改性石英砂滤料强化过滤处理含藻水

马 军，盛 力，王立宁
( 哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨 150090)

　　摘　要：采用改性石英砂滤料强化过滤处理含藻水的试验结果表明，与石英砂滤料相比，改性石英砂滤料对含藻水具有优良的处理效果；经混凝沉淀后水中的余铝对藻类的去除有促进作用。
　　关键词：改性砂滤料；含藻水；强化过滤；余铝
　　中图分类号：TU991.24
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2002)10-0009-03

Use of Modified Quartz-sand Filter Media for Enhanced Filtration of Algae-laden Water
MA Jun, SHENG Li, WANG Li-ning
(School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,?Harbin 150090,China)

　　Abstract：Modified quartz-sand filter media was used for enhanced filtration of algae-laded water in an experiment.The result showed that as compared with quartz-sand filter media,the modified quartz-sand is more efficient in treatment of algae-laden water;the residual aluminum in water after coagulation/sedimentation will contribute to the removal of algae.
　　Keywords: modified quartz-sand filter media; algae-laden water; enhanced filtration; residual aluminum

　　藻类的代谢产物会产生各种嗅味和对人体有害的藻毒素，同时也会显著地增加给水处理难度，严重时可堵塞取水口、输水管道和滤池，影响产水量。对含藻水的处理包括传统的常规处理、气浮过滤、直接过滤、微滤机过滤以及预投氧化剂杀藻等方法，除微滤机过滤外，其他方法都包含滤床过滤，即过滤是强化除藻的关键环节，因此强化滤床过滤效能对含藻水的处理有着重要作用。
　　藻类由于其自身分泌的有机物包裹在细胞膜外，一般表面带有负电荷，而且具有一层水化膜，这些性质使藻细胞颗粒很难沉积、粘附在滤料表面，故常有一些藻类颗粒穿透滤池而影响出水水质。研究结果表明，将石英砂表面涂覆一层金属氧化物能够显著提高过滤效果，故采用某种化学方法将石英砂滤料表面改性，并就改性砂对含藻水强化过滤效果进行了试验。

1 试验材料和方法

1.1 藻类的培养和计量
　　试验用含藻水由实验室所培养的藻类配制而成。将取自城市人工河的藻种加入盛有纯无机培养基的透明容器中进行培养(水温为25 ℃)，用60W的白炽灯连续照射约一个月后，培养基呈现很浓的绿色，经镜检观察主要为小球藻和少量颤藻，藻类在水中稳定悬浮不沉淀，故可用来配制含藻水。
　　藻类的计量通常采用显微计数法，但误差较大。因各种藻类都含有叶绿素a且含量较高，故通过测定叶绿素a的含量来表征水中藻类的含量(叶绿素a的测定采用Lorenzen提出的单色光分光光度法)。
　　分析混凝沉淀前后藻类颗粒的性质时，先用光学显微镜观测藻类颗粒的大小，再用显微电泳仪测定藻类颗粒的Zeta电位。
1.2 过滤试验
　　试验用滤柱为底部带有多孔托板的玻璃柱，内径为28mm，柱内装有250mm高的滤料。石英砂和改性砂滤柱的过滤试验平行进行。石英砂粒径为0.5～1mm，改性滤料由相同粒径的石英砂制得。
　　从培养基中取一定量的浓含藻水，加入到放置一段时间后的自来水中，混合静置2h待用。将配制的含藻水加入一定量的硫酸铝进行混凝沉淀，取出沉后水用于过滤。待滤水通过高位水箱流入滤柱中，保持滤速约为3m/h。
1.3 余铝的测定
　　部分水样需测定余铝含量，采用铬天青S-乳化剂OP分光光度法测定。

2 结果与分析

2.1 直接过滤效果对比
　　对含藻水进行直接过滤后的藻类含量见图1。

　　由图1可见，改性砂对含藻水的直接过滤效果略好于石英砂。部分滤后水样含藻量高于原水的原因可能是由于滤速发生变化使滤料上附着的部分藻类被冲刷脱落下来进入滤后水。过滤10h后两种滤料对藻类的去除率相近，可能是由于在过滤的前10h截留的藻类覆盖在滤料表面使两种滤料的表面性质差异变得很小所致。
　　两种滤料的粒径相同，改性砂对含藻水的直接过滤效果优于石英砂应归结于二者表面性质的差异。改性砂滤料比石英砂滤料的比表面积大，表面更加粗糙，在水中的表面电位也更接近于中性，这些因素都有利于水中的藻类颗粒接近并沉积、粘附在滤料表面；另一方面，改性砂表面带有更多的弱酸性官能团，可与藻类细胞的胞外有机物络合，使藻类颗粒结合得更加紧密而不易脱落。随着过滤过程的延续，滤料表面粘附一层藻类之后，其表面性质的差异变小，因此在含藻水直接过滤10h后，石英砂和改性砂对藻类的去除率差别很小。
2.2 混凝沉淀后过滤效果的对比
　　图2、3是含藻水经混凝沉淀、过滤后的藻类含量对比，两种滤料对藻类的去除率见表1。

处理方式 对藻类的去除率 表1 两种滤料对藻类的去除率对比 %? 改性砂 石英砂 直接过滤(滤前水叶绿素a含量57.5 mg/L) 28.5 21.7 混凝沉淀后过滤(滤前水叶绿素a含量147.73 mg/L) 60.9 30.3 混凝沉淀后过滤(滤前水叶绿素a含量49.14 mg/L) 65.3 43.8

　　由图2、3和表1可见，经混凝沉淀后再过滤对藻类的去除率要高于含藻水直接过滤，而改性砂对藻类的去除效率优于石英砂。混凝沉淀后水中含藻量降低时对藻类的去除率上升，而沉后水中藻类含量较高时两种滤料对藻类的去除率差别较大。在混凝沉淀后藻类的去除率随过滤时间的延长而降低，个别石英砂滤柱的滤后水样中叶绿素a含量高于滤前水，而改性砂在过滤16h后仍保持着较高的去除率，可见改性砂对藻类的过滤截留容量远高于石英砂。
　　两种滤料对混凝沉淀后含藻水的过滤效果都要好于直接过滤，这包含几方面的原因：混凝沉淀后水中残存的藻类颗粒在混凝过程中有了一定的凝聚，粒径有所增大，使过滤效果更佳；镜检结果表明，水中藻类颗粒平均粒径约为4～5μm，混凝沉淀后剩余藻类颗粒不仅聚集在一起(有相当一部分粒径＞10μm)，而且使部分表面电荷被中和，减小了静电排斥作用，更有利于藻类颗粒在滤料表面的粘附。
2.3 Zeta 电位的对比
　　图4是石英砂和改性砂的Zeta电位对比。可以看出，改性砂表面的零电点pH值约为5，而石英砂表面pH值约为3。在水样pH值为6.8的试验条件下，改性砂表面的Zeta电位为-14.5mV，石英砂表面为-34.8mV，未经混凝沉淀的含藻水中藻类颗粒的Zeta电位为-24.7mV，混凝沉淀后Zeta电位为-14.7mV。

　　由此可见，在该试验条件下改性砂的Zeta电位远高于石英砂，故与藻类颗粒的静电排斥作用更小，使藻类颗粒更易于靠近滤料表面，从而提高对藻类颗粒的去除率。同样，混凝沉淀后水中剩余的藻类颗粒由于负电性减弱，与滤料的静电排斥作用降低，也有利于去除率的提高。
2.4 余铝含量
　　分别测定混凝沉淀后及滤后含藻水的铝含量(含藻水经0.8μm的改性石英砂滤膜过滤后测定滤液的铝含量)，结果见表2。

表2 混凝沉淀后及滤后含藻水的铝含量 项目 改性砂 石英砂 截留 穿透 截留 穿透 混凝沉淀后铝含量(mg/L) 0.7 0.8 1.5 0.8 过滤后铝含量(mg/L) 0.19 0.26 0.95 0.73 过滤去除率(%) 73 67 37 8.8 注： 含藻水叶绿素a含量为49.14 mg/L。

　　由表2可以看出，水中剩余的铝一部分被微孔滤膜截留，一部分溶解在水中。孔径为0.8μm的改性石英砂滤膜可将水中绝大部分的藻类截留但不能截留溶解于水中的铝，可以认为被滤膜截留的铝都是附着于藻类颗粒上的。改性砂对附着于藻类上的和其他形态铝的去除率都要远高于石英砂，两种滤料对吸附于藻类颗粒上铝的去除率略高于对藻类颗粒的去除率，这说明吸附了较多铝的藻类颗粒相对于未吸附或吸附较少铝的藻类颗粒能够被优先过滤去除，可见残余铝对藻类的过滤去除起到了一定的促进作用。?

3 结论

　　① 改性砂对含藻水的直接过滤效果略好于石英砂。?
　　② 改性砂对混凝沉淀后含藻水的过滤效果明显优于石英砂，尤其是过滤截留容量远远大于石英砂。?
　　③ 混凝沉淀后含藻水中的残余铝对藻类颗粒的去除有促进作用。

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　　作者简介：马军(1962- )，男，黑龙江宁安人，哈尔滨工业大学教授、博士生导师，教育部长江学者奖励计划特聘教授，主要研究方向为给水处理。
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　　收稿日期：2002-03-22