[摘 要]介绍了市政污水深度处理中过滤技术的基本原理和典型装置，及国内外在此方面的研究进展。展望了市政污水深度处理中过滤技术的研究前景并指出了存在的问题。
[关键词]市政污水;过滤;深度处理
1 背景
随着水资源的日益紧张，国内外对城市污水处理厂的污水回用已逐步提上日程，要实现污水回用必须对污水进行深度处理，过滤一般作为深度处理的最后一个步骤。有效的过滤不仅可以提高悬浮固体重金属、病毒以及其它物质的去除率，减少消毒费用，还能克服生物和化学处理过程通常的不规则性，使出水水质保持稳定。
水处理中的过滤技术可以追溯到1829年英格兰建造的世界上第一个慢速砂滤池[1]，此后，随着水资源日趋短缺，人们对过滤进行了大量的实验和理论研究，在过滤工艺技术等方面取得了很大发展，本文对近些年来的一些主要工艺技术进展做出评述。
2 污水深度处理中过滤类型及原理
2.1 过滤类型
水处理中常用的过滤一般可分为深层过滤、膜过滤和表面过滤三大类，如图1所示：
其中用于市政污水深度处理的主要是深层过滤，其原理为：过滤介质由固体颗粒堆积成床层构造，或用短纤维多层绕制成管状滤芯，过滤介质的空隙形成许多曲折、细长的通道，被过滤的颗粒比介质内部的孔隙小得多。过滤作用发生于介质的全部空隙体内而不是介质的外表面，悬浮体中的细小颗粒由于热运动和流体的动力作用走向通道壁面，并藉静电和表面力被截留。运行一段时间后，随着截留的颗粒的增加，欲维持相同的过滤速率，必须提高过滤压强。因此，滤料或滤芯在一定操作周期后更新或反冲清理进行再生处理。深层过滤适用于过滤含固量较小的进水。
而膜过滤主要用于自来水厂给水处理、海水淡化、小流量难处理工业废水等场合，表面过滤适用于含固体量较大的场合，在市政污水深度处理中应用较少。
2.2 深层过滤理论研究进展
研究表明，悬浮颗粒经过过滤介质被去除，机械筛滤作用起作用较小，主要是悬浮物与滤料或与已截留的悬浮物之间的附着作用。因此这就涉及两个过程：悬浮物向滤料表面的迁移过程和迁移到滤料表面的悬浮物的附着过程。
迁移过程是悬浮颗粒去除的必要条件。Ives[2]等人认为迁移主要有拦截、惯性、沉淀、扩散和水动力;O’Melia[3]则认为迁移主要是颗粒的布朗运动、分子扩散及流体的流动和重力作用;贾亚军[4]等人通过对迁移行为的分析及模拟，得出五种迁移机理下的深层过滤动力学模型。各种迁移作用是相互关联的，在不同的环境下不同的迁移因素占据的地位也不一致。一般认为直径小于1 μm的悬浮物占主导的是扩散作用，直径大于10 μm的悬浮物，因其密度较大而沉淀作用占主导，颗粒的直径越大，拦截作用越突出。
附着作用主要取决于滤料和水中悬浮物表面物理化学特征，主要是表面双电层、范德华引力、化学键和化学吸引力等的作用。 Stephan[5]等对过滤过程中的§电位研究表明，§电位可以描述宏观过滤行为，通过对高岭土等§电位的测定表明，可以利用§电位的测定来预测过滤性能。随着过滤的进行，悬浮物的去除效率呈先增加后明显下降趋势，对此Mints[1]给出的解释是颗粒在滤料上的沉积速率是常数，吸附和脱附在过滤过程中同时存在，且脱附量与比沉积量成正比。颗粒脱附的原因是流动剪切力超过颗粒间的吸附力以及颗粒碰撞造成的不稳定。
目前有关深层过滤的数学模型主要有以下几类：
1)Iwasaki于1937年提出的唯象理论[1]通过数学模型建立比沉积量与悬浮颗粒浓度、滤层深度和过滤时间等参数的关系，属于宏观分析范畴。唯象理论虽简单易用，但存在没有提供过程机理，模型中没有考虑悬浮物尺寸分布等。尽管如此，其对过滤全过程进行了模型化的表达对滤床的设计及操作具有很好的指导作用。
2)Stephan[6]等将遗传算法原理应用到深层过滤中，实现以较少的实验来获得相对较多的参数。Stephan认为，对不同条件下的深层过滤模型，只需修改算法程序中的一些参数即可，这使得计算机模拟深层过滤的过程成为可能。
3)Osmak[7]采用综合衰变神经网络系统建立了深层过滤中沉降颗粒分布、悬浮物分布与速率分布间的关系。在假流体以接近推流式的方式通过滤床时，构建出新的过滤数学模型。
4)Ortiz[8]等则将计算流体力学应用到深层过滤中，用来描述过滤过程中阻力的时间—空间变化，提出了有效比表面积和对数过滤定律的几何模型。
3 过滤工艺研究进展
3.1 砂滤器
砂滤器是用石英砂或花岗岩砂作为过滤介质来截留水中各种悬浮物。由于它是三维过滤，具有较强的截污能力，经常用作精密过滤。其缺点是操作复杂，如在反冲洗时操作不当，造成滤料流失， 且因长期运行滤料摩损表面变圆，截污能力能力下降，更新滤料。
活性砂过滤器是由瑞典Waterlink AB公司发明的基于逆流原理的连续过滤设备。活性砂过滤器是集混凝、澄清、过滤为一体的微絮凝过滤器，减少了一次性投资成本和占地面积。活性砂过滤器不需停机反冲洗，采用单级滤料，无需级配，因而克服了普通砂过滤器水力分布不均和产生初滤液的问题;内部没有可移动部件，减少了设备的维护和维修成本。北京北小河污水处理厂采用活性砂过滤器处理工艺，CODCr去除率的范围为10.79 %～62.57 %，平均去除率为35.36 %，使用聚合氯化铝时SS的平均去除率为 45.97 %，浊度去除率的平均值为82.55 %[9]。该工艺的不足之处在于当提砂管的气水比较小时，过滤吸附层不能得到有效的冲洗，造成滤层逐渐被含污砂层代替，出水水质变坏;当提砂管气水比较大时，提砂管内的水量较小，提升的砂料较多，滤料在提砂管内清洗效果差，造成出水水质恶化[10]。
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翻板滤池是瑞士Sulzer公司下属工程部的研究成果，因该型滤池的反冲洗排水舌阀(板)在工作过程中是在0～90°范围内来回运动而得名[11]。其工作原理是进水通过进水渠经溢流堰均匀流入滤池，水以重力渗透穿过滤料层，并以恒水头过滤后汇入集水室，滤池反冲洗时，先关进水阀门，然后按气冲、气水冲水冲3个阶段开关相应的阀门[12]，一般重复两次后关闭排水舌阀，开进水阀门，恢复到正常过滤工况。翻板滤池可选择单层均质滤料或双层、多层滤料。一般单层均质滤料采用石英砂或陶粒，双层滤料采用无烟煤与石英砂或陶粒与石英砂。翻板滤池有级配的砾石承托层，滤料一般不会从滤池底部流失。翻板滤池的反冲洗设计有气冲、气水混冲、水冲三个阶段，所以滤料反冲洗洁净度高，过滤时滤层产生的水头损失小。反冲洗水耗低，假设反冲洗周相同，虹吸滤池、V 型滤池及翻板滤池的反冲洗水量分别为产水量的3.8 %、 2.6 %和1.5 %[13]。昆明自来水集团有限公司七水厂即采用该工艺 [14]，实践证明其出水效果良好。
3.2 纤维过滤器
目前应用于水处理的纤维过滤器在设计的方式上有所区别，但是原理基本相同，下面就几种具有代表性的纤维过滤器作介绍。
1) 纤维球过滤器是在容器内填装纤维球形成床层，在床层中纤维球之间的纤维丝可实现相互穿插形成了一个整体。因纤维球具备一定弹性，在压力下滤层孔隙率和过滤孔径由大到小渐变分布，滤料的比表面积由小到大渐变分布。这是一种过滤效率由低到高递增的理想过滤方式，直径较大、容易滤除的悬浮物可被上层滤层截留，直径较小、不易滤除的悬浮物可被中层下层滤层截留。在整个滤层中，机械筛分和接触絮凝作用都得到充分发挥，从而实现较高的滤速、截污容量和较好的出水水质。该过滤器存在的不足之处在于因纤维球是呈辐射状的球体，靠近球中心部位的纤维密实，反洗时污物难于彻底清除，用气、水联合清洗时纤维球易流失，用机械搅拌清洗时纤维球易破碎，且不易洗净。
2) 彗星式纤维过滤器采用彗核形丝束节作为过滤层，上下支承档板采用深沟窄缝栅网结构，自适应滤料构成的滤层其空隙率沿层高呈梯度分布，下部滤料压实程度高，空隙率相对较小，整个滤层由下至上逐渐增大，其横断面空隙均匀，这种独特的滤层空隙率分布特性是同时实现高速过滤和高精度过滤的主要原因。对于一定的滤料填充容积, 其能够提供的有效过滤容积的大小为容积效率，过滤周期长，则滤床截污容量大，容积效率也就越高。
3) PCF型纤维过滤器是用PP、Nylon材质的微细且多束的柔软纤维丝，在过滤器运行的时候施以回转机具或压榨包等去压榨，使其孔隙变小后过滤，清洗时再放松让孔隙舒张，用加压空气和水施以反冲洗以达到去污目的。这种过滤器的运行、反洗方式是纤维滤料与水流的方向呈垂直状态，它是融合了筒式过滤器的精密过滤性能和砂滤反冲洗性能而研制出的新型过滤器。PCF型纤维过滤器的特点是占地面积小，且易于实现自动控制。不足之处是纤维装填量少、运行周期短、反洗频繁。
4) Hans Muller在20世纪70年代中期发明的刷形过滤器[15]，将纤维长丝制成纤维束，每束纤维压在支撑板上，长度根据过滤的流体和效率来定，一般为15～300 mm。过滤时，流体压缩纤维束形成滤层，使通过的液体或气体得到过滤。反洗时，从相反的方向通入反洗液，压紧的纤维束伸展，易于去除其中的杂质。该过滤器的主要特点是结构简单、操作方便。主要不足是纤维呈刷状，容易缠在一起，给反洗带来困难，纤维床层一般较薄，过滤性能不稳定。
5)胶囊式纤维过滤器是将长纤维束悬挂孔板上，装在过滤设备中，纤维束下挂重锤，纤维层中安装数个软质胶囊，运行时将胶囊充水，横向挤压长纤维，使纤维层孔隙率和过滤孔径由大到小渐变分布，反洗时先排净胶囊中的水，使长纤维束床层得以疏松，再用气水联合清洗。目前其缺点是设备较复杂，需设有胶囊充、排水系统及充水计量装置，胶囊易损坏等。
6)无囊式纤维过滤器将纤维束固定在两块孔板之间，其中一块孔板可以在设备内部上下运动，运行时靠水和纤维之间产生作用力，使活动板压实纤维，反洗时在反向力的作用下孔板与运行时反向运动，拉直纤维，在气水的联合反洗作用下，使截留在纤维中的悬浮物得以清除。
7)自压式纤维过滤器是指仅靠水流和纤维层相对运动产生的作用力实现对纤维层的压缩。实际上只要对纤维进行适当处理并保持适宜的装填密度，依靠滤层和水流之间产生的作用力，就完全可以将纤维层压缩。当水流自上向下通过纤维层时，纤维承受向下的纵向压力且越往下纤维所受的向下压力越大。由于纤维束是一种柔性滤料，当纵向压力足够大时就会产生弯曲，进而纤维层会整体下移，最下部纤维首先弯曲并被压缩，此弯曲、压缩的过程逐渐上移，直至作用力相互平衡。由于纤维层所受的纵向压力沿水流方向依次递增，所以纤维层沿水流方向被压缩弯曲的程度也依次增大，滤层孔隙率和过滤孔径沿水流方向由大到小分布，这样就达到了高效截留悬浮物的理想床层状态。
8)旋压式纤维过滤器[16]是英国Eric C. Greek公司研制的一种纤维过滤器，纤维一般采用尼龙、聚酯、丙纶等，纤维直径1～50 μm，长度0.3～2.0 mm，纤维两端编织起来制成薄片，缠在接头上，再用夹紧或黏结的方法固定。过滤时，通过传动机构推动活接头向下滑动，并旋转一定角度使纤维缠绕在内筒上，形成滤层。反洗时，活接头上升，松开纤维，反方向加入清洗液，活接头便在一定范围内旋压，能很快清除床层中的固体杂质。
9)HW深层过滤器[17]由英国Exeter大学分离中心研制，其特点是采用活塞压缩纤维介质，过滤介质选用富有弹性的纤维材料，如羊毛、碳纤维等，纤维直径1～10 μm，滤层厚度20～25 cm。过滤时，活塞压缩过滤介质形成滤层，活塞对纤维的压缩程度决定可滤除颗粒的细度，反冼时，从底部通入反洗液，活塞上升并在一定高度振荡，可加快滤层的再生速度，并节省反洗液。HW过滤器过滤性能和自洁能力效果较好。
10)纤维转盘滤池的过滤介质是纤维毛滤布，其绒毛状表面由尼龙纤维织而成，同时以聚酯纤维做为支撑体，纤维毛滤布的标称孔径为10微米。滤布介质有3~5 mm的有效过滤深度。滤布的深度能够存储俘获的粒子，减小反冲洗流量，同时还可减少正常运行时水头损失。纤维转盘滤池的运行状态包括：过滤、反冲洗、排泥状态。纤维转盘滤池可省掉鼓风机房、反冲洗泵房、提升泵房和预加氯单元，还具有运行费用低，出水稳定及管理维护简单等优势。该项技术已成功应用于无锡梅村污水处理厂改造工程[18]、大连老虎滩污水处理厂回用工程[18]等项目，效果比较好。
4 结语
随着材料科学和深层过滤理论的进一步发展，深层过滤技术在过滤材料方面和过滤理论方面都取得了极大的进步，极大地提高了深层过滤的效果和效率。但是仍存在着深层过滤机理研究不透彻、过滤材料造价高、难于彻底清洗干净、动力消耗大等问题需要进一步研究。——论文作者：刘跃旭
参考文献
[1]Ives K J.London’s water Filtration since1829，por.6 th World Filtration Congress，Nagoya，JaPan，1993，5
[2]许保玖，安鼎年.给水处理理论与设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1992.
[3]O’Melia C R . Particles pretreatment and performance in direct filtration.JEED ASCE.1985，114(6)：874-890.
[4]贾亚军，金同轨.过滤动力学浅析[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版，2002，34(2)：109-111.
[5]Stephan E A，Chase G G.Preliminary examination of zeta potential and deep bed filtration activity[J].Separation and purification technology，2001， 21：219-226.
[6]Osmak S，Gosak D.Dynamic mathematical model of deep filtration process[J].Computers Chem.Eng，1997，21：763-768
[7]Arturo Ortiz-Arroyo.CFD modeling and simulation of clogging in packed beds with nonaqueous media[J].AIChE，2002，48(8)：1596-1609.
[8]Wintgens T，Meling T.The role of membraneprocesses in muncipal wastewater reclamation and reuse[J].Desalination，2005(178)：1-11.
[9]王东，马景辉.DynaSand 活性砂过滤器在市政中水回用中的应用[J].工业水处理，2006.
[10]吕炳南，陈志强.连续式砂滤器过滤技术试验研究[J].南京理工大学学报，2001，25(5).
[11]张伟，陈海松.翻板型滤池的特点及设计探讨[J].中国给水排水，2005， 21(4)：68-71.
[12]李瑞成，戴雄奇，陈鹰.翻板型滤池在实际工程中的设计探讨[J].中国给水排水，2006，22(18)：48-51.
[13]吴济华，马刚.翻板型滤池[J].给水排水，1999，25(12)：21-24.
[14]周俊杰，江庆立.翻板滤池在昆明给水处理中的应用[J].给水排水， 2006，32(3)：37-39.
