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文 | 枫月书生A
编辑 | 枫月书生A
前言营养物限制已被提议作为膜系统的生物污垢控制策略，然而在磷限制和富集条件下渗透对生物膜发育的影响知之甚少。
而膜污染模拟器（MFS）中的生物膜发育情况，无论是否渗透，供水的剂量不同，磷浓度不同（0和25μgP·L -1）。
在渗透条件下操作的MFS在15.6L·m 2 ·h -1的恒定通量下运行4.7天。
进料通道压降、跨膜压力和通量被用作性能指标，使用光学相干断层扫描（OCT）图像和生物量定量来分析所形成的生物膜。
通过微波消解和电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-OES)对膜和垫片上积累的总磷浓度进行定量。
结果表明，渗透对生物膜发育的影响取决于营养条件，与高P条件（压降增加：206%；通量下降：11%）相比，低P浓度（压降增加：282%；通量下降：11%）影响更大。
0μgP·L−1时形成的生物膜由于生物膜在MFS中的定位和扩散，在渗透条件下导致更高的性能下降。
在渗透条件下，0μgP·L -1生长的生物膜在膜上形成了更厚的生物膜，与非渗透条件（5%）相比，对通量下降（11%）产生更强的影响。
膜上生物膜厚度的差异归因于渗透条件下膜生物膜中磷浓度较高，而渗透对生物膜的形成有影响，因此不应排除在生物污垢研究中。
微滤膜20世纪50年代末，发现了用于海水淡化的反渗透膜，膜科学取得了根本性突破。
从那时起，人类就受益于膜技术的重大进步，解决清洁水短缺问题的一项进步是使用纳滤膜(NF)作为一种有前景的水处理解决方案。
由于能量需求比反渗透(RO)膜系统更低，纳滤膜具有更环保的操作条件。
膜系统的主要缺点之一是膜污染，它可能以颗粒/胶体污染、有机/无机污染和生物污染的形式出现。
生物污染是指生物膜上细菌和细胞外聚合物(EPS)的积累。生物膜的形成分五个阶段进行：活动的浮游细菌细胞附着在表面、当细菌细胞聚集形成小菌落并开始分泌EPS时，附着变得不可逆转、细胞与细胞之间发生粘附，形成多层簇。
并形成生物膜、生物膜成熟并长成致密的蘑菇状结构；EPS矩阵提供针对环境威胁的保护、生物膜达到临界质量并分散浮游细菌细胞，这些细胞将在其他表面定植。
生物污垢会导致操作系统性能下降，例如压降增加、通量下降和盐通道增加。
据报道，生物污垢占所有膜污垢的45%以上，并且它被认为是纳滤和反渗透膜系统中的一个重大问题，因为它增加了能源需求和总体水成本。
生物污垢可能会使运营成本和总体水成本增加高达30%，而生物污垢被定义为膜工艺的“阿喀琉斯之踵”。
即使去除了99.9%的细菌细胞，剩余的细菌仍可以利用进水中的可生物降解营养物质形成生物膜。
造成生物污垢的主要因素是给水中的营养物浓度和系统中的剪切力，影响生物膜形成的第一个重要因素是给水中的营养物浓度。
因此，营养限制已被提议作为膜系统的生物污垢控制策略，最近的重点是分析给水中不同磷浓度对控制生物污垢或增强膜清洁策略的影响。
应用这种方法的挑战之一是确定微生物可以抑制其生长的磷浓度阈值，因为当前测量水中磷的技术的检测限不会低于微克每升的水平。
元素磷从不存在于水中，但总是以某种类型的磷酸盐形式存在。
大多数定量方法测量不同种类磷酸盐的浓度，然后进行计算以获得元素磷浓度。
磷酸盐可以是正磷酸盐（反应形式）、缩合磷酸盐和有机磷酸盐（非反应形式）。反应性磷酸盐或正磷酸盐很容易被微生物利用。
非反应性磷酸盐包括缩合磷酸盐和有机磷酸盐，缩合磷酸盐（如偏磷酸盐、焦磷酸盐和聚磷酸盐）是由氧原子连接的多个正磷酸盐分子。
有机磷酸盐是与有机化合物结合的磷酸盐，在磷限制下，细菌可以将反应性较低的磷酸盐（浓缩的和有机的）转化为正磷酸盐，增加水中可生物降解的磷浓度，以促进细菌的生存和生长（图1）。
图1 水中的总磷及其不同类型的磷酸盐。
影响生物膜形成的其他重要因素是流道中的流体动力学和剪切力，证明在膜污染模拟器中将错流速度从0.04增加到0.24m·s-1增加了反渗透膜上积累的生物量，转化为更高的压降增加。
至于渗透对生物膜发育的影响，渗透不影响生物膜的发育，因此对膜性能参数没有影响。
结论遵循渗透流速的垂直分量可以忽略不计的假设（对于NF约为1.1×10-5m·s-1对于RO，约为4.0×10-6m·s-1），与横流速度的较高平行分量（至少0.1m·s-1）相比。
在可同化有机碳浓度为250μgC·L-1时渗透和磷浓度（0和25μgP·L-1）对膜污染模拟器(MFS)中生物膜发育的影响，以及系统性能。
MFS在渗透条件下运行（恒定通量为15.6L·m2·h-1），并且无渗透条件运行了4.7天，而进料通道压降、跨膜压力和通量被用作膜性能参数。
使用光学相干断层扫描（OCT）图像和生物量定量来分析所形成的不同生物膜。
还能使用微波消解量化了膜和垫片上累积的总磷浓度，然后使用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-OES)进行测量。
已经进行了不同的实验室规模研究，不包括渗透力，这是首次研究比较不同磷浓度下渗透和非渗透条件对生物膜发育的影响，并量化膜和间隔物上积累的磷，以分析磷分布对生物膜发育的影响在膜系统中。
给水成分使用来自沙特阿拉伯图瓦尔海水淡化厂的不含氯的自来水作为给水。
给水中添加营养物，生物可降解碳和氮浓度分别为250μgC·L-1和25μgN·L-1，以及两种剂量的可生物降解磷浓度（0和25μgP·L-1）。
之前的生物膜研究是使用自来水进行的，通过添加SigmaAldrich的给水钠（磷酸盐、硝酸盐和醋酸盐），促进了MFS中生物膜的生长，碳和氮的剂量浓度是根据之前的生物膜选择的。
使用0µgP·L-1磷剂量浓度，因为之前的研究表明磷限制作为生物膜缓解策略。
磷投加浓度为25µgP·L−1遵循100:20:10的C:N:P比例，如多个生物污垢实验中所使用的那样。
为了抑制所配制的营养液中的细菌生长，通过添加氢氧化钠将pH值设置为11。
表格1 研究的实验营养和操作条件（实验一式三份进行MFS）。
正如之前的研究一样，通过将自来水通过活性炭过滤器来去除残留的氯。
然后，脱氯自来水流经两个筒式过滤器（孔径4µm），以去除活性炭过滤器中任何可能的颗粒。
然后将水泵入系统，如中所述图2，该系统由以下部分组成：(i)流量控制器、(ii)营养物剂量泵、(iii)膜污染模拟器、(iv)渗透流量控制器、(v)背压阀和(iv)差压传感器。
图2
实验装置原理图和图片，对于每个剂量的磷浓度和渗透条件，所有实验均在独立的膜污染模拟器中进行三次。
十二个独立的膜污染模拟器，MFS：有和没有渗透，一式三份运行，如中所述表格1。
放置在MFS中的膜是聚酰胺薄膜复合纳滤（NF）膜（NF90-400DOW），主动渗透尺寸为20cm×4cm。
使用31mil(787µm)厚的进料通道垫片，尺寸为20cm×4cm，孔隙率为0.85。
想要区分渗透对生物膜发育的影响，因此水平给水流量为L·h-1，对应线流速为0.13m·s-1，垂直渗透通量恒定为15.6L·m2·h-1。
相同的MFS用于无渗透条件，但渗透通量设置为0L·m2·h-1，以0.03L·h-1的低流速施用营养物4.7天，以增强生物膜的发育，以防止高pH营养液影响给水pH7.8。
MFS上的跨膜压力增加和进料通道压降用于监测膜随时间的性能。
每个MFS中记录的初始跨膜压力和压降分别为1.93±0.05bar和35±5mbar。
MFS运行4.7天后，一旦在至少一种营养条件下观察到压降大幅增加和生物膜生长，则通过将跨膜压力从0.5bar更改为4bar，对所有MFS进行通量下降。
MFS选择的压降增量模拟了领先RO元件入口处可能存在的生物污垢状况。
使用的膜和垫片、水力学和操作条件代表了实践中的纳滤系统。
MFS中的生物膜原位可视化使用具有5倍远心扫描镜头和中心光源波长930nm的谱域光学相干断层扫描(OCT)来原位观察生物膜。
二十四张图像是在MFS的不同随机坐标处拍摄的，这些图像是在折射率为1.33、频率为36kHz的情况下拍摄的。
图像的深度（z方向）和长度（x方向）分别为1.00毫米和5.00毫米。
z方向的像素尺寸设置为2.13μm，x方向的像素尺寸设置为10.00μm，而Matlab®用作图像处理软件，如之前出版物中所述。
图像分析如下进行：(i)自动定义膜，以及(ii)通过对高于20dB的像素执行自动阈值处理来确定生物膜。
20dB阈值是根据对200多张图像进行的测量来定义的，如之前所述，从玻璃底部到垫片下方5.00mm×0.61mm的区域被用来量化每个OCT强度间隔中的像素数。
光散射程度更高的生物膜会产生更高的强度，继续计算膜上积累的生物膜厚度，基于膜表面和生物膜顶部边缘之间的平均距离。
（1）
拆卸了膜污染模拟器，以量化和表征生物膜生物量，而生物膜中的总细菌细胞计数(TCC)是通过从MFS的入口和出口位置取回4×2cm的生物污染膜和垫片并使用流式细胞仪测量的。
三磷酸腺苷(ATP)测量是通过从MFS入口和出口位置取回4×4cm的膜和进料垫片来完成的，如以获得均匀的液体样品溶液。
使用光度计测定生物膜ATP浓度，样品测量一式三份，遵循Liu等人建立的甲醛-NaOH方法，通过回收4×4cm的膜和进料垫片进行胞外聚合物(EPS)定量。
然后将处理过的样品放入酶标仪中以确定碳水化合物和蛋白质的浓度。
使用BCA蛋白质测定试剂盒，测定蛋白质浓度，使用SpectraAmax340pc酶标仪在490nm和562nm的吸光度下分别测定样品中的碳水化合物和蛋白质浓度。
从MFS中取出4×4cm的生物污染膜和垫片，简而言之将膜和垫片独立放置在消化试管中，并向每个试管中添加5mL70%硝酸。使用ultraWAVE微波消解系统消解膜和垫片。
ultraWAVE基于将微波加热与高压反应器相结合的单反应室技术，用于在强酸中消解样品。
用20mL超纯水稀释消化后的样品。我们使用Perkin-ElmerOptima8300电感耦合等离子体发射光谱仪，根据方案确定膜和垫片上累积的总元素磷(P)浓度（反应性和非反应性）。
处理一式三份的生物污染膜和间隔物样品以及干净的膜和间隔物样品。
使用177.434nm波长来确定膜和垫片上累积的总磷浓度。ICP-OES对元素总磷测量的检测限高于80µgP·L-1。
系统性能分析了MFS中生长的生物膜的影响，无论是否渗透，供水的剂量不同，磷浓度（0和25μgP·L-1）和可同化有机碳浓度为250μgC·L-1。
在渗透条件下操作的MFS以15.6L·m2·h-1的恒定通量运行，图3A、B显示，对于测试的两种P浓度，渗透对进料通道压降的影响比无渗透更大。
图3FS运行4.7天的膜污染模拟器(MFS)性能参数。
与25μgP·L-1条件相比，在0条件下生长的生物膜观察到压降有更高的增加在渗透条件下。
类似地，在无渗透条件下，平均而言，与在25μgP·L-1下生长的生物膜相比，在0μgP·L-1下生长的生物膜发生了更高的压降增加（图3B）。
图3b无渗透时的进料通道压降随时间的变化
实验结束时，在0μgP·L-1磷浓度下生长的生物膜在渗透条件下运行的MFS的跨膜压力（2.18bar）高于25μgP·L-1磷浓度下生长的生物膜（2.18bar）。
为了了解生物膜的形成如何影响所有MFS中不同跨膜压力下的通量。
经过4.7天的MFS运行和生物膜生长后，我们将所有MFS的跨膜压力从0.5bar更改为4bar（有渗透和无渗透运行）。
结语自从认识到膜系统中的生物污垢问题以来，人们尽一切努力来控制生物污垢。
渗透是系统中的主要运行参数之一，为控制生物污垢而进行了，临界通量概念（低于一定通量则不会发生生物污垢）在之前得到了支持和反对。
仅控制通量是无法控制生物污垢的，即使给水中的磷浓度为超痕量活性磷酸盐，并且没有渗透，细菌也会形成生物膜，细菌细胞很少，但每个细胞的EPS很高。
此外，这项研究的结果强调，在通量条件下，生物污垢可能会更加严重，具体取决于营养物的可用性，强调需要将通量纳入生物污垢研究中。
需要进一步研究用于生物污垢控制的给水营养物控制，重点是通过更环保的方法来控制和增强清洁性的工程生物膜。
在给水中磷含量较低的某个阈值下，磷限制显示了一种开发生物膜的有前途的方法，这种生物膜更容易通过更可持续的方法控制和清洁。
迄今为止，大多数生物污垢研究都量化了总细胞计数，然而很少有研究来了解细菌细胞内大分子（如多磷酸盐）的类型和浓度，以确定生物膜发育和膜性能参数之间的关系。
细菌细胞内或EPS中的这些大分子可能会影响生物膜的发育和生物膜在流道中的定位。
因此，应继续分析给水中的营养物质、生物膜定位以及对膜性能下降的影响之间的关系。
