超高流速金屬膜過(guò)濾性能及其微粒子去除特性 (1).docx

1、中國(guó)給水排水CHINAWATER&WASTEWATER超高流速金屬膜過(guò)源性能及其微粒子去除特性李偉英I,湯淺晶2,董秉直七高乃云(1.同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.日本國(guó)立岐阜大學(xué)流域圈科學(xué)研究中心，岐阜市柳戶1番1,501-1193；3.日本國(guó)立岐旱大學(xué)工學(xué)部，岐阜市柳戶1番1,501-1193)摘要：一些病原性微生物，如隱抱子蟲(chóng)(Coptospo戒/汕n)等不能被傳統(tǒng)凈水處理工藝有效去除，對(duì)人類身體健康帶來(lái)了隱患。以完全去除類似隱抱子蟲(chóng)等微粒子為目標(biāo)，選用與隱抱子蟲(chóng)外觀尺寸相似的Crypto-tracer-1號(hào)示蹤微粒子，對(duì)金屬膜過(guò)濾系統(tǒng)在飲用水中的處理

2、性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。選用了三種金屬膜一金屬薄片篩網(wǎng)膜過(guò)濾器(FujiFP-0.3)、金屬非織網(wǎng)式膜過(guò)濾器(FujiFA-3)、金屬粉末燒結(jié)膜過(guò)濾器(SIKA-R0.5AS)，對(duì)金屬膜處理工藝中的水質(zhì)參數(shù)和膜間壓力進(jìn)行測(cè)試分析。結(jié)果表明，在大規(guī)模給水處理廠中，采用金屬膜過(guò)濾系統(tǒng)可以在高濾速下完全將類似于隱抱子蟲(chóng)的微粒子去除。關(guān)鍵詞：金屬過(guò)濾膜系統(tǒng)；隱抱子蟲(chóng)；示蹤微粒子；凈水處理中圖分類號(hào)：TU991文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C文章編號(hào)：1000-4602(2006)增刊-0414-05FiltrationCharacteristicofMetallicMembraneunderSuperhighFluxandIts

3、RemovalofMicro-particlefromSurfaceWaterLIWei-ying1,AkiraYuasa2,DONGBing-zhi3,GAONai-yun1(1.StateKeyLab.OfPollutionControl&ResourceReuse,TongjiUniv.,Shanghai200092,China；2.RiverBasinResearchCenter,GifuUniversityt1-1,Yanagido,Gifu501-1193,Japan；3.EngineeringDepartment,GifuUniversity,1-1,Yanagido,Gifu5

4、01-1193,Japan)Abstract:Somepathogeniesmicrobiological,suchasCryptosporidiumparvum(C.parvum)werenoteffectivelyremovedbythetraditionalpurewatertreatmenttechnologiesappliedinthewatertreatmentplants.Thepurposeofthisstudyistocompletelyremovecryptosporidiumparticlesetc.inrawwatersbythetechnologiesemployin

5、gmetallicmembraneGltrationsystem.Threekindsofmetallicmembranes,Laminatingmetalmeshfilter(FujiFP-0.3),Non-wovenmetalfilter(FujiFA-3)andSinteredmetalfibrefilter(SIKA-R0.5AS),wereappliedtotheexperimenttoevaluatewaterqualityandmembranetrans-pressure.TheCrypto-tracer-1withthesimilarsizeasC.parvumparticle

6、wasaddedinexperimentrawwater.TheresultsshowedthatC.parvum-ikeparticlecouldbecompletelyremovedbymetalmembranefiltrationsystemsunderhighflux.Keywords：metallic-filtrationmembranesystem；Cryptosporidium；theCrypto-tracer-1；drinkingwatertreatmenttechnology基金項(xiàng)目：日本學(xué)術(shù)振興會(huì)(JSPS)外國(guó)人特別研究員科研獎(jiǎng)勵(lì)基金(P02099)1研究背景及其目的寄生

7、在動(dòng)物體內(nèi)和細(xì)胞內(nèi)屬于抱子蟲(chóng)類的原蟲(chóng),如隱抱子蟲(chóng)對(duì)人的致病性是1985年以后才開(kāi)始受到關(guān)注的。隱弛子蟲(chóng)有很多種類，但能致病的只有帕沃木氏隱抱子蟲(chóng)(CryptosporidiumParvum),其卵囊(Oocyst)M有46am,寄生在人體的腸管內(nèi)，這類卵囊隨人的糞便排泄后有感染其他個(gè)體的可能。因人抵抗力不同，感染1100個(gè)隱抱子蟲(chóng)后就可能患隱弛子蟲(chóng)病。到目前為止，對(duì)隱抱子蟲(chóng)病尚沒(méi)有針對(duì)性的治療方法，一般體質(zhì)較好的患者病情將會(huì)持續(xù)一個(gè)月后好轉(zhuǎn)，但對(duì)于免疫機(jī)能不健全的人,如肝炎患者、AIDS患者一旦染上則永遠(yuǎn)不能痊愈,甚至可能會(huì)導(dǎo)致死亡在過(guò)去的幾年里，有很多關(guān)于賈第鞭毛蟲(chóng)病和隱抱子蟲(chóng)等疾病發(fā)作的報(bào)

8、告。據(jù)資料介紹1999年萬(wàn)人隱弛子蟲(chóng)病感染率,新西蘭為24例，美國(guó)為2.5例,英格蘭為9.3例，蘇格蘭為17.2例，北愛(ài)爾蘭為10.7例，比利時(shí)為7.4例。亞洲、非洲、拉丁美洲每年病例總數(shù)估計(jì)為2.5-5.0億人。迄今世界上已經(jīng)有6大洲80多個(gè)國(guó)家至少300個(gè)地區(qū)發(fā)現(xiàn)了隱弛子蟲(chóng)?。?01975年在我國(guó)臺(tái)灣有了第一次關(guān)于賈第鞭蟲(chóng)水傳染病的報(bào)道。20世紀(jì)80年代中期又相繼在重慶以及云南的昆明、玉溪和曲靖地區(qū)分別發(fā)現(xiàn)隱抱子蟲(chóng)病感染病例。隱弛子蟲(chóng)流行分布廣泛，已成為污染環(huán)境、嚴(yán)重影響人類健康的問(wèn)題之一。針對(duì)隱弛子蟲(chóng)等耐氯化消毒病原微生物去除等問(wèn)題，除了尋求有效的技術(shù)對(duì)策，尚需增設(shè)新型的精密過(guò)濾及其他設(shè)

9、備，這使得建設(shè)費(fèi)和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)維修費(fèi)等大大增加。低壓膜過(guò)濾以其在除濁、消毒等方面的優(yōu)勢(shì)而備受青睞，其中以微濾膜和超濾膜的研究和應(yīng)用居多作為過(guò)濾膜產(chǎn)品之一的金屬過(guò)濾膜應(yīng)用于水處理是一項(xiàng)新技術(shù)，旦在水處理環(huán)境領(lǐng)域逐漸得到了人們的肯定與重視。由鈦、鐐、不銹鋼等成分制造的金屬過(guò)濾膜不僅有其他有機(jī)及無(wú)機(jī)膜所具有的特點(diǎn)，還具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱性和耐酸堿特性。除此之外,金屬膜壽命長(zhǎng)、容易拆換和檢修、便于維護(hù)、清洗、再生條件較好、耐壓抗震、無(wú)膜破斷之憂慮、易于回收,可以在比較苛刻的工藝條件下達(dá)到優(yōu)良的分離性能，濾過(guò)通量是其他種類膜通量的70100倍質(zhì)。近幾年，在德國(guó)、日本、挪威等國(guó)家已開(kāi)始進(jìn)行將金屬膜應(yīng)用于

10、水處理技術(shù)的研發(fā)。本試驗(yàn)以水廠砂濾水為研究對(duì)象，以完全去除類似隱抱子蟲(chóng)等微粒子為目標(biāo),膜過(guò)濾速度選用50m/d和100m/d,對(duì)金屬膜過(guò)濾系統(tǒng)性能及其開(kāi)發(fā)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。2試驗(yàn)方法與內(nèi)容試驗(yàn)選用3種金屬膜過(guò)濾器，即金屬薄片篩網(wǎng)膜過(guò)濾器(Laminatingmetalmeshfilter,FujiFP-0.3)、金屬非織網(wǎng)式膜過(guò)濾器(Non-wovenmetalfilter,FujiFA-3)、金屬粉末燒結(jié)膜過(guò)濾器(Sinteredmetalfilter,SIKA-RO.5AS),結(jié)合膜濾過(guò)水水質(zhì)、過(guò)濾膜壓差等指標(biāo)以確定本次金屬膜過(guò)濾系統(tǒng)所選用的膜組件種類。試驗(yàn)所用3種金屬膜特性指標(biāo)見(jiàn)表1。表1金屬

11、膜特性參數(shù)參數(shù)金屬薄片篩網(wǎng)膜濾器金屬非織網(wǎng)式膜濾器金屬粉末燒結(jié)膜濾器型號(hào)FujiFP-0.3FujiFA-3SUKA-R0.5AS形狀外徑巾25mmx有效長(zhǎng)度500mm/根加壓方式外壓式根數(shù)2根膜面積/n?0.08(0.04m2/fi0材料SUS316SUS316L,耐熱耐腐蝕合金SUS316厚度/mmJ.661.663膜公稱孔徑/呻0.30.30.5制造商日本富士過(guò)濾工業(yè)株式會(huì)社H本富士過(guò)濾工業(yè)株式會(huì)社德國(guó)GKN燒結(jié)金屬過(guò)濾公司采用膜過(guò)濾，提高其過(guò)濾流速即膜通量是非常有意義的。圖1是本試驗(yàn)所采用金屬膜的透水性能，其測(cè)定條件為：自來(lái)水經(jīng)NF膜過(guò)濾后的純水,將膜進(jìn)水流速控制在25160m/d(實(shí)

12、際流量為19-120mVd,水溫25Y)范圍內(nèi)測(cè)定膜壓差值。20r.50100150200濾速圖1膜過(guò)濾流速與膜壓差之間的關(guān)系(純水)由圖1可知，膜壓差與過(guò)濾速度成線性關(guān)系，過(guò)濾速度在50m/d和100m/d（水溫25T）的膜壓差分別為7kPa和12kPao金屬膜性能試驗(yàn)部分在日本名古屋市鍋屋上野凈水處理廠（供水能力為29x103m3/d）進(jìn)行。鍋屋上野凈水處理廠源水取自木曾川河水，混凝劑選用硫酸鋁，高濁度時(shí)采用聚合氯化鋁（PAC）,采用快速砂濾池和慢速砂濾池處理系統(tǒng)、次氛酸消毒。原水為快速砂濾池和慢速砂濾池出水之混合水，其配比為1：1,試驗(yàn)流程見(jiàn)圖2。圖2名古屋金屬膜試驗(yàn)工藝流程圖金屬膜過(guò)濾

13、系統(tǒng)對(duì)微粒子去除性能試驗(yàn)部分在日本富山縣滑川市水產(chǎn)試驗(yàn)中心進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)施和規(guī)模與鍋屋上野凈水廠相同，其試驗(yàn)工藝見(jiàn)圖3。圖3富山縣金屬膜試驗(yàn)工藝流程圖試驗(yàn)系統(tǒng)采用恒流量終端過(guò)濾運(yùn)行方式，進(jìn)入金屬過(guò)濾膜原水流量通過(guò)恒流量閥控制，逆洗時(shí)反沖洗泵從反洗水箱中抽水（150L/min）對(duì)金屬膜組件進(jìn)行反向清洗，反洗水箱的水為金屬膜濾過(guò)水。本試驗(yàn)采用2根金屬膜組件（最大可以裝配19根）進(jìn)行試驗(yàn),主要研究?jī)?nèi)容:測(cè)定原水及其金屬膜濾過(guò)水濁度和微粒子個(gè)數(shù)，確認(rèn)金屬膜過(guò)濾對(duì)類似于隱抱子蟲(chóng)微粒子去除效率。膜運(yùn)行通量的特性研究與優(yōu)選。3結(jié)果與分析3.1金屬膜過(guò)濾器性能和水中微粒子去除率原水及金屬膜濾過(guò)水的微粒子分布和濁

14、度如表2所示，表中所示為試驗(yàn)期間各指標(biāo)的平均值。表2微粒子分布及其濁度測(cè)定水樣平均粒子數(shù)/（個(gè)mL”）濁度/NTU總個(gè)數(shù)12|im25|xm510|im1015jjun1525|im25jxm試驗(yàn)原水300200-30040-60105100.03金屬薄片篩網(wǎng)30020030030-5051000.01膜濾非織網(wǎng)式50-10050-9010-2010000.01過(guò)水粉末燒結(jié)50-7050-701000000.0180190昭8090國(guó)B90S890甌育soSRig甌6-S0懇6TS0您SISO部5150皿本試驗(yàn)所取的砂濾水（即試驗(yàn)原水）平均濁度為0.03NTU（以標(biāo)準(zhǔn)高嶺土計(jì)量），三種金屬過(guò)濾

15、器的出水濁度均在0.01NTU以下。由微粒子的分布試驗(yàn)結(jié)果可知，砂濾過(guò)水總粒子個(gè)數(shù)達(dá)300個(gè)/mL,其中粒徑25jim的微粒子未檢出。金屬薄片篩網(wǎng)膜濾器濾過(guò)水中總粒子數(shù)為300個(gè)/mL,與砂濾過(guò)水所含總粒子數(shù)相同,幾乎沒(méi)有發(fā)生變化,僅是能將15jxm以上的微粒子全部去除（其濾過(guò)水中分離直徑15am以上的微粒子未檢出）。金屬非織網(wǎng)式膜過(guò)濾器濾過(guò)水總粒子數(shù)為50100個(gè)/mL,與原水和金屬薄片篩網(wǎng)膜濾器濾相比，各粒徑范圍的粒子得到了明顯去除，分離直徑10呻的微粒子未檢出。金屬粉末燒結(jié)過(guò)濾器的總粒子個(gè)數(shù)為5070個(gè)/mL,與其他兩種金屬膜相比，其濾過(guò)水總粒子數(shù)最少，去除效率最高。從表2可以看出，金屬

16、粉末燒結(jié)過(guò)濾器可以將分離直徑5Jim的微粒子全部去除，其濾過(guò)水中小于25呻的粒子數(shù)小于10個(gè)/mL。從去除致濁物質(zhì)來(lái)看，金屬粉末燒結(jié)過(guò)膜濾器效能最好。原水和金屬粉末燒結(jié)過(guò)膜濾器濾過(guò)水的微粒子圖4原水和金屬膜濾過(guò)水的微粒子粒度分布（速度為200m/d）由圖4可知,原水中1|xm以上粒子數(shù)為300400個(gè)/mL,其中80%90%為2pjn以下的粒子,5pim以上的也有數(shù)10個(gè)/mL被檢測(cè)出來(lái)。膜濾過(guò)水中25im微粒子95%以上被去除,5pum以上微粒子幾乎100%被去除。為研究金屬粉末燒結(jié)膜過(guò)濾器微粒子的去除特性,選用由東振化學(xué)株式會(huì)社生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)的、4種粒徑不同的示蹤微粒子，其與隱弛子蟲(chóng)特性比較見(jiàn)

17、表3O表3Crypto-tracer-1微粒子示蹤劑與隱弛子蟲(chóng)特性比較參數(shù)粒子直徑/性m-密度/(gcm-3)材質(zhì)變化系數(shù)/%PM-3KTAV1.21.186.6PM-4KTAV2.01.18聚甲基丙烯鹽酸6.6白色PM-5KTAV3.21.187.0Crypto-tracer-15.00.51.19聚甲基丙烯酸甲酯1.0x10“WC.parvumoocyst5.01.05-1.10本試驗(yàn)采用深層水濃縮一脫鹽裝置，各種微粒子采用相同的稀釋方法及投加方式。首先，自來(lái)水通過(guò)NF膜濾過(guò)水作為試驗(yàn)原水儲(chǔ)存于原水槽(2m)中，投加微粒子示蹤劑并將其濃度配制為1081010個(gè)/L,與試驗(yàn)原水進(jìn)行均勻攪拌后

18、進(jìn)行以下試驗(yàn)。金屬粉末燒結(jié)過(guò)濾器內(nèi)置19根金屬膜組件,通過(guò)泵將原水連續(xù)送至金屬粉末燒結(jié)過(guò)濾器底部。取金屬膜過(guò)濾前后的水樣并通過(guò)過(guò)濾器進(jìn)行聚碳酸酯膜或者0.45Fim膜過(guò)濾，隨后將膜置于掃描電子顯微鏡觀察計(jì)算其上所截留的粒子數(shù)。為了能便于在掃描電鏡下計(jì)數(shù)，投加Crypto-tracer-1號(hào)進(jìn)行熒光染色，之后在散射型熒光顯微鏡下觀察并對(duì)產(chǎn)生熒光的粒子進(jìn)行計(jì)數(shù)。3.2膜運(yùn)行通量及膜壓差分析試臆選用金屬粉末燒結(jié)膜過(guò)濾器,選擇在50(UV紫外熒光激發(fā))率最低的是PM-3KTAV(1.2Jim),但是也能達(dá)到3log以上這說(shuō)明并驗(yàn)證了金屬粉末燒結(jié)膜過(guò)濾器對(duì)粒徑2.0jim以上的微粒子去除效率好，即對(duì)隱抱

19、子蟲(chóng)能有效去除。經(jīng)過(guò)3個(gè)月的連續(xù)試驗(yàn)可知，膜過(guò)濾運(yùn)行穩(wěn)定,具有一定的實(shí)用性和耐用性。采用物理法清洗，即水與空氣(200kPa)混合逆洗方式。流速為50m/d(實(shí)際流量為38mVd)的試驗(yàn)間斷性運(yùn)行了4周。采用手動(dòng)逆洗，逆洗頻率為2次/d。由于逆洗時(shí)間間隔較短，逆洗后膜壓差兒乎可以恢復(fù)。但是經(jīng)過(guò)K時(shí)間的運(yùn)行后，膜壓差恢復(fù)程度與逆洗間隔相關(guān)聯(lián),即逆洗間隔時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，膜壓差上升很大。圖6和圖7為微粒子示蹤劑在SEM下的分布照片,其中圖6所示是凝聚后的粒子群，很清楚地可以看出有異于其他粒子尺寸的物質(zhì)存在。這種現(xiàn)象m/d和100m/d兩種濾速下微粒子去除效果及膜壓差分析試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5。圖5不同流速下示

20、蹤劑添加試驗(yàn)顯然，濾速與去除率存在一定的相關(guān)性，即濾速越低，去除率越高。無(wú)論濾速為50m/d還是100m/d,3.2jim以上的粒子去除率為99.999%(5log)以上。PM-4KTAV(2.0pirn)和Crypto-tracer-1(5|im)的去除率也較高，均在4log以上。去除效在含有微粒子示蹤劑PM-3KTAV(1.2wn)的原水中多見(jiàn)。當(dāng)原水中粒子個(gè)數(shù)達(dá)到約107個(gè)/mL高濃度,考慮粒子之間的相互結(jié)合。通過(guò)金屬粉末燒結(jié)膜過(guò)濾器處理后,尺寸為35pn的隱抱子蟲(chóng)去除率可達(dá)5log以上，金屬膜濾水中的微粒子數(shù)明顯減少。由此可見(jiàn)，金屬膜過(guò)濾能對(duì)隱抱子蟲(chóng)有效去除。圖6在紫外光激活下發(fā)藍(lán)光的

21、原水中微粒子示蹤劑Crypto-tracer-1號(hào)(5pm)分布圖7在紫外光激活下發(fā)藍(lán)光的膜濾水中微粒子示蹤劑Crypto-tracer-1號(hào)(5pm)分布4結(jié)語(yǔ)選擇較為潔凈的地表水和現(xiàn)有水廠的砂濾水作為金屬膜過(guò)濾原水，為了完全去除水中類似于隱抱子蟲(chóng)的微粒子，對(duì)其進(jìn)行了金屬膜過(guò)濾性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，金屬粉末燒結(jié)過(guò)濾器可以在高通量(50m/d)下穩(wěn)定運(yùn)行，可以保證對(duì)隱抱子蟲(chóng)的去除率99.999%。本試驗(yàn)可以運(yùn)用到相應(yīng)大規(guī)模的給水處理廠，采用金屬膜過(guò)濾系統(tǒng)可以完全將類似于隱抱子蟲(chóng)等微粒子去除。參考文獻(xiàn)：1BingMuHsu,Hsuan-Hsien.RemovalofGiardiaandCrypto

22、sporidiumindrinkingwatertreatment:apilotscalestudyJ,WaterRes,2003,37(5)：1111-1117.2DennisDJ,DavidGA,MaryEB,etal.Cryptosporidiosisandpublichealth:workshopreportJ.JAWWA,1995,87(9):69-80.3傅金祥，張立成，魏煒，等.介水隱抱產(chǎn)蟲(chóng)病的防治措施與方法JL環(huán)境與健康雜志,2003,20(3):187-189.4DuncansonM,RusselN,WeisteinP,eal.KatesofnotifiedcryptosporidinsisandqualityofdrinkingwatersuppliesinAotearoa,NewZealandJ.WaterRes,2000,34(15):3814-3812.5王國(guó)華.我國(guó)人體隱飽子蟲(chóng)病研究進(jìn)展J.中華流行病學(xué)雜志,1993,14(1):52-54.6ChungPK,CrossJH.PrevalenceofintestinalparasitesinchildrenonaTaiwanoffshoreislanddeterminedbytheuseofseveraldiagnosticme