过滤除藻介质及方法的研究进展

冯唐锴+司春灿+林英+张耀+付金梅

摘 要：淡水富营养化污染会造成有害藻体暴发式生长而形成“水华”，严重危害水体资源和水生态平衡。有效去除有害藻体是水处理中的重要工作。过滤除藻在实践中被广泛应用，各类过滤介质、装备及工艺组合的使用，能够带来不同的除藻效果。该文围绕过滤除藻工艺中过滤介质的选择及其使用效果以及配套措施展开了综述，介绍了相关研究的新进展。

关键词：过滤；水藻；环境污染；富营养化

中图分类号 TU991.2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）07-0101-03

水体富营养化（eutrophication）是指水中氮、磷、钾等元素含量过度增多，导致蓝藻等藻类及浮游动物等水体微生物呈恶性暴发式生长，并进一步使水体质量急剧下降的污染现象。淡水水体富营养化现象发生时，水面往往呈现各种不同颜色，故又称之为“水华”。富营养化水体中出现最多的生物是蓝藻和其他微小藻类，特别是蓝藻纲的铜绿微囊藻、鱼腥藻、颤藻等，此外，甲藻、鞭毛藻、硅藻、珊藻也常常是过度繁殖的种类。大量有害藻体在水中堆积生长并死亡后，会产生有害藻毒素、降低水的氧容量、散发硫化氢等化合物，给水体带来异味，使得细菌大量繁殖、水生动植物死亡，甚至产生致癌物而危害水体安全[1]。因此，有效去除水中藻体是保障水质的重要手段之一。

目前除藻的主要方法都是基于各种化学、生物和物理技术[2]。化学除藻即使用化学药剂除藻，常用的试剂有高锰酸钾、硫酸铜、臭氧、二氧化氯、液氯等，其优点是工艺简单、操作便利、效果好。但大量使用此法容易在遏制水华以后，对水体造成新的化学污染。化学除藻法的发展方向应该是探索发现环保无污染的除藻试剂。生物除藻指的是利用食物链，即生态制衡关系，抑制有害藻体的生长，主要包括水生动物抑藻、水生植物抑藻、藻类抑藻、硝化细菌抑藻等。生物除藻的优点是生态环保无污染，缺点是周期长、见效慢，需要长期维护，且具有较多的使用条件。物理除藻即使用物理方法处理水中藻体，主要方法有直接过滤除藻、气浮除藻、粘土除藻等，主要技术有微滤除藻、生物膜吸附除藻、混凝沉淀除藻等。物理除藻的优点是简单直接无污染，但费用昂贵，适用于局部水体或小水体的除藻[3]。上述方法中过滤除藻较为常用，效果也相对较好。本文将围绕过滤除藻的介质和方法进行综述，介绍过滤除藻的一些新研究和新方法。

1 过滤除藻概述

过滤是在各类外力作用下颗粒悬浮液通过过滤介质后，所含颗粒物被介质截留，从而使其与溶剂分离的操作，该技术在水体除藻中被广泛应用。通常湖泊水中的藻体可以利用过滤池或大型过滤器、滤床直接过滤，局部少量水体也可以利用滤网等介质进行微滤，以除去水中直径较大的浮游藻类藻，方法简单易行。过滤介质对提高除藻效率的作用十分重要，采用不同的过滤介质，配合不同的工艺，得到的去藻效果不同，其应用对象也有差异。

2 过滤除藻介质及方法的研究进展

2.1 纤维介质过滤除藻 最简单直接的过滤除藻方法是利用纤维为介质，直接对水中藻类进行过滤。水处理过程中可用的纤维种类繁多，例如，周绪申等[4]利用常见的生活或实验纤维作为介质进行除藻过滤研究。所用纤维介质有脱脂棉、快速滤纸、腈纶、海绵、孔径45μm细铜丝网、无纺布、植物秸秆纤维、纱布、25号浮游生物网、尼龙擦洗布。研究结果表明上述材料中总藻细胞过滤效率超过80%的有脱脂棉、快速滤纸和腈纶，去除蓝藻效率超过80%的有脱脂棉、快速滤纸、腈纶、无纺布和海绵。去除总藻细胞和蓝藻效率最好的都是脱脂棉，分别高达99.3%和96.02%。各类材质过滤藻类速度由快到慢排列情况为：海绵>植物秸秆纤维>尼龙擦洗布>纱布>腈纶>25号浮游生物网>细铜丝网>脱脂棉>无纺布>快速滤纸。从上述情况可以看出，通常滤速快的材质，过滤效果较差；过滤效果好的材质，滤速又较慢。快速滤纸这样的致密材料，很容易被藻体堵住滤孔。折中来看，过滤效果较好、速度也适中的为腈纶和海绵。另外，余国忠等[5]以丙纶丝为介质配合自制转鼓滤床装置，对含藻量很高的水体进行直接过滤除藻，也取得了一定的效果。该研究中丙纶丝滤床能够有效去除藻体，除藻装置与吸附-絮凝效应配合使用效果更佳，而在除藻过程中增加了气水联合连续反冲洗步骤，从而更能保证过滤装置除藻的稳定性。马钟瑛等[6]则采用高效涤纶高弹丝纤维球作为过滤介质，研究纖维一微絮凝过滤工艺的除藻效果。单个纤维球含3 000余根长2～3cm、粗10～15mm的纤维丝。滤层上松下紧排布，孔隙率自上而下由大到小呈梯度变化，纤维球装填密度1.194g/cm2、高度80cm、平均孔隙率92.9%。该工艺借助絮凝剂在原水中生成微细凝絮后，吸附在介质界面上完成絮凝分离过程，结果显示其最高总藻去除效果可达70%。工艺整体具有除藻效果明显、使用药剂少、作用时间短、工艺流程简化等特点。

2.2 石英砂介质过滤除藻 石英砂是一种十分常见的直接过滤介质，如李贵霞等[7]利用粒径0.9～1.2mm的均质石英砂进行直接过滤除藻研究，总藻去除率高达90%以上，特别是对蓝纤维藻和微囊藻的去除效果最好。李永成[8]等则进一步研究了表面涂布氧化铁、氧化钛的石英砂用于过滤除藻的效果，结果表明，通过表面涂布氧化钛或氧化铁对石英砂改性，可以显著提高其用于过滤除藻时的作用效率，除藻效果比普通石英砂好，氧化钛改性石英砂对藻细胞的去除效果又较氧化铁更好。改性石英砂能更加有效地去除藻体主要与石英砂表面附着的金属离子与藻体表面有机基团的静电相互作用力有关，未处理的石英砂则没有这种能力。另外，改性石英砂过滤法配合磷酸加聚氯化铝铁混凝法进行除藻效果更好。

2.3 超滤膜过滤除藻 近年来，超滤膜过滤在水藻处理中的应用很广，其原理是以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为介质，在压差下水体流过膜表面时，水、无机盐、小分子可透过膜，水藻和其他生物颗粒及大分子不能通过。超滤膜过滤藻体具有驱动力小、能耗低、占地面积小、出水水质高等特点，但是容易造成藻体在膜表面截留和膜孔堵塞。赵虎等[9]采用聚氯乙烯（PVC，Polyvinylchloride）金属合金中空纤维超滤膜为介质，对含藻水分别进行了水体过滤的小试及中试实验，研究了超滤体系在处理水藻时，超滤膜的运行情况及不同工艺去除藻体的效果。研究表明超滤膜对对藻体的去除率接近100%。超滤膜过滤配合各种试剂组合，提高了水通量，则能大大提高了超滤效率。

李满屯等[10]研究了聚氯乙烯和聚偏氟乙烯（PVDF，Polyvinylidene fluoride）制成的超滤膜过滤去除水中藻体的效果。两种超滤膜对藻类的去除率均接近100%，比常规石英砂过滤的平均去除率提高近20%。两种材质的超滤膜去除藻类的效果相近，但PVC超滤膜比PVDF超滤膜抗污染效果更好。美中不足的是，该研究发现水的膜通量会随着温度的下降而下降，随着液位的上升跨膜压差也会不断下降。此研究还以超滤膜过滤技术为核心，分别将微絮凝、ClO2-微絮凝、气浮-微絮凝、粉炭-微絮凝等方法与超滤工艺组合用于过滤除藻，结果显示各类组合工艺均可不同程度地提高滤膜的使用效果。

聚氯乙烯和聚偏氟乙烯都是有机化合物，它们制成的超滤膜在过滤过程中容易粘附藻细胞及其分泌物，从而形成膜污染，并进一步降低膜通量、升高跨膜压差，影响膜寿命和产水效率[11-12]。吴启龙等[13]研究了陶瓷膜超滤除藻的效果，结果表明利用陶瓷膜超滤藻细胞，去除率也能达到100%，出水中没有检出藻体细胞，且水质也不随过滤时间的延长而改变。不过和有机膜相似的是，陶瓷膜超滤膜通量也同样会随过滤时间的推移而下降，这说明藻体对陶瓷膜过滤通量影响也非常显著，需要往处理水中加入次氯酸钠方能改善这种影响。

2.4 气浮与过滤结合除藻 气浮法除藻是让水中藻体粘附在人工制造的高度分散微小气泡上形成“水-气-藻”三相混合体系，其密度小于水，会产生浮渣而被有效去除。徐竟成等[14]利用该方法有效去除了城市景观水体中的藻类。张声等则在气浮法的基础上，进一步利用活性炭、石英砂双层介质处理高藻水，水藻总去除率达95.1%，且出水各项指标均满足饮用水标准[15]。

3 展望

从上述一系列的研究中我们可以看到，过滤法在水体除藻中被广泛应用，但是各类方法都存在一些不足，最大问题在于过滤效果、过滤时间及水通量三者之间的矛盾，其次还包括实验效果与实际应用效果之间的差异。通常过滤效果较好的介质或滤膜，往往孔径较小，过滤所需时间长、速度较慢，还容易堵塞，而过滤速度快，不容易堵塞的介质或滤膜，往往空隙较大，过滤效果差。因此，在藻体过滤过程中，使用过滤效果好的介质往往都需要配合加入各类化学试剂处理来帮助提高过滤效率。如果能够找到一种性能更好的介质，它能够同时有效提高过滤效果和过滤速度，那将为水体除藻工艺的发展提供极大的帮助。

本文研究团队及合作伙伴在前期的研究过程中，研制出了一种膨胀式发泡微球特种陶瓷材料，该材料是一种从未有过的全新材料，其基础材质为可适当修饰的二氧化硅，微球熔点大于1 600℃；粒径0.5～10mm不等；导热系数为0.05w/（mk）；抗压强度达1.5MPa。电镜扫描结果显示该微球表面含各种大小不同的孔径和缝隙，具有良好的亲水性，这使得该陶瓷微球具有较强的吸附性特点。我们认为该微球材料或许在藻体过滤过程中作为过滤介质具有一定的开发使用价值，这将是本文研究团队今后工作的重点。

参考文献

[1]王家玲，李顺鹏，黄正.环境微生物学（第二版）[M].北京：高教出版社，2004：372-382.

[2]刘玥，李毅.富营养化水体除藻方法的研究[J].环境科学导刊，2009，28（增刊）：76-78.

[3]汪国雅.含高藻水处理技术探析[J].环境科学与管理，2005，41（5）：97-103.

[4]周绪申，李慧峰，罗阳，等.应用不同材料过滤去除海河蓝藻水华研究[J].环境科技，2012，25（6）：5-8.

[5]余国忠，李灵芝，赵明云，等.纤维直接过滤去除原水藻类[J].环境污染治理技术与设备，2003，4（1）：14-18.

[6]马钟瑛.微絮凝一纤维过滤去除微污染水中藻类的研究[D].上海：东华大学，2009：58-59 .

[7]李贵霞，刘艳芳，张自力，等.杨埕水库水的直接过滤除藻中试试验研究[J].环境污染与防治，2013，35（3）：75-84.

[8]李永成.强化混凝一过滤去除微污染水中藻类生物的研究[D].武汉：武汉科技大学，2004：42-43.

[9]赵虎.超滤膜去除水体藻类试验研究[D].北京：北京工业大学，2008：17-74.

[10]李满屯.受污染水源水超滤组合工艺应用研究[D].济南：济南大学，2013：56-58.

[11]瞿芳术，梁恒，雒安国，等.高锰酸盐复合药剂预氧化缓解超滤膜藻类污染的中試研究[J].环境科学学报，2010，30（7）：1366-1371.

[12]田宝义，何文杰，黄廷林，等.预氯化对混凝/超滤工艺处理滦河高藻原水的影响[J].中国给水排水，2009，25（21）：56-58.

[13]吴启龙，盛德洋，张锡辉，等.新型陶瓷膜过滤去除水中藻类的研究[J].中国给水排水，2013，29（11）：47-50.

[14]徐竟成，刘伟，曹海花，等.高密度微气泡过滤快速分离城市景观水体藻类[J].中国给水排水，2014，30（7）：14-17.

[15]张声，刘洋，张小健，等.活性炭石英砂双层深床介质浮滤池处理高藻水源水的研究[J].环境科学，2004，25（5）：52-56.

（责编：张宏民）