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リン制限によるバイオファウリング制御は、同化可能な有機炭素濃度に大きく依存する
Biofouling control by phosphorus limitation strongly depends on the assimilable organic carbon concentration.
PMID: 32622233 DOI: 10.1016/j.watres.2020.116051.
抄録
栄養素制限は、逆浸透膜システムにおけるバイオファウリング制御戦略である。海水では、細菌の生育に利用可能な同化可能な有機炭素濃度は約50から400μgC-Lの範囲であり、リン濃度は3から11μgP-Lの範囲である。いくつかの研究では、炭素またはリンのいずれかを制限してバイオファウリングの発生を監視しています。炭素とリンの比率や両栄養素の制限が膜システムの性能に与える影響はまだ調査されていない。本研究では、リン濃度の低減（25μgP-Lと3μgP-Lから0.3μgP-L以下の低濃度まで）と2種類の炭素濃度（250CLと30μgC-L）を組み合わせた場合のROシステムにおけるバイオフィルム発生への影響を調べた。バイオフィルムの発達がシステム性能に与える影響を決定するために、供給路の圧力損失を測定した。また、リン制限条件(P-restricted)及びドーズ条件(P-dosed)で開発したバイオフィルムについて、全有機炭素(TOC)、アデノシン三リン酸(ATP)、全細胞数(TCC)及び細胞外高分子物質(EPS)濃度を測定することにより、バイオマス量と組成を定量した。いずれの炭素濃度においても、リン制限条件（0.3μgP-L以下）では細菌の生育が制限された（ATP, TCCの値が低い）。250μgC-Lを投与した場合、P制限条件では、P投与条件と比較して、より速い圧力損失の増加が観察された。この速い圧力損失の増加は、流路内のバイオフィルムに覆われた面積が大きいことと、生産されたEPSの量が多いことによって説明できる。逆に、30μgC-Lを投与した場合には、30μgC-Lを投与した場合に比べて、P制限条件ではより遅い圧力損失の増加が観察された。本研究の結果から、P制限は、低同化性有機炭素濃度と組み合わせることで、バイオフィルム形成を効果的に遅延させ、それによって膜システム全体の性能を長くすることができることが示された。
Nutrient limitation is a biofouling control strategy in reverse osmosis (RO) membrane systems. In seawater, the assimilable organic carbon content available for bacterial growth ranges from about 50 to 400 μg C·L, while the phosphorus concentration ranges from 3 to 11 μg P·L. Several studies monitored biofouling development, limiting either carbon or phosphorus. The effect of carbon to phosphorus ratio and the restriction of both nutrients on membrane system performance have not yet been investigated. This study examines the impact of reduced phosphorus concentration (from 25 μg P·L and 3 μg P·L, to a low concentration of ≤0.3 μg P·L), combined with two different carbon concentrations (250 C L and 30 μg C·L), on biofilm development in an RO system. Feed channel pressure drop was measured to determine the effect of the developed biofilm on system performance. The morphology of the accumulated biomass for both carbon concentrations was characterized by optical coherence tomography (OCT) and the biomass amount and composition was quantified by measuring total organic carbon (TOC), adenosine triphosphate (ATP), total cell counts (TCC), and extracellular polymeric substances (EPS) concentration for the developed biofilms under phosphorus restricted (P-restricted) and dosed (P-dosed) conditions. For both carbon concentrations, P-restricted conditions (≤0.3 μg P·L) limited bacterial growth (lower values of ATP, TCC). A faster pressure drop increase was observed for P-restricted conditions compared to P-dosed conditions when 250 μg C·L was dosed. This faster pressure drop increase can be explained by a higher area covered by biofilm in the flow channel and a higher amount of produced EPS. Conversely, a slower pressure drop increase was observed for P-restricted conditions compared to P-dosed conditions when 30 μg C·L was dosed. Results of this study demonstrate that P-limitation delayed biofilm formation effectively when combined with low assimilable organic carbon concentration and thereby, lengthening the overall membrane system performance.
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