铜绿微囊藻分泌物对超滤膜污染的影响.pdf

第 3 O卷第 1 5期 2 0 1 4年 8月 中 国 给 水 排 水 CHI NA W ATER W ASTEW AT ER V0 1 3 O No 1 5 Au g 2 01 4 铜绿微囊藻分泌物对超滤膜污染的影响 李 磊，张 艳，马 放，李圭白 (1 中国市政工程西南设计研 究总院有限公司，四川 成都 6 1 0 0 8 1；2 哈 尔滨工业大学 市政环境工程学院，黑龙江 哈 尔滨 1 5 0 0 9 0)摘要：通过对 实验 室培养的铜绿微囊藻及其胞外分泌物进行研 究，证实在不同生长阶段胞 外分泌物的主要成分均为亲水性 的大分子物质(3 0 k u)。在 对分泌物的重要 组成物质(碳 水化 合物和蛋 白质)进行分析后发现，其浓度均随藻细胞的生长繁 殖而逐渐增加。随着时间的变化，碳 水化合物与溶解性有机碳(D O C)的比值逐渐 降低，而蛋 白质与 D O C的比值 以及蛋白质与碳水化合 物的比值均呈增加 的趋 势。在采用超滤膜过滤含藻水时，藻细胞浓度及胞外分泌物浓度对膜 污染 的影响相 当明显。藻细胞和腐殖酸 间的协 同作用，造成了更加严重的膜污染。相比藻液，单独的胞 外分泌物能引起更为严重的膜污染现象。关键词：铜绿微 囊藻；胞外分泌物；超滤膜；膜污染 中图分类号：T U 9 9 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 0 4 6 0 2(2 0 1 4)1 5 0 0 3 9 0 5 Ef f e c t o f Ex t r a c e l l u l a r Or g a ni c M a t t e r f r o m M i c r o c ys t i s a e r u g i n o s a o n Ul t r a f i l t r a t i o n M e mbr a n e Fo ul i n g L I L e i ZHANG Ya n ，MA F a n g LI Gu i b a i (1 S o u t h w e s t Mu n i c i p a l E n g i n e e r i n g D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a，C h e n g d u 6 1 0 0 8 1，C h i n a；2 S c h o o l o f Mu n i c ip a l a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g，H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y，Ha r b i n 1 5 0 0 9 0，C h i n a)A b s t r a c t：T h e Mi c r o c y s t i s a e r u g i n o s a a n d i t s e x t r a c e l l u l a r o r g a n i c m a t t e r(E O M)c u l t u r e d i n t h e l a b o r a t o r y w e r e s t u d i e d，a n d t h e E OM i n d i f f e r e n t g r o w t h p h a s e s s h o we d h i g h h y d r o p h i l i c i t y a n d h i g h mo l e c u l a r w e i g h t(mo r e t h a n 3 0 k u)B y a n a l y z i n g t h e i m p o r t a n t c o m p o n e n t s o f E O M(c a r b o h y d r a t e s a n d p r o t e i n s)，i t w a s f o u n d t h a t t h e i r c o n c e n t r a t i o n s g r a d u a l l y i n c r e a s e d w i t h t h e g r o w t h o f a l g a l c e l l s T h e r a t i o o f c a r b o h y d r a t e s t o d i s s o l v e d o r g a n i c c a r b o n(D O C)d e c r e a s e d w i t h t h e c h a n g e o f t i m e，w h i l e b o t h t he r a t i o s o f p r o t e i ns t o DOC a n d t o c a r bo h y d r a t e s i n c r e a s e dT he c o n c e n t r a t i o n s o f a l g a l c e l l s a n d EOM ha d a g r e a t i n flu e n c e o n me mb r a n e f o u l i n g Th e s y ne r g i s t i c e f f e c t o f a l g a l c e l l s a n d h umi c a c i d c a u s e d mo r e s e rio u s me mbr a n e f o u l i n g I n c o mp a r i s o n wi t h t he a l g a l s o l u t i o n，t he EOM c a u s e d mo r e s e rio u s me mb r a n e f o u l i n g K e y w o r d s：Mi c r o c y s t i s a e r u g i n o s a；e x t r a c e l l u l a r o r g a n i c ma t t e r(E O M)；u h r a f i h r a t i o n m e n-b r a n e；me mb r a n e f o u l i n g 藻类胞外分泌物的种类和含量对水处理过程有 很大的影响。研究证实，蛋 白质能够干扰混凝过程，基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2 0 0 8 Z X 0 7 4 2 2 0 0 5)；国家自然科学基金资助项目(5 0 8 0 8 0 5 1)3 9 第3 O卷第 1 5 期 中 国 给 水 排 水 降低混凝效果 J。G r e g o r 等 发现由两种糖醛酸组 成 的藻酸盐(常用于模拟藻分泌物)对铝离子 的作 用与腐殖酸接近。而蛋白质和多糖类物质是造成膜 污染的主要污染物。因此，分析不 同生长阶段藻 细胞的生长繁殖特征及其胞外分泌物的种类和含量 是十分必要 的，对超滤膜工艺的运行也具有十分重 要的指导意义。笔者 以铜绿微囊藻作为试验对象，研究不同生长阶段的藻细胞生长和代谢特性，以及 藻细胞浓度及其分泌物对超滤膜污染 的影响。1 材料及 方法 1 1 藻种 铜绿微囊藻藻种购自中国科学院水生生物研究 所，采用 B G一1 1培养基对其进行连续培养，培养温 度为 2 02 4，光 暗比为 1 2 h 1 2 h。定期观察藻 细胞生长情况并使用平板计数法记录藻浓度变化。1 2 试验装置 试验装置如图 1 所示。待处理水从原水箱进入 恒位水箱再到达膜反应器，出水通过蠕 动泵排 出。在反应器底部安装曝气头，曝气量通过气体流量计 进行控制。膜组件选用亲水性的聚氯 乙烯(P V C)浸 没式超滤膜，孔径为 0 0 1 Ix m，膜丝 内、外径分别为 0 85、1 4 5 mm 1 腺 水箱 2 恒 位 水 箱 3 反 应 器 4 超 滤 膜 组 件 5 压力传感器 6 蠕动泵 7 数据采集系统 8 曝气 头 9 气体流量计 1 O 空气泵 1 1 排 空阀 图 1 试验装置示意 F i g 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f e x p e ri me n t a l s e t-u p 1 3 藻细胞及 其分泌物的测定 1 3 1 碳水化合物的测定 试验中用葡萄糖作标准物，具体操作步骤：吸取 0 5 m L经 0 4 5 m膜过滤后 的水 样至试管 中，加 1 5 mL蒸馏水定容，向试管内加入 1 m L、9 的苯酚 溶液后摇匀，再加入 5 mL浓硫酸后摇匀。在室温下 放置 3 0 mi n后利用 紫外 可见光分光光 度计在 4 8 5 n m处测定其吸光度，利用标准曲线计算水样中碳水 化合物的含量。1 3 2 蛋 白质的测定 采用 B C A法蛋 白质浓度测定试剂盒测定水溶 液中蛋 白质的含量。1 3 3 溶解性有机物 的化学分级表征 采用两种树脂对水样进行化学分级 j，并将溶 解性有机物划 分为三个组分：疏水性物质(HP O)、中性物质(T P I)和亲水性物质(H P I)，其 中疏水性物 质又可分为疏水碱(H O B)、疏水 中性物(H O N)、疏 水酸(H O A)。1 3 4 有机物分子质量分布 水中藻类溶解性胞外有机物的分子质量分布采 用膜平板截留法测定，即用 0 4 5 p,m微滤膜过滤后 的水样分别透过 不同截 留分子质量(Mw)的 Mi l l i p o r e 膜，测定各过滤水样 的 D O C值，计算有机物在 不同分子质量区问的分布情况。2 结果与讨论 藻种的生长大致可分为 4个阶段：延迟期、对数 期、稳定期和衰亡期。在前 6 d内铜绿微囊藻处于 生长的延迟期，第 3天细胞直径开始变大，但浓度没 有明显变化；在第 7l 4天藻细胞迅速生长，多数细 胞处于分裂状态，藻细胞数 目急剧增加，进入对数生 长期，此时藻细胞代谢 旺盛，释放出大量有机物。在 第 1 6天，藻细胞浓度达到最高为 21 0 加个 L。第 1 51 8天为铜绿微囊藻的稳定期，细胞数 目相对波 动不大。随后藻细胞生长进入衰亡期，营养物质的 缺乏导致细胞大量死亡，而死亡细胞 因破裂或生物 降解作用而释放出大量有毒成分，这些毒性物质又 会诱发其他藻细胞的衰亡。2 1 胞外有机物亲疏水性的变化 对数期、稳定期和衰亡期胞外分泌物 中亲水性 物质 的比例分别为(6 1 2 5 7)、(5 7 7 4 5)和(5 2 9 2 0)，均超过 5 0；疏水性物质的比例 分别为(2 1 55 0)、(2 5 93 5)和(2 6 6 3 2)。亲水性物质所 占比例随 时间的增 长呈逐 渐下降的趋势。推测认为，处于对数期和稳定期的 铜绿微囊藻细胞在正常 的新陈代谢条件下，相 比胞 内疏水性物质，亲水性代谢产物更易释放到外部水 体中；除此外，随着藻细胞生长进 入衰亡期，由于细 胞破裂胞 内大量的疏水性物质释放到周 围水体 中，这些都可能导致疏水性物质所 占比例较对数期 明显 上 升。40 第3 0 卷第 1 5 期 中 国 给 水 排 水 幅增加，达到(8 8 50 0 6)mg L。一般情况下，处 于对数生长期的单个细胞的胞外有机物释放速率高 于稳定期，然而由于细胞密度的增加，导致在总量上 稳定期高于对数生长期。因此，水溶液 中的碳水化 合物含量随着时间的延长而不断增加。在衰亡期，细胞 的破裂导致细胞内的碳水化合物和蛋 白质被释 放到水体中，使得培养液中的碳水化合物浓度增至(1 4 8 O 0 0 9)m g L。在对数期培 养液 中蛋 白质 的浓度 为(0 3 2 0 0 4)mg L，进入稳定期后达到(4 0 4 0 0 6)m g L，至衰亡期进一步增加到(9 0 6 0 1 3)m g L。可 见，由稳定期进入衰亡期 的蛋 白质增幅要高于其 由 对数期至稳定期的。综上可知，在铜绿微囊藻细胞生长的对数期、稳 定期和衰亡期，碳水化合物的分泌量均高于蛋 白质。这与 M y k l e s t a d的试验结果相反，他认为小球藻在对 数期的分泌物主要是蛋 白质，碳水化合物则是稳定 期的主要产物。图4反映了不同生长阶段碳水化合物 D O C、蛋 白质 D O C以及蛋白质 碳水化合物值的变化规律。1 2 1 0 0 盘 o 6 0 4 0 2 0 对 数 期 稳 定 期 衰 亡 期 图 4 不同生长阶段碳 水化合物 D O G、蛋白质 D O C和 蛋白质 碳水化合物值的变化 F i g 4 Ca r bo h y d r a t e DOe，p r o t e i n D OC a n d p r o t e i n c a r b o h y d r a t e r a ti o s i n d i ffe r e n t p h a s e s 在对 数期、稳 定期 和衰 亡期，碳 水化 合物 与 D O C的含量 比值分别 为(0 9 10 0 4)、(0 8 4-4-0 1 3)和(0 7 4-4-0 1 0)，即碳水化合物在 D O C中所 占比例随着藻细胞生 长时间的延长而降低；与之相 反，蛋白质与 D O C的 比值随时 间的延长而 不断升 高，蛋白质与碳水化合物的比值也呈不断增加的趋 势。这表明，虽然在不 同阶段碳水化合物的总量始 终超过蛋白质，但是就所占比例而言，蛋白质呈逐渐 增加的态势，而碳水化合物刚好相反。由于胞外分 泌物中部分蛋白质呈疏水性，从而解释 了疏水性物 质所占比例随时间的延长而逐渐增加的现象。2 5 膜过滤特性 在温度为 l 7 2 0、通量为 1 0 I(m h)、气 液 比为 1 2：1的条件下，对不 同生长阶段 的藻细胞 溶液进行连续曝气，考察藻浓度对 T MP的影响。当 原水 中藻浓度为 11 0 和 11 0 个 L时，运行 2 4 h后 T MP基本没有变化；进一步增加藻浓度 至 1 1 0 个 L时，运行 2 4 h后 T MP即达到 1 9 k P a，较运 行初期增加了 4 6 2 ；而 当藻浓度为 1 X 1 0 个 L 时，运行 2 4 h后 T MP更是达到了 2 9 k P a左右。总 体而言，膜污染 随着藻浓度的增加而不断增 大。对 于低浓度 的藻溶液(1 1 0 个 L时，藻细胞及其分 泌物浓度均大 幅提高，导致产生严重的膜污染。这是因为高浓度原液有明 显恶化浓差极化并加剧污染 层形成 的倾 向_ 6 J。根 据 D a r c y定律，当其他试验条件不变时，增大料液浓 度可使膜 吸附的溶质量增加，同时原液的粘度、密度 也随之提高，从而降低了溶液的扩散系数，导致膜污 染加重及 T MP增加，膜通量则相应降低。天然水体 中除了藻细胞及其胞外分泌物，还含 有大量天然有机物。因此，采用腐殖酸模拟 富营养 化水体 中的天然有机物，研究天然有机物对 P V C超 滤膜处理含藻水的影响。试验条件如下：通量为 1 0 L (11 3 h)，连续曝气(气液 比为 1 2：1)，连续 运行 且无反洗 和排泥。原水藻细胞浓度为 11 0 个 L，取适量腐殖酸储备液加入含藻水 中作为藻液+腐殖 酸原水，将含藻水经 0 4 5 m滤膜过滤后的滤液作 为含胞外有机物原水。原水水质见表 1。表 1 原水水质 1 1 C h a r a c t e r i s t i c s o f raw w a t e r 藻细胞浓 C O DM D O C U V 2 5 4 项 目 麦(个 一1 L )(m g L )(m g L )c m 藻液 11 0 1 5 3 0 6 2 1 5 2 0 5 7 0 0 2 1 4-0 0 0 5 藻液+1 X 1 0 29 5 4-0 5 1 2 5 30 3 9 O 0 5 7 0 0 0 9 腐殖酸 腐殖酸 2 0 8 0 1 6 1 7 8 0 2 5 0 0 4 3 0 0 0 6 胞外分泌物 O 5 1 0 3 7 1 3 5 0 5 5 0 0 1 9 0 0 0 3 当过滤 4种原水 时，T M P的上升速度排序 为：(藻液+腐殖酸)藻液 腐殖酸 胞外分泌物，1 0 d 后 T MP的增加量分别 为 4 2、2 1、1 9 5和 1 3 k P a。采用超滤膜过滤腐殖酸和藻细胞 的混合液时，腐殖-42 李 磊，等：铜绿微囊藻分泌物对超滤膜污染的影响 第3 0卷 第 1 5期 酸与藻细胞的协同作用会造成 比两种物质单独存在 时更严重的膜污染。腐殖酸结构中的羧基和羟基基 团以及分子 中心部分芳香 和脂肪基 团，使其 同时具 有亲水性、疏水性和高表面活性。在溶液中，腐殖酸 通常以类似胶束结构的疏松聚集体存在，易吸附在 膜表面或膜孑 L 内，从而造成膜孔径变小和膜 阻力增 加。虽然腐殖酸对各种阳离子或基 团均存在较强的 吸附能力，能通过形成较大的聚合体来增大膜截留 作用，但含藻水的 p H值一般在 8左右，藻细胞和腐 殖酸均呈负电性，腐殖酸难以发挥吸附作用，反而引 起 了更严重的膜污染现象。单独过滤胞外分泌物时膜污染增加缓慢，试验 结束时 T M P的增幅相 比藻液降低 了 3 8 1 。藻液 中的藻细胞在其胞外黏性物质(主要成分为碳水化 合物)的作用下能更紧密地粘 附在膜 表面，造成膜 表面污染层难 以清除，而单 独的胞外分泌物 因成分 相对单一，在膜表面形成的滤饼层结构较疏松，故膜 污染发展相对缓慢。当过滤试验结束后，对污染膜进行物理清洗，并 根据 D a r c y 定律计算得到不可逆污染所 占比例。结 果表 明，由胞外有机物引起 的不可逆污染 比例最高，达到 3 8 5 ；腐殖 酸引起 的不可逆污染 比例最低，仅为 1 7 8 ；藻液及藻液+腐殖酸引起的不可逆污 染居中，分别为 2 5 和 3 l 左 右。可见，腐殖酸 的 存在加重了膜过滤含藻水后 的清洗难度，相 比单独 的含藻水处理，超 滤膜过滤含藻水和腐殖酸混合液 后引起了不可逆污染 比例上升。3 结论 在对数期、稳定期 和衰亡期，铜绿微囊藻的 胞外分泌物 中亲水性物质和大分子物质(3 0 k u)占主要地位(均超过 5 0)，且大分子物质所 占比例 呈逐渐增加 的趋势，相反 随生长时间的增加 亲水性 物质所占比例逐渐降低。随着藻细胞的生长，蛋白 质与碳水化合物和 D O C的比值均逐渐增大，碳水化 合物与 D O C的比例则逐渐下降；但是碳水化合物在 铜绿微囊藻整个生长阶段依然 占有绝对优势，意味 着除了藻细胞本身，其对超滤膜处理含藻水 的影 响 将十分重要。在通量为 1 0 L (n l h)的条件下，当藻细 胞浓度较低(11 0 个 L时，运行 2 4 h后 T MP增加 了4 6 2。由于藻细胞和腐殖酸均呈负电性，腐殖酸 不仅无法通过吸附作用与藻细胞或其分泌物形成更 大的聚合体，而且与藻细胞和(或)胞外分泌物产生 了协同作用，引起了相比单独处理腐殖酸和含藻水 时更严重的膜污染现象。同时腐殖酸的存在还加重 了膜过滤含藻水 时的不可逆污染。参考文献：1 Mi r a n d a M T，S c h m i t t A，F e r n 6 n d e z J C，e t a 1 T h e a g g r e g a t i o n b e h a v i o u r o f p r o t e i n c o a t e d p a r t i c l e s：A l i g h t s c a t t e r i n g s t u d y J E u r B i o p h y s J，2 0 0 3，3 2(2)：1 2 81 3 6 2 G r e g o r J E，F e n t o n E，B r o k e n s h i r e G，e t a 1 I n t e r a c t i o n s o f c a l c i u m a n d a l u mi n i u m i o n s w i t h a l g i n a t e J Wa t e r R e s，1 9 9 6，3 0(6)：1 3 1 91 3 2 4 3 H e r N，A m y G，P a r k H R，e t a 1 C h a r a c t e ri z i n g a l g o g e n i c o r g a n i c m a t t e r(A O M)a n d e v a l u a t i n g a s s o c i a t e d N F me m b r a n e f o u l i n g J Wa t e r R e s，2 0 0 4，3 8(6)：1 4 2 7 1 43 8 4 Z h a n g Y，T i a n J Y，N a n J，e t a 1 E f f e c t o f P A C a d d i t i o n o n i mme r s e d u h r a f i h r a t i o n f o r t h e t r e a t me n t o f a l g a l r i c h w a t e r J J Ha z a r d Ma t e r，2 0 1 1，1 8 6(2 3)：1 4 1 5 1 42 4 5 He n d e r s o n R K，B a k e r A，P a rso n s S A，e t a 1 C h a r a c t e r i s a t i o n o f a l g o g e n i c o r g a n i c ma t t e r e x t r a c t e d f r o m c y a n o b a c t e r i a，g r e e n a l g a e a n d d i a t o m s l J Wa t e r R e s，2 0 0 8，4 2(1 3)：3 4 3 5 3 4 4 5 6 Me t s a m u u r o n e n S，Ho w e l l J，N y s t r o m MC ri t i c a l fl u x i n u h r a f i l t r a t i o n o f m y o g l o b i n a n d b a k e r y e a s t J J Me m b r S c i，2 0 0 2，1 9 6(1)：1 3 2 5 43 作者简介：李磊(1 9 8 2一 )，男，黑龙江哈尔滨人，硕士，研究方 向为膜法水处理技术。E mmfl：z ha n g y a m 1 3 1 6 3e o 册 收稿日期：2 0 1 4 0 4 2 6