砂濾技術(shù)在水處理研究中的進(jìn)展

張帥　趙志偉　彭偉　麥正軍　周繼豪　師杰　萬天琦

摘要：對(duì)砂濾技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概述。從級(jí)配、濾料種類、特殊水質(zhì)等方面對(duì)影響過濾的幾個(gè)重要因素進(jìn)行了論述。從除濁、除氨氮、除鐵錳、除藻等方面詳細(xì)的論述了砂濾技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。對(duì)砂濾工藝中存在的問題，從濾料改性、微絮凝過濾、生物強(qiáng)化過濾等方面總結(jié)了強(qiáng)化過濾的措施和發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：水處理；砂濾技術(shù)；優(yōu)化過濾；強(qiáng)化過濾；綜述

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-0460（2017）01-0153-04

過濾可以通過借助多種機(jī)理，有用地截留液體中的懸浮物，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的，是實(shí)現(xiàn)固液分離的有效手段。最早出現(xiàn)的砂濾技術(shù)是型式的慢砂濾池，其發(fā)展已有兩百年的歷史，該技術(shù)通過運(yùn)用物理、化學(xué)、生物的綜合作用進(jìn)行水質(zhì)凈化，其優(yōu)異的水處理效果得到了廣泛認(rèn)同。1885年，美國學(xué)者GW.Galler研究出了混凝沉淀技術(shù)和快速過濾技術(shù)，將過濾速度從2.5m/h提高到10m/h，很大程度上提高了產(chǎn)水效率。

隨著人們生活水平的提高，對(duì)水質(zhì)的要求也越來越高，同時(shí)工業(yè)化進(jìn)程的加速也給水處理帶來了更多的挑戰(zhàn)。為了滿足各類工藝的需求，從傳統(tǒng)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(gòu)造復(fù)雜的難題，發(fā)明了無閥濾池、V型濾池、虹吸濾池以及移動(dòng)罩濾池等；為了改變深層截污能力得不到發(fā)揮、過濾周期短和產(chǎn)水效率低的問題，研究者們開發(fā)了均質(zhì)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(jí)配對(duì)過濾性能的影響研究

濾層所提供的比表面積是體現(xiàn)濾池過濾性能的重要參數(shù)。比表面積在實(shí)際操作中體現(xiàn)在濾池濾料粒徑（d）和濾層厚度（L）上。在進(jìn)水水質(zhì)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(duì)濾池的過濾性能有副作用。所以，要想達(dá)到最佳的性能條件，如何進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V料級(jí)配是濾池設(shè)計(jì)中的核心問題例。

不均勻系數(shù)K₈₀是評(píng)價(jià)濾料級(jí)配的一個(gè)重要指標(biāo)。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(jí)，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(rèn)為對(duì)于不同級(jí)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(dāng)量粒徑，其研究了L/d₁₀取800，1000，1200，1400時(shí)對(duì)過濾性能的影響。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)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(duì)石英砂、無煙煤雙層濾料濾柱過濾效果的影響。通過改變?yōu)V層厚度與濾料粒徑，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其比值為1400時(shí)，濾柱的出水有很好的過濾性能，并且其對(duì)原水水質(zhì)的適應(yīng)性也較強(qiáng)。

1.2 濾料種類對(duì)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(diǎn)由于自身結(jié)構(gòu)的孔隙特征能夠吸附一定量的顆粒物，同時(shí)對(duì)顆粒物起到攔截作用達(dá)到除去污染的目的。部分濾料表面具有特殊的性質(zhì)，能與顆粒物粒子中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。各種不同的過濾材料，由于物理化學(xué)性質(zhì)不同，其應(yīng)用的范圍與優(yōu)缺點(diǎn)也各部相同，具體的比較如表1所示。

1.3 針對(duì)特殊水質(zhì)的濾池優(yōu)化研究

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

馮令艷等針對(duì)低溫條件下含腐植類有機(jī)物的高色度水，研究了炭砂濾池對(duì)污染物的去除效果，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)進(jìn)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(duì)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(duì)象，開發(fā)了炭砂雙層濾料浮濾池。張長利等針對(duì)飲用水中鐵錳超標(biāo)的問題，將錳氧化細(xì)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(shù)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(nèi)有3～5℃的變化，年平均水溫保持在10～15℃。對(duì)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(dá)到30～35℃。冬天水溫低，水的粘滯系數(shù)大，過濾時(shí)水頭損失比夏天大。

2 關(guān)于砂濾技術(shù)應(yīng)用研究

傳統(tǒng)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(tǒng)飲用水處理工藝的主要去除對(duì)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(biāo)，還可有效地消除水中傳染病原菌。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，傳統(tǒng)的工藝對(duì)某些新型污染物的去除能力明顯不足，出水的化學(xué)安全性很難得到保障。研究者們以過濾為核心，針對(duì)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(yīng)用

濾池的性能優(yōu)劣主要通過三個(gè)指標(biāo)衡量：顆粒物去除能力、過濾周期、自耗水量及能耗。傳統(tǒng)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(dāng)濁度很低時(shí)，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(duì)比炭砂濾池與普通砂濾池對(duì)顆粒物的去除效果，檢驗(yàn)了炭砂濾池的凈水效果，并研究了炭砂濾池對(duì)顆粒物的去除特性的影響及其影響因素。研究發(fā)現(xiàn)相對(duì)砂濾池而言，炭砂濾池的納污能力強(qiáng)，出水濁度和顆粒數(shù)效果好。

2.2 在去除氨氮和亞硝酸鹽氮中的應(yīng)用

目前，氨氮超標(biāo)是國內(nèi)地表飲用水水源中普遍存在的現(xiàn)象，出廠水中過多氨氮會(huì)引起飲用水生物穩(wěn)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(biāo)，容易導(dǎo)致管網(wǎng)中亞硝化菌和硝化菌的繁殖生長，從而使管網(wǎng)中亞硝酸鹽和硝酸鹽的含量超標(biāo)。針對(duì)含有有機(jī)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(duì)水中氨氮問題，對(duì)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(diǎn)新型無煙煤濾料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(dá)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(biāo)的問題。同時(shí)活性無煙煤濾料與活性炭針對(duì)有機(jī)物的去除比較相似。

2.3 在去除鐵錳中的應(yīng)用

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

20世紀(jì)60年代初期，李圭白院士等人將天然的錳砂成功地應(yīng)用于接觸氧化除鐵試驗(yàn)，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(nèi)得到了較快的發(fā)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(jī)理是可以簡(jiǎn)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(zhì)。

20世紀(jì)90年代，張杰院士等人對(duì)地下水中除鐵除錳機(jī)理進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究。發(fā)現(xiàn)鐵的去除機(jī)理仍有化學(xué)氧化去除，生物氧化機(jī)理為除錳的主要機(jī)理。其催化氧化過程是在細(xì)菌表面霉的作用下完成的，最終達(dá)到去除Mn²⁺的目的。

2.4 在去除藻及嗅味物質(zhì)中的應(yīng)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(zhì)砂濾池過濾中，其去除率能達(dá)到15%～75%。而采用“預(yù)氯化-混凝-砂雙層濾料”工藝，藻類去除率最高可達(dá)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(yīng)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(shù)發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)于常規(guī)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(chǎn)物生成的危險(xiǎn)。過濾是傳統(tǒng)處理工藝中的核心部分，對(duì)于日益嚴(yán)重的水質(zhì)污染情況，有研究者通過各種措施來強(qiáng)化過濾工藝，使過濾單元的水源適應(yīng)性更強(qiáng)，這種低成本的強(qiáng)化過濾技術(shù)得到了較好的推廣。

3.1 改性濾料的研究

在飲用水常規(guī)處理工藝中，濾料顆粒的表面性質(zhì)是決定濾池的過濾性的主要因素。石英砂、無煙煤等常規(guī)濾料由于其價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定得到了廣泛應(yīng)用，但這些顆粒表面常常帶負(fù)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(shù)，已逐漸成為強(qiáng)化過濾效果研究的熱點(diǎn)之一。

改性濾料是通過改變?yōu)V料的表面物理化學(xué)性質(zhì)來提高濾料的截污能力，從而提高出水水質(zhì)。實(shí)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(jī)物，還可以吸附水中小分子可溶性有機(jī)物以及重金屬有毒物質(zhì)，使濾料對(duì)出水水質(zhì)的改善作用得到全面提升。

3.2 微絮凝強(qiáng)化過濾的研究

直接過濾是強(qiáng)化過濾方法中的一種，根據(jù)濾前水是否形成粒徑分布相似絮體的特點(diǎn)，直接過濾可分為微絮凝過濾與接觸過濾。其過濾機(jī)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(guī)工藝相比較其節(jié)省了沉淀單元，并且藥劑投量也大大降低，常應(yīng)用于微污染水處理。

范榮桂等陽針對(duì)阜新礦區(qū)的微污染礦井水采用了微絮凝直接過濾工藝進(jìn)行處理，得出了較優(yōu)濾速為10～14m/h，聚合氯化鋁的絮凝時(shí)間和最佳投藥量分別為3～4min和2～4mg/L，此時(shí)過濾周期可以達(dá)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(biāo)準(zhǔn)。

3.3 生物強(qiáng)化過濾技術(shù)的研究

針對(duì)微污染水源水有機(jī)污染特性的一種強(qiáng)化過濾技術(shù)是生物強(qiáng)化過濾技術(shù)，它結(jié)合了傳統(tǒng)的微生物技術(shù)與物理過濾技術(shù)。其關(guān)鍵技術(shù)是使傳統(tǒng)濾池增加生物活性，從而變?yōu)樯锘钚钥鞛V池。濾池中的濾料與水中的氨氮和有機(jī)物等污染物質(zhì)接觸發(fā)生生物作用，可以有效地去除水中的亞硝酸鹽氮、有機(jī)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(qiáng)化過濾對(duì)去除水中有機(jī)物有較好的效果，尤其是可生物降解溶解性有機(jī)碳（BDOC）和可生物同化有機(jī)碳（AOC），去除率可達(dá)到90%以上；李德生等通過對(duì)普通濾池進(jìn)行生物強(qiáng)化后監(jiān)測(cè)對(duì)有機(jī)物的去除效果，發(fā)現(xiàn)COD_Mn的去除率由20%提高到40%左右；Miltner指出生物活性濾池對(duì)消毒副產(chǎn)物前體物也有較好的去除效果，對(duì)鹵乙酸前體物和三鹵甲烷前體物的去除率可分別達(dá)到75%和40%；Danielu和Lechevallier等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過生物強(qiáng)化過濾后水的致突變性降低了30%左右。

4 結(jié)論

過濾作為傳統(tǒng)水廠的核心工藝，在多種水質(zhì)條件下能夠發(fā)揮一定作用。但是針對(duì)傳統(tǒng)過濾出現(xiàn)的有機(jī)物、氨氮等污染物質(zhì)去除率較低的現(xiàn)象，大量研究者從改變?yōu)V料表面性質(zhì)、生物濾池等方面做了大量的研究。同時(shí)針對(duì)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(yīng)性。研究者可以從微生物強(qiáng)化過濾和改變?yōu)V料特性兩方面著手，強(qiáng)化過濾對(duì)多種污染物的去除。