范瑾初 謝燕菊 高乃云
同濟(jì)大學(xué)

　　摘要：通過(guò)中試試驗(yàn)研究，獲得了硅藻土能濾除粒徑為50nm以上顆粒雜質(zhì)．對(duì)細(xì)菌濾除率>99.5％、病毒濾除率>85％的良好結(jié)果；得出硅藻土涂膜過(guò)濾機(jī)理主要是機(jī)械篩濾作用和吸附截留作用的結(jié)論。同時(shí)指出：硅藻土過(guò)濾濾速宜控制在l-2.5m³／h的范圍，在原水中投加0.5mg／L左右的高價(jià)電解質(zhì)降低顆粒表面電位：可提高工作周期，提高濾除率。同時(shí)對(duì)硅藻土過(guò)濾過(guò)程、成膜性質(zhì)，過(guò)濾機(jī)理進(jìn)行了全面的分析。

1 引言

　　早在1915年硅藻土預(yù)膜過(guò)濾技術(shù)就開(kāi)始應(yīng)用于小型水處理裝置，二戰(zhàn)期間美軍開(kāi)始研制并裝備于野戰(zhàn)部隊(duì)，作為移動(dòng)式小型凈水裝置供戰(zhàn)地生活飲用水。五十年代，美國(guó)自來(lái)水協(xié)會(huì)開(kāi)始系統(tǒng)地研究硅藻土過(guò)濾技術(shù)并在市政給水中開(kāi)始應(yīng)用，僅五，六十年代美國(guó)就有86家水廠，凈水站采用硅藻土過(guò)濾技術(shù)，60％以上的公共游泳池采用硅藻土過(guò)濾器循環(huán)處理池水。硅藻土過(guò)濾能有效地去除膠體、細(xì)菌、病毒等。在低濁度原水直接過(guò)濾、小城鎮(zhèn)市政給水方面的應(yīng)用，也都取得了令人滿意的效果。
　　本課題組歷時(shí)3年，就硅藻土過(guò)濾機(jī)理，過(guò)濾方程、除快除錳技術(shù)、游泳池循環(huán)水處理、活性炭——硅藻土吸附過(guò)濾技術(shù)、硅藻土過(guò)濾器制造技術(shù)和國(guó)產(chǎn)硅藻土助濾劑的性能等，進(jìn)行了較全面的研究。本文就硅藻土過(guò)濾理論研究成果作一介紹，旨在為國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用本技術(shù)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 試驗(yàn)裝置

　　試驗(yàn)在研制的一臺(tái)0.2m²過(guò)濾面積的小型硅藻土過(guò)濾機(jī)上進(jìn)行。預(yù)涂桶容積50L，反沖洗水箱100L，流量計(jì)1000k／h，水泵采用40m揚(yáng)程、流量為1，5m³／h小型離心泵。
　　原水：①城市自來(lái)水；②自來(lái)水加高嶺土；③自來(lái)水加河水(同濟(jì)校園內(nèi))；④自來(lái)水加粘土；⑤濾后水加粘土，粘土(校園內(nèi))經(jīng)烘干、粉碎，取200目以下部分。
　　硅藻土：采用寧波向陽(yáng)染化廠提供嵊縣精土，硅藻土助濾劑DElolDE203，DE401。
　　濁度采用上海自來(lái)水公司生產(chǎn)的GDS-3型光電式濁度計(jì)(重蒸餾水校零)測(cè)定，濾后水樣的細(xì)菌總數(shù)采用0.2μm超濾膜，過(guò)濾濾膜恒溫培養(yǎng)計(jì)數(shù)。

3 工作過(guò)程

　　硅藻土過(guò)濾系統(tǒng)見(jiàn)圖1。硅藻土過(guò)濾工作過(guò)程由預(yù)涂、過(guò)濾和反沖洗三階段構(gòu)成。預(yù)涂是指在DEF器的濾元表面形成2～3mm厚的硅藻土過(guò)濾膜的過(guò)程。用水泵將預(yù)涂桶中配好的硅藻土漿液泵入過(guò)濾器，部分硅藻土被截留在濾元骨架上，部分硅藻土隨水回到預(yù)涂桶，隨著硅藻土在濾元表面逐漸架橋形成濾膜，后續(xù)預(yù)涂液中的硅藻土被濾膜不斷截留，大約經(jīng)5～10min的循環(huán)，出水清澈(濁度約為0)，即預(yù)涂完成。切換閥門進(jìn)入過(guò)濾階段，隨著過(guò)濾運(yùn)行原水中的懸浮雜質(zhì)、膠體顆粒、細(xì)菌、病毒以及大分子有機(jī)物被濾料截留，水流通過(guò)濾膜層的水頭損失也同時(shí)提高，當(dāng)水頭損失達(dá)到某預(yù)定極限值時(shí)停止過(guò)濾，進(jìn)行反沖洗。沖洗方法有反向水流沖洗、反向水流加空氣助沖、噴射流沖洗和空氣撞擊反沖洗四種，一般以8～10/s.m²沖洗強(qiáng)度，歷時(shí)1～2rain即可沖洗干凈，沖洗水量約占過(guò)濾水量的1～2％左右。濾元形式往往影響沖洗效果，易于預(yù)涂的，濾膜不易脫落，沖洗困難，反之亦然。本課題組研制的濾元經(jīng)三年試驗(yàn)證明，既易預(yù)涂又易反沖洗，已在寧海游泳館開(kāi)始使用。

4 結(jié)果分析和討論

4.1 濾膜的形成
　　試驗(yàn)顯示：DEF器濾元上的預(yù)涂膜是均勻等厚濾層，這是由預(yù)涂方式所決定的。濾元骨架的孔隙較硅藻土尺寸大，當(dāng)硅藻土漿液加壓通過(guò)濾元骨架時(shí)，由于架橋作用，部分硅藻土被涂上，接著水中硅藻土被架橋的硅藻土所截留，形成濾膜。由于時(shí)差使形成的濾膜產(chǎn)生厚薄，較厚的阻力大于較薄的濾膜，使后續(xù)的預(yù)涂漿更多地通過(guò)較薄處，由成膜時(shí)差而產(chǎn)生的厚薄則被后來(lái)的流量分配所彌補(bǔ)。況且，成膜時(shí)差遠(yuǎn)小于預(yù)涂膜時(shí)間，所以預(yù)涂層厚度均勻。預(yù)涂時(shí)一旦架橋成膜，后來(lái)的硅藻土將完全截留，所以在濾膜厚度范圍內(nèi)，粒度分布是混雜均勻的。

　　圖2所示的是試驗(yàn)預(yù)涂膜厚度斷面的電鏡照片，顯示硅藻土濾膜是大小顆?；祀s均布的。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，預(yù)涂液中混有部分較大粒徑的硅藻土有利于預(yù)涂，且粒徑越大預(yù)涂越快。如果完全用粒度在10μm以下的硅藻土預(yù)涂是很困難的，因?yàn)闉V元骨架尺寸較硅藻土尺寸大，如果要涂上需通過(guò)架橋作用，所以預(yù)涂液需含一定量大粒度的硅藻土。
4.2　 DEF能去除的最小顆粒
　　長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果顯示，硅藻土過(guò)濾水可以達(dá)到完全清澈透明，其透光度可以與重蒸蒸餾水相比；細(xì)菌的濾除率高達(dá)99.5％以上，病毒濾除率可達(dá)85％以上；自來(lái)水經(jīng)DEF后，COD和TOC的濾除率在10％左右。據(jù)此，可以推論：DEF能去除50nm以上的雜質(zhì)顆粒，當(dāng)然這與預(yù)涂劑的粒度、預(yù)涂膜的厚度有關(guān)。
　　對(duì)此，首先從濾除濁度上，眾所周知濁度是由水中各種性質(zhì)及不同大小的懸浮和膠體雜質(zhì)對(duì)光線的散射作用而產(chǎn)生的。在分散體系中，粒度在1～l00nm范圍內(nèi)的分散系屬膠體系，粒度>l00nm的屬粗分散系，相應(yīng)的分散體被稱為膠體和懸浮體。依據(jù)濾后水檢測(cè)不出濁度這一現(xiàn)象，完全可以認(rèn)為大部分膠體和懸浮體被濾除；其次，DEF對(duì)細(xì)菌和病毒的高濾除率。
　　同樣說(shuō)明，DEF能濾除的最小顆粒粒徑小于細(xì)菌尺寸，且在病毒尺寸范圍內(nèi)(10～800nm)的某個(gè)尺寸，綜上分析可得出50nm的最小濾除尺寸。需要強(qiáng)調(diào)，這一結(jié)論應(yīng)理解為DEF能濾除大多數(shù)50nm以上雜質(zhì)，而并不是完全濾除，其原因后述。

4.3 DEF機(jī)理
　　以濾元微小單位(見(jiàn)圖3)分析，如前述濾膜在整個(gè)厚度范圍可近似認(rèn)為均勻?yàn)V料層，國(guó)產(chǎn)常用硅藻土助濾劑平均粒徑為5～20p．m，圖2是用平均粒徑為7μm的顆粒直鏈藻形成的濾膜，其孔隙尺寸在1.5μm左右。而DEF能濾除50nm一]000nm之間微小顆粒，其過(guò)濾機(jī)理主要有機(jī)械篩濾作用和吸附截留作用。機(jī)械篩濾作用是當(dāng)某些較大粒徑的顆粒通過(guò)濾膜的窄縫被阻截，使孔隙縫道逐漸變小，于是后續(xù)細(xì)小顆粒雜質(zhì)即相繼被截留。

　　DEF能截留的nm級(jí)雜質(zhì)顆粒隨水流在濾膜中曲折流動(dòng)時(shí)，在布朗運(yùn)動(dòng)作用下雜質(zhì)與硅藻土碰撞、接觸，然而發(fā)生吸附的決定因素是它們間的多分子范德華力和靜電排斥力。硅藻土主要化學(xué)成份是一種含無(wú)定形厶Al₂O₃、Fe₂O₃、SiO₂，除SiO₂等電點(diǎn)為2.5外(見(jiàn)表1)，其余氧化物的等電點(diǎn)均>7(即在pH7時(shí)，表面帶正電荷)，所以硅藻之中20％左右的表面帶正電荷。這部分對(duì)帶點(diǎn)電的顆粒具有范德華力和靜電引力，如果碰撞即會(huì)發(fā)生吸附而被截留。占80％的由無(wú)定形SiO₂所構(gòu)成的，表面通常顯負(fù)電性，是否發(fā)生吸附主要視其表面電動(dòng)電位。研究證實(shí)，電動(dòng)電位降低到15-10mV時(shí)，就會(huì)發(fā)生吸附(凝聚)。圖4、5是無(wú)定形二氧化硅的ζ電位隨pH值和K^＋、Ba^2＋濃度的影響曲線。圖示說(shuō)明，如果水中含有一定量的電解質(zhì)、高價(jià)電解質(zhì)，完全可以實(shí)現(xiàn)降低其表面電位發(fā)生吸附截留。試驗(yàn)證明，在原水中投加微量混凝劑(約0.5mg／L)有助于提高過(guò)濾效率。

4.4 DEF技術(shù)的過(guò)濾特性
　　硅藻土濾膜截留雜質(zhì)規(guī)律與昔通砂濾池一樣，在雜質(zhì)微粒被硅藻土截留的同時(shí)，水流沖刷可使它脫落，又可能被內(nèi)層硅藻土所截留，也有隨水流通過(guò)極少數(shù)的大孔隙而耒被去除的可能。因此，50nm以上的顆粒，DEF濾除率不能達(dá)到100％。
　　原水水質(zhì)對(duì)硅藻土過(guò)濾周期有很大影響，尤其是原水中粒徑在0．5～1．2pm間的雜質(zhì)，因?yàn)檫@類顆粒會(huì)很快堵塞硅藻土間的孔道，使水頭損失迅速上升。試驗(yàn)時(shí)曾發(fā)現(xiàn)過(guò)濾2NTU左右自來(lái)水的工作周期，要比同樣的自來(lái)水加20mg／L200目以下的粘土?xí)r工作周期要短得多。這主要是泥土顆粒粒徑較大，起了附加劑作用的緣故。
　　預(yù)涂層硅藻土的型號(hào)和濾膜厚度，對(duì)過(guò)濾特性有很大影響。采用較粗的硅藻土作預(yù)涂層時(shí)，工作周期要比采用細(xì)粒徑的硅藻土要長(zhǎng)得多。當(dāng)然，粗粒度的出水也有少量濁度穿透。如果采用大劑量粗粒度硅藻土作預(yù)涂劑時(shí)，也可能達(dá)到完全濾出濁度的效果。
　　由硅藻土過(guò)濾機(jī)理可知，濾膜濾除能力與雜質(zhì)顆粒的表面<電位有關(guān)。所以，在原水中投加微量的高價(jià)電解質(zhì)，有利于病毒等微小雜質(zhì)的濾除，同時(shí)使工作周期明顯提高。然而，一旦混凝劑投加稍過(guò)量，使原水發(fā)生明顯絮凝現(xiàn)象時(shí)，過(guò)濾周期又會(huì)縮短，這是由于絮凝體受到壓縮而堵塞濾膜表面孔道的緣故。

5 結(jié)論

　?、?硅藻土過(guò)濾是一種涂膜過(guò)濾技術(shù)，可適用于過(guò)濾精度要求高，且原水水質(zhì)較好的場(chǎng)合。
　?、?硅藻土過(guò)濾能濾除50nm以上顆粒采用適當(dāng)?shù)念A(yù)涂劑對(duì)細(xì)菌的濾除率可>99.5％，對(duì)病毒的濾除率>85％。
　?、?硅藻土的過(guò)濾機(jī)理是篩濾作用和吸附截留作用。
　?、?投加少量混凝劑可明顯降低水頭損失速度，增加過(guò)濾周期。
　?、?通常原水中含50pm以上顆粒，有利于提高濾膜截留含污能力，有助于延長(zhǎng)過(guò)濾周期。
　?、蕖?硅藻土涂膜過(guò)濾濾速宜控制在1～2.5m／h范圍。

6 參考資料

略（見(jiàn)期刊原文）