透明胞外聚合顆粒物的形成機制及控制膜污染的研究進展

透明胞外聚合顆粒物的形成機制及控制膜污染的研究進展

膜分離技術(shù)（膜生物檢測器、微濾、超濾和反滲透）具有很高的廣闊競爭優(yōu)勢，在海水淡化、水和廢水的處理和回用等水質(zhì)要求非常高的情況下具有很高的競爭力。然而，膜污染影響了膜相關(guān)工藝的處理效率，降低了膜的使用壽命，阻礙了膜分離技術(shù)的廣泛應用。透明胞外聚合顆粒物(transparentexopolymerparticles,TEP)的主要成分為酸性多糖,其他成分還包括蛋白質(zhì)、腐殖酸、氨基酸和金屬等本文綜述了TEP的形成途徑、測量方法、及其在不同水體中的含量,探討了TEP對生物膜和膜生物污染形成的潛在影響,在膜分離過程中的膜污染機理,以及緩解TEP相關(guān)膜污染的方法.最后建議了TEP在各種水和廢水處理與回用及膜分離技術(shù)中需要進一步研究的領(lǐng)域.TEP是一類廣泛存在于水環(huán)境中,具有特殊自由形態(tài)的黏性有機微凝膠1.1tep及tep前體的生長與形態(tài)如圖1所示,在TEP的生物形成途徑中,藻類和細菌利用水中的溶解性有機物參與新陳代謝,通過細胞表面黏液的脫落,微粒物質(zhì)的釋放,因細胞斷裂致胞內(nèi)物質(zhì)(有機碎屑)釋放等過程直接形成TEP或TEP前體微生物種類、生長階段以及形態(tài)等影響TEP和TEP前體的產(chǎn)生速率和濃度1.2tep的形成如圖1所示,在TEP的非生物形成途徑中,藻類和細菌釋放的TEP前體主要通過吸附、凝聚、黏合等過程形成亞微米凝膠,再進一步聚集形成TEP2.1tep的測量方法TEP呈透明或半透明,無法直接觀察.但TEP結(jié)構(gòu)中的羧化聚陰離子(—COO染色-比色法將含TEP的水樣依次通過一系列不同孔徑的聚碳酸酯膜,用染色-比色法測量每個膜表面截留物可以得到不同粒徑范圍的TEP含量(表1).如圖2c所示,Villacorte等將經(jīng)膜孔徑0.4μm的聚碳酸酯膜過濾后的濾液繼續(xù)通過膜孔徑0.05μm的聚碳酸酯膜過濾,用染色-比色法測量的孔徑0.05μm膜表面截留物被命名為膠體態(tài)TEP,粒徑在0.05—0.4μm之間,而用孔徑0.4μm膜分離出的TEP則被命名為顆粒態(tài)TEP染色-比色法只能測量TEP含量,但無法得到TEP外形等其他信息;而染色-顯微鏡計數(shù)法適合測量粒徑大于0.4μm的TEP含量并觀察其形態(tài).因而在實際測量中需要根據(jù)具體情況選用合適的測量方法通過TEP的可視化與定量分析可深入了解TEP在各種水體中的含量和特征,影響TEP形成的因素,有助于理解TEP在膜分離過程中的膜污染現(xiàn)象和機理.然而,染色-顯微鏡計數(shù)法和染色-比色法只能對TEP進行離線測量.Sim等在常規(guī)阿爾辛藍染色法的基礎(chǔ)上,提出一種利用光纖反射探針結(jié)合光譜儀測量TEP的新方法.這種方法能直接測量截留在膜表面的TEP含量,具有分析時間短、精確度高等優(yōu)點,為TEP的在線測量提供可能2.2tep的范圍1993年,Alldredge等學者利用染色-顯微鏡計數(shù)法首次在海洋中發(fā)現(xiàn)TEP3.1tep對生物膜和膜生物污染形成的潛在影響TEP的黏性比大多數(shù)有機物高2—4倍傳統(tǒng)研究認為,細菌分泌的EPS是細菌在附著面形成生物膜的唯一來源3.2tep的膜污染機理表3總結(jié)了TEP在不同膜分離過程(或系統(tǒng))中的膜污染現(xiàn)象.通過分析可知,微濾、超濾和反滲透過濾的膜污染程度隨TEP濃度的增加而加重不同粒徑、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的TEP在膜分離過程中表現(xiàn)出不同的膜污染機理.Meng等水中污染物質(zhì)的粒徑和膜孔徑的相對大小直接影響污染物在過濾中的膜污染機理.有機物粒徑和膜孔徑接近時更容易造成膜孔阻塞引起較高的膜阻力和不可逆膜污染,而粒徑較大物質(zhì)則更容易在膜表面形成濾餅層總而言之,與TEP相關(guān)的膜污染在膜分離系統(tǒng)中廣泛存在,通過分析研究這些膜污染現(xiàn)象,可為控制和緩解TEP相關(guān)膜污染技術(shù)的選擇和應用提供一定的理論依據(jù).3.3微濾和超濾的特點表4總結(jié)了文獻報道的去除TEP及緩解TEP相關(guān)膜污染的方法.通過分析可知,微濾可部分去除顆粒態(tài)TEP,超濾幾乎可100%去除水中的顆粒態(tài)TEP,但是不論微濾或超濾都只能部分去除膠體態(tài)TEP和TEP前體.膠體態(tài)TEP和TEP前體柔韌性高,在較高壓力下可擠過孔徑小于自身粒徑的膜孔,并在很短時間內(nèi)經(jīng)非生物途徑自發(fā)形成顆粒態(tài)TEP投加電解質(zhì)(如鈣、鐵)能減少膠體態(tài)TEP和TEP前體表面負電荷,降低靜電斥力,促使其聚合形成顆粒態(tài)TEP或Fe-有機復合體,有助于降低超濾膜阻力通過混凝/絮凝、沉淀和過濾等組合工藝可降低TEP含量,緩解TEP引起的膜孔阻塞和濾餅層污染,提高反沖洗效率膜分離過程污染物TEP是水環(huán)境中一種主要成分為酸性多糖的有機微凝膠.藻類和細菌的種類、溶解性有機物、環(huán)境因素等影響TEP的形成和含量.在膜分離過程中,高黏性TEP在膜表面形成凝膠層,對生物膜的早期形成與膜生物污染的形成起重要作用,并導致極高的過濾阻力.TEP的濃度、粒徑與結(jié)構(gòu)影響其在膜分離系統(tǒng)中的膜污染.在膜分離過程中,顆粒態(tài)TEP在微濾,超濾和反滲透膜表面附著造成濾餅層污染;而膠體態(tài)TEP和TEP前體可通過微濾和超濾膜孔在下游反滲透膜表面形成凝膠層,顯著增加膜過濾阻力.通過混凝/絮凝、沉淀、過濾等工藝能減少TEP含量或?qū)EP從膠體態(tài)轉(zhuǎn)化為顆粒態(tài),有效減輕膜污染.鑒于TEP在生物膜和膜生物污染形成的重要作用,對今后的研究方向提出一些建議.第一,目前主要用于測量TEP含量的染色-顯微鏡計數(shù)法或染色-比色法只能進行離線測量,因此建議將TEP的在線定量測量作為一個重點發(fā)展方向,提高TEP的檢測速度和準確度,快速評估膜分離系統(tǒng)中由于TEP積累造成的不利影響.第二,TEP被發(fā)現(xiàn)在多種膜分離系統(tǒng)中與膜污染形成密切相關(guān),膜阻力與T