微生物滤膜试验装置设计及滤膜性能研究

（山东省海洋环境监测技术重点试验室 山东省科学院海洋仪器仪表研究所，青岛 266001）

0 引言

海洋浮游生物种类多、数量大，是海洋生物的重要成员，其研究对渔业生产和海洋科学基础理论分析都有重要意义[1,2]。浮游生物包括浮游植物和浮游动物两大类，浮游植物要进行光合作用，分布在有光照的上层水域（约0～200米）；浮游动物在上、中、下各个水层都有分布，种类和数量也互不相同[3,4]，其中微型浮游动物（microzooplankton，20～200μm）[5]既担当摄食者，又担当被捕食者，是海洋生态系统能量流动的重要环节。栖息在1000米以下水层的微型浮游生物对黑暗、低温、高压的生存环境具有很强的适应性，由于其独特的生命特征，近年来，逐渐成为海洋生物研究的热点。

研究深海微型浮游微生物的首要条件是获取大量具有原位特性的微型浮游生物样本。现有的深海浮游微生物取样器受取样筒容积的限制，单次取样只能获得较少数量的浮游生物样本。为弥补传统深海浮游微生物取样器的不足，急需一种全新的深海浮游微生物取样技术：浓缩原位保压取样技术[5,6]。

微生物滤膜采用压力驱动型分离技术实现过滤，在静压差的作用下，小于膜孔径的粒子通过滤膜，大于膜孔径的粒子则被截留在膜的一侧，使大小不同的组分得以分离。为了研究浓缩保真取样装置的过滤性能，本文设计了可控流量的微生物滤膜试验装置，试验研究微生物滤膜的过滤能力、过流能力以及能够承受的最大膜降压差，从而揭示微生物滤膜过滤时的膜降压差及流量随时间变化的规律。

1 试验装置的总体设计

1.1 试验目的

微生物滤膜是实现原位浓缩取样的关键元件之一，薄膜的过滤能力和承压能力是深海浮游生物保真取样的一个重要的性能指标。充分了解微生物滤膜的过滤能力及膜降压差有助于合理设计取样系统，对确定取样系统的过滤时间和提高浓缩比的准确性都有重要指导意义。

1.2 滤膜阻力分析

微生物滤膜对海水中的浮游微生物进行截留浓缩，其过滤速率符合Darcy定律。用膜滤速度（Jv）来描述膜的生产能力，定义为单位时间、单位膜面积上透过的滤液体积量。

式中：Δp为滤膜两侧的流体压力差；μ为滤液粘度；R为膜过滤的总阻力，包括由膜结构决定的自身固有的阻力，过滤中由于吸附及堵塞引起的膜阻力的变化量，还包括膜面上截留累积的物质所引起的各种阻力。

采用膜过滤时，过滤速度可看作时间的函数，膜过滤的各项阻力也都可能随时间发生变化，因此，式(1)可写成：

式中，滤膜的过滤阻力R(t)因过滤介质的不同而发生改变，很难通过精确计算得到，因此本文拟采用试验方式获得膜滤速度。

1.3 滤膜的选择

选择滤膜时，应保证既可对悬浮颗粒物和浮游生物有良好的截留作用，又能产生足够的流量。考虑到取样对象为1000米以下水层的微型浮游生物（20～200μm），因此分别选取孔径为40um、30um、20um、10um的滤膜，并针对多种不同的过流面积进行试验研究。

1.4 试验装置的设计方案

试验装置主要由恒压泵、测试系统、过滤系统组成。试验流程如图1所示，恒压泵输出的液体一部分流经装有微生物滤膜的过滤筒，经截止阀2流出，另一部分直接通过截止阀1流回水箱。通过调节截止阀1、2的开度来调节流经滤膜的海水流量，并以20s为周期统计压力传感器1、2和流量传感器的数据，研究微生物滤膜在不同滤膜孔径、不同过流面积下的膜降压差及流量随时间变化的关系。

图1 试验验装置流程图

根据过滤原理及试验装置方案设计要求，提出了如图2所示的试验装置，用来验证生物滤膜的性能。该装置主要由恒压泵、压力传感器、流量传感器、调节系统及支撑框架等组成，它具有以下特点：1）各传感器的测量通道设计在同一水平面，可避免压力波动带来的测量误差；2）流量及膜降压差能够实现连续可调；3）过滤筒方便拆装，更换滤膜操作简捷。

图2 试验装置总体结构图

该装置采用恒压泵作为动力系统，为整个过滤系统提供恒定的过滤压力；测试系统由2个压力传感器、1个流量传感器和1台计算机组成，其中，压力传感器和流量传感器用于测量滤膜的膜降压差、流量等参数，计算机用于记录、分析、处理各种试验数据；通过调节溢流阀控制系统的压力及流量的分配，来模拟各种过滤工况。

表1 试验装置总体结构参数和工作参数

1.5 滤筒结构设计

过滤筒在试验装置中起到关键性的作用，其结构特性、密封性能以及过滤方式的控制都直接关系到微生物滤膜的试验结果。

试验过程中，过滤方式有直流过滤和错流过滤两种，如图3所示。

图3 滤膜的过滤方式

直流过滤过程中悬浮液垂直流过膜表面，被截留的颗粒在膜表面形成滤饼和浓差极化层，随着时间的增加，过滤阻力增大，流量降低，抑制了过滤的进行。因此，过滤一定时间后就必须进行再生操作，除去滤饼，清洗膜，它是一种间歇操作。错流过滤过程悬浮液以一定的速度平行地流过膜表面，由于流体流动产生了剪切力的作用，使得大部分颗粒难以沉积在滤膜表面，同时一部分颗粒又被带回到料液中，因此膜表面的沉积层较薄，流量在较长的时间内变化不大。

本文根据错流过滤的原理，对过滤筒的结构进行了优化设计，结构如图4所示。

图4 过滤筒结构原理图

进水口处设有分流机构，可使液体进入过滤筒后的的流动方向与滤膜表面平行，产生剪切力，抑制悬浮物在膜表面的沉积。过滤筒由两个筒体组成，筒体之间装有滤膜支撑板，两侧各装有密封端盖，通过螺栓将该装置紧固。滤膜支撑板上安装有滤膜，依靠两个滤膜固定板实现加紧和支撑。过滤筒与密封端盖之间、过滤筒与滤膜支撑板之间以及滤膜固定板与滤膜支撑板之间靠密封垫圈实现可靠密封。

2 试验结果与分析

2.1 试验条件

取南海1000米水层海水作为本次实验的过滤介质，试验装置如图5所示。试验时调节截止阀1的开度使流量传感器的流量为10L/min，持续过滤30分钟，并以20秒为周期记录压力传感器1、2及流量传感器的试验数据。

图5 试验装置实物图

2.2 试验结果

图6 膜孔径10μm的滤膜在不同过流直径下的试验数据

滤膜孔径取10μm，过流直径分别取20mm、40mm、60mm的微生物滤膜在试验过程中膜降压差及流量的变化情况如图6所示。可以看出，在整个实验过程中，随过滤时间的增加，膜降压差呈逐步递增趋势，流量呈逐步递减趋势，其中，过流直径为20mm时，变化趋势最为明显。试验进行20分钟之后，膜降压差逐渐趋于稳定，海洋生物在滤膜表面不断堆积，同时，在流体的剪切作用下，堆积层中的一些颗粒被带回到主体溶液中，当这种现象达到平衡时，膜表面的沉积层逐渐稳定，此时膜降压差也趋于稳定，但仍有缓慢的增加。

通过试验数据可以看出，过流直径为20mm的微生物滤膜，因为其过滤面积较小，使得膜降压差增加速度较快，过滤阻力也迅速增加。过流直径40mm、60mm的微生物滤膜在30分钟作用时间内膜降压差变化缓慢，其中过流直径为40mm的滤膜的过滤压降基本保持在直径为20mm时的一半，而过流直径为60mm的滤膜的过滤压降基本保持在30kPa，两种情况下的膜降压差及过滤情况均良好。

图7为过流直径40mm的滤膜在不同孔径下的膜降压差与时间关系曲线。可以看出，滤膜孔径为30μm、40μm的膜降压差基本保持在初始膜降压差，对液体中悬浮物的截留能力较差。孔径为20μm、10μm的滤膜的膜降压差随试验的进行而逐渐增加，截留性能良好。

图7 过流直径40mm滤膜在不同孔径下的膜降压差与时间的关系曲线

为满足取样筒体的耐压需求，取样筒体的直径不宜过大，但若直径过小，虽然增加了其抗压性能，滤膜的过滤面积也势必减小，从而影响过滤系统的流量，增加取样时间。因此，在进行取样筒的设计及选择生物滤膜的过滤面积时，需结合取样水域的水质情况，充分考虑所选滤膜的滤膜孔径、过滤面积与取样时间之间的关系。由试验数据可以看出，滤膜孔径10μm、过流直径40mm的滤膜既能实现对1000米水层海水中微型浮游生物（20～200μm）的截留，也能满足渗透量的要求。

3 结论

1）试验装置设计合理，功能完善。试验过程中分流装置可形成错流过滤，避免了清洗膜的再生操作，简化了试验流程，节约了试验成本，试验可比性强。

2）试验结果表明，试验装置测试准确、可靠，能很好地完成各种孔径及各种过流面积的微生物滤膜试验。对深海微型浮游生物取样器的设计，及深海浮游微生物浓缩原位保压取样技术的研究具有重要的指导意义。

3）通过1000米水层海水中微型浮游生物的过滤试验可以看出，在30分钟的取样过程中，滤膜孔径为10μm、过流直径为40mm的滤膜，能够满足1:300的浓缩取样要求。

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