精選木魚石濾料生產(chǎn)廠家酶洗可緩解由多糖引發(fā)的反滲透膜反復(fù)污染問題

　　精選木魚石濾料廠家酶洗可緩解由多糖引發(fā)的反滲透膜反復(fù)污染問題。化學(xué)藥劑清洗能力有限、殘余污染物的抗清洗性不斷增強……“越洗越難洗”已成為當(dāng)前困擾膜清洗技術(shù)可持續(xù)運行的重大瓶頸，并由此引發(fā)膜污染的不斷反復(fù)。“慢藥治頑疾”，或許改變控制策略，轉(zhuǎn)而向溫和清洗的方向發(fā)展會開辟一條新的道路。

　　在這個指導(dǎo)思路下，本研究提出一種堿性含酶優(yōu)化配方，通過連續(xù)錯流實驗測試了不同清洗劑的清洗效率(η)、清洗后的再污染速率，著重評價并對比了酶制劑和商售化學(xué)洗劑的長期性能。此外，進一步通過多種表征手段(SEM-EDS、AFM、紅外光譜、多糖/蛋白定量分析、3D-EEM、CLSM等)和微生物分析(測序及組學(xué)分析、生態(tài)互作網(wǎng)絡(luò)分析)，揭示了以微生物所分泌多糖為首要污染物的再污染和清除機理。

　　引言

　　應(yīng)用苛性化學(xué)清洗劑的在線清洗(Cleaning-in-place, CIP)是控制膜污染的主要手段之一。然而，其較極端的pH條件會對膜造成不可逆損傷。因此，開發(fā)溫和的膜清洗藥劑十分必要。酶制劑因其高效性和特異性被認(rèn)為是一種有潛力的替代品。目前，脂肪酶、蛋白酶和多種多糖酶已在造紙業(yè)、屠宰業(yè)、啤酒釀造和乳制品等食品加工業(yè)的廢水處理系統(tǒng)中有一定應(yīng)用，但人們對酶制劑的效果仍將信將疑。因此，含酶制劑的清洗特點、長期效果及清洗機理尚不明晰，亟待探究。

　　此外，考慮到生物污染往往是膜污染控制的重點，傳統(tǒng)化學(xué)清洗劑和新型含酶清洗劑：

　　1. 對膜表有機污染物有怎樣的降解和去除效果?

　　2. 對殘存生物膜有何影響?

　　3. 生物污染和有機污染物的耦效應(yīng)在此過程中又發(fā)揮了怎樣的作用?

　　這三個問題也在本研究中得到了回答。

　　圖文導(dǎo)讀

　　在長期過程中，化學(xué)清洗(η = (83.5±3.0)%)效果穩(wěn)定，但再污染速度快，且污染行為逐漸由標(biāo)準(zhǔn)孔堵塞(standard blocking)轉(zhuǎn)化為凝膠層形成(gel-layer formation)。而酶洗在擁有相當(dāng)清洗效率(η = (77.2±9.5)%)的同時，大大延緩了再污染。此外，化學(xué)清洗組的污染物殘余量雖然較少(<8.5 μgTOC/cm2)，但從Cycle1至Cycle3，其污染層比阻力上升了3倍;同時，污染層中多糖的相對比例升高了近20%。相比之下，酶洗組中膜表污染物雖大量積累(>20.0 μgTOC/cm2)，但其組分和過濾比阻力基本不變。

　　圖1. 連續(xù)錯流實驗中，(A)歸一化膜通量(J/J0)隨時間的變化情況，其中Enz+SDS*和Lava*分別表示長期酶洗和苛性化學(xué)清洗實驗組。實驗中，共進行四次采樣，采樣時間點用紅色虛線框在圖中標(biāo)出。(B)膜表殘余污染層的性質(zhì)，包括過濾比阻力(Resistance per TOC)和三種主要有機物在污染層中的比例(餅圖)，并附上肉眼觀察到的膜片照片。

　　通過原子力顯微鏡(AFM)觀測進一步發(fā)現(xiàn)，長期苛性化學(xué)清洗后，膜表殘余污染層的Rrms和SAD值均較低，說明其污染層結(jié)構(gòu)光滑而致密;相比之下，酶洗組表面“溝壑縱橫、崎嶇不平”，說明形成了疏松多孔的結(jié)構(gòu)。這與掃描電鏡下的觀測結(jié)果一致。此外，利用熒光染料對多糖類物質(zhì)和核酸染色。用ImageJ軟件對所得CLSM圖像進一步量化分析后，所得結(jié)論被再次印證：酶洗雖然因為較溫和而對微生物去除不足，但形成的污染層厚而疏松;苛性化學(xué)清洗對微生物有顯著滅活效果，但黏性多糖成為殘存EPS matrix中的首要污染物，薄而致密。作者認(rèn)為多糖類物質(zhì)較強的黏性、溶脹性(gelling property)和較弱的可壓縮性(compressibility)正是導(dǎo)致化學(xué)清洗組污染層比阻快速上升的重要因素;這也與前人文章的相關(guān)報道相符。

　　圖2. (A)AFM觀測結(jié)果，包括Rrms值和表面積差SAD值，可分別反映表面粗糙度和多孔程度。(B)CLSM觀測結(jié)果：頂部為不同深度下的熒光截面，底部為所觀測EPS matrix的全貌。紅色和綠色熒光分別為多糖和核酸信號。

　　此外，清洗藥劑可定向選擇膜表面微生物群落的演替方向：酶洗組溫和的特性使得所施加壓力較小，從而保留了更多初始附著的物種(如Sphingopyxis);而化學(xué)清洗組不斷富集可分泌黏性多糖的頑固物種。主成分分析表明，具有相似清洗強度或清洗壓力的清洗方法往往最終可形成具有相似結(jié)構(gòu)的微生物群落。冗余分析進一步揭示這種選擇性壓力的主要來源是清洗劑中的螯合成分，而Sphingopyxis，F(xiàn)lavobacterium和Pseudomonas則是最易受到影響的三種關(guān)鍵物種。更重要的是，3D-EEM圖譜顯示進水與膜表提取物中有機物的熒光特征并不匹配，說明微生物產(chǎn)物在膜污染中起到了重要作用。

　　圖3. 微生物群落結(jié)構(gòu)。(A)種級別上的物種分布;(B)不同清洗劑所得殘存生物膜群落結(jié)構(gòu)的主成分分析結(jié)果;(C)冗余分析，展示了不同清洗因素(紫色箭頭)對群落的影響，及前五個最易受影響的物種(金色箭頭)。

　　為了深入探究生物污染和有機污染的耦合效應(yīng)，本研究進一步使用基于RMT算法的系統(tǒng)發(fā)育分析來揭示殘存生物膜中的微生物互作關(guān)系。結(jié)果表明，化學(xué)清洗組具有更簡潔高效、模塊化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且Xanthomonas、Pseudomonas等可大量分泌黏性多糖的物種在網(wǎng)絡(luò)中起到樞紐作用，如模塊核心和連接器。這一切證據(jù)顯示更穩(wěn)定、成熟的生物群落已經(jīng)形成，并導(dǎo)致清洗后再污染速率加快、抗化學(xué)清洗性能被不斷加強。

　　圖4. 微生物互作網(wǎng)絡(luò)分析，其中(A)和(B)分別展示了長期酶洗和苛性化學(xué)清洗所得生物群落的互作網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，(C)為對網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點拓?fù)浣巧�的分析�?/span>

　　小結(jié)

　　本文探究了含酶清洗劑的清洗效果和清洗機理，發(fā)現(xiàn)清洗劑通過對生物膜施加不同壓力影響群落組成，進而改變污染層的有機組分、結(jié)構(gòu)和性能 (如致密凝膠或松散多孔)，并最終影響再污染行為。主要結(jié)論如下：

　　1. 從長期效果來看，酶制劑可獲得與化學(xué)清洗劑相當(dāng)?shù)那逑葱�率�?. 不同CIP過程對微生物產(chǎn)生不同的選擇壓力，并影響微生物演替方向。3. 酶洗：有機物大量積累，但結(jié)構(gòu)松散，多糖占比較小，緩解再污染;苛性化學(xué)清洗：不斷富集可分泌黏性多糖的物種，且它們在微生物互作網(wǎng)絡(luò)中起到核心作用。

　　更重要的是，這項研究引發(fā)了對反滲透系統(tǒng)中膜污染控制理念的反思，即哪種策略在長期內(nèi)更為有利：傳統(tǒng)化學(xué)在線清洗一樣的短時苛性刺激?還是酶洗般的慢性溫和調(diào)節(jié)?這為今后可持續(xù)膜清洗策略的發(fā)展方向提供了一種參考。

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