反渗透膜生物污染的影响因素及控制措施

邵 娜

（安阳钢铁集团有限责任公司，河南 安阳 455004）

反渗透膜作为一种通过人工半透膜来分离水分与其他物质的技术手段，具有工艺简单、易于操作、处理能耗低的显著优势，已在污水处理、海水淡化、食品加工等领域中得到了广泛应用，同时也发挥着十分重要的作用。然而，在反渗透膜系统的运行期间，却时常出现生物污染问题，造成膜系统使用寿命有所减短。这对于该技术的应用效果产生了明显影响。因此，对于如何妥善解决反渗透膜的生物污染问题，且尽量降低污染问题具有重要意义。

1 反渗透膜生物污染概述

1.1 反渗透膜技术原理

反渗透膜属于一类仿制生物半透膜打造的人工半透膜，其技术原理是控制待处理的污水或溶液以较高速度穿过反渗透膜，且凭借膜材较小孔径，拦截污水和溶液中夹杂的有机物、溶解盐类、微生物等物质，从而实现污水处理和溶液过滤净化目的。

1.2 生物污染问题

反渗透膜的生物污染问题主要表现为，膜材表面因吸附微生物而发生大面积堵塞，主要原因是微生物在繁殖过程中，会持续分泌EPS胞外聚合物，如果膜材表面附着的微生物未得到有效清除，经过一段时间后，将会在膜材表面形成一层保护型菌膜，并在菌膜厚度达到相应标准后，导致反渗透膜材报废，使其无法继续使用。

1.3 反渗透膜的污染危害

在反渗透膜处理系统运行期间，如果出现生物污染问题，会干扰系统运行、损害膜材，进而会引发产水量下降、电耗与水耗增加、出水水质下降等一系列的问题出现。其中，干扰系统运行的危害在于，随着微生物在膜材表面的生长繁殖，会持续堵塞膜孔道，导致实际水通量持续降低，并造成膜材两侧的有效压差减小、增大膜外浓差极化的后果，从而使反渗透膜系统的运行效果无法达到预期要求，这样既降低了系统的处理能力，又加大了实际的运行成本。而损害膜材的危害在于，微生物在繁殖过程中会持续破坏膜材的内部结构，且施加了侵蚀作用力，使膜材遭到严重侵蚀；或是在膜材表面形成过厚的保护型菌膜层后，系统将无法继续使用，最终导致膜材的实际使用寿命远低于预期。需要注意的是，在使用醋酸纤维素膜作为反渗透膜时，膜材遭到生物污染的受损程度最为严重。

2 反渗透膜生物污染的主要影响因素

2.1 微生物自身的特性

在反渗透膜处理系统的运行期间，所处理的海水、溶液与污水中普遍含有较多种类的污染物，主要包括孢子、藻类、真菌等。而微生物混杂在水体中，在压力差的作用下会形成向前的推动力，从而推动水体穿过反渗透膜，同时，在膜材孔道上截流污染物或特定物质。因此，在实际的系统运行过程中，要定期清除拦截物质和膜材表面附着物，以延长膜材的使用寿命，使其始终保持高水准的处理效果。

但从系统的实际运行情况来看，真菌、细菌等微生物受到静电吸附、自身沉降特性、疏水特性等多方面因素影响，会大量地粘附在膜材表面，并且从所处理的水体中摄取生长所需的营养物质，然后在膜材表面生长繁殖，持续分泌EPS胞外聚合物堵塞膜材孔道，最终造成反渗透膜的生物污染。通常情况下，粘附的微生物数量越多、时间越长，则反渗透膜生物污染的程度越重。以静电吸附因素为例，在所处理的溶液与污水的pH值都大于两性离子pl等电子值时，将由两性离子持续释放质子带负电，并在细菌表面形成负电荷，但负电荷数量和粘附力保持反比关系，如在细菌表面的负电荷数量较少时，会形成强大的粘附力，会把细菌牢牢粘附在膜材表面[1]。

2.2 反渗透膜表面特性

反渗透膜的表面具有亲疏水性、膜电位和粗糙度的特性，这类表面特性与微生物附着的情况有密切关系，当所处理的溶液、污水穿过反渗透膜时，受到膜材表面特性的影响，水体中分布的微生物更容易粘附在膜材表面，从而造成生物污染。反渗透膜表面特性的影响机理如下。

2.2.1 亲疏水性

膜材亲疏水性一直被视为影响微生物吸附效果的核心因素，主要表现在膜材亲疏水性越强，则微生物吸附的数量越多，且反渗透膜生物污染的速度越快。而对于膜材亲疏水性的问题，可普遍采取膜材表面涂覆、化学接枝等控制措施，这在一定程度上会起到延缓膜材生物污染的速度，以及降低膜表面吸附细菌浓度的作用，但实际效果有限，还是会对膜材造成一定伤害[2]。

2.2.2 膜电位

在反渗透膜系统的运行期间，受到膜材、微生物二者静电作用的影响，在膜材表面会生成静电双层，可起到阻碍细菌粘附膜材表面的作用，但实际的阻碍效果取决于膜表面的电位值。当膜材表面为正电位时，细胞粘附数量明显增多，但细胞活性会随之降低；当膜材表面为负电位时，细胞粘附数量会明显减少，但细胞活性有所提高。

2.2.3 粗糙度

由于反渗透膜具有粗糙表面的特性，所以，在膜材表面会形成若干类似“山谷”的形状。而这类山谷的尺寸略大于分子颗粒，是微生物粘附膜材表面的前提条件，避免了分子物质受到流体剪切力等外部作用力的影响而脱离膜材，导致其在各处“山谷”内生长繁衍，出现了不可逆的微生物吸附膜材现象。

2.3 进水溶液组分

根据实际应用情况来看，反渗透膜吸附点位存在一定数量限制，且在处理不同组分的污水、溶液时生物污染的速度、微生物粘附情况存在明显差异，所以可确定进水溶液组分是反渗透膜生物污染的一项重要影响因素。

根据相关试验结果显示，当进水溶液的离子强度达到100 mmol/L，且在进水溶液穿过反渗透膜时，明显改变了膜材表面的藻酸盐沉积层结构，其空间位阻值有所减小，因此，在膜材表面会粘附较多数量的微生物。而当进水溶液组分中分布着无机磷时，就会对反渗透膜生物污染的程度造成明显影响，如在无机磷浓度较低时，可以促使细胞膜表面分布的LapA粘附素自溶，起到了解离细菌、保持细菌游离状态的作用，从而有效延缓了反渗透膜生物污染的速度[3]。

2.4 操作条件

通常，微生物的生长繁衍，离不开适宜、稳定的外部环境。就目前来看，在反渗透膜系统的运行期间，由于相关工作人员缺乏生物污染防治意识，所以，设定的操作温度、清洗温度、清洗pH值的范围、典型操作压力等参数缺乏合理性，没有形成有效控制生物污染程度的操作环境，导致微生物大量粘附在膜材表面，且还从进水溶液中持续摄取生长繁殖所需的物质，进而会在短时间内于膜材表面形成生物膜层。

3 反渗透膜生物污染的有效控制措施

3.1 对进水进行预处理

进水溶液是反渗透膜处理系统中微生物的主要来源，如果没有从源头上控制微生物数量，将无法有效延缓膜材生物污染的速度，也会对其他控制措施的实际效果造成明显影响。对此，必须在反渗透膜系统的运行期间设置进水预处理步骤，以消灭进水溶液中的绝大多数微生物，同时，也将微生物的数量和活性控制在可接受范围内，具体方式可采取投加氧化性杀菌剂、投加LAE月桂酰精氨酸乙酯、投加抑菌剂三项措施。

3.1.1 投加氧化性杀菌剂

在实际的处理过程中，可将含氯化合物、过氧化物等作为氧化性杀菌剂，因为这类化合物具有很好的杀菌效果，可以快速灭杀进水溶液中的微生物，而且，还不会对进水溶液造成明显污染。一般情况下，在反渗透膜处理系统中，主要是使用活性氯，该物质在遇水后会逐渐生成分子状态的次氯化酸，会通过穿透微生物细胞膜、破坏细胞壁的方式使微生物丧失活性，最终实现杀菌的目的。但在使用氧化性杀菌剂的过程中，也会对反渗透膜材造成一定程度的影响，导致膜元件出现氧化的现象，因此，工作人员就要额外的投放亚硫酸氢钠、硫酸氢钠等作为还原剂，避免余氯破坏膜结构或是出现膜元件氧化问题。需要注意的是，要根据进水溶液余氯的检测结果来调节还原剂的用量[4]。

3.1.2 投加LAE月桂酰精氨酸乙酯

LAE本身属于一种防腐剂，在反渗透膜系统中投放LAE后，可以在不改变膜材性能与结构的前提下，有效去除膜材表面已成型的生物膜，并抑制微生物的生长。然而，LAE杀菌剂的使用成本较为高昂，且在使用期间会因静电的相互作用而形成有机污染物，所以，当前仅在少数反渗透膜处理系统中进行了小规模应用，但可作为一种备选杀菌剂[5]。

3.1.3 投加抑菌剂

根据反渗透膜处理系统的实际运行情况来看，尽管已提前在进水溶液中投放了杀菌剂，但仍无法完全去除全部的微生物，还是会存在反渗透膜生物污染的可能性。对此，相关工作人员需定期在产水口处采集水样进行化验，如果进水溶液中的微生物数量较多，或是反渗透膜系统已遭到生物污染，就要在进水口内投加适量的抑菌剂，用于抑制微生物的活性。一般情况下，可选用异噻唑啉酮作为抑菌剂，这类抑菌剂是采取断开细菌蛋白键的方式来抑制细菌生长，还可以有效击穿膜材表面、水箱表面等处生物粘液膜下的微生物，抑菌效果极为显著。

3.2 反渗透膜表面改性

3.2.1 改善抗菌体粘附特性

在反渗透膜处理系统的运行过程中，为了预防微生物大面积粘附在膜材表面，需重点改善膜材的抗菌体粘附特性，具体可方式从减小膜材表面粗糙度、加大负电荷密度、改善膜材亲水性三方面着手。当前，在部分反渗透膜处理系统中，选择在膜材表面覆盖多巴胺涂层和两性离子多聚物的方法，效果显著。其中，对于多巴胺涂层的覆盖，主要是凭借多巴胺的亲水特性，使其在膜材表面形成一种较为稳定且具备亲水属性的涂层结构。而对于两性离子多聚物的覆盖，主要是由于两性离子的本质是属于一种同时带有正电、负电官能团，既会起到抑制细菌与蛋白附着反渗透膜表面的作用，还会起到提高膜材脱盐率、恢复污染膜材水通量等额外效果。此外，对于改善膜材抗菌体的粘附特性，虽然在初期可以有效抑制微生物粘附在膜材表面，但却无法防止微生物后期生长繁殖的局面，且不会对细菌活性造成影响，因此，随着时间的推移，仍然会出现微生物粘附、细菌沉积的现象，但可搭配其他措施进行控制。

3.2.2 强化杀菌特性

目前，在反渗透膜处理系统中，主要是使用纳米银颗粒来修饰膜材表面。在实际应用中，当微生物与膜材表面的纳米银颗粒接触时，会起到促使细菌失去活性、抑制微生物生长等多重作用，最终实现消灭细菌目的。然而，根据实际应用情况来看，使用纳米银颗粒虽然可以取得良好的灭菌效果，延缓反渗透膜生物污染的速度，但杀菌范围仅局限在膜材表面周边，且膜材上的其他污染物还会影响到实际杀菌效果。

对此，可选择在膜材表面修饰Ca(OH)2、Cu(OH)2等其他无机杀菌剂，以进一步改善杀菌效果。例如，可使用Cu(OH)2，这类杀菌剂的溶解性较差，可以稳定吸附在膜材表面，起到提高膜材负电荷密度、改善膜材亲水性等多重作用，从而使膜材表面兼具杀菌、抗菌体粘附两项功能，而且，也不会在系统运行期间产生大幅降低脱盐率与膜通量的负面影响。同时，这类杀菌剂还可以通过物理方式吸附在膜材表面，但在系统长时间的运行期间，可能会对杀菌剂的稳定状态、吸附效果造成一定程度的影响，因此，需要定期检查膜材表面情况，必要时可重新在膜材上吸附Cu（OH）2杀菌剂[6]。

3.3 清洗反渗透膜

在反渗透膜处理系统的运行期间，为了延缓反渗透膜的使用寿命，去除膜材表面粘附的微生物和已成型的生物膜，需要定期开展反渗透膜清洗作业，可采取物理清洗或是化学清洗方法。第一，物理清洗是把空气与水混合后高压冲刷膜材表面，多次重复冲刷以去除表面已成型的生物膜，这种方法有着清洗效果温和、不会损坏膜材结构的优点，但实际清洗效果有限，很难完全去除膜材表面粘附的微生物。第二，化学清洗是使用特定药物来冲洗膜材，可先后使用低pH值与高pH值的药剂来清除水垢、有机物，再使用螯合剂清除生物杂质，这就要求相关工作人员要合理选用清洗药剂、严格把控清洗顺序、优先使用侵蚀性较小的药剂，并在投加下一种溶液前排尽上一次清洗液。此外，还需要根据系统的实际运行情况来设定清洗间隔时间、选择清洗药剂，并在反渗透膜系统处于停用状态时制定、实施专项的清洗方案。例如，当反渗透膜系统停用时间在一周内时，相关工作人员就要每隔24 h开展一次清洗作业；或每隔48 h清洗一次，这时可选用2%浓度的甲醛溶液作为清洗液，但要把单次清洗时间控制在15 min左右[7]。

4 结语

综上所述，生物污染是反渗透膜技术在应用期间亟待解决的一项重要问题，因其污染防治处理效果会直接影响系统的运行状态，也关乎到膜材的使用寿命和系统运行成本。因此，相关企业与工作人员必须要提高对反渗透膜生物污染问题的重视程度，要掌握生物污染的核心影响因素，了解问题本质，并有针对性地落实进水预处理、反渗透膜表面改性、反渗透膜清洗三项控制措施，从而为反渗透膜技术的应用推广奠定坚实基础。