原位營養鹽傳感器在線自動過濾系統設計

褚東志,張述偉,張天鵬，王小紅，曹煊,馬然

(山東省海洋環境監測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

原位營養鹽傳感器在線自動過濾系統設計

褚東志,張述偉,張天鵬，王小紅，曹煊,馬然

(山東省海洋環境監測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

針對小流量營養鹽分析傳感器運行中過濾器件污染堵塞的問題，設計了一種反沖式營養鹽在線過濾系統。過濾元件應用微孔陶瓷濾芯,系統采用二級進樣、二級過濾、濾液定期反沖的總體方案，并確定了過濾參數。實驗結果表明，過濾系統出水濁度穩定，在0.2～0.3 NTU之間，適用范圍在150 NTU以下，過濾后5項營養鹽回收率基本都在90%～110%之間。

水質生態監測；在線過濾；營養鹽；反沖洗；濁度

Abstract∶The analysis sensor for small flow nutrient salt has the problem of fouling and clogging of filter parts during operation. To solve this problem, a counter-flushing type of on-line filtering system for nutrient salt was designed. The microporous ceramic filter core was used as the filter element, and an on-line filtration system with secondary injection, secondary filtration, and periodic recoil was proposed, which was based on the existing filtering methods. In addition, working principle and process were described in this article, and the filtering parameters were determined. The experiment results showed that effluent turbidity of the filtering system was stable, basically between 0.2 ～ 0.3 NTU, the system was effective below 150 NTU.After filtration, the recovery rates of 5 nutrients were basically between 90% and 110%, which indicated that this on-line filtration system could be used for in-situ nutrient salt sensor.

Key words∶water quality ecological monitoring；on-line filter；nutrient salt；recoil；turbidity

隨著人類海洋活動的日益頻繁，海洋事故增多、災害頻發，海洋生態環境堪憂。海水富營養化引起初級生產鏈變化，滸苔、赤潮嚴重威脅著水產養殖領域，同時，正在引發海洋生態結構變化，威脅著海洋生態平衡。因此，海水營養鹽含量監測十分必要。目前，承擔長期監測任務的主流營養鹽分析傳感器是基于濕化學體系開發的，為節約化學試劑量，小流量監測成為一種趨勢。因為監測流路通徑變得越來越狹小，流路極易被雜質堵塞，所以對水樣實現預過濾顯得尤為重要。因此，研發一種適用性強、功耗低、結構相對簡單的在線過濾系統，確保營養鹽傳感器長期有效運行勢在必行。

目前，國外成熟化的營養鹽分析儀產品較多，比如美國Green Eyes公司的NAS-3X、EcoLAB 2，意大利 SYSTEA的FLOWSYS，OSTD-NUTRIS等。這些產品均能用于海水營養鹽原位監測，擁有獨立的預過濾元件，但多采用囊式過濾器，不能在線反沖，限制了在近岸或水質較差的場合應用。國外的相關研究多側重于理論，涉及過濾材料、方法等方面[1-4]，主要面向污水處理或者海水淡化領域，未見針對原位傳感器水質預處理裝置研發的報道。隨著國產營養鹽分析傳感器研發工作的推進，出現了一批配套過濾系統，這些系統存在體積較大[5]、不具備自清潔功能[6-7]以及過濾效率低[8]的問題。其中，柳程予等[9]開發的3級串聯在線過濾系統較為完整，但系統復雜，反沖時需要超純水、HCl溶液及超聲模塊，功耗高，不適合在浮標等載體上應用。為確保小流量營養鹽分析傳感器的長期正常運行，本文設計了一種反沖式營養鹽在線過濾系統。

1 在線過濾系統設計

1.1設計要求

一套有效可用的營養鹽在線過濾系統，除了取決于器件自身的過濾能力，還應充分考慮過濾污染因素的影響[10]，應該具備如下幾個條件：(1)可有效過濾掉海水中懸浮顆粒物等，保障傳感器長期可靠運行；(2)系統整體應該盡量簡單，功耗要低，便于集成到浮標等能源受限的場合；(3)使用壽命要長，減少人工維護；(4)最重要的是過濾后的水樣應不影響待測海水營養鹽的化學分布形態和濃度。

1.2總體方案

設計目標是開發一種反沖式營養鹽在線過濾系統，即使在水體環境比較惡劣的情況下，依然可以確保小流量營養鹽分析傳感器長期正常運行。微孔濾管具有多孔結構、表面積大，孔徑在微米級別，過濾后的水樣一般符合直接進入儀器分析的要求，并且其強度較高，適合反沖需要。在三氯化鐵加速腐蝕條件下, 316L不銹鋼過濾材料的腐蝕速率是致密材料的4倍左右[11]，不適合在海水中應用。因此，本方案最終采用微孔陶瓷濾芯作為過濾元件。外壓式陶瓷濾芯是一種由外向內孔徑逐層遞減的過濾結構，非常適用于小體積水樣反沖的限定要求。

在線過濾系統設計思路采用二級過濾、二級進樣、濾液定期反沖的總體方案(圖1～2)。

(1)二級過濾。在過濾系統進樣口處設有過濾罩，作為初級過濾單元阻擋大顆粒物及浮游植物等。過濾主體是采用陶瓷濾芯的集成單元，作為二級過濾直供水質傳感器分析用水。該單元采用雙層管狀結構，外管選用PPR管構成初濾水樣更替腔；內管為陶瓷濾芯，采用外壓式過濾。初級采水使用微型水泵完成，粗過濾后的水經由管路5泵入到初濾水樣更替腔中，灌滿后由排水管6自然溢出。這樣設計的目的是陶瓷濾芯不用承受過大的壓力，粗濾水在更替腔中具有一定的流速，減少泥沙沉降，同時對濾芯的外表面有一定沖刷作用，延緩堵塞的時間。

(2)二級進樣。二級進樣動力裝置作用于濾芯底部，由于濾芯上端封閉，因而在其內部形成一定負壓，使得粗濾水樣進入陶瓷濾芯內部完成精過濾，濾液轉移到儲液袋中供水質傳感器使用。

(3)濾液定期反沖。過濾系統使用一段時間后，陶瓷濾芯外表面會出現濾餅層發生堵塞，降低過濾效果，定期反沖很有必要。為了簡化營養鹽傳感器的配套要求，陶瓷濾芯采用水洗反沖方式，反沖液取自系統內部，采用儲液袋中的二級過濾海水。這種做法不需要外部純凈水源，使得過濾系統能很好地適用于浮標等條件不佳的場合。

1-1 過濾罩；1-2 微型水泵；2 過濾主體；3 二級進樣動力裝置；4 儲液袋；5 初級進樣管路；6 排水管；7 濾液管路；8 二級進樣管路；9 取樣管路。圖1 系統總體結構Fig.1 System assembly chart

2-1 濾液接頭；2-2 堵頭；2-3 轉換接頭；2-4 過濾筒；2-5 旋緊蓋；2-6 陶瓷濾芯；2-7 進出水接頭；2-8 密封圈；2-9 密封圈；2-10 密封圈。圖2 過濾主體的內部構造剖視圖Fig.2 An inner structural sectional view of the filter main body

1.3工作流程

全球化進程的不斷加快和市場經濟的不斷深入，使得各種觀念與文化紛紛涌入我國，西方發達國家憑借其經濟、技術優勢，向包括我國在內的發展中國家進行意識形態及價值觀滲透，享樂主義、拜金主義等不良思想不斷對中職生的價值觀進行沖擊，擠壓了優秀傳統文化的生存空間。信息網絡的高速發展，加快了不良思想、觀念、價值觀的傳播，網絡的隱蔽性與虛擬性導致中職生沉迷于網絡幻想，缺乏現實生活中與人面對面的交流，導致不誠信和違法行為有所增加。

按照上述方案設計的過濾系統主要有兩大功能，即在線過濾、在線反沖。其工作流程見圖3～4。

圖3 過濾流程Fig.3 Filtration process

圖4 反沖流程Fig.4 Recoil process

1.4過濾參數

1.4.1 體積

過濾系統主要規格參數如下：陶瓷過濾芯的平均孔徑0.45 μm，長度300 mm，外徑10 mm，內徑8 mm，過濾樣容積約為15 mL。粗濾水樣更替腔(PPR管)外徑46 mm，內徑40 mm，有效長度300 mm。

原位營養鹽傳感器是基于濕化學體系開發的微流控監測系統，顯色反應需要多種化學試劑，為了不影響每次檢測，需要對流路進行沖洗。此外，為了不引入氣泡，每次測量完成后流路內的待測樣會留存，因此每次測量之前需要預進樣更替上次的殘留樣，做同化處理。加之過濾柱反沖洗所需水量，總需水量為150 mL，綜合考慮，儲液袋的體積200 mL為佳。

1.4.2 泵速

整套過濾系統共有兩處動力元件：微型水泵和蠕動泵，過濾、反沖過程是二者相互輔助來完成的。經實驗，選定微型水泵的泵速為10 L/min，蠕動泵泵速75 r/min。按照過濾系統的規格參數，可以計算出陶瓷濾柱的過濾面積為S=9.4×10-3m2，過濾柱外待濾樣的切向流速為0.14 m/s。

1.4.3 反沖周期和時長

營養鹽在線過濾系統設計為每次測量結束就跟一次反沖流程。5項營養鹽分析自身所需水量為80 mL，儲液袋中殘留水量為70 mL，用于反沖。反沖時蠕動泵開到最大泵速150 r/min，反沖時長至少140 s。

2 實驗結果

為了驗證本文設計的在線過濾器的性能，建立了如圖5所示的實驗系統。驗證實驗分為3部分開展，即過濾穩定性實驗、有效過濾范圍及標樣過濾后營養鹽回收率。

圖5 實驗系統Fig.5 Experiment system

2.1過濾穩定性

濁度是由水中各種不同性質及大小的懸浮物和膠體雜質對光線的散射作用而產生的，通過檢測出水濁度，可以判斷水中膠體和懸浮物的濾除效果。

本實驗的目的是考察過濾前后水體濁度及其隨時間推移的變化情況。將在線過濾系統安放于青島小麥島監測站岸邊，保持其連續工作。每隔1 h分別取初級過濾前的原水和儲液袋中濾液測量其濁度，采用HACH 2100P型濁度計測定，實驗結果見圖6～7。從圖中曲線可以看出，在線過濾系統連續運行16 h，對濁度25～50 NTU的原水過濾后的出水濁度穩定。證明在線過濾系統反沖功能發揮了很好的作用，確保了系統的長期過濾穩定性。

圖6 原水濁度Fig.6 Turbidity of raw water

圖7 濾后濁度Fig.7 Turbidity of filtered water

2.2適用范圍

配制30、50、80、100、150、200 NTU的待濾原水，按照預設的過濾參數進行過濾，統計過濾出150 mL目標水樣所需時間。前3種濁度，所需時間基本相同，約50～60 s，而100 NTU需80 s，150 NTU需135 s，200 NTU過濾困難，發生蠕動泵空抽現象。

2.3目標物驗證

分別以30、80、150 NTU的水樣為基底加標配制含有一定濃度營養鹽( 磷酸鹽、銨鹽、亞硝酸鹽、硝酸鹽、硅酸鹽)試樣各20 L。使用山東省科學院海洋儀器儀表研究所自主研發的原位營養鹽分析儀測定過濾后的試樣，獲取營養鹽的回收率，研究過濾系統對目標物測定的影響。營養鹽目標物的回收率結果見表1。

表1 營養鹽回收率

由表1可以看出，原水濁度對不同濃度的營養鹽回收無明顯影響，5項營養鹽回收率基本在90%～110%之間，證明過濾系統完全可以作為營養鹽分析傳感器的預處理裝置使用。

3 結論

在線過濾系統出水濁度可穩定在0.2～0.3 NTU，當原水濁度低于150 NTU時，對營養鹽過濾后回收無明顯影響。因此，可以作為營養鹽的在線過濾系統使用。濾液替代純水反沖使系統更適合在浮標等現場條件受限的載體上應用，并有效解決了濾柱易堵塞的問題。但是，該系統目前還存在不同濁度下過濾同樣體積原水所需時間不同的問題。考慮采用濾液桶代替濾液袋并增加浮球式液位計，以及增加微型氣泵等措施加以改進。

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Design of online automatic filtration system for the in-situ nutrient salt sensor

CHU Dong-zhi，ZHANG Shu-wei， ZHANG Tian-peng，WANG Xiao-hong， CAO Xuan，MA Ran

(Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environmental Monitoring Technology, Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001, China)

P716+.15

A

1002-4026(2017)05-0008-06

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.05.002

2017-03-20

國家重點研發計劃 (2016YFC1400803)；山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金(BS2014HZ015)； 山東省自然科學基金(ZR2014YL006)

褚東志(1983—)，男，碩士，研究方向為海洋環境監測技術。 E-mail： cdz0303@163.com