反滲透水處理系統(tǒng)的微生物污染與防治研究
摘 要：針對反滲透水處理系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的微生物污染情況，分析了反滲透膜微生物污染產(chǎn)生的原因及危害，給出了微生物污染預(yù)測和簡易辨別的方法，提供了微生物污染防治的措施與方法。
關(guān)鍵詞：反滲透膜；微生物污染；防治
從1953年提出用反滲透技術(shù)淡化海水，到二十世紀60年代的商業(yè)化運營，時至今日經(jīng)過50多年的發(fā)展，反滲透水處理技術(shù)成功地運用于許多領(lǐng)域。從反滲透技術(shù)最初只用于海水淡化，后來逐步擴大到苦咸水淡化、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生、飲料凈化、超純水制備等方面，產(chǎn)生了很高的經(jīng)濟效益。
在反滲透水處理系統(tǒng)運行過程中，若系統(tǒng)設(shè)計不合理或運行控制不當(dāng)，必然會出現(xiàn)膜污染的情況。在膜污染的幾種類型中（沉淀污染、微生物污染、膠體污染等），微生物污染具有其特殊性，它在反滲透水處理中所造成的運行困難是最嚴重的一種。目前，國內(nèi)在反滲透水處理系統(tǒng)運行中，膜的微生物污染問題日漸突出。
1 微生物污染的產(chǎn)生和危害
1.1 產(chǎn)生原因
生物污染是指微生物在膜-水界面上積累從而影響系統(tǒng)性能的現(xiàn)象。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(fù)雜的相互作用的結(jié)果。微生物污染基本上是一個生物膜生長的問題。
微生物污染的主要來源是RO進料水。由于地表水和淺層地下水中都存在著微生物，預(yù)處理系統(tǒng)未正常有效工作，微生物就會進RO組件，而RO組件內(nèi)部潮濕陰暗可為微生物生長提供理想環(huán)境，若在進人反滲透系統(tǒng)前不加以殺滅，這些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，在溫較熱的條件下，微生物的生長更是迅速，幾天之內(nèi)便可在反滲透膜表面形成生物膜層，導(dǎo)致反滲透系統(tǒng)進出水間壓差迅速增大，產(chǎn)水量與脫鹽率快速下降，同時污染產(chǎn)品水。另一方面預(yù)處理也可能是微生物污染源，如輔助除去懸浮物體的絮凝劑過量，給微生物提供了適宜的生長環(huán)境。
在RO 系統(tǒng)中，主要存在的是好氧性細菌，一般未見真菌和霉菌，好氧菌在系統(tǒng)不同階段分布不同，如表1可以看出原水罐是滋生細菌的主要場所，其次RO處理器內(nèi)部也有細菌的生長（由于膜的有機材料給細菌的生長提供了一定的條件）
1.2 危害
目前商品化的反滲透膜材料主要有醋酸纖維和聚酰胺兩大類。而醋酸纖維素膜裝置是目前超純水制造系統(tǒng)中常用且經(jīng)濟的反滲透裝置。但其最大的缺點之一就是抗微生物的侵蝕能力較差。聚酰胺類膜盡管能抗微生物侵蝕，但污染問題仍然存在。
大量微生物在膜、組件內(nèi)的大量繁殖.將造成三方面的不良后果，第一是微生物要吞食反滲透膜，脫鹽層被侵蝕而使脫鹽率下降，并造成膜壽命縮短，使膜結(jié)構(gòu)的完整性遭到破壞，甚至造成重大系統(tǒng)故障(僅對CA膜);第二是微生物的大量繁殖和代謝，產(chǎn)生大量的膠體物質(zhì)，致使膜被堵塞，會增大給水壓降，造成通水量下降;第三將造成產(chǎn)水中細菌總數(shù)的增加，使產(chǎn)品水質(zhì)下降；第四是生物膜（粘泥）不溶于酸，難溶于堿，幾乎不受水流剪切力的影響，即使頻繁沖洗，也不能沖掉。消毒殺菌也難于使粘泥徹底清除。
微生物的一個重要特征是它們具有對營養(yǎng)水動力或其他條件變化作出迅速生化和基因調(diào)節(jié)的能力。因此，生物污染比非活性的膠體污染或礦物質(zhì)結(jié)垢危害性更大。
目前廣泛應(yīng)用的TFC反滲透膜，它的關(guān)鍵材料是聚丙烯酰胺，它對氧化性物質(zhì)不具備堅強的抵抗力，因此，用戶一般都控制了反滲透入口的氧化還原電位，使膜在無氧化劑的環(huán)境下工作，而細菌等微生物附在膜的表面和通道網(wǎng)層上，憑借水中的營養(yǎng)成分大量繁殖。許多文獻都表明，這種污染似乎在膜的中部發(fā)生，但從實際看來，經(jīng)常是整個系統(tǒng)一起泛濫。
2 微生物污染的預(yù)測與簡易辨別方法
（1）測定從原水入口、預(yù)處理各個環(huán)節(jié)反滲透給水、濃水以及反滲透產(chǎn)品水的細菌總數(shù)（TBC），計算細菌變化數(shù)值。若發(fā)現(xiàn)濃水中的TBC明顯增加，說明反滲透膜上可能有粘泥形成。
（2）給水中的有機物不僅自身可形成膜的污染，還可作為細菌滋生的營養(yǎng)物。所以可對有機物（以總有機碳表示，簡稱TOC）進行監(jiān)測，膜廠家提示控制TOC<2mg/L(以C表示)。2mg/LTOC大致相當(dāng)于5mg/L的總有機生物量此值在正常運行時，不會引起膜間有機物污堵。
（3）檢驗是否為微生物污染的簡單方法是：從表面刮取一小部分污染物放在火焰上燃燒，其氣味與毛發(fā)燃燒的氣味相同。
3 微生物污染防治
對于RO水處理系統(tǒng),必須在RO工藝系統(tǒng)預(yù)處理中設(shè)置完善的殺滅微生物的措施,才能從根本上控制住微生物污染。
關(guān)于防治微生物污染。傳統(tǒng)的觀點認為，RO膜元件的微生物污堵主要來自于地表水，來自地下水的污堵則較輕，同時認為在RO裝置進水中的微生物含量<10,000cfu/ml時，都是比較安全的，由此，應(yīng)用者在選擇設(shè)計RO工藝系統(tǒng)時，給予的重視常常不足。國內(nèi)實例表明，某些地下水系統(tǒng)中的RO膜元件已受到不同程度上的微生物污堵，這是因為該系統(tǒng)中均設(shè)有原水池，其容積一般為1-2小時的貯水調(diào)節(jié)容量（如電力行業(yè)），易滋生微生物，在半年內(nèi)受到微生物污堵需要清洗的膜元件中，污堵最嚴重的單只8英寸卷式膜元件濕重達35kg，正常濕重為16.4kg，污染物呈淺黃色透明狀，燃燒氣味呈羊毛味。
防止微生物污染的方法通常是采取有效的殺菌處理措施，有氯氣及NaClO,ClO2,KMnO4,H22O2、O3、紫外線照射等常規(guī)方法，控制重點是選取合適的殺菌劑，足夠長的接觸時間。對于氯類殺菌劑，投加量一般以進水余氯含量>1mg/L為準，根據(jù)不同的反滲透膜控制合適的殘余氯量。另外還可以采用氧化性和非氧化性殺菌劑(如Na2S2O5、NaHSO350mg/L，異噻唑啉酮15-25mg/L)定期、交替沖擊性、大劑量殺菌，可殺滅系統(tǒng)中大部分微生物，甚至可以穿透粘附于系統(tǒng)中的生物粘泥膜，起到殺滅、剝離作用。再就是嚴格控制給水中的有機物含量(以總有機碳TOC表示不超過2mg/L)，抑制細菌的生長繁殖。最好同時注意監(jiān)測反滲透系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的水中細菌總數(shù)(TBC)以便有效的預(yù)防，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有徽生物污染的癥狀時(壓差升高10%，產(chǎn)水量降低10%)應(yīng)及時采取清洗措施(包括對預(yù)處理系統(tǒng)和RO系統(tǒng)的清洗)，以免污染加重。
定期殺菌，一般采用1%-3%的甲醛溶液沖洗15min，殺死細菌。在RO系統(tǒng)停用期間，要求用甲醛，每2天洗1次。除采用甲醛以外，還可采用0.2%的H22O2進行殺菌。
一般認為，經(jīng)過活性炭處理過的水中會含有大量微生物。但對于活性炭處理工藝,只要調(diào)整好反洗頻率及更換頻次,也可以防止微生物污染。
如：由外國公司給中國華晶電子集團公司設(shè)計制造的250t/h前處理設(shè)備,其工藝流程為“沙濾-5μm過濾器-超濾-水箱-泵-5μm過濾器-高壓泵-RO-水箱”,其中,在水箱之后添加了亞硫酸氫鈉來還原水中的余氯。當(dāng)初,設(shè)計人員普遍認為,采用了截留分子量為80000MWCO的UF系統(tǒng),完全可以保證RO的運行,但情況并不如此,自投加亞硫酸氫鈉后,所有的管壁、泵內(nèi)腔、乃至膜面、濃水口均出現(xiàn)了糊膠狀物質(zhì),當(dāng)水源發(fā)生季節(jié)性變換時,清洗的最高頻次達每周一次,反滲透壽命只能維持一年左右(24小時運轉(zhuǎn))。經(jīng)過化驗,反滲透入口處的細菌總數(shù)超過2000個/ml。對水進行的有機物分子量分布實驗見表2,發(fā)現(xiàn)水中的低分子量物質(zhì)占絕對優(yōu)勢,COD值為4.5左右,TOC值為4.3mg/l,254nm紫外吸光度=5OD/m,綜合各種數(shù)據(jù)表明,水中的富維酸、腐植酸的含量已經(jīng)很高,促進了微生物的生長,鑒于這種情況,在工藝中加入了活性炭過濾器,用活性炭吸附水中的有機營養(yǎng)成分、控制水中溶氧含量、并且取代投加亞硫酸氫鈉,結(jié)果表明,RO及各段管道明顯好轉(zhuǎn),改造后膜壽命延長到三年(24小時運轉(zhuǎn))。
4 結(jié)語
（1）在反滲透水處理系統(tǒng)中反滲透膜的微生物污染在各種膜污染中是最嚴重的。它具有發(fā)展迅速，形成的生物膜難于徹底清除等特點，易堵塞膜，導(dǎo)致反滲透系統(tǒng)進出水間壓差迅速增大，產(chǎn)水量與脫鹽率快速下降，可能污染產(chǎn)品水，甚至損壞膜。
（2）可以通過監(jiān)測濃水細菌總數(shù)（TBC）值的變化和給水的總有機碳（TOC）值來對微生物污染進行預(yù)測，并可以通過燃燒污染物來簡易判斷是否是微生物污染。
（3）要加強對地下水作為原水時預(yù)處理消毒殺菌的重視，防止在RO裝置中出現(xiàn)微生物污染。
（4）對微生物污染的防治除常規(guī)方法外，還可以采用氧化性和非氧化性殺菌劑定期、交替沖擊性、大劑量殺菌。嚴格控制給水中的有機物含量(以總有機碳TOC表示不超過2mg/L)，抑制細菌的生長繁殖。對于活性炭處理工藝,只要調(diào)整好反洗頻率及更換頻次,也可以防止微生物污染。
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