反渗透水处理系统微生物污染特性分析及对策

Posted 2023-01-13 微生物

篇首语：月与灯依在，不见去年人本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了反渗透水处理系统微生物污染特性分析及对策相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

在反渗透膜污染的几个类型中(微生物污染、化学污染、颗粒和胶体污染)，微生物污染具有它的特殊性，它在反渗透水处理中所造成的运行困难是最严重的一种。目前，国内在反渗透水处理系统运行中，膜的微生物污染问题日渐突出。通常认为，给水污染指数(污泥密度指数，简称SDI)具有包容微颗粒污染的综合特征，所以往往把预处理的重点集中于SDI上。国际上各膜生产厂家对给水微生物也未规定具体指标。所以，无论是对地表水还是地下水的处理，常常认为只要SDI合格，并采取了防垢控制措施，反渗透给水处理就有了保障。然而，事实并非如此。据粗略统计，国内近年来出现的反渗透膜的微生物污染事例令人们深省。
事实上，反渗透水处理系统在投产后不长的时间内微生物污染就会出现，引起压差增大数倍、产水量大幅度下降等严重危害。
1 微生物污染
1.1 反渗透给水中的微生物
微生物包括细菌、藻类、真菌及其芽孢、孢子和病毒。细菌颗粒极小，一般为1～3μm，病毒则更小，约为0.01～0.2μm，藻类、真菌比细菌大很多。而细菌的数量通常很大，一滴水多时可含有几千万个，极少时1mL水中也会含有几个、几十个。地表水含微生物较多，近年来在地下水中也常发现细菌繁衍的事例。微生物可视为胶体，带有负电荷，通过凝聚、过滤可除去大部分，但彻底除去则十分困难而复杂，尽管采用氯化消毒、氧化等手段，仍会有少数存在，甚至以孢子的形式暂时隐蔽起来。有事例证明，即使采取精密过滤、超滤，有时也是不尽人意的。
1.2 反渗透给水系统中的微生物粘泥
微生物膜是微生物在具有有机物和无机物的营养环境下，在膜表面新陈代谢而形成的。特别是在水通量过高或发生浓差极化时，微生物呈数倍的快速繁殖。这是一种胶粘物，其粘附力很强，难以清除，可以保护微生物不受水流剪切作用而冲走，也不易受化学消毒药剂的影响，由于不易彻底清除，因而加速粘泥的再生。这些微生物属于附着细菌。
1.3 反渗透膜面上微生物污染的特点
反渗透膜的微生物污染具有它的特殊性，其特点如下：
(1)给水SDI合格，并不能保证避免微生物污染。给水SDI<4、甚至SDI<3时，仍然可能在膜表面出现大量粘泥状生物膜，它取决于水中细菌的繁殖状况和水通量的大小。
(2)微生物污染发展迅速，一旦膜上出现细菌群落，特别是在出现浓差极化的情况下，将会在1、2个月内，甚至数天就会生成粘泥膜，出现过高的给水压降，为保持反渗透的产水量，给水泵的压力就须提高，增大电力消耗。
(3)生物膜(生物粘泥)在造成膜污染的同时，增大膜的透水阻力，使产水量下降，并可能使产品水质下降。膜污染促使隔网污染，造成给水压降上升。
(4)生物膜(粘泥)不溶于酸，难溶于碱，几乎不受水流剪切力的影响，即使频繁冲洗，也不能被冲掉。消毒杀菌也难于使粘泥彻底清除。
2 微生物粘泥在反渗透膜上的形成过程
生物膜的形成可分为4个阶段。第一阶段，水中有机物(腐殖质、聚糖酯)等大分子物质被膜表面吸附，成为微生物生存的条件；第二阶段，反渗透进水中的微生物细胞迁移至膜上，在水流中处于非稳定的可逆附着物状态，如果水流速度快则可能被冲入水中。因而运行中保证膜间隔网和膜表面的流速是重要的；第三阶段，当膜表面粘附微生物后，给水中的细菌数量和膜表面具有的营养状态对后续的大量的不同菌种的粘附和形成细菌群落起着重要作用；第四阶段，反渗透膜上形成了不可逆的附着和阻塞，膜的产水阻力增大，产水量下降，隔网压差升高。
引起反渗透膜生物污染的因素和污染源。几乎所有的原水都含有微生物，但零星的微生物未形成菌落，并不构成微生物污染的威胁。反渗透膜的生物污染不是孤立因素，涉及因素很多，如水源、温度、季节、处理方式、运行条件、膜的化学成分、膜的表面状态、隔网尺寸、形状、预处理、管路设备连接结构等。
以地下水为水源的反渗透系统在膜表面产生微生物是近来出现的一个新问题，通常认为反渗透给水处理只对地表水才需采取生物杀菌处理。但近来频频出现来自地下水的原水对膜的污染，甚至在含有游离氯的条件下还存在生物膜，即使增大余氯量也对之无影响。
预处理系统被污染后往往成为反渗透膜生物污染源之一。预处理系统被微生物污染后，不易得到彻底、有效地清洗，即使反渗透膜经清洗后，又会被来自预处理的污染物所污染，甚至2～3d就要清洗一次。
反渗透膜表面和给水流通隔网上的污染相互影响。当膜的水通量不是很高，给水流速较低时，细菌群落栖息于隔网上形成粘泥，隔网阻力便会增大，使细菌进一步在膜表面上发展。当膜的水通量过高时，细菌群落便会沉落于膜上，菌落也会逐渐沉积于隔网上。两种情况均会使给水通路减小，压降升高，产水量下降。
3 反渗透给水微生物的控制
3.1 微生物粘泥的预测
生物粘泥的预测有以下几个方面：
(1)测定从原水入口、预处理各个环节反渗透给水、浓水以及反渗透产品水的细菌总数(TBC)，计算细菌变化数值。若发现浓水中的TBC明显增加，说明反渗透膜上可能有粘泥形成。
(2)给水中的有机物不仅自身可形成膜的污染，还可作为细菌滋生的营养物。所以可对有机物(以总有机碳表示，简称TOC)进行监测，膜厂家提示控制TOC<2mg/L(以C表示)。2mg/LTOC大致相当于5mg/L的总有机生物量，此值在正常运行时，不会引起膜间有机物污堵。
(3)定期细致地检查反渗透前的滤芯过滤器及给水管、浓水管内部的清洁程度，若发现有粘状物或臭味则为产生生物粘泥的征兆。
3.2 微生物污染的控制
至今防止反渗透膜微生物污染，均靠采取宏观的杀菌措施，尚无生产厂家和用户对微生物的数量提出具体的控制指标，其困难在于微生物的生长繁殖快，通常适宜条件下20～30min即分裂一倍，且影响因素多，难于用数量控制。但通过测定反渗透系统各个环节水中细菌总数(TBC指1mL水样在培养基中经一定时间培养所生成的细菌群落的总数cfu/mL)，对预测微生物膜污染并控制其发展可起重要作用。
当原水受到污染，或地下水中菌群数达到10000cfu/mL时应引起重视，及时采取杀菌措施，避免在膜上发展为生物膜。由于环境条件千差万别，该值难于严格划一，但及早采取措施，可控制细菌繁殖为群落，避免发展为粘泥。
4 反渗透给水中微生物的消毒与杀菌
采用氯及次氯酸盐、二氧化氯、臭氧及紫外线照射、消毒的常规方式已为大家所熟悉，这里推荐三种防止微生物污染的特殊消毒、杀菌方式。
4.1 冲击性杀菌处理
在正常过程中，采取定期短暂地加杀生剂于给水中。最常用的药剂为NaHSO3，剂量为500～1000mg/L，每次持续30min，每天一次。在5μm过滤之前加入Na2S2O5(食品级)。
亚硫酸盐对好氧菌比厌氧菌更有效。使用时可检测细菌总数以观察效果。除了NaHSO3杀生剂外，还可加入二甲基二硫代氨基甲酸钠，属非氧化性杀生剂，每星期冲击一次，每次1h剂量为20mg/L。
近年来，非氧化性杀菌剂异噻唑啉酮引起人们的重视，它具有广谱、高效、低毒等特点，能够杀死水中的细菌、真菌、藻类，包括粘液膜下的微生物，使用剂量为0.5mg/L即可抑制细菌生长，对环境安全。用昆明种小鼠试验的LD50为2.723g/kg。目前常使用杀生剂为异噻唑啉酮的衍生物，如2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮，其结构式如下：

异噻唑啉酮的杀菌原理是由于它的分子中含有氮—硫键，能使细菌细胞的蛋白质的键断开而起杀菌作用。当与微生物接触后，不可逆地抑制其生长，直至微生物细胞的死亡。异噻唑啉酮还能穿透粘附在管道、水箱、反渗透膜表面的生物粘液膜，抑制和杀灭粘膜。
异噻唑啉酮商品名Kat。市售溶液含1.5%活性成分。Kat用于冲击性杀菌和停运保养建议浓度为15～25mg/L。
4.2 高剂量亚硫酸氢钠膜前消毒
进入反渗透膜前给水的NaHSO3处理，常规处理方式是为了除去加氯消毒后的残余氯，避免造成膜受氧化而破坏。而采用高剂量NaHSO3处理是为了消毒杀菌，此方式类似于停用时膜的保护，此法常用于海水的给水处理，加入量大于50mg/L，补偿了无Cl2的防菌缺陷，可有效地防止进入膜的微生物繁殖。
4.3 定期杀菌
采取“定期杀菌"可预防中等程度的污染。定期杀菌是在运行过程中进行的。当发现反渗透膜已有被生物污染的征兆时，可以停运，进行短期加药杀菌。具体措施是将准备好的1%～3%的甲醛溶液加入系统并循环1h，再排出。然后以给水冲洗约10～15min至出水水质合格即可投入运行。
定期杀菌的药剂除采用甲醛外，尚可选用0.2%的H2O2或H2O2与过氧乙酸两者浓度为0.2%的杀菌液。凡氧化性药剂均会对反渗透膜造成一定的破坏，特别是浓度超过0.2%的杀菌液最好节制使用。
一般“定期消毒"可每隔1个月一次，也可每天一次。这样做在一定程度上会影响反渗透膜的使用寿命，但综合效果是有益的。
5 结论
(1)在反渗透膜的诸种污染中，微生物污染是最严重的。其污染特点：1)污染发展迅速，反渗透膜上一旦出现积聚的细菌群落，就会在短时间内产生粘泥，增大给水压降，降低产水量；2)清洗困难，生物粘泥不溶于酸，难溶于碱，几乎不受水流剪切力影响，即使频繁冲洗效果甚微。消毒杀菌也难以将粘泥彻底清除。
(2)目前，国内外膜的生产厂家及用户对给水微生物的控制尚没有具体指标，但测定反渗透系统各个环节的水中细菌总数，对预防和防止微生物污染具有实际意义。试验认为，当水中菌群数达到10000cfu/mL时，并视TBC的变化趋势及时采取杀菌措施，以避免在膜上发展成为生物膜。
(3)除常规的消毒杀菌外，可结合实际情况采用冲击性杀菌，高剂量膜前消毒，甲醛等溶液定期杀菌措施，以便有效地控制微生物的发展。
(4)发现微生物膜污染的征状(压差升高10%，产水量降低10%)，应及时采取清洗措施，不可延误，以免污染严重时难以处理。预处理系统清洗也应得到重视。
(5)不仅以地表水为水源的反渗透给水系统要重视预处理的消毒杀菌，而且以地下水作为原水，预处理的消毒杀菌也应给予足够的重视。