反滲透膜的微生物污染防治措施的探討

覃　娟　李　巍　邵嘉慧

（1上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院上海2002402上海助邦環(huán)境工程有限公司北京100101）

反滲透膜的微生物污染防治措施的探討

覃娟1李巍2邵嘉慧1

（1上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院上海2002402上海助邦環(huán)境工程有限公司北京100101）

反滲透技術(shù)在海水淡化、各類水處理及水回用方面有著廣泛的應(yīng)用，但膜污染嚴重影響其更廣泛的應(yīng)用。反滲透膜污染主要包括無機鹽結(jié)垢、有機物污染和微生物污染，其中微生物污染對膜的破壞性最為嚴重且最難控制。本文介紹了反滲透膜的微生物污染產(chǎn)生原因及防治措施，并對防治措施進行探討，最后預(yù)測了主要防治措施的應(yīng)用前景。

反滲透；微生物污染；生物吸附及抑制工藝；殺生劑；化學(xué)清洗

反滲透技術(shù)是主要的脫鹽技術(shù)，它具有脫鹽率高、無需酸堿、設(shè)備占地面積小、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，隨著技術(shù)日益成熟，在水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。反滲透技術(shù)能有效去除原水中的無機鹽、膠體、微生物和有機物等，而這些被截留在膜的濃水一側(cè)的污染物，在反滲透系統(tǒng)運行一段時間后，會造成無機鹽結(jié)垢、有機物污染和微生物污染等膜污染。膜污染不僅影響反滲透系統(tǒng)的正常運行，還會增加系統(tǒng)的運行費用，因此，需要采取有效的污染防治措施來降低膜污染，避免反滲透系統(tǒng)頻繁停機清洗。降低膜污染的措施包括預(yù)處理、膜清洗、膜表面改性、優(yōu)化組件結(jié)構(gòu)、微生物群體感應(yīng)控制[1~3]等。有關(guān)研究表明，微生物污染是造成反滲透水處理系統(tǒng)運行困難的重要原因[4]。因此，介紹膜的微生物污染及防治措施，并進行防治措施的探討，對防治反滲透膜污染的研究和應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

1　微生物污染產(chǎn)生原因

原水中的微生物往往附著在懸浮顆粒上，反滲透裝置經(jīng)過混凝、沉淀和過濾等預(yù)處理系統(tǒng)去除懸浮物、降低原水中的濁度的同時，也去除了大部分的微生物。然而，仍有少量微生物滯留在原水中，濾后水經(jīng)過反滲透裝置時，被反滲透膜截留下來的微生物會粘附在膜表面，消耗濃水中的營養(yǎng)物質(zhì)，大量繁殖，降低膜的通量，導(dǎo)致產(chǎn)品水產(chǎn)量和質(zhì)量下降。

2　微生物污染防治措施

反滲透膜的微生物污染可以通過合適的預(yù)處理方法得到有效的預(yù)防，但微生物污染到了一定程度之后仍需要通過化學(xué)清洗使膜的性能得到不同程度的恢復(fù)。

2.1預(yù)處理方法

預(yù)處理方法包括調(diào)整預(yù)處理系統(tǒng)和投加殺生劑。

2.1.1調(diào)整預(yù)處理系統(tǒng)

調(diào)整預(yù)處理系統(tǒng)包括增加微濾、超濾或納濾裝置、增設(shè)具有生物吸附及抑制功能的砂濾裝置、將傳統(tǒng)的過濾器改造成生物過濾器等。

將預(yù)處理系統(tǒng)中的濾池進行技術(shù)創(chuàng)新，使其具備生物濾池的功能，可同時有效防治反滲透膜的微生物污染問題。下面著重介紹德國BHU公司與德國EVONIK公司合作開發(fā)的BiosS-Treat技術(shù)，包括其原理、裝置及工程應(yīng)用實例。

BiosS-Treat技術(shù)是一種生物吸附及抑制工藝，具有適于微生物生長棲息、繁衍的穩(wěn)定環(huán)境，有利于微生物的生長繁殖，并能夠抑制微生物在反滲透膜表面大量繁殖，避免生物污堵。該技術(shù)具有特殊的過濾裝置形式、濾料、濾速、反沖洗程序及生物抑制劑，這些工藝特點能夠保證出水水質(zhì)符合設(shè)計要求。

BiosS-Treat過濾裝置的基本形式是V型濾池，濾料層厚度為1500mm~1800mm，與生物濾池要求的厚度基本一致；濾料粒徑為0.7mm~1.2mm，與常規(guī)V型濾池要求的粒徑基本一致。濾料由特殊礦物破碎而成，具有較高的比表面積與適當?shù)目障堵剩欣谏锬ば纬伞⒐讨欣诤醚蹙c空氣充分接觸，去除原水中的BOD、N、P等營養(yǎng)物質(zhì)。濾速為6m/h~8m/h，略低于常規(guī)V型濾池要求的濾速，較低的濾速有利于微生物在濾池內(nèi)生長繁殖。反沖洗基本模式可采用氣沖—氣水同時沖—水沖的程序，但沖洗強度、時間及頻率要避免濾池內(nèi)形成的生物膜被過多的洗掉，影響新的生物膜充分發(fā)揮其凈化功能。生物抑制劑投加在濾池后，通過濾池的部分微生物在生物抑制劑的抑制作用下，在缺乏營養(yǎng)物質(zhì)的環(huán)境中不易在反滲透膜表面形成生物污堵，從而在濃水一側(cè)被去除。

BiosS-Treat技術(shù)的工程實例：

（1）某電力公司的制水廠，原水為海水，為余熱鍋爐提供軟化水，采用的凈水工藝流程為格柵除渣—過濾—2級反滲透—電脫鹽，采用常規(guī)手段防止反滲透系統(tǒng)產(chǎn)生生物污堵，每年反滲透系統(tǒng)的化學(xué)清洗次數(shù)約8次。應(yīng)用BiosS-Treat技術(shù)后，節(jié)約運行成本45%。

（2）某煉油廠的脫鹽水站，原水為河水，采用的凈水工藝流程為混凝—沉淀—超濾—反滲透—離子交換—除氧，應(yīng)用BiosSTreat技術(shù)的前后運行狀況對比如表1所示。

表1　運行狀況對比

由表1可知，應(yīng)用BiosS-Treat技術(shù)前，采用常規(guī)手段防止反滲透系統(tǒng)產(chǎn)生生物污堵，每年反滲透系統(tǒng)的化學(xué)清洗次數(shù)約17次，保安過濾器更換頻繁，反滲透膜使用壽命短。采用BiosS-Treat技術(shù)后每年反滲透系統(tǒng)的化學(xué)清洗次數(shù)約1次，保安過濾器更換次數(shù)少了很多，反滲透膜使用壽命變長，節(jié)約運行成本70%。

2.1.2投加殺生劑

殺生劑分為氧化型殺生劑和非氧化型殺生劑。殺生劑投加方式可分為連續(xù)性和沖擊式，連續(xù)性殺生一般投加的是氧化型殺生劑或高劑量的亞硫酸氫鈉，沖擊式殺生的殺生劑可選用亞硫酸氫鈉，也可選用非氧化型殺生劑。

氧化型殺生劑主要有次氯酸鈉、無機溴化物、液氯、有機氯、臭氧等。氧化型殺生劑通過氧化等多種途徑對微生物產(chǎn)生滅活作用。反滲透膜材質(zhì)多為聚酰胺復(fù)合膜，為避免強氧化型殺生劑對反滲透膜及元件的損壞作用，還需向原水中投加還原劑（如亞硫酸氫鈉）來與氧化型殺生劑進行反應(yīng)。中國石化燕山分公司[5]東區(qū)污水回用裝置，采用超濾與反滲透技術(shù)處理牛口峪污水處理場氧化溝出水，反滲透系統(tǒng)受到微生物污染，運行初期，清洗周期不到20d。為控制微生物污染，投加殺生劑試驗步驟如表2所示，結(jié)果表明，第四步驟的殺菌效果明顯，反滲透系統(tǒng)的清洗周期延長到35d。

表2　殺生劑投加試驗

非氧化型殺生劑主要有2,2-二溴-3-氰基丙酰胺等DPNBA系列、二甲基二硫代氨基甲酸鈉、異噻唑啉酮（Kathon）及其衍生物、EDTA鈉鹽、十二烷基苯磺酸鈉等。京豐熱電廠[6]采用的循環(huán)冷卻水排污水處理流程為過濾—超濾—反滲透，采用專用的非氧化型殺生劑，控制反滲透膜微生物污染問題。

2.2反滲透膜的化學(xué)清洗

反滲透系統(tǒng)運行一段時間后，仍會面臨微生物污染問題，為了恢復(fù)系統(tǒng)性能，需對反滲透系統(tǒng)進行化學(xué)清洗。化學(xué)清洗劑主要有EDTA鈉鹽、甲醛、戊二醛、十二烷基苯磺酸鈉、乙二胺四乙酸鈉等。

中國長城鋁業(yè)公司熱力廠鍋爐補充水系統(tǒng)[7]采用的殺滅微生物的化學(xué)清洗方案為0.2%的EDTA二鈉鹽，加0.1%的氫氧化鈉將溶液調(diào)節(jié)pH值至12，對反滲透系統(tǒng)進行化學(xué)清洗，再用0.1%的甲醛溶液進行清洗，再經(jīng)過有機物污染、無機鹽結(jié)垢的化學(xué)清洗程序后，反滲透系統(tǒng)性能恢復(fù)到運行初期水平。

某電廠[8]使用1%的EDTA四鈉鹽與0.05%的十二烷基苯磺酸鈉，加堿調(diào)節(jié)pH值至12左右，對反滲透系統(tǒng)進行循環(huán)清洗，然后經(jīng)過較長時間的浸泡，能夠有效清除反滲透膜的有機物及微生物污染。

3　微生物污染防治措施探討

以BiosS-Treat技術(shù)為代表的生物吸附及抑制工藝與傳統(tǒng)的預(yù)防反滲透微生物污染的手段不同，它不是建立在殺死微生物的基礎(chǔ)上，而是在濾池內(nèi)建立一個適合微生物生長繁殖的理想環(huán)境，不需要投加氧化型殺生劑來滅活微生物，因而也不需要投加還原劑來還原氧化型殺生劑，能有效防止反滲透膜頻繁的化學(xué)清洗，節(jié)約運行成本。

氧化型殺生劑具有殺生能力強、殺生作用快、藥劑持續(xù)時間長、pH值適用范圍廣的優(yōu)點，缺點是氯消毒對反滲透膜有破壞作用，還需投加還原劑或設(shè)置活性炭過濾器來消除它的破壞作用。設(shè)置活性炭過濾器后，保安過濾器和反滲透裝置雖沒有余氯，但又會導(dǎo)致比較嚴重的微生物污染問題，還需要在保安濾池后投加非氧化型殺生劑，運行費用高。專用的非氧化型殺生劑具有殺生能力強、使用方便、毒性小等優(yōu)點，對反滲透膜沒有破壞作用，缺點是價格昂貴。

反滲透膜的化學(xué)清洗可以恢復(fù)比較高的膜通量，仍有污染物殘留在膜表面，造成反滲透膜不可逆轉(zhuǎn)的損傷，且操作不當或不及時，仍會導(dǎo)致膜元件遭受損壞，很難完全恢復(fù)系統(tǒng)性能，頻繁的化學(xué)清洗會還會嚴重縮短反滲透膜的使用壽命，導(dǎo)致脫鹽處理費用增加。

4　微生物污染防治措施展望

反滲透膜的化學(xué)清洗屬于末端治理手段，是在微生物污染預(yù)處理系統(tǒng)選擇不當或在長期的運行中使用的恢復(fù)反滲透系統(tǒng)性能的措施，應(yīng)盡量避免進行頻繁的化學(xué)清洗，延長反滲透膜的使用壽命。在實際應(yīng)用中，盡可能加強預(yù)處理來降低反滲透膜的微生物污染。預(yù)處理措施中，投加殺生劑仍是預(yù)防微生物污染的主要措施。非氧化型殺生劑成本降低后，將逐步取代氧化型殺生劑，成為聚酰胺復(fù)合膜的主要殺生劑，而氧化型殺生劑與非氧化型殺生劑的綜合應(yīng)用將是主要的殺生劑投加方式。隨著人們認識的提高，生物吸附及抑制工藝的工程應(yīng)用呈快速增長趨勢，有望成為主要的防治反滲透膜的微生物污染的技術(shù)措施。

[1]李毓亮,金焱,張興文.反滲透膜污染過程與膜清洗的試驗研究.水處理技術(shù),2010,36(3):46-48.

[2]姜寶鑫,楊慶峰.反滲透膜生物污染的研究進展.化工進展, 2010,29(8):1554-1560.

[3]鄭猛,吳青蕓,周浩媛,等.海水淡化反滲透膜微生物污染及防控研究進展.膜科學(xué)與技術(shù),2015,35(1):123-130.

[4]李進,張葆宗.反滲透水處理系統(tǒng)微生物污染特性分析及對策.工業(yè)水處理,2000,20(5):10-12.

[5]趙輝.石化污水回用中反滲透膜的微生物污染.化工環(huán)保, 2009,29:123-125.

[6]梁建瑞.超濾-反滲透膜組合工藝處理電廠循環(huán)排污水.水處理技術(shù),2006,32(6):79-81.

[7]何建軍.反滲透系統(tǒng)的污染及清洗.水處理技術(shù),2002,28(5):299-301.

[8]周波.循環(huán)排污水回用作鍋爐補給水系統(tǒng)的優(yōu)化運行.火電行業(yè)化學(xué)專業(yè)技術(shù)交流會,2013:225-228.