原位營(yíng)養(yǎng)鹽傳感器在線自動(dòng)過濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

褚東志,張述偉,張?zhí)禊i，王小紅，曹煊,馬然

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

原位營(yíng)養(yǎng)鹽傳感器在線自動(dòng)過濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

褚東志,張述偉,張?zhí)禊i，王小紅，曹煊,馬然

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

針對(duì)小流量營(yíng)養(yǎng)鹽分析傳感器運(yùn)行中過濾器件污染堵塞的問題，設(shè)計(jì)了一種反沖式營(yíng)養(yǎng)鹽在線過濾系統(tǒng)。過濾元件應(yīng)用微孔陶瓷濾芯,系統(tǒng)采用二級(jí)進(jìn)樣、二級(jí)過濾、濾液定期反沖的總體方案，并確定了過濾參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，過濾系統(tǒng)出水濁度穩(wěn)定，在0.2～0.3 NTU之間，適用范圍在150 NTU以下，過濾后5項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽回收率基本都在90%～110%之間。

水質(zhì)生態(tài)監(jiān)測(cè)；在線過濾；營(yíng)養(yǎng)鹽；反沖洗；濁度

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

隨著人類海洋活動(dòng)的日益頻繁，海洋事故增多、災(zāi)害頻發(fā)，海洋生態(tài)環(huán)境堪憂。海水富營(yíng)養(yǎng)化引起初級(jí)生產(chǎn)鏈變化，滸苔、赤潮嚴(yán)重威脅著水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，同時(shí)，正在引發(fā)海洋生態(tài)結(jié)構(gòu)變化，威脅著海洋生態(tài)平衡。因此，海水營(yíng)養(yǎng)鹽含量監(jiān)測(cè)十分必要。目前，承擔(dān)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)任務(wù)的主流營(yíng)養(yǎng)鹽分析傳感器是基于濕化學(xué)體系開發(fā)的，為節(jié)約化學(xué)試劑量，小流量監(jiān)測(cè)成為一種趨勢(shì)。因?yàn)楸O(jiān)測(cè)流路通徑變得越來越狹小，流路極易被雜質(zhì)堵塞，所以對(duì)水樣實(shí)現(xiàn)預(yù)過濾顯得尤為重要。因此，研發(fā)一種適用性強(qiáng)、功耗低、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的在線過濾系統(tǒng)，確保營(yíng)養(yǎng)鹽傳感器長(zhǎng)期有效運(yùn)行勢(shì)在必行。

目前，國(guó)外成熟化的營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀產(chǎn)品較多，比如美國(guó)Green Eyes公司的NAS-3X、EcoLAB 2，意大利 SYSTEA的FLOWSYS，OSTD-NUTRIS等。這些產(chǎn)品均能用于海水營(yíng)養(yǎng)鹽原位監(jiān)測(cè)，擁有獨(dú)立的預(yù)過濾元件，但多采用囊式過濾器，不能在線反沖，限制了在近岸或水質(zhì)較差的場(chǎng)合應(yīng)用。國(guó)外的相關(guān)研究多側(cè)重于理論，涉及過濾材料、方法等方面[1-4]，主要面向污水處理或者海水淡化領(lǐng)域，未見針對(duì)原位傳感器水質(zhì)預(yù)處理裝置研發(fā)的報(bào)道。隨著國(guó)產(chǎn)營(yíng)養(yǎng)鹽分析傳感器研發(fā)工作的推進(jìn)，出現(xiàn)了一批配套過濾系統(tǒng)，這些系統(tǒng)存在體積較大[5]、不具備自清潔功能[6-7]以及過濾效率低[8]的問題。其中，柳程予等[9]開發(fā)的3級(jí)串聯(lián)在線過濾系統(tǒng)較為完整，但系統(tǒng)復(fù)雜，反沖時(shí)需要超純水、HCl溶液及超聲模塊，功耗高，不適合在浮標(biāo)等載體上應(yīng)用。為確保小流量營(yíng)養(yǎng)鹽分析傳感器的長(zhǎng)期正常運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了一種反沖式營(yíng)養(yǎng)鹽在線過濾系統(tǒng)。

1 在線過濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)要求

一套有效可用的營(yíng)養(yǎng)鹽在線過濾系統(tǒng)，除了取決于器件自身的過濾能力，還應(yīng)充分考慮過濾污染因素的影響[10]，應(yīng)該具備如下幾個(gè)條件：(1)可有效過濾掉海水中懸浮顆粒物等，保障傳感器長(zhǎng)期可靠運(yùn)行；(2)系統(tǒng)整體應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單，功耗要低，便于集成到浮標(biāo)等能源受限的場(chǎng)合；(3)使用壽命要長(zhǎng)，減少人工維護(hù)；(4)最重要的是過濾后的水樣應(yīng)不影響待測(cè)海水營(yíng)養(yǎng)鹽的化學(xué)分布形態(tài)和濃度。

1.2總體方案

設(shè)計(jì)目標(biāo)是開發(fā)一種反沖式營(yíng)養(yǎng)鹽在線過濾系統(tǒng)，即使在水體環(huán)境比較惡劣的情況下，依然可以確保小流量營(yíng)養(yǎng)鹽分析傳感器長(zhǎng)期正常運(yùn)行。微孔濾管具有多孔結(jié)構(gòu)、表面積大，孔徑在微米級(jí)別，過濾后的水樣一般符合直接進(jìn)入儀器分析的要求，并且其強(qiáng)度較高，適合反沖需要。在三氯化鐵加速腐蝕條件下, 316L不銹鋼過濾材料的腐蝕速率是致密材料的4倍左右[11]，不適合在海水中應(yīng)用。因此，本方案最終采用微孔陶瓷濾芯作為過濾元件。外壓式陶瓷濾芯是一種由外向內(nèi)孔徑逐層遞減的過濾結(jié)構(gòu)，非常適用于小體積水樣反沖的限定要求。

在線過濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路采用二級(jí)過濾、二級(jí)進(jìn)樣、濾液定期反沖的總體方案(圖1～2)。

(1)二級(jí)過濾。在過濾系統(tǒng)進(jìn)樣口處設(shè)有過濾罩，作為初級(jí)過濾單元阻擋大顆粒物及浮游植物等。過濾主體是采用陶瓷濾芯的集成單元，作為二級(jí)過濾直供水質(zhì)傳感器分析用水。該單元采用雙層管狀結(jié)構(gòu)，外管選用PPR管構(gòu)成初濾水樣更替腔；內(nèi)管為陶瓷濾芯，采用外壓式過濾。初級(jí)采水使用微型水泵完成，粗過濾后的水經(jīng)由管路5泵入到初濾水樣更替腔中，灌滿后由排水管6自然溢出。這樣設(shè)計(jì)的目的是陶瓷濾芯不用承受過大的壓力，粗濾水在更替腔中具有一定的流速，減少泥沙沉降，同時(shí)對(duì)濾芯的外表面有一定沖刷作用，延緩堵塞的時(shí)間。

(2)二級(jí)進(jìn)樣。二級(jí)進(jìn)樣動(dòng)力裝置作用于濾芯底部，由于濾芯上端封閉，因而在其內(nèi)部形成一定負(fù)壓，使得粗濾水樣進(jìn)入陶瓷濾芯內(nèi)部完成精過濾，濾液轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)液袋中供水質(zhì)傳感器使用。

(3)濾液定期反沖。過濾系統(tǒng)使用一段時(shí)間后，陶瓷濾芯外表面會(huì)出現(xiàn)濾餅層發(fā)生堵塞，降低過濾效果，定期反沖很有必要。為了簡(jiǎn)化營(yíng)養(yǎng)鹽傳感器的配套要求，陶瓷濾芯采用水洗反沖方式，反沖液取自系統(tǒng)內(nèi)部，采用儲(chǔ)液袋中的二級(jí)過濾海水。這種做法不需要外部純凈水源，使得過濾系統(tǒng)能很好地適用于浮標(biāo)等條件不佳的場(chǎng)合。

1-1 過濾罩；1-2 微型水泵；2 過濾主體；3 二級(jí)進(jìn)樣動(dòng)力裝置；4 儲(chǔ)液袋；5 初級(jí)進(jìn)樣管路；6 排水管；7 濾液管路；8 二級(jí)進(jìn)樣管路；9 取樣管路。圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 System assembly chart

2-1 濾液接頭；2-2 堵頭；2-3 轉(zhuǎn)換接頭；2-4 過濾筒；2-5 旋緊蓋；2-6 陶瓷濾芯；2-7 進(jìn)出水接頭；2-8 密封圈；2-9 密封圈；2-10 密封圈。圖2 過濾主體的內(nèi)部構(gòu)造剖視圖Fig.2 An inner structural sectional view of the filter main body

1.3工作流程

全球化進(jìn)程的不斷加快和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷深入，使得各種觀念與文化紛紛涌入我國(guó)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家憑借其經(jīng)濟(jì)、技術(shù)優(yōu)勢(shì)，向包括我國(guó)在內(nèi)的發(fā)展中國(guó)家進(jìn)行意識(shí)形態(tài)及價(jià)值觀滲透，享樂主義、拜金主義等不良思想不斷對(duì)中職生的價(jià)值觀進(jìn)行沖擊，擠壓了優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的生存空間。信息網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，加快了不良思想、觀念、價(jià)值觀的傳播，網(wǎng)絡(luò)的隱蔽性與虛擬性導(dǎo)致中職生沉迷于網(wǎng)絡(luò)幻想，缺乏現(xiàn)實(shí)生活中與人面對(duì)面的交流，導(dǎo)致不誠(chéng)信和違法行為有所增加。

按照上述方案設(shè)計(jì)的過濾系統(tǒng)主要有兩大功能，即在線過濾、在線反沖。其工作流程見圖3～4。

圖3 過濾流程Fig.3 Filtration process

圖4 反沖流程Fig.4 Recoil process

1.4過濾參數(shù)

1.4.1 體積

過濾系統(tǒng)主要規(guī)格參數(shù)如下：陶瓷過濾芯的平均孔徑0.45 μm，長(zhǎng)度300 mm，外徑10 mm，內(nèi)徑8 mm，過濾樣容積約為15 mL。粗濾水樣更替腔(PPR管)外徑46 mm，內(nèi)徑40 mm，有效長(zhǎng)度300 mm。

原位營(yíng)養(yǎng)鹽傳感器是基于濕化學(xué)體系開發(fā)的微流控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，顯色反應(yīng)需要多種化學(xué)試劑，為了不影響每次檢測(cè)，需要對(duì)流路進(jìn)行沖洗。此外，為了不引入氣泡，每次測(cè)量完成后流路內(nèi)的待測(cè)樣會(huì)留存，因此每次測(cè)量之前需要預(yù)進(jìn)樣更替上次的殘留樣，做同化處理。加之過濾柱反沖洗所需水量，總需水量為150 mL，綜合考慮，儲(chǔ)液袋的體積200 mL為佳。

1.4.2 泵速

整套過濾系統(tǒng)共有兩處動(dòng)力元件：微型水泵和蠕動(dòng)泵，過濾、反沖過程是二者相互輔助來完成的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，選定微型水泵的泵速為10 L/min，蠕動(dòng)泵泵速75 r/min。按照過濾系統(tǒng)的規(guī)格參數(shù)，可以計(jì)算出陶瓷濾柱的過濾面積為S=9.4×10-3m2，過濾柱外待濾樣的切向流速為0.14 m/s。

1.4.3 反沖周期和時(shí)長(zhǎng)

營(yíng)養(yǎng)鹽在線過濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)為每次測(cè)量結(jié)束就跟一次反沖流程。5項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽分析自身所需水量為80 mL，儲(chǔ)液袋中殘留水量為70 mL，用于反沖。反沖時(shí)蠕動(dòng)泵開到最大泵速150 r/min，反沖時(shí)長(zhǎng)至少140 s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的在線過濾器的性能，建立了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)分為3部分開展，即過濾穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)、有效過濾范圍及標(biāo)樣過濾后營(yíng)養(yǎng)鹽回收率。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Experiment system

2.1過濾穩(wěn)定性

濁度是由水中各種不同性質(zhì)及大小的懸浮物和膠體雜質(zhì)對(duì)光線的散射作用而產(chǎn)生的，通過檢測(cè)出水濁度，可以判斷水中膠體和懸浮物的濾除效果。

本實(shí)驗(yàn)的目的是考察過濾前后水體濁度及其隨時(shí)間推移的變化情況。將在線過濾系統(tǒng)安放于青島小麥島監(jiān)測(cè)站岸邊，保持其連續(xù)工作。每隔1 h分別取初級(jí)過濾前的原水和儲(chǔ)液袋中濾液測(cè)量其濁度，采用HACH 2100P型濁度計(jì)測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6～7。從圖中曲線可以看出，在線過濾系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行16 h，對(duì)濁度25～50 NTU的原水過濾后的出水濁度穩(wěn)定。證明在線過濾系統(tǒng)反沖功能發(fā)揮了很好的作用，確保了系統(tǒng)的長(zhǎng)期過濾穩(wěn)定性。

圖6 原水濁度Fig.6 Turbidity of raw water

圖7 濾后濁度Fig.7 Turbidity of filtered water

2.2適用范圍

配制30、50、80、100、150、200 NTU的待濾原水，按照預(yù)設(shè)的過濾參數(shù)進(jìn)行過濾，統(tǒng)計(jì)過濾出150 mL目標(biāo)水樣所需時(shí)間。前3種濁度，所需時(shí)間基本相同，約50～60 s，而100 NTU需80 s，150 NTU需135 s，200 NTU過濾困難，發(fā)生蠕動(dòng)泵空抽現(xiàn)象。

2.3目標(biāo)物驗(yàn)證

分別以30、80、150 NTU的水樣為基底加標(biāo)配制含有一定濃度營(yíng)養(yǎng)鹽( 磷酸鹽、銨鹽、亞硝酸鹽、硝酸鹽、硅酸鹽)試樣各20 L。使用山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所自主研發(fā)的原位營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀測(cè)定過濾后的試樣，獲取營(yíng)養(yǎng)鹽的回收率，研究過濾系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物測(cè)定的影響。營(yíng)養(yǎng)鹽目標(biāo)物的回收率結(jié)果見表1。

表1 營(yíng)養(yǎng)鹽回收率

由表1可以看出，原水濁度對(duì)不同濃度的營(yíng)養(yǎng)鹽回收無明顯影響，5項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽回收率基本在90%～110%之間，證明過濾系統(tǒng)完全可以作為營(yíng)養(yǎng)鹽分析傳感器的預(yù)處理裝置使用。

3 結(jié)論

在線過濾系統(tǒng)出水濁度可穩(wěn)定在0.2～0.3 NTU，當(dāng)原水濁度低于150 NTU時(shí)，對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽過濾后回收無明顯影響。因此，可以作為營(yíng)養(yǎng)鹽的在線過濾系統(tǒng)使用。濾液替代純水反沖使系統(tǒng)更適合在浮標(biāo)等現(xiàn)場(chǎng)條件受限的載體上應(yīng)用，并有效解決了濾柱易堵塞的問題。但是，該系統(tǒng)目前還存在不同濁度下過濾同樣體積原水所需時(shí)間不同的問題?？紤]采用濾液桶代替濾液袋并增加浮球式液位計(jì)，以及增加微型氣泵等措施加以改進(jìn)。

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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

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 (2016YFC1400803)；山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金(BS2014HZ015)； 山東省自然科學(xué)基金(ZR2014YL006)

褚東志(1983—)，男，碩士，研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)。 E-mail： cdz0303@163.com