水的硅藻土过滤

高乃云 范瑾初 谢燕菊 盂建平
(同济大学环境科学与工程学院)

　　硅藻土（ Diatomaceous Eerth ，简称 DE ）是若干万年以前的一种称作硅藻的单细胞水生植物的骨骼残核。当硅藻死亡时，其骨骼沉积下来，沉到海底或湖底，形成硅藻土矿床。
　　根据地质部海洋地质研究所的研究，我国硅藻土硅藻种属比较简单，除少数地区外， 90% 以上都是中心纲圆筛藻科直链藻属、圆筛藻属、小环藻属和冠盘藻属。直链藻属是主要的淡水浮游硅藻之一，圆筛藻和直链藻见图 1 。

　　普通硅藻土的分子式为 SiO 2 · nH 2 O ，其主要海峡成分是 SiO 2 ，占 64.8-92.6 ％， SiO 2 的含量越高，硅藻土的质量越好。其次是 Al 2 O 3 、 Fe 2 O 3 、 CaO 、 MgO 等。硅藻土颗粒粒径很小，一般粗粒型为 20 － 40 μ，细粒型为 10 － 20 μ。最小的只有 1 μ，在显微镜下才能看见。硅藻土具有极强的吸水性，它能吸收本身重 1.5 － 4.5 倍的水。这是因为硅藻土有无数小孔和复孔，其孔隙率一般为 75-85 ％，轻质，比表面积大。硅藻土耐酸、耐热、耐磨，化学性质稳定、无毒性
　　硅藻土经干燥、粉碎、筛选、配料、锻烧（ 800 -1000 ℃ ）等一系列加工（即物理化学处理后），除去其内部的各种杂质，即成为硅藻土助滤剂。
　　国外对硅藻土资源的认识和开发始于 19 世纪， 1986 年德国海德尔（ Heddle ）等人获得了用硅藻土作过滤介质的第一个专利，于是德国成了世界上第一个生产硅藻土助滤剂的国家。
　　现在国外用硅藻土作原料加工的产品已达 500 多种，其中助滤剂达 150 余种。且助滤剂在整个产品结构中所占的比重有逐年增长的趋势。
　　世界硅藻土的主要生产国有美国（占 40 ％）、原苏联（占 18 ％）、丹麦（占 12 ％）、法（占 13 ％）国，还有阿尔及利亚、墨西哥及德国等，这七个国家的总产量约占世界目前总产量的 90% 以上。助滤剂的主要生产国和输出国为美国、德国及法国。
　　据报道，世界硅藻土制品总产量已超过 200 万吨，其中助滤剂的产量达 130 余万吨，并正以 3-3.5 ％的年平均增长率不断增长。
　　我国硅藻土资源的开发和研究均远远落后于世界先进国家。1935 年，我国首次发现硅藻土，这是地质学家杨钟健先生前往山东山旺考察新生代地层，采集化石标本时发现的。从三十年代至五十年代，是我国对硅藻土资源开始认识阶段，主要局限于古生物学和地学范畴，多属描述性质的定性研究。六十年代及七十年代，是我国硅藻土助滤剂生产的初级阶段。宁波、上海、长白三厂相继生产助滤剂，主要使用单位局限于医药行业及少数企业，如上海石化总厂。八十年代，是我国硅藻土助滤剂生产和科研开始起步和迅速发展的阶段，我国啤酒、白酒、果酒及饮料工业发展很快，正在大量采用硅藻土过滤。据悉，全国已探明硅藻土储量大约 1.3 亿吨，估算远景储量超过 10 亿吨，其中云南可能超过 6 亿吨，浙江超过 2 亿吨。全国硅藻土资源主要集中在云南、浙江、吉林三省，同时已在山东、黑龙江、湖北、河北、安徽、江西、广东、四川和西藏等省区亦发现硅藻土矿产。
　　1987 年，全国助滤剂的实际生产总量约 2000 － 2300 吨，均用于啤酒、白酒、饮料和某些油类过滤，但在水处理方面未得到应用。 60 年代，同济大学曾进行过硅藻土过滤水研究，但因故中断。 1990 年开始，同济大学与法国利安水务公司合作，系统地进行了硅藻土用于水处理的研究。
　　 硅藻土过滤系统和工艺操作 用于水过滤的硅藻土过滤器分为压力式和真空式以及往复式三种，其中压力式使用最为广泛，见图 2 。
　　硅藻土过滤工艺较一般砂滤，除过滤与反冲洗阶段以外，还多一个预涂环节，即滤膜形成阶段。
1.预涂

　　将事先在预涂桶内配好的一定浓度的硅藻土浆液打入过滤器内，经反复循环 10 － 15min ，直到循环液清彻透明并达到浊度要求为止。液体流速要大于过滤器滤速，以免硅藻土在预涂过程中因流速太小而沉积在管道中，影响过滤出水水质。每平方米过滤面积可预涂 500 － 1000 克 硅藻土，经预涂可形成约 1 － 2mm 厚的预涂膜。所采用硅藻土的品种、规格、主要取决于原水水质、滤后水水质要求及过滤过程中水头损失增长速度。
2. 过滤
　　预涂结束后，即进行过滤，为了减缓过滤过程中的水头损失的增长速度，往往还需要投加适量的硅藻土至原水中，称作附加剂。
附加剂投入水中，与水中的悬浮物和胶体粒子均匀混合后沉积在预涂层或滤饼的表面，连续地形成新的滤面，使滤饼始终保持了良好的滤过性。微细的硅藻土颗粒既具有捕获液体中悬浮杂质的能力，又允许液体通过类似迷宫的微孔孔道，见图 3 。当原水中含悬浮物和胶体物质较少时，过滤过程中可不必投加附加剂。
　　 当一个过滤周期结束，即水头损失达到期终允许值时，实际上硅藻土往往并没有得到充分利用，特别是在自来水精滤过程中，一个过滤周期结束（如水头损失达到 13 － 14 米 左右），滤饼中含有硅藻土（预涂剂和附加剂）与杂质颗粒，为了充分利用硅藻土，

　　再重新开始一个过滤周期，这种做法叫硅藻土的重复利用。即当一个过滤周期结束时，先将过滤器进、出水闸门关上，保持滤器内具有一定压力，防止滤饼脱落过多，在过滤时应先循环 15 分钟左右，当水质达到要求后再进行过滤，并继续投加附加剂。也可以采用另一种方法，将滤饼倒流入预涂桶中，然后用此浆液再进行预涂，重新开始一个过滤周期。
　　一般情况下，水泵重新开启，开始一个新的周期，往往起始水头损失一次比一次高，但在过滤过程中，水头损失的增长速度随着重复利用次数的增加，一次比一次缓慢。在保证滤后水水质的前提下，一般硅藻土滤饼可重复利用的次数与原水水质有关。对于浊度较低的原水，曲滤饼重复利用的次数可达 6-7 次，图 4 所示的曲线为滤饼重复利用 6 次，每次过滤过程中时间与水头损失的关系曲线。
　　操作过程中，若万一发现澄清度达不到标准时，可先打开循环闸门，关团出水阀门，将含有硅藻土和杂质的滤饼再作循环预涂，待滤液清彻透明，符合标准时，即可转入正常过滤。
3 ．反冲洗
　　当起始水头损失值较大或过滤过程中水头损失增长很快时，需进行反冲洗。常用的反冲洗方式是反向水流冲洗法，一般以 8 — 10L /s.m 2 冲洗强度，仅 2min 左右，即可冲洗干净。实缺践证明，冲洗务必彻底、干净，否则将影响下一周期的过滤。

二、硅藻土过滤机理

　　硅藻土赞助滤剂是一种用来提高滤速、改善澄清度的过滤材料，它有独特的孔结构和颗粒分布范围，能在一定的滤速范围内滤除最细小的悬浮固体，甚至可以滤除 1 — 0.1 μ的杂质颗粒。由于硅藻土助滤剂能形成坚固的格子结构型滤饼，从而保持了良好的渗透性。
　　 这种滤饼结构能使穿过滤饼的水中的细小颗粒和胶体杂质被截留在格子骨架上，使水流通过的曲折沟道流出。硅藻土过滤可以除浊、除菌、除铁、除锰、脱色等，归结起来，作用机理有以下三种：

1. 筛分作用
　　当水流流经过滤介质时，粒径大于过滤介质时孔隙的杂质颗粒被截留下来的作用叫筛分作用，筛分作用往往在滤饼表面发生，筛分作用在硅藻土过滤中占主要地位。
2. 阻留作用
　　此种作用也叫深层过滤和深度效应，其分离过程只发生在过滤介质内部。苯酚穿过滤饼表面的较小的杂质粒子，被过滤介质内部深而曲折的微孔沟道和滤饼内部更小的孔隙所阻留，故成为阻留作用。
3. 吸附作用
　　某些硅藻土过滤介质内部孔隙还小的颗粒，碰撞在多孔材料内部表面上，并被相反电荷所吸引。还有一种是粒子间的相互吸引所形成链团而粘附在过滤介质上，称为吸附作用，此种静电捕获作用比前两种较为复杂。
　　 从以上三种作用看，给水过滤中采用硅藻土助滤剂作为过滤介质，主要的目的是将水中的悬浮固体和胶体杂质颗粒截留在介质的表面及孔道中，以使固液达到分离。

三、投加化学药剂的作用

　　硅藻土过滤中，水头损失 h 、滤速 v 、过滤周期 T 、附加剂量 a 及原水水质 c 是影响过滤效果的几个主要因素，且相互联系。对于待定的原水，在保证水质的前提，滤速高，过滤周期长是硅藻土过滤技术研究的关键。
　　按传统的硅藻土过滤，一般只在原水中投加附加剂，不投加任何化学药剂，在已有资料报道中，虽然也提到过在预涂层中可投加适量混凝剂但缺乏详细技术资料报导，更缺乏投加化学药剂的经济效果报导，我们做了以下三种过滤试验。
　　在预涂剂中投加 Al 2 (SO 4 ) 3

　　表 1. 所示的试验记录，即在预涂浆液中投加 Al 2 (SO 4 ) 3 ，其效果对应图 5 中的曲线。

出　　自： 《上海市给水排水技术情报网第三届年会论文集》，年10月（注：本文被评为上海市给水排水技术情报网第三届年会优秀论文二等奖）。
发表时间 ： 1993-10