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胡洪营教授课题组发现用氯消毒反而加重RO膜生物污堵

发表日期:2019-03-29 10:46文章编辑:国初科技浏览次数: 标签:    

      据WaterResearch微信公众平台2019年3月27日讯 氯消毒是污水处理过程中最常用的微生物灭活手段。然而,清华大学环境学院胡洪营教授课题组却研究发现氯消毒虽然可有效灭活反渗透(RO)系统进水中的微生物,但却导致了更加严重的生物污堵。该发现颠覆了RO系统利用氯消毒预处理控制生物污堵的传统理念,开辟了从微生物群落结构的视角控制RO膜生物污堵的新领域。

 

胡洪营教授课题组发现用氯消毒反而加重RO膜生物污堵


  在污水再生RO系统中,氯消毒预处理虽然有效降低了进水微生物总量,但并不能完全杀灭进水中的所有微生物。经群落结构分析,发现5和15 mg-Cl2/L消毒后剩余细菌中耐氯菌的丰度显著升高,且其胞外多聚物(EPS)的分泌量显著增大,EPS中大分子量物质占比也显著升高。在RO系统运行过程中,高丰度的耐氯菌附着在膜表面,长期运行后形成厚度更厚、EPS含量更高、EPS分子量更大的污堵层,造成了更严重的膜污堵问题(图1)。

 

胡洪营教授课题组发现用氯消毒反而加重RO膜生物污堵

图1.图示摘要


  RO膜的生物污堵是污水再生处理RO工艺高效、稳定运行面临的突出难题。目前,主要通过消毒预处理削减RO系统进水中的微生物量、运行中投加非氧化性抑菌剂等手段对其进行控制。但是,在实际工程运行和前期研究中发现,消毒预处理导致的水中微生物群落结构变化有时反而会加剧生物污堵,其作用机理和控制因素尚不清晰。
  针对上述问题,该研究系统考察了氯消毒对RO系统进水生物污堵潜势的影响,并揭示了其内在机制。该研究采用膜生物反应器(MBR)出水作为实验室RO系统的进水,氯投加量为0、1、5、15 mg/L,接触时间30 min。RO系统连续运行21天后,系统分析了RO膜通量变化、膜面污堵层的物质组成与生物群落结构、氯消毒后细菌的生长及代谢产物分泌特性。
  研究发现,氯投加量越大,对进水中微生物的灭活效果越好,然而,随着氯投加量的增大,RO系统的膜通量反而下降更快,膜污堵现象更加严重。利用膜污堵模型拟合,发现经氯消毒后的实验组污堵速率更快,污堵潜势更大(图2)。

 

胡洪营教授课题组发现用氯消毒反而加重RO膜生物污堵

图2.(a) 不同氯消毒浓度进水RO膜标准化过水通量;(b-e) RO膜中间堵塞模型拟合结果。


  对污染膜片进行分析(图3),发现不同氯投加量下污堵层细菌总数无显著差异,但氯消毒后膜面积累的有机物(以DOC计)显著增多;通过激光共聚焦显微镜(LSCM)观察发现,其形成的污堵层更厚;通过扫描电镜(SEM)观察发现,污堵原因主要为生物污堵,且氯消毒后样品污堵层内胞外多聚物(EPS)更加稠密,是造成更严重的膜污堵的主要原因。

 

胡洪营教授课题组发现用氯消毒反而加重RO膜生物污堵

图3.(a) 、RO膜污堵层微生物密度;(b) 、RO膜污堵层有机物密度;0 mg-Cl2/L (c)、1 mg-Cl2/L (d)、5 mg-Cl2/L (e)、15 mg-Cl2/L (f)、氯消毒浓度样品污堵层生物膜厚度,利用LSCM测定。


  分析污堵层微生物群落结构,发现经5和15 mg-Cl2/L消毒后,样品中耐氯菌丰度显著升高。氯消毒杀灭了进水中大部分细菌,但仍有部分耐氯菌存活,并附着到RO膜表面,使污堵层中耐氯菌丰度更高。分析氯消毒后细菌EPS分泌特性,发现氯消毒后细菌分泌EPS量更大,且大分子量物质占比更多,具有更强的膜污堵潜势(图4)。

 

胡洪营教授课题组发现用氯消毒反而加重RO膜生物污堵

图4.RO膜污堵层微生物群落结构属水平热力图


  该研究首次发现了污水再生处理RO系统中氯消毒加重膜污堵的现象,并从群落结构角度,分析了消毒预处理对生物污堵的影响,深入解析了其内在机理,为RO工艺的污堵控制提供了新思路和新视角。

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