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生物膜形成原因及控制方法：从微生物附着到系统性防控的全解析

作者：乾
发布时间：2026-09-26
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生物膜是水处理系统中微生物及其分泌的胞外聚合物（EPS）在设备表面形成的结构化群落，其形成始于浮游细菌的初始附着，经不可逆黏附、微菌落增殖、EPS基质合成，最终发展为具有三维结构和通道的成熟生物膜。在反渗透系统中，进水含有活性微生物时，生物膜可在3～5天内形成，导致膜通量下降20%～40%，段间压差呈指数级上升。控制生物膜需采取“源头削减可生物降解有机物（BOD/AOC）、过程抑制微生物活性、末端强化清洗消毒”的三级系统性策略，而非依赖单一消毒手段。

生物膜的形成过程：从可逆附着到成熟群落

生物膜的形成并非一蹴而就，而是遵循一个可划分为多个阶段的动态过程。经典模型将其归纳为五个步骤：条件膜形成、可逆附着、不可逆附着、微菌落形成与成熟、以及最终的分散与扩散[reference:0]。

第一步：条件膜形成。 设备表面接触水体后，水中的有机大分子（如腐殖酸、多糖、蛋白质）会迅速吸附到表面，形成一层“条件膜”。这层膜改变了表面的物理化学性质（如电荷和疏水性），为后续微生物的附着提供了有利的“锚点”。透明胞外聚合物颗粒（TEP）在此过程中扮演关键角色，它被形容为生物膜形成的“胶水”，能够加速生物膜的成核过程，且TEP无法被浊度传感器检测到[reference:1]。

第二步：可逆附着。 浮游细菌通过布朗运动、流体动力和静电作用接近表面，以较弱的范德华力等物理作用力暂时附着。此时细菌仍可脱离表面，附着是可逆的。

第三步：不可逆附着与EPS分泌。 部分细菌开始分泌胞外聚合物（EPS），EPS由多糖、蛋白质、核酸和脂质等组成，能够将细菌牢固地黏附在表面上，形成不可逆的附着。EPS不仅起黏附作用，还构建了生物膜的骨架结构[reference:2]。

第四步：微菌落形成与成熟。 附着后的细菌利用水中的营养物质进行增殖，形成微菌落。随着微菌落不断扩大，多种微生物（细菌、真菌、原生动物）共同参与，生物膜逐渐发育为具有三维结构、内部通道和孔隙的成熟群落。成熟生物膜的厚度可超过10 μm，内部形成复杂的代谢网络。

第五步：分散与扩散。 成熟生物膜中的部分细菌会脱离 biofilm，重新变为浮游状态，寻找新的表面附着，开始新一轮的生物膜形成循环。这一分散过程受群体感应（Quorum Sensing, QS）信号调控。

生物膜形成的关键影响因素

生物膜的形成受进水水质、操作条件和膜/设备表面特性三方面因素的综合影响[reference:3]。

因素类别	关键参数	影响机制	控制阈值/建议
进水水质	可同化有机碳（AOC）	AOC是微生物生长的主要碳源和能量来源，AOC越高，生物膜生长潜力越大	AOC > 10 μg/L时生物膜生长风险显著增加[reference:4]
进水水质	可生物降解有机碳（BDOC）	BDOC是AOC的主要来源，直接决定微生物的增殖速率	应通过预处理将其控制在尽可能低的水平
进水水质	透明胞外聚合物颗粒（TEP）	TEP作为生物膜形成的黏附前体，加速生物膜成核	TEP > 0.2 mg/L（黄原胶当量）时需强化预处理[reference:5]
进水水质	微生物总数	进水中浮游微生物数量越多，附着到表面的概率越大	应通过消毒和过滤控制进水微生物负荷
操作条件	流速与剪切力	低流速区域（如死角、盲管）剪切力弱，微生物易附着且难以被冲走	循环管路流速应≥1.5 m/s，避免死水区
操作条件	水温	温度升高加快微生物代谢和增殖速率，夏季生物膜生长远快于冬季	夏季消毒频率应提高（如每3～5天一次）[reference:6]
操作条件	营养物质浓度	水中的氮、磷等营养元素含量影响微生物生长速率	结合水质分析控制营养物水平
表面特性	表面粗糙度	粗糙表面提供更多附着位点并保护微生物免受剪切力影响	管道内壁Ra ≤ 0.8 μm
表面特性	表面亲疏水性	疏水性表面通常更有利于微生物的初始附着	亲水性表面可降低附着倾向
表面特性	表面电荷	表面电荷影响微生物与表面的静电相互作用	可通过表面改性调控

群体感应（QS）是生物膜形成中的关键调控机制。细菌通过分泌和感知信号分子来协调群体行为，当信号分子浓度达到阈值时，会同步激活与EPS合成、生物膜结构构建相关的基因表达[reference:7]。这一机制意味着生物膜的形成不是单个细菌的孤立行为，而是群体协同的结果。

生物膜的控制方法：三级系统性防控策略

控制生物膜需要从源头、过程和末端三个层面构建系统性防线，单一手段往往难以奏效。

第一级：源头削减——减少微生物生长的“燃料”

生物膜生长的根本驱动力是水中的可生物降解有机物（AOC/BDOC）。源头削减的核心目标是降低进水的生物膜生长潜力（BGP）。

强化预处理是源头削减的关键措施。采用混凝（如FeCl₃或PACl，投加量5～15 mg/L）配合溶气气浮（DAF）可有效去除TEP和胶体有机物[reference:8]。对于TEP > 0.5 mg/L的原水，推荐采用超滤作为预处理单元[reference:9]。颗粒活性炭（GAC）抛光可进一步去除难降解有机物[reference:10]。

降低AOC浓度是源头削减的量化目标。AOC应控制在10 μg/L以下，以显著降低生物膜生长风险[reference:11]。对于反渗透系统，进水SDI₁₅应稳定控制在5以下，推荐控制在3以下，以同时控制胶体和有机物负荷。

第二级：过程抑制——持续压制微生物活性

过程抑制的核心是在系统运行过程中持续控制微生物的增殖，防止其发展为成熟生物膜。

连续氯化是反渗透系统预处理阶段常用的微生物控制手段，典型投加浓度为0.5～1.0 ppm（以Cl₂计）[reference:12]。但需特别注意，聚酰胺反渗透膜对游离氯极为敏感，氯化后的水在进入RO膜之前必须用亚硫酸氢钠（SBS）进行脱氯，确保RO进水余氯＜0.1 mg/L。

紫外线（UV）消毒是一种非化学消毒手段，可有效灭活进水中的浮游微生物，从而降低其附着到膜表面的概率。推荐的紫外线剂量为20～40 mJ/cm²（254 nm波长）[reference:13]。

间歇性非氧化性杀菌剂冲击投加是RO系统日常微生物控制的核心手段。DBNPA（2,2-二溴-3-次氨基丙酰胺）是常用的非氧化性杀菌剂，采用冲击投加方式，推荐每5天投加一次，浓度为10～30 mg/L活性成分，接触时间30分钟至3小时。

第三级：末端清除——清洗与消毒

当生物膜已经形成时，需要采取化学清洗和消毒措施予以清除。杜邦技术手册建议，在生物活性高峰期（夏季），消毒频率为每3～5天一次；在生物活性低谷期（冬季），约为每7天一次[reference:14]。

清除方式	典型参数	作用机制	注意事项
碱性清洗	NaOH调pH至11.5～12，温度35℃，循环+浸泡	皂化脂类，溶解EPS基质，破坏生物膜结构	清洗液pH不得超过膜制造商规定上限（通常pH 12）[reference:15]
酸化清洗	柠檬酸或盐酸，pH 2～3	去除生物膜下方的无机垢层，使生物膜整体剥离	碱洗后进行，不可反向
氧化性消毒	过氧乙酸0.5%～1%，或过氧化氢银离子复合剂	氧化破坏细胞壁和EPS	需验证对膜材料的兼容性
DBNPA消毒	10～30 mg/L活性成分，接触30 min～3 h	快速杀灭生物膜内微生物	还原剂（SBS）会钝化DBNPA，需计算额外投加量
热水消毒	80～85℃循环60～90分钟	热力灭活微生物，适用于耐高温膜系统	需确认膜元件和密封件的耐温等级

需要明确的是，常规的在线消毒（紫外线、臭氧）和周期性巴氏消毒，若未配合有效的化学清洗，往往无法彻底去除已形成的成熟生物膜[reference:16]。生物膜对消毒剂的耐受性远高于浮游微生物，因为EPS基质会阻碍消毒剂的渗透。因此，清洗与消毒必须协同进行：先用碱性清洗液破坏EPS基质，再投加消毒剂杀灭暴露的微生物，最后用酸性清洗液去除残留的无机垢。

常见误区与执行要点

误区一：加大消毒剂浓度就能去除生物膜。 成熟生物膜的EPS基质会显著阻碍消毒剂的渗透，单纯提高浓度往往只杀灭了表层微生物，深层生物膜仍然存活并快速再生。必须“先清洗破坏基质，再消毒杀灭微生物”。
误区二：AOC和TOC是一回事。 TOC反映的是总有机碳，而AOC仅占总有机碳的一小部分。但正是AOC这部分能被微生物利用的有机碳，才是驱动生物膜生长的真正“燃料”。仅监测TOC不足以评估生物膜生长风险。
误区三：生物膜只在膜表面形成。 生物膜可在水处理系统的任何潮湿表面形成，包括储罐内壁、管道、阀门、取样口和呼吸器。储罐和管道的消毒至关重要[reference:17]。死角、低流速区域是生物膜的高发部位，管道设计应满足3D死角规范。
误区四：紫外线消毒可以替代化学消毒剂。 紫外线能有效灭活浮游微生物，但无法消除已附着在管壁上的生物膜，也无持续抑菌能力。紫外线应作为组合消毒策略的一部分，而非替代化学消毒或热消毒。

一句话原则：生物膜控制以“源头削减AOC/BOC、过程抑制微生物活性、末端清洗消毒协同”为三级系统性策略，AOC＜10 μg/L、SDI₁₅＜3、夏季消毒频率3～5天/次是三个关键控制点，已形成的成熟生物膜须“先碱洗破坏EPS基质、再消毒杀灭微生物、后酸洗剥离无机垢”方能有效清除。