间歇运行模式下太阳能驱动膜蒸馏过程生物污损机制与微生物群落结构研究

《Journal of Environmental Management》：Unrevealing biofouling in a solar-powered membrane distillation process operated with intermittent mode

　　

生物污损（biofouling）在间歇运行模式的太阳能驱动膜蒸馏（solar-powered membrane distillation, SPMD）过程中被全面研究。进料温度（feed temperature）对生物污损的影响大于太阳辐照（solar irradiation）。光热膜（photothermal membrane）在膜蒸馏（membrane distillation, MD）运行初期缓解了生物污损。生物污损群落随运行温度和膜类型的变化而变化。某些细菌和真核微生物组（microbiomes）在SPMD过程中引起了生物污损。

一、研究背景与问题提出

全球气候变化导致水资源短缺问题日益严峻，沿海地区还面临海水入侵导致淡水水质下降的威胁。人口增长和工业发展进一步推高了淡水需求，预计到2050年将有高达23亿城市人口面临水资源短缺。在此背景下，利用可再生能源和非常规水资源（如海水和废水）实现低碳或碳中和的水生产成为迫切需求。

膜蒸馏（membrane distillation, MD）作为一种热驱动的混合膜过程，因其运行温度（通常60–80°C）低于传统热驱动技术（如多级闪蒸MSF的120°C和多效蒸馏MED的80–100°C），具有与太阳能直接集成的巨大潜力。然而，MD过程存在高能耗问题，因此需要合适的能源供应策略。太阳能驱动的MD（solar-powered membrane distillation, SPMD）因其可持续性受到关注，但太阳能辐照的日内波动导致系统必须间歇运行，这种运行模式对膜污染的影响尚不清楚。

与其他膜过程类似，MD易受膜污染和润湿的影响，导致产水速率和产水水质下降。以往MD污染研究主要集中于无机结垢、有机污染和颗粒污染，近年来研究人员开始关注MD膜上的生物污损（biofouling），尽管进料温度较高（60–80°C），生物污损仍在MD过程中被观察到。值得注意的是，膜过程的污染会随运行模式而变化。已有研究表明，间歇运行条件下模拟SPMD系统的无机结垢比连续运行更严重，而反渗透（reverse osmosis, RO）系统在间歇模式下污染反而得到缓解。然而，关于间歇运行SPMD系统中生物污损的研究仍然有限。

生物污损由细菌、藻类和真菌等微生物引起，它们产生的胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）促进MD过程中生物膜的形成。理解生物膜群落结构对于理解生物污损现象至关重要，因为它与MD过程的各项运行参数密切相关。已有研究表明，进水类型、盐度、有机物、营养物质和本地微生物等进水特性会影响生物膜群落结构。温度也是影响生物污损群落的重要因素，有研究比较了40°C和60°C条件下的生物膜微生物组，观察到60°C时微生物群落结构发生显著变化。然而，关于MD过程中生物污损群落结构的研究仍然很少，且真核生物膜群落的信息更为匮乏。

因此，本研究旨在全面调查间歇运行SPMD过程中的生物污损行为和生物膜微生物组，填补以下关键知识空白：一是间歇SPMD运行下的生物污损行为，二是细菌和真核生物膜群落对间歇SPMD运行的响应。

二、研究内容与主要结论

研究人员构建了实验室规模的SPMD系统，采用直接接触膜蒸馏（direct-contact membrane distillation, DCMD）构型，在间歇模式下运行，考察了不同进料温度（25°C和55°C）、膜类型（PTFE/PP双组分复合膜和光热膜）以及有无太阳辐照等运行条件对生物污损的影响。研究人员利用高通量测序技术分析了膜表面形成的细菌和真核生物膜群落结构。研究发现，进料温度对生物污损的影响大于太阳辐照；光热膜在MD运行初期能够缓解生物污损；生物污损群落随运行温度和膜类型的变化而变化；某些细菌和真核微生物组是SPMD过程中引起生物污损的关键类群。这是首次对间歇运行模式下SPMD过程生物膜微生物组进行的研究。

三、关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：利用太阳能模拟器（solar simulator）提供模拟太阳辐照（0.8–1.2 sun）；制备光热膜（photothermal membrane），通过等离子体预处理和电子束蒸发（electron-beam evaporation）在PTFE/PP双组分复合膜基底上形成光热层；构建实验室规模SPMD系统，采用DCMD构型运行；使用电导率仪实时监测进料和渗透液温度及电导率；采用高通量测序（high-throughput sequencing）技术，通过MiSeq平台对16S rRNA基因（细菌）和18S rRNA基因（真核生物）进行扩增子测序；利用DADA2包生成扩增子序列变体（amplicon sequence variants, ASVs），并与NCBI数据库比对进行分类学鉴定；使用PC-ORD 7软件进行聚类分析。样本来源为韩国东海Namae海滩采集的海水，经微生物培养后作为初始进料水。

四、研究结果

4.1 SPMD过程表征

研究人员通过改变进料流速和太阳辐照对SPMD通量进行了表征。进料流速从150 mL/min增加到250 mL/min时通量增加，但继续增加至350 mL/min时通量无显著提升，因此选择250 mL/min作为最优流速。较高的太阳辐照产生较高的通量，但当太阳辐照超过1 sun时通量增加不再显著，因此生物污损试验在标准太阳条件（1 sun）下进行。通量变化与跨膜温差呈现相似模式。

4.2 不同进料温度和太阳辐照条件下的SPMD生物污损

在25°C条件下，无论有无太阳辐照，SPMD通量随时间增加，而在污损条件下通量呈下降趋势。间歇运行后，第二至第四周期的初始通量相对于第一周期有所恢复，表明19小时停机期间可能发生了生物污损从MD膜上的脱落。未观察到完全润湿，最终渗透液电导率远低于进料电导率。在55°C条件下，有无太阳辐照的通量趋势相似，试验结束时通量略有下降。体积浓缩因子（volumetric concentration factor, VCF）在25°C和55°C条件下分别为1.17–1.23和3.5–9.8，表明25°C条件下CaSO₄引起的无机结垢不是主要因素，而55°C条件下7小时后的通量下降可能受到CaSO₄结垢的额外影响。因此，进料温度的变化对SPMD模块的影响大于太阳辐照。

4.3 原始膜与光热膜的SPMD生物污损比较

配备光热膜的SPMD系统在相同污损条件下表现出比配备原始膜和太阳能集热器的SPMD系统更高且更持久的通量。光热膜表面温度在1 sun辐照下可升至64.2°C，高于集热器的38.6°C，这解释了光热膜系统通量增加的原因。配备太阳能集热器的MD模块在太阳辐照下表现出早期通量下降，而光热膜模块和无非太阳辐照的集热器模块未出现此现象，表明太阳辐照可能刺激早期生物污损形成。光热膜未出现早期通量下降，可能与其表面氧化反应或较低的接触角（75.8°对比原始膜的140°）有关。所有实验条件在间歇运行的第3和第4天开始时均表现出显著的通量恢复，表明间歇运行可能有助于缓解生物污损。

4.4 生物污损微生物组与MD运行条件的关系

4.4.1 细菌群落结构

共获得131,034条细菌序列，归属于294个16S-ASVs。门水平上，初始进料水中以Pseudomonadota和Bacillota为主，MD运行后膜表面Pseudomonadota丰富，Bacillota丰度相对下降，光热膜生物膜中Bacteroidota成为优势菌门。聚类分析显示，光热膜上形成的生物膜与其他膜上的生物膜明显不同，生物膜群落结构随运行温度分组（高温组与低温组），而太阳辐照的影响相对较小。主要细菌ASVs包括Pseudoalteromonas carrageenovora（16S-ASV1）、Photobacterium lutimaris（16S-ASV2和5）等，这些类群在膜表面选择性积累，具有产生EPS促进生物膜形成的能力。光热膜生物膜中特有的主要ASVs包括Flagellimonas zhangzhouensis（16S-ASV6）、Rheinheimera aquimaris（16S-ASV11）和Sulfitobacter marinus（16S-ASV13），这些类群具有生物膜形成潜力，但光热膜上污损相对较低，归因于其较低的接触角限制了微生物附着。高温条件下Photobacterium alginatilyticum（16S-ASV4）常见丰富，该菌可在高达50°C条件下生长；低温条件下Neptuniibacter pectenicola（16S-ASV8）为主要组分，该菌与多种工程系统中的生物膜形成相关。

4.4.2 真核群落结构

共获得370,756条真核序列，归属于526个18S-ASVs。门水平上，初始进料水中以Streptophyta、Ascomycota、Cercozoa和Chlorophyta为主，MD运行后膜表面Bacillariophyta（硅藻门）占优势，表明硅藻可能是潜在的生物膜形成真核群落。真核生物膜群落聚类模式与细菌相似，光热膜生物膜与其他膜生物膜不同，群落结构随运行温度分组。光热膜生物膜中Psammodictyon panduriforme（18S-ASV1）显著占优势，该底栖硅藻常见于盐水环境，已在污损硅藻群落和海洋生物膜中被鉴定，且能在多种恶劣生境中生存。低温条件下18S-ASVs 4和6常见占优势，高温条件下18S-ASVs 2和3丰富。Spumella sp.（18S-ASV5）在太阳辐照条件下的低温生物膜中常见占优势，该物种在水生生物膜中被鉴定，对外部刺激具有较强抵抗力。

4.4.3 细菌和真核生物膜微生物组与膜类型的比较

细菌和真核生物膜微生物组均随膜类型呈现明显差异。在PTFE/PP双组分复合膜表面，细菌16S-ASVs 1、2和5与真核18S-ASVs 2、3、7和8同时检出；而在光热膜表面，细菌16S-ASVs 6、11和13与18S-ASV1共同丰富。结果表明，相互作用的细菌和真核生物膜微生物组可能显著依赖于膜类型。

五、讨论与结论

研究人员指出，本研究存在一些局限性：由于集热器位于MD膜上方，无法在污损试验期间直接监测膜表面温度；光热膜的自清洁特性需要进一步研究，应表征膜表面发生的光化学反应与污损发展的关系。对于可持续水生产和环境保护，有效管理间歇运行的可再生能源辅助MD系统以最小化污损非常重要。虽然本研究聚焦于实验室规模的生物污损试验，但结果可为未来长期运行的可再生能源辅助膜法海水淡化系统的发展提供有用信息。生物污损被认为是全尺寸海水淡化厂污损的主要贡献者，MD系统也已在商业中试规模进行测试。近年来MD膜生物污损研究不断增加，本研究证明了实验温度、太阳辐照和光热膜应用对生物污损行为的差异影响，为理解可再生能源辅助MD处理长期运行中的生物污损提供了初步信息。此外，MD已被应用于实验室和中试规模的海水淡化浓盐水处理，研究结果可为浓盐水处理过程中的污损控制提供基础。通过微生物群落分析理解膜生物污损，有助于确定适当的污损控制策略，包括预处理（如混凝、沉淀、过滤、氧化、消毒）以及使用酸、碱、NaOCl、EDTA的膜清洗方法。本研究调查了间歇运行SPMD过程中细菌和真核群落结构的生物污损微生物组，但由于大多数主要真核ASVs缺乏详细的生物膜形成机制信息，未来需要进一步研究以全面理解MD过程中的生物污损机制。