硅藻土过滤（DEF）技术的研究

范瑾初 谢燕菊 高乃云
同济大学

　　摘要：通过中试试验研究，获得了硅藻土能滤除粒径为50nm以上颗粒杂质．对细菌滤除率>99.5％、病毒滤除率>85％的良好结果；得出硅藻土涂膜过滤机理主要是机械筛滤作用和吸附截留作用的结论。同时指出：硅藻土过滤滤速宜控制在l-2.5m³／h的范围，在原水中投加0.5mg／L左右的高价电解质降低颗粒表面电位：可提高工作周期，提高滤除率。同时对硅藻土过滤过程、成膜性质，过滤机理进行了全面的分析。

1 引言

　　早在1915年硅藻土预膜过滤技术就开始应用于小型水处理装置，二战期间美军开始研制并装备于野战部队，作为移动式小型净水装置供战地生活饮用水。五十年代，美国自来水协会开始系统地研究硅藻土过滤技术并在市政给水中开始应用，仅五，六十年代美国就有86家水厂，净水站采用硅藻土过滤技术，60％以上的公共游泳池采用硅藻土过滤器循环处理池水。硅藻土过滤能有效地去除胶体、细菌、病毒等。在低浊度原水直接过滤、小城镇市政给水方面的应用，也都取得了令人满意的效果。
　　本课题组历时3年，就硅藻土过滤机理，过滤方程、除快除锰技术、游泳池循环水处理、活性炭——硅藻土吸附过滤技术、硅藻土过滤器制造技术和国产硅藻土助滤剂的性能等，进行了较全面的研究。本文就硅藻土过滤理论研究成果作一介绍，旨在为国内推广应用本技术提供设计依据。

2 试验装置

　　试验在研制的一台0.2m²过滤面积的小型硅藻土过滤机上进行。预涂桶容积50L，反冲洗水箱100L，流量计1000k／h，水泵采用40m扬程、流量为1，5m³／h小型离心泵。
　　原水：①城市自来水；②自来水加高岭土；③自来水加河水(同济校园内)；④自来水加粘土；⑤滤后水加粘土，粘土(校园内)经烘干、粉碎，取200目以下部分。
　　硅藻土：采用宁波向阳染化厂提供嵊县精土，硅藻土助滤剂DElolDE203，DE401。
　　浊度采用上海自来水公司生产的GDS-3型光电式浊度计(重蒸馏水校零)测定，滤后水样的细菌总数采用0.2μm超滤膜，过滤滤膜恒温培养计数。

3 工作过程

　　硅藻土过滤系统见图1。硅藻土过滤工作过程由预涂、过滤和反冲洗三阶段构成。预涂是指在DEF器的滤元表面形成2～3mm厚的硅藻土过滤膜的过程。用水泵将预涂桶中配好的硅藻土浆液泵入过滤器，部分硅藻土被截留在滤元骨架上，部分硅藻土随水回到预涂桶，随着硅藻土在滤元表面逐渐架桥形成滤膜，后续预涂液中的硅藻土被滤膜不断截留，大约经5～10min的循环，出水清澈(浊度约为0)，即预涂完成。切换阀门进入过滤阶段，随着过滤运行原水中的悬浮杂质、胶体颗粒、细菌、病毒以及大分子有机物被滤料截留，水流通过滤膜层的水头损失也同时提高，当水头损失达到某预定极限值时停止过滤，进行反冲洗。冲洗方法有反向水流冲洗、反向水流加空气助冲、喷射流冲洗和空气撞击反冲洗四种，一般以8～10/s.m²冲洗强度，历时1～2rain即可冲洗干净，冲洗水量约占过滤水量的1～2％左右。滤元形式往往影响冲洗效果，易于预涂的，滤膜不易脱落，冲洗困难，反之亦然。本课题组研制的滤元经三年试验证明，既易预涂又易反冲洗，已在宁海游泳馆开始使用。

4 结果分析和讨论

4.1 滤膜的形成
　　试验显示：DEF器滤元上的预涂膜是均匀等厚滤层，这是由预涂方式所决定的。滤元骨架的孔隙较硅藻土尺寸大，当硅藻土浆液加压通过滤元骨架时，由于架桥作用，部分硅藻土被涂上，接着水中硅藻土被架桥的硅藻土所截留，形成滤膜。由于时差使形成的滤膜产生厚薄，较厚的阻力大于较薄的滤膜，使后续的预涂浆更多地通过较薄处，由成膜时差而产生的厚薄则被后来的流量分配所弥补。况且，成膜时差远小于预涂膜时间，所以预涂层厚度均匀。预涂时一旦架桥成膜，后来的硅藻土将完全截留，所以在滤膜厚度范围内，粒度分布是混杂均匀的。

　　图2所示的是试验预涂膜厚度断面的电镜照片，显示硅藻土滤膜是大小颗粒混杂均布的。试验发现，预涂液中混有部分较大粒径的硅藻土有利于预涂，且粒径越大预涂越快。如果完全用粒度在10μm以下的硅藻土预涂是很困难的，因为滤元骨架尺寸较硅藻土尺寸大，如果要涂上需通过架桥作用，所以预涂液需含一定量大粒度的硅藻土。
4.2　 DEF能去除的最小颗粒
　　长期试验结果显示，硅藻土过滤水可以达到完全清澈透明，其透光度可以与重蒸蒸馏水相比；细菌的滤除率高达99.5％以上，病毒滤除率可达85％以上；自来水经DEF后，COD和TOC的滤除率在10％左右。据此，可以推论：DEF能去除50nm以上的杂质颗粒，当然这与预涂剂的粒度、预涂膜的厚度有关。
　　对此，首先从滤除浊度上，众所周知浊度是由水中各种性质及不同大小的悬浮和胶体杂质对光线的散射作用而产生的。在分散体系中，粒度在1～l00nm范围内的分散系属胶体系，粒度>l00nm的属粗分散系，相应的分散体被称为胶体和悬浮体。依据滤后水检测不出浊度这一现象，完全可以认为大部分胶体和悬浮体被滤除；其次，DEF对细菌和病毒的高滤除率。
　　同样说明，DEF能滤除的最小颗粒粒径小于细菌尺寸，且在病毒尺寸范围内(10～800nm)的某个尺寸，综上分析可得出50nm的最小滤除尺寸。需要强调，这一结论应理解为DEF能滤除大多数50nm以上杂质，而并不是完全滤除，其原因后述。

4.3 DEF机理
　　以滤元微小单位(见图3)分析，如前述滤膜在整个厚度范围可近似认为均匀滤料层，国产常用硅藻土助滤剂平均粒径为5～20p．m，图2是用平均粒径为7μm的颗粒直链藻形成的滤膜，其孔隙尺寸在1.5μm左右。而DEF能滤除50nm一]000nm之间微小颗粒，其过滤机理主要有机械筛滤作用和吸附截留作用。机械筛滤作用是当某些较大粒径的颗粒通过滤膜的窄缝被阻截，使孔隙缝道逐渐变小，于是后续细小颗粒杂质即相继被截留。

　　DEF能截留的nm级杂质颗粒随水流在滤膜中曲折流动时，在布朗运动作用下杂质与硅藻土碰撞、接触，然而发生吸附的决定因素是它们间的多分子范德华力和静电排斥力。硅藻土主要化学成份是一种含无定形厶Al₂O₃、Fe₂O₃、SiO₂，除SiO₂等电点为2.5外(见表1)，其余氧化物的等电点均>7(即在pH7时，表面带正电荷)，所以硅藻之中20％左右的表面带正电荷。这部分对带点电的颗粒具有范德华力和静电引力，如果碰撞即会发生吸附而被截留。占80％的由无定形SiO₂所构成的，表面通常显负电性，是否发生吸附主要视其表面电动电位。研究证实，电动电位降低到15-10mV时，就会发生吸附(凝聚)。图4、5是无定形二氧化硅的ζ电位随pH值和K^＋、Ba^2＋浓度的影响曲线。图示说明，如果水中含有一定量的电解质、高价电解质，完全可以实现降低其表面电位发生吸附截留。试验证明，在原水中投加微量混凝剂(约0.5mg／L)有助于提高过滤效率。

4.4 DEF技术的过滤特性
　　硅藻土滤膜截留杂质规律与昔通砂滤池一样，在杂质微粒被硅藻土截留的同时，水流冲刷可使它脱落，又可能被内层硅藻土所截留，也有随水流通过极少数的大孔隙而耒被去除的可能。因此，50nm以上的颗粒，DEF滤除率不能达到100％。
　　原水水质对硅藻土过滤周期有很大影响，尤其是原水中粒径在0．5～1．2pm间的杂质，因为这类颗粒会很快堵塞硅藻土间的孔道，使水头损失迅速上升。试验时曾发现过滤2NTU左右自来水的工作周期，要比同样的自来水加20mg／L200目以下的粘土时工作周期要短得多。这主要是泥土颗粒粒径较大，起了附加剂作用的缘故。
　　预涂层硅藻土的型号和滤膜厚度，对过滤特性有很大影响。采用较粗的硅藻土作预涂层时，工作周期要比采用细粒径的硅藻土要长得多。当然，粗粒度的出水也有少量浊度穿透。如果采用大剂量粗粒度硅藻土作预涂剂时，也可能达到完全滤出浊度的效果。
　　由硅藻土过滤机理可知，滤膜滤除能力与杂质颗粒的表面<电位有关。所以，在原水中投加微量的高价电解质，有利于病毒等微小杂质的滤除，同时使工作周期明显提高。然而，一旦混凝剂投加稍过量，使原水发生明显絮凝现象时，过滤周期又会缩短，这是由于絮凝体受到压缩而堵塞滤膜表面孔道的缘故。

5 结论

　　① 硅藻土过滤是一种涂膜过滤技术，可适用于过滤精度要求高，且原水水质较好的场合。
　　② 硅藻土过滤能滤除50nm以上颗粒采用适当的预涂剂对细菌的滤除率可>99.5％，对病毒的滤除率>85％。
　　③ 硅藻土的过滤机理是筛滤作用和吸附截留作用。
　　④ 投加少量混凝剂可明显降低水头损失速度，增加过滤周期。
　　⑤ 通常原水中含50pm以上颗粒，有利于提高滤膜截留含污能力，有助于延长过滤周期。
　　⑥　 硅藻土涂膜过滤滤速宜控制在1～2.5m／h范围。

6 参考资料

略（见期刊原文）