碳纳米颗粒物和微生物信号分子耦合对超滤膜污染的控制方法与机制

Ultrafiltration (UF) technology has been widely used in water purification and wastewater treatment process. Membrane fouling mainly caused by biological contamination is the key factor in restricting the extensive application of UF technology. However, there is still a lack of effective means to control biofouling on the surface of UF membrane. The project is intended to use signal molecules with the efficiency of regulation of biofilm development and carbon nanoparticles with effective antibacterial properties through the means of microbiology, materials science, imaging and interfacial chemistry to control UF membrane fouling. Specific contents include investigating: inhibitory effect of signal molecules and carbon nanoparticles and their mixture on UF membrane biofouling during the UF process; the loading method of signal molecules and carbon nanoparticles on the UF membrane surface; the fouling characteristics of UF membrane based on a composite antibacterial coating to establish the model to control membrane fouling. The results obtained here will provide important theoretical and practical value for controlling membrane pollution and improving the applying level of membrane technology.

超滤技术已逐渐广泛应用于水质净化及其污水处理工艺，但膜污染一直是制约其推广应用的瓶颈，而生物污染是引起膜污染的关键因素，对膜污染的发展起着重要作用。目前仍缺乏有效控制超滤膜表面生物污染的有效手段。本项目拟利用调控生物膜发展过程的信号分子并结合具有高效抑菌性能的碳纳米颗粒物，借助微生物学、材料力学、影像学及界面化学等多学科交叉技术手段，研究二者耦合控制超滤膜表面生物污染的机制及方法。具体包括：研究信号分子与碳纳米颗粒物单独及耦合对于超滤过程中超滤膜表面生物污染的控制效应，探索信号分子及纳米颗粒物在膜表面的负载及复合抑菌涂层构建方法，进一步对基于复合抑菌涂层的超滤膜污染特性进行研究，以此建立适用于实际水环境的碳纳米颗粒物-信号分子耦合的膜污染控制模型。本申请成果对于污水处理系统中膜污染控制，提升膜技术的应用水平具有重要的理论价值与实践意义。

超滤技术已逐渐广泛应用于水质净化及其污水处理工艺，但膜污染一直是制约其推广应用的瓶颈，而生物污染是引起膜污染的关键因素，对膜污染的发展起着重要作用。目前仍缺乏有效控制超滤膜表面生物污染的有效手段。本项目利用调控生物膜发展过程的信号分子并结合具有高效抑菌性能的碳纳米颗粒物，借助微生物学、材料学、影像学及界面化学等多学科交叉技术手段，研究二者耦合控制超滤膜表面生物污染的机制及方法。具体开展了如下工作：全面考察了超滤过程中膜污染（有机污染和生物污染）的形成过程和作用机理，生物污染对超滤膜的性能有较大影响，二级出水中三种有机质海藻酸钠（NaAg）、腐殖酸钠（NaAH）和牛血清蛋白（BSA）的膜污染潜力为NaAg>NaAH>BSA；研究了两种小分子物质香兰素（群体感应信号分子猝灭剂）和双(3-氨基丙基)胺（促生物膜解聚的信号分子）对三种纯菌（大肠杆菌、铜绿假单胞菌、枯草芽孢杆菌）和实际污水（二级出水）悬浊液超滤过程中膜表面生物污染的控制作用，经过膜通量、膜表面总有机碳，扫描电子显微镜（SEM）和激光共聚焦显微镜（CLSM）分析发现二者可有效控制膜表面生物污染，经过二者耦合处理之后的溶液引起的膜通量下降更慢，进一步研究其控制机理发现香兰素对微生物胞外蛋白、胞外多糖和酰基高丝氨酸内酯（AHLs）的分泌有一定的抑制作用；采用过滤涂覆的方法制备了香兰素-碳纳米管复合膜，运用SEM、原子力显微镜及其接触角仪进行复合涂层的表层形态分析发现碳纳米管和香兰素均已成功载入到膜片基底层，并进一步对复合涂层的稳定性进行测定发现负载量为2g·m-2制备的改性膜碳纳米管损失量少稳定性好；运用SEM和CLSM考察香兰素-碳纳米管复合膜对膜表面生物污染的控制情况发现有效抑制了细菌的附着，实现了两种不同生物膜抑制剂耦合对超滤膜表面微生物附着的长期抑制效果。本研究成果为有效控制超滤膜表面的生物污染，提升膜技术的应用水平提供了理论依据和技术指导。