過濾除藻介質(zhì)及方法的研究進展

馮唐鍇+司春燦+林英+張耀+付金梅

摘 要：淡水富營養(yǎng)化污染會造成有害藻體暴發(fā)式生長而形成“水華”，嚴重危害水體資源和水生態(tài)平衡。有效去除有害藻體是水處理中的重要工作。過濾除藻在實踐中被廣泛應用，各類過濾介質(zhì)、裝備及工藝組合的使用，能夠帶來不同的除藻效果。該文圍繞過濾除藻工藝中過濾介質(zhì)的選擇及其使用效果以及配套措施展開了綜述，介紹了相關研究的新進展。

關鍵詞：過濾；水藻；環(huán)境污染；富營養(yǎng)化

中圖分類號 TU991.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）07-0101-03

水體富營養(yǎng)化（eutrophication）是指水中氮、磷、鉀等元素含量過度增多，導致藍藻等藻類及浮游動物等水體微生物呈惡性暴發(fā)式生長，并進一步使水體質(zhì)量急劇下降的污染現(xiàn)象。淡水水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象發(fā)生時，水面往往呈現(xiàn)各種不同顏色，故又稱之為“水華”。富營養(yǎng)化水體中出現(xiàn)最多的生物是藍藻和其他微小藻類，特別是藍藻綱的銅綠微囊藻、魚腥藻、顫藻等，此外，甲藻、鞭毛藻、硅藻、珊藻也常常是過度繁殖的種類。大量有害藻體在水中堆積生長并死亡后，會產(chǎn)生有害藻毒素、降低水的氧容量、散發(fā)硫化氫等化合物，給水體帶來異味，使得細菌大量繁殖、水生動植物死亡，甚至產(chǎn)生致癌物而危害水體安全[1]。因此，有效去除水中藻體是保障水質(zhì)的重要手段之一。

目前除藻的主要方法都是基于各種化學、生物和物理技術[2]?；瘜W除藻即使用化學藥劑除藻，常用的試劑有高錳酸鉀、硫酸銅、臭氧、二氧化氯、液氯等，其優(yōu)點是工藝簡單、操作便利、效果好。但大量使用此法容易在遏制水華以后，對水體造成新的化學污染?；瘜W除藻法的發(fā)展方向應該是探索發(fā)現(xiàn)環(huán)保無污染的除藻試劑。生物除藻指的是利用食物鏈，即生態(tài)制衡關系，抑制有害藻體的生長，主要包括水生動物抑藻、水生植物抑藻、藻類抑藻、硝化細菌抑藻等。生物除藻的優(yōu)點是生態(tài)環(huán)保無污染，缺點是周期長、見效慢，需要長期維護，且具有較多的使用條件。物理除藻即使用物理方法處理水中藻體，主要方法有直接過濾除藻、氣浮除藻、粘土除藻等，主要技術有微濾除藻、生物膜吸附除藻、混凝沉淀除藻等。物理除藻的優(yōu)點是簡單直接無污染，但費用昂貴，適用于局部水體或小水體的除藻[3]。上述方法中過濾除藻較為常用，效果也相對較好。本文將圍繞過濾除藻的介質(zhì)和方法進行綜述，介紹過濾除藻的一些新研究和新方法。

1 過濾除藻概述

過濾是在各類外力作用下顆粒懸浮液通過過濾介質(zhì)后，所含顆粒物被介質(zhì)截留，從而使其與溶劑分離的操作，該技術在水體除藻中被廣泛應用。通常湖泊水中的藻體可以利用過濾池或大型過濾器、濾床直接過濾，局部少量水體也可以利用濾網(wǎng)等介質(zhì)進行微濾，以除去水中直徑較大的浮游藻類藻，方法簡單易行。過濾介質(zhì)對提高除藻效率的作用十分重要，采用不同的過濾介質(zhì)，配合不同的工藝，得到的去藻效果不同，其應用對象也有差異。

2 過濾除藻介質(zhì)及方法的研究進展

2.1 纖維介質(zhì)過濾除藻 最簡單直接的過濾除藻方法是利用纖維為介質(zhì)，直接對水中藻類進行過濾。水處理過程中可用的纖維種類繁多，例如，周緒申等[4]利用常見的生活或?qū)嶒灷w維作為介質(zhì)進行除藻過濾研究。所用纖維介質(zhì)有脫脂棉、快速濾紙、腈綸、海綿、孔徑45μm細銅絲網(wǎng)、無紡布、植物秸稈纖維、紗布、25號浮游生物網(wǎng)、尼龍擦洗布。研究結(jié)果表明上述材料中總藻細胞過濾效率超過80%的有脫脂棉、快速濾紙和腈綸，去除藍藻效率超過80%的有脫脂棉、快速濾紙、腈綸、無紡布和海綿。去除總藻細胞和藍藻效率最好的都是脫脂棉，分別高達99.3%和96.02%。各類材質(zhì)過濾藻類速度由快到慢排列情況為：海綿>植物秸稈纖維>尼龍擦洗布>紗布>腈綸>25號浮游生物網(wǎng)>細銅絲網(wǎng)>脫脂棉>無紡布>快速濾紙。從上述情況可以看出，通常濾速快的材質(zhì)，過濾效果較差；過濾效果好的材質(zhì)，濾速又較慢。快速濾紙這樣的致密材料，很容易被藻體堵住濾孔。折中來看，過濾效果較好、速度也適中的為腈綸和海綿。另外，余國忠等[5]以丙綸絲為介質(zhì)配合自制轉(zhuǎn)鼓濾床裝置，對含藻量很高的水體進行直接過濾除藻，也取得了一定的效果。該研究中丙綸絲濾床能夠有效去除藻體，除藻裝置與吸附-絮凝效應配合使用效果更佳，而在除藻過程中增加了氣水聯(lián)合連續(xù)反沖洗步驟，從而更能保證過濾裝置除藻的穩(wěn)定性。馬鐘瑛等[6]則采用高效滌綸高彈絲纖維球作為過濾介質(zhì)，研究纖維一微絮凝過濾工藝的除藻效果。單個纖維球含3 000余根長2～3cm、粗10～15mm的纖維絲。濾層上松下緊排布，孔隙率自上而下由大到小呈梯度變化，纖維球裝填密度1.194g/cm2、高度80cm、平均孔隙率92.9%。該工藝借助絮凝劑在原水中生成微細凝絮后，吸附在介質(zhì)界面上完成絮凝分離過程，結(jié)果顯示其最高總藻去除效果可達70%。工藝整體具有除藻效果明顯、使用藥劑少、作用時間短、工藝流程簡化等特點。

2.2 石英砂介質(zhì)過濾除藻 石英砂是一種十分常見的直接過濾介質(zhì)，如李貴霞等[7]利用粒徑0.9～1.2mm的均質(zhì)石英砂進行直接過濾除藻研究，總藻去除率高達90%以上，特別是對藍纖維藻和微囊藻的去除效果最好。李永成[8]等則進一步研究了表面涂布氧化鐵、氧化鈦的石英砂用于過濾除藻的效果，結(jié)果表明，通過表面涂布氧化鈦或氧化鐵對石英砂改性，可以顯著提高其用于過濾除藻時的作用效率，除藻效果比普通石英砂好，氧化鈦改性石英砂對藻細胞的去除效果又較氧化鐵更好。改性石英砂能更加有效地去除藻體主要與石英砂表面附著的金屬離子與藻體表面有機基團的靜電相互作用力有關，未處理的石英砂則沒有這種能力。另外，改性石英砂過濾法配合磷酸加聚氯化鋁鐵混凝法進行除藻效果更好。

2.3 超濾膜過濾除藻 近年來，超濾膜過濾在水藻處理中的應用很廣，其原理是以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動力，以超濾膜為介質(zhì)，在壓差下水體流過膜表面時，水、無機鹽、小分子可透過膜，水藻和其他生物顆粒及大分子不能通過。超濾膜過濾藻體具有驅(qū)動力小、能耗低、占地面積小、出水水質(zhì)高等特點，但是容易造成藻體在膜表面截留和膜孔堵塞。趙虎等[9]采用聚氯乙烯（PVC，Polyvinylchloride）金屬合金中空纖維超濾膜為介質(zhì)，對含藻水分別進行了水體過濾的小試及中試實驗，研究了超濾體系在處理水藻時，超濾膜的運行情況及不同工藝去除藻體的效果。研究表明超濾膜對對藻體的去除率接近100%。超濾膜過濾配合各種試劑組合，提高了水通量，則能大大提高了超濾效率。

李滿屯等[10]研究了聚氯乙烯和聚偏氟乙烯（PVDF，Polyvinylidene fluoride）制成的超濾膜過濾去除水中藻體的效果。兩種超濾膜對藻類的去除率均接近100%，比常規(guī)石英砂過濾的平均去除率提高近20%。兩種材質(zhì)的超濾膜去除藻類的效果相近，但PVC超濾膜比PVDF超濾膜抗污染效果更好。美中不足的是，該研究發(fā)現(xiàn)水的膜通量會隨著溫度的下降而下降，隨著液位的上升跨膜壓差也會不斷下降。此研究還以超濾膜過濾技術為核心，分別將微絮凝、ClO2-微絮凝、氣浮-微絮凝、粉炭-微絮凝等方法與超濾工藝組合用于過濾除藻，結(jié)果顯示各類組合工藝均可不同程度地提高濾膜的使用效果。

聚氯乙烯和聚偏氟乙烯都是有機化合物，它們制成的超濾膜在過濾過程中容易粘附藻細胞及其分泌物，從而形成膜污染，并進一步降低膜通量、升高跨膜壓差，影響膜壽命和產(chǎn)水效率[11-12]。吳啟龍等[13]研究了陶瓷膜超濾除藻的效果，結(jié)果表明利用陶瓷膜超濾藻細胞，去除率也能達到100%，出水中沒有檢出藻體細胞，且水質(zhì)也不隨過濾時間的延長而改變。不過和有機膜相似的是，陶瓷膜超濾膜通量也同樣會隨過濾時間的推移而下降，這說明藻體對陶瓷膜過濾通量影響也非常顯著，需要往處理水中加入次氯酸鈉方能改善這種影響。

2.4 氣浮與過濾結(jié)合除藻 氣浮法除藻是讓水中藻體粘附在人工制造的高度分散微小氣泡上形成“水-氣-藻”三相混合體系，其密度小于水，會產(chǎn)生浮渣而被有效去除。徐竟成等[14]利用該方法有效去除了城市景觀水體中的藻類。張聲等則在氣浮法的基礎上，進一步利用活性炭、石英砂雙層介質(zhì)處理高藻水，水藻總?cè)コ蔬_95.1%，且出水各項指標均滿足飲用水標準[15]。

3 展望

從上述一系列的研究中我們可以看到，過濾法在水體除藻中被廣泛應用，但是各類方法都存在一些不足，最大問題在于過濾效果、過濾時間及水通量三者之間的矛盾，其次還包括實驗效果與實際應用效果之間的差異。通常過濾效果較好的介質(zhì)或濾膜，往往孔徑較小，過濾所需時間長、速度較慢，還容易堵塞，而過濾速度快，不容易堵塞的介質(zhì)或濾膜，往往空隙較大，過濾效果差。因此，在藻體過濾過程中，使用過濾效果好的介質(zhì)往往都需要配合加入各類化學試劑處理來幫助提高過濾效率。如果能夠找到一種性能更好的介質(zhì)，它能夠同時有效提高過濾效果和過濾速度，那將為水體除藻工藝的發(fā)展提供極大的幫助。

本文研究團隊及合作伙伴在前期的研究過程中，研制出了一種膨脹式發(fā)泡微球特種陶瓷材料，該材料是一種從未有過的全新材料，其基礎材質(zhì)為可適當修飾的二氧化硅，微球熔點大于1 600℃；粒徑0.5～10mm不等；導熱系數(shù)為0.05w/（mk）；抗壓強度達1.5MPa。電鏡掃描結(jié)果顯示該微球表面含各種大小不同的孔徑和縫隙，具有良好的親水性，這使得該陶瓷微球具有較強的吸附性特點。我們認為該微球材料或許在藻體過濾過程中作為過濾介質(zhì)具有一定的開發(fā)使用價值，這將是本文研究團隊今后工作的重點。

參考文獻

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（責編：張宏民）