微生物濾膜試驗裝置設計及濾膜性能研究

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

0 引言

海洋浮游生物種類多、數量大，是海洋生物的重要成員，其研究對漁業生產和海洋科學基礎理論分析都有重要意義[1,2]。浮游生物包括浮游植物和浮游動物兩大類，浮游植物要進行光合作用，分布在有光照的上層水域（約0～200米）；浮游動物在上、中、下各個水層都有分布，種類和數量也互不相同[3,4]，其中微型浮游動物（microzooplankton，20～200μm）[5]既擔當攝食者，又擔當被捕食者，是海洋生態系統能量流動的重要環節。棲息在1000米以下水層的微型浮游生物對黑暗、低溫、高壓的生存環境具有很強的適應性，由于其獨特的生命特征，近年來，逐漸成為海洋生物研究的熱點。

研究深海微型浮游微生物的首要條件是獲取大量具有原位特性的微型浮游生物樣本。現有的深海浮游微生物取樣器受取樣筒容積的限制，單次取樣只能獲得較少數量的浮游生物樣本。為彌補傳統深海浮游微生物取樣器的不足，急需一種全新的深海浮游微生物取樣技術：濃縮原位保壓取樣技術[5,6]。

微生物濾膜采用壓力驅動型分離技術實現過濾，在靜壓差的作用下，小于膜孔徑的粒子通過濾膜，大于膜孔徑的粒子則被截留在膜的一側，使大小不同的組分得以分離。為了研究濃縮保真取樣裝置的過濾性能，本文設計了可控流量的微生物濾膜試驗裝置，試驗研究微生物濾膜的過濾能力、過流能力以及能夠承受的最大膜降壓差，從而揭示微生物濾膜過濾時的膜降壓差及流量隨時間變化的規律。

1 試驗裝置的總體設計

1.1 試驗目的

微生物濾膜是實現原位濃縮取樣的關鍵元件之一，薄膜的過濾能力和承壓能力是深海浮游生物保真取樣的一個重要的性能指標。充分了解微生物濾膜的過濾能力及膜降壓差有助于合理設計取樣系統，對確定取樣系統的過濾時間和提高濃縮比的準確性都有重要指導意義。

1.2 濾膜阻力分析

微生物濾膜對海水中的浮游微生物進行截留濃縮，其過濾速率符合Darcy定律。用膜濾速度（Jv）來描述膜的生產能力，定義為單位時間、單位膜面積上透過的濾液體積量。

式中：Δp為濾膜兩側的流體壓力差；μ為濾液粘度；R為膜過濾的總阻力，包括由膜結構決定的自身固有的阻力，過濾中由于吸附及堵塞引起的膜阻力的變化量，還包括膜面上截留累積的物質所引起的各種阻力。

采用膜過濾時，過濾速度可看作時間的函數，膜過濾的各項阻力也都可能隨時間發生變化，因此，式(1)可寫成：

式中，濾膜的過濾阻力R(t)因過濾介質的不同而發生改變，很難通過精確計算得到，因此本文擬采用試驗方式獲得膜濾速度。

1.3 濾膜的選擇

選擇濾膜時，應保證既可對懸浮顆粒物和浮游生物有良好的截留作用，又能產生足夠的流量。考慮到取樣對象為1000米以下水層的微型浮游生物（20～200μm），因此分別選取孔徑為40um、30um、20um、10um的濾膜，并針對多種不同的過流面積進行試驗研究。

1.4 試驗裝置的設計方案

試驗裝置主要由恒壓泵、測試系統、過濾系統組成。試驗流程如圖1所示，恒壓泵輸出的液體一部分流經裝有微生物濾膜的過濾筒，經截止閥2流出，另一部分直接通過截止閥1流回水箱。通過調節截止閥1、2的開度來調節流經濾膜的海水流量，并以20s為周期統計壓力傳感器1、2和流量傳感器的數據，研究微生物濾膜在不同濾膜孔徑、不同過流面積下的膜降壓差及流量隨時間變化的關系。

圖1 試驗驗裝置流程圖

根據過濾原理及試驗裝置方案設計要求，提出了如圖2所示的試驗裝置，用來驗證生物濾膜的性能。該裝置主要由恒壓泵、壓力傳感器、流量傳感器、調節系統及支撐框架等組成，它具有以下特點：1）各傳感器的測量通道設計在同一水平面，可避免壓力波動帶來的測量誤差；2）流量及膜降壓差能夠實現連續可調；3）過濾筒方便拆裝，更換濾膜操作簡捷。

圖2 試驗裝置總體結構圖

該裝置采用恒壓泵作為動力系統，為整個過濾系統提供恒定的過濾壓力；測試系統由2個壓力傳感器、1個流量傳感器和1臺計算機組成，其中，壓力傳感器和流量傳感器用于測量濾膜的膜降壓差、流量等參數，計算機用于記錄、分析、處理各種試驗數據；通過調節溢流閥控制系統的壓力及流量的分配，來模擬各種過濾工況。

表1 試驗裝置總體結構參數和工作參數

1.5 濾筒結構設計

過濾筒在試驗裝置中起到關鍵性的作用，其結構特性、密封性能以及過濾方式的控制都直接關系到微生物濾膜的試驗結果。

試驗過程中，過濾方式有直流過濾和錯流過濾兩種，如圖3所示。

圖3 濾膜的過濾方式

直流過濾過程中懸浮液垂直流過膜表面，被截留的顆粒在膜表面形成濾餅和濃差極化層，隨著時間的增加，過濾阻力增大，流量降低，抑制了過濾的進行。因此，過濾一定時間后就必須進行再生操作，除去濾餅，清洗膜，它是一種間歇操作。錯流過濾過程懸浮液以一定的速度平行地流過膜表面，由于流體流動產生了剪切力的作用，使得大部分顆粒難以沉積在濾膜表面，同時一部分顆粒又被帶回到料液中，因此膜表面的沉積層較薄，流量在較長的時間內變化不大。

本文根據錯流過濾的原理，對過濾筒的結構進行了優化設計，結構如圖4所示。

圖4 過濾筒結構原理圖

進水口處設有分流機構，可使液體進入過濾筒后的的流動方向與濾膜表面平行，產生剪切力，抑制懸浮物在膜表面的沉積。過濾筒由兩個筒體組成，筒體之間裝有濾膜支撐板，兩側各裝有密封端蓋，通過螺栓將該裝置緊固。濾膜支撐板上安裝有濾膜，依靠兩個濾膜固定板實現加緊和支撐。過濾筒與密封端蓋之間、過濾筒與濾膜支撐板之間以及濾膜固定板與濾膜支撐板之間靠密封墊圈實現可靠密封。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗條件

取南海1000米水層海水作為本次實驗的過濾介質，試驗裝置如圖5所示。試驗時調節截止閥1的開度使流量傳感器的流量為10L/min，持續過濾30分鐘，并以20秒為周期記錄壓力傳感器1、2及流量傳感器的試驗數據。

圖5 試驗裝置實物圖

2.2 試驗結果

圖6 膜孔徑10μm的濾膜在不同過流直徑下的試驗數據

濾膜孔徑取10μm，過流直徑分別取20mm、40mm、60mm的微生物濾膜在試驗過程中膜降壓差及流量的變化情況如圖6所示。可以看出，在整個實驗過程中，隨過濾時間的增加，膜降壓差呈逐步遞增趨勢，流量呈逐步遞減趨勢，其中，過流直徑為20mm時，變化趨勢最為明顯。試驗進行20分鐘之后，膜降壓差逐漸趨于穩定，海洋生物在濾膜表面不斷堆積，同時，在流體的剪切作用下，堆積層中的一些顆粒被帶回到主體溶液中，當這種現象達到平衡時，膜表面的沉積層逐漸穩定，此時膜降壓差也趨于穩定，但仍有緩慢的增加。

通過試驗數據可以看出，過流直徑為20mm的微生物濾膜，因為其過濾面積較小，使得膜降壓差增加速度較快，過濾阻力也迅速增加。過流直徑40mm、60mm的微生物濾膜在30分鐘作用時間內膜降壓差變化緩慢，其中過流直徑為40mm的濾膜的過濾壓降基本保持在直徑為20mm時的一半，而過流直徑為60mm的濾膜的過濾壓降基本保持在30kPa，兩種情況下的膜降壓差及過濾情況均良好。

圖7為過流直徑40mm的濾膜在不同孔徑下的膜降壓差與時間關系曲線。可以看出，濾膜孔徑為30μm、40μm的膜降壓差基本保持在初始膜降壓差，對液體中懸浮物的截留能力較差。孔徑為20μm、10μm的濾膜的膜降壓差隨試驗的進行而逐漸增加，截留性能良好。

圖7 過流直徑40mm濾膜在不同孔徑下的膜降壓差與時間的關系曲線

為滿足取樣筒體的耐壓需求，取樣筒體的直徑不宜過大，但若直徑過小，雖然增加了其抗壓性能，濾膜的過濾面積也勢必減小，從而影響過濾系統的流量，增加取樣時間。因此，在進行取樣筒的設計及選擇生物濾膜的過濾面積時，需結合取樣水域的水質情況，充分考慮所選濾膜的濾膜孔徑、過濾面積與取樣時間之間的關系。由試驗數據可以看出，濾膜孔徑10μm、過流直徑40mm的濾膜既能實現對1000米水層海水中微型浮游生物（20～200μm）的截留，也能滿足滲透量的要求。

3 結論

1）試驗裝置設計合理，功能完善。試驗過程中分流裝置可形成錯流過濾，避免了清洗膜的再生操作，簡化了試驗流程，節約了試驗成本，試驗可比性強。

2）試驗結果表明，試驗裝置測試準確、可靠，能很好地完成各種孔徑及各種過流面積的微生物濾膜試驗。對深海微型浮游生物取樣器的設計，及深海浮游微生物濃縮原位保壓取樣技術的研究具有重要的指導意義。

3）通過1000米水層海水中微型浮游生物的過濾試驗可以看出，在30分鐘的取樣過程中，濾膜孔徑為10μm、過流直徑為40mm的濾膜，能夠滿足1:300的濃縮取樣要求。

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