藻液特性及过滤孔径对尖状栅藻膜收获通量的影响

Abstract

本实验选取尖状栅藻作为研究对象，研究了藻液特性及膜过滤孔径对膜收获过程的影响，旨在深入研究藻细胞和藻源型有机物的具体变化及该变化对膜收获的影响，并研究膜孔径对尖状栅藻收获的影响，为大规模收获提供理论依据和技术支持。实验选取了受原生动物污染的藻液、无污染的对照栅藻藻液为研究对象，分析藻液受到污染前后对膜收获的影响。研究发现污染组藻液性质的改变使得其膜过滤通量比对照组藻液过滤通量降低32%。利用离心技术将两组藻液分别分离成藻细胞和藻源型有机物两个组分，测试二者的堵膜性能，结果发现污染组藻液中的藻细胞和藻源型有机物的膜过滤通量皆低于对照组。继而将两组的藻细胞调整到同一干重浓度(1.0 g/L)，藻源型有机物调整到同一溶解性有机碳浓度(5 mg/L)以去除浓度的干扰，实验发现即使将两组中藻细胞调至同一浓度，污染组藻细胞造成的膜污染问题依然更为严重，藻源型有机物亦是如此。对藻液的表征发现，与未污染的对照组尖状栅藻藻液相比，原生动物污染降低了58.8%的生物量，干重只有0.7 g/L。此外，藻液中大量藻细胞发生团聚，有62.8%的细胞团聚体粒径大于50 &mu;m，且团聚体周围有大量透明胶状物质出现。原生动物污染也造成了藻源型有机物浓度及其组成的改变。污染组藻源型性有机物中溶解性有机碳含量增高为对照组的2.26倍，其多糖含量增加至对照组的2倍，腐殖酸和富里酸含量为对照组的1.89倍。污染组藻液形成更为致密的滤饼层，藻细胞的比阻力系数比对照组增加了3.75倍，增高至1.90&prime;1016 (m-1/(m2g))，使得通量比对照组低。污染组藻源型有机物中多糖类、腐殖酸及富里酸类物质较多，原子力显微镜测试结果表明这些有机物与膜表面间的粘附力增至对照组的15.5倍，从而使得通量下降较快，反洗恢复率较低，平均通量比未经污染的对照组低。为了研究膜孔径对栅藻收获效率的影响，实验利用中试培养条件下培养的藻液，比较了十支不同孔径的超滤膜和三支微滤膜收获性能。结果表明，除去四支无法完成微藻收获的膜，其余六支膜平均通量由高到底分别为50 kDa立升膜、100 kDa中环膜、100 kDa博纳、100 kDa艾科、500 kDa艾科、30 kDa博纳膜，其中50 kDa立升超滤膜平均通量最高，达到113.1 L/m2h，过滤后进行化学清洗，50 kDa立升、100 kDa中环、100 kDa博纳、100 kDa艾科的通量都可恢复。对三支微滤膜进行测试，结果表明微藻收获通量由高到低分别为0.45 &mu;m旭化成膜、0.1 &mu;m旭化成膜、0.1 &mu;m膜天膜，其中0.45 &mu;m旭化成膜的清水通量和微藻收获通量皆为最高，其六次实验平均通量比其余两支微滤膜高出14.5%-59%，达到187.8 L/m2h。对实验中性能较好的两支超滤膜和微滤膜进行进一步分析，结果发现0.45 &mu;m旭化成膜因孔径更大，即使在跨膜压差为50 kDa立升超滤膜的50%的压力驱动下，其清水通量和微藻收获通量依旧比超滤膜高出2.4倍和0.7倍。但也正因其孔径较大及海绵状膜孔结构而更易被藻液中藻细胞、细胞碎片、胶体等物质堵塞，反洗难以将堵膜物质洗出，耐污染性能较差，通量下降迅速，0.45 &mu;m旭化成膜多次过滤的平均通量为同样条件下清水通量的27%，50 kDa立升超滤膜的平均收获通量为其清水通量的53%。0.45 &mu;m旭化成膜连续使用时，需用2000 mg/L的NaClO与2% NaOH混合液进行化学清洗，平均化学清洗恢复率为86.4%，而50 kDa立升超滤膜仅需400 mg/L的NaClO溶液清洗，平均化学清洗恢复率高达98.7%。根据超滤膜和微滤膜的通量下降率和反洗恢复率建立了通量模型，该模型可对通量的变化趋势进行预测，对探究尖状栅藻收获的膜孔径有重要意义。本文针对藻液特性和过滤孔径对膜收获的影响开展研究，揭示了影响藻液特性的主要因素，即藻细胞浓度、粒径和藻源型有机物浓度、成分，藻液性质的变化也会影响到膜收获通量。对膜孔径的研究结果表明的，50 kDa立升超滤膜的优势为通量下降平缓，化学清洗恢复率高，通量较为稳定，平均通量为110.9 L/m2h，0.45 &mu;m旭化成微滤膜的优势在于通量较高，平均通量达到187.8 L/m2h，但通量下降较快，化学清洗后通量恢复率低于50 kDa立升超滤膜。通过对尖状栅藻的膜收获测试及通量变化模型的建立，可为微藻膜收获效率的提高提供参考。</p