CN110592175B - 一种ro系统污堵抑制菌筛选方法及控制生物污堵的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种RO系统污堵抑制菌的筛选方法及控制生物污堵的方法，所述筛选方法包括：(1)从RO膜面污堵层中分离出能在RO膜面生长的菌株；(2)测定(1)中菌株单位细胞或单位干重的胞外多聚物EPS分泌量，筛选单位细胞EPS分泌量小于0.1mg DOC/109cells或者单位干重EPS分泌量小于0.1mg DOC/mg(干重)的菌株；(3)测定投加了(2)中筛选菌株的RO系统进水的污堵潜力，筛选其中污堵潜力最低的菌株，即为污堵抑制菌。所述控制生物污堵的方法利用污堵抑制菌来实现；本发明能够有效抑制氯抗性菌在RO膜面的生长，减少微生物污堵对RO膜通量的影响。
Description
技术领域
本发明涉及反渗透系统领域，尤其涉及一种控制反渗透系统生物污堵的方法。
背景技术
我国淡水资源严重短缺，淡水供应压力与日俱增，污水再生利用是解决这一问题的有效途径。污水再生处理反渗透(RO)系统由于产水水质好、运行稳定，可以有效满足我国对高标准再生水不断提升的需求。但膜污堵问题给反渗透工艺进一步的推广应用带来重要挑战，在胶体污堵、无机结垢和生物污堵中，生物污堵是导致污水再生处理反渗透污堵的主要原因。因此，控制RO膜面微生物生长、抑制生物污堵形成对提高RO系统运行稳定性、降低运行成本具有非常重要的意义。
氯消毒等消毒预处理技术常被应用于RO进水预处理过程中以控制进水中微生物浓度。但有研究者报道，在污水再生处理反渗透系统中，氯消毒不但不能有效控制生物污堵，甚至可能显著加重生物污堵。主要是由于氯消毒过程改变了进水微生物群落结构，残余的氯抗性菌具有分泌产物分子量大、浓度高的特性，氯抗性菌在膜面生长后更容易导致污堵。因此，需要开发能够调节RO系统进水微生物群落结构、减轻RO膜生物污堵的技术手段。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种RO系统污堵抑制菌的筛选方法以及一种控制反渗透系统生物污堵的方法。由于RO进水微生物群落中含有容易导致污堵的氯抗性菌，本发明针对性地筛选出适应RO进水营养条件下、分泌产物浓度低、膜污堵能力弱且能和氯抗性菌形成有力竞争的污堵抑制菌；通过向RO进水中投加一定比例的污堵抑制菌的菌株，抑制氯抗性菌在RO膜面的生长，减少微生物污堵对RO膜通量的影响。
本发明具体采用以下技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种RO系统污堵抑制菌的筛选方法，包括以下步骤：
(1)从RO膜面污堵层中分离能在RO膜面生长的菌株；
(2)测定(1)中菌株单位细胞或单位干重的胞外多聚物EPS分泌量，筛选单位细胞EPS分泌量小于0.1mg DOC/109cells或者单位干重EPS分泌量小于0.1mg DOC/mg(干重)的菌株；
(3)测定投加了(2)中筛选菌株的RO系统进水的污堵潜力，筛选其中污堵潜力最低的菌株，即为污堵抑制菌。
步骤(2)中的EPS的测定方法可采用本领域常用的方法，优选地，采用如下方法：将菌株接种到LB营养肉汤培养基中培养24h后，在1000rpm及4℃条件下离心10min，并弃去上清液；将离心所得菌体重悬于灭菌生理盐水，重复上述离心过程，弃去上清液，以洗去残余培养基；将离心所得菌体再次重悬于灭菌的生理盐水，在45℃水浴加热1h，重复上述离心过程，保存上清液，上清液中有机物即为溶出的胞外多聚物EPS。
步骤(3)中筛选出的污堵抑制菌为Pseudomonas saponiphila G3(或假单胞菌G3)。具体地，本发明筛选出的假单胞菌G3于2012年2月28日保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.5814，该保藏单位的地址是：北京市朝阳区北辰西路1号院中科院微生物研究所，并且该假单胞菌G3已经在中国发明专利CN201210072764.2中首次公开，该专利的申请日是2012年03月19日，公开日是2012年09月12日。
第二方面，本发明还提供一种利用第一方面任一筛选方法筛选所得的污堵抑制菌控制RO系统生物污堵的方法，其包括如下步骤：
(Ⅰ)菌剂的制备：将污堵抑制菌接种、培养、离心、冻干制成菌干粉保存；
(Ⅱ)菌剂的使用：将步骤(Ⅰ)中的菌干粉复壮、接种、培养后，用生理盐水稀释制成使用液，使用液中污堵抑制菌浓度为1.0～3.0×109CFU/ml；按照使用液中污堵抑制菌的数量与进水(或称原水)中残留微生物的数量为(0.1-10)：1的比例将使用液投加至消毒后的RO系统进水中，使之均匀混合。
在上述控制反渗透系统生物污堵的方法中，限定使用液中污堵抑制菌数量与进水中残留微生物数量的比例为(0.1-10)：1这个区间，若使用液中污堵抑制菌数量过少，其控制生物污堵的效果不明显，若投入过量反而会家中污堵现象，所以需要严格控制投加比例。
优选地，在步骤(Ⅰ)中，接种、培养的方法为：将污堵抑制菌接种到LB营养肉汤培养基中培养16-24h；
离心的方法为：在8000-12000rpm及4℃条件下离心菌液10min，并弃去上清液；将离心所得菌体重悬于灭菌的生理盐水，重复上述离心过程，弃去上清液，以洗去残余培养基；
冻干制成菌干粉的方法为：将离心所得菌体置于-20℃冰箱中冷冻，冷冻后的菌体于-20℃条件下的冷冻干燥机中冻干24h后制备成菌干粉；
菌干粉的保存方法：菌干粉密封后于-80℃冰箱保存，或真空包装于常温中保存。
优选地，在步骤(Ⅱ)中，使用液投加至RO系统进水中之前，需要对进水进行消毒，消毒后需要立刻投加使用液，以抑制进水中微生物再生长现象。
优选地，在步骤(Ⅱ)中，菌干粉的接种、培养方法为：将0.1g菌干粉接种到100mlLB营养肉汤培养基中，培养液在25℃、150rpm振荡培养16h-24h。
优选地，在步骤(Ⅱ)中，使用液中污堵抑制菌浓度的测定方法是：将使用液接种到LB固体培养基平板上进行异养菌平板计数，培养基中接种污堵抑制菌后，置于生化培养箱中在25℃恒温培养48小时，选取适当浓度梯度菌液对应的培养基进行读数，计算污堵抑制菌浓度。
优选地，在步骤(Ⅱ)中，进水中残留微生物的浓度测定方法是：将进水接种到R2A固体培养基中进行异养菌平板计数，培养基中接种残留微生物后，置于生化培养箱中在25℃恒温培养48小时，选取适当浓度梯度菌液对应的培养基进行读数，计算残留微生物浓度。
优选地，在步骤(Ⅱ)中，使用液投加至RO系统进水后需要进行搅拌使之均匀混合。
为了确保菌剂投加量合理，还需要定期取样测定进水中残留微生物浓度的大致范围，优选地，所述控制反渗透系统生物污堵的方法还包括如下步骤：
(Ⅲ)定期取样测定进水中残留微生物的浓度：取步骤(Ⅱ)中投加了使用液的进水接种在LB固体培养基进行异养菌平板计数，计算残留微生物浓度。
具体地，投加了使用液的进水接种在LB固体培养基后，置于生化培养箱中在25℃恒温培养48小时，选取适当浓度梯度菌液对应的培养基进行读数，计算残留微生物浓度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明从RO膜面污堵层中筛选污堵抑制菌可以保证投加的细菌确实能够保留在RO膜面，如果从其他环境中筛选细菌，可能不能很好地停留在RO膜面而被流水冲走；并且筛选出的污堵抑制菌能够适应RO进水营养条件且其分泌产物浓度低、膜污堵能力弱、能和氯抗性菌形成有力竞争；
(2)在筛选污堵抑制菌的方法中，EPS分泌量有两种筛选标准，由于一些细菌可能不好计数，所以本发明还提供了按照细胞干重筛选的方法，以便适用不同水质的RO系统及其中的不同细菌；
(3)本发明筛选出的污堵抑制菌可以用于控制反渗透系统生物污堵，污堵抑制菌能够有效抑制氯抗性菌在RO膜面的生长，减少微生物污堵对RO膜通量的影响，解决现有反渗透系统中氯消毒可能显著加重生物污堵的问题，不仅调节了RO系统进水中的微生物群落结构，还减轻了RO膜生物污堵。
附图说明
图1为五株膜面筛选菌株的单位细胞EPS分泌量测定结果图；
图2为控制反渗透系统生物污堵方法的流程示意图；
图3为实施例及对比例中RO系统的通量变化对比图；
图4为RO进水中投加不同菌株时RO系统的通量变化曲线对比图；
图5为RO进水中投加不同浓度的G3时RO系统的通量变化曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
本发明以北京某再生水厂五株反渗透膜面微生物为例进行说明，RO系统污堵抑制菌的具体筛选方法如下：
(1)从RO系统膜面的污堵层中分离出的五株适应RO进水水质、能在RO膜面生长的菌株，如图1所示，包括AM12-4、AM1-1、AM1-2、BM1-1、G3；
(2)测定(1)中菌株单位细胞或单位干重的胞外多聚物EPS分泌量，筛选单位细胞EPS分泌量小于0.1mg DOC/109cells或者单位干重EPS分泌量小于0.1mg DOC/mg(干重)的菌株；如图1所示，此时筛选出的菌株包括AM12-4、G3，AM12-4的全称为Acidovoraxsp.AM12-4或食酸菌AM12-4，G3的全称为Pseudomonas saponiphila G3或假单胞菌G3；
(3)测定投加了(2)中筛选菌株的RO系统进水的污堵潜力，筛选其中污堵潜力最低的菌株，即为污堵抑制菌；经测定发现，污堵潜力最低的菌株为G3，故而最终筛选出的污堵抑制菌为G3。
在步骤(2)中，EPS的测定方法为：将菌株接种到LB营养肉汤培养基中培养24h后，在1000rpm及4℃条件下离心10min，并弃去上清液；将离心所得菌体重悬于灭菌生理盐水，重复上述离心过程，弃去上清液，以洗去残余培养基；将离心所得菌体再次重悬于灭菌的生理盐水，在45℃水浴加热1h，重复上述离心过程，保存上清液，上清液中有机物即为溶出的胞外多聚物EPS。
在步骤(3)中，污堵潜力的方法可以采用常规的测定方法，也可采用申请号为CN201811239205.X、发明名称为《一种评价反渗透系统进水污堵潜力的装置及方法》、公开日为2019年01月11日的发明专利中公开的污堵潜力的测定方法，其中污堵潜力最低时，膜片的平衡通量最高。
由于其他几种菌株的效果均不如G3，故而本发明仅对G3进行了保藏，并且G3已经在中国发明专利CN201210072764.2中首次公开，该专利的申请日是2012年03月19日，公开日是2012年09月12日；本发明筛选出的假单胞菌G3于2012年2月28日保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.5814，该保藏单位的地址是：北京市朝阳区北辰西路1号院中科院微生物研究所。
利用上述方法筛选出的污堵抑制菌控制RO系统生物污堵的方法，如图2所示，其包括如下步骤：
(Ⅰ)菌剂的制备：将污堵抑制菌接种到LB营养肉汤培养基中培养16h-24h后，在8000rpm-12000rpm及4℃条件下离心菌液10min，并弃去上清液；将离心所得菌体重悬于灭菌的生理盐水，重复上述离心过程，弃去上清液，以洗去残余培养基；将离心所得菌体置于-20℃冰箱中冷冻，冷冻后的菌体于-20℃条件下的冷冻干燥机中冻干24h后制备成菌干粉；菌干粉密封后于-80℃冰箱保存，或真空包装于常温中保存；
(Ⅱ)菌剂的使用：步骤(Ⅰ)中的菌干粉在使用时，需要先进行复壮，然后取0.1g菌干粉接种到100ml LB营养肉汤培养基中，培养液在25℃、150rpm振荡培养16h-24h，再用生理盐水稀释培养液，配置成使用液，使得使用液中污堵抑制菌浓度为1.0～3.0×109CFU/ml；按照使用液中污堵抑制菌的数量与进水中残留微生物的数量为(0.1-10)：1的比例将使用液投加至消毒后的RO系统进水中，使之均匀混合。
在步骤(Ⅱ)中，使用液投加至RO系统进水中之前，需要对进水进行消毒，消毒后需要立刻投加使用液，以抑制进水中微生物再生长现象。
在步骤(Ⅱ)中，使用液中污堵抑制菌浓度的测定方法是：将使用液接种到LB固体培养基中进行异养菌平板计数，培养基中接种污堵抑制菌后，置于生化培养箱中在25℃恒温培养48小时，选取适当浓度梯度菌液对应的培养基进行读数，计算污堵抑制菌浓度。
在步骤(Ⅱ)中，进水中残留微生物的浓度测定方法是：将进水接种到R2A固体培养基平板上进行异养菌平板计数，培养基中接种残留微生物后，置于生化培养箱中在25℃恒温培养48小时，选取适当浓度梯度菌液对应的培养基进行读数，计算残留微生物浓度。
在步骤(Ⅱ)中，为了最大程度地保证使用液中菌种的活性，使用液最好现用现配，也可事先配好保存，不过需要保存在4℃的冰箱中，但是保存时间也不宜过长。
实施例1
本实施例提供的控制RO系统生物污堵的方法包括如下步骤：
(Ⅰ)菌剂的制备：将污堵抑制菌G3接种到LB营养肉汤培养基中培养24h后，在10000rpm及4℃条件下离心菌液10min，并弃去上清液；将离心所得菌体重悬于灭菌的生理盐水，重复上述离心过程，弃去上清液，以洗去残余培养基；将离心所得菌体置于-20℃冰箱中冷冻，冷冻后的菌体于-20℃条件下的冷冻干燥机中冻干24h后制备成菌干粉，菌干粉密封后于-80℃冰箱保存；
(Ⅱ)菌剂的使用：步骤(Ⅰ)中的菌干粉在使用时，需要先进行复壮，然后取0.1g菌干粉接种到100ml LB营养肉汤培养基中，培养液在25℃、150rpm振荡培养16h，再用生理盐水稀释0倍、10倍、100倍培养液，配置成3种使用液，最终制得的使用液中污堵抑制菌浓度为2.2×109CFU/mL、2.2×108CFU/mL、2.2×107CFU/mL；
RO系统进水取自北京市某再生水厂MBR出水，其中的微生物数量为1.8×105CFU/mL，向4.5L的进水中投加5mg/L氯杀菌剂消毒30min后，投加过量硫代硫酸钠脱氯，脱氯后立即投加3.68mL的2.2×107CFU/ml的使用液，使得使用液中污堵抑制菌的数量与进水中残留微生物的数量之比为0.1：1，搅拌使两者均匀混合。
实施例2
本实施例与实施例1相比，不同之处为：向RO系统进水投加的使用液中污堵抑制菌的浓度为2.2×108CFU/ml、投加量为3.68ml，使使用液中污堵抑制菌的浓度与杀菌后进水中微生物浓度比例为1:1。
实施例3
本实施例与实施例1相比，不同之处为：向RO系统进水投加的使用液中污堵抑制菌的浓度为2.2×109CFU/ml、投加量为3.68ml，使使用液中污堵抑制菌的浓度与杀菌后进水中微生物浓度比例为3:1。
实施例4
本实施例与实施例1相比，不同之处为：向RO系统进水投加的使用液中污堵抑制菌的浓度为2.2×109CFU/ml、投加量为1.84ml，使使用液中污堵抑制菌的浓度与杀菌后进水中微生物浓度比例为5:1。
实施例5
本实施例与实施例1相比，不同之处为：向RO系统进水投加的使用液中污堵抑制菌的浓度为2.2×109CFU/ml、投加量为2.58ml，使使用液中污堵抑制菌的浓度与杀菌后进水中微生物浓度比例为7:1。
实施例6
本实施例与实施例1相比，不同之处为：向RO系统进水投加的使用液中污堵抑制菌的浓度为2.2×109CFU/ml、投加量为3.68ml，使使用液中污堵抑制菌的浓度与杀菌后进水中微生物浓度比例为10:1。
对比例1
本实施例与实施例2相比，不同之处为：污堵抑制菌采用AM12-4，由其制备所得的菌干粉与使用液的制备方法与G3相同，向RO系统进水投加的使用液中污堵抑制菌的浓度为2.8×109CFU/ml、投加量为2.89ml，使使用液中污堵抑制菌的浓度与杀菌后进水中微生物浓度比例为1:1。
对比例2
本实施例与实施例2相比，不同之处为：进水中未添加氯杀菌剂，亦未添加污堵抑制菌剂。
对比例3
本实施例与实施例2相比，不同之处为：进水中未添加污堵抑制菌菌剂。
上述实施例及对比例中RO膜的标准化通量数据如表1及附图3-5所示所示。
表1
由实施例1-6可知，当使用液中污堵抑制菌的浓度与杀菌后进水中微生物浓度比例为(0.1-10):1时，RO膜在一定时间内均可保持较高的标准化通量；由实施例2、对比例1可知，随着时间的延长，采用G3作为污堵抑制菌的效果要显著高于采用AM12-4作为污堵抑制菌的效果；由实施例2、对比例2可知，污堵抑制菌存在时，若进水不经氯消毒，其RO膜的标准化通量要低于经氯消毒后的标准化通量；由实施例2、对比例3可知，当进水经氯消毒后，不添加与添加污堵抑制菌相比，其RO膜的标准化通量要更低。
以上所述实施方式仅表达了本发明的多种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种控制RO系统生物污堵的方法，其特征在于，所述控制RO系统生物污堵的方法包括如下步骤：
(Ⅰ)菌剂的制备：将污堵抑制菌接种、培养、离心、冻干制成菌干粉保存；
(Ⅱ)菌剂的使用：将步骤(Ⅰ)中的菌干粉复壮、接种、培养后，用生理盐水稀释制成使用液，使用液中污堵抑制菌浓度为1.0～3.0×109CFU/ml；按照使用液中污堵抑制菌的数量与进水中残留微生物的数量为(0.1-10)：1的比例将使用液投加至在氯杀菌剂消毒30min后的RO系统进水中，使之均匀混合；
在步骤(Ⅱ)中，使用液投加至RO系统进水中之前，需要对进水进行消毒，消毒后需要立刻投加使用液；
所述污堵抑制菌为假单胞菌G3，假单胞菌G3于2012年2月28日保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.5814。
2.根据权利要求1所述的控制RO系统生物污堵的方法，其特征在于，在步骤(Ⅰ)中，接种、培养的方法为：将污堵抑制菌接种到LB营养肉汤培养基中培养16-24h；
离心的方法为：在8000-12000rpm及4℃条件下离心菌液10min，并弃去上清液；将离心所得菌体重悬于灭菌的生理盐水，重复上述离心过程，弃去上清液，以洗去残余培养基；
冻干制成菌干粉的方法为：将离心所得菌体置于-20℃冰箱中冷冻，冷冻后的菌体于-20℃条件下的冷冻干燥机中冻干24h后制备成菌干粉；
菌干粉的保存方法：菌干粉密封后于-80℃冰箱保存，或真空包装于常温中保存。
3.根据权利要求1所述的控制RO系统生物污堵的方法，其特征在于，在步骤(Ⅱ)中，菌干粉的接种、培养方法为：将0.1g菌干粉接种到100ml LB营养肉汤培养基中，培养液在25℃、150rpm振荡培养16h-24h。
4.根据权利要求1所述的控制RO系统生物污堵的方法，其特征在于，在步骤(Ⅱ)中，使用液中污堵抑制菌的测定方法是：将使用液接种到LB固体培养基平板上进行异养菌平板计数，培养基中接种污堵抑制菌后，置于生化培养箱中在25℃恒温培养48小时，选取适当浓度梯度菌液对应的培养基进行读数，计算污堵抑制菌浓度。
5.根据权利要求1所述的控制RO系统生物污堵的方法，其特征在于，在步骤(Ⅱ)中，进水中残留微生物的浓度测定方法是：将进水接种到R2A固体培养基中进行异养菌平板计数，培养基中接种残留微生物后，置于生化培养箱中在25℃恒温培养48小时，选取适当浓度梯度菌液对应的培养基进行读数，计算残留微生物浓度。
6.根据权利要求1所述的控制RO系统生物污堵的方法，其特征在于，所述控制反渗透系统生物污堵的方法还包括如下步骤：
(Ⅲ)定期取样测定进水中残留微生物的浓度：取步骤(Ⅱ)中投加了使用液的进水接种在LB固体培养基，置于生化培养箱中在25℃恒温培养48小时，选取适当浓度梯度菌液对应的培养基进行读数，计算残留微生物浓度。
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