1、中國給水排水CHINAWATER&WASTEWATER超高流速金屬膜過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.同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海200092；2.日本國立岐阜大學流域圈科學研究中心，岐阜市柳戶1番1,501-1193；3.日本國立岐旱大學工學部，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(Coptospo戒/汕n)等不能被傳統凈水處理工藝有效去除，對人類身體健康帶來了隱患。以完全去除類似隱抱子蟲等微粒子為目標，選用與隱抱子蟲外觀尺寸相似的Crypto-tracer-1號示蹤微粒子，對金屬膜過濾系統在飲用水中的處理

2、性能進行評價。選用了三種金屬膜一金屬薄片篩網膜過濾器(FujiFP-0.3)、金屬非織網式膜過濾器(FujiFA-3)、金屬粉末燒結膜過濾器(SIKA-R0.5AS)，對金屬膜處理工藝中的水質參數和膜間壓力進行測試分析。結果表明，在大規模給水處理廠中，采用金屬膜過濾系統可以在高濾速下完全將類似于隱抱子蟲的微粒子去除。關鍵詞：金屬過濾膜系統；隱抱子蟲；示蹤微粒子；凈水處理中圖分類號：TU991文獻標識碼：C文章編號：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基金項目：日本學術振興會(JSPS)外國人特別研究員科研獎勵基金(P02099)1研究背景及其目的寄生

7、在動物體內和細胞內屬于抱子蟲類的原蟲,如隱抱子蟲對人的致病性是1985年以后才開始受到關注的。隱弛子蟲有很多種類，但能致病的只有帕沃木氏隱抱子蟲(CryptosporidiumParvum),其卵囊(Oocyst)M有46am,寄生在人體的腸管內，這類卵囊隨人的糞便排泄后有感染其他個體的可能。因人抵抗力不同，感染1100個隱抱子蟲后就可能患隱弛子蟲病。到目前為止，對隱抱子蟲病尚沒有針對性的治療方法，一般體質較好的患者病情將會持續一個月后好轉，但對于免疫機能不健全的人,如肝炎患者、AIDS患者一旦染上則永遠不能痊愈,甚至可能會導致死亡在過去的幾年里，有很多關于賈第鞭毛蟲病和隱抱子蟲等疾病發作的報

8、告。據資料介紹1999年萬人隱弛子蟲病感染率,新西蘭為24例，美國為2.5例,英格蘭為9.3例，蘇格蘭為17.2例，北愛爾蘭為10.7例，比利時為7.4例。亞洲、非洲、拉丁美洲每年病例總數估計為2.5-5.0億人。迄今世界上已經有6大洲80多個國家至少300個地區發現了隱弛子蟲病：701975年在我國臺灣有了第一次關于賈第鞭蟲水傳染病的報道。20世紀80年代中期又相繼在重慶以及云南的昆明、玉溪和曲靖地區分別發現隱抱子蟲病感染病例。隱弛子蟲流行分布廣泛，已成為污染環境、嚴重影響人類健康的問題之一。針對隱弛子蟲等耐氯化消毒病原微生物去除等問題，除了尋求有效的技術對策，尚需增設新型的精密過濾及其他設

9、備，這使得建設費和設備運轉維修費等大大增加。低壓膜過濾以其在除濁、消毒等方面的優勢而備受青睞，其中以微濾膜和超濾膜的研究和應用居多作為過濾膜產品之一的金屬過濾膜應用于水處理是一項新技術，旦在水處理環境領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濾膜不僅有其他有機及無機膜所具有的特點，還具有較好的化學穩定性、耐熱性和耐酸堿特性。除此之外,金屬膜壽命長、容易拆換和檢修、便于維護、清洗、再生條件較好、耐壓抗震、無膜破斷之憂慮、易于回收,可以在比較苛刻的工藝條件下達到優良的分離性能，濾過通量是其他種類膜通量的70100倍質。近幾年，在德國、日本、挪威等國家已開始進行將金屬膜應用于

10、水處理技術的研發。本試驗以水廠砂濾水為研究對象，以完全去除類似隱抱子蟲等微粒子為目標,膜過濾速度選用50m/d和100m/d,對金屬膜過濾系統性能及其開發進行了評價。2試驗方法與內容試驗選用3種金屬膜過濾器，即金屬薄片篩網膜過濾器(Laminatingmetalmeshfilter,FujiFP-0.3)、金屬非織網式膜過濾器(Non-wovenmetalfilter,FujiFA-3)、金屬粉末燒結膜過濾器(Sinteredmetalfilter,SIKA-RO.5AS),結合膜濾過水水質、過濾膜壓差等指標以確定本次金屬膜過濾系統所選用的膜組件種類。試驗所用3種金屬膜特性指標見表1。表1金屬

11、膜特性參數參數金屬薄片篩網膜濾器金屬非織網式膜濾器金屬粉末燒結膜濾器型號FujiFP-0.3FujiFA-3SUKA-R0.5AS形狀外徑巾25mmx有效長度500mm/根加壓方式外壓式根數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制造商日本富士過濾工業株式會社H本富士過濾工業株式會社德國GKN燒結金屬過濾公司采用膜過濾，提高其過濾流速即膜通量是非常有意義的。圖1是本試驗所采用金屬膜的透水性能，其測定條件為：自來水經NF膜過濾后的純水,將膜進水流速控制在25160m/d(實

12、際流量為19-120mVd,水溫25Y)范圍內測定膜壓差值。20r.50100150200濾速圖1膜過濾流速與膜壓差之間的關系(純水)由圖1可知，膜壓差與過濾速度成線性關系，過濾速度在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、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,試驗流程見圖2。圖2名古屋金屬膜試驗工藝流程圖金屬膜過濾

13、系統對微粒子去除性能試驗部分在日本富山縣滑川市水產試驗中心進行。試驗設施和規模與鍋屋上野凈水廠相同，其試驗工藝見圖3。圖3富山縣金屬膜試驗工藝流程圖試驗系統采用恒流量終端過濾運行方式，進入金屬過濾膜原水流量通過恒流量閥控制，逆洗時反沖洗泵從反洗水箱中抽水（150L/min）對金屬膜組件進行反向清洗，反洗水箱的水為金屬膜濾過水。本試驗采用2根金屬膜組件（最大可以裝配19根）進行試驗,主要研究內容:測定原水及其金屬膜濾過水濁度和微粒子個數，確認金屬膜過濾對類似于隱抱子蟲微粒子去除效率。膜運行通量的特性研究與優選。3結果與分析3.1金屬膜過濾器性能和水中微粒子去除率原水及金屬膜濾過水的微粒子分布和濁

14、度如表2所示，表中所示為試驗期間各指標的平均值。表2微粒子分布及其濁度測定水樣平均粒子數/（個mL”）濁度/NTU總個數12|im25|xm510|im1015jjun1525|im25jxm試驗原水300200-30040-60105100.03金屬薄片篩網30020030030-5051000.01膜濾非織網式50-10050-9010-2010000.01過水粉末燒結50-7050-701000000.0180190昭8090國B90S890甌育soSRig甌6-S0懇6TS0您SISO部5150皿本試驗所取的砂濾水（即試驗原水）平均濁度為0.03NTU（以標準高嶺土計量），三種金屬過濾

15、器的出水濁度均在0.01NTU以下。由微粒子的分布試驗結果可知，砂濾過水總粒子個數達300個/mL,其中粒徑25jim的微粒子未檢出。金屬薄片篩網膜濾器濾過水中總粒子數為300個/mL,與砂濾過水所含總粒子數相同,幾乎沒有發生變化,僅是能將15jxm以上的微粒子全部去除（其濾過水中分離直徑15am以上的微粒子未檢出）。金屬非織網式膜過濾器濾過水總粒子數為50100個/mL,與原水和金屬薄片篩網膜濾器濾相比，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。金屬粉末燒結過濾器的總粒子個數為5070個/mL,與其他兩種金屬膜相比，其濾過水總粒子數最少，去除效率最高。從表2可以看出，金屬

16、粉末燒結過濾器可以將分離直徑5Jim的微粒子全部去除，其濾過水中小于25呻的粒子數小于10個/mL。從去除致濁物質來看，金屬粉末燒結過膜濾器效能最好。原水和金屬粉末燒結過膜濾器濾過水的微粒子圖4原水和金屬膜濾過水的微粒子粒度分布（速度為200m/d）由圖4可知,原水中1|xm以上粒子數為300400個/mL,其中80%90%為2pjn以下的粒子,5pim以上的也有數10個/mL被檢測出來。膜濾過水中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膜過濾器微粒子的去除特性,選用由東振化學株式會社生產的標準的、4種粒徑不同的示蹤微粒子，其與隱弛子蟲特性比較見

17、表3O表3Crypto-tracer-1微粒子示蹤劑與隱弛子蟲特性比較參數粒子直徑/性m-密度/(gcm-3)材質變化系數/%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，自來水通過NF膜濾過水作為試驗原水儲存于原水槽(2m)中，投加微粒子示蹤劑并將其濃度配制為1081010個/L,與試驗原水進行均勻攪拌后

18、進行以下試驗。金屬粉末燒結過濾器內置19根金屬膜組件,通過泵將原水連續送至金屬粉末燒結過濾器底部。取金屬膜過濾前后的水樣并通過過濾器進行聚碳酸酯膜或者0.45Fim膜過濾，隨后將膜置于掃描電子顯微鏡觀察計算其上所截留的粒子數。為了能便于在掃描電鏡下計數，投加Crypto-tracer-1號進行熒光染色，之后在散射型熒光顯微鏡下觀察并對產生熒光的粒子進行計數。3.2膜運行通量及膜壓差分析試臆選用金屬粉末燒結膜過濾器,選擇在50(UV紫外熒光激發)率最低的是PM-3KTAV(1.2Jim),但是也能達到3log以上這說明并驗證了金屬粉末燒結膜過濾器對粒徑2.0jim以上的微粒子去除效率好，即對隱抱

19、子蟲能有效去除。經過3個月的連續試驗可知，膜過濾運行穩定,具有一定的實用性和耐用性。采用物理法清洗，即水與空氣(200kPa)混合逆洗方式。流速為50m/d(實際流量為38mVd)的試驗間斷性運行了4周。采用手動逆洗，逆洗頻率為2次/d。由于逆洗時間間隔較短，逆洗后膜壓差兒乎可以恢復。但是經過K時間的運行后，膜壓差恢復程度與逆洗間隔相關聯,即逆洗間隔時間較長時，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存在。這種現象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，結果見圖5。圖5不同流速下示

20、蹤劑添加試驗顯然，濾速與去除率存在一定的相關性，即濾速越低，去除率越高。無論濾速為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。當原水中粒子個數達到約107個/mL高濃度,考慮粒子之間的相互結合。通過金屬粉末燒結膜過濾器處理后,尺寸為35pn的隱抱子蟲去除率可達5log以上，金屬膜濾水中的微粒子數明顯減少。由此可見，金屬膜過濾能對隱抱子蟲有效去除。圖6在紫外光激活下發藍光的

21、原水中微粒子示蹤劑Crypto-tracer-1號(5pm)分布圖7在紫外光激活下發藍光的膜濾水中微粒子示蹤劑Crypto-tracer-1號(5pm)分布4結語選擇較為潔凈的地表水和現有水廠的砂濾水作為金屬膜過濾原水，為了完全去除水中類似于隱抱子蟲的微粒子，對其進行了金屬膜過濾性能試驗。結果表明，金屬粉末燒結過濾器可以在高通量(50m/d)下穩定運行，可以保證對隱抱子蟲的去除率99.999%。本試驗可以運用到相應大規模的給水處理廠，采用金屬膜過濾系統可以完全將類似于隱抱子蟲等微粒子去除。參考文獻：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.介水隱抱產蟲病的防治措施與方法JL環境與健康雜志,2003,20(3):187-189.4DuncansonM,RusselN,WeisteinP,eal.KatesofnotifiedcryptosporidinsisandqualityofdrinkingwatersuppliesinAotearoa,NewZealandJ.WaterRes,2000,34(15):3814-3812.5王國華.我國人體隱飽子蟲病研究進展J.中華流行病學雜志,1993,14(1):52-54.6ChungPK,CrossJH.PrevalenceofintestinalparasitesinchildrenonaTaiwanoffshoreislanddeterminedbytheuseofseveraldiagnosticme