砂滤技术在水处理研究中的进展

张帅　赵志伟　彭伟　麦正军　周继豪　师杰　万天琦

摘要：对砂滤技术进行了简要的概述。从级配、滤料种类、特殊水质等方面对影响过滤的几个重要因素进行了论述。从除浊、除氨氮、除铁锰、除藻等方面详细的论述了砂滤技术的应用现状。对砂滤工艺中存在的问题，从滤料改性、微絮凝过滤、生物强化过滤等方面总结了强化过滤的措施和发展趋势。

关键词：水处理；砂滤技术；优化过滤；强化过滤；综述

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2017）01-0153-04

过滤可以通过借助多种机理，有用地截留液体中的悬浮物，达到净化水质的目的，是实现固液分离的有效手段。最早出现的砂滤技术是型式的慢砂滤池，其发展已有两百年的历史，该技术通过运用物理、化学、生物的综合作用进行水质净化，其优异的水处理效果得到了广泛认同。1885年，美国学者GW.Galler研究出了混凝沉淀技术和快速过滤技术，将过滤速度从2.5m/h提高到10m/h，很大程度上提高了产水效率。

随着人们生活水平的提高，对水质的要求也越来越高，同时工业化进程的加速也给水处理带来了更多的挑战。为了满足各类工艺的需求，从传统的普通快滤池衍射出来了一系列型式的滤池。为了解决普通快滤池的阀门较多，构造复杂的难题，发明了无阀滤池、V型滤池、虹吸滤池以及移动罩滤池等；为了改变深层截污能力得不到发挥、过滤周期短和产水效率低的问题，研究者们开发了均质滤料滤池、向上流滤池、粗滤料反粒度滤池以及双层及多层滤料滤池等。

1 砂滤工艺影响因素的研究

1.1 滤池滤料级配对过滤性能的影响研究

滤层所提供的比表面积是体现滤池过滤性能的重要参数。比表面积在实际操作中体现在滤池滤料粒径（d）和滤层厚度（L）上。在进水水质相同的前提下，增大滤池滤料的粒径或者减小滤料层厚度均对滤池的过滤性能有副作用。所以，要想达到最佳的性能条件，如何进行适当的滤料级配是滤池设计中的核心问题例。

不均匀系数K₈₀是评价滤料级配的一个重要指标。K₈₀愈大，表示滤料粒径相差越大，颗粒愈不均匀，反冲洗后容易形成水力分级，小颗粒容易堆积在滤层表面，容易造成滤池阻塞。K₈₀愈接近1，滤料愈均匀，越接近理想过滤，过滤效果越好。余健等认为对于不同级配的滤料层，只要d₁₀不变，滤层所能截留的污染物是一样多的。因此可以采用d₁₀代表当量粒径，其研究了L/d₁₀取800，1000，1200，1400时对过滤性能的影响。通过对实验结果的分析，发现在工程上L/d₁₀值宜取1200～1400。

王群等研究了滤料粒径d和滤层厚度L对石英砂、无烟煤双层滤料滤柱过滤效果的影响。通过改变滤层厚度与滤料粒径，发现当其比值为1400时，滤柱的出水有很好的过滤性能，并且其对原水水质的适应性也较强。

1.2 濾料种类对过滤性能的影响研究

用于给水处理中常见的滤料类型有石英砂、无烟煤、活性炭等，其普遍的特点由于自身结构的孔隙特征能够吸附一定量的颗粒物，同时对颗粒物起到拦截作用达到除去污染的目的。部分滤料表面具有特殊的性质，能与颗粒物粒子中的物质发生化学反应。各种不同的过滤材料，由于物理化学性质不同，其应用的范围与优缺点也各部相同，具体的比较如表1所示。

1.3 针对特殊水质的滤池优化研究

针对有机物、氨氮、铁锰、藻类等污染物高的特定水质，研究者分别对各种原水特性下的过滤展开了系列研究。

冯令艳等针对低温条件下含腐植类有机物的高色度水，研究了炭砂滤池对污染物的去除效果，发现在试验进水浊度为0.10～0.27NTU、COD_Mn为1.10～1.47mg几的条件下，出水浊度小于0.10NTU、COD_Mn降为0.43～0.79mg/L，对浊度和COD_Mn的平均去除率分别为59.07%和50.61%。王永磊等以鹊山引黄水库高藻原水为研究对象，开发了炭砂双层滤料浮滤池。张长利等针对饮用水中铁锰超标的问题，将锰氧化细菌用聚乙烯醇一硼酸一戊二醛法固定在石英砂表面，制备出了一种新型生物除锰滤料。

在水温方面，大多数水厂水温一般都由原水水源来决定。地下水的水温变化比较小，通常一年内有3～5℃的变化，年平均水温保持在10～15℃。对于地表水而言水温的变化却大不相同了，冬天地表水水温低至1～2℃，而夏天地表水水温能达到30～35℃。冬天水温低，水的粘滞系数大，过滤时水头损失比夏天大。

2 关于砂滤技术应用研究

传统饮用水处理工艺主要是以去除胶体、悬浮物以及病原微生物是传统饮用水处理工艺的主要去除对象，通过“混凝-沉淀-砂滤-消毒”不仅可以改善其感官性状、毒理性指标，还可有效地消除水中传染病原菌。随着工业化进程的加快，传统的工艺对某些新型污染物的去除能力明显不足，出水的化学安全性很难得到保障。研究者们以过滤为核心，针对不同的水源污染物特征展开了大量的研究。

2.1 在去除浊度中的应用

滤池的性能优劣主要通过三个指标衡量：颗粒物去除能力、过滤周期、自耗水量及能耗。传统上，颗粒物去除能力以滤后水浊度表示。滤后水浊度越低，表明滤池的颗粒物去除能力越好。但是当浊度很低时，浊度值的大小并不能反映颗粒物的浓度。

杨至瑜采用同一待滤水的前提下，通过对比炭砂滤池与普通砂滤池对颗粒物的去除效果，检验了炭砂滤池的净水效果，并研究了炭砂滤池对颗粒物的去除特性的影响及其影响因素。研究发现相对砂滤池而言，炭砂滤池的纳污能力强，出水浊度和颗粒数效果好。

2.2 在去除氨氮和亚硝酸盐氮中的应用

目前，氨氮超标是国内地表饮用水水源中普遍存在的现象，出厂水中过多氨氮会引起饮用水生物稳定性差、耗氯量大、亚硝酸盐偏高以及嗅味等问题。如果没有处理好，出水中的氨氮含量超标，容易导致管网中亚硝化菌和硝化菌的繁殖生长，从而使管网中亚硝酸盐和硝酸盐的含量超标。针对含有有机物和氨氮的地表微污染原水，生物处理法是目前普遍采用的一种水处理方法。

吴月华等针对水中氨氮问题，对比了四种常见的滤料，筛选出了一种具有普通滤料和活性炭滤料的双重特点新型无烟煤滤料。结果发现，石英砂、无烟煤、活性无烟煤、活性炭四种滤料的浊度去除率达90%以上，出水浊度均小于0.2NTU。活性炭与活性无烟煤过滤出水氨氮去除率为94%，而石英砂和无烟煤存在出水亚硝酸盐氮浓度超标的问题。同时活性无烟煤滤料与活性炭针对有机物的去除比较相似。

2.3 在去除铁锰中的应用

铁、锰在过滤中的去除，水处理专家已经做了大量的分析和研究工作，并且将一些成熟的理论运用到了实际工程中去，取得了良好的效果。

20世纪60年代初期，李圭白院士等人将天然的锰砂成功地应用于接触氧化除铁试验，接触氧化除铁理论在70年代被确立起来，接触氧化除锰理论在随后的10年内得到了较快的发展，过滤除铁除锰理论在我国佳木斯、南宁、湛江等地得到了推广。其机理是可以简单的描述为在曝气的作用下，地下水中的铁锰形成了能被过滤截留的物质。

20世纪90年代，张杰院士等人对地下水中除铁除锰机理进行了更进一步的研究。发现铁的去除机理仍有化学氧化去除，生物氧化机理为除锰的主要机理。其催化氧化过程是在细菌表面霉的作用下完成的，最终达到去除Mn²⁺的目的。

2.4 在去除藻及嗅味物质中的应用

直接过滤和慢滤是处理低浓度含藻水和悬浮物浓度较低水的主要方式。藻类在双层滤料滤池或均质砂滤池过滤中，其去除率能达到15%～75%。而采用“预氯化-混凝-砂双层滤料”工艺，藻类去除率最高可达95%。直接过滤的方式主要适用于浊度较低的湖水，助凝剂或者灭藻剂一般应用于处理高含藻水过程中提高过滤效率，但在过滤过程中容易造成堵塞和穿透滤床。

3 砂滤技术发展趋势

对于常规工艺显得无能为力的污染物，大量的研究者选择了一系列的深度处理工艺。但这些工艺往往成本较高，可能还存在副产物生成的危险。过滤是传统处理工艺中的核心部分，对于日益严重的水质污染情况，有研究者通过各种措施来强化过滤工艺，使过滤单元的水源适应性更强，这种低成本的强化过滤技术得到了较好的推广。

3.1 改性滤料的研究

在饮用水常规处理工艺中，滤料颗粒的表面性质是决定滤池的过滤性的主要因素。石英砂、无烟煤等常规滤料由于其价格便宜、性能稳定得到了广泛应用，但这些颗粒表面常常带负电、表面吸附容量低、比表面积小、空隙率低等缺陷使滤料的适用性受到了很大的限制。在濾料颗粒表面涂上一层金属氧化物的改性技术，已逐渐成为强化过滤效果研究的热点之一。

改性滤料是通过改变滤料的表面物理化学性质来提高滤料的截污能力，从而提高出水水质。实践表明滤料改性后可以有效地增大原有滤料比表面积和吸附容量，使其在水处理中不仅可以吸附胶体和大分子有机物，还可以吸附水中小分子可溶性有机物以及重金属有毒物质，使滤料对出水水质的改善作用得到全面提升。

3.2 微絮凝强化过滤的研究

直接过滤是强化过滤方法中的一种，根据滤前水是否形成粒径分布相似絮体的特点，直接过滤可分为微絮凝过滤与接触过滤。其过滤机理基本相同，水中颗粒在滤料表面碰撞附着，最终截留在滤料表面。与常规工艺相比较其节省了沉淀单元，并且药剂投量也大大降低，常应用于微污染水处理。

范荣桂等阳针对阜新矿区的微污染矿井水采用了微絮凝直接过滤工艺进行处理，得出了较优滤速为10～14m/h，聚合氯化铝的絮凝时间和最佳投药量分别为3～4min和2～4mg/L，此时过滤周期可以达到30～40h，出水浊度和悬浮物浓度可分别降至1NTU和5mg/L以下，符合回用水标准。

3.3 生物强化过滤技术的研究

针对微污染水源水有机污染特性的一种强化过滤技术是生物强化过滤技术，它结合了传统的微生物技术与物理过滤技术。其关键技术是使传统滤池增加生物活性，从而变为生物活性快滤池。滤池中的滤料与水中的氨氮和有机物等污染物质接触发生生物作用，可以有效地去除水中的亚硝酸盐氮、有机物和氨氮。生物活性滤池主要滤料通常是无烟煤、活性炭、陶粒、石英砂等。

有研究表明生物强化过滤对去除水中有机物有较好的效果，尤其是可生物降解溶解性有机碳（BDOC）和可生物同化有机碳（AOC），去除率可达到90%以上；李德生等通过对普通滤池进行生物强化后监测对有机物的去除效果，发现COD_Mn的去除率由20%提高到40%左右；Miltner指出生物活性滤池对消毒副产物前体物也有较好的去除效果，对卤乙酸前体物和三卤甲烷前体物的去除率可分别达到75%和40%；Danielu和Lechevallier等研究发现经过生物强化过滤后水的致突变性降低了30%左右。

4 结论

过滤作为传统水厂的核心工艺，在多种水质条件下能够发挥一定作用。但是针对传统过滤出现的有机物、氨氮等污染物质去除率较低的现象，大量研究者从改变滤料表面性质、生物滤池等方面做了大量的研究。同时针对特殊微污染水源提出微絮凝过滤工艺，从一定程度上改善了过滤的水源适应性。研究者可以从微生物强化过滤和改变滤料特性两方面着手，强化过滤对多种污染物的去除。