微絮凝直接过滤技术的研究与应用进展

微絮凝直接过滤技术是省去沉淀过程而将混凝与过滤过程在滤池内同步完成的一种新型接触絮凝过滤工艺技术。　　这种直接过滤技术不仅可简化水厂处理流程，降低投资费用，减少运行费用，而且还可延长过滤周期，提高产水量及出水水质。尤其适用于水库水、湖泊水等低温低浊水质的净化处理，其净化效果比传统工艺好的多。随着水体染的日趋严重，国内外越来越多的城市以蓄积水库、湖泊作为饮用水源。微絮凝直接过滤技术随之就成为各国， 尤其是发达国家给水领域的研究热点。本文就近年来国内外对微絮凝直接过滤技术的研究与应用进展作一概略评述，并对以后的研究工作提出一些建议。

　　1国内外研究与应用现状

　　各国对微絮凝直接过滤技术的研究与应用领域主要是给水处理和废水的深度处理(脱N除P)两个方面。

　　1.1微絮凝直接过滤技术在给水处理中的研究与应用

　　自20世纪70年代至今，世界各国对直接过滤机理、滤料介质、粒径、絮凝剂的使用与投加，直接过滤技术条件参数及净化去除效果进行了大量的研究。直接过滤技术的理论研究是基于过滤机理的研究而逐渐深入进行的。yao etal提出，直接过滤中颗粒的去除效率主要取决于传输和黏附过程，悬浮颗粒大小是过滤效率和性能的最基本决定因素。

Habirth&U\’melia发现过滤中的化学条件及颗粒物脱稳与絮凝最佳条件一致，而且絮凝中有效的化学影响在过滤中也有效。90年代，北京建工学院通过对水中絮体测定其zeta电位表明，直接过滤是当絮凝体zeta电位达到最高值时进入滤层的，zeta电位降低，微粒间的吸力就开始发挥作用，当zeta电位接近0时，吸引力达到最大值，脱稳微粒相互吸附絮凝而不断被滤料截留去除。对直接过滤中絮凝剂的使用，研究报道也很多，Hctchison在中试和生产规模试验中证明了使用氯化铁作絮凝剂约为使用铝盐时的1/3，且氯化铁在有效粒径为155mm的粗粒无烟煤时，也能达到较好的效果。80年代后，有研究报告阳离子聚合物絮凝剂在絮凝时不形成氢氧化物絮状沉淀即可完成电中和，从而延长过滤周期而不会堵塞滤床，还可以使水头损失增长变慢。随着对无机高分子絮凝剂的广泛重视，聚合铝和聚合铁絮凝剂在直接过滤中的应用研究也随之开始。Dempsey、Yao、O\’Me;ia分别报道了聚合铁去除浊度、富里酸、低温、低浊时比铝盐更有效且用量少。Leromgce和Tang&Stumn［8，9］也分别报告了聚合铁对浊度去除的效果较好。

　　最近，中国科学院生态中心的栾兆坤、李桂平等研究表明［10］，聚合铝、聚合铁均适合微絮凝深床直接过滤工艺，但聚合铁比聚合铝形成絮体更快，絮体更密实，抗剪切力更好，滤池的水质周期和水头周期更长，而且达到相同的处理效果时，聚合铁的投药量和所需床深都明显低于聚合铝。　　微絮凝直接过滤技术在给水处理领域的应用很广泛。Culp报告直接过滤适用于三种

源水：(1)浊度和色度均小于25单位；(2)低浊度、色度小于或等于100色度单位；(3)低色度、浊度小于等于200NTU。

Wiesner et al使用系统分析的方法优化水处理设计，得出直接过滤最适合的源水类型：(1)出水颗粒浓度＜10mg/L，悬浮颗粒直径＜1μm；(2)出水颗粒浓度2mg/L～15mg/L，悬浮颗粒直径2μm～4μm。第一座直接过滤水处理厂是1964年在加拿大的Toronto建成的。工艺中反冲洗用水量较少，但截污能力较低。随后，在Ontario又陆续建成几个类似的处理厂，滤速为6m/h～12m/h。80年代以后，美国Los Angeles和Utah等州对源水为水库水和河水的处理厂都采用了直接过滤工艺，滤速提高为14m/h～33m/h。 　　到90年代后，直接过滤技术已成为低温、低浊水水质处理的首选技术，并且开始向大规模集成化发展。如澳大利亚悉尼市建造的目前世界规模最大的水处理厂(日处理能力300万t/d)，完全采用了深床直接过滤系统。我国也有一些直接过滤工艺应用研究的相关报道，但大部分是建立在传统滤池的结构上，局限于常规滤料(01nn～12mm)和较浅床深的研究，而相关的实际应用则更少。2001年中国科学院生态中心的栾兆坤、李桂平等［10］首次设计并建立了采用大粒径匀质滤料的中试规模的微絮凝深床直接过滤工艺，并对床深、滤料粒径等设计参数，滤速、混合强度等水力学条件及反冲洗方式进行了优化。我国有关直接过滤技术的实际工程实例很少，目前只有深圳市的几家水厂采用的是微絮凝直接过滤工艺。1.2微絮凝直接过滤技术在城市废水深度处理与回用中的研究与应用目前，微絮凝直接过滤技术在城市废水深度处理与回用中的研究与应用主要是脱氮和除磷。微絮凝直接过滤技术用于化学法除磷是始于20世纪70年代。　　L.Josson在瑞典的Henriksdal和Bromma污水处理厂的中试研究表明，微絮凝直接过滤处理工艺可将出水中PO3-4P浓度降到005mg/L以下，TP浓度降到1mg/L以下。

　　1984年，瑞士将微絮凝直接过滤技术用于城市污水深度处理的结果表明［14］，该工艺能将水中总磷含量降到005～02mg/L。微絮凝直接过滤技术用于脱氮处理最早成功的是美国chnologies Inc公司开发的Tetra深床脱氮滤池，它实际上是在普通快滤池的基础上改造的深床砂滤池。

　　目前，美国已有50多座污水处理厂采用Tetra深床脱氮工艺作为城市废水的后续深度处理脱氮单元，该工艺可将出水中NO3N降到3mg/L以下。利用深床直接过滤工艺进行同步脱氮除磷的研究是90年代以后才开始的，即将混凝除磷与反硝化脱氮集中在同一滤床中同步进行，较具代表性的是DynaSand过滤器。Hultman，Plaza等试验表明，DynaSand过滤器是一种高效同步脱氮除磷装置，可将出水中磷和氮分别降到01～02mg/L和2～3mg/L。而Lena Jonsson等研究认为

［17］，下流式间歇深床过滤工艺比Dyna Sand过滤器能耗更低，结构更简单，更适合污水处理厂的大规模应用。在我国，目前还没有微絮凝深床直接过滤同步脱氮除磷工艺的工程应用实例，相关研究报道也较少，只有中国科学院的栾兆坤、李桂平等2001年在北京水源九厂建立了实验室规模的微絮凝深床直接过滤同步脱氮除磷工艺。研究表明，该工艺对二沉池出水中氮和磷的去除率可分别达到98%和90%以上；脱氮过程和除磷过程并没有明显的相互抑制现象。

　　2今后研究工作建议

　　综合国内外的研究与应用现状，微絮凝深床直接过滤工艺在如下方面还需要进一步研究：

　　2.1微絮凝深床直接过滤机理研究及设计参数的优化在微絮凝深床直接过滤中，颗粒的去除效率取决于颗粒的传输和黏附过程［1］。因此需要发展微絮凝一直接过滤微观理论，进一步研究颗粒传输黏附的微观过程。而目前的过滤宏观理论中，过滤模型只是定性地描述化学因素对过滤的影响，还需进行更深入的量化研究。工艺中的相关水力学、化学动力学参数的优化，也要进行定量的研究。另外，目前微絮凝深床直接过滤工艺设计大多采用传统滤池的设计参数，如滤料粒径及滤料层数等，在实际运行中易出现一些问题而影响处理效果。通过实际试验来优化这些设计参数，也是需要进一步研究的问题。

　　2.2新型高效絮凝剂的选择与应用研究

　　絮凝剂的加入是影响水体化学特性的主要因素之一，絮凝剂的选择应用直接影响着微絮凝直接过滤的工艺的实际运行效果及运行费用。为充分发挥微絮凝深床直接过滤工艺的潜力，应进行新型高效絮凝剂在该工艺中的应用研究。

　　2.3同步脱氮除磷工艺的深入研究

　　对于微絮凝深床直接过滤工艺在城市废水深度处理同步脱氮除磷方面的应用及研究，国内外都刚刚开始，对于其机理和实际运行参数的研究都有待进一步深入。