高乃云 范瑾初 謝燕菊 盂建平
(同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院)

　　硅藻土（ Diatomaceous Eerth ，簡稱 DE ）是若干萬年以前的一種稱作硅藻的單細胞水生植物的骨骼殘核。當硅藻死亡時，其骨骼沉積下來，沉到海底或湖底，形成硅藻土礦床。
　　根據(jù)地質(zhì)部海洋地質(zhì)研究所的研究，我國硅藻土硅藻種屬比較簡單，除少數(shù)地區(qū)外， 90% 以上都是中心綱圓篩藻科直鏈藻屬、圓篩藻屬、小環(huán)藻屬和冠盤藻屬。直鏈藻屬是主要的淡水浮游硅藻之一，圓篩藻和直鏈藻見圖 1 。

　　普通硅藻土的分子式為 SiO 2 · nH 2 O ，其主要海峽成分是 SiO 2 ，占 64.8-92.6 ％， SiO 2 的含量越高，硅藻土的質(zhì)量越好。其次是 Al 2 O 3 、 Fe 2 O 3 、 CaO 、 MgO 等。硅藻土顆粒粒徑很小，一般粗粒型為 20 － 40 μ，細粒型為 10 － 20 μ。最小的只有 1 μ，在顯微鏡下才能看見。硅藻土具有極強的吸水性，它能吸收本身重 1.5 － 4.5 倍的水。這是因為硅藻土有無數(shù)小孔和復(fù)孔，其孔隙率一般為 75-85 ％，輕質(zhì)，比表面積大。硅藻土耐酸、耐熱、耐磨，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒性
　　硅藻土經(jīng)干燥、粉碎、篩選、配料、鍛燒（ 800 -1000 ℃ ）等一系列加工（即物理化學(xué)處理后），除去其內(nèi)部的各種雜質(zhì)，即成為硅藻土助濾劑。
　　國外對硅藻土資源的認識和開發(fā)始于 19 世紀， 1986 年德國海德爾（ Heddle ）等人獲得了用硅藻土作過濾介質(zhì)的第一個專利，于是德國成了世界上第一個生產(chǎn)硅藻土助濾劑的國家。
　　現(xiàn)在國外用硅藻土作原料加工的產(chǎn)品已達 500 多種，其中助濾劑達 150 余種。且助濾劑在整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中所占的比重有逐年增長的趨勢。
　　世界硅藻土的主要生產(chǎn)國有美國（占 40 ％）、原蘇聯(lián)（占 18 ％）、丹麥（占 12 ％）、法（占 13 ％）國，還有阿爾及利亞、墨西哥及德國等，這七個國家的總產(chǎn)量約占世界目前總產(chǎn)量的 90% 以上。助濾劑的主要生產(chǎn)國和輸出國為美國、德國及法國。
　　據(jù)報道，世界硅藻土制品總產(chǎn)量已超過 200 萬噸，其中助濾劑的產(chǎn)量達 130 余萬噸，并正以 3-3.5 ％的年平均增長率不斷增長。
　　我國硅藻土資源的開發(fā)和研究均遠遠落后于世界先進國家。1935 年，我國首次發(fā)現(xiàn)硅藻土，這是地質(zhì)學(xué)家楊鐘健先生前往山東山旺考察新生代地層，采集化石標本時發(fā)現(xiàn)的。從三十年代至五十年代，是我國對硅藻土資源開始認識階段，主要局限于古生物學(xué)和地學(xué)范疇，多屬描述性質(zhì)的定性研究。六十年代及七十年代，是我國硅藻土助濾劑生產(chǎn)的初級階段。寧波、上海、長白三廠相繼生產(chǎn)助濾劑，主要使用單位局限于醫(yī)藥行業(yè)及少數(shù)企業(yè)，如上海石化總廠。八十年代，是我國硅藻土助濾劑生產(chǎn)和科研開始起步和迅速發(fā)展的階段，我國啤酒、白酒、果酒及飲料工業(yè)發(fā)展很快，正在大量采用硅藻土過濾。據(jù)悉，全國已探明硅藻土儲量大約 1.3 億噸，估算遠景儲量超過 10 億噸，其中云南可能超過 6 億噸，浙江超過 2 億噸。全國硅藻土資源主要集中在云南、浙江、吉林三省，同時已在山東、黑龍江、湖北、河北、安徽、江西、廣東、四川和西藏等省區(qū)亦發(fā)現(xiàn)硅藻土礦產(chǎn)。
　　1987 年，全國助濾劑的實際生產(chǎn)總量約 2000 － 2300 噸，均用于啤酒、白酒、飲料和某些油類過濾，但在水處理方面未得到應(yīng)用。 60 年代，同濟大學(xué)曾進行過硅藻土過濾水研究，但因故中斷。 1990 年開始，同濟大學(xué)與法國利安水務(wù)公司合作，系統(tǒng)地進行了硅藻土用于水處理的研究。
　　 硅藻土過濾系統(tǒng)和工藝操作 用于水過濾的硅藻土過濾器分為壓力式和真空式以及往復(fù)式三種，其中壓力式使用最為廣泛，見圖 2 。
　　硅藻土過濾工藝較一般砂濾，除過濾與反沖洗階段以外，還多一個預(yù)涂環(huán)節(jié)，即濾膜形成階段。
1.預(yù)涂

　　將事先在預(yù)涂桶內(nèi)配好的一定濃度的硅藻土漿液打入過濾器內(nèi)，經(jīng)反復(fù)循環(huán) 10 － 15min ，直到循環(huán)液清徹透明并達到濁度要求為止。液體流速要大于過濾器濾速，以免硅藻土在預(yù)涂過程中因流速太小而沉積在管道中，影響過濾出水水質(zhì)。每平方米過濾面積可預(yù)涂 500 － 1000 克 硅藻土，經(jīng)預(yù)涂可形成約 1 － 2mm 厚的預(yù)涂膜。所采用硅藻土的品種、規(guī)格、主要取決于原水水質(zhì)、濾后水水質(zhì)要求及過濾過程中水頭損失增長速度。
2. 過濾
　　預(yù)涂結(jié)束后，即進行過濾，為了減緩過濾過程中的水頭損失的增長速度，往往還需要投加適量的硅藻土至原水中，稱作附加劑。
附加劑投入水中，與水中的懸浮物和膠體粒子均勻混合后沉積在預(yù)涂層或濾餅的表面，連續(xù)地形成新的濾面，使濾餅始終保持了良好的濾過性。微細的硅藻土顆粒既具有捕獲液體中懸浮雜質(zhì)的能力，又允許液體通過類似迷宮的微孔孔道，見圖 3 。當原水中含懸浮物和膠體物質(zhì)較少時，過濾過程中可不必投加附加劑。
　　 當一個過濾周期結(jié)束，即水頭損失達到期終允許值時，實際上硅藻土往往并沒有得到充分利用，特別是在自來水精濾過程中，一個過濾周期結(jié)束（如水頭損失達到 13 － 14 米 左右），濾餅中含有硅藻土（預(yù)涂劑和附加劑）與雜質(zhì)顆粒，為了充分利用硅藻土，

　　再重新開始一個過濾周期，這種做法叫硅藻土的重復(fù)利用。即當一個過濾周期結(jié)束時，先將過濾器進、出水閘門關(guān)上，保持濾器內(nèi)具有一定壓力，防止濾餅脫落過多，在過濾時應(yīng)先循環(huán) 15 分鐘左右，當水質(zhì)達到要求后再進行過濾，并繼續(xù)投加附加劑。也可以采用另一種方法，將濾餅倒流入預(yù)涂桶中，然后用此漿液再進行預(yù)涂，重新開始一個過濾周期。
　　一般情況下，水泵重新開啟，開始一個新的周期，往往起始水頭損失一次比一次高，但在過濾過程中，水頭損失的增長速度隨著重復(fù)利用次數(shù)的增加，一次比一次緩慢。在保證濾后水水質(zhì)的前提下，一般硅藻土濾餅可重復(fù)利用的次數(shù)與原水水質(zhì)有關(guān)。對于濁度較低的原水，曲濾餅重復(fù)利用的次數(shù)可達 6-7 次，圖 4 所示的曲線為濾餅重復(fù)利用 6 次，每次過濾過程中時間與水頭損失的關(guān)系曲線。
　　操作過程中，若萬一發(fā)現(xiàn)澄清度達不到標準時，可先打開循環(huán)閘門，關(guān)團出水閥門，將含有硅藻土和雜質(zhì)的濾餅再作循環(huán)預(yù)涂，待濾液清徹透明，符合標準時，即可轉(zhuǎn)入正常過濾。
3 ．反沖洗
　　當起始水頭損失值較大或過濾過程中水頭損失增長很快時，需進行反沖洗。常用的反沖洗方式是反向水流沖洗法，一般以 8 — 10L /s.m 2 沖洗強度，僅 2min 左右，即可沖洗干凈。實缺踐證明，沖洗務(wù)必徹底、干凈，否則將影響下一周期的過濾。

二、硅藻土過濾機理

　　硅藻土贊助濾劑是一種用來提高濾速、改善澄清度的過濾材料，它有獨特的孔結(jié)構(gòu)和顆粒分布范圍，能在一定的濾速范圍內(nèi)濾除最細小的懸浮固體，甚至可以濾除 1 — 0.1 μ的雜質(zhì)顆粒。由于硅藻土助濾劑能形成堅固的格子結(jié)構(gòu)型濾餅，從而保持了良好的滲透性。
　　 這種濾餅結(jié)構(gòu)能使穿過濾餅的水中的細小顆粒和膠體雜質(zhì)被截留在格子骨架上，使水流通過的曲折溝道流出。硅藻土過濾可以除濁、除菌、除鐵、除錳、脫色等，歸結(jié)起來，作用機理有以下三種：

1. 篩分作用
　　當水流流經(jīng)過濾介質(zhì)時，粒徑大于過濾介質(zhì)時孔隙的雜質(zhì)顆粒被截留下來的作用叫篩分作用，篩分作用往往在濾餅表面發(fā)生，篩分作用在硅藻土過濾中占主要地位。
2. 阻留作用
　　此種作用也叫深層過濾和深度效應(yīng)，其分離過程只發(fā)生在過濾介質(zhì)內(nèi)部。苯酚穿過濾餅表面的較小的雜質(zhì)粒子，被過濾介質(zhì)內(nèi)部深而曲折的微孔溝道和濾餅內(nèi)部更小的孔隙所阻留，故成為阻留作用。
3. 吸附作用
　　某些硅藻土過濾介質(zhì)內(nèi)部孔隙還小的顆粒，碰撞在多孔材料內(nèi)部表面上，并被相反電荷所吸引。還有一種是粒子間的相互吸引所形成鏈團而粘附在過濾介質(zhì)上，稱為吸附作用，此種靜電捕獲作用比前兩種較為復(fù)雜。
　　 從以上三種作用看，給水過濾中采用硅藻土助濾劑作為過濾介質(zhì)，主要的目的是將水中的懸浮固體和膠體雜質(zhì)顆粒截留在介質(zhì)的表面及孔道中，以使固液達到分離。

三、投加化學(xué)藥劑的作用

　　硅藻土過濾中，水頭損失 h 、濾速 v 、過濾周期 T 、附加劑量 a 及原水水質(zhì) c 是影響過濾效果的幾個主要因素，且相互聯(lián)系。對于待定的原水，在保證水質(zhì)的前提，濾速高，過濾周期長是硅藻土過濾技術(shù)研究的關(guān)鍵。
　　按傳統(tǒng)的硅藻土過濾，一般只在原水中投加附加劑，不投加任何化學(xué)藥劑，在已有資料報道中，雖然也提到過在預(yù)涂層中可投加適量混凝劑但缺乏詳細技術(shù)資料報導(dǎo)，更缺乏投加化學(xué)藥劑的經(jīng)濟效果報導(dǎo)，我們做了以下三種過濾試驗。
　　在預(yù)涂劑中投加 Al 2 (SO 4 ) 3

　　表 1. 所示的試驗記錄，即在預(yù)涂漿液中投加 Al 2 (SO 4 ) 3 ，其效果對應(yīng)圖 5 中的曲線。

出　　自： 《上海市給水排水技術(shù)情報網(wǎng)第三屆年會論文集》，年10月（注：本文被評為上海市給水排水技術(shù)情報網(wǎng)第三屆年會優(yōu)秀論文二等獎）。
發(fā)表時間 ： 1993-10