污水再生处理反渗透系统进水膜污堵潜势评价方法及指标体系

由于污水中的有机物含量显著高于海水,因此污水再生处理反渗透（RO）系统面临比海水淡化RO系统更加严重的污堵问题。为了有效预测和控制RO膜的污堵,需要对RO系统进水污堵潜势进行全面评价。从颗粒物/胶体污堵、无机结垢、有机污堵和生物污堵4个方面,分析了目前RO系统理论研究和工程实践中常用的进水污堵潜势评价方法和指标体系的特点。针对颗粒物/胶体污堵和无机结垢,实际工程中的潜势评价与控制方法已经相对成熟。然而,目前污水再生处理RO系统的工程设计中尚无针对有机污堵和生物污堵的指标。现有研究表明,在污水再生处理RO系统中,当进水ρ（DOC）<4 mg/L时,RO膜的污堵速率显著降低,可将该数值作为RO系统进水水质设计的参考。除有机物总量外,还应综合考虑有机物分子量和亲疏水性-酸碱性等组分特性,大分子、疏水中性和酸性物质更容易沉积于RO膜面导致污堵。在生物污堵方面,现有的针对进水生物量和生物膜生长速率（BFR）的指标均不能有效反映进水的生物污堵潜势,因此,生物污堵的预防和控制,仍是未来RO系统污堵防控领域的研究重点。     

反渗透膜生物污堵监测及其控制的研究进展

综述了RO膜面微生物群落结构及EPS的最新研究进展,并对RO膜生物污堵的监测技术和控制方法进行总结。膜面微生物中变形菌门（α-,β-和γ-变形菌纲）、拟杆菌门和浮霉菌门相对丰度较高,产生EPS较多的鞘氨醇单胞菌属、假单胞菌属在膜污堵中起到重要作用。EPS中多糖更易附着于膜面,EPS中大分子组分的RO膜污堵潜势更高,透明胞外聚合物（TEP）能促进生物污堵的形成。对进水中有机物参数和微生物参数的测定能反映进水RO膜污堵潜势,但并不能用于确定膜面污堵的实际情况。而对RO膜组件的动态监测能够及时反映膜污堵状态。进水预处理和膜清洗已被用于延缓RO膜生物污堵,而膜改性和生物处理等方法的开发为RO膜生物污堵的控制提供了新途径。根据研究现状,认为今后反渗透膜抗生物污堵的研究需要完善进水生物污堵潜势评价指标,加大对膜面污堵中优势菌群和污堵潜势大的EPS的控制研究,并对新型抗污染改性膜的工程实用性进行关注。     

不同细菌分泌物及其反渗透膜污堵特性比较

反渗透(RO)工艺在城市污水再生处理中的应用越来越多,但膜污堵严重影响了该工艺的稳定运行.溶解性微生物产物(SMP)是造成RO膜污堵的最主要的有机物.本文以再生水厂RO膜面分离的两种细菌Pseudomonas sp. AM1-1和Chromobacterium sp.AM1-2的SMP为研究对象,比较了两者SMP的组成成分及其对RO膜的污堵能力.结果发现,在葡萄糖培养基中培养至稳定期后,两者产生的SMP中多糖与蛋白质比例均约为1∶1,AM1-1的SMP中多糖和蛋白质均呈双峰式分布,分布于大于10~5Da和小于10~3Da两个范围;AM1-2的SMP中,多糖分子量呈双峰式分布,主要分布于大于10~6Da的范围,有少量小于10~3Da,蛋白质分子量小于10~3Da.通过RO错流过滤污堵实验装置考察了两种SMP对RO膜的污堵特性,发现SMP中大分子有机物的分子量与SMP的膜污堵潜力密切相关,有机物分子量越大,SMP的膜污堵潜力越高,而多糖和蛋白质的比例并不是决定SMP膜污堵潜力的关键.因此,减少SMP中的大分子量物质(特别是大分子多糖)在RO膜表面的沉积,是缓解SMP造成的RO膜污堵的关键.     

基于群体感应的水处理膜生物污染控制研究进展

生物污染是水处理膜分离应用面临的主要问题之一。生物膜的形成受细菌群体感应系统调控,群体感应抑制是控制膜生物污染的新兴技术。介绍了群体感应机制及其参与生物膜形成的有关研究。通过干扰和阻断细菌的信息交流通路,可阻止群体感应依赖型基因表达从而抑制细菌的特定群体行为。综述了基于细菌群体感应和群体淬灭的水处理膜生物污染控制研究,考察了各类群体感应抑制剂在膜法水处理系统中的应用,以及抑制剂固定化、膜材料改性等研究进展,展望了群体感应理论在膜生物污染控制中的研究方向。     

甲基异噻唑琳酮对MBR出水微生物生长分泌特性及群落结构的影响

污水再生处理反渗透(RO)工艺已在国内外获得广泛应用,但膜污堵问题阻碍RO工艺的进一步推广.投加非氧化性抑菌剂是控制RO膜生物污堵的常用手段,能够抑制细菌生长,但对细菌代谢产物分泌特性的影响尚不清楚.本课题的前期研究表明,细菌的胞外多聚物(EPS)是导致反渗透膜生物污堵的重要因素,细菌数量并非导致RO膜污堵的主要原因.针对上述问题,本文系统考察了典型非氧化性抑菌剂——甲基异噻唑啉酮(MIT)对RO系统进水(MBR出水)微生物的生长特性、群落结构及分泌特性的影响.研究发现,随MIT浓度增加,微生物生长迟滞期明显增长,但稳定期生物量增加;放线菌门、放线菌纲、类节杆菌属相对丰度明显增加;微生物分泌产物胞外多聚物(EPS)浓度增加,可能加重RO膜污堵潜势.上述结果表明,在污水再生处理反渗透系统中,MIT高浓度、长时间间隔的冲击式投加可能不利于膜污堵控制.     

Experimental and modeling investigations on the unexpected hydrogen sulfide rebound in a sewer receiving nitrate addition: Mechanism and solution

Biogenic hydrogen sulfide is an odorous, toxic and corrosive gas released from sewage in sewers. To control sulfide generation and emission, nitrate is extensively applied in sewer systems for decades. However, the unexpected sulfide rebound after nitrate addition is being questioned in recent studies. Possible reasons for the sulfide rebounds have been studied, but the mechanism is still unclear, so the countermeasure is not yet proposed. In this study, a lab-scale sewer system was developed for investigating the unexpected sulfide rebounds via the traditional strategy of nitrate addition during 195-days of operation. It was observed that the sulfide pollution was even severe in a sewer receiving nitrate addition. The mechanism for the sulfide rebound can be differentiated into short-term and long-term effects based on the dominant contribution. The accumulation of intermediate elemental sulfur in biofilm resulted in a rapid sulfide rebound via the high-rate sulfur reduction after the depletion of nitrate in a short period. The presence of nitrate in sewer promoted the microorganism proliferation in biofilm, increased the biofilm thickness, re-shaped the microbial community and enhanced biological denitrification and sulfur production, which further weakened the effect of nitrate on sulfide control during the long-term operation. An optimized biofilm-initiated sewer process model demonstrated that neither the intermittent nitrate addition nor the continuous nitrate addition was a sustainable strategy for the sulfide control. To minimize the negative impact from sulfide rebounds, a (bi)monthly routine maintenance (e.g., hydraulic flushing with nitrate spike) to remove the proliferative microorganism in biofilm is necessary.     

Determination of the cellulase activity distribution in Clostridium thermocellum and Caldicellulosiruptor obsidiansis cultures using a fluorescent substrate

This study took advantage of resorufin cellobioside as a fluorescent substrate to determine the distribution of cellulase activity in cellulosic biomass fermentation systems. Cellulolytic biofilms were found to express nearly four orders greater cellulase activity compared to planktonic cultures of Clostridium thermocellum and Caldicellulosiruptor obsidiansis, which can be primarily attributed to the high cell concentration and surface attachment. The formation of biofilms results in cellulases being secreted close to their substrates, which appears to be an energetically favorable stategy for insoluble substrate utilization. For the same reason, cellulases should be closely associated with the surfaces of suspended cell in soluble substrate-fed culture, which has been verified with cellobiose-fed cultures of C. thermocellum and C. obsidiansis. This study addressed the importance of cellulase activity distribution in cellulosic biomass fermentation, and provided theoretical foundation for the leading role of biofilm in cellulose degradation. System optimization and reactor designs that promote biofilm formation in cellulosic biomass hydrolysis may promise an improved cellulosic biofuel process.     

紫外线消毒对再生水中微生物生长分泌特性的影响

膜污堵是阻碍污水再生处理反渗透（RO）系统稳定、高效运行的突出问题。前期研究表明,RO系统常用的氯消毒预处理会导致微生物群落结构及代谢产物分泌特性发生显著改变,从而引起严重的生物污堵。为优化污水再生处理RO系统的预处理工艺选择,该研究全面考察了紫外线消毒对再生水中细菌的生长、群落结构和分泌特性的影响。结果表明:紫外线剂量为20,40,80 mJ/cm2时,对膜生物反应器出水中细菌的灭活率分别可达1log、3log、4log。紫外消毒后,存活细菌再培养时其生长迟滞期变长,稳定期细菌数量在紫外线剂量为40,80 mJ/cm2时分别比对照组降低18.6%和19.2%。高紫外线剂量下（40,80 mJ/cm2）,变形菌门、β-变形菌纲、詹森菌属相对丰度有所增加。分泌特性方面,细菌胞外多聚物含量随紫外线剂量升高先减少后增多,且其中大分子物质增多,并表现出更强的RO膜污堵潜势。     

MBBR泥膜复合系统泥膜竞争关系的影响因素

为探究MBBR泥膜复合硝化系统内泥膜竞争关系，通过小试试验研究了水处理过程中常规因素（污泥浓度、DO、温度、C/N）对MBBR泥膜复合系统硝化效果的影响，分析了系统内污泥容积负荷和移动床生物膜反应器（MBBR，Moving-Bed Biofilm Reactor）生物膜容积负荷变化趋势，进而得出泥膜竞争规律.结果表明，MBBR泥膜复合系统容积负荷均大于单一污泥或MBBR生物膜系统的容积负荷.在一定范围内，污泥浓度、DO、温度与MBBR泥膜复合系统容积负荷呈现正相关，且系统内活性污泥在与MBBR生物膜在竞争DO和基质时优势明显，而MBBR生物膜则具有更强的耐低温能力.进水C/N与MBBR泥膜复合系统硝化负荷呈负相关，且活性污泥在应对进水C/N过高时较MBBR生物膜更具优势，MBBR的“镶嵌”则强化了系统SND效果.微生物群落变化显示MBBR泥膜复合系统内的硝化细菌优势菌属为Nitrospira，且悬浮载体生物膜对其富集能力明显高于活性污泥.     

MBBR泥膜复合系统泥膜竞争关系的影响因素

为探究MBBR泥膜复合硝化系统内泥膜竞争关系，通过小试试验研究了水处理过程中常规因素（污泥浓度、DO、温度、C/N）对MBBR泥膜复合系统硝化效果的影响，分析了系统内污泥容积负荷和移动床生物膜反应器（MBBR，Moving-Bed Biofilm Reactor）生物膜容积负荷变化趋势，进而得出泥膜竞争规律.结果表明，MBBR泥膜复合系统容积负荷均大于单一污泥或MBBR生物膜系统的容积负荷.在一定范围内，污泥浓度、DO、温度与MBBR泥膜复合系统容积负荷呈现正相关，且系统内活性污泥在与MBBR生物膜在竞争DO和基质时优势明显，而MBBR生物膜则具有更强的耐低温能力.进水C/N与MBBR泥膜复合系统硝化负荷呈负相关，且活性污泥在应对进水C/N过高时较MBBR生物膜更具优势，MBBR的“镶嵌”则强化了系统SND效果.微生物群落变化显示MBBR泥膜复合系统内的硝化细菌优势菌属为Nitrospira，且悬浮载体生物膜对其富集能力明显高于活性污泥.     

应用绿色荧光蛋白基因标记细菌进行生物膜结构定量化新方法

绿色荧光蛋白基因pEGFP经CaCl₂转化法标记E.coli JM109菌株,获得的标记菌株作为模式细菌接种含50μg/mL氨苄的LB培养基,在摇瓶中与火山岩颗粒共混培养挂膜(37℃,120r/min,16h).用激光共聚焦扫描显微镜摄取获得火山岩填料生物膜250μm×250μm区域不同层面的图片堆,所获图片堆经COMSTAT程序处理可以获得相关的定量化参数,如16h生物膜平均厚度为0.120844μm,生物膜最大厚度为10.5μm,生物膜体积为0.136986μm³/μm²,生物膜表面积21338.1μm²,生物膜比表面积为3.36854μm²/μm³.该方法也可以扩展至其他绿色荧光蛋白基因标记细菌的生物膜结构定量化.     

XDLVO理论解析有机物和钙离子对纳滤膜生物污染的影响

为了揭示有机物和Ca2+浓度对纳滤膜生物污染的影响机制,选用铜绿假单胞菌(PA)为模式菌株,海藻酸钠(SA)、牛血清白蛋白(BSA)和腐殖酸(HA)为典型废水有机物,采用extended derjaguin–landau–verwey–overbeek(XDLVO)理论定量解析了不同进水条件下膜预处理和生物污染过程的界面相互作用.结果表明,Ca2+浓度为5mmol/L时,SA预处理后膜面亲水性最强,粘聚自由能高达42.96mJ/m2,与PA、SA的界面自由能最高,分别为45.85和39.64mJ/m2,抑制膜的生物污染.而Ca2+浓度为2mmol/L时,BSA预处理后膜面疏水性最强,粘聚自由能低至–40.32mJ/m2,与PA、BSA的界面自由能最低,分别为3.49和–26.36mJ/m2,促进膜的生物污染.所有污染过程中,范德华作用能差异较小,而静电作用能绝对值极小,贡献微弱,有机物和Ca2+浓度对膜生物污染的影响主要体现在对疏水作用能的影响.     

Biofilm structure and its influence on clogging in drip irrigation emitters distributing reclaimed wastewater

Using reclaimed wastewater for crop irrigation is a practical alternative to discharge wastewater treatment plant effluents into surface waters.However,biofouling has been identified as a major contributor to emitter clogging in drip irrigation systems distributing reclaimed wastewater.Little is known about the biofilm structure and its influence on clogging in the drip emitter flow path.This study was first to investigate the microbial characteristics of mature biofilms present in the emitters and the effect of flow path structures on the biofilm microbial communities.The analysis of biofilm matrix structure using a scanning electron microscopy (SEM) revealed that particles in the matrix of the biofilm coupled extracellular polysaccharides (EPS) and formed sediment in the emitter flow path.Analysis of biofilm mass including protein,polysaccharide and phospholipid fatty acids (PLFAs) showed that emitter flow path style influenced biofilm community structure and diversity.The correlations of biofilm biomass and discharge reduction after 360 h irrigation were computed and suggest that PFLAs provide the best correlation coefficient.Comparatively,the emitter with the unsymmetrical dentate structure and shorter flow path (Emitter C) had the best anti-clogging capability.By optimizing the dentate structure,the internal flow pattern within the flow path could be enhanced as an important method to control the biofilm within emitter flow path.This study established electron microscope techniques and biochemical microbial analysis methods that may provide a framework for future emitter biofilm studies.     

群体感应淬灭菌的分离及其膜污染控制性能

通过淬灭细菌的群体感应系统来抑制生物膜形成、防止膜生物污染的方法近年来受到广泛关注.本实验从实际运行污水处理厂活性污泥中分离出5株具有群体感应淬灭功能的菌株,其中菌株HG10对信号分子N-乙酰高丝氨酸环内酯(C6-HSL)分解能力最强.经16S rRNA基因序列比对,初步鉴定为蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus).用海藻酸钠将菌株HG10进行包埋固定,以探究其在膜过滤系统中对膜污染防治的效果.结果表明,经过8 d培养,添加细菌包埋珠(SA-HG10)的实验组B中膜通量为181.29 L·(m~2·h)~(-1),未投加包埋珠的对照组A膜通量为110.64 L·(m~2·h)~(-1),B组膜通量比A组高出63.86%;对微滤膜片上生物膜中EPS含量测定表明,实验组B中EPS多糖和蛋白质含量较对照组A分别减少了29%和48%,疏水性蛋白质含量的大量减少是造成膜污染减弱的主要原因;膜表面胞外聚合物(EPS)总含量减少了43%,表明投放SA-HG10细菌包埋珠对过滤膜片上生物膜形成具有明显抑制作用,改善了膜过滤性能.     

我国沿海港口的微观生物初期污损调查

目的对我国渤海、黄海、东海和南海海域的港口进行微观生物污损调查。方法在天津、青岛、宁波、湛江和三亚的港口进行实海挂样试验,通过染色、封装、显微观察、计数等方法,对我国沿海从北到南五个港口微观生物的初期污损进行调查。结果通过玻片实海浸挂和荧光显微观察法,建立了一种生物污损初期附着状况的试验调查方法。微观生物污损主要以细菌和硅藻为主,在样片浸入海水后的数小时内,表面即附着微观生物。不同港口的挂片表面所附着的生物量存在差异,实海挂片24h后,样片表面附着的细菌数量约为100～300cells/mm~2,微藻数量约为10～60cells/mm~2。在相同试验周期内,水温较高海域收集到的样片表面的生物量较大。随港口纬度的升高,样片表面的生物量减少。结论我国沿海海港的微观污损生物均以细菌和硅藻为主,初期生物附着量受港口所处纬度影响,五个港口一天内的微观生物附着量均大于10 cells/mm~2。     

煤化工废水反渗透处理系统的运行效果及膜污染分析

针对煤化工废水反渗透（RO）膜处理系统夏季严重污堵的问题,本研究以实际某煤化工污水处理厂一级两段式RO系统为考察对象,分析了系统运行效能及膜污染特征.研究发现,生化段稳定地实现了有机物的削减,离子交换树脂进一步保障了产水的脱盐率,促进实现高水回收率,是煤化工废水零排放的重要保障.但对膜系统而言,脱盐及有机物去除的主要负荷集中在RO过程,一段/二段RO脱盐率分别为94.16%和96.16%,COD去除率分别为68.12%和87.4%;相对进水,一段RO有机物浓缩了9倍,二段RO盐浓缩了5倍.因此,两段膜过程都出现显著的膜污染,一段RO以有机-微生物-硅污染为主,形成致密的污染层,由进口到出口逐渐增厚,主要为蛋白质、多糖、腐殖酸;二段RO以Ca、Mg等的无机结垢为主,污染层结构相对松散,由进口到出口片状结晶逐渐增大.因此,预处理工艺的稳定运行及对污染物的去除以减轻RO过程的污染负荷是膜污染控制的关键;同时,针对RO系统中膜污染分布特征,制定杀菌、阻垢和化学清洗等膜污染控制策略以防止形成微生物抗性及"清洗剂抗性"具有重要意义.     

SPG膜曝气-基因工程菌生物膜反应器处理阿特拉津废水研究

膜曝气-生物膜反应器(MABR)是一种新型的膜-生物废水处理工艺,在MABR中采用基因工程菌生物膜可以强化难降解污染物的生物去除.本研究在SPG膜表面形成基因工程菌生物膜,运行SPG膜曝气-生物膜反应器(SPG-MABR)处理阿特拉津废水,考察了气压、挂膜生物量和液体流速对SPG-MABR运行性能的影响,以及基因工程菌生物膜的变化.结果表明,提高气压可以增大透氧系数,从而提高阿特拉津和COD的去除速率以及复氧速率.提高挂膜生物量能够加快阿特拉津和COD的生物去除,但生物膜厚度增加使得氧传质阻力增大,复氧速率降低.层流状态下减小SPG-MABR中的液体流速,有利于污染物向生物膜扩散传质,从而提高污染物去除速率.气压为300 kPa、生物量为25 g·m-2、液体流速为0.05 m·s-1时,SPGMABR反应器对阿特拉津5 d的去除率可以达到98.6%.在SPG-MABR运行过程中,基因工程菌生物膜呈现微生物多态化趋势.生物膜表面逐渐被其他微生物细胞覆盖,基因工程菌分布减少,生物膜内部仍以基因工程菌细胞为主.     

固定化条件对苯系物细胞传感器检测效果的影响

利用海藻酸钠作为包埋剂对苯系物细胞传感器Pseudomonas fluorescens A506(pTS)进行固定化处理,并对细胞浓度、固定化时间、投加量等检测因素进行了优化.固定化后的细胞与游离细胞对苯系污染物的检测效果进行对比.经过2 h固定化处理的细胞传感器,在检测时间1.5～6.0 h内,信号上升速度为游离细胞的2.26倍,信号最大值为游离细胞的2.23倍.固定化处理后的细胞生长缓慢,且浓度远低于游离细胞,说明了固定化处理后的单位细胞信号强度增加.同时,细胞浓度随着固定化时间的延长而降低.在影响因素方面,细胞浓度和固定化时间对于检测信号的影响较大.固定化后,对高浓度的苯系污染物有着更快的信号响应.     

FISH法检测生物膜中硝化细菌流程的建立及优化

通过试验筛检荧光原位杂交（FISH）技术在检测反应器生物膜中硝化细菌时适合的实验条件。结果显示,FISH技术检测生物膜中硝化细菌时．较好的预处理条件和杂交条件为：样品在热固定前不需1xPBS清洗;检测生物膜中硝化细菌的实验条件：①硝酸细菌：杂交温度46℃,杂交时间5h,洗脱液中c（NaCl）为55mmol／L;（爹亚硝酸细菌：杂交温度46℃,杂交时间3h,洗脱液中c（NaCl）为30～40mmol/L。     

半导体行业废水的反渗透膜污堵机制与控制策略

半导体行业是我国大力发展的高精尖产业,废水产生量大、再生处理难度高.半导体行业废水再生处理过程中,反渗透(reverse osmosis, RO)是重要的污染物去除单元,但面临的膜污堵问题严重影响了其效率与经济性.本文梳理了半导体行业废水的种类与典型污染物,总结了半导体行业废水导致反渗透膜污堵的主要机制及控制手段,提出了针对半导体行业废水特点的膜污堵控制策略.半导体生产的不同工序会产生多种废水,包括含氟废水、含磷废水、含氨废水、重金属废水、有机废水与酸碱废水等.废水中污染物种类多且可生化性普遍较差.通常,不同种类废水分类经分质收集后,进行相应的预处理,之后部分合流处理并进入RO系统.半导体行业废水中的金属离子或氟离子易在反渗透膜面形成无机结垢,表面活性剂易形成有机污堵.反渗透膜污堵可通过预处理、膜清洗与运行条件调控等手段进行控制,如超滤、EDTA清洗剂与pH调节等,但大部分现有手段对半导体行业废水造成的污堵控制能力有限.建议未来开发针对关键污染物的预处理技术与定制化的膜清洗方案;并结合半导体生产工序,提出针对污染物关键相互作用关系的废水收集与再生处理整体策略.