物污染問題［17］。脫氯后微生物存在再生問題，Mohamed等［18］研究發(fā)現(xiàn)，反滲透系統(tǒng)在經過SBS脫氯后出現(xiàn)大量微生物再生，使得微生物污染加重。

本文通過對反滲透膜微生物污染的試驗研究，期望能夠很好地掌握污染的機理與特性，同時能夠幫助我們更好地解決膜微生物污染問題，對膜的清洗也有重要的指導作用。

1 微生物污染試驗方法

微生物污染是膜材料、流動參數(shù)（如溶解物、流動速度、壓力等）和微生物間復雜的相互作用的結果。試驗研究內容主要考察中水水質對微生物污染和生物膜形成的影響，考察主要的微生物種類和生長狀態(tài)，通過殺菌處理考察殺菌預處理對反滲透入口水微生物存在和生長的影響。試驗研究以靜態(tài)試驗和錯流過濾動態(tài)試驗相結合的方式進行。

試驗材料和藥品：除鹽水、牛肉膏、蛋白胨、氯化鈉、瓊脂、中水、反滲透膜（潔凈和已污染的2種）。

靜態(tài)試驗裝置：試驗采用靜態(tài)膜污染模擬器進行污染研究，如圖1所示。

圖1 靜態(tài)試驗裝置（MFS）

膜片處理：將大片（張）膜用除鹽水潤濕透水側，輕輕地平整固定在玻璃板上，使用特制的裁剪裝置（一端軟固定、一端鋒利刀片）將膜裁剪成需要的尺寸，切忌刮傷膜片或重壓膜片。將裁剪好的膜片在滅菌的除鹽水中浸泡24h，其間換水3次。靜態(tài)試驗的膜片需要事先固定在支撐的圓環(huán)上，再進行滅菌處理。

試驗菌液（中水中微生物菌種）培養(yǎng)和配制：取中水放于事先經過滅菌處理的潔凈燒杯中；取2個已經殺菌的培養(yǎng)皿，利用移液管從燒杯中分別取1mL中水置于培養(yǎng)皿中。用潔凈燒杯稱取牛肉膏0.5g，蛋白胨1g，氯化鈉0.5g，瓊脂2g，加除鹽水溶于100mL錐形瓶中，攪拌并調節(jié)pH至7.2～7.4，塞緊瓶口，放于滅菌鍋中滅菌，4h后，取出錐形瓶冷卻至50℃左右，倒入培養(yǎng)皿，以剛好覆蓋培養(yǎng)皿底部為宜；蓋好培養(yǎng)皿，置于37℃恒溫箱中培養(yǎng)24h；24h后，取出培養(yǎng)皿，用玻璃棒挑出菌落置于裝有除鹽水的燒杯中，攪拌待用。

2 試驗內容及結果分析

2.1 反滲透產品水（即除鹽水）中微生物生長性研究

取6個500mL的事先滅菌處理的潔凈燒杯，分別加入200mL的除鹽水；在1、2、3號燒杯中分別加入1mL配置的菌液；將6個燒杯上口蓋緊，置于室溫下靜置，5h后分別取1mL水樣培養(yǎng)，觀察培養(yǎng)皿表面菌落生長情況；同時另取一個培養(yǎng)皿（7號），取1mL原菌液模擬中水條件，進行對比培養(yǎng)。試驗結果見表1。

表1 除鹽水中微生物生長性

試驗觀察到1、2、3號培養(yǎng)皿中只有少數(shù)的菌落，而4、5、6號基本上沒有菌落。在7號培養(yǎng)皿中長出了很多菌落。

實驗結果表明：在除鹽水中，由于沒有微生物生長和繁殖的必須營養(yǎng)物質，所以膜面污染情況較輕，培養(yǎng)皿中的菌落數(shù)很少。反滲透出水本身幾乎沒有細菌，而且除鹽水中缺乏細菌生長所必需的營養(yǎng)物質，即使在除鹽水中加入菌液，也無法快速繁殖，甚至會因為缺乏營養(yǎng)而失活。在相同培養(yǎng)時間和溫度條件下，中水中菌落數(shù)要比除鹽水條件下培養(yǎng)生成的菌落多得多。說明反滲透出水側或出水側膜面通常沒有微生物存在，但是有細菌介入的情況下，即有微生物源時會造成生長，尤其是水樣中如果有足夠的營養(yǎng)物質，就會在膜表面快速形成微生物粘泥，影響膜的正常運行。

2.2 水溫對微生物生長的影響

分別取6個事先滅菌處理的潔凈500mL燒杯，分別加入200mL除鹽水和1mL培養(yǎng)菌液；在1、3、5號燒杯中分別放入2片干凈的反滲透膜片，在2、4、6號燒杯中分別放入2片污染的膜片；蓋好杯口；將1、2號燒杯放入冷水浴中，維持溫度在15℃左右，3、4號燒杯置于室溫下，5、6號燒杯熱水浴，維持溫度30℃左右；隔0.5h測各個燒杯的水溫；5h后，取出膜片，分別置于6個事先滅菌處理的干凈燒杯中，用清洗劑清洗膜；分別從每個燒杯中取出1mL清洗液，用培養(yǎng)皿培養(yǎng)，觀察菌落數(shù)的多少，1～6號燒杯中取出的清洗液中，培養(yǎng)菌落數(shù)分別為1、3、3、5、7、12個。試驗溫度見表2。

表2 溫度對膜面微生物生長的影響

根據(jù)不同溫度下微生物培養(yǎng)的表現(xiàn)可以看出，微生物在溫度較高的情況下更易于在膜面繁殖、生存。除鹽水中總體上膜面微生物生長或污染情況比較輕，但是同樣在除鹽水中，已經污染的膜片微生物的生長現(xiàn)象和污染比清潔膜嚴重。

2.3 反滲透在中水環(huán)境中膜面微生物生長性能靜態(tài)污染試驗

靜態(tài)模擬試驗裝置MFS中以中水為試驗介質，放入膜片，利用磁力攪拌器模擬膜面流動狀態(tài)，控制攪拌速度和時間，觀察膜表面的微生物污染情況。經過一定時間取出膜片，通過培養(yǎng)來觀察污染的微生物的特性。試驗前將燒杯和攪拌磁子做滅菌處理。在500mL燒杯中分別加入同體積除鹽水、中水，放入經過前處理的反滲透膜片（功能皮層朝下，直徑50mm），控制攪拌器轉速，加熱棒控制水樣的溫度，觀察在不同條件下膜面的污染情況。

以高溫滅菌冷卻后的除鹽水淋洗取出的膜片，去除浮在上面的雜質，將膜片放在另外一套經過滅菌處理的MFS裝置中，燒杯內加入200mL高溫滅菌的除鹽水，啟動攪拌器（1500r／min）進行膜面微生物污染洗脫處理，取適量洗脫液進行微生物菌落培養(yǎng)，并將洗脫液放在顯微鏡下觀察微生物的形態(tài)。

2.3.1 微生物污染出現(xiàn)時間試驗 分別取6個潔凈的500mL燒杯，編號后，分別加入200mL除鹽水和1mL培養(yǎng)菌液，靜置30min；同時向6個燒杯中加入2片潔凈RO膜片，開始計時，以65r／min轉速攪拌，分別在10、15、20、25、30、40min后，取出膜片，用清洗液清洗，再取其中的1mL清洗液進行微生物培養(yǎng)；觀察6個培養(yǎng)皿中的微生物生長情況。試驗結果見表3。

表3 不同時間微生物生長狀態(tài)（水溫：26.8℃，潔凈膜片）

試驗結果分析：從表中可以看出，膜表面在膜浸入水樣中15min后就開始出現(xiàn)微生物附著的現(xiàn)象，而之前基本上沒有微生物污染出現(xiàn)。30min后，膜污染現(xiàn)象加重，膜表面微生物量增多。說明隨著時間的延長，膜表面微生物繁殖越來越多，膜表面污染也就越來越嚴重，嚴重時可以堵塞膜孔，阻礙過水，使得系統(tǒng)產水量下降。

2.3.2 水流速度對微生物污染的影響試驗 主要研究在不同的水流速度下，膜表面微生物的污染情況。膜面錯流流速通過改變攪拌器轉速來進行模擬研究，轉速選擇0、65、125r／min。

取6個潔凈的500mL燒杯，分別加入200mL除鹽水和1mL培養(yǎng)菌液，靜置30min；同時向1、2、3號燒杯中分別加入2片潔凈反滲透膜片，向4、5、6號燒杯中加入已經污染的膜片。將燒杯分別放在磁力攪拌器下，1、4號燒杯以0r／min的轉速攪拌，2、5號燒杯以65r／min的轉速攪拌，3、6號燒杯以125r／min的轉速攪拌；60min后，同時取出膜片，用清洗液清洗并進行微生物培養(yǎng)。試驗結果見表4。

表4 攪拌速度對膜面微生物生長的影響（溫度：21.2℃）

實驗現(xiàn)象及結果：污染膜片比潔凈膜片污染嚴重，說明污染膜片再污染情況嚴重；在水樣流動的情況下，不易產生微生物污染。一定的水流速度在膜表面形成了一定的剪切力，使得微生物等很難附著在膜表面。即使附著在膜表面，在生長初期會在受到流速作用下被水流的剪切力沖走。

試驗結果及分析說明反滲透在停用期間微生物污染的可能性大。

2.4 中水水質對微生物污染的影響——強化生物污染試驗

水中微生物營養(yǎng)成分的存在是微生物污染發(fā)生的基本條件，Vrouwenvelder等［19］對此進行了長期的研究，在2000年報道很低含量的營養(yǎng)成分（μg／L）就可引起微生物污染，2001年的研究表明較低的可生物降解有機物的存在可造成微生物污染［20］，2010年研究磷酸鹽的影響，結果表明，在RO進水磷酸鹽含量較低的情況下，反滲透膜的微生物污染受到明顯控制［21］。

試驗以從中水分離的微生物經過培養(yǎng)后的水進行高菌水配置，以高菌水對反滲透膜進行強化生物污染試驗，考察污染性質及對膜過濾性能的影響。

中水本身含有較多的有機物的代謝產物，低分子量或溶解態(tài)的有機物，試驗模擬研究濃差極化現(xiàn)象下膜面污染成分含量增加的情況下微生物生長的特性。以腐殖酸為有機物濃度的目標污染物，通過配水進行試驗研究。在考慮膜面膠體雜質在濃差極化層內積聚的信息，以硅藻土做膠體雜質的目標污染物，同時進行配水。用0.001g／L硅藻土來模擬1個濁度，即1NTU＝0.001g／L硅藻土。

由于濃差極化層內流動狀態(tài)與主體流動狀態(tài)不同，所以采用不加攪拌的方式進行污染試驗研究。在前階段試驗的基礎上，維持相同的溫度，流速和時間，考察在不同濃度的有機物和膠體存在時膜表面微生物污染的情況。

分別取9個潔凈的500mL燒杯，根據(jù)表5進行水樣配置（200mL），同時加入1mL培養(yǎng)菌液，靜置30min；在0、1、2、3、4號燒杯中分別放入2片干凈的反滲透膜片，在1′、2′、3′、4′號燒杯中分別放入2片已污染的膜片；同時加入1mL培養(yǎng)菌液，置于試驗裝置中，以65r／min攪拌1h；1h后，取出膜片，分別置于干凈燒杯中，用清洗劑清洗并進行微生物培養(yǎng)。試驗結果見表6。

表5 強化污染配水

表6 強化污染試驗結果（溫度：27℃）

試驗數(shù)據(jù)表明：膠體和有機物濃度越高，膜表面的微生物越多，即污染越嚴重。

2.5 殺菌處理對微生物污染的影響

取中水加入培養(yǎng)菌形成生物污染環(huán)境，用甲醛殺菌后，再放入反滲透膜片，試驗研究膜表面的污染情況。主要步驟如下：分別取9個潔凈的500mL燒杯，編號后，分別加入中水已經配好的水樣（NTU＝5，腐殖酸＝10mg／L）；同時加入1mL培養(yǎng)菌液，靜置30min，30min后在1～8號燒杯中分別加入5mL 1%的甲醛溶液，殺菌5min后，分別放入干凈的反滲透膜片；放置在試驗裝置上，以65r／min攪拌；在不同時間分別取出膜片，置于干凈燒杯中，用清洗劑清洗并進行微生物培養(yǎng)。試驗結果見表7。

試驗現(xiàn)象及結果：水樣加入菌液后，靜置30min，水中微生物已經繁殖，數(shù)量增加，增加速度很快。用1%的甲醛溶液殺菌后，在一段時間內，膜上微生物量很少，污染較輕。但是經過一段時間后，殺菌水樣中的微生物數(shù)量開始急劇上升，膜污染現(xiàn)象依然存在。

表7 殺菌處理對反滲透膜微生物污染的影響（25℃，65r／min）

2.6 膜面微生物污染的微生物種類

將各次試驗洗脫液放在顯微鏡下進行觀察，以研究中水微生物污染的生物形態(tài)，顯微鏡照片如圖2～5所示。

2.6.1 沒有殺菌處理 沒有進行殺菌處理的膜面清洗水樣中微生物種類如圖2所示。

圖2 膜面污染的微生物種類（沒有殺菌處理）

2.6.2 腐殖酸配水中污染膜面的微生物種類 如圖3所示。

圖3 膜面污染的微生物種類（腐殖酸配水）

2.6.3 強化污染試驗中微生物種類 強化污染試驗中微生物種類如圖4所示。

圖4 膜面污染的微生物種類（強化污染試驗）

2.6.4 殺菌處理后膜面洗脫液微生物種類 如圖5所示。

圖5 膜面污染的微生物種類（殺菌處理）

試驗結果分析：根據(jù)微生物顯微鏡照片的形態(tài)特征發(fā)現(xiàn)，膜污染的微生物多以桿菌和絲狀菌為主，其中桿菌多為大腸桿菌。大腸桿菌（Escherichia coli，E.coli）為革蘭氏陰性短桿菌，大腸桿菌是人和許多動物腸道中最主要且數(shù)量最多的一種細菌，主要寄生在大腸內，與城市污水水質符合。說明在現(xiàn)有中水水質回用標準下，中水中微生物存在，并且在回用系統(tǒng)中會增殖，造成反滲透膜發(fā)生微生物污染。

2.7 超濾對微生物的去除性能

在膜集成技術中，反滲透的前一級預處理為超濾，超濾對進水微生物的去除效果直接影響反滲透膜面是否發(fā)生嚴重的微生物污染，所以研究超濾對微生物的去除效果成為反滲透的安全保障。

通常工業(yè)應用的超濾膜組件的切割分子量在100kDa左右，由表8可以看出，UF膜組件切割分子量（MWCO）為10萬Da時，對應的絕對膜孔徑約為0.01μm，而細菌、大腸桿菌和藻類等微生物的物理尺寸一般約0.02μm以上（如圖6所示），所以從理論上UF過程對微生物的截留率能夠達到100%。

表8 切割分子量和孔徑尺寸的對換關系

圖6 膜孔大小與水中雜質的比較

通過實驗室錯流試驗裝置以不同切割分子量的超濾膜片進行中水錯流過濾試驗，在所取的中水中添加分離培養(yǎng)的高菌水，以高濃度細菌含量的配水進行超濾試驗，對超濾進水和產水進行微生物指標分析，通過進出水細菌總數(shù)的變化來考察超濾的除菌效果。這個試驗可以看作是實際工程在超濾之前殺菌處理異常的情況下的不利影響試驗。試驗結果見表9。

表9 超濾膜對微生物去除效率

在超濾沒有進行殺菌處理的情況下，以高菌水進行試驗，效果很好；超濾膜組件對細菌和大腸桿菌的截留試驗結果表明，濾過水中細菌含量在5cfu／mL以下，能夠完全截留原水中微生物，UF膜去除細菌的效果非常好。UF膜組件對細菌和大腸桿菌的截留率達到99.99%以上，而且濾過水的細菌指標基本不受原水細菌總數(shù)變化的影響，截留效率穩(wěn)定。

通常實際中水回用工程中超濾之前需要進行殺菌處理，由于向原水中投加次氯酸鈉氧化滅菌，并維持水中適當?shù)挠嗦群?，能夠持續(xù)抑制細菌繁殖，這樣對反滲透的安全保障性和超濾膜面微生物污染的防止均起到作用，超濾出水微生物學指標完全滿足RO系統(tǒng)進水要求。雖然超濾膜對細菌、微生物有很高的去除率，但仍達不到100%，在超濾產水中仍可以檢測到微量細菌，在溫度適宜條件下，幾天之內便可在反滲透膜表面形成生物膜層。所以預處理系統(tǒng)的維護工作很重要。

3 結 論

1）超濾膜組件濾過水中細菌含量在5cfu／mL以下，UF膜去除細菌的效果非常好，能夠完全截留原水中微生物。經過超濾處理的水，在SDI合格的情況下，并不能保證反滲透膜面避免微生物污染，甚至SDI＜3的情況下，仍然可能在膜表面出現(xiàn)大量粘泥狀生物膜，生物污染取決于水中細菌的存在性、繁殖狀況和水中雜質、溫度等條件。

2）微生物污染發(fā)展迅速，一旦膜上出現(xiàn)細菌群落，特別是在出現(xiàn)濃差極化的情況下，在短時間內，就會生成粘泥膜。水中有機物和膠體雜質成為微生物污染的促進因素。

3）中水深度回用污染的反滲透膜面上生物膜內的微生物以桿菌和絲狀菌為主。

4）除鹽水中，在沒有微生物源和沒有微生物生長和繁殖的必須營養(yǎng)物質的情況下，膜面基本不發(fā)生污染。

5）中水若在進入反滲透系統(tǒng)前不進行滅菌處理，微生物將以反滲透膜為載體借助反滲透濃水段的營養(yǎng)鹽而繁殖生長，在水溫適宜的條件下，微生物的生長更是迅速。

6）反滲透在停用期間微生物污染的可能性大，并且在已經污染的膜片表面微生物生長加重污染，實際設備通常為污染膜，一旦微生物附著在膜面，在微生物本身分泌、代謝產物的作用下是不易脫落的，微生物本身極強的環(huán)境適應性加重污染。

關于反滲透膜面微生物污染的研究還很不夠，常規(guī)的含鹽量、TOC、COD、pH、電導率等水質分析，并未給出生物污染隱患的線索。尚未建立SDI數(shù)據(jù)與生物污染之間的關系，微生物活性物質和有機物存在的復合污染有待深入研究。

目前常規(guī)RO生物監(jiān)控的方案是采用一系列顯微和培養(yǎng)技術，用培養(yǎng)法來檢測水中的微生物含量，但這遠遠不能反映實際微生物的動態(tài)污染趨勢和性質，所以研究動態(tài)監(jiān)控手段也是今后研究的要點。

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