(1)膜材料的性质膜材料自身的性质包括膜的孔径大小及分布、膜表面的电荷性、疏水性等的影响。
严格地控制膜孔径对于提高膜对微生物的去除效率起着重要的作用。细菌的个体通常在15m左右,从理论上讲,选择0.25m甚至孔径更大的微滤膜也能达到对最小细菌的完全截留,但实际并非如此。因为从膜性质方面来考虑的话,我们通常所指的膜孔径指膜的平均孔径,膜孔径的分布并不完全均匀,而是存在一个孔径分布范围。通常膜孔径分布越不均匀,微生物透过膜的概率会越大。
疏水性直接关系到微生物体之间的相互作用(絮凝)以及固体和液体的相互作用(吸附),从而影响去除效果。颗粒表面带电荷的多少会影响疏水性,通常疏水性随溶液中电解质浓度的增大呈线性增加,但是表面活性剂的投加会降低疏水作用。因此,改变膜材料的亲疏水性、调节溶液的pH值、投加电解质或表面活性剂等都能影响膜对细菌和病毒的去除效果。Voorthuizen研究发现,疏水性的膜对MS-2病毒的截留比亲水性的膜要大26个数量级。
(2)溶液环境在膜分离过程中,溶液pH值、离子强度等对微生物颗粒在膜面上的沉积或吸附产生影响。
一定的pH值条件下,微生物颗粒在膜表面的吸附是两者所带电荷相互作用的结果。在较强的酸性溶液中.狡基的游离被抑制,病毒颗粒带正电荷;在较强的碱性溶液中,氨基的游离被抑制,病毒颗粒带负电荷;在某pH值下.可能出现病毒颗粒电中性的情况,这一pH值称为该病毒颗粒的等电点。在等电点时,分子呈电中性,溶质分子间的排斥力为零,微生物体之间相互作用(絮凝),溶解度最小,因而最易析出并聚集在滤膜的表面。吸附一旦形成,在膜面上会生成带电荷的蛋白质分子层,所形成的吸附层越紧密,对病毒颗粒的进一步截留能力也越大。Herath等研究表明,在较低的pH值的溶液环境比高pH值的溶液环境的截留率高,当pH值在病毒颗粒的等电点时去除率最高。
溶液中离子强度增加会改变蛋白质的构型和分散性,从而影响其吸附。当水中含有与胶体电荷相反的电解质时,胶体颗粒表面双电层中的扩散层因反离子(电荷与胶体电荷反号的离子)作用而被压缩。Zeta电位降低,静电斥力数值减少,作用范围也减少,从而使微生物体与膜接近而相互吸附。当水中电解质浓度增加并达到一定浓度时.体系将发生缓慢的凝聚作用。如继续增加电解质的浓度,导致相互间引力占优势.颗粒相互靠近,使得不同微生物颗粒之间容易相互吸附,微生物胶体的稳定性下降。Voortlniizen研究表明,随着盐浓度的升高.膜对病毒颗粒MS-2的截流效果也明显提高。
(3)操作条件操作条件包括料液流速、操作压力、运行时间以及膜阻力的大小等。
Herath等采用0. 15m的陶瓷膜对病毒Q13(0. 024~0. 025um)进行截留实验,发现当液料流速增加,去除率增加,而操作压力增加,则去除率减小。认为较高的液料流速可以减小浓差极化或沉积层的形成.降低生物体穿过膜孔的概率;过高的操作压力能导致生物体的变形.使其更易穿过膜孔。但对高压下引起的细菌的变形有不同的观点。其中一种观点认为是由于膜的实际孔径大于其标称孔径或者由于膜的劣化引起。另一种观点则认为这与微生物形体大小变化有关,微生物在不同的生长阶段,大小差异较大,微生物从生长阶段到稳定阶段的过程中.当其分裂速度超过生长速度时.细胞体积小.容易从膜中通过。
Madaen i研究发现,在膜去除脊髓灰质炎病毒的前30min,膜的去除率随运行时间的延长呈线性的下降趋势;进一步延长运行时间,其去除率达到最低点后开始呈上升趋势。造成这一现象的可能原因是膜表面或膜内部吸附作用趋于饱和后导致截留率会明显下降;随着运行时间的延长,膜通量逐渐下降,膜阻力上升.膜的分离特性有所改变从而导致截留率呈上升趋势。
(4)连续运行时膜对微生物的截留效果在膜对微生物的截留机理的研究中,通常是采用单一细菌或病毒研究,并且膜分离微生物的运行时间通常在500min以内。而膜在实际分离二级处理出水或活性污泥时,溶液是一个由不同分子质量蛋白质和可溶性大分子组成的复杂混合物体系。一般情况下.混合物体系的溶质截留率比单一溶质体系增大。在膜系统长期运行过程中.由于膜的阻塞或“凝胶层”的形成,膜的分离特性会因浓差极化或“凝胶层”的形成而有所改变。因此.MBR工艺用于城市和生活污水处理时.不仅对粒径大于膜孔径的细菌有很好的截留作用,而且对小于膜孔径的病毒也有良好的截留作用。
(5)存在的问题制约膜分离技术在废水处理中推广应用的一个重要原因是悬浮物、胶体和可溶性物质在膜表面吸附或沉积所造成的膜污染。膜污染导致膜通量的下降,增加膜组件更换和膜清洗的频率,从而增加膜系统的运行费用。但在膜分离过程中.膜污染现象又有利于膜对细菌特别是对病毒的截留。从控制膜污染的角度看,对膜表面进行永久性的改性,制备亲水性的、低吸附的膜材料有利于提高膜通量。从短期的运行情况看,亲水性的、低吸附的膜材料不利于膜对细菌特别是对病毒的截留。但在连续运行过程中.亲水性的膜材料对病原微生物的截留是否一定低于疏水性的材料?这涉及这样一个问题:膜表面的沉积层与膜自身的性质哪一因素对病毒的去除占主导地位?这些问题目前还没有明确的结论。
膜分离技术还存在着没有持续消毒能力问题。当膜分离技术应用及污水的再生利用时,防止管网中微生物的繁殖是需要解决的重要问题。与其他消毒工艺的优化组合以及开发研制抑菌材料及其管道和相应的容器等问题,有待进一步解决。
严格地控制膜孔径对于提高膜对微生物的去除效率起着重要的作用。细菌的个体通常在15m左右,从理论上讲,选择0.25m甚至孔径更大的微滤膜也能达到对最小细菌的完全截留,但实际并非如此。因为从膜性质方面来考虑的话,我们通常所指的膜孔径指膜的平均孔径,膜孔径的分布并不完全均匀,而是存在一个孔径分布范围。通常膜孔径分布越不均匀,微生物透过膜的概率会越大。
疏水性直接关系到微生物体之间的相互作用(絮凝)以及固体和液体的相互作用(吸附),从而影响去除效果。颗粒表面带电荷的多少会影响疏水性,通常疏水性随溶液中电解质浓度的增大呈线性增加,但是表面活性剂的投加会降低疏水作用。因此,改变膜材料的亲疏水性、调节溶液的pH值、投加电解质或表面活性剂等都能影响膜对细菌和病毒的去除效果。Voorthuizen研究发现,疏水性的膜对MS-2病毒的截留比亲水性的膜要大26个数量级。
(2)溶液环境在膜分离过程中,溶液pH值、离子强度等对微生物颗粒在膜面上的沉积或吸附产生影响。
一定的pH值条件下,微生物颗粒在膜表面的吸附是两者所带电荷相互作用的结果。在较强的酸性溶液中.狡基的游离被抑制,病毒颗粒带正电荷;在较强的碱性溶液中,氨基的游离被抑制,病毒颗粒带负电荷;在某pH值下.可能出现病毒颗粒电中性的情况,这一pH值称为该病毒颗粒的等电点。在等电点时,分子呈电中性,溶质分子间的排斥力为零,微生物体之间相互作用(絮凝),溶解度最小,因而最易析出并聚集在滤膜的表面。吸附一旦形成,在膜面上会生成带电荷的蛋白质分子层,所形成的吸附层越紧密,对病毒颗粒的进一步截留能力也越大。Herath等研究表明,在较低的pH值的溶液环境比高pH值的溶液环境的截留率高,当pH值在病毒颗粒的等电点时去除率最高。
溶液中离子强度增加会改变蛋白质的构型和分散性,从而影响其吸附。当水中含有与胶体电荷相反的电解质时,胶体颗粒表面双电层中的扩散层因反离子(电荷与胶体电荷反号的离子)作用而被压缩。Zeta电位降低,静电斥力数值减少,作用范围也减少,从而使微生物体与膜接近而相互吸附。当水中电解质浓度增加并达到一定浓度时.体系将发生缓慢的凝聚作用。如继续增加电解质的浓度,导致相互间引力占优势.颗粒相互靠近,使得不同微生物颗粒之间容易相互吸附,微生物胶体的稳定性下降。Voortlniizen研究表明,随着盐浓度的升高.膜对病毒颗粒MS-2的截流效果也明显提高。
(3)操作条件操作条件包括料液流速、操作压力、运行时间以及膜阻力的大小等。
Herath等采用0. 15m的陶瓷膜对病毒Q13(0. 024~0. 025um)进行截留实验,发现当液料流速增加,去除率增加,而操作压力增加,则去除率减小。认为较高的液料流速可以减小浓差极化或沉积层的形成.降低生物体穿过膜孔的概率;过高的操作压力能导致生物体的变形.使其更易穿过膜孔。但对高压下引起的细菌的变形有不同的观点。其中一种观点认为是由于膜的实际孔径大于其标称孔径或者由于膜的劣化引起。另一种观点则认为这与微生物形体大小变化有关,微生物在不同的生长阶段,大小差异较大,微生物从生长阶段到稳定阶段的过程中.当其分裂速度超过生长速度时.细胞体积小.容易从膜中通过。
Madaen i研究发现,在膜去除脊髓灰质炎病毒的前30min,膜的去除率随运行时间的延长呈线性的下降趋势;进一步延长运行时间,其去除率达到最低点后开始呈上升趋势。造成这一现象的可能原因是膜表面或膜内部吸附作用趋于饱和后导致截留率会明显下降;随着运行时间的延长,膜通量逐渐下降,膜阻力上升.膜的分离特性有所改变从而导致截留率呈上升趋势。
(4)连续运行时膜对微生物的截留效果在膜对微生物的截留机理的研究中,通常是采用单一细菌或病毒研究,并且膜分离微生物的运行时间通常在500min以内。而膜在实际分离二级处理出水或活性污泥时,溶液是一个由不同分子质量蛋白质和可溶性大分子组成的复杂混合物体系。一般情况下.混合物体系的溶质截留率比单一溶质体系增大。在膜系统长期运行过程中.由于膜的阻塞或“凝胶层”的形成,膜的分离特性会因浓差极化或“凝胶层”的形成而有所改变。因此.MBR工艺用于城市和生活污水处理时.不仅对粒径大于膜孔径的细菌有很好的截留作用,而且对小于膜孔径的病毒也有良好的截留作用。
(5)存在的问题制约膜分离技术在废水处理中推广应用的一个重要原因是悬浮物、胶体和可溶性物质在膜表面吸附或沉积所造成的膜污染。膜污染导致膜通量的下降,增加膜组件更换和膜清洗的频率,从而增加膜系统的运行费用。但在膜分离过程中.膜污染现象又有利于膜对细菌特别是对病毒的截留。从控制膜污染的角度看,对膜表面进行永久性的改性,制备亲水性的、低吸附的膜材料有利于提高膜通量。从短期的运行情况看,亲水性的、低吸附的膜材料不利于膜对细菌特别是对病毒的截留。但在连续运行过程中.亲水性的膜材料对病原微生物的截留是否一定低于疏水性的材料?这涉及这样一个问题:膜表面的沉积层与膜自身的性质哪一因素对病毒的去除占主导地位?这些问题目前还没有明确的结论。
膜分离技术还存在着没有持续消毒能力问题。当膜分离技术应用及污水的再生利用时,防止管网中微生物的繁殖是需要解决的重要问题。与其他消毒工艺的优化组合以及开发研制抑菌材料及其管道和相应的容器等问题,有待进一步解决。