《Desalination》：Improved mitigation of reverse osmosis membrane biofouling via synergistic UV light-emitting diodes and chlorine disinfection
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协同消毒提升反渗透膜通量103.57%，生物膜结构由致密分层转为松散网状，EPS相关成分减少，微生物群落多样性降低，证实氯与多波长UV LED协同消毒对生物污染控制的有效性。
高宇佳|王瑞宁|于世通|曹克凡|蔡旭成|余洪|王云|黄伟东|生野信宗|中田浩二|胡红英|吴寅虎
中国北京林业大学环境科学与工程学院水污染源控制技术重点实验室，北京100083
摘要
反渗透（RO）膜的生物污染被认为是RO系统的致命弱点。然而，传统的单一消毒方法和抗菌剂在长期运行中对生物污染的控制效果不佳。在本研究中，我们探讨了氯气和多种紫外发光二极管（265 nm/285 nm）在实际控制再生水系统中的协同作用，以减缓膜通量的下降。经过协同消毒处理后，再生水系统的生物污染得到了缓解，其标准化通量比未消毒组增加了103.57%。生物膜的结构从密集的分层沉积物转变为松散的网状沉积物，并且观察到膜表面粗糙度增加。此外，EPS相关成分的含量也有所下降。具体来说，傅里叶变换红外光谱（FTIR）中的振动强度和电子发射显微镜（EEM）光谱中的荧光信号减弱，这与EPS关键成分、污染层中的有机物浓度以及接触角的降低有关，表明协同消毒在一定程度上可以减轻生物污染。此外，对生物多样性的研究表明，微生物群落结构发生了显著变化，多样性降低，均匀性减弱，这表明协同消毒施加了强烈的选择压力。预计这种协同消毒方法将大大推进RO抗污染技术的发展，从而满足日益增长的水资源需求。
引言
提供安全的水被视为环境可持续性的基石，而水回收是一种关键策略[1]。作为水回收的关键技术，反渗透（RO）技术因其卓越的分离效率和运行可靠性而在生产高质量便携式水和超纯工业用水方面发挥着重要作用[2]。为了确保向最终用户持续供应安全的水，RO系统的高效稳定运行至关重要。然而，生物污染严重影响了系统的效率，并导致了超过45%的运行问题[3],[4]。在长时间运行过程中，微生物逐渐在RO膜表面定殖并演变成结构化的多细胞聚集体，即生物膜[5],[6]。一旦形成，成熟的生物膜对外部压力（包括传统消毒和化学清洗）具有相当的抵抗力，使得完全清除它们变得困难。此外，生物膜还可以作为病原体的储存库[7]。生物污染的后果包括渗透通量降低、跨膜压力升高、过滤周期缩短以及水质下降[8]。
废水中含有多种污染物，包括致病微生物。如果不进行适当处理，这些污染物可能会接触人类，从而对公共卫生构成重大风险。因此，消毒是控制病原体和确保再生水安全不可或缺的屏障[9]。在大型水回收过程中，基于氯的消毒剂因其出色的抗菌活性[10],[11]、运行效率、成本效益和残留消毒能力[12]而被广泛使用。然而，氯消毒存在以下局限性：1）产生有害副产物。氯化会与水中的有机物发生反应，生成如三卤甲烷和卤乙酸等消毒副产物，这些副产物具有致癌、致突变和致畸作用；2）降解聚酰胺膜。去除残留氯需要添加还原剂，这可能会促进耐消毒细菌（DRB）的繁殖；3）选择耐消毒细菌：长期暴露于氯会增加耐消毒细菌的相对丰度。耐消毒细菌会增加生物膜的形成能力和胞外聚合物物质（EPS）的分泌，从而加剧RO系统的生物污染。
紫外线（UV）照射作为一种物理消毒方法，因其广谱杀菌作用且不产生消毒副产物而受到广泛关注[13]。在UV技术中，新兴的紫外发光二极管（UV LEDs）已被广泛应用[14],[15]。UV消毒的机制涉及对微生物遗传物质（DNA或RNA）的光化学损伤，嘧啶二聚体的形成会破坏复制过程，导致微生物失活。因此，越来越多的污水处理厂开始采用UV消毒技术。然而，其应用也受到一些限制：1）缺乏持续消毒效果：UV照射在下游过程中没有持久的抗菌效果，使系统容易受到微生物再生的影响；2）穿透深度有限：在高浊度水中，处理效果可能会显著降低；3）细菌再生：暴露于亚致死剂量的紫外线可能导致细胞损伤可逆，从而使细菌在下游单元中恢复并继续繁殖。
先前的研究表明，传统的单一消毒方法甚至可能加剧膜的污染[2]。Venkidusamy等人使用UV消毒作为再生水的预处理步骤，发现膜表面积累了大量耐UV细菌[16]。耐消毒细菌分泌的胞外聚合物物质（EPS）会加剧污染现象——这一现象在氯气和臭氧消毒后也有类似观察[16],[17],[18]。鉴于氧化性消毒剂和非氧化性消毒剂的不同灭活机制，协同消毒策略是克服消毒剂抗性的有前景的方法。如果证明有效，它们可以降低化学成本，同时减轻膜污染，并引起广泛的研究兴趣。例如，臭氧与非氧化性抑菌剂的组合被证明可以减少70%的污染[19]。近年来，UV照射与氯的结合受到了更多关注。UV辐射主要对核酸（DNA或RNA）造成损伤，而氧化性消毒剂首先破坏外部细胞结构（如膜和细胞壁），然后渗透进去氧化细胞内的蛋白质和酶[20]。对于大肠杆菌（E. coli），单独使用UV的灭活效率为2.03–3.98 log，而UV与基于氯的消毒剂（氯、二氧化氯和氯胺）结合使用时，灭活效率为3.78–6.55 log[21]。此外，UV和二氧化氯的协同应用已被证明对生物膜控制有效。总之，同时控制RO系统中的生物污染和灭活膜表面的耐消毒细菌仍是一个关键且未解决的技术挑战。
目前，关于协同消毒在减轻膜生物污染方面的有效性仍存在知识空白。在这项工作中，我们开发了一种有前景且实用的策略——协同消毒。研究目标包括：1）系统评估协同消毒预处理后标准化通量的下降情况；2）全面表征污染层的物理化学性质，包括形态、粗糙度、有机成分和组成以及亲水性/疏水性；3）阐明污染层内细菌群落结构的变化，从而揭示其潜在的抑制机制。本研究旨在系统评估协同UV LEDs和氯消毒在RO系统中的生物污染控制潜力，并开发一种新型、高效、低毒性和经济可行的水回收设施生物污染控制策略。
部分摘要
细菌菌株和水样
之前从实际再生水中分离出了具有高抗性的耐消毒细菌，这些细菌经过传统的消毒方法处理，包括氯化、臭氧化和紫外线照射。所选菌株的分类鉴定结果为：耐氯细菌Bacillus cereus（CR19）、耐臭氧细菌Acidovorax sp.（O7）和耐紫外线细菌Deinococcus radiodurans（DR）。有关所选菌株的基本信息见文本S1和表格协同消毒对RO系统污染潜力的影响
Bak等人证实，与纯培养系统中形成的生物膜相比，UV在控制混合细菌群落形成的生物膜方面效果较差[14],[23]。因此，本研究讨论了混合细菌在RO生物污染中的表现。如图S2所示，评估了接种了约103 CFU/mL浓度混合DRB的纯培养系统在消毒前后的水通量变化。结论
在交叉流RO过滤系统中，氯气和多种UV LEDs（265 nm/285 nm）的协同应用有效控制了RO膜的生物污染。与未消毒的膜相比，协同消毒使标准化膜通量增加了103.57%。根据污染层的形态特征观察，未消毒组中形成了成熟的生物膜，但在协同消毒后这些生物膜转变为松散的网状结构
资助
本工作得到了国家自然科学基金（编号：52470041）、国家自然科学基金重大项目（编号：52293440和52293442）以及创新研究群体科学基金（编号：52221004）的财政支持。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
