反滲透膜生物污染的影響因素及控制措施

邵 娜

（安陽鋼鐵集團有限責任公司，河南 安陽 455004）

反滲透膜作為一種通過人工半透膜來分離水分與其他物質的技術手段，具有工藝簡單、易于操作、處理能耗低的顯著優勢，已在污水處理、海水淡化、食品加工等領域中得到了廣泛應用，同時也發揮著十分重要的作用。然而，在反滲透膜系統的運行期間，卻時常出現生物污染問題，造成膜系統使用壽命有所減短。這對于該技術的應用效果產生了明顯影響。因此，對于如何妥善解決反滲透膜的生物污染問題，且盡量降低污染問題具有重要意義。

1 反滲透膜生物污染概述

1.1 反滲透膜技術原理

反滲透膜屬于一類仿制生物半透膜打造的人工半透膜，其技術原理是控制待處理的污水或溶液以較高速度穿過反滲透膜，且憑借膜材較小孔徑，攔截污水和溶液中夾雜的有機物、溶解鹽類、微生物等物質，從而實現污水處理和溶液過濾凈化目的。

1.2 生物污染問題

反滲透膜的生物污染問題主要表現為，膜材表面因吸附微生物而發生大面積堵塞，主要原因是微生物在繁殖過程中，會持續分泌EPS胞外聚合物，如果膜材表面附著的微生物未得到有效清除，經過一段時間后，將會在膜材表面形成一層保護型菌膜，并在菌膜厚度達到相應標準后，導致反滲透膜材報廢，使其無法繼續使用。

1.3 反滲透膜的污染危害

在反滲透膜處理系統運行期間，如果出現生物污染問題，會干擾系統運行、損害膜材，進而會引發產水量下降、電耗與水耗增加、出水水質下降等一系列的問題出現。其中，干擾系統運行的危害在于，隨著微生物在膜材表面的生長繁殖，會持續堵塞膜孔道，導致實際水通量持續降低，并造成膜材兩側的有效壓差減小、增大膜外濃差極化的后果，從而使反滲透膜系統的運行效果無法達到預期要求，這樣既降低了系統的處理能力，又加大了實際的運行成本。而損害膜材的危害在于，微生物在繁殖過程中會持續破壞膜材的內部結構，且施加了侵蝕作用力，使膜材遭到嚴重侵蝕；或是在膜材表面形成過厚的保護型菌膜層后，系統將無法繼續使用，最終導致膜材的實際使用壽命遠低于預期。需要注意的是，在使用醋酸纖維素膜作為反滲透膜時，膜材遭到生物污染的受損程度最為嚴重。

2 反滲透膜生物污染的主要影響因素

2.1 微生物自身的特性

在反滲透膜處理系統的運行期間，所處理的海水、溶液與污水中普遍含有較多種類的污染物，主要包括孢子、藻類、真菌等。而微生物混雜在水體中，在壓力差的作用下會形成向前的推動力，從而推動水體穿過反滲透膜，同時，在膜材孔道上截流污染物或特定物質。因此，在實際的系統運行過程中，要定期清除攔截物質和膜材表面附著物，以延長膜材的使用壽命，使其始終保持高水準的處理效果。

但從系統的實際運行情況來看，真菌、細菌等微生物受到靜電吸附、自身沉降特性、疏水特性等多方面因素影響，會大量地粘附在膜材表面，并且從所處理的水體中攝取生長所需的營養物質，然后在膜材表面生長繁殖，持續分泌EPS胞外聚合物堵塞膜材孔道，最終造成反滲透膜的生物污染。通常情況下，粘附的微生物數量越多、時間越長，則反滲透膜生物污染的程度越重。以靜電吸附因素為例，在所處理的溶液與污水的pH值都大于兩性離子pl等電子值時，將由兩性離子持續釋放質子帶負電，并在細菌表面形成負電荷，但負電荷數量和粘附力保持反比關系，如在細菌表面的負電荷數量較少時，會形成強大的粘附力，會把細菌牢牢粘附在膜材表面[1]。

2.2 反滲透膜表面特性

反滲透膜的表面具有親疏水性、膜電位和粗糙度的特性，這類表面特性與微生物附著的情況有密切關系，當所處理的溶液、污水穿過反滲透膜時，受到膜材表面特性的影響，水體中分布的微生物更容易粘附在膜材表面，從而造成生物污染。反滲透膜表面特性的影響機理如下。

2.2.1 親疏水性

膜材親疏水性一直被視為影響微生物吸附效果的核心因素，主要表現在膜材親疏水性越強，則微生物吸附的數量越多，且反滲透膜生物污染的速度越快。而對于膜材親疏水性的問題，可普遍采取膜材表面涂覆、化學接枝等控制措施，這在一定程度上會起到延緩膜材生物污染的速度，以及降低膜表面吸附細菌濃度的作用，但實際效果有限，還是會對膜材造成一定傷害[2]。

2.2.2 膜電位

在反滲透膜系統的運行期間，受到膜材、微生物二者靜電作用的影響，在膜材表面會生成靜電雙層，可起到阻礙細菌粘附膜材表面的作用，但實際的阻礙效果取決于膜表面的電位值。當膜材表面為正電位時，細胞粘附數量明顯增多，但細胞活性會隨之降低；當膜材表面為負電位時，細胞粘附數量會明顯減少，但細胞活性有所提高。

2.2.3 粗糙度

由于反滲透膜具有粗糙表面的特性，所以，在膜材表面會形成若干類似“山谷”的形狀。而這類山谷的尺寸略大于分子顆粒，是微生物粘附膜材表面的前提條件，避免了分子物質受到流體剪切力等外部作用力的影響而脫離膜材，導致其在各處“山谷”內生長繁衍，出現了不可逆的微生物吸附膜材現象。

2.3 進水溶液組分

根據實際應用情況來看，反滲透膜吸附點位存在一定數量限制，且在處理不同組分的污水、溶液時生物污染的速度、微生物粘附情況存在明顯差異，所以可確定進水溶液組分是反滲透膜生物污染的一項重要影響因素。

根據相關試驗結果顯示，當進水溶液的離子強度達到100 mmol/L，且在進水溶液穿過反滲透膜時，明顯改變了膜材表面的藻酸鹽沉積層結構，其空間位阻值有所減小，因此，在膜材表面會粘附較多數量的微生物。而當進水溶液組分中分布著無機磷時，就會對反滲透膜生物污染的程度造成明顯影響，如在無機磷濃度較低時，可以促使細胞膜表面分布的LapA粘附素自溶，起到了解離細菌、保持細菌游離狀態的作用，從而有效延緩了反滲透膜生物污染的速度[3]。

2.4 操作條件

通常，微生物的生長繁衍，離不開適宜、穩定的外部環境。就目前來看，在反滲透膜系統的運行期間，由于相關工作人員缺乏生物污染防治意識，所以，設定的操作溫度、清洗溫度、清洗pH值的范圍、典型操作壓力等參數缺乏合理性，沒有形成有效控制生物污染程度的操作環境，導致微生物大量粘附在膜材表面，且還從進水溶液中持續攝取生長繁殖所需的物質，進而會在短時間內于膜材表面形成生物膜層。

3 反滲透膜生物污染的有效控制措施

3.1 對進水進行預處理

進水溶液是反滲透膜處理系統中微生物的主要來源，如果沒有從源頭上控制微生物數量，將無法有效延緩膜材生物污染的速度，也會對其他控制措施的實際效果造成明顯影響。對此，必須在反滲透膜系統的運行期間設置進水預處理步驟，以消滅進水溶液中的絕大多數微生物，同時，也將微生物的數量和活性控制在可接受范圍內，具體方式可采取投加氧化性殺菌劑、投加LAE月桂酰精氨酸乙酯、投加抑菌劑三項措施。

3.1.1 投加氧化性殺菌劑

在實際的處理過程中，可將含氯化合物、過氧化物等作為氧化性殺菌劑，因為這類化合物具有很好的殺菌效果，可以快速滅殺進水溶液中的微生物，而且，還不會對進水溶液造成明顯污染。一般情況下，在反滲透膜處理系統中，主要是使用活性氯，該物質在遇水后會逐漸生成分子狀態的次氯化酸，會通過穿透微生物細胞膜、破壞細胞壁的方式使微生物喪失活性，最終實現殺菌的目的。但在使用氧化性殺菌劑的過程中，也會對反滲透膜材造成一定程度的影響，導致膜元件出現氧化的現象，因此，工作人員就要額外的投放亞硫酸氫鈉、硫酸氫鈉等作為還原劑，避免余氯破壞膜結構或是出現膜元件氧化問題。需要注意的是，要根據進水溶液余氯的檢測結果來調節還原劑的用量[4]。

3.1.2 投加LAE月桂酰精氨酸乙酯

LAE本身屬于一種防腐劑，在反滲透膜系統中投放LAE后，可以在不改變膜材性能與結構的前提下，有效去除膜材表面已成型的生物膜，并抑制微生物的生長。然而，LAE殺菌劑的使用成本較為高昂，且在使用期間會因靜電的相互作用而形成有機污染物，所以，當前僅在少數反滲透膜處理系統中進行了小規模應用，但可作為一種備選殺菌劑[5]。

3.1.3 投加抑菌劑

根據反滲透膜處理系統的實際運行情況來看，盡管已提前在進水溶液中投放了殺菌劑，但仍無法完全去除全部的微生物，還是會存在反滲透膜生物污染的可能性。對此，相關工作人員需定期在產水口處采集水樣進行化驗，如果進水溶液中的微生物數量較多，或是反滲透膜系統已遭到生物污染，就要在進水口內投加適量的抑菌劑，用于抑制微生物的活性。一般情況下，可選用異噻唑啉酮作為抑菌劑，這類抑菌劑是采取斷開細菌蛋白鍵的方式來抑制細菌生長，還可以有效擊穿膜材表面、水箱表面等處生物粘液膜下的微生物，抑菌效果極為顯著。

3.2 反滲透膜表面改性

3.2.1 改善抗菌體粘附特性

在反滲透膜處理系統的運行過程中，為了預防微生物大面積粘附在膜材表面，需重點改善膜材的抗菌體粘附特性，具體可方式從減小膜材表面粗糙度、加大負電荷密度、改善膜材親水性三方面著手。當前，在部分反滲透膜處理系統中，選擇在膜材表面覆蓋多巴胺涂層和兩性離子多聚物的方法，效果顯著。其中，對于多巴胺涂層的覆蓋，主要是憑借多巴胺的親水特性，使其在膜材表面形成一種較為穩定且具備親水屬性的涂層結構。而對于兩性離子多聚物的覆蓋，主要是由于兩性離子的本質是屬于一種同時帶有正電、負電官能團，既會起到抑制細菌與蛋白附著反滲透膜表面的作用，還會起到提高膜材脫鹽率、恢復污染膜材水通量等額外效果。此外，對于改善膜材抗菌體的粘附特性，雖然在初期可以有效抑制微生物粘附在膜材表面，但卻無法防止微生物后期生長繁殖的局面，且不會對細菌活性造成影響，因此，隨著時間的推移，仍然會出現微生物粘附、細菌沉積的現象，但可搭配其他措施進行控制。

3.2.2 強化殺菌特性

目前，在反滲透膜處理系統中，主要是使用納米銀顆粒來修飾膜材表面。在實際應用中，當微生物與膜材表面的納米銀顆粒接觸時，會起到促使細菌失去活性、抑制微生物生長等多重作用，最終實現消滅細菌目的。然而，根據實際應用情況來看，使用納米銀顆粒雖然可以取得良好的滅菌效果，延緩反滲透膜生物污染的速度，但殺菌范圍僅局限在膜材表面周邊，且膜材上的其他污染物還會影響到實際殺菌效果。

對此，可選擇在膜材表面修飾Ca(OH)2、Cu(OH)2等其他無機殺菌劑，以進一步改善殺菌效果。例如，可使用Cu(OH)2，這類殺菌劑的溶解性較差，可以穩定吸附在膜材表面，起到提高膜材負電荷密度、改善膜材親水性等多重作用，從而使膜材表面兼具殺菌、抗菌體粘附兩項功能，而且，也不會在系統運行期間產生大幅降低脫鹽率與膜通量的負面影響。同時，這類殺菌劑還可以通過物理方式吸附在膜材表面，但在系統長時間的運行期間，可能會對殺菌劑的穩定狀態、吸附效果造成一定程度的影響，因此，需要定期檢查膜材表面情況，必要時可重新在膜材上吸附Cu（OH）2殺菌劑[6]。

3.3 清洗反滲透膜

在反滲透膜處理系統的運行期間，為了延緩反滲透膜的使用壽命，去除膜材表面粘附的微生物和已成型的生物膜，需要定期開展反滲透膜清洗作業，可采取物理清洗或是化學清洗方法。第一，物理清洗是把空氣與水混合后高壓沖刷膜材表面，多次重復沖刷以去除表面已成型的生物膜，這種方法有著清洗效果溫和、不會損壞膜材結構的優點，但實際清洗效果有限，很難完全去除膜材表面粘附的微生物。第二，化學清洗是使用特定藥物來沖洗膜材，可先后使用低pH值與高pH值的藥劑來清除水垢、有機物，再使用螯合劑清除生物雜質，這就要求相關工作人員要合理選用清洗藥劑、嚴格把控清洗順序、優先使用侵蝕性較小的藥劑，并在投加下一種溶液前排盡上一次清洗液。此外，還需要根據系統的實際運行情況來設定清洗間隔時間、選擇清洗藥劑，并在反滲透膜系統處于停用狀態時制定、實施專項的清洗方案。例如，當反滲透膜系統停用時間在一周內時，相關工作人員就要每隔24 h開展一次清洗作業；或每隔48 h清洗一次，這時可選用2%濃度的甲醛溶液作為清洗液，但要把單次清洗時間控制在15 min左右[7]。

4 結語

綜上所述，生物污染是反滲透膜技術在應用期間亟待解決的一項重要問題，因其污染防治處理效果會直接影響系統的運行狀態，也關乎到膜材的使用壽命和系統運行成本。因此，相關企業與工作人員必須要提高對反滲透膜生物污染問題的重視程度，要掌握生物污染的核心影響因素，了解問題本質，并有針對性地落實進水預處理、反滲透膜表面改性、反滲透膜清洗三項控制措施，從而為反滲透膜技術的應用推廣奠定堅實基礎。