200年历史的慢砂滤池，远没你想的简单

　　你知道吗？世卫组织有份报告说，西方滤池的历史可追溯到1804年，当时一个叫John Gibb的苏格兰人发明了一个试验性的过滤装置，主要用于他自家的漂白工场，多余的过滤水以每加仑0.5镑的价格卖给当地人。之后的20多年里，不少人都对砂滤池的设计细节进行改进。到了1829年，砂滤池进入市政领域——一位叫James Simpson的工程师，为伦敦的切尔西水务公司建造了慢砂滤池(Slow Sand Filter)。这被业界视作市政水处理史上的第一个砂滤池。

　　1820年代末的砂滤池设计图 | 图源：Historia Sanitaria

　　早期的滤池仅用于去除浊度，但后来人们发现，随着时间推移，滤池表面会逐渐长出一层有机物，过滤效果也会因此得到提升。如今科学家都把这层物质叫做Schmutzdecke。一看就知道它是德语，英文可译作dirt cover，专业点说，它是生物活性层。通过对出水的化验分析，人们发现滤池不仅能氧化水中的氮，还有更重要的作用——1886年，英国人Edward Frandland借用当时著名德国科学家Robert Koch发现的霍乱弧菌的微生物检测技术，发现慢滤池能够去除细菌。

　　慢滤池的典型构造 | 图源：WUR

　　写到这里，小编有点小感慨：有时觉得我们人类很多时候真的很幸运，在科学家们正式发现疾病可以通过水中细菌传播之前(1883年Robert Koch发现霍乱通过水传播)，滤池因为可以去除病原微生物，因此已在不知觉中帮人类大大降低了病从口入的风险。在此推荐大家读一下G.R. Scott发表于1954年的《滤池建造及运行简史(Short History of Filter Construction and Operation)》，借用那文章里的话：“在水处理的早期，砂滤池是去除有害微生物的唯一屏障。” 所以在小编看来，滤池在水处理发展史中，有着比活性污泥法更重要的地位。

　G.R. Scott发表于1954年的《滤池建造及运行简史》 | 图源：jstor

　　快滤池的兴起

　　Schmutzdecke这个生物活性层其实是把双刃剑，虽然在去除微生物方面起着积极作用，但随时间推移，Schmutzdecke会增厚到不可穿透，此时必须移除这层生物膜，并对滤池作重新启动。重启时间也会让人十分焦急，因为会长达6个月左右。这也注定了慢滤池诞生之后，快滤池的面世是迟早的事。毕竟人类在追求“好快多省”的路上从未停歇。

　　1872年，美国建成第一个慢砂滤池，地点位于纽约州的Poughkeepsie城。10年后的1882年，美国人发明了第一个快滤池，地点位于新泽西州的Somerville。和慢滤不一样，由于向原水投加了混凝剂，快滤池表面会形成一层化学膜，相当于替代了慢滤中的Schmutzdecke。但由于混凝剂和固体物质的积累造成严重的水头损失，快滤需要增加反洗的工序。

　　尽管这一代的快滤池普遍存在滤料清洗不彻底、反洗水量大等缺点，但由于其过滤速度远高于慢滤池，占地面积又大大减少，所以快滤很快成为市场的宠儿。

　　快滤池的构造图 | 图源：wikipedia

　　1972年，法国得利满公司（Degremont）更进一步，发明了V型滤池(Aquazur V Filter)，采用先进的气水联合反冲洗工艺和均质滤料，在快滤池的基础上引入了压缩空气进行反冲洗，使滤料清洗比较彻底，改善了过滤性能，提高了滤层的截污能力。

　　典型的V滤池构造 | 图源：SUEZ

　　砂滤技术下一个百年

　　因其占地面积大等缺点，慢滤工艺曾一度被冷落并被快滤取代。例如国内的自来水厂，大部分都是采用源自S公司的V滤池技术。但有趣的是，随着学界发现慢滤池对有机物，尤其是微量有机物以及细菌、病毒具有良好的去除能力，加上其在运行成本上的优势，慢滤又逐渐得到了重视。

　　值得一提的是，诸如荷兰等大家公认的水处理强国，在饮用水处理中，他们采用的仍是慢滤而不是快滤的技术。不仅如此，他们对慢滤的研究从未停止。2019年，荷兰研究委员会（NWO）、荷兰两家水务公司Vitens和Dunea作为牵头单位，联合荷兰多所著名高校10名博士生，专门为砂滤成立了研究项目SandFiltration。

　　SandFiltration项目部分参与机构 | 图源：Vitens

　　Frank Schoonenberg是Vitens公司的一名工艺工程师，也是这个砂滤研究项目的负责人。他在最近接受采访时表示：“砂滤池可去除溶解在水中的铁、锰和铵等物质。但如果你以为它仅仅是简单的过滤筛子，你就错了。它其实是个反应器，里边有着相互影响的物理、化学和生物过程。但我们还不完全了解这些反应是如何运作和相互影响。因此我们常常无法解释为什么有些砂滤池运行效果良好，有些却不行。

　　是不是觉得有些难以置信?

　　尽管已经有200年的历史，而且得到欧洲许多自来水厂广泛应用，但慢滤池里边究竟发生了什么，竟然仍是个“黑匣子之谜”。

　　荷兰科学家想解开砂滤运作原理的谜团 | 图源：vitensinnoveert.Nl

　　荷兰这个多方合作项目的目标是要进一步提高用于饮用水生产的慢滤技术的处理能力、稳定性，并降低成本。

　　这是一个非常基础性的研究，并且涵盖砂滤的方方面面，总的来说由五个子项目组成，每个子项目都有两个不同高校或单位的博士生来进行。项目委员会之所以这样分组，是希望跨学科背景的人能碰撞出知识的火花，促进新见解的产出。这五个子项目分别为：

　　1

　　加强对砂滤的微生物和地球化学动力学的机械认知

　　此项目周期为2020年1月-2024年8月，主要由乌特勒支大学地球科学系和奈梅亨Radboud大学微生物系的博士生进行研究。

　　项目组将DNA分析和地球化学测量(geochemical measurements)技术结合到一起：在DNA分析中，他们可以“盘点”砂滤池里都有什么细菌及其数量和作用。所谓的地球化学测量，则是指研究人员拍摄显微照片，准确绘制出铁、锰等物质最后被吸附到砂滤池中的什么位置。

　　另外，他们将对砂滤工序进行拆解，先在一个相对低曝气条件的砂滤池里去除铁，然后在后续的砂滤池中提高氧气含量，以去除锰和铵。他们认为这样能更好地优化砂滤池的设计。

　　2

　　开发模型精确预测除菌以及粘性膜功效和保护

　　此项目周期为2020年1月-2024年8月。研究员将结合实验、3D成像和建模工具，从微米级到纳米级逐步探究慢滤的工艺细节，从而创建能够精确预测实际运行的模型。

　　参与的大学包括阿姆斯特丹大学、乌特勒支大学和代尔夫特理工。

　　3

　　改进以地下水为水源的曝气滤池

　　此项目周期为2020年1月-2024年8月，主要由代尔夫特理工大学负责。这是一个研究快速曝气滤池的项目。对工程师来说，传统的曝气滤池中多余的氧气其实不是好事，所以该项目是要找到控制氧化还原电位(ORP)，将曝气滤池从过去的过饱和到恰如其分地优化高流速状态。

　　4

　　揭示生物活性在慢砂滤池性能中的作用

　　此项目周期为2019年9月-2023年8月，主要由乌特勒支大学和荷兰皇家大海研究所(NIOZ)负责。如题所示，这个项目主要考察特定生物工艺在慢滤池中的作用。

　　5

　　面向下个百年的慢滤

　　此项目周期为2019年9月-2023年8月，这个项目主要由瓦赫宁根大学和代尔夫特理工大学开展研究。最终的服务用户都是荷兰最出名的水务公司，包括RoyalHaskoning DHV、Witteveen + Bos、Waternet、Waterbedrijf Groningen、Dunea和Vitens。

　　其实从这个项目名称也可以看出项目组的野心。他们并没有认为慢滤过时了，而且认为非常适合用于饮用水生产，他们希望通过这次研究，测试不同滤料、过滤速度以及添加营养物或接种物的效果，从而找出创新策略，从而加快生物活性层 (schmutzdecke)的形成时间，缩短启动周期，并避免其快速堵塞。另一方面，找出可以优化的工艺条件，减少滤池占地面积和床层高度，提高其市场竞争力。

　　其实除了荷兰，世界好多国家都没有停止对慢滤池的研究。2019年美国俄勒冈州水务局在一份专题报告里，就曾用a timeless technology来形容慢滤技术。随着水处理行业对微生物认识的加深，慢滤技术真的有可能在下一个百年里，在城市水处理领域焕发新生。毕竟，谁不喜欢又好又便宜的东西呢？

编辑：王媛媛