精選木魚(yú)石濾料生產(chǎn)廠(chǎng)家酶洗可緩解由多糖引發(fā)的反滲透膜反復(fù)污染問(wèn)題

　　精選木魚(yú)石濾料廠(chǎng)家酶洗可緩解由多糖引發(fā)的反滲透膜反復(fù)污染問(wèn)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(qiáng)……“越洗越難洗”已成為當(dāng)前困擾膜清洗技術(shù)可持續(xù)運(yùn)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(huì)開(kāi)辟一條新的道路。

　　在這個(gè)指導(dǎo)思路下，本研究提出一種堿性含酶優(yōu)化配方，通過(guò)連續(xù)錯(cuò)流實(shí)驗(yàn)測(cè)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(píng)價(jià)并對(duì)比了酶制劑和商售化學(xué)洗劑的長(zhǎng)期性能。此外，進(jìn)一步通過(guò)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(cè)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(jī)理。

　　引言

　　應(yīng)用苛性化學(xué)清洗劑的在線(xiàn)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(huì)對(duì)膜造成不可逆損傷。因此，開(kāi)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(duì)酶制劑的效果仍將信將疑。因此，含酶制劑的清洗特點(diǎn)、長(zhǎng)期效果及清洗機(jī)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(diǎn)，傳統(tǒng)化學(xué)清洗劑和新型含酶清洗劑：

　　1. 對(duì)膜表有機(jī)污染物有怎樣的降解和去除效果?

　　2. 對(duì)殘存生物膜有何影響?

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

　　這三個(gè)問(wèn)題也在本研究中得到了回答。

　　圖文導(dǎo)讀

　　在長(zhǎng)期過(guò)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(shí)，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(shí)，污染層中多糖的相對(duì)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(guò)濾比阻力基本不變。

　　圖1. 連續(xù)錯(cuò)流實(shí)驗(yàn)中，(A)歸一化膜通量(J/J0)隨時(shí)間的變化情況，其中Enz+SDS*和Lava*分別表示長(zhǎng)期酶洗和苛性化學(xué)清洗實(shí)驗(yàn)組。實(shí)驗(yàn)中，共進(jìn)行四次采樣，采樣時(shí)間點(diǎn)用紅色虛線(xiàn)框在圖中標(biāo)出。(B)膜表殘余污染層的性質(zhì)，包括過(guò)濾比阻力(Resistance per TOC)和三種主要有機(jī)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(guò)原子力顯微鏡(AFM)觀測(cè)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)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(shuō)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(shuō)明形成了疏松多孔的結(jié)構(gòu)。這與掃描電鏡下的觀測(cè)結(jié)果一致。此外，利用熒光染料對(duì)多糖類(lèi)物質(zhì)和核酸染色。用ImageJ軟件對(duì)所得CLSM圖像進(jìn)一步量化分析后，所得結(jié)論被再次印證：酶洗雖然因?yàn)檩^溫和而對(duì)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(duì)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(lèi)物質(zhì)較強(qiáng)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(bào)道相符。

　　圖2. (A)AFM觀測(cè)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(cè)結(jié)果：頂部為不同深度下的熒光截面，底部為所觀測(cè)EPS matrix的全貌。紅色和綠色熒光分別為多糖和核酸信號(hào)。

　　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(qiáng)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(jìn)一步揭示這種選擇性壓力的主要來(lái)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(jìn)水與膜表提取物中有機(jī)物的熒光特征并不匹配，說(shuō)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(jí)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(duì)群落的影響，及前五個(gè)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(jī)污染的耦合效應(yīng)，本研究進(jìn)一步使用基于RMT算法的系統(tǒng)發(fā)育分析來(lái)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(jiǎn)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(qiáng)。

　　圖4. 微生物互作網(wǎng)絡(luò)分析，其中(A)和(B)分別展示了長(zhǎng)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(duì)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)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(jī)理，發(fā)現(xiàn)清洗劑通過(guò)對(duì)生物膜施加不同壓力影響群落組成，進(jìn)而改變污染層的有機(jī)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(zhǎng)期效果來(lái)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(guò)程對(duì)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(jī)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?cè)谖⑸�物互作網(wǎng)絡(luò)中起到核心作用。

　　更重要的是，這項(xiàng)研究引發(fā)了對(duì)反滲透系統(tǒng)中膜污染控制理念的反思，即哪種策略在長(zhǎng)期內(nèi)更為有利：傳統(tǒng)化學(xué)在線(xiàn)清洗一樣的短時(shí)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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