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          胡洪營教授課題組發現用氯消毒反而加重RO膜生物污堵

          發表日期:2019-03-29 10:46文章編輯:國初科技瀏覽次數: 標簽:    

                據WaterResearch微信公眾平臺2019年3月27日訊 氯消毒是污水處理過程中最常用的微生物滅活手段。然而,清華大學環境學院胡洪營教授課題組卻研究發現氯消毒雖然可有效滅活反滲透(RO)系統進水中的微生物,但卻導致了更加嚴重的生物污堵。該發現顛覆了RO系統利用氯消毒預處理控制生物污堵的傳統理念,開辟了從微生物群落結構的視角控制RO膜生物污堵的新領域。

           

          胡洪營教授課題組發現用氯消毒反而加重RO膜生物污堵


            在污水再生RO系統中,氯消毒預處理雖然有效降低了進水微生物總量,但并不能完全殺滅進水中的所有微生物。經群落結構分析,發現5和15 mg-Cl2/L消毒后剩余細菌中耐氯菌的豐度顯著升高,且其胞外多聚物(EPS)的分泌量顯著增大,EPS中大分子量物質占比也顯著升高。在RO系統運行過程中,高豐度的耐氯菌附著在膜表面,長期運行后形成厚度更厚、EPS含量更高、EPS分子量更大的污堵層,造成了更嚴重的膜污堵問題(圖1)。

           

          胡洪營教授課題組發現用氯消毒反而加重RO膜生物污堵

          圖1.圖示摘要


            RO膜的生物污堵是污水再生處理RO工藝高效、穩定運行面臨的突出難題。目前,主要通過消毒預處理削減RO系統進水中的微生物量、運行中投加非氧化性抑菌劑等手段對其進行控制。但是,在實際工程運行和前期研究中發現,消毒預處理導致的水中微生物群落結構變化有時反而會加劇生物污堵,其作用機理和控制因素尚不清晰。
            針對上述問題,該研究系統考察了氯消毒對RO系統進水生物污堵潛勢的影響,并揭示了其內在機制。該研究采用膜生物反應器(MBR)出水作為實驗室RO系統的進水,氯投加量為0、1、5、15 mg/L,接觸時間30 min。RO系統連續運行21天后,系統分析了RO膜通量變化、膜面污堵層的物質組成與生物群落結構、氯消毒后細菌的生長及代謝產物分泌特性。
            研究發現,氯投加量越大,對進水中微生物的滅活效果越好,然而,隨著氯投加量的增大,RO系統的膜通量反而下降更快,膜污堵現象更加嚴重。利用膜污堵模型擬合,發現經氯消毒后的實驗組污堵速率更快,污堵潛勢更大(圖2)。

           

          胡洪營教授課題組發現用氯消毒反而加重RO膜生物污堵

          圖2.(a) 不同氯消毒濃度進水RO膜標準化過水通量;(b-e) RO膜中間堵塞模型擬合結果。


            對污染膜片進行分析(圖3),發現不同氯投加量下污堵層細菌總數無顯著差異,但氯消毒后膜面積累的有機物(以DOC計)顯著增多;通過激光共聚焦顯微鏡(LSCM)觀察發現,其形成的污堵層更厚;通過掃描電鏡(SEM)觀察發現,污堵原因主要為生物污堵,且氯消毒后樣品污堵層內胞外多聚物(EPS)更加稠密,是造成更嚴重的膜污堵的主要原因。

           

          胡洪營教授課題組發現用氯消毒反而加重RO膜生物污堵

          圖3.(a) 、RO膜污堵層微生物密度;(b) 、RO膜污堵層有機物密度;0 mg-Cl2/L (c)、1 mg-Cl2/L (d)、5 mg-Cl2/L (e)、15 mg-Cl2/L (f)、氯消毒濃度樣品污堵層生物膜厚度,利用LSCM測定。


            分析污堵層微生物群落結構,發現經5和15 mg-Cl2/L消毒后,樣品中耐氯菌豐度顯著升高。氯消毒殺滅了進水中大部分細菌,但仍有部分耐氯菌存活,并附著到RO膜表面,使污堵層中耐氯菌豐度更高。分析氯消毒后細菌EPS分泌特性,發現氯消毒后細菌分泌EPS量更大,且大分子量物質占比更多,具有更強的膜污堵潛勢(圖4)。

           

          胡洪營教授課題組發現用氯消毒反而加重RO膜生物污堵

          圖4.RO膜污堵層微生物群落結構屬水平熱力圖


            該研究首次發現了污水再生處理RO系統中氯消毒加重膜污堵的現象,并從群落結構角度,分析了消毒預處理對生物污堵的影響,深入解析了其內在機理,為RO工藝的污堵控制提供了新思路和新視角。

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