砂濾技術在水處理研究中的進展

張帥　趙志偉　彭偉　麥正軍　周繼豪　師杰　萬天琦

摘要：對砂濾技術進行了簡要的概述。從級配、濾料種類、特殊水質等方面對影響過濾的幾個重要因素進行了論述。從除濁、除氨氮、除鐵錳、除藻等方面詳細的論述了砂濾技術的應用現狀。對砂濾工藝中存在的問題，從濾料改性、微絮凝過濾、生物強化過濾等方面總結了強化過濾的措施和發展趨勢。

關鍵詞：水處理；砂濾技術；優化過濾；強化過濾；綜述

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0460（2017）01-0153-04

過濾可以通過借助多種機理，有用地截留液體中的懸浮物，達到凈化水質的目的，是實現固液分離的有效手段。最早出現的砂濾技術是型式的慢砂濾池，其發展已有兩百年的歷史，該技術通過運用物理、化學、生物的綜合作用進行水質凈化，其優異的水處理效果得到了廣泛認同。1885年，美國學者GW.Galler研究出了混凝沉淀技術和快速過濾技術，將過濾速度從2.5m/h提高到10m/h，很大程度上提高了產水效率。

隨著人們生活水平的提高，對水質的要求也越來越高，同時工業化進程的加速也給水處理帶來了更多的挑戰。為了滿足各類工藝的需求，從傳統的普通快濾池衍射出來了一系列型式的濾池。為了解決普通快濾池的閥門較多，構造復雜的難題，發明了無閥濾池、V型濾池、虹吸濾池以及移動罩濾池等；為了改變深層截污能力得不到發揮、過濾周期短和產水效率低的問題，研究者們開發了均質濾料濾池、向上流濾池、粗濾料反粒度濾池以及雙層及多層濾料濾池等。

1 砂濾工藝影響因素的研究

1.1 濾池濾料級配對過濾性能的影響研究

濾層所提供的比表面積是體現濾池過濾性能的重要參數。比表面積在實際操作中體現在濾池濾料粒徑（d）和濾層厚度（L）上。在進水水質相同的前提下，增大濾池濾料的粒徑或者減小濾料層厚度均對濾池的過濾性能有副作用。所以，要想達到最佳的性能條件，如何進行適當的濾料級配是濾池設計中的核心問題例。

不均勻系數K₈₀是評價濾料級配的一個重要指標。K₈₀愈大，表示濾料粒徑相差越大，顆粒愈不均勻，反沖洗后容易形成水力分級，小顆粒容易堆積在濾層表面，容易造成濾池阻塞。K₈₀愈接近1，濾料愈均勻，越接近理想過濾，過濾效果越好。余健等認為對于不同級配的濾料層，只要d₁₀不變，濾層所能截留的污染物是一樣多的。因此可以采用d₁₀代表當量粒徑，其研究了L/d₁₀取800，1000，1200，1400時對過濾性能的影響。通過對實驗結果的分析，發現在工程上L/d₁₀值宜取1200～1400。

王群等研究了濾料粒徑d和濾層厚度L對石英砂、無煙煤雙層濾料濾柱過濾效果的影響。通過改變濾層厚度與濾料粒徑，發現當其比值為1400時，濾柱的出水有很好的過濾性能，并且其對原水水質的適應性也較強。

1.2 濾料種類對過濾性能的影響研究

用于給水處理中常見的濾料類型有石英砂、無煙煤、活性炭等，其普遍的特點由于自身結構的孔隙特征能夠吸附一定量的顆粒物，同時對顆粒物起到攔截作用達到除去污染的目的。部分濾料表面具有特殊的性質，能與顆粒物粒子中的物質發生化學反應。各種不同的過濾材料，由于物理化學性質不同，其應用的范圍與優缺點也各部相同，具體的比較如表1所示。

1.3 針對特殊水質的濾池優化研究

針對有機物、氨氮、鐵錳、藻類等污染物高的特定水質，研究者分別對各種原水特性下的過濾展開了系列研究。

馮令艷等針對低溫條件下含腐植類有機物的高色度水，研究了炭砂濾池對污染物的去除效果，發現在試驗進水濁度為0.10～0.27NTU、COD_Mn為1.10～1.47mg幾的條件下，出水濁度小于0.10NTU、COD_Mn降為0.43～0.79mg/L，對濁度和COD_Mn的平均去除率分別為59.07%和50.61%。王永磊等以鵲山引黃水庫高藻原水為研究對象，開發了炭砂雙層濾料浮濾池。張長利等針對飲用水中鐵錳超標的問題，將錳氧化細菌用聚乙烯醇一硼酸一戊二醛法固定在石英砂表面，制備出了一種新型生物除錳濾料。

在水溫方面，大多數水廠水溫一般都由原水水源來決定。地下水的水溫變化比較小，通常一年內有3～5℃的變化，年平均水溫保持在10～15℃。對于地表水而言水溫的變化卻大不相同了，冬天地表水水溫低至1～2℃，而夏天地表水水溫能達到30～35℃。冬天水溫低，水的粘滯系數大，過濾時水頭損失比夏天大。

2 關于砂濾技術應用研究

傳統飲用水處理工藝主要是以去除膠體、懸浮物以及病原微生物是傳統飲用水處理工藝的主要去除對象，通過“混凝-沉淀-砂濾-消毒”不僅可以改善其感官性狀、毒理性指標，還可有效地消除水中傳染病原菌。隨著工業化進程的加快，傳統的工藝對某些新型污染物的去除能力明顯不足，出水的化學安全性很難得到保障。研究者們以過濾為核心，針對不同的水源污染物特征展開了大量的研究。

2.1 在去除濁度中的應用

濾池的性能優劣主要通過三個指標衡量：顆粒物去除能力、過濾周期、自耗水量及能耗。傳統上，顆粒物去除能力以濾后水濁度表示。濾后水濁度越低，表明濾池的顆粒物去除能力越好。但是當濁度很低時，濁度值的大小并不能反映顆粒物的濃度。

楊至瑜采用同一待濾水的前提下，通過對比炭砂濾池與普通砂濾池對顆粒物的去除效果，檢驗了炭砂濾池的凈水效果，并研究了炭砂濾池對顆粒物的去除特性的影響及其影響因素。研究發現相對砂濾池而言，炭砂濾池的納污能力強，出水濁度和顆粒數效果好。

2.2 在去除氨氮和亞硝酸鹽氮中的應用

目前，氨氮超標是國內地表飲用水水源中普遍存在的現象，出廠水中過多氨氮會引起飲用水生物穩定性差、耗氯量大、亞硝酸鹽偏高以及嗅味等問題。如果沒有處理好，出水中的氨氮含量超標，容易導致管網中亞硝化菌和硝化菌的繁殖生長，從而使管網中亞硝酸鹽和硝酸鹽的含量超標。針對含有有機物和氨氮的地表微污染原水，生物處理法是目前普遍采用的一種水處理方法。

吳月華等針對水中氨氮問題，對比了四種常見的濾料，篩選出了一種具有普通濾料和活性炭濾料的雙重特點新型無煙煤濾料。結果發現，石英砂、無煙煤、活性無煙煤、活性炭四種濾料的濁度去除率達90%以上，出水濁度均小于0.2NTU。活性炭與活性無煙煤過濾出水氨氮去除率為94%，而石英砂和無煙煤存在出水亞硝酸鹽氮濃度超標的問題。同時活性無煙煤濾料與活性炭針對有機物的去除比較相似。

2.3 在去除鐵錳中的應用

鐵、錳在過濾中的去除，水處理專家已經做了大量的分析和研究工作，并且將一些成熟的理論運用到了實際工程中去，取得了良好的效果。

20世紀60年代初期，李圭白院士等人將天然的錳砂成功地應用于接觸氧化除鐵試驗，接觸氧化除鐵理論在70年代被確立起來，接觸氧化除錳理論在隨后的10年內得到了較快的發展，過濾除鐵除錳理論在我國佳木斯、南寧、湛江等地得到了推廣。其機理是可以簡單的描述為在曝氣的作用下，地下水中的鐵錳形成了能被過濾截留的物質。

20世紀90年代，張杰院士等人對地下水中除鐵除錳機理進行了更進一步的研究。發現鐵的去除機理仍有化學氧化去除，生物氧化機理為除錳的主要機理。其催化氧化過程是在細菌表面霉的作用下完成的，最終達到去除Mn²⁺的目的。

2.4 在去除藻及嗅味物質中的應用

直接過濾和慢濾是處理低濃度含藻水和懸浮物濃度較低水的主要方式。藻類在雙層濾料濾池或均質砂濾池過濾中，其去除率能達到15%～75%。而采用“預氯化-混凝-砂雙層濾料”工藝，藻類去除率最高可達95%。直接過濾的方式主要適用于濁度較低的湖水，助凝劑或者滅藻劑一般應用于處理高含藻水過程中提高過濾效率，但在過濾過程中容易造成堵塞和穿透濾床。

3 砂濾技術發展趨勢

對于常規工藝顯得無能為力的污染物，大量的研究者選擇了一系列的深度處理工藝。但這些工藝往往成本較高，可能還存在副產物生成的危險。過濾是傳統處理工藝中的核心部分，對于日益嚴重的水質污染情況，有研究者通過各種措施來強化過濾工藝，使過濾單元的水源適應性更強，這種低成本的強化過濾技術得到了較好的推廣。

3.1 改性濾料的研究

在飲用水常規處理工藝中，濾料顆粒的表面性質是決定濾池的過濾性的主要因素。石英砂、無煙煤等常規濾料由于其價格便宜、性能穩定得到了廣泛應用，但這些顆粒表面常常帶負電、表面吸附容量低、比表面積小、空隙率低等缺陷使濾料的適用性受到了很大的限制。在濾料顆粒表面涂上一層金屬氧化物的改性技術，已逐漸成為強化過濾效果研究的熱點之一。

改性濾料是通過改變濾料的表面物理化學性質來提高濾料的截污能力，從而提高出水水質。實踐表明濾料改性后可以有效地增大原有濾料比表面積和吸附容量，使其在水處理中不僅可以吸附膠體和大分子有機物，還可以吸附水中小分子可溶性有機物以及重金屬有毒物質，使濾料對出水水質的改善作用得到全面提升。

3.2 微絮凝強化過濾的研究

直接過濾是強化過濾方法中的一種，根據濾前水是否形成粒徑分布相似絮體的特點，直接過濾可分為微絮凝過濾與接觸過濾。其過濾機理基本相同，水中顆粒在濾料表面碰撞附著，最終截留在濾料表面。與常規工藝相比較其節省了沉淀單元，并且藥劑投量也大大降低，常應用于微污染水處理。

范榮桂等陽針對阜新礦區的微污染礦井水采用了微絮凝直接過濾工藝進行處理，得出了較優濾速為10～14m/h，聚合氯化鋁的絮凝時間和最佳投藥量分別為3～4min和2～4mg/L，此時過濾周期可以達到30～40h，出水濁度和懸浮物濃度可分別降至1NTU和5mg/L以下，符合回用水標準。

3.3 生物強化過濾技術的研究

針對微污染水源水有機污染特性的一種強化過濾技術是生物強化過濾技術，它結合了傳統的微生物技術與物理過濾技術。其關鍵技術是使傳統濾池增加生物活性，從而變為生物活性快濾池。濾池中的濾料與水中的氨氮和有機物等污染物質接觸發生生物作用，可以有效地去除水中的亞硝酸鹽氮、有機物和氨氮。生物活性濾池主要濾料通常是無煙煤、活性炭、陶粒、石英砂等。

有研究表明生物強化過濾對去除水中有機物有較好的效果，尤其是可生物降解溶解性有機碳（BDOC）和可生物同化有機碳（AOC），去除率可達到90%以上；李德生等通過對普通濾池進行生物強化后監測對有機物的去除效果，發現COD_Mn的去除率由20%提高到40%左右；Miltner指出生物活性濾池對消毒副產物前體物也有較好的去除效果，對鹵乙酸前體物和三鹵甲烷前體物的去除率可分別達到75%和40%；Danielu和Lechevallier等研究發現經過生物強化過濾后水的致突變性降低了30%左右。

4 結論

過濾作為傳統水廠的核心工藝，在多種水質條件下能夠發揮一定作用。但是針對傳統過濾出現的有機物、氨氮等污染物質去除率較低的現象，大量研究者從改變濾料表面性質、生物濾池等方面做了大量的研究。同時針對特殊微污染水源提出微絮凝過濾工藝，從一定程度上改善了過濾的水源適應性。研究者可以從微生物強化過濾和改變濾料特性兩方面著手，強化過濾對多種污染物的去除。