反滲透膜的微生物污染防治措施的探討

覃　娟　李　巍　邵嘉慧

（1上海交通大學環境科學與工程學院上海2002402上海助邦環境工程有限公司北京100101）

反滲透膜的微生物污染防治措施的探討

覃娟1李巍2邵嘉慧1

（1上海交通大學環境科學與工程學院上海2002402上海助邦環境工程有限公司北京100101）

反滲透技術在海水淡化、各類水處理及水回用方面有著廣泛的應用，但膜污染嚴重影響其更廣泛的應用。反滲透膜污染主要包括無機鹽結垢、有機物污染和微生物污染，其中微生物污染對膜的破壞性最為嚴重且最難控制。本文介紹了反滲透膜的微生物污染產生原因及防治措施，并對防治措施進行探討，最后預測了主要防治措施的應用前景。

反滲透；微生物污染；生物吸附及抑制工藝；殺生劑；化學清洗

反滲透技術是主要的脫鹽技術，它具有脫鹽率高、無需酸堿、設備占地面積小、不產生二次污染等優點，隨著技術日益成熟，在水處理領域得到廣泛應用。反滲透技術能有效去除原水中的無機鹽、膠體、微生物和有機物等，而這些被截留在膜的濃水一側的污染物，在反滲透系統運行一段時間后，會造成無機鹽結垢、有機物污染和微生物污染等膜污染。膜污染不僅影響反滲透系統的正常運行，還會增加系統的運行費用，因此，需要采取有效的污染防治措施來降低膜污染，避免反滲透系統頻繁停機清洗。降低膜污染的措施包括預處理、膜清洗、膜表面改性、優化組件結構、微生物群體感應控制[1~3]等。有關研究表明，微生物污染是造成反滲透水處理系統運行困難的重要原因[4]。因此，介紹膜的微生物污染及防治措施，并進行防治措施的探討，對防治反滲透膜污染的研究和應用具有重要的指導意義。

1　微生物污染產生原因

原水中的微生物往往附著在懸浮顆粒上，反滲透裝置經過混凝、沉淀和過濾等預處理系統去除懸浮物、降低原水中的濁度的同時，也去除了大部分的微生物。然而，仍有少量微生物滯留在原水中，濾后水經過反滲透裝置時，被反滲透膜截留下來的微生物會粘附在膜表面，消耗濃水中的營養物質，大量繁殖，降低膜的通量，導致產品水產量和質量下降。

2　微生物污染防治措施

反滲透膜的微生物污染可以通過合適的預處理方法得到有效的預防，但微生物污染到了一定程度之后仍需要通過化學清洗使膜的性能得到不同程度的恢復。

2.1預處理方法

預處理方法包括調整預處理系統和投加殺生劑。

2.1.1調整預處理系統

調整預處理系統包括增加微濾、超濾或納濾裝置、增設具有生物吸附及抑制功能的砂濾裝置、將傳統的過濾器改造成生物過濾器等。

將預處理系統中的濾池進行技術創新，使其具備生物濾池的功能，可同時有效防治反滲透膜的微生物污染問題。下面著重介紹德國BHU公司與德國EVONIK公司合作開發的BiosS-Treat技術，包括其原理、裝置及工程應用實例。

BiosS-Treat技術是一種生物吸附及抑制工藝，具有適于微生物生長棲息、繁衍的穩定環境，有利于微生物的生長繁殖，并能夠抑制微生物在反滲透膜表面大量繁殖，避免生物污堵。該技術具有特殊的過濾裝置形式、濾料、濾速、反沖洗程序及生物抑制劑，這些工藝特點能夠保證出水水質符合設計要求。

BiosS-Treat過濾裝置的基本形式是V型濾池，濾料層厚度為1500mm~1800mm，與生物濾池要求的厚度基本一致；濾料粒徑為0.7mm~1.2mm，與常規V型濾池要求的粒徑基本一致。濾料由特殊礦物破碎而成，具有較高的比表面積與適當的空隙率，有利于生物膜形成、固著，有利于好氧菌與空氣充分接觸，去除原水中的BOD、N、P等營養物質。濾速為6m/h~8m/h，略低于常規V型濾池要求的濾速，較低的濾速有利于微生物在濾池內生長繁殖。反沖洗基本模式可采用氣沖—氣水同時沖—水沖的程序，但沖洗強度、時間及頻率要避免濾池內形成的生物膜被過多的洗掉，影響新的生物膜充分發揮其凈化功能。生物抑制劑投加在濾池后，通過濾池的部分微生物在生物抑制劑的抑制作用下，在缺乏營養物質的環境中不易在反滲透膜表面形成生物污堵，從而在濃水一側被去除。

BiosS-Treat技術的工程實例：

（1）某電力公司的制水廠，原水為海水，為余熱鍋爐提供軟化水，采用的凈水工藝流程為格柵除渣—過濾—2級反滲透—電脫鹽，采用常規手段防止反滲透系統產生生物污堵，每年反滲透系統的化學清洗次數約8次。應用BiosS-Treat技術后，節約運行成本45%。

（2）某煉油廠的脫鹽水站，原水為河水，采用的凈水工藝流程為混凝—沉淀—超濾—反滲透—離子交換—除氧，應用BiosSTreat技術的前后運行狀況對比如表1所示。

表1　運行狀況對比

由表1可知，應用BiosS-Treat技術前，采用常規手段防止反滲透系統產生生物污堵，每年反滲透系統的化學清洗次數約17次，保安過濾器更換頻繁，反滲透膜使用壽命短。采用BiosS-Treat技術后每年反滲透系統的化學清洗次數約1次，保安過濾器更換次數少了很多，反滲透膜使用壽命變長，節約運行成本70%。

2.1.2投加殺生劑

殺生劑分為氧化型殺生劑和非氧化型殺生劑。殺生劑投加方式可分為連續性和沖擊式，連續性殺生一般投加的是氧化型殺生劑或高劑量的亞硫酸氫鈉，沖擊式殺生的殺生劑可選用亞硫酸氫鈉，也可選用非氧化型殺生劑。

氧化型殺生劑主要有次氯酸鈉、無機溴化物、液氯、有機氯、臭氧等。氧化型殺生劑通過氧化等多種途徑對微生物產生滅活作用。反滲透膜材質多為聚酰胺復合膜，為避免強氧化型殺生劑對反滲透膜及元件的損壞作用，還需向原水中投加還原劑（如亞硫酸氫鈉）來與氧化型殺生劑進行反應。中國石化燕山分公司[5]東區污水回用裝置，采用超濾與反滲透技術處理?？谟鬯幚韴鲅趸瘻铣鏊礉B透系統受到微生物污染，運行初期，清洗周期不到20d。為控制微生物污染，投加殺生劑試驗步驟如表2所示，結果表明，第四步驟的殺菌效果明顯，反滲透系統的清洗周期延長到35d。

表2　殺生劑投加試驗

非氧化型殺生劑主要有2,2-二溴-3-氰基丙酰胺等DPNBA系列、二甲基二硫代氨基甲酸鈉、異噻唑啉酮（Kathon）及其衍生物、EDTA鈉鹽、十二烷基苯磺酸鈉等。京豐熱電廠[6]采用的循環冷卻水排污水處理流程為過濾—超濾—反滲透，采用專用的非氧化型殺生劑，控制反滲透膜微生物污染問題。

2.2反滲透膜的化學清洗

反滲透系統運行一段時間后，仍會面臨微生物污染問題，為了恢復系統性能，需對反滲透系統進行化學清洗。化學清洗劑主要有EDTA鈉鹽、甲醛、戊二醛、十二烷基苯磺酸鈉、乙二胺四乙酸鈉等。

中國長城鋁業公司熱力廠鍋爐補充水系統[7]采用的殺滅微生物的化學清洗方案為0.2%的EDTA二鈉鹽，加0.1%的氫氧化鈉將溶液調節pH值至12，對反滲透系統進行化學清洗，再用0.1%的甲醛溶液進行清洗，再經過有機物污染、無機鹽結垢的化學清洗程序后，反滲透系統性能恢復到運行初期水平。

某電廠[8]使用1%的EDTA四鈉鹽與0.05%的十二烷基苯磺酸鈉，加堿調節pH值至12左右，對反滲透系統進行循環清洗，然后經過較長時間的浸泡，能夠有效清除反滲透膜的有機物及微生物污染。

3　微生物污染防治措施探討

以BiosS-Treat技術為代表的生物吸附及抑制工藝與傳統的預防反滲透微生物污染的手段不同，它不是建立在殺死微生物的基礎上，而是在濾池內建立一個適合微生物生長繁殖的理想環境，不需要投加氧化型殺生劑來滅活微生物，因而也不需要投加還原劑來還原氧化型殺生劑，能有效防止反滲透膜頻繁的化學清洗，節約運行成本。

氧化型殺生劑具有殺生能力強、殺生作用快、藥劑持續時間長、pH值適用范圍廣的優點，缺點是氯消毒對反滲透膜有破壞作用，還需投加還原劑或設置活性炭過濾器來消除它的破壞作用。設置活性炭過濾器后，保安過濾器和反滲透裝置雖沒有余氯，但又會導致比較嚴重的微生物污染問題，還需要在保安濾池后投加非氧化型殺生劑，運行費用高。專用的非氧化型殺生劑具有殺生能力強、使用方便、毒性小等優點，對反滲透膜沒有破壞作用，缺點是價格昂貴。

反滲透膜的化學清洗可以恢復比較高的膜通量，仍有污染物殘留在膜表面，造成反滲透膜不可逆轉的損傷，且操作不當或不及時，仍會導致膜元件遭受損壞，很難完全恢復系統性能，頻繁的化學清洗會還會嚴重縮短反滲透膜的使用壽命，導致脫鹽處理費用增加。

4　微生物污染防治措施展望

反滲透膜的化學清洗屬于末端治理手段，是在微生物污染預處理系統選擇不當或在長期的運行中使用的恢復反滲透系統性能的措施，應盡量避免進行頻繁的化學清洗，延長反滲透膜的使用壽命。在實際應用中，盡可能加強預處理來降低反滲透膜的微生物污染。預處理措施中，投加殺生劑仍是預防微生物污染的主要措施。非氧化型殺生劑成本降低后，將逐步取代氧化型殺生劑，成為聚酰胺復合膜的主要殺生劑，而氧化型殺生劑與非氧化型殺生劑的綜合應用將是主要的殺生劑投加方式。隨著人們認識的提高，生物吸附及抑制工藝的工程應用呈快速增長趨勢，有望成為主要的防治反滲透膜的微生物污染的技術措施。

[1]李毓亮,金焱,張興文.反滲透膜污染過程與膜清洗的試驗研究.水處理技術,2010,36(3):46-48.

[2]姜寶鑫,楊慶峰.反滲透膜生物污染的研究進展.化工進展, 2010,29(8):1554-1560.

[3]鄭猛,吳青蕓,周浩媛,等.海水淡化反滲透膜微生物污染及防控研究進展.膜科學與技術,2015,35(1):123-130.

[4]李進,張葆宗.反滲透水處理系統微生物污染特性分析及對策.工業水處理,2000,20(5):10-12.

[5]趙輝.石化污水回用中反滲透膜的微生物污染.化工環保, 2009,29:123-125.

[6]梁建瑞.超濾-反滲透膜組合工藝處理電廠循環排污水.水處理技術,2006,32(6):79-81.

[7]何建軍.反滲透系統的污染及清洗.水處理技術,2002,28(5):299-301.

[8]周波.循環排污水回用作鍋爐補給水系統的優化運行.火電行業化學專業技術交流會,2013:225-228.