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摘要：通過中試試驗研究，獲得了硅藻土能濾除粒徑為50nm以上顆粒雜質．對細菌濾除率>99.5％、病毒濾除率>85％的良好結果；得出硅藻土涂膜過濾機理主要是機械篩濾作用和吸附截留作用的結論。同時指出：硅藻土過濾濾速宜控制在l-2.5m3／h的范圍，在原水中投加0.5mg／L左右的高價電解質降低顆粒表面電位：可提高工作周期，提高濾除率。同時對硅藻土過濾過程、成膜性質，過濾機理進行了全面的分析。
1 引言
早在1915年硅藻土預膜過濾技術就開始應用于小型水處理裝置，二戰期間美軍開始研制并裝備于野戰部隊，作為移動式小型凈水裝置供戰地生活飲用水。五十年代，美國自來水協會開始系統地研究硅藻土過濾技術并在市政給水中開始應用，僅五，六十年代美國就有86家水廠，凈水站采用硅藻土過濾技術，60％以上的公共游泳池采用硅藻土過濾器循環處理池水。硅藻土過濾能有效地去除膠體、細菌、病毒等。在低濁度原水直接過濾、小城鎮市政給水方面的應用，也都取得了令人滿意的效果。
本課題組歷時3年，就硅藻土過濾機理，過濾方程、除快除錳技術、游泳池循環水處理、活性炭——硅藻土吸附過濾技術、硅藻土過濾器制造技術和國產硅藻土助濾劑的性能等，進行了較全面的研究。本文就硅藻土過濾理論研究成果作一介紹，旨在為國內推廣應用本技術提供設計依據。
2 試驗裝置
試驗在研制的一臺0.2m2過濾面積的小型硅藻土過濾機上進行。預涂桶容積50L，反沖洗水箱100L，流量計1000k／h，水泵采用40m揚程、流量為1，5m3／h小型離心泵。
原水：①城市自來水；②自來水加高嶺土；③自來水加河水(同濟校園內)；④自來水加粘土；⑤濾后水加粘土，粘土(校園內)經烘干、粉碎，取200目以下部分。
硅藻土：采用寧波向陽染化廠提供嵊縣精土，硅藻土助濾劑DElolDE203，DE401。
濁度采用上海自來水公司生產的GDS-3型光電式濁度計(重蒸餾水校零)測定，濾后水樣的細菌總數采用0.2μm超濾膜，過濾濾膜恒溫培養計數。
3 工作過程
硅藻土過濾系統見圖1。硅藻土過濾工作過程由預涂、過濾和反沖洗三階段構成。預涂是指在DEF器的濾元表面形成2～3mm厚的硅藻土過濾膜的過程。用水泵將預涂桶中配好的硅藻土漿液泵入過濾器，部分硅藻土被截留在濾元骨架上，部分硅藻土隨水回到預涂桶，隨著硅藻土在濾元表面逐漸架橋形成濾膜，后續預涂液中的硅藻土被濾膜不斷截留，大約經5～10min的循環，出水清澈(濁度約為0)，即預涂完成。切換閥門進入過濾階段，隨著過濾運行原水中的懸浮雜質、膠體顆粒、細菌、病毒以及大分子有機物被濾料截留，水流通過濾膜層的水頭損失也同時提高，當水頭損失達到某預定極限值時停止過濾，進行反沖洗。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沖洗強度，歷時1～2rain即可沖洗干凈，沖洗水量約占過濾水量的1～2％左右。濾元形式往往影響沖洗效果，易于預涂的，濾膜不易脫落，沖洗困難，反之亦然。本課題組研制的濾元經三年試驗證明，既易預涂又易反沖洗，已在寧海游泳館開始使用。
4 結果分析和討論
4.1 濾膜的形成
試驗顯示：DEF器濾元上的預涂膜是均勻等厚濾層，這是由預涂方式所決定的。濾元骨架的孔隙較硅藻土尺寸大，當硅藻土漿液加壓通過濾元骨架時，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。由于時差使形成的濾膜產生厚薄，較厚的阻力大于較薄的濾膜，使后續的預涂漿更多地通過較薄處，由成膜時差而產生的厚薄則被后來的流量分配所彌補。況且，成膜時差遠小于預涂膜時間，所以預涂層厚度均勻。預涂時一旦架橋成膜，后來的硅藻土將完全截留，所以在濾膜厚度范圍內，粒度分布是混雜均勻的。
圖2所示的是試驗預涂膜厚度斷面的電鏡照片，顯示硅藻土濾膜是大小顆粒混雜均布的。試驗發現，預涂液中混有部分較大粒徑的硅藻土有利于預涂，且粒徑越大預涂越快。如果完全用粒度在10μm以下的硅藻土預涂是很困難的，因為濾元骨架尺寸較硅藻土尺寸大，如果要涂上需通過架橋作用，所以預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
長期試驗結果顯示，硅藻土過濾水可以達到完全清澈透明，其透光度可以與重蒸蒸餾水相比；細菌的濾除率高達99.5％以上，病毒濾除率可達85％以上；自來水經DEF后，COD和TOC的濾除率在10％左右。據此，可以推論：DEF能去除50nm以上的雜質顆粒，當然這與預涂劑的粒度、預涂膜的厚度有關。
對此，首先從濾除濁度上，眾所周知濁度是由水中各種性質及不同大小的懸浮和膠體雜質對光線的散射作用而產生的。在分散體系中，粒度在1～l00nm范圍內的分散系屬膠體系，粒度>l00nm的屬粗分散系，相應的分散體被稱為膠體和懸浮體。依據濾后水檢測不出濁度這一現象，完全可以認為大部分膠體和懸浮體被濾除；其次，DEF對細菌和病毒的高濾除率。
同樣說明，DEF能濾除的最小顆粒粒徑小于細菌尺寸，且在病毒尺寸范圍內(10～800nm)的某個尺寸，綜上分析可得出50nm的最小濾除尺寸。需要強調，這一結論應理解為DEF能濾除大多數50nm以上雜質，而并不是完全濾除，其原因后述。
4.3 DEF機理
以濾元微小單位(見圖3)分析，如前述濾膜在整個厚度范圍可近似認為均勻濾料層，國產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，其過濾機理主要有機械篩濾作用和吸附截留作用。機械篩濾作用是當某些較大粒徑的顆粒通過濾膜的窄縫被阻截，使孔隙縫道逐漸變小，于是后續細小顆粒雜質即相繼被截留。
DEF能截留的nm級雜質顆粒隨水流在濾膜中曲折流動時，在布朗運動作用下雜質與硅藻土碰撞、接觸，然而發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。硅藻土主要化學成份是一種含無定形厶Al2O3、Fe2O3、SiO2，除SiO2等電點為2.5外(見表1)，其余氧化物的等電點均>7(即在pH7時，表面帶正電荷)，所以硅藻之中20％左右的表面帶正電荷。這部分對帶點電的顆粒具有范德華力和靜電引力，如果碰撞即會發生吸附而被截留。占80％的由無定形SiO2所構成的，表面通常顯負電性，是否發生吸附主要視其表面電動電位。研究證實，電動電位降低到15-10mV時，就會發生吸附(凝聚)。圖4、5是無定形二氧化硅的ζ電位隨pH值和K＋、Ba2＋濃度的影響曲線。圖示說明，如果水中含有一定量的電解質、高價電解質，完全可以實現降低其表面電位發生吸附截留。試驗證明，在原水中投加微量混凝劑(約0.5mg／L)有助于提高過濾效率。
4.4 DEF技術的過濾特性
硅藻土濾膜截留雜質規律與昔通砂濾池一樣，在雜質微粒被硅藻土截留的同時，水流沖刷可使它脫落，又可能被內層硅藻土所截留，也有隨水流通過極少數的大孔隙而耒被去除的可能。因此，50nm以上的顆粒，DEF濾除率不能達到100％。
原水水質對硅藻土過濾周期有很大影響，尤其是原水中粒徑在0．5～1．2pm間的雜質，因為這類顆粒會很快堵塞硅藻土間的孔道，使水頭損失迅速上升。試驗時曾發現過濾2NTU左右自來水的工作周期，要比同樣的自來水加20mg／L200目以下的粘土時工作周期要短得多。這主要是泥土顆粒粒徑較大，起了附加劑作用的緣故。
預涂層硅藻土的型號和濾膜厚度，對過濾特性有很大影響。采用較粗的硅藻土作預涂層時，工作周期要比采用細粒徑的硅藻土要長得多。當然，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涂劑時，也可能達到完全濾出濁度的效果。
由硅藻土過濾機理可知，濾膜濾除能力與雜質顆粒的表面<電位有關。所以，在原水中投加微量的高價電解質，有利于病毒等微小雜質的濾除，同時使工作周期明顯提高。然而，一旦混凝劑投加稍過量，使原水發生明顯絮凝現象時，過濾周期又會縮短，這是由于絮凝體受到壓縮而堵塞濾膜表面孔道的緣故。
5 結論
① 硅藻土過濾是一種涂膜過濾技術，可適用于過濾精度要求高，且原水水質較好的場合。
② 硅藻土過濾能濾除50nm以上顆粒采用適當的預涂劑對細菌的濾除率可>99.5％，對病毒的濾除率>85％。
③ 硅藻土的過濾機理是篩濾作用和吸附截留作用。
④ 投加少量混凝劑可明顯降低水頭損失速度，增加過濾周期。
⑤ 通常原水中含50pm以上顆粒，有利于提高濾膜截留含污能力，有助于延長過濾周期。
⑥ 硅藻土涂膜過濾濾速宜控制在1～2.5m／h范圍。
