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水處理濾料的研究與發(fā)展

時(shí)間:2021/05/11點(diǎn)擊:

一、砂石、石英砂類(lèi)濾料

1 單層濾料

1829年,英國(guó)倫敦的Chelsea供水公司建成了用于實(shí)際生產(chǎn)的慢濾池。慢濾池在運(yùn)行過(guò)程中,由于水中的懸浮雜質(zhì)不斷積累在濾膜內(nèi),增加了過(guò)濾阻力,濾速逐漸降低,因此,在運(yùn)行2~3個(gè)月后,需再生后重新投入運(yùn)行。1885年,美國(guó)人研究發(fā)明了快濾池,并于1909年建立了首座快濾池,改善了慢濾池存在的缺陷,大大提高了過(guò)濾速度。此時(shí)的過(guò)濾均為單層過(guò)濾,濾料為砂石、石英砂等。

2 多層濾料

隨著過(guò)濾技術(shù)的不斷提高,國(guó)內(nèi)外研究者先后提出了多層濾料過(guò)濾。多層濾料在應(yīng)用中使用較多的是雙層濾料和三層濾料。1940年,美國(guó)首先發(fā)展了雙層濾料濾池。這種濾池在上層采用密度小、粒徑大的輕質(zhì)濾料,運(yùn)行資料表明,雙層濾料含污能力比傳統(tǒng)單層濾料高1倍,濾速提高0.5倍以上。三層濾料技術(shù)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)60年代,通常采用煤、砂、石榴石為濾料,這種濾池在初濾時(shí)濾速可為單層快濾池的3倍,為煤砂雙層濾池的2倍。

近幾年,國(guó)內(nèi)研究者在濾料材質(zhì)上也做了相應(yīng)改進(jìn),常見(jiàn)的一種為活性炭和石英砂組合。清華大學(xué)張聲等對(duì)活性炭-石英砂雙層深床濾料浮濾池處理高藁水源水進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,氣浮過(guò)濾一體化的活性炭石英砂雙層深床過(guò)濾對(duì)藻總數(shù)去除率為95.1%、葉綠素去除率為92.2%、出水濁度去除率為54.3%、耗氧量去除率為63.6%、色度去除率為86.4%。

3 均質(zhì)濾料

這種濾料形成的濾床從上到下每個(gè)剖面都有大、中、小粒徑的顆粒,它們各自的量相等或接近。濾料在濾床上下方向的孔隙率相同,從而使濾床水的流態(tài)也相同。均質(zhì)濾料能更好地克服表面阻塞,絮體深人濾床,以達(dá)到濾出水量多、水質(zhì)好的效果。

二、陶粒濾料

陶粒的發(fā)現(xiàn)可追溯至1885年,但實(shí)際上是于1918年才由S.J.Hayde研制出來(lái)。我國(guó)是從20世紀(jì)50年代初開(kāi)始研究陶粒的生產(chǎn)和應(yīng)用的。陶粒是利用工業(yè)廢渣、廢料或廢棄的礦物原料、劣質(zhì)頁(yè)巖為原料制成的,陶粒內(nèi)部的微孔為多孔結(jié)構(gòu),使得陶粒具有容重小、強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕等特性。陶粒濾料比表面積是石英砂濾料的6~8倍,孔隙率是石英砂的1.7~2.2倍。

近些年來(lái),陶粒作為廢水生物處理填料得到廣泛應(yīng)用,對(duì)廢水處理效果較好,氨氮去除率可達(dá)90%以上。Kato等用多孔陶瓷填料處理食品廢水,當(dāng)水力停留時(shí)間為30.17h時(shí),COD平均去除率超過(guò)87%。目前,國(guó)內(nèi)外研究者在常規(guī)陶粒的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了酶促陶粒、球形輕質(zhì)陶粒、納米改性陶粒等新型陶粒濾料。酶促陶粒主要是利用酶的催化作用來(lái)加強(qiáng)處理效果;球形輕質(zhì)陶粒具有表面粗糙、密度適中、強(qiáng)度高、耐摩擦等優(yōu)點(diǎn);納米改性陶粒則是利用納米技術(shù)對(duì)濾料進(jìn)行改性,該濾料表面存在納米粒子,使之具有更強(qiáng)的處理能力。

三、改性濾料

考慮到普遍采用的石英砂、陶粒、無(wú)煙煤等濾料存在的比表面積有限、中性條件下表面帶負(fù)電荷或不經(jīng)濟(jì)性等,研究者開(kāi)發(fā)了改性濾料,并成為廣泛研究的熱門(mén)課題。改性濾料即在載體濾料表面通過(guò)物理化學(xué)反應(yīng)涂上一層改性劑,從而改變?cè)瓰V料顆粒表面的物理化學(xué)性質(zhì),可提高濾料的截污能力以及對(duì)某些特殊物質(zhì)的吸附能力、改善出水水質(zhì)等。實(shí)踐表明,改性濾料能增加濾料的比表面積和強(qiáng)化吸附能力,從而在與水中各類(lèi)有機(jī)物、細(xì)菌、藻類(lèi)接觸的過(guò)程中充分發(fā)揮由表面涂料所產(chǎn)生的強(qiáng)化吸附和氧化凈化功能。改性濾料不但能吸附大分子和膠體有機(jī)物,同時(shí)還可以大量吸附和氧化水中的重金屬離子和小分子可溶性有機(jī)物,從而達(dá)到改善水質(zhì)的目的。

1 改性濾料用于污水處理

向陽(yáng)采用改性蒙脫土、海泡石吸附水中的有機(jī)污染物,發(fā)現(xiàn)當(dāng)水中含有一些過(guò)渡金屬如鐵、鉻、錳、銅、鉑時(shí),由于過(guò)渡金屬空軌道吸引了有機(jī)物中一些原子或官能團(tuán)的孤對(duì)電子,而改變了有機(jī)物的結(jié)構(gòu),使一些難以降解有機(jī)物的化學(xué)鍵較易斷裂,從而將有機(jī)物完全分解。高乃云教授采用氧化鋁涂層改性石英砂去除有機(jī)物和濁度,發(fā)現(xiàn)出水中的TOC、CODMn指標(biāo)都顯示出涂層砂優(yōu)于未涂層砂。國(guó)外這方面的研究開(kāi)始得更早一些。1989年,Jiban K.Satpathy用平均幾何尺寸為0.7mm的過(guò)篩石英砂表面涂以硝酸鐵,結(jié)果發(fā)現(xiàn),其表面積增加近40倍,能有效地從鍍鎘、鍍鉻廢水中去除鎘、鉻和氰化物。1996 年,印度工業(yè)學(xué)院Arun Joshi等采用硝酸鐵涂到平均幾何尺寸為0.49mm的石英砂表面的氧化鐵涂層砂作為濾料,制成低成本的、簡(jiǎn)單的家用除砷裝置,以去除地下水中的三價(jià)和五價(jià)砷。

2 改性濾料用于凈水處理

當(dāng)改性濾料用于污水處理的研究越來(lái)越廣泛時(shí),用于凈水處理的研究也已經(jīng)開(kāi)始。周岳溪等研究發(fā)現(xiàn)表面改性石英砂能有效去除水中的可溶性磷酸鹽,對(duì)Cr3+、Cu2+等重金屬離子的去除率均在90%以上;日本Maeda等將氫氧化鐵涂到珊瑚石上,得到鐵珊瑚石濾料,可以有效地把水中的五價(jià)砷吸附到鐵珊瑚石表面; 20世紀(jì)90年代初,Benjanin教授和他的課題組成員開(kāi)始將改性濾料用于給水處理中;Stenkamp等將涂鐵改性石英砂濾料用于過(guò)濾試驗(yàn),去除帶正電的鐵化合物顆粒和帶負(fù)電的乳濁液顆粒,結(jié)果改性濾料幾乎在所有試驗(yàn)中優(yōu)于原石英砂,改性濾料具有靜電吸附能力強(qiáng)、成熟期短、能減少混凝劑用量等特點(diǎn);Jerzy Lu Kasik 等人用氫氧化鐵、氫氧化鋁覆蓋砂粒,對(duì)濾料進(jìn)行改性去除水中的微生物,結(jié)果表明,對(duì)水中的大腸桿菌、霍亂桿菌、脊髓灰質(zhì)炎病毒1、大腸菌噬體MS-2的去除率都在99%以上。

四、聚合物濾料、金屬濾料

隨著聚合物加工技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步,具有不同功能的聚合物濾料、金屬濾料等不斷出現(xiàn),這些濾料在強(qiáng)度、密度等方面比石英砂濾料等具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。英國(guó)某水廠曾使用聚乙烯輕質(zhì)濾料進(jìn)行過(guò)濾,效果很好,其過(guò)濾在出水、投藥量等方面遠(yuǎn)優(yōu)于砂濾料濾池;我國(guó)也有一些小型的水處理如游泳池的水處理、小型給水系統(tǒng)采用了輕質(zhì)濾料進(jìn)行過(guò)濾,均取得良好的效果;Cu-Zn合金濾料是由高純度的銅、鋅兩種金屬按一定的比例組合而成的一種水處理材料,商品名為KDF(Kinetic Degradation Fluxion),由Don Heskett教授于1984年發(fā)明,合金濾料已經(jīng)被用于生活用水深度凈化、工,業(yè)給水凈化及廢水處理等方面。

五、纖維濾料

纖維濾料突破了粒狀濾料粒徑不能進(jìn)一步縮小的限制,使濾料的直徑達(dá)到了微米級(jí),大大增加了濾料的比表面積和吸附能力。日本尤尼切卡公司首先研制了纖維球?yàn)V料,它由松散的短纖維制成,具有孔隙率高、比表面積大、截污能力強(qiáng)、可以進(jìn)行微絮凝過(guò)濾等特點(diǎn)。繼而國(guó)內(nèi)研究者也開(kāi)始對(duì)纖維類(lèi)濾料進(jìn)行研究。彗星式纖維濾料是國(guó)家863科技成果、國(guó)家火炬項(xiàng)目、國(guó)家新產(chǎn)品(也稱863濾料),該濾料纖維球上帶著細(xì)小纖維,散開(kāi)時(shí)形狀如彗星,具有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性,濾水過(guò)程無(wú)有害成分溶出。

六、生物活性濾料

1 復(fù)合生物活性濾料隨著水源污染日趨嚴(yán)重,給水處理與污水處理的界限也越來(lái)越模糊,污水處理中的許多技術(shù)也開(kāi)始用于給水處理中。復(fù)合生物活性濾料由活性和惰性濾料復(fù)合構(gòu)成濾床,在保持濾池去除懸浮物功能的基礎(chǔ)上強(qiáng)化濾池去除有機(jī)物的能力;钚詾V料由極性和非極性濾料復(fù)合而構(gòu)成,用以提高吸附、去除有機(jī)物的能力,對(duì)氨氮的去除效果較好,也可去除水中的部分COD。

2 臭氧-生物活性炭濾料

水中通有充分的溶解氧,在活性炭前加臭氧,使附著于活性炭上的微生物產(chǎn)生生物活性,是利用活性炭的吸附量并采用臭氧消毒的技術(shù)。試驗(yàn)表明,臭氧-生物活性炭濾料能去除大量天然有機(jī)物、溶解無(wú)機(jī)物及鐵、錳等。生物活性炭濾料比活性炭濾料使用壽命增加2~9倍,不足之處是生物膜由濾料中脫落進(jìn)入清水池中可能對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生二次污染。

隨著國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)水處理濾料研究的不斷深人,新型性能優(yōu)越的濾料不斷涌現(xiàn)。濾料在材質(zhì)、性能等方面都得到了很大的改善,價(jià)格低廉、性能優(yōu)越、具有生物活性的濾料是以后的發(fā)展趨勢(shì)。