微生物本身对超滤膜污染的影响因素研究
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城镇给排水
微生物本身对超滤膜污染的影响因素研究
Fra Baidu bibliotek高 伟
1
梁 恒
2
李圭白
1， 2
（ 1 哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室， 150090 2 城市水资源开发利用（ 北方） 国家工程研究中心， 150090
哈尔滨；
哈尔滨）
摘要 为了研究微生 物 本 身 对 超 滤膜 污 染 的 影响 因 素 及 其 污 染 的可 逆 性， 系统考 察 了 进 水 浓 pH、 度、 离子强度、 钙离子浓度等溶液组成对微生物 本 身造 成超 滤膜 污 染 的 影响， 并 分析了 膜 污 染 层 分布对膜比通量下降的贡献度。结果表明， 随着进水浓度的升高， 膜 的可 逆 和 不 可 逆 污 染 明 显 加 重， 当微生物浓度超过 50 mg / L 时开始出现不可逆膜污染; 钙离子的存在 可 能 是 通过 架桥 作 用 增 大了 微 生物在膜表面的沉积， 从而形成不可逆污染层， 进 而 加 重 膜 污 染; 碱 性 条件 ( pH 为 10 ) 会 加 重 浓 差极 化层对膜比通量下降的贡献， 而酸性条件 ( pH 为 4 ) 则加重不可逆污染层的贡献; 离子强度的增大通 但其对不可逆污染层的控制不利。 过对可逆污染层的控制减缓了膜污染， 关键词 微生物 超滤膜 生物污染 可逆性 溶液环境
［2 ， 3 ］ ， 微生物污染领域 其次， 对低压膜系统 （ 如膜生 物反应器） 中膜生物污染的影响因素研究主要集中
并 验过程中压力保持不变； 超滤膜出水进入锥形瓶， ， 用带有自动采集质量软件的电子天平进行称量 进 而通过比通量的变化趋势反应膜污染， 超滤膜过滤 过程中的比通量根据式（ 1 ） 获得。 比通量 = Flux v Flux0 （ 1）
留相对分子质量为 100 000 ， 直径 76 mm。新膜在使 用之前， 均用超纯水浸泡 3 次， 每次 2 h 以上； 并过 滤超纯水 2 L 以上保证新膜表面的保护剂被彻底洗 净且新膜被压实。 1． 2 微生物 干酵母常用来做细菌沉积、 黏附试验的模拟物。 本试验选取干酵母作为膜生物污染中的模拟污染 物， 酵母菌购自宜昌市安琪酵母公司 ， 酵母平均粒径 约为 4． 7 μm。微生物溶液在过滤试验开始前按质 量浓度直接配置， 所有药剂均为分析纯。 污染液的 pH 通过 0． 1 M 离子强度通过氯化钠的浓度来控制 ， 的盐酸和 0． 1 M 的氢氧化钠来调节， 钙离子浓度通 过氯化钙的浓度来控制。 1． 3 膜污染试验与评价 本试验中， 用超滤杯 （ Amicon 8400 ，美国 ） 直接 过滤方式为死端模 过滤配置好的微生物污染溶液， 式。采用恒压过滤法， 通过精密压力表控制氮气瓶 的出口压力， 从而控制超滤膜进水端的压力， 过滤试 116
佛山市院市合作项目（ 2011BY100291 ） ； 禅城区产学研项目 （ 2011B1031 ） 。
现固液分离， 将水体中的固体颗粒、 细菌、 病毒等污 ［1 ］ 染物彻底截留 。 但无论是饮用水生产， 还是城镇 污水处理， 在截留污染物的同时产生的膜污染依然 是影响膜系统运行管理的主要因素 。 从膜的污染物种类角度区分， 膜污染包括无机
［7 ］ 高 3 倍， 膜污染会增长约 9 倍。 但 Ye 在研究酵母 800 mg / L 和 1 450 mg / L ） 对微滤膜 浓度（ 300 mg / L，
污染的研究中， 发现在膜表面有较薄的微生物滤饼层 存在， 但膜污染却几乎为零。分析认为， 可能是由于
在 Ye 的研究中， 其过滤方式为错流过滤， 由于酵母细 ， 菌为颗粒状 因此错流过滤中错流速率所引起的剪切 力将沉积在膜表面的酵母滤饼层去除， 而剩下的薄滤 滤饼层结构的不同而引起较小的 饼层则由于孔隙率、 膜阻力。本试验由于是死端过滤方式， 且使用较小孔 径的超滤膜， 因此在膜表面易形成较密的滤饼层， 进而 随着微生物浓度的升高， 造成更严重的膜通量下降。
如胞外聚合物 （ EPS ） 、 溶解性 在对微生物代谢产物， ［4 ， 5 ］ ， 微生物产物 （ SMP ） 等的研究 而非微生物本身 对膜直接引起的膜污染。 总之， 当前对于微生物本 身所造成超滤膜污染的影响因素的研究较少 。 不同于普通颗粒物膜污染的是， 微生物本身在 膜表面的积累不仅会造成膜通量下降， 其浓度还会 随着时间的增长而增大 （ 繁殖、 扩增等 ） ， 因此研究 微生物本身在超滤膜表面的积累对膜系统的正常运 行管理非常重要。本文系统考察了溶液化学环境对 微生物本身所造成超滤膜污染的影响， 以期为超滤 膜生物污染的研究与控制提供一定的理论支持 。 1 1． 1 材料与方法 超滤膜 采取 Millipore 生产的平板型聚醚砜超滤膜， 截
— —过滤过程中过滤体积 V 时的膜通量； 式中 Flux v — Flux0 — — —过滤初始阶段的膜通量。 由于每片超滤膜的初始膜通量 F0 （ 纯水 ） 一致， 将膜过滤 400 mL 污染物溶液结束时的通量称为膜 过滤 50 mL 超纯水测试超滤膜污染 的末端通量 F1 ， 后清洗前的纯水通量 F2 ， 随后用 50 mL 超纯水对超 并测试其反洗后的纯水通量 F3 。 在 滤膜进行反洗， 此过程中， 将膜污染分为浓差极化层、 可逆污染层、 不可逆污染层， 三者对膜比通量下降的贡献度分别 通过式（ 2 ） ～ 式（ 4 ） 获得。 浓差极化层的贡献 = （ F2 － F1 ） / F0 可逆污染层的贡献 = （ F3 － F2 ） / F0 可逆污染层的贡献 = （ F3 － F2 ） / F0 2 2． 1 结果与讨论 进水浓度的影响 不同的水源水中， 如地表水、 城镇污水、 咸水等 （ 2） （ 3） （ 4）
Impact factors on ultrafiltration membrane fouling by microbial particles
2 Gao Wei1 ， Liang Heng2 ， Li Guibai1，
（ 1． State Key Laboratory of Urban Water Resources and Environments，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China； 2． National Engineering Research Center of Urban Water Resources，Harbin 150090，China） Abstract： To systematically study the impact factors on ultrafiltration （ UF ） membrane fouling by miionic strength and Ca2 + concentration on initial UF crobial particles，the effects of feed concentration，pH， membrane fouling were investigated，and the reversibility of membrane fouling under various conditions was also analyzed． It was found that both reversible and irreversible fouling increased while increasing the feed concentration and irreversible fouling appeared when feed concentration exceeded 50 mg / L． Calcium might bring more severe irreversible fouling by bridging effect； the alkaline environment （ pH = 10） increased concentration polarization effect，while the acid environment （ pH = 4 ） increased irreversible fouling layer． Inbut it would have detrimental influence on creasing ionic strength could slow down the membrane fouling rate， the irreversible fouling layer． Keywords： Microbes； Ultrafiltration membrane； Biological fouling； Reversibility； Solution environment 超滤膜技术在水处理领域的研究与应用越来越 广， 其主要优点是能够通过物理截留作用高效地实
［9 ］
图1
进水微生物浓度对超滤膜初期膜污染的影响
（ pH 7． 5 ； 温度 20 ℃ ； 离子强度 10 mM； 压力 40 kPa）
对不同浓度微生物污染下的膜污染进行了阻力分 由图 2 可以看出， 随着进水微生物浓度的升高， 浓 析， 差极化层所带来的膜污染有增大的趋势。不难理解， 反应器内污染物浓度增大， 进入浓差极化层的污染物 自然也会增加， 从而增大了浓差极化层的厚度， 进而带 来更 大 的 浓 差 极 化 层 污 染。 当 微 生 物 浓 度 超 过 50 mg / L时， 超滤膜开始出现不可逆膜污染， 且随着浓 度的增大， 不可逆污染层对比通量下降的贡献增加。
主要考察了钙离子的存在对微 膜生物污染的影响， ， 生物代谢产物 尤其是钙离子的存在对多糖类物质 、 蛋白质类物质等污染物浓度、 性质的影响。 但微生 鲜有报道研 物作为膜生物反应器中的主要存在物， 究钙离子对微生物本身引起膜污染的影响 。 在相同离子强度的背景条件下， 考察了钙离子 浓度的变化对微生物本身引起超滤膜初期污染的影 响， 结果如图 3 所示。由图 3 可知， 随着钙离子浓度 微生物本身所引起的膜比通量分别下降了 的升高， 61． 4% （ 钙离子强度 0 mM ） 、 52． 3% （ 钙 离 子 强 度 1 mM） 、 33． 3% （ 钙离子强度 2 mM） 和 44． 3% （ 钙离 ［8 ］ 子强度 3． 33 mM ） 。 Kim 等 研究表明较高浓度的 钙离子有益于膜污染的缓解， 因其能够降低丝状菌 的浓度、 增强絮凝作用并增加膜生物反应器中胞外 认为钙离子在膜生物 反应器中的投加增大了反应器中的颗粒粒径 、 降低 聚合物的疏水性。 Zhang 等
给水排水 Vol． 39 No． 5 2013
可能含有不同浓度的微生物， 在超滤膜系统设计时， 微生物的浓度对超滤膜技术的评价具有较重要的意 义。图 1 给出了进水微生物浓度对超滤膜初期生物 污染的影响， 所考察的 微 生 物 浓 度 范 围 为 1 ～ 100 mg / L。微生物造成膜污染包括迁移、 黏附、 分泌代 、 。 ， 谢产物 生长等步骤 显然 微生物浓度越高， 其在 膜表面沉积黏附的几率越大， 微生物因此会造成较 10 mg / L、 25 mg / L、 50 mg / L 重的膜污染， 在 1 mg / L、 和 100 mg / L 酵母浓度的条件下， 膜比通量分别下降 78． 1% 、 61． 4% 、 41． 7% 和 至初始膜通量的 87． 8% 、 34． 1% 。此外， Lee 等的研究表明［6］， 在应用于水处 MLSS 浓度与微生物 理的微滤膜膜生物反应器中， 浓度有直接的相关性， 且该研究认为 MLSS 浓度升
给水排水 Vol． 39 No． 5 2013
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物污染、 有机物污染和生物污染等。 对无机物污染 和有机物污染影响因素的研究较多， 但关于膜生物 污染的研究则较少。超滤膜系统中的生物污染包括 微生物所分泌的代 微生物本身造成的膜通量下降、 谢产物对膜的污染， 然而， 首先几乎所有关于膜生物 污染的研究均集中在反渗透膜、 纳滤膜等高压膜的
微生物本身对超滤膜污染的影响因素研究
Fra Baidu bibliotek高 伟
1
梁 恒
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李圭白
1， 2
（ 1 哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室， 150090 2 城市水资源开发利用（ 北方） 国家工程研究中心， 150090
哈尔滨；
哈尔滨）
摘要 为了研究微生 物 本 身 对 超 滤膜 污 染 的 影响 因 素 及 其 污 染 的可 逆 性， 系统考 察 了 进 水 浓 pH、 度、 离子强度、 钙离子浓度等溶液组成对微生物 本 身造 成超 滤膜 污 染 的 影响， 并 分析了 膜 污 染 层 分布对膜比通量下降的贡献度。结果表明， 随着进水浓度的升高， 膜 的可 逆 和 不 可 逆 污 染 明 显 加 重， 当微生物浓度超过 50 mg / L 时开始出现不可逆膜污染; 钙离子的存在 可 能 是 通过 架桥 作 用 增 大了 微 生物在膜表面的沉积， 从而形成不可逆污染层， 进 而 加 重 膜 污 染; 碱 性 条件 ( pH 为 10 ) 会 加 重 浓 差极 化层对膜比通量下降的贡献， 而酸性条件 ( pH 为 4 ) 则加重不可逆污染层的贡献; 离子强度的增大通 但其对不可逆污染层的控制不利。 过对可逆污染层的控制减缓了膜污染， 关键词 微生物 超滤膜 生物污染 可逆性 溶液环境
［2 ， 3 ］ ， 微生物污染领域 其次， 对低压膜系统 （ 如膜生 物反应器） 中膜生物污染的影响因素研究主要集中
并 验过程中压力保持不变； 超滤膜出水进入锥形瓶， ， 用带有自动采集质量软件的电子天平进行称量 进 而通过比通量的变化趋势反应膜污染， 超滤膜过滤 过程中的比通量根据式（ 1 ） 获得。 比通量 = Flux v Flux0 （ 1）
留相对分子质量为 100 000 ， 直径 76 mm。新膜在使 用之前， 均用超纯水浸泡 3 次， 每次 2 h 以上； 并过 滤超纯水 2 L 以上保证新膜表面的保护剂被彻底洗 净且新膜被压实。 1． 2 微生物 干酵母常用来做细菌沉积、 黏附试验的模拟物。 本试验选取干酵母作为膜生物污染中的模拟污染 物， 酵母菌购自宜昌市安琪酵母公司 ， 酵母平均粒径 约为 4． 7 μm。微生物溶液在过滤试验开始前按质 量浓度直接配置， 所有药剂均为分析纯。 污染液的 pH 通过 0． 1 M 离子强度通过氯化钠的浓度来控制 ， 的盐酸和 0． 1 M 的氢氧化钠来调节， 钙离子浓度通 过氯化钙的浓度来控制。 1． 3 膜污染试验与评价 本试验中， 用超滤杯 （ Amicon 8400 ，美国 ） 直接 过滤方式为死端模 过滤配置好的微生物污染溶液， 式。采用恒压过滤法， 通过精密压力表控制氮气瓶 的出口压力， 从而控制超滤膜进水端的压力， 过滤试 116
佛山市院市合作项目（ 2011BY100291 ） ； 禅城区产学研项目 （ 2011B1031 ） 。
现固液分离， 将水体中的固体颗粒、 细菌、 病毒等污 ［1 ］ 染物彻底截留 。 但无论是饮用水生产， 还是城镇 污水处理， 在截留污染物的同时产生的膜污染依然 是影响膜系统运行管理的主要因素 。 从膜的污染物种类角度区分， 膜污染包括无机
［7 ］ 高 3 倍， 膜污染会增长约 9 倍。 但 Ye 在研究酵母 800 mg / L 和 1 450 mg / L ） 对微滤膜 浓度（ 300 mg / L，
污染的研究中， 发现在膜表面有较薄的微生物滤饼层 存在， 但膜污染却几乎为零。分析认为， 可能是由于
在 Ye 的研究中， 其过滤方式为错流过滤， 由于酵母细 ， 菌为颗粒状 因此错流过滤中错流速率所引起的剪切 力将沉积在膜表面的酵母滤饼层去除， 而剩下的薄滤 滤饼层结构的不同而引起较小的 饼层则由于孔隙率、 膜阻力。本试验由于是死端过滤方式， 且使用较小孔 径的超滤膜， 因此在膜表面易形成较密的滤饼层， 进而 随着微生物浓度的升高， 造成更严重的膜通量下降。
如胞外聚合物 （ EPS ） 、 溶解性 在对微生物代谢产物， ［4 ， 5 ］ ， 微生物产物 （ SMP ） 等的研究 而非微生物本身 对膜直接引起的膜污染。 总之， 当前对于微生物本 身所造成超滤膜污染的影响因素的研究较少 。 不同于普通颗粒物膜污染的是， 微生物本身在 膜表面的积累不仅会造成膜通量下降， 其浓度还会 随着时间的增长而增大 （ 繁殖、 扩增等 ） ， 因此研究 微生物本身在超滤膜表面的积累对膜系统的正常运 行管理非常重要。本文系统考察了溶液化学环境对 微生物本身所造成超滤膜污染的影响， 以期为超滤 膜生物污染的研究与控制提供一定的理论支持 。 1 1． 1 材料与方法 超滤膜 采取 Millipore 生产的平板型聚醚砜超滤膜， 截
— —过滤过程中过滤体积 V 时的膜通量； 式中 Flux v — Flux0 — — —过滤初始阶段的膜通量。 由于每片超滤膜的初始膜通量 F0 （ 纯水 ） 一致， 将膜过滤 400 mL 污染物溶液结束时的通量称为膜 过滤 50 mL 超纯水测试超滤膜污染 的末端通量 F1 ， 后清洗前的纯水通量 F2 ， 随后用 50 mL 超纯水对超 并测试其反洗后的纯水通量 F3 。 在 滤膜进行反洗， 此过程中， 将膜污染分为浓差极化层、 可逆污染层、 不可逆污染层， 三者对膜比通量下降的贡献度分别 通过式（ 2 ） ～ 式（ 4 ） 获得。 浓差极化层的贡献 = （ F2 － F1 ） / F0 可逆污染层的贡献 = （ F3 － F2 ） / F0 可逆污染层的贡献 = （ F3 － F2 ） / F0 2 2． 1 结果与讨论 进水浓度的影响 不同的水源水中， 如地表水、 城镇污水、 咸水等 （ 2） （ 3） （ 4）
Impact factors on ultrafiltration membrane fouling by microbial particles
2 Gao Wei1 ， Liang Heng2 ， Li Guibai1，
（ 1． State Key Laboratory of Urban Water Resources and Environments，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China； 2． National Engineering Research Center of Urban Water Resources，Harbin 150090，China） Abstract： To systematically study the impact factors on ultrafiltration （ UF ） membrane fouling by miionic strength and Ca2 + concentration on initial UF crobial particles，the effects of feed concentration，pH， membrane fouling were investigated，and the reversibility of membrane fouling under various conditions was also analyzed． It was found that both reversible and irreversible fouling increased while increasing the feed concentration and irreversible fouling appeared when feed concentration exceeded 50 mg / L． Calcium might bring more severe irreversible fouling by bridging effect； the alkaline environment （ pH = 10） increased concentration polarization effect，while the acid environment （ pH = 4 ） increased irreversible fouling layer． Inbut it would have detrimental influence on creasing ionic strength could slow down the membrane fouling rate， the irreversible fouling layer． Keywords： Microbes； Ultrafiltration membrane； Biological fouling； Reversibility； Solution environment 超滤膜技术在水处理领域的研究与应用越来越 广， 其主要优点是能够通过物理截留作用高效地实
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进水微生物浓度对超滤膜初期膜污染的影响
（ pH 7． 5 ； 温度 20 ℃ ； 离子强度 10 mM； 压力 40 kPa）
对不同浓度微生物污染下的膜污染进行了阻力分 由图 2 可以看出， 随着进水微生物浓度的升高， 浓 析， 差极化层所带来的膜污染有增大的趋势。不难理解， 反应器内污染物浓度增大， 进入浓差极化层的污染物 自然也会增加， 从而增大了浓差极化层的厚度， 进而带 来更 大 的 浓 差 极 化 层 污 染。 当 微 生 物 浓 度 超 过 50 mg / L时， 超滤膜开始出现不可逆膜污染， 且随着浓 度的增大， 不可逆污染层对比通量下降的贡献增加。
主要考察了钙离子的存在对微 膜生物污染的影响， ， 生物代谢产物 尤其是钙离子的存在对多糖类物质 、 蛋白质类物质等污染物浓度、 性质的影响。 但微生 鲜有报道研 物作为膜生物反应器中的主要存在物， 究钙离子对微生物本身引起膜污染的影响 。 在相同离子强度的背景条件下， 考察了钙离子 浓度的变化对微生物本身引起超滤膜初期污染的影 响， 结果如图 3 所示。由图 3 可知， 随着钙离子浓度 微生物本身所引起的膜比通量分别下降了 的升高， 61． 4% （ 钙离子强度 0 mM ） 、 52． 3% （ 钙 离 子 强 度 1 mM） 、 33． 3% （ 钙离子强度 2 mM） 和 44． 3% （ 钙离 ［8 ］ 子强度 3． 33 mM ） 。 Kim 等 研究表明较高浓度的 钙离子有益于膜污染的缓解， 因其能够降低丝状菌 的浓度、 增强絮凝作用并增加膜生物反应器中胞外 认为钙离子在膜生物 反应器中的投加增大了反应器中的颗粒粒径 、 降低 聚合物的疏水性。 Zhang 等
给水排水 Vol． 39 No． 5 2013
可能含有不同浓度的微生物， 在超滤膜系统设计时， 微生物的浓度对超滤膜技术的评价具有较重要的意 义。图 1 给出了进水微生物浓度对超滤膜初期生物 污染的影响， 所考察的 微 生 物 浓 度 范 围 为 1 ～ 100 mg / L。微生物造成膜污染包括迁移、 黏附、 分泌代 、 。 ， 谢产物 生长等步骤 显然 微生物浓度越高， 其在 膜表面沉积黏附的几率越大， 微生物因此会造成较 10 mg / L、 25 mg / L、 50 mg / L 重的膜污染， 在 1 mg / L、 和 100 mg / L 酵母浓度的条件下， 膜比通量分别下降 78． 1% 、 61． 4% 、 41． 7% 和 至初始膜通量的 87． 8% 、 34． 1% 。此外， Lee 等的研究表明［6］， 在应用于水处 MLSS 浓度与微生物 理的微滤膜膜生物反应器中， 浓度有直接的相关性， 且该研究认为 MLSS 浓度升
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物污染、 有机物污染和生物污染等。 对无机物污染 和有机物污染影响因素的研究较多， 但关于膜生物 污染的研究则较少。超滤膜系统中的生物污染包括 微生物所分泌的代 微生物本身造成的膜通量下降、 谢产物对膜的污染， 然而， 首先几乎所有关于膜生物 污染的研究均集中在反渗透膜、 纳滤膜等高压膜的