全 文 ：第 24卷第 5期 大 连 水 产 学 院 学 报 Vol.24No.5
2 00 9年 1 0月 JOURNALOFDALIANFISHERIESUNIVERSITY Oct.2 0 0 9
·研究简报 · 文章编号:1000-9957(2009)05-0465-05
单胞藻浓缩液制备中超滤膜清洗方法的研究
周玮 1、 2 , 王国栋 1 , 梁忠德2
(1.大连水产学院 农业部海洋水产增养殖学重点开放实验室 , 辽宁 大连 11023;
2.大连水产学院生命科学与技术学院 , 辽宁大连 116023)　　　　　　　
摘要:研究了浓缩单细胞藻后超滤膜的几种清洗方法 , 探讨了物理法清洗的持续时间 , 比较了 3种清洗剂
(5.0mL/LHCl、 5.0g/LNaOH和 5.0g/LNaClO溶液)的清洗效果 , 以及水温对 5.0mL/LHCl和 5.0g/L
NaClO溶液清洗效果的影响。结果表明:过滤单细胞藻后 , 污染超滤膜的几种清洗方法的最佳清洗时间分
别为 , 用物理法反冲洗 30 min, 用 5.0 mL/LHCl溶液冲洗 10 min, 用 5.0 g/LNaClO冲洗 10 min。水温小
于 30 ℃时 , 采用 5.0 g/LNaClO溶液清洗效果较好 , 膜恢复率为 95.1%;大于 30 ℃时 , 采用 5.0 mL/L
HCl溶液清洗效果较好 , 最高恢复率为 95.9%。
关键词:单胞藻;超滤;膜污染;膜清洗
中图分类号:S963.21　　　　文献标志码:A
　　超滤技术作为一种新型高效的浓缩技术 , 已在
国内外广泛应用 [ 1-3] 。将超滤膜法用于单胞藻浓
缩 , 能够保证藻类的生物活性 , 简化工序 , 实现连
续生产 [ 3] 。但膜污染会导致膜通量下降 , 直接影
响膜组件的效率和使用寿命 , 因而制约了膜技术在
单胞藻浓缩中的应用 。研究表明 , 膜的清洗和更换
占单胞藻浓缩运行成本的 50%, 占整个超滤系统
总成本的 30%[ 4] 。在延缓膜污染方面 , 除了选择
耐污染膜和适合的操作条件外 , 最有效的方法是进
行膜的清洗 [ 5-6] 。清洗方法主要有反清洗 、 化学清
洗 、酶清洗和超声时域反射法清洗 [ 7-8] , 常用的是
反清洗和化学清洗。清洗剂有酸 、 碱表面活性剂 、
消毒剂 、酶溶液和复合清洗剂 [ 6, 8-9] , 其清洗效果
受操作条件 , 如清洗剂浓度 、 清洗时间 、 温度等因
素的影响 [ 10] 。因此 , 清洗剂的选择与操作条件的
确定是膜清洗技术研究的重要内容。本试验中 , 作
者选择了常见的 3种类型清洗剂 , 对聚砜超滤膜浓
缩单胞藻液过程中膜污染的清洗效果进行了研究。
1　材料与方法
1.1　材料
1.1.1　设备及器材　单胞藻浓缩机 (MFZ-1)是
由大连水产学院研究开发的中空纤维超滤膜过滤系
统。膜材料为聚砜膜 , 膜的总面积为 3 m2 , 膜孔
径大小为 20nm。其工作原理见图 1。
正常超滤工作流程:打开阀 3、 6、 8、 11和
12 , 开泵并适当控制阀 12调节超滤器的压力 (其
他阀门均关闭)。
反清洗工作流程:打开阀 3、 9、 11和 12, 开
泵调节阀 12 , 可以调节反清洗的流量 (其他阀门
均关闭)。
1.1.2　滤出液及清洗剂　滤出液为湛江等鞭金藻
Isochrysiszhanjiangensis, 密度为 (100 ±10) ×104
个 /mL, 由大连金州陆源海产科技园生物饵料培养
车间提供 。清洗剂为:5.0 g/LNaOH溶液 , 5.0
mL/L的 HCl溶液 , 5.0 g/LNaClO溶液 , 试剂均
为分析纯 。反冲液为收集的设备浓缩运行过程中排
出的滤出液。
1.2　方法
1.2.1　膜通量及膜通量恢复率的测定　膜通量的
测定是在设备稳定运行状态下 , 测量设备在 1 h内
排出的超滤液总体积 。按以下公式计算膜通量 J
(L/m2·h):
　　　　　J=V/ (S×t), (1)
式中:V为超滤液的总体积 (L);S为膜的有效面
积 (m2);t为超滤时间 (h)。
　收稿日期:2008-11-17
　基金项目:大连市优秀人才基金资助项目 (2002031)
　作者简介:周玮 (1963-), 男 , 教授。 E-mail:zhouwei@dlfu.edu.cn
DOI :10.16535/j.cnki.dlhyxb.2009.05.004
1.压力表;2.流量计;3.流速控制阀;4.注水阀;5.水泵;6.电
动脉冲阀;7.排空阀;8.调节阀;9.反冲调节阀;10.超滤器;
11.滤出液阀;12.压力调节阀;13.藻液(反冲液)入口;14.浓缩
藻(反冲洗)出口;15.滤出液出口。
图 1　超滤系统工作流程图
Fig.1　Flowingdiagramoftheultrafiltrationsystem
表征清洗效果的膜通量恢复率 (FR)用下
式 [ 11]计算:
FR=Jw-JfwJiw-Jfw×100%,
式中:Jw为清洗后的膜通量;Jiw为新膜组件的初
始膜通量;Jfw为膜污染后的膜通量。
初始膜通量:在压力 0.1MPa下 , 以反冲液作
为透过液体 , 使用新的膜组件开机运行 , 待设备运
行 10min后开始测定膜通量。
膜污染后的膜通量:在压力为 0.1MPa的条件
下 , 开启浓缩机浓缩单细胞藻液 , 连续运行 8 h。
然后用反冲液从进料口冲洗膜组件中残留的滤料 ,
10 min后测定污染后的膜通量。
1.2.2　清洗试验　在测定污染后的膜通量后 , 分
别用物理法和化学法进行清洗 。
物理法　按图 1所示反清洗工作流程调节好组
件 , 以反冲液为透过液体 , 分别设置反清洗时间为
10、 20、 30、 40min。清洗运行结束后 , 仍以反冲
液为透过液体 , 测定清洗后的膜通量 。
化学法　按图 1所示超滤工作流程调节好组
件 , 分别用 3种化学清洗剂运行清洗程序 , 研究 3
种清洗剂的清洗效果 。在每种清洗试验中 , 分别设
定循环清洗时间为 10、 20、 30 min。各组试验结束
后 , 放出清洗液 , 再以反冲液为透过液体 , 按上述
方法测定清洗后的膜通量 。
1.2.3　水温对化学法清洗效果的影响　分别在水
温为 20、 25、 30、 35 ℃下 , 用 5.0 mL/LHCl溶液
和 5.0g/LNaClO溶液按照上述化学清洗方法对污
染膜清洗 30min。各组试验结束后 , 放出清洗液 ,
再以反冲液为透过液体测定膜通量。
1.3　数据处理与分析
试验数据用 SPSS11.5版统计软件中 One-
WayANOVADuncan方法进行方差分析 。
2　结果
2.1　用物理法清洗的效果
由图 2可见:膜通量和 FR均随着清洗持续时
间的增加而提高 , 反冲洗进行 10、 20、 30、 40 min
后 , 膜通量从污染后的 575.45L/ (m2·h)分别提
高到 783.60、 867.84、 909.32、939.75 L/(m2·h);
对应的 FR值分别为 35.3%、 49.6%、 56.6%和
61.8%。可将冲洗时间分为 4个阶段:污染后开始
到冲洗 10 min为第一阶段 , 冲洗 10 ～ 20 mim为第
二阶段 , 冲洗 20 ～ 30 min为第三阶段 , 冲洗 30 ～
40min为第四阶段 , 各阶段结果比较显示 , 膜通量
分 别 提 高 了 208.15、 84.24、 41.48、 30.42
L/(m2·h), 提高量呈现递减趋势。
显著性差异检验结果表明:第一阶段 、 第二阶
段和第三阶段膜通量的初始值和终值均差异显著
(P<0.05), 第四阶段膜通量的初始值和终值差异
不显著 (P>0.05)。说明清洗 30 min以内对膜通
量的恢复可收到显著效果。
图 2　反冲洗持续时间对膜通量和 FR的影响
Fig.2　Theeffectofthedurationofhydrauliccleaning
onpermeatefluxandfluxrecovery
2.2　化学法清洗
由图 3和表 1可见:3种化学清洗剂对膜通量
的恢复均随着清洗时间的增加而提高 , 对污染膜的
清洗效果均在第一阶段 (10 min)最为显著 。
用 5.0 mL/LHCl溶液清洗 10、 20 min和 30
466 大 连 水 产 学 院 学 报　　　　　　　　　　　　第 24卷
min, 膜通量由污染后的 466.59 L/ (m2·h)分别
增加到 998.91、 1028.26、 1070.11 L/ (m2 ·h);
FR分别为 76.2%、 80.4%和 86.4%。按照上述的
时间阶段 , 第一阶段至第三阶段的膜通量分别提高
了 532.32、 29.35、 41.85 L/ (m2 ·h)。差异显著
性检验结果表明:第一阶段膜通量的初始值和终值
差异显著 (P<0.05), 第二阶段 、 第三阶段膜通
量的初始值和终值差异均不显著 (P>0.05)。
用 5.0 g/LNaOH溶液清洗 10、 20、 30 min
后 , 膜通量由污染后的 528.93L/ (m2·h)分别增
加到 1024.42、 1073.91、 1099.93 L/ (m2·h);FR
分别为 77.9%、 85.7%和 89.8%。膜通量在这 3
个阶段 中分 别提高 了 495.48、 49.50、 26.02
L/ (m2·h)。经显著性差异检验 , 第一阶段膜通
量的初始值和终值差异显著 (P<0.05), 第二阶
段 、第三阶段膜通量的初始值和终值差异均不显著
(P>0.05)。
用 5.0 g/LNaClO溶液清洗 10、 20、 30 min
后 , 膜通量由污染后的 532.93L/ (m2·h)分别增
加到 1123.24、 1132.58、 1134.24L/ (m2·h);FR
分别为 93.4%、 94.9%和 95.1%。膜通量 3个阶
段中分别提高了 590.31、 9.34、 1.66 L/ (m2·h)。
经显著性差异检验 , 第一阶段膜通量的初始值和终
值差异显著 (P<0.05), 第二阶段 、 第三阶段膜
通量的初始值和终值差异均不显著 (P>0.05)。
将每个试验阶段 3种清洗剂的清洗效果进行比
较 。结果表明:清洗 10min时 , 用 5.0 g/LNaClO
溶液冲洗后 , 其膜通量提高最大 , 5.0 mL/LHCl
溶液的清洗效果次之 , 其中 , 5.0 mL/LHCl溶液
与 5.0g/LNaOH溶液对膜通量的提高值差异不显
著 (P>0.05), 5.0 g/LNaOH溶液与 5.0 g/L
NaClO溶液对膜通量的提高值差异显著 (P<
0.05);清洗 20 min时 , 用 5.0 g/LNaOH溶液冲
洗后 , 其膜通量提高最大 , 5.0 mL/LHCl溶液的
清洗效果次之 , 3种清洗剂对膜通量的提高值差异
均不显著 (P>0.05);清洗 30 min时 , 用 5.0
mL/LHCl溶液冲洗后 , 其膜通量提高最大 , 5.0
g/LNaOH溶液的清洗效果次之 , 其中 5.0 mL/L
HCl溶液与 5.0 g/LNaOH溶液对膜通量的提高值
差异不显著 (P>0.05), 5.0 g/LNaOH溶液与
5.0g/LNaClO溶液对膜通量的提高值差异显著
(P<0.05)。尽管 5.0 g/LNaClO溶液在清洗 20
min和 30min后对膜通量的提高值均最小 , 但在各
清洗阶段上的清洗效果始终最好。
图 3　不同循环冲洗时间内 3种清洗剂的清洗效果
Fig.3　Thecleaningofthethreechemicaldetergentsin
differentrecyclingperiods
表 1　不同循环冲洗时间内 3种清洗剂的 FR值
Tab.1　Thefluxrecoveryofthethreechemicaldetergents
indiferentrecyclingperiods %　
清洗剂
detergent
浓度
consistency
循环冲洗时间 circulatingcleanperiod/min
0 10 20 30
HCl 5mL/L 0 76.2 80.4 86.4
NaOH 5.0g/L 0 77.9 85.7 89.8
NaClO 5.0g/L 0 93.4 94.9 95.1
2.3　水温对化学清洗效果的影响
从图 4、 表 2可见:在 20、 25、 30 ℃和 35 ℃
下 , 用 5.0 mL/LHCl溶液清洗后 , 膜通量分别为
1070.11、 1078.45、 1114.29、 1136.38 L/(m2·h);
FR分别为 86.4%、 87.6%、 92.7%和 95.9%, 膜
通量和 FR均随着水温的升高而升高 。 20 ℃与 25
℃下膜通量的恢复值差异不显著 (P>0.05), 25
℃与 30℃下差异显著 (P<0.05), 30 ℃与 35 ℃
下差异不显著 (P>0.05), 30 ℃时 , 膜通量恢复
值有显著提高 。
用 5.0 g/LNaClO溶液清洗时 , 出现随水温升
高而下降的趋势。水温为 20、 25、 30 ℃和 35 ℃
时 , 膜通量分别为 1134.24、 1133.27、 1108.76、
1084.77L/ (m2·h);FR分别为 95.1%、 95.0%、
91.1%和 87.3%。 20℃与 25℃下膜通量的恢复值
差异不显著 (P>0.05), 水温为 25 ℃与 30 ℃时
差异显著 (P<0.05), 30℃与 35℃时均差异显著
(P<0.05)。水温为 20 ℃和 25 ℃时 , 5.0 g/L
NaClO溶液的清洗效果好于 5.0 mL/LHCl溶液;
水温为 30 ℃和 35 ℃时 , 5.0 mL/LHCl溶液的清
洗效果好于 5.0 g/LNaClO溶液 , 但在 30 ℃时两
467第 5期　　　　　　　　　周玮 ,等:单胞藻浓缩液制备中超滤膜清洗方法的研究
种试剂对膜通量恢复差异不显著 (P>0.05), 在
35 ℃时 , 两者之间差异显著 (P<0.05)。
图 4　水温对清洗剂清洗效果的影响
Fig.4　Theeffectoftemperatureinthechemicaldeter-
gentofthreesolution
表 2　不同水温下两种清洗剂的 FR值
Tab.2　Thefluxrecoveryofthetwochemicaldetergentsat
differenttemperature %　
清洗剂
detergent
浓度
consistency
水温 watertemperature/℃
20 25 30 35
HCl 5mL/L 86.4 87.6 92.7 95.9
NaClO 5.0g/L 95.1 95.0 91.1 87.3
3　讨论
反冲洗是从膜的透过侧通入气体或液体 , 将膜
表面污染物除去的方法。研究认为 , 使用一段时间
后 , 用超滤透过液反向冲洗超滤膜 , 可以收到很好
的效果 [ 12] 。这是因为透过液出口关闭 , 不会使膜
表面的污染物在压力的作用下进入膜孔造成新的污
染;清洗水不循环利用 , 被除去的污染物不会对膜
造成再污染 , 提高了清洗效果。张晓云等[ 13]提出:
用机械方法从膜表面上去除污染物 , 具有不引入新
污染物 、清洗步骤简单等特点 , 但该法仅对污染初
期的膜有效 , 清洗效果不能持久 。本试验结果也证
实了这一点 , 即随着清洗时间的延长 , 膜通量有了
一定程度的恢复 , 但情况并不理想 , 且延长清洗时
间对清洗效果并没有太大的提升作用 。这表明与膜
结合较为紧密的污染物和吸附物吸附或堵塞在膜孔
内 , 不能通过简单的机械作用除去。膜的污染主要
是附着层的出现 , 它是由料液 (单胞藻液)中悬
浮物堆积于膜表面 (滤饼)、 由单胞藻液浓缩后黏
附于膜表面 (凝胶层)、 由溶解性无机物生成的水
垢积附于膜表面 (水垢层)以及由胶体物质或微
生物等吸附于膜表面 (吸附层)所构成。本试验
中 , 反冲洗前 10 min对膜通量的提高值为 208.15
L/ (m2·h), 随后每增加 10min, 膜通量的提升逐
渐减少 , 膜通量最高恢复到 939.75 L/ (m2·h),
FR最高为 61.8%, 较新的膜组件有 38.2%的差
距 , 但反冲洗是膜清洗不可缺少的环节 。反冲洗刚
开始时 , 主要除去的是附着力较弱和膜表面的污染
物 , 通量恢复较快;随着反冲洗的进行 , 污染物的
附着细胞数量在减少 , 且剩余的较不易分离 , 因此
随着反冲洗时间的延长 , 膜通量提高渐缓。这与肖
建平 [ 14]的研究结果一致 , 即物理清洗方法对轻度
有机物污染的去除是有效的 , 同时延长清洗时间对
于膜通量的恢复并不能起十分显著的作用。因此 ,
根据膜通量的恢复情况 , 以及从运行成本角度考
虑 , 建议选择每次反冲洗时间为 30min, 并适当选
择化学清洗剂 , 用物理清洗与化学清洗剂清洗相结
合的清洗方案 , 可以达到理想的清洗效果。
用化学法清洗主要是除去膜表面和膜结合较为
紧密的污染物以及膜孔内部的吸附物 、 堵塞物。选
择膜清洗方法的原则是:清洗的效率高 , 膜通量的
恢复率高 , 同时不能带来新的膜污染 , 不能对膜造
成破坏。这就要求清洗剂对污染物有很好的溶解
性 , 对膜材料没有负面影响 , 容易从膜材料中洗
去。实际应用中还没有如此理想的清洗剂 [ 7] 。据
报道 , 无机酸主要是使污染物中一部分不溶性物质
变为可溶性物质 , 而 NaClO溶液是一种氧化性杀
菌剂 , 对水中微生物的杀灭作用很强 , 并对水中其
他的还原性物质起氧化作用 , 可有效地清除蛋白 、
油脂和藻类等生物物质的污染 [ 15] , 且次氯酸盐是
膜的溶涨剂 , 能有效地洗出沉积在膜孔中的物
料[ 16] 。本试验中也发现 , 采用 3种化学试剂清洗
污染膜时 , 清洗液由无色变为黄绿色 , 并发现大量
细线状物质 , 说明它们对沉积在膜表面和膜孔内的
藻细胞确实有很好的清除效果。海水中本身含有大
量的微生物 、 细菌 , 有机物的含量也较高 , 所以在
浓缩单胞藻的应用中 , 对超滤膜造成污染的主要是
有机污染 , 其中尤以微生物污染为甚。由于海水中
富含 Ca2+、 Mg2+ , 这些二价阳离子对天然有机物
具有吸附性。因此 , 超滤膜的污染机理应该是无机
垢与微生物的互相覆盖 、互相作用的结果。本试验
中 , 在用 5.0g/LNaOH溶液处理料液时 , 往往在
膜组件中产生白色沉淀 , 这会对膜产生负作用 , 导
致二次污染。因此 , 不易使用 5.0 g/LNaOH溶液
清洗 , 可选用 5.0mL/LHCl溶液和 5.0 g/LNaClO
溶液清洗 10min。
水温对清洗效果具有重要的作用 [ 16] 。由于清
468 大 连 水 产 学 院 学 报　　　　　　　　　　　　第 24卷
洗水温升高 , 有利于污染物的脱离和膜通量的恢
复 , 但实际操作中 , 应对具体的实验体系作具体选
择 , 要考虑膜材料以及清洗剂的性质 , 是否在其温
度允许范围内。如果清洗所需时间相差不大 , 应尽
量考虑在室温下清洗。本试验中 , 采用 5.0 mL/L
HCl溶液清洗污染膜时 , 随着清洗水温的升高 , 其
清洗效果也越来越好 。这与刘力等 [ 16]的观点一致 。
然而 , 随着温度的升高 , 5.0 g/LNaClO溶液对膜
的清洗效果却变差 , 这可能是 NaClO在较高温度
下不稳定所致 [ 15] , 即随着水温的升高 , NaClO的
氧化性能逐渐降低 , 影响了清洗效果 。
综上所述 , 在水温低于 30 ℃时 , 5.0 g/L
NaClO溶液清洗污染膜的效果较好 , 高于或等于 30
℃时 , 可以选择 5.0mL/LHCl溶液进行清洗。
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Cleaningofultra-filtrationmembranesusedfor
uniceluaralgaconcentration
ZHOUWei1, 2 , WANGGuo-dong1 , LIANGZhong-de2
(1.KeyLaboratoryofMaricultureandBiotechnology, AgricultureMinistry, PRC, DalianFisheriesUniv., Dalian116023, China;
2.SchoolofLifeScienceandTechnology, DalianFisheriesUniv., Dalian116023, China)　　　　　　　　　　　　　　　
Abstract:Thecleaningmethodsofultra-filtrationmembranesintheconcentrationproccssesofuniceluaralgae
werestudied, includingtheefectsofperiodofhydrauliccleaning, chemicaldetergentin5.0mL/LHCl, 5.0g/L
NaOH, and5.0g/LNaClOsolution, andtemperaturein5.0mL/LHCland5.0 g/LNaClOsolution.Theoptimul
periodsofcleaningwerefoundat30 minutesinphysicalwash, 10 minutesat5.0 mL/LHClsolution, and10 mi-
nutesat5.0g/LNaClOsolutionintheunicelularalgaconcentrationprocess.Thefouledmembraneswereefective-
lyeliminatedbywashingfor5.0 g/LNaClOsolutionwithFluxrecoveryof95.1% atlessthan30 ℃ andthatof
95.9% atover30 ℃.
Keywords:uniceluaralga;ultra-filtration;membranefouling;cleaning
469第 5期　　　　　　　　　周玮 ,等:单胞藻浓缩液制备中超滤膜清洗方法的研究