不老的砂濾技術(shù)

你知道嗎？世衛(wèi)組織有份報告說，西方濾池的歷史可追溯到1804年，當時一個叫John Gibb的蘇格蘭人發(fā)明了一個試驗性的過濾裝置，主要用于他自家的漂白工場，多余的過濾水以每加侖0.5鎊的價格賣給當?shù)厝恕Ｖ蟮?0多年里，不少人都對砂濾池的設(shè)計細節(jié)進行改進。到了1829年，砂濾池進入市政領(lǐng)域——一位叫James Simpson的工程師，為倫敦的切爾西水務(wù)公司建造了慢砂濾池(Slow Sand Filter)。這被業(yè)界視作市政水處理史上的第一個砂濾池。

早期的濾池僅用于去除濁度，但后來人們發(fā)現(xiàn)，隨著時間推移，濾池表面會逐漸長出一層有機物，過濾效果也會因此得到提升。如今科學家都把這層物質(zhì)叫做Schmutzdecke。一看就知道它是德語，英文可譯作dirt cover，專業(yè)點說，它是生物活性層。通過對出水的化驗分析，人們發(fā)現(xiàn)濾池不僅能氧化水中的氮，還有更重要的作用——1886年，英國人Edward Frandland借用當時著名德國科學家Robert Koch發(fā)現(xiàn)的霍亂弧菌的微生物檢測技術(shù)，發(fā)現(xiàn)慢濾池能夠去除細菌。

寫到這里，小編有點小感慨：有時覺得我們?nèi)祟惡芏鄷r候真的很幸運，在科學家們正式發(fā)現(xiàn)疾病可以通過水中細菌傳播之前(1883年Robert Koch發(fā)現(xiàn)霍亂通過水傳播)，濾池因為可以去除病原微生物，因此已在不知覺中幫人類大大降低了病從口入的風險。在此推薦大家讀一下G.R. Scott發(fā)表于1954年的《濾池建造及運行簡史(Short History of Filter Construction and Operation)》，借用那文章里的話：“在水處理的早期，砂濾池是去除有害微生物的唯一屏障。”所以在小編看來，濾池在水處理發(fā)展史中，有著比活性污泥法更重要的地位。

快濾池的興起

Schmutzdecke這個生物活性層其實是把雙刃劍，雖然在去除微生物方面起著積極作用，但隨時間推移，Schmutzdecke會增厚到不可穿透，此時必須移除這層生物膜，并對濾池作重新啟動。重啟時間也會讓人十分焦急，因為會長達6個月左右。這也注定了慢濾池誕生之后，快濾池的面世是遲早的事。畢竟人類在追求“好快多省”的路上從未停歇。

1872年，美國建成第一個慢砂濾池，地點位于紐約州的Poughkeepsie城。10年后的1882年，美國人發(fā)明了第一個快濾池，地點位于新澤西州的Somerville。和慢濾不一樣，由于向原水投加了混凝劑，快濾池表面會形成一層化學膜，相當于替代了慢濾中的Schmutzdecke。但由于混凝劑和固體物質(zhì)的積累造成嚴重的水頭損失，快濾需要增加反洗的工序。

盡管這一代的快濾池普遍存在濾料清洗不徹底、反洗水量大等缺點，但由于其過濾速度遠高于慢濾池，占地面積又大大減少，所以快濾很快成為市場的寵兒。

1972年，法國得利滿公司（Degremont）更進一步，發(fā)明了V型濾池(Aquazur V Filter)，采用先進的氣水聯(lián)合反沖洗工藝和均質(zhì)濾料，在快濾池的基礎(chǔ)上引入了壓縮空氣進行反沖洗，使濾料清洗比較徹底，改善了過濾性能，提高了濾層的截污能力。

砂濾技術(shù)下一個百年

因其占地面積大等缺點，慢濾工藝曾一度被冷落并被快濾取代。例如國內(nèi)的自來水廠，大部分都是采用源自S公司的V濾池技術(shù)。但有趣的是，隨著學界發(fā)現(xiàn)慢濾池對有機物，尤其是微量有機物以及細菌、病毒具有良好的去除能力，加上其在運行成本上的優(yōu)勢，慢濾又逐漸得到了重視。

值得一提的是，諸如荷蘭等大家公認的水處理強國，在飲用水處理中，他們采用的仍是慢濾而不是快濾的技術(shù)。不僅如此，他們對慢濾的研究從未停止。2019年，荷蘭研究委員會（NWO）、荷蘭兩家水務(wù)公司Vitens和Dunea作為牽頭單位，聯(lián)合荷蘭多所著名高校10名博士生，專門為砂濾成立了研究項目SandFiltration。

Frank Schoonenberg是Vitens公司的一名工藝工程師，也是這個砂濾研究項目的負責人。他在最近接受采訪時表示：“砂濾池可去除溶解在水中的鐵、錳和銨等物質(zhì)。但如果你以為它僅僅是簡單的過濾篩子，你就錯了。它其實是個反應(yīng)器，里邊有著相互影響的物理、化學和生物過程。但我們還不完全了解這些反應(yīng)是如何運作和相互影響。因此我們常常無法解釋為什么有些砂濾池運行效果良好，有些卻不行。

是不是覺得有些難以置信?

盡管已經(jīng)有200年的歷史，而且得到歐洲許多自來水廠廣泛應(yīng)用，但慢濾池里邊究竟發(fā)生了什么，竟然仍是個“黑匣子之謎”。

荷蘭這個多方合作項目的目標是要進一步提高用于飲用水生產(chǎn)的慢濾技術(shù)的處理能力、穩(wěn)定性，并降低成本。

這是一個非常基礎(chǔ)性的研究，并且涵蓋砂濾的方方面面，總的來說由五個子項目組成，每個子項目都有兩個不同高校或單位的博士生來進行。項目委員會之所以這樣分組，是希望跨學科背景的人能碰撞出知識的火花，促進新見解的產(chǎn)出。這五個子項目分別為：

1 加強對砂濾的微生物和地球化學動力學的機械認知

此項目周期為2020年1月-2024年8月，主要由烏特勒支大學地球科學系和奈梅亨Radboud大學微生物系的博士生進行研究。

項目組將DNA分析和地球化學測量(geochemical measurements)技術(shù)結(jié)合到一起：在DNA分析中，他們可以“盤點”砂濾池里都有什么細菌及其數(shù)量和作用。所謂的地球化學測量，則是指研究人員拍攝顯微照片，準確繪制出鐵、錳等物質(zhì)最后被吸附到砂濾池中的什么位置。

另外，他們將對砂濾工序進行拆解，先在一個相對低曝氣條件的砂濾池里去除鐵，然后在后續(xù)的砂濾池中提高氧氣含量，以去除錳和銨。他們認為這樣能更好地優(yōu)化砂濾池的設(shè)計。

2 開發(fā)模型精確預測除菌以及粘性膜功效和保護

此項目周期為2020年1月-2024年8月。研究員將結(jié)合實驗、3D成像和建模工具，從微米級到納米級逐步探究慢濾的工藝細節(jié)，從而創(chuàng)建能夠精確預測實際運行的模型。

參與的大學包括阿姆斯特丹大學、烏特勒支大學和代爾夫特理工。

3 改進以地下水為水源的曝氣濾池

此項目周期為2020年1月-2024年8月，主要由代爾夫特理工大學負責。這是一個研究快速曝氣濾池的項目。對工程師來說，傳統(tǒng)的曝氣濾池中多余的氧氣其實不是好事，所以該項目是要找到控制氧化還原電位(ORP)，將曝氣濾池從過去的過飽和到恰如其分地優(yōu)化高流速狀態(tài)。

4 揭示生物活性在慢砂濾池性能中的作用

此項目周期為2019年9月-2023年8月，主要由烏特勒支大學和荷蘭皇家大海研究所(NIOZ)負責。如題所示，這個項目主要考察特定生物工藝在慢濾池中的作用。

5 面向下個百年的慢濾

此項目周期為2019年9月-2023年8月，這個項目主要由瓦赫寧根大學和代爾夫特理工大學開展研究。最終的服務(wù)用戶都是荷蘭最出名的水務(wù)公司，包括RoyalHaskoning DHV、Witteveen + Bos、Waternet、Waterbedrijf Groningen、Dunea和Vitens。

其實從這個項目名稱也可以看出項目組的野心。他們并沒有認為慢濾過時了，而且認為非常適合用于飲用水生產(chǎn)，他們希望通過這次研究，測試不同濾料、過濾速度以及添加營養(yǎng)物或接種物的效果，從而找出創(chuàng)新策略，從而加快生物活性層 (schmutzdecke)的形成時間，縮短啟動周期，并避免其快速堵塞。另一方面，找出可以優(yōu)化的工藝條件，減少濾池占地面積和床層高度，提高其市場競爭力。

其實除了荷蘭，世界好多國家都沒有停止對慢濾池的研究。2019年美國俄勒岡州水務(wù)局在一份專題報告里，就曾用a timeless technology來形容慢濾技術(shù)。隨著水處理行業(yè)對微生物認識的加深，慢濾技術(shù)真的有可能在下一個百年里，在城市水處理領(lǐng)域煥發(fā)新生。畢竟，誰不喜歡又好又便宜的東西呢？

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