超高流速金属膜过滤性能及其微粒子去除特性 (1).docx

1、中国给水排水CHINAWATER&WASTEWATER超高流速金属膜过源性能及其微粒子去除特性李伟英I,汤浅晶2,董秉直七高乃云(1.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092；2.日本国立岐阜大学流域圈科学研究中心，岐阜市柳户1番1,501-1193；3.日本国立岐旱大学工学部，岐阜市柳户1番1,501-1193)摘要：一些病原性微生物，如隐抱子虫(Coptospo戒/汕n)等不能被传统净水处理工艺有效去除，对人类身体健康带来了隐患。以完全去除类似隐抱子虫等微粒子为目标，选用与隐抱子虫外观尺寸相似的Crypto-tracer-1号示踪微粒子，对金属膜过滤系统在饮用水中的处理

2、性能进行评价。选用了三种金属膜一金属薄片筛网膜过滤器(FujiFP-0.3)、金属非织网式膜过滤器(FujiFA-3)、金属粉末烧结膜过滤器(SIKA-R0.5AS)，对金属膜处理工艺中的水质参数和膜间压力进行测试分析。结果表明，在大规模给水处理厂中，采用金属膜过滤系统可以在高滤速下完全将类似于隐抱子虫的微粒子去除。关键词：金属过滤膜系统；隐抱子虫；示踪微粒子；净水处理中图分类号：TU991文献标识码：C文章编号：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基金项目：日本学术振兴会(JSPS)外国人特别研究员科研奖励基金(P02099)1研究背景及其目的寄生

7、在动物体内和细胞内属于抱子虫类的原虫,如隐抱子虫对人的致病性是1985年以后才开始受到关注的。隐弛子虫有很多种类，但能致病的只有帕沃木氏隐抱子虫(CryptosporidiumParvum),其卵囊(Oocyst)M有46am,寄生在人体的肠管内，这类卵囊随人的粪便排泄后有感染其他个体的可能。因人抵抗力不同，感染1100个隐抱子虫后就可能患隐弛子虫病。到目前为止，对隐抱子虫病尚没有针对性的治疗方法，一般体质较好的患者病情将会持续一个月后好转，但对于免疫机能不健全的人,如肝炎患者、AIDS患者一旦染上则永远不能痊愈,甚至可能会导致死亡在过去的几年里，有很多关于贾第鞭毛虫病和隐抱子虫等疾病发作的报

8、告。据资料介绍1999年万人隐弛子虫病感染率,新西兰为24例，美国为2.5例,英格兰为9.3例，苏格兰为17.2例，北爱尔兰为10.7例，比利时为7.4例。亚洲、非洲、拉丁美洲每年病例总数估计为2.5-5.0亿人。迄今世界上已经有6大洲80多个国家至少300个地区发现了隐弛子虫病：701975年在我国台湾有了第一次关于贾第鞭虫水传染病的报道。20世纪80年代中期又相继在重庆以及云南的昆明、玉溪和曲靖地区分别发现隐抱子虫病感染病例。隐弛子虫流行分布广泛，已成为污染环境、严重影响人类健康的问题之一。针对隐弛子虫等耐氯化消毒病原微生物去除等问题，除了寻求有效的技术对策，尚需增设新型的精密过滤及其他设

9、备，这使得建设费和设备运转维修费等大大增加。低压膜过滤以其在除浊、消毒等方面的优势而备受青睐，其中以微滤膜和超滤膜的研究和应用居多作为过滤膜产品之一的金属过滤膜应用于水处理是一项新技术，旦在水处理环境领域逐渐得到了人们的肯定与重视。由钛、镣、不锈钢等成分制造的金属过滤膜不仅有其他有机及无机膜所具有的特点，还具有较好的化学稳定性、耐热性和耐酸碱特性。除此之外,金属膜寿命长、容易拆换和检修、便于维护、清洗、再生条件较好、耐压抗震、无膜破断之忧虑、易于回收,可以在比较苛刻的工艺条件下达到优良的分离性能，滤过通量是其他种类膜通量的70100倍质。近几年，在德国、日本、挪威等国家已开始进行将金属膜应用于

10、水处理技术的研发。本试验以水厂砂滤水为研究对象，以完全去除类似隐抱子虫等微粒子为目标,膜过滤速度选用50m/d和100m/d,对金属膜过滤系统性能及其开发进行了评价。2试验方法与内容试验选用3种金属膜过滤器，即金属薄片筛网膜过滤器(Laminatingmetalmeshfilter,FujiFP-0.3)、金属非织网式膜过滤器(Non-wovenmetalfilter,FujiFA-3)、金属粉末烧结膜过滤器(Sinteredmetalfilter,SIKA-RO.5AS),结合膜滤过水水质、过滤膜压差等指标以确定本次金属膜过滤系统所选用的膜组件种类。试验所用3种金属膜特性指标见表1。表1金属

11、膜特性参数参数金属薄片筛网膜滤器金属非织网式膜滤器金属粉末烧结膜滤器型号FujiFP-0.3FujiFA-3SUKA-R0.5AS形状外径巾25mmx有效长度500mm/根加压方式外压式根数2根膜面积/n?0.08(0.04m2/fi0材料SUS316SUS316L,耐热耐腐蚀合金SUS316厚度/mmJ.661.663膜公称孔径/呻0.30.30.5制造商日本富士过滤工业株式会社H本富士过滤工业株式会社德国GKN烧结金属过滤公司采用膜过滤，提高其过滤流速即膜通量是非常有意义的。图1是本试验所采用金属膜的透水性能，其测定条件为：自来水经NF膜过滤后的纯水,将膜进水流速控制在25160m/d(实

12、际流量为19-120mVd,水温25Y)范围内测定膜压差值。20r.50100150200滤速图1膜过滤流速与膜压差之间的关系(纯水)由图1可知，膜压差与过滤速度成线性关系，过滤速度在50m/d和100m/d（水温25T）的膜压差分别为7kPa和12kPao金属膜性能试验部分在日本名古屋市锅屋上野净水处理厂（供水能力为29x103m3/d）进行。锅屋上野净水处理厂源水取自木曾川河水，混凝剂选用硫酸铝，高浊度时采用聚合氯化铝（PAC）,采用快速砂滤池和慢速砂滤池处理系统、次氛酸消毒。原水为快速砂滤池和慢速砂滤池出水之混合水，其配比为1：1,试验流程见图2。图2名古屋金属膜试验工艺流程图金属膜过滤

13、系统对微粒子去除性能试验部分在日本富山县滑川市水产试验中心进行。试验设施和规模与锅屋上野净水厂相同，其试验工艺见图3。图3富山县金属膜试验工艺流程图试验系统采用恒流量终端过滤运行方式，进入金属过滤膜原水流量通过恒流量阀控制，逆洗时反冲洗泵从反洗水箱中抽水（150L/min）对金属膜组件进行反向清洗，反洗水箱的水为金属膜滤过水。本试验采用2根金属膜组件（最大可以装配19根）进行试验,主要研究内容:测定原水及其金属膜滤过水浊度和微粒子个数，确认金属膜过滤对类似于隐抱子虫微粒子去除效率。膜运行通量的特性研究与优选。3结果与分析3.1金属膜过滤器性能和水中微粒子去除率原水及金属膜滤过水的微粒子分布和浊

14、度如表2所示，表中所示为试验期间各指标的平均值。表2微粒子分布及其浊度测定水样平均粒子数/（个mL”）浊度/NTU总个数12|im25|xm510|im1015jjun1525|im25jxm试验原水300200-30040-60105100.03金属薄片筛网30020030030-5051000.01膜滤非织网式50-10050-9010-2010000.01过水粉末烧结50-7050-701000000.0180190昭8090国B90S890瓯育soSRig瓯6-S0恳6TS0您SISO部5150皿本试验所取的砂滤水（即试验原水）平均浊度为0.03NTU（以标准高岭土计量），三种金属过滤

15、器的出水浊度均在0.01NTU以下。由微粒子的分布试验结果可知，砂滤过水总粒子个数达300个/mL,其中粒径25jim的微粒子未检出。金属薄片筛网膜滤器滤过水中总粒子数为300个/mL,与砂滤过水所含总粒子数相同,几乎没有发生变化,仅是能将15jxm以上的微粒子全部去除（其滤过水中分离直径15am以上的微粒子未检出）。金属非织网式膜过滤器滤过水总粒子数为50100个/mL,与原水和金属薄片筛网膜滤器滤相比，各粒径范围的粒子得到了明显去除，分离直径10呻的微粒子未检出。金属粉末烧结过滤器的总粒子个数为5070个/mL,与其他两种金属膜相比，其滤过水总粒子数最少，去除效率最高。从表2可以看出，金属

16、粉末烧结过滤器可以将分离直径5Jim的微粒子全部去除，其滤过水中小于25呻的粒子数小于10个/mL。从去除致浊物质来看，金属粉末烧结过膜滤器效能最好。原水和金属粉末烧结过膜滤器滤过水的微粒子图4原水和金属膜滤过水的微粒子粒度分布（速度为200m/d）由图4可知,原水中1|xm以上粒子数为300400个/mL,其中80%90%为2pjn以下的粒子,5pim以上的也有数10个/mL被检测出来。膜滤过水中25im微粒子95%以上被去除,5pum以上微粒子几乎100%被去除。为研究金属粉末烧结膜过滤器微粒子的去除特性,选用由东振化学株式会社生产的标准的、4种粒径不同的示踪微粒子，其与隐弛子虫特性比较见

17、表3O表3Crypto-tracer-1微粒子示踪剂与隐弛子虫特性比较参数粒子直径/性m-密度/(gcm-3)材质变化系数/%PM-3KTAV1.21.186.6PM-4KTAV2.01.18聚甲基丙烯盐酸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本试验采用深层水浓缩一脱盐装置，各种微粒子采用相同的稀释方法及投加方式。首先，自来水通过NF膜滤过水作为试验原水储存于原水槽(2m)中，投加微粒子示踪剂并将其浓度配制为1081010个/L,与试验原水进行均匀搅拌后

18、进行以下试验。金属粉末烧结过滤器内置19根金属膜组件,通过泵将原水连续送至金属粉末烧结过滤器底部。取金属膜过滤前后的水样并通过过滤器进行聚碳酸酯膜或者0.45Fim膜过滤，随后将膜置于扫描电子显微镜观察计算其上所截留的粒子数。为了能便于在扫描电镜下计数，投加Crypto-tracer-1号进行荧光染色，之后在散射型荧光显微镜下观察并对产生荧光的粒子进行计数。3.2膜运行通量及膜压差分析试臆选用金属粉末烧结膜过滤器,选择在50(UV紫外荧光激发)率最低的是PM-3KTAV(1.2Jim),但是也能达到3log以上这说明并验证了金属粉末烧结膜过滤器对粒径2.0jim以上的微粒子去除效率好，即对隐抱

19、子虫能有效去除。经过3个月的连续试验可知，膜过滤运行稳定,具有一定的实用性和耐用性。采用物理法清洗，即水与空气(200kPa)混合逆洗方式。流速为50m/d(实际流量为38mVd)的试验间断性运行了4周。采用手动逆洗，逆洗频率为2次/d。由于逆洗时间间隔较短，逆洗后膜压差儿乎可以恢复。但是经过K时间的运行后，膜压差恢复程度与逆洗间隔相关联,即逆洗间隔时间较长时，膜压差上升很大。图6和图7为微粒子示踪剂在SEM下的分布照片,其中图6所示是凝聚后的粒子群，很清楚地可以看出有异于其他粒子尺寸的物质存在。这种现象m/d和100m/d两种滤速下微粒子去除效果及膜压差分析试验，结果见图5。图5不同流速下示

20、踪剂添加试验显然，滤速与去除率存在一定的相关性，即滤速越低，去除率越高。无论滤速为50m/d还是100m/d,3.2jim以上的粒子去除率为99.999%(5log)以上。PM-4KTAV(2.0pirn)和Crypto-tracer-1(5|im)的去除率也较高，均在4log以上。去除效在含有微粒子示踪剂PM-3KTAV(1.2wn)的原水中多见。当原水中粒子个数达到约107个/mL高浓度,考虑粒子之间的相互结合。通过金属粉末烧结膜过滤器处理后,尺寸为35pn的隐抱子虫去除率可达5log以上，金属膜滤水中的微粒子数明显减少。由此可见，金属膜过滤能对隐抱子虫有效去除。图6在紫外光激活下发蓝光的

21、原水中微粒子示踪剂Crypto-tracer-1号(5pm)分布图7在紫外光激活下发蓝光的膜滤水中微粒子示踪剂Crypto-tracer-1号(5pm)分布4结语选择较为洁净的地表水和现有水厂的砂滤水作为金属膜过滤原水，为了完全去除水中类似于隐抱子虫的微粒子，对其进行了金属膜过滤性能试验。结果表明，金属粉末烧结过滤器可以在高通量(50m/d)下稳定运行，可以保证对隐抱子虫的去除率99.999%。本试验可以运用到相应大规模的给水处理厂，采用金属膜过滤系统可以完全将类似于隐抱子虫等微粒子去除。参考文献：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，张立成，魏炜，等.介水隐抱产虫病的防治措施与方法JL环境与健康杂志,2003,20(3):187-189.4DuncansonM,RusselN,WeisteinP,eal.KatesofnotifiedcryptosporidinsisandqualityofdrinkingwatersuppliesinAotearoa,NewZealandJ.WaterRes,2000,34(15):3814-3812.5王国华.我国人体隐饱子虫病研究进展J.中华流行病学杂志,1993,14(1):52-54.6ChungPK,CrossJH.PrevalenceofintestinalparasitesinchildrenonaTaiwanoffshoreislanddeterminedbytheuseofseveraldiagnosticme