高乃云 范瑾初 謝燕菊 盂建平
(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院)

　　硅藻土（ Diatomaceous Eerth ，簡(jiǎn)稱 DE ）是若干萬(wàn)年以前的一種稱作硅藻的單細(xì)胞水生植物的骨骼殘核。當(dāng)硅藻死亡時(shí)，其骨骼沉積下來(lái)，沉到海底或湖底，形成硅藻土礦床。
　　根據(jù)地質(zhì)部海洋地質(zhì)研究所的研究，我國(guó)硅藻土硅藻種屬比較簡(jiǎn)單，除少數(shù)地區(qū)外， 90% 以上都是中心綱圓篩藻科直鏈藻屬、圓篩藻屬、小環(huán)藻屬和冠盤藻屬。直鏈藻屬是主要的淡水浮游硅藻之一，圓篩藻和直鏈藻見(jiàn)圖 1 。

　　普通硅藻土的分子式為 SiO 2 · nH 2 O ，其主要海峽成分是 SiO 2 ，占 64.8-92.6 ％， SiO 2 的含量越高，硅藻土的質(zhì)量越好。其次是 Al 2 O 3 、 Fe 2 O 3 、 CaO 、 MgO 等。硅藻土顆粒粒徑很小，一般粗粒型為 20 － 40 μ，細(xì)粒型為 10 － 20 μ。最小的只有 1 μ，在顯微鏡下才能看見(jiàn)。硅藻土具有極強(qiáng)的吸水性，它能吸收本身重 1.5 － 4.5 倍的水。這是因?yàn)楣柙逋劣袩o(wú)數(shù)小孔和復(fù)孔，其孔隙率一般為 75-85 ％，輕質(zhì)，比表面積大。硅藻土耐酸、耐熱、耐磨，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)毒性
　　硅藻土經(jīng)干燥、粉碎、篩選、配料、鍛燒（ 800 -1000 ℃ ）等一系列加工（即物理化學(xué)處理后），除去其內(nèi)部的各種雜質(zhì)，即成為硅藻土助濾劑。
　　國(guó)外對(duì)硅藻土資源的認(rèn)識(shí)和開(kāi)發(fā)始于 19 世紀(jì)， 1986 年德國(guó)海德?tīng)枺?Heddle ）等人獲得了用硅藻土作過(guò)濾介質(zhì)的第一個(gè)專利，于是德國(guó)成了世界上第一個(gè)生產(chǎn)硅藻土助濾劑的國(guó)家。
　　現(xiàn)在國(guó)外用硅藻土作原料加工的產(chǎn)品已達(dá) 500 多種，其中助濾劑達(dá) 150 余種。且助濾劑在整個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中所占的比重有逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。
　　世界硅藻土的主要生產(chǎn)國(guó)有美國(guó)（占 40 ％）、原蘇聯(lián)（占 18 ％）、丹麥（占 12 ％）、法（占 13 ％）國(guó)，還有阿爾及利亞、墨西哥及德國(guó)等，這七個(gè)國(guó)家的總產(chǎn)量約占世界目前總產(chǎn)量的 90% 以上。助濾劑的主要生產(chǎn)國(guó)和輸出國(guó)為美國(guó)、德國(guó)及法國(guó)。
　　據(jù)報(bào)道，世界硅藻土制品總產(chǎn)量已超過(guò) 200 萬(wàn)噸，其中助濾劑的產(chǎn)量達(dá) 130 余萬(wàn)噸，并正以 3-3.5 ％的年平均增長(zhǎng)率不斷增長(zhǎng)。
　　我國(guó)硅藻土資源的開(kāi)發(fā)和研究均遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界先進(jìn)國(guó)家。1935 年，我國(guó)首次發(fā)現(xiàn)硅藻土，這是地質(zhì)學(xué)家楊鐘健先生前往山東山旺考察新生代地層，采集化石標(biāo)本時(shí)發(fā)現(xiàn)的。從三十年代至五十年代，是我國(guó)對(duì)硅藻土資源開(kāi)始認(rèn)識(shí)階段，主要局限于古生物學(xué)和地學(xué)范疇，多屬描述性質(zhì)的定性研究。六十年代及七十年代，是我國(guó)硅藻土助濾劑生產(chǎn)的初級(jí)階段。寧波、上海、長(zhǎng)白三廠相繼生產(chǎn)助濾劑，主要使用單位局限于醫(yī)藥行業(yè)及少數(shù)企業(yè)，如上海石化總廠。八十年代，是我國(guó)硅藻土助濾劑生產(chǎn)和科研開(kāi)始起步和迅速發(fā)展的階段，我國(guó)啤酒、白酒、果酒及飲料工業(yè)發(fā)展很快，正在大量采用硅藻土過(guò)濾。據(jù)悉，全國(guó)已探明硅藻土儲(chǔ)量大約 1.3 億噸，估算遠(yuǎn)景儲(chǔ)量超過(guò) 10 億噸，其中云南可能超過(guò) 6 億噸，浙江超過(guò) 2 億噸。全國(guó)硅藻土資源主要集中在云南、浙江、吉林三省，同時(shí)已在山東、黑龍江、湖北、河北、安徽、江西、廣東、四川和西藏等省區(qū)亦發(fā)現(xiàn)硅藻土礦產(chǎn)。
　　1987 年，全國(guó)助濾劑的實(shí)際生產(chǎn)總量約 2000 － 2300 噸，均用于啤酒、白酒、飲料和某些油類過(guò)濾，但在水處理方面未得到應(yīng)用。 60 年代，同濟(jì)大學(xué)曾進(jìn)行過(guò)硅藻土過(guò)濾水研究，但因故中斷。 1990 年開(kāi)始，同濟(jì)大學(xué)與法國(guó)利安水務(wù)公司合作，系統(tǒng)地進(jìn)行了硅藻土用于水處理的研究。
　　 硅藻土過(guò)濾系統(tǒng)和工藝操作 用于水過(guò)濾的硅藻土過(guò)濾器分為壓力式和真空式以及往復(fù)式三種，其中壓力式使用最為廣泛，見(jiàn)圖 2 。
　　硅藻土過(guò)濾工藝較一般砂濾，除過(guò)濾與反沖洗階段以外，還多一個(gè)預(yù)涂環(huán)節(jié)，即濾膜形成階段。
1.預(yù)涂

　　將事先在預(yù)涂桶內(nèi)配好的一定濃度的硅藻土漿液打入過(guò)濾器內(nèi)，經(jīng)反復(fù)循環(huán) 10 － 15min ，直到循環(huán)液清徹透明并達(dá)到濁度要求為止。液體流速要大于過(guò)濾器濾速，以免硅藻土在預(yù)涂過(guò)程中因流速太小而沉積在管道中，影響過(guò)濾出水水質(zhì)。每平方米過(guò)濾面積可預(yù)涂 500 － 1000 克 硅藻土，經(jīng)預(yù)涂可形成約 1 － 2mm 厚的預(yù)涂膜。所采用硅藻土的品種、規(guī)格、主要取決于原水水質(zhì)、濾后水水質(zhì)要求及過(guò)濾過(guò)程中水頭損失增長(zhǎng)速度。
2. 過(guò)濾
　　預(yù)涂結(jié)束后，即進(jìn)行過(guò)濾，為了減緩過(guò)濾過(guò)程中的水頭損失的增長(zhǎng)速度，往往還需要投加適量的硅藻土至原水中，稱作附加劑。
附加劑投入水中，與水中的懸浮物和膠體粒子均勻混合后沉積在預(yù)涂層或?yàn)V餅的表面，連續(xù)地形成新的濾面，使濾餅始終保持了良好的濾過(guò)性。微細(xì)的硅藻土顆粒既具有捕獲液體中懸浮雜質(zhì)的能力，又允許液體通過(guò)類似迷宮的微孔孔道，見(jiàn)圖 3 。當(dāng)原水中含懸浮物和膠體物質(zhì)較少時(shí)，過(guò)濾過(guò)程中可不必投加附加劑。
　　 當(dāng)一個(gè)過(guò)濾周期結(jié)束，即水頭損失達(dá)到期終允許值時(shí)，實(shí)際上硅藻土往往并沒(méi)有得到充分利用，特別是在自來(lái)水精濾過(guò)程中，一個(gè)過(guò)濾周期結(jié)束（如水頭損失達(dá)到 13 － 14 米 左右），濾餅中含有硅藻土（預(yù)涂劑和附加劑）與雜質(zhì)顆粒，為了充分利用硅藻土，

　　再重新開(kāi)始一個(gè)過(guò)濾周期，這種做法叫硅藻土的重復(fù)利用。即當(dāng)一個(gè)過(guò)濾周期結(jié)束時(shí)，先將過(guò)濾器進(jìn)、出水閘門關(guān)上，保持濾器內(nèi)具有一定壓力，防止濾餅脫落過(guò)多，在過(guò)濾時(shí)應(yīng)先循環(huán) 15 分鐘左右，當(dāng)水質(zhì)達(dá)到要求后再進(jìn)行過(guò)濾，并繼續(xù)投加附加劑。也可以采用另一種方法，將濾餅倒流入預(yù)涂桶中，然后用此漿液再進(jìn)行預(yù)涂，重新開(kāi)始一個(gè)過(guò)濾周期。
　　一般情況下，水泵重新開(kāi)啟，開(kāi)始一個(gè)新的周期，往往起始水頭損失一次比一次高，但在過(guò)濾過(guò)程中，水頭損失的增長(zhǎng)速度隨著重復(fù)利用次數(shù)的增加，一次比一次緩慢。在保證濾后水水質(zhì)的前提下，一般硅藻土濾餅可重復(fù)利用的次數(shù)與原水水質(zhì)有關(guān)。對(duì)于濁度較低的原水，曲濾餅重復(fù)利用的次數(shù)可達(dá) 6-7 次，圖 4 所示的曲線為濾餅重復(fù)利用 6 次，每次過(guò)濾過(guò)程中時(shí)間與水頭損失的關(guān)系曲線。
　　操作過(guò)程中，若萬(wàn)一發(fā)現(xiàn)澄清度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可先打開(kāi)循環(huán)閘門，關(guān)團(tuán)出水閥門，將含有硅藻土和雜質(zhì)的濾餅再作循環(huán)預(yù)涂，待濾液清徹透明，符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即可轉(zhuǎn)入正常過(guò)濾。
3 ．反沖洗
　　當(dāng)起始水頭損失值較大或過(guò)濾過(guò)程中水頭損失增長(zhǎng)很快時(shí)，需進(jìn)行反沖洗。常用的反沖洗方式是反向水流沖洗法，一般以 8 — 10L /s.m 2 沖洗強(qiáng)度，僅 2min 左右，即可沖洗干凈。實(shí)缺踐證明，沖洗務(wù)必徹底、干凈，否則將影響下一周期的過(guò)濾。

二、硅藻土過(guò)濾機(jī)理

　　硅藻土贊助濾劑是一種用來(lái)提高濾速、改善澄清度的過(guò)濾材料，它有獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)和顆粒分布范圍，能在一定的濾速范圍內(nèi)濾除最細(xì)小的懸浮固體，甚至可以濾除 1 — 0.1 μ的雜質(zhì)顆粒。由于硅藻土助濾劑能形成堅(jiān)固的格子結(jié)構(gòu)型濾餅，從而保持了良好的滲透性。
　　 這種濾餅結(jié)構(gòu)能使穿過(guò)濾餅的水中的細(xì)小顆粒和膠體雜質(zhì)被截留在格子骨架上，使水流通過(guò)的曲折溝道流出。硅藻土過(guò)濾可以除濁、除菌、除鐵、除錳、脫色等，歸結(jié)起來(lái)，作用機(jī)理有以下三種：

1. 篩分作用
　　當(dāng)水流流經(jīng)過(guò)濾介質(zhì)時(shí)，粒徑大于過(guò)濾介質(zhì)時(shí)孔隙的雜質(zhì)顆粒被截留下來(lái)的作用叫篩分作用，篩分作用往往在濾餅表面發(fā)生，篩分作用在硅藻土過(guò)濾中占主要地位。
2. 阻留作用
　　此種作用也叫深層過(guò)濾和深度效應(yīng)，其分離過(guò)程只發(fā)生在過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部。苯酚穿過(guò)濾餅表面的較小的雜質(zhì)粒子，被過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部深而曲折的微孔溝道和濾餅內(nèi)部更小的孔隙所阻留，故成為阻留作用。
3. 吸附作用
　　某些硅藻土過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部孔隙還小的顆粒，碰撞在多孔材料內(nèi)部表面上，并被相反電荷所吸引。還有一種是粒子間的相互吸引所形成鏈團(tuán)而粘附在過(guò)濾介質(zhì)上，稱為吸附作用，此種靜電捕獲作用比前兩種較為復(fù)雜。
　　 從以上三種作用看，給水過(guò)濾中采用硅藻土助濾劑作為過(guò)濾介質(zhì)，主要的目的是將水中的懸浮固體和膠體雜質(zhì)顆粒截留在介質(zhì)的表面及孔道中，以使固液達(dá)到分離。

三、投加化學(xué)藥劑的作用

　　硅藻土過(guò)濾中，水頭損失 h 、濾速 v 、過(guò)濾周期 T 、附加劑量 a 及原水水質(zhì) c 是影響過(guò)濾效果的幾個(gè)主要因素，且相互聯(lián)系。對(duì)于待定的原水，在保證水質(zhì)的前提，濾速高，過(guò)濾周期長(zhǎng)是硅藻土過(guò)濾技術(shù)研究的關(guān)鍵。
　　按傳統(tǒng)的硅藻土過(guò)濾，一般只在原水中投加附加劑，不投加任何化學(xué)藥劑，在已有資料報(bào)道中，雖然也提到過(guò)在預(yù)涂層中可投加適量混凝劑但缺乏詳細(xì)技術(shù)資料報(bào)導(dǎo)，更缺乏投加化學(xué)藥劑的經(jīng)濟(jì)效果報(bào)導(dǎo)，我們做了以下三種過(guò)濾試驗(yàn)。
　　在預(yù)涂劑中投加 Al 2 (SO 4 ) 3

　　表 1. 所示的試驗(yàn)記錄，即在預(yù)涂漿液中投加 Al 2 (SO 4 ) 3 ，其效果對(duì)應(yīng)圖 5 中的曲線。

出　　自： 《上海市給水排水技術(shù)情報(bào)網(wǎng)第三屆年會(huì)論文集》，年10月（注：本文被評(píng)為上海市給水排水技術(shù)情報(bào)網(wǎng)第三屆年會(huì)優(yōu)秀論文二等獎(jiǎng)）。
發(fā)表時(shí)間 ： 1993-10