原位营养盐传感器在线自动过滤系统设计

褚东志,张述伟,张天鹏，王小红，曹煊,马然

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

原位营养盐传感器在线自动过滤系统设计

褚东志,张述伟,张天鹏，王小红，曹煊,马然

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

针对小流量营养盐分析传感器运行中过滤器件污染堵塞的问题，设计了一种反冲式营养盐在线过滤系统。过滤元件应用微孔陶瓷滤芯,系统采用二级进样、二级过滤、滤液定期反冲的总体方案，并确定了过滤参数。实验结果表明，过滤系统出水浊度稳定，在0.2～0.3 NTU之间，适用范围在150 NTU以下，过滤后5项营养盐回收率基本都在90%～110%之间。

水质生态监测；在线过滤；营养盐；反冲洗；浊度

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

随着人类海洋活动的日益频繁，海洋事故增多、灾害频发，海洋生态环境堪忧。海水富营养化引起初级生产链变化，浒苔、赤潮严重威胁着水产养殖领域，同时，正在引发海洋生态结构变化，威胁着海洋生态平衡。因此，海水营养盐含量监测十分必要。目前，承担长期监测任务的主流营养盐分析传感器是基于湿化学体系开发的，为节约化学试剂量，小流量监测成为一种趋势。因为监测流路通径变得越来越狭小，流路极易被杂质堵塞，所以对水样实现预过滤显得尤为重要。因此，研发一种适用性强、功耗低、结构相对简单的在线过滤系统，确保营养盐传感器长期有效运行势在必行。

目前，国外成熟化的营养盐分析仪产品较多，比如美国Green Eyes公司的NAS-3X、EcoLAB 2，意大利 SYSTEA的FLOWSYS，OSTD-NUTRIS等。这些产品均能用于海水营养盐原位监测，拥有独立的预过滤元件，但多采用囊式过滤器，不能在线反冲，限制了在近岸或水质较差的场合应用。国外的相关研究多侧重于理论，涉及过滤材料、方法等方面[1-4]，主要面向污水处理或者海水淡化领域，未见针对原位传感器水质预处理装置研发的报道。随着国产营养盐分析传感器研发工作的推进，出现了一批配套过滤系统，这些系统存在体积较大[5]、不具备自清洁功能[6-7]以及过滤效率低[8]的问题。其中，柳程予等[9]开发的3级串联在线过滤系统较为完整，但系统复杂，反冲时需要超纯水、HCl溶液及超声模块，功耗高，不适合在浮标等载体上应用。为确保小流量营养盐分析传感器的长期正常运行，本文设计了一种反冲式营养盐在线过滤系统。

1 在线过滤系统设计

1.1设计要求

一套有效可用的营养盐在线过滤系统，除了取决于器件自身的过滤能力，还应充分考虑过滤污染因素的影响[10]，应该具备如下几个条件：(1)可有效过滤掉海水中悬浮颗粒物等，保障传感器长期可靠运行；(2)系统整体应该尽量简单，功耗要低，便于集成到浮标等能源受限的场合；(3)使用寿命要长，减少人工维护；(4)最重要的是过滤后的水样应不影响待测海水营养盐的化学分布形态和浓度。

1.2总体方案

设计目标是开发一种反冲式营养盐在线过滤系统，即使在水体环境比较恶劣的情况下，依然可以确保小流量营养盐分析传感器长期正常运行。微孔滤管具有多孔结构、表面积大，孔径在微米级别，过滤后的水样一般符合直接进入仪器分析的要求，并且其强度较高，适合反冲需要。在三氯化铁加速腐蚀条件下, 316L不锈钢过滤材料的腐蚀速率是致密材料的4倍左右[11]，不适合在海水中应用。因此，本方案最终采用微孔陶瓷滤芯作为过滤元件。外压式陶瓷滤芯是一种由外向内孔径逐层递减的过滤结构，非常适用于小体积水样反冲的限定要求。

在线过滤系统设计思路采用二级过滤、二级进样、滤液定期反冲的总体方案(图1～2)。

(1)二级过滤。在过滤系统进样口处设有过滤罩，作为初级过滤单元阻挡大颗粒物及浮游植物等。过滤主体是采用陶瓷滤芯的集成单元，作为二级过滤直供水质传感器分析用水。该单元采用双层管状结构，外管选用PPR管构成初滤水样更替腔；内管为陶瓷滤芯，采用外压式过滤。初级采水使用微型水泵完成，粗过滤后的水经由管路5泵入到初滤水样更替腔中，灌满后由排水管6自然溢出。这样设计的目的是陶瓷滤芯不用承受过大的压力，粗滤水在更替腔中具有一定的流速，减少泥沙沉降，同时对滤芯的外表面有一定冲刷作用，延缓堵塞的时间。

(2)二级进样。二级进样动力装置作用于滤芯底部，由于滤芯上端封闭，因而在其内部形成一定负压，使得粗滤水样进入陶瓷滤芯内部完成精过滤，滤液转移到储液袋中供水质传感器使用。

(3)滤液定期反冲。过滤系统使用一段时间后，陶瓷滤芯外表面会出现滤饼层发生堵塞，降低过滤效果，定期反冲很有必要。为了简化营养盐传感器的配套要求，陶瓷滤芯采用水洗反冲方式，反冲液取自系统内部，采用储液袋中的二级过滤海水。这种做法不需要外部纯净水源，使得过滤系统能很好地适用于浮标等条件不佳的场合。

1-1 过滤罩；1-2 微型水泵；2 过滤主体；3 二级进样动力装置；4 储液袋；5 初级进样管路；6 排水管；7 滤液管路；8 二级进样管路；9 取样管路。图1 系统总体结构Fig.1 System assembly chart

2-1 滤液接头；2-2 堵头；2-3 转换接头；2-4 过滤筒；2-5 旋紧盖；2-6 陶瓷滤芯；2-7 进出水接头；2-8 密封圈；2-9 密封圈；2-10 密封圈。图2 过滤主体的内部构造剖视图Fig.2 An inner structural sectional view of the filter main body

1.3工作流程

全球化进程的不断加快和市场经济的不断深入，使得各种观念与文化纷纷涌入我国，西方发达国家凭借其经济、技术优势，向包括我国在内的发展中国家进行意识形态及价值观渗透，享乐主义、拜金主义等不良思想不断对中职生的价值观进行冲击，挤压了优秀传统文化的生存空间。信息网络的高速发展，加快了不良思想、观念、价值观的传播，网络的隐蔽性与虚拟性导致中职生沉迷于网络幻想，缺乏现实生活中与人面对面的交流，导致不诚信和违法行为有所增加。

按照上述方案设计的过滤系统主要有两大功能，即在线过滤、在线反冲。其工作流程见图3～4。

图3 过滤流程Fig.3 Filtration process

图4 反冲流程Fig.4 Recoil process

1.4过滤参数

1.4.1 体积

过滤系统主要规格参数如下：陶瓷过滤芯的平均孔径0.45 μm，长度300 mm，外径10 mm，内径8 mm，过滤样容积约为15 mL。粗滤水样更替腔(PPR管)外径46 mm，内径40 mm，有效长度300 mm。

原位营养盐传感器是基于湿化学体系开发的微流控监测系统，显色反应需要多种化学试剂，为了不影响每次检测，需要对流路进行冲洗。此外，为了不引入气泡，每次测量完成后流路内的待测样会留存，因此每次测量之前需要预进样更替上次的残留样，做同化处理。加之过滤柱反冲洗所需水量，总需水量为150 mL，综合考虑，储液袋的体积200 mL为佳。

1.4.2 泵速

整套过滤系统共有两处动力元件：微型水泵和蠕动泵，过滤、反冲过程是二者相互辅助来完成的。经实验，选定微型水泵的泵速为10 L/min，蠕动泵泵速75 r/min。按照过滤系统的规格参数，可以计算出陶瓷滤柱的过滤面积为S=9.4×10-3m2，过滤柱外待滤样的切向流速为0.14 m/s。

1.4.3 反冲周期和时长

营养盐在线过滤系统设计为每次测量结束就跟一次反冲流程。5项营养盐分析自身所需水量为80 mL，储液袋中残留水量为70 mL，用于反冲。反冲时蠕动泵开到最大泵速150 r/min，反冲时长至少140 s。

2 实验结果

为了验证本文设计的在线过滤器的性能，建立了如图5所示的实验系统。验证实验分为3部分开展，即过滤稳定性实验、有效过滤范围及标样过滤后营养盐回收率。

图5 实验系统Fig.5 Experiment system

2.1过滤稳定性

浊度是由水中各种不同性质及大小的悬浮物和胶体杂质对光线的散射作用而产生的，通过检测出水浊度，可以判断水中胶体和悬浮物的滤除效果。

本实验的目的是考察过滤前后水体浊度及其随时间推移的变化情况。将在线过滤系统安放于青岛小麦岛监测站岸边，保持其连续工作。每隔1 h分别取初级过滤前的原水和储液袋中滤液测量其浊度，采用HACH 2100P型浊度计测定，实验结果见图6～7。从图中曲线可以看出，在线过滤系统连续运行16 h，对浊度25～50 NTU的原水过滤后的出水浊度稳定。证明在线过滤系统反冲功能发挥了很好的作用，确保了系统的长期过滤稳定性。

图6 原水浊度Fig.6 Turbidity of raw water

图7 滤后浊度Fig.7 Turbidity of filtered water

2.2适用范围

配制30、50、80、100、150、200 NTU的待滤原水，按照预设的过滤参数进行过滤，统计过滤出150 mL目标水样所需时间。前3种浊度，所需时间基本相同，约50～60 s，而100 NTU需80 s，150 NTU需135 s，200 NTU过滤困难，发生蠕动泵空抽现象。

2.3目标物验证

分别以30、80、150 NTU的水样为基底加标配制含有一定浓度营养盐( 磷酸盐、铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐、硅酸盐)试样各20 L。使用山东省科学院海洋仪器仪表研究所自主研发的原位营养盐分析仪测定过滤后的试样，获取营养盐的回收率，研究过滤系统对目标物测定的影响。营养盐目标物的回收率结果见表1。

表1 营养盐回收率

由表1可以看出，原水浊度对不同浓度的营养盐回收无明显影响，5项营养盐回收率基本在90%～110%之间，证明过滤系统完全可以作为营养盐分析传感器的预处理装置使用。

3 结论

在线过滤系统出水浊度可稳定在0.2～0.3 NTU，当原水浊度低于150 NTU时，对营养盐过滤后回收无明显影响。因此，可以作为营养盐的在线过滤系统使用。滤液替代纯水反冲使系统更适合在浮标等现场条件受限的载体上应用，并有效解决了滤柱易堵塞的问题。但是，该系统目前还存在不同浊度下过滤同样体积原水所需时间不同的问题。考虑采用滤液桶代替滤液袋并增加浮球式液位计，以及增加微型气泵等措施加以改进。

[1]KIM J J, YOON H, HONG J, et al. Evaluation of new compact pretreatment system for high turbidity seawater: Fiber filter and ultrafiltration[J]. Desalination, 2013, 313: 28-35.

[2]NIU S, PARK K, YU J H, et al. Operation and performance evaluation of high-speed filter using porous non-woven filamentous fibre for the treatment of turbid water[J]. Environmental technology, 2016, 37(5): 577-589.

[3]SHINODA T, ABE M, SAKATA Y, et al. Development of filtration methodology for suspended particulate in seawater[M/OL]//OCEANS 2016.[S.l.]: IEEE, 2016.[2017-02-12] http://dx.doi.org/ 10.1109/ OCEANSAP. 2016. 7485689

[4]BANERJEE A, LOZIER J, CARLSON K . An on-line, multi-sensor, membrane filtration permeate water quality monitoring system[C]//AWWA Membrane Technology Conference Proceedings. San Antonio: AWWA,2001.

[5]张大为,郭庆,徐翠锋.水样全自动过滤系统的研究与设计[J].国外电子测量技术,2014,33(5):71-74.

[6]李彩,孙兆华,曹文熙,等.水下原位监测中水样的在线过滤装置及控制方法:中国, 101844002B[P].2012-06-06.

[7]阎超,张东丽.一种高效液相色谱在线过滤器:中国,204502808U[P].2015-07-29.

[8]周小平,周紫光,周国平,等.一种杯式水样在线过滤装置:中国,202049078U[P].2011-11-23.

[9]柳程予,袁东星,黄勇明. 自洁式三级串联的水样在线过滤系统的研制和应用[J].环境工程学报, 2012,6(12):4423-4428.

[10]徐鹏飞,马承愚,韩慧. PTFE 膜在水处理中的应用进展[J].环境工程,2014,32(增刊):271-275.

[11]王子羲,赵京辉,李振华,等. 不锈钢过滤材料耐海水腐蚀实验研究[C]//海上污染防治及应急技术研讨会论文集.北京:[s.n.], 2009.

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

国家重点研发计划 (2016YFC1400803)；山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(BS2014HZ015)； 山东省自然科学基金(ZR2014YL006)

褚东志(1983—)，男，硕士，研究方向为海洋环境监测技术。 E-mail： cdz0303@163.com