深床过滤机理及其在水处理中的应用研究与进展

　　深床过滤机理及其在水处理中的应用研究与进展范荣桂12范彬〃杜显云12栾兆坤2朱书全1（1中国矿业大学（北京校区）化学与环境工程学院，北京100083 2中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室，北京100085）过程的数学模型的构建方法，国内外利用深床过滤技术处理微污染水源水、城市生活污水及污水深度处理的实验研究状况。

　　过滤技术是一种广泛应用的固液分离技术。在水处理领域，对含有固体悬浮微粒的水混凝后，不经沉淀即直接进入滤池的过滤，称为直接过滤。采用床深超过1.8m的过滤装置，对水及废水中的固体悬浮物进行分离，称之为深床过滤。美国水工业协会（AWWA）对混凝后不经沉淀而直接过滤的水处理工艺定义为微絮凝-直接深床过滤技术。水处理中的过滤技术可以追溯到1820年由JamesSinpson设计的一种慢速砂滤池，从此开创了过滤理论与技术的研究111. 1经典过滤机理与物理模型经典过滤物理模型由Iwasaki于1937年首先提出来的。Iwasaki以试验数据为基础，提出了过滤过程颗粒物浓度与过滤深度间的关系1121，即：度（m）A为过滤系数（m-1 a为比沉降（kgm3）v为过滤速度（m/s）上述（1）、（2）式是唯象理论的基础，也是过滤过程中应用*广泛的公式之一。以后出现的各种计算形式多数集中在如何对过滤系数X的修正上。

　　等134分别对此进行了深入的研究。

　　与唯象理论不同，轨迹理论认为，随同液相主体资助项目：国家“7Mit腿年提出了唯象理论的修正式。*通讯联系人Email”ilrcee…n环境污染治理技术与设备一起运动的悬浮颗粒，虽然受到范德华力和双电层力等力的作用，但只有在其作用的范围内，颗粒才能发生沉降、吸附或脱附作用；即：只有以某种轨迹运动的悬浮颗粒才能沉降到滤料的表面15|，一旦颗粒的运动轨迹超出了滤料与颗粒间作用力的范围，则不能被捕获（）。

　　颗粒B运动轨迹边界滤料（捕集子>力加速度（m）U为滤速（m/s）；为滤料颗粒半径（m）e为孔隙度。

　　KozenyCaman模型是以直管内的Poiseuille流动方程为基础，认为过滤介质的堆集构成了不同弯曲和形状的通道，流体的流动呈层流态，符合Darcy定律；而Happel模型将过滤介质及悬浮颗粒视为球形，水头损失是由于过滤介质所受水流各向摩擦阻力之和产生的，流体在滤料中的流动满足NavierStokes公式。巧合的是，当孔隙度在0.4 ~0.7之间时，上述2个模型的计算结果基本趋于一致。

　　2过滤机理研究的新进展21过滤机理的研究进展对过滤过程的深入研究发现，悬浮颗粒的去除涉及2个重要过程，即颗粒迁移与颗粒粘附，但被粘轨迹理论不仅以悬浮颗粒的运动轨迹作为颗粒去除的重要依据，而且认为，颗粒的去除与滤料的有效面积有关；比如，在滴滤床中，朝向流体运动方向一侧的滤料表面才是有效表面，如果悬浮颗粒的运行轨迹超出了滤料的有效表面范围，则悬浮颗粒不能在滤料上沉降。对上升流式滤床过滤而言，悬浮颗粒在过滤介质的向流面由于碰撞及拦截作用而沉积在过滤介质表面；在背流侧，由于受重力及流体流动所产生的局部负压作用，也会有悬浮颗粒沉降产生。

　　毛细管理论对过滤过程的机理研究亦有重要意义，该理论把过滤介质内的通道抽象成有无数条毛细管道组成的管束，把悬浮颗粒的过滤过程看成流体相中的悬浮颗粒与毛细管壁间的相互作用，成为毛细管理论，对此也有一定的研究16过滤水头损失是深床过滤中的重要宏观控制指标。水头损失的大小，在一定程度上既能反应出滤床内悬浮物截留量，又与滤料的物理性能及过滤周期有很大的关系；经典的水头损失计算模型主要是KozenyCaman模型和Happel模型1S91，计算表达式如⑶和（4）附的颗粒物也同时存在脱附的可能。

　　211颗粒迁移与粘附含有悬浮颗粒的水相通过过滤介质时，悬浮颗粒会由水相向滤料表面移动，即颗粒迁移，它是悬浮颗粒去除的必要条件。melia101认为，这种迁移包括布朗运动和分子扩散、流体流动及重力作用；Ives等1111则认为，当悬浮颗粒随水相在过滤介质中流动时，会发生沉淀、扩散、惯性作用、拦截及水动力作用，这些作用的综合结果，会使部分悬浮颗粒（包括胶体颗粒）聚集在滤料表面，形成粘附作用，使悬浮颗粒得以去除。

　　进一步研究发现，悬浮颗粒的去除还与颗粒（滤料颗粒及悬浮颗粒）间的作用力及流动水相的理化性能、电学性能有关1121.Semion等1 131则按作用力范围，将这些力划分为远程力（范德华力）和近范荣桂等：深床过滤机理及其在水处理中的应用研究与进展综合作用，决定着过滤效果的优劣。颗粒间的作用力不仅与颗粒本身的表面性质有关，且随过滤的进行而变。因为一旦悬浮颗粒被滤料截获后，悬浮颗粒和滤料的表面性质都会相应发生物理的或化学的变化。Stephan等1141对过滤过程中的Zeta电位研究发现，Zeta电位可以作为宏观过滤形为的描述，通过对高岭土、伊利石等Zeta电位的测定证实，可以利用Zeta电位的测定来预测过滤性能。

　　深床过滤不仅可以去除固体颗粒，且能去除某些15在对过滤中对病菌去除影响的研究发现，在过滤成熟阶段主要是表面吸附作用；Dai等1161则研究了过滤过程中天然有机物和生物膜对原生病菌去除的影响，结果发现，天然有机物的存在会使病菌的去除率下降，当采用铝盐絮凝剂时，由于表面电荷的中和效应，使病菌的去除效率大大提高。

　　悬浮颗粒的粒度大小及其分布对过滤效果有重要影响117.研究表明，在过滤的早期阶段，悬浮粒子浓度的增加，对过滤效果有改善作用；随着过滤的进行，沉降在过滤介质上的微粒形成包覆作用，一方面改变了过滤介质原有的表面性能，同时也使过流通道变小，导致过滤受阻。但Beata等1181的研究表明，过滤过程中床层的堵塞并不完全取决于水体中的颗粒物大小，对某些高浊度水体虽然水体中的颗粒尺寸很小，由于积累作用，也易使床层堵塞。

　　212颗粒的脱附过滤的开始阶段，悬浮颗粒的去除效率呈增加趋势，而后则明显下降，这不仅是滤层达到吸附或拦截饱和的表现，同时说明颗粒脱附的存在。颗粒脱附的原因可以归结为流动剪切力超过颗粒间的吸附力，或由于其他颗粒碰撞造成的不稳定，或由于空隙流体速度加快造成的，或是它们的综合作用；Mind 191认为颗粒脱离与比沉降成比例。颗粒脱附包括颗粒滚动、滑动和颗粒升起。滑动是由于切向拽力造成的；滚动是由于沉降颗粒的不对称所产生的扭力造成的；但若颗粒的滚动仅发生在过滤介质表面，并不发生脱离现象；Jegaeesan等121的研究表明，过滤的初始阶段，低浓度时较大颗粒的去除及表面覆盖要比颗粒小的多；去除率的降低主要是沉降颗粒的阻塞；大量颗粒的沉降，改变了过滤介质的表面特性，恶化了表面条件。

　　事实上，过滤过程中包含着许多竞争机制，有物理的、化学的及物理化学作用，如水体中的有机物包面，从而改变其表面性质，直接影响深床过滤中悬浮颗粒的去除。随着时间的推移，滤料上所能被占据的位置逐渐减少，从而降低截留量。但如所捕获的颗粒与被捕获的颗粒具有很好的亲合力，则滤料上所能占据的实际位置并未减少，且有可能增加。因此，实际过滤过程相当复杂，对吸附和脱附机理研究尚未形成统一的认识。

　　22构建过滤模型的新方法深床过滤过程是动态的，受多重因素影响的复杂过程，涉及颗粒捕获和颗粒脱附，且与悬浮液的理化性质有关，尽管过滤过程的物理模型构建有很多方法，但参数的计算及适应性仍有待提高，一些新的建模方法也被移植到深床过滤的模型构建中。表现在：Stephan等1201将遗传算法应用到深床过滤中，实现以*少的实验来可获得更多的参数；Stephan认为，对不同条件下的深床过滤模型只需将算法程序中的一些参数进行修改即可，这使得深床过滤过程的计算机模拟成为可能。

　　Osmak则采用综合衰变神经网络系统（GRNN）建立了深床过滤中悬浮颗粒分布、沉降颗粒分布与速率分布间的关系。Osmak在假设含悬浮颗粒的水相以接近推流式的方式通过床层及沉降动力学是悬浮颗粒分布和沉降颗粒分布函数的前提下，构建出新的过滤数学模型1 17.其数学模型包括组成平衡和动力学平衡2方面，即：/为床深（m）；为时间（s）u为流速（m/s）（为比沉降（kgm3）；为颗粒尺寸（rtm）；L为纵向水力扩散能力；Q3（x）dx为分布函数。

　　Ortiz等则将计算流体力学（CFD）应用到深床过滤中，用来描述过滤过程中阻塞的时间-空间变括天然的、合'成的及胶体颗粒等会吸附在颗粒的表化，提出了对数过滤定律及有效比表面积的几何模环境污染治理技术与设备型。实验表明，CFD可有效地用于过滤阻塞的定量描述。Ortiz等还采用拉格朗日-欧拉-欧拉CFD方法评价两相流滴滤床过滤过程中的压力降，运用弹道轨迹理论，建立了不同过滤阶段捕集效率和过滤系数方程121221. 2 3深床过滤截污机理的研究深床过滤中的截污机理是深床过滤机理研究的重要方面；郭瑾珑等17231通过研究不同絮凝剂对微絮凝深床过滤截污的影响时发现，无絮凝剂时，水中的亚微颗粒（2 ~10，um）主要是依靠碰撞和流体动力作用被拦截，而大颗粒由于受水力剪切作用和颗粒惯性的影响，易被水流挟带，难以拦截；但在微絮凝深床过滤工艺中，由于水流的剪切阻碍作用，会增加颗粒的碰撞机会，促进颗粒长大。絮凝剂的加入，改变了水中原有的化学条件和颗粒的表面性质，使颗粒去除不再靠拦截沉降作用，更有颗粒和滤料表面发生的粘附作用。实验表明，随着颗粒粒径的增加，去除率有显著增加的趋势，这说明絮凝剂加入后截污过程中化学吸附作用占有一定的优势。

　　3深床过滤在水处理领域的应用进展3 1深床过滤过程中的生物作用微生物细胞几乎能在水环境中的任何适宜的载体表面牢固地附着，并在其上生长和繁殖，形成膜状微生物即生物膜。载体可以是天然材料，如石英砂、无烟煤等；也可以是合成材料，如各种塑料填料、发泡粒子和陶粒等；可以是具有渗透性的材料，也可以是不渗透的材料。深床过滤中的过滤介质为生物膜的形成创造了极为有利的生存环境，当含有有机物、氮、磷和其他电子供体的废水流过深床过滤介质时，微生物消耗废水中的基质，并作为生物膜附着于过滤介质之上，产生生物效应。深床过滤过程中水流过生物膜产生剪切作用，又会去除微生物部分残体，使生物膜的厚度基本保持相对恒定1241.由于过滤介质上的生物膜作用，深床过滤过程中不仅仅具有过滤作用，而且可以通过生物作用进行同步脱氮脱磷，实现对污水的深度处理。Rittmanna等1251在研究瞬态生物过滤过程的生物膜模型时指出，进入生物滤床不外乎以下7种物种：生物可降解有机物（BOM的副产物、生物副产物及溶解氧。在生物过滤过程中主要包括5种类型的微生物：自养和异养微生物、硝括：B0M的氧化利用及所弓|起的异养菌的合成、氧的消耗、可利用副产生物的产生及用于微生物合成的氮的吸附；氨氮氧化引起的氨氧化菌的合成；亚硝酸盐氧化引起的硝化菌的合成；可利用副产物的氧化利用；生物副产物的氧化利用；惰性生物的产生以及氨氧化菌和硝化菌的内源衰减等8类主要反应。除此之外，尚有生物膜内溶解性物质的扩散、生物膜内各种生物的生长、衰减和生物膜的周期性脱落等，可见生物过滤过程中的生物反应是极其复杂的。

　　32深床过滤在水处理领域的应用进展深床过滤由于且有较好的除浊、去除悬浮颗粒及某些病菌、芳樟醇等萜类致癌物、臭味化合物及VOC等特点|26~281，在给水系统受到青睐。作为过滤介质，既且有截留悬浮颗粒的作用，同时也为微生物的生长繁殖提供了良好的环境，为生物处理奠定了基础。近年来的研究表明，利用深床过滤，结合微絮凝技术不仅在微污染源水除浊中使用，对城市生活污水的深度处理，甚至可以直接用来处理城市生活污水。

　　321深床过滤在微污染源水中的应用对于微污染饮用水源的慢砂过滤技术在国外已有上百年的历史，采用双层或3层滤料的快滤池，也有几十年的时间。对于低温低浊低色源水的水质净化处理仍是当今给水处理的重点和难点之一。微絮凝-深床过滤技术具有除浊、生物处理双重功效，在国外发展迅速，已成为处理低温低浊低色源水的主流选择。国内在此方面的理论和实用研究也十分活跃。试验表明，只要混凝工艺合理，过滤参数适当，能够实现出水浊度在1NTU以下，且能有效去除水中的N、P等营养物及腐植酸。栾兆坤等129针对低浊度水质，将聚合氯化铝应用于微絮凝深床直接过滤工艺中，对滤床深度与均质超大粒径的滤料优选、直接过滤过程*佳化学与水力学参数以及反冲洗技术参数等因素进行了综合分析，认为超大粒径滤料深床完全适合于聚合氯化铝的高效絮凝反应特征；采用低滤速时其过滤周期可大大延长；微絮凝深床直接过滤工艺在处理低温、低浊水质方面不仅节省投资费甩而且可显著提高产水率和出水质量130311.李冬梅等1321利用微絮凝-深床过滤技术处理低温低浊源水的试验表明，采用下向流等速变水头过滤，加入适量的水溶性絮凝剂及相应的絮凝助剂，可以实现出水浊度<1NTU.而膨胀珍珠岩作化菌'亚硝化菌及惰性生物菌种。整个生物反应包为滤料进行上升流过滤实验，出水浊度在9范荣桂等：深床过滤机理及其在水处理中的应用研究与进展合饮用水标准131 322深床过滤在城市生活污水及工业污水处理中的应用由于生物作用的存在，深床过滤能有效地去除水中的氨氮、亚硝酸盐氮、COD及一些金属离子等135S|.深床过滤用于城市生活污水处理的试验研究表明，受截污量的限制，作为二级处理的后续深度处理要比直接处理原污水更有效。李桂平等137 381以无烟煤作滤料，采用微絮凝-深床过滤技术处理二沉池出水，滤床前补加甲醇作为外碳源进行脱氮研究，在滤速为10mh时对N3-N的去除率达97%，出水的TSS<10mg/L并且发现，悬浮颗粒和絮体的截留主要发生在滤床中、下部，而脱氮反应中产生的氮气的积累主要发生在滤床的中、上部；在过滤初期，由于水头损失较小，脱氮产生的氮气可溶解在水中，并随水流带出滤床，但随着过滤的进行，滤床内的水头损失增加，出现氮气释放现象；在对絮凝剂除磷效果的研究中发现，虽然磷的去除率可达到90%以上，但FeCl的表层截污作用明显，而PFC则趋向于深层截污，后者可使滤床截污分布更为均匀，并有利于减缓水头损失的增长速度，延长过滤周期。在较高滤速时由于停留时间较短，且存在化积累现象，使得采用PFC时存在滤后出水浊度和色度有所增加的现象。

　　的生活污水，出水用于农业灌溉，以硫酸铝盐作絮凝剂，加阴离子聚电解质作助剂，并对过滤介质的处理能力和处理效果进行了比较。实验发现，合成过滤介质更具优势，滤速要比砂介质大近6倍，每循环产水率是砂的2.1倍，反冲洗用水仅为处理出水的1%，TSS去除40%，浊度降低15%，近70%以上的寄生虫卵可以去除。

　　40411米用直径6mm的聚苯乙烯颗粒作为过滤介质和生物载体，以FeCl加阴离子高分子助剂为絮凝剂，采用缺氧-好氧加回流，再接缺氧-好氧微絮凝深床工艺直接处理生活污水的试验研究表明，回流比、水力停留时间以及氧化还原电位是重要的控制参数，当回流比为2~3时，曝气塔内的溶解性氮可达到*低值；水力停留时间控制在1h以上，进水NH+N浓度为19mgN/L时可以实现水体中的NH+N浓度低于1mgN/L硝化反应前端缺氧反硝化的ORP在-120~硝化与反硝化活性分别达到0. 3和0.4~0.7kgN/m3滤床体积。d*大氮负荷<0体积d（18°C）；当水力停留时间达到3. 2h时，其处理出水的总氮、总磷可以控制在1mgNL和0.2mgP/L以下，而反冲洗用水仅为处理出水的12%试验表明，微絮凝-深床过滤技术用于其他工业污水的处理，同样能收到良好的处理效果142~4S|. 4展望深床过滤技术具有占地面积小、投资少、出水水质高，且能有效去除水体中的有害病菌，N、P等营养物的特点，适合于微污染水源水及低温低浊水源水的处理，以及城市生活污水的深度处理。随着人们环保认识的逐渐提高，对低温低浊低色度源水的开发利用，对现有污水处理厂出水中N、P等营养成分的要求越来越严格，和对微絮凝深床过滤技术的深入研究，掌握深床过滤过程中的生物作用受制约因素，通过优化技术参数，强化过程控制，完全可以直接用来处理生活污水，或污水的深度处理，实现低成本的水资源再用。

(完)