监测膜分离系统中生物污染的方法技术方案

本发明专利技术提供了对膜分离系统中的生物污染进行监测和／或控制的方法。本发明专利技术利用向原料流中加入可测量剂量的荧光剂而对膜分离过程中微生物的生长水平进行监测和／或控制，从而在膜分离过程中对这种原料流进行净化。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及膜分离，更具体的说，涉及对膜分离系统中的生物污染进行监测和/或控制的方法。
技术介绍
使用选择性膜的膜分离是工业技术中用于例如水纯化的液流处理的相当新的进展。在膜分离中，流入液中的成分通常在驱动力下通过膜形成一股流出流，这样在第二液流中留下部分的初始成分。通常用于水的纯化或其它液体处理的膜分离过程，包括微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)、电渗析、电去离子、全蒸发、膜萃取、膜蒸馏、膜反萃、膜曝气以及其它处理过程。分离过程的驱动力与膜分离过程的类型有关。压力驱动膜过滤，也被称为膜过滤，包括微滤、超滤、纳滤，和反渗透，使用压力作为驱动力，而在电渗析和电去离子中使用电驱动力。在历史上，膜分离工艺或系统对于水处理来说不被认为是成本有效的，因为膜结垢、膜污染、膜降解等在从含水液流中除溶质的效率上具有的反面影响。然而，现在技术的发展已经使膜分离过程成为在处理适用于工业过程的含水原料流方面商业上更加可行的技术。此外，膜分离在工业应用中也更加普遍了，特别是对于原料和废水的纯化。这可以通过使用改进的对膜分离性能进行评价和监测的诊断工具和技术而达到。膜分离性能例如效率(例如流量，膜渗透性、渗透回收率、能量效率、膜两次清理之间的时间或完成清洁循环的时间)和效果(例如拒斥或选择性)典型地由于膜污染而降低。膜分离过程往往被微生物所污染，也就是说生物污染。膜分离中微生物的生长是常见的问题，特别是在为微生物生长提供最适宜的条件的含水液流中。生物污染对膜分离系统的危害非常大，因为一旦它开始了，生长速率将加快而且生物污染还能够促进其它类型的污染。例如，外聚合物质(“EPS”)或生物物质的粘液层能够捕捉并保存操作过程中可以反相透过膜分离系统的污垢沉积物和其它微粒。此外，厚的EPS层也能够降低膜内的湍流。这能够导致浓度极化层的增加，其中浓度极化层是公知的膜结垢现象的促进因素。生物污染的直接和最明显的效果是膜渗透输出量的减少和/或沿在膜的进料和浓缩侧的膜部件的长度方向的压降的升高，这里称为“压差”。在恒定压力下，这导致渗透量的损失。为维持恒定流量可以升高压力，但是这增大了能耗并且进一步促进污染。此外，在这些条件下(即，渗透量减少、压差上升和压力驱动力上升)的连续操作在贯穿膜的使用寿命中必需需要不断增加的清理，从而降低膜寿命和潜在增加水的成本，如果清理需要大量的停机时间。不太明显的效果包括降低溶质拒斥、渗透污染和膜组件的恶化，例如膜胶层的生物降解。在此引入H.F.Ridgway & H.Flemming撰写的综述论文作为参考，该综述论文名为“Membrane Biofouling(膜的生物污染)”，刊登于Water TreatmentMembrane Processes(水处理膜工程)，McGraw Hill，pp.6.1-6.62，1996。通常，通过使用杀虫剂和其它生物控制剂，也就是能够通过破坏微生物的细胞壁或细胞组织来抑制微生物生长的化学品，控制生物污染。另外可以用机械法和辐射法。通常提倡间断使用杀虫剂，因为杀虫剂价格昂贵并且具有毒性。因此，为防止浪费，需要对水系统和膜工艺参数的进行持续监测和实验来确定用于控制微生物生长的杀虫剂的合适用量。然而，对于对膜分离中生物污染的效果进行监测，已知的监测技术不能提供足够的灵敏性、专一性和/或准确性的水平。典型的监测技术包括压力和流量测量以及定时取样测定微生物菌落。关于压力测量，通常通过估算沿膜长度方向的压差改变进行监测。对于流量测量，在这种系统中通常采用的流量表需要校准误差，因此需要频繁地校正。然而，压力和流量的改变不一定仅限于生物污染，因为它们可能受水垢(scalants)、污染物(foulants)和/或膜分离过程中能够在系统中积累和保留的类似组成物的任何合适的变化的影响。如前所述，微生物生长层能够增强其它类型的污染，因为它能够捕捉或容纳水垢和膜分离过程中可以以其它方式透过系统的其它微粒。对于定时取样，通常由原料流和出口流中提取水样。也可以由渗透流提取样品测定在该渗透流中是否存在任何污染。典型技术包括抽取样品，稀释样品，和将该样品涂到营养琼脂培养基的表面。在培养24至28小时后，检查该样品中微生物的存在，如果合适，以手工或摄像方法给生物体计数。该方法的变化包括取样并对其进行预定时间的培养，然后通过浊度测量法或浊度计观察培养基。换句话说，通过培养基上的浊斑展示微生物的存在。与定时取样相关的一个明显的问题是取样和完成对测定样品中微生物活性水平的分析之间的时间滞后。因此，当该样品不得不被送到厂区外进行分析而进一步延后获得结果的时间时，能够加剧时间滞后。与定时取样相关的另一个问题是，这种方法对工业用水体系中总的微生物活性可能估算过低，因为定时取样仅仅足以提供浮游微生物活性的指标，而非固着活性。浮游微生物菌落是活的并且悬浮地在水系统的水中存在。这里所使用的术语“固着”指的是活的但是固定的微生物菌落。通过定时取样可以获得工业可接受的浮游菌落测量结果，因为浮游微生物悬浮在被取出检测微生物浓度的水样中。相反，固着菌落牢固的附着在系统的结构中，因此不易通过由水中取样并检测该样品中的微生物来测量它们的存在。因此，膜分离系统中浮游细胞的水平不能与固着细胞的水平直接相关。此外，存在一种对膜分离系统中生物污染进行实时监测和/或控制的需要，因为传统监测技术通常复杂和/或可能缺乏充分监测生物污染所必需的灵敏性、专一性和/或准确性，因此膜分离性能能够被优化。
技术实现思路
本专利技术提供对能够处理适用于工业过程的原料流的膜分离系统进行监测和/或控制的方法。在此方面，能够利用荧光剂的使用对膜分离过程中微生物的生长进行监测(也就是说，监测生物污染)。申请人已经发现本专利技术的荧光监测技术能够在生物污染检测方面以高度的灵敏性、专一性和/或准确性进行，因此膜分离性能和效率能够可控地优化。为此目的，在本专利技术的一个实施方案中，提供了一种对膜分离系统中的生物污染进行监测的方法，该膜分离系统中包括能够将原料流至少分离为第一液流和第二液流的膜。该方法包括以下步骤提供荧光剂；将该荧光剂加入到原料流中；提供荧光计以检测原料流、第一液流和第二液流中的至少一项中荧光剂的荧光信号；使荧光剂与膜分离系统中的一种或多种微生物反应；形成已反应荧光剂；使用荧光计对第一液流和第二液流的至少一项中以及任选原料流中的荧光剂和已反应荧光剂中的至少一种的荧光信号进行测量；并且基于荧光剂或已反应荧光剂的信号或所测量的这两种信号的组合的改变对膜分离系统中的生物污染进行监测。因此，本专利技术的一个优点是提供了利用荧光剂对膜分离系统中的生物污染进行监测和/或控制的方法。本专利技术的另一个优点是提供了利用荧光剂的监测改进膜分离性能的方法。本专利技术的又一个优点是提供了基于加入到膜分离系统中的荧光剂的监测的具有灵敏性、专一性和/或准确性的对微生物生长进行监测的方法。本专利技术的又一个优点是提供了一种加入杀虫剂或生物控制剂从而减少膜分离系统中的生物污染的控制信号。本专利技术的又一个优点是提供了对清洁剂、杀虫剂和生物控制剂的效率进行监测从而减少清理时间并且延长两次清理之间的时间的方法。本专利技术另外的特征和优点在以下优选实施方案中详细说明，这些特征和优点是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对膜分离系统中生物污染进行监测的方法，其中所述的膜系统包括能够将原料流至少分离为第一液流和第二液流的膜，该方法包括以下步骤：提供荧光剂；将该荧光剂加入到所述的原料流中；提供荧光计，用于检测所述的原料流、第一液流和 第二液流中至少一项中的荧光剂的荧光信号；使该荧光剂与膜分离系统中的至少一种微生物发生发应；形成已反应荧光剂；使用所述的荧光计测量所述第一液流和第二液流的至少一项中以及任选原料流中的所述荧光剂和已反应荧光剂中的至少一种 的荧光信号；和基于所测量的所述荧光剂、或已反应荧光剂的信号或这两种信号的组合的改变对膜分离系统中的生物污染进行监测。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：BP霍，KEH蔡赫，MW吴，M查特拉基，
申请(专利权)人：纳尔科公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]