水处理中滤料应用的研究进展

赵 瑾，王文华，姜天翔，王树勋，张雨山

(国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

滤料是一类广泛用于各种给水处理、污水处理和环境治理的净水材料[1]。目前用于水处理的过滤材料主要包括颗粒滤料、纤维滤料、改性滤料及各种滤料的组合，用于处理工业废水、生活污水、海水等各种水质[2-4]。本文综述了滤料在水处理领域的研究进展与现状，同时探讨了滤料在实际过滤过程中存在的问题，并展望了滤料的发展前景，以期为开发新型、高效的过滤材料提供新思路。

1 颗粒滤料

1.1 单层石英砂滤料

石英砂是最早广泛应用于水处理的滤料，由于其价格低廉、机械强度高、性能稳定、截污能力强的优势，一直是过滤介质最为常用的材料。石英砂的过滤原理并不仅是简单的机械截留，还包括滤料表面对悬浮颗粒的吸附作用。其中，石英砂粒径、滤层厚度、过滤速度以及进水水质等因素共同决定着过滤周期与出水水质。

在单层石英砂过滤的过程中，最为明显的特征就是表层过滤。理想的滤层应是滤料粒径自上而下按照由大至小排列。由于水力筛分作用，石英砂滤层在反冲洗过程中的孔隙分布自上而下呈现由小到大的“正粒度”分布排列，主要由表层滤料吸附截留水中的污染物。随着过滤时间的延长，表层滤料间的孔隙逐渐被堵塞，滤层阻力增大，截污能力小于底部，整个石英砂滤层还未完全发挥作用，过滤周期就终止。这种表层滤料易阻塞的缺陷，极大地限制了单层石英砂滤料的发展。

1.2 双层滤料

基于改变上述单层石英砂表层过滤的研究思路，出现了双层滤料，即顶层为大粒径小密度滤料，常见的有无烟煤、陶粒等，底层为石英砂滤料。李秀敏等[5]采用石英砂-无烟煤双层滤料对城市污水厂二级出水进行深度处理，研究表明，在出水浊度小于5 NTU的情况下，双层滤料的过滤周期大于24 h，且过滤周期内的水头损失不高于1.00 m；王峰等[6]采用凹凸棒滤料-石英砂双层复合滤池对石英砂V型滤池进行改进，通过过滤对比试验，发现双层复合滤池对CODMn和NH3-N的去除能力均高于原有砂滤池，滤料截留、吸附和滤池生物降解协同作用提高了对有机物的去除效果，凹凸棒滤层为微生物的生长提供了良好的附着条件，硝化作用显著。Sabiri等[7]采用石英砂-无烟煤双层滤料过滤培养的微藻，在过滤高度为1 100 mm、过滤速度分别为5 m/h和10 m/h的条件下，双层滤料对微藻细胞的去除率分别为90%和68%，对浊度的去除率分别为71%和57%。

双层滤料的顶层大粒径滤料增加了滤层的纳污容量，底层石英砂滤料保证了出水的水质，每层滤料的孔隙分布从滤层底部到顶部逐渐变大，过滤效率比单层石英砂滤料要高，在一定程度上克服了表层滤层阻塞的缺点。但每一单层的无烟煤、陶粒或石英砂滤料仍呈“正粒度”分布，并不能从根本上解决表层过滤的问题。

1.3 多层滤料

三层滤料，即在双层滤料的基础上，在石英砂滤层下面再加一层小粒径大密度的滤料，如磁铁矿、石榴石等。王辰妮等[8]采用无烟煤、石英砂、磁铁矿三层滤料高速过滤工艺应用于再生水的生产，对其可行性进行分析研究，结果表明，在最佳工艺条件下，出水浊度的去除率可达97.5%～98.5%，COD去除率在43%左右，去除效果显著。

不同粒径、密度的滤层越多，滤层结构越合理，后续出现的四层滤料和五层滤料，结构更加接近理想滤层。但在工程应用中，多层滤料在反冲洗时会因水力作用发生膨胀而混层，因此在保证反冲洗彻底的同时又要防止混层，增大了反冲洗难度。目前应用较多的仍是双层滤料和三层滤料。总体来看，多层滤料从理论上克服了单层滤料孔隙分布的缺点，但每层滤料的孔隙结构仍会因水力筛分作用而重新排列，表层滤料仍然起主要截留作用。

1.4 均质石英砂滤料

均质滤料并非滤料粒径完全相同，而是整个滤层粒径均匀，通常采用不均匀系数K80表示滤料的均匀程度。对于净水厂而言，K80越接近于1，过滤效能越好[9]。均质石英砂能克服滤料表层阻塞的缺点，充分发挥整体滤层的纳污作用，从而提高过滤效率。当悬浮颗粒由于范德华力在石英砂表面不断累积时，形成的积泥会改变滤料层的孔隙结构，进而改变整个滤料层的过滤效能与水头损失。

王利平等[10]采用均质石英砂滤料对V型滤池进行过滤性能试验，当进水浊度在10 NTU以下、滤速为8～12 m/h时，均质石英砂滤出水质在1 NTU以下，水头损失增长小，提高了过滤效率。一般而言，滤料的粒径越小，滤层截留的杂质量越多，出水水质越好；但同时，小粒径不利于提高过滤速度与产水量。王树勋等[11]采用粒径为0.45～0.6 mm的均质石英砂滤料过滤海水，当过滤速度为15 m/h时，出水水质较好，浊度小于5.0 NTU；当过滤速度提高到20 m/h时，过滤水头损失快速增高，过滤周期仅为2 h。

1.5 其他材质滤料

常见的颗粒滤料还包括无烟煤、磁铁矿、沸石、陶粒、稀土瓷砂和泡沫滤珠等。

无烟煤呈多棱型颗粒状，具有良好的比表面积和较强的抗压耐磨性，常用于双层和三层滤料过滤。

磁铁矿为铁黑色，半金属光泽，具有强磁性，机械强度高，在三层滤料中常作为垫层使用，由于磁铁矿比重大，反冲洗过程中不易混层，因此是多层滤料的理想配料。

沸石滤料包括天然斜发沸石和活化沸石。天然沸石比表面积大，具有较强的吸附能力，可去除水中的钙、镁离子；活化沸石是经加工活化而成，其吸附能力与离子交换能力均比天然沸石强，可去除水中的浊度、色度、重金属及有机物等。

陶粒内部为多孔结构，具有较大的比表面积，易于再生，质地轻，是理想的生物膜载体，可去除油、铁、锰。稀土瓷砂适合离子交换，常用于滤池垫层，可提高滤池的截污容量。

泡沫滤珠具有吸附能力强、不易破碎、过滤速度快、使用寿命长等优点。

2 纤维滤料

滤料的比表面积是表征吸附容量的重要指标之一。丙纶、涤纶等纤维滤料由于具有孔隙率大、透水性强、过滤阻力小等优点，可作为软填料来替代传统的颗粒滤料，是过滤技术的一种新思维。纤维滤料巨大的比表面积，能提高滤料表面与水中污染物的接触几率，因此具有较强的截污能力和较高的过滤精度，在保持较高的过滤速度时仍可获得较好的出水水质，是粒状滤料所不能及的；此外，纤维滤料不易磨损，使用寿命较长，质地轻，所占空间小，尤其适合运输困难的海岛地区。

2.1 对称结构纤维滤料

早期的纤维过滤是将短纤维单丝以乱堆的方式置于滤器内，并设置挡网以防止单丝在反冲洗时流失，但仍然存在单丝缠绕挡网的现象。为解决纤维滤料流失的问题，研究人员开始将杂乱的纤维单丝固定成型，即制作成各种具有特定形状与规格的过滤材料。低卷曲纤维椭球滤料是将无卷曲的纤维丝在液体中搅拌成型，制作成互相缠绕的椭球状滤料，该滤料的纤维丝容易脱落，且反冲洗不够彻底[12]。“布帛片”是将无纺布制作成面积为5～20 cm2的片状滤料，虽然防止了纤维丝脱落，但同样不易反洗彻底[13]。此外，纤维滤料还包括实心球核纤维球、无卷曲纤维丝束中心结扎纤维球、高卷曲纤维丝束中心结扎纤维球、棒状纤维及纤维束。

王帅强等[14]采用纤维丝束过滤技术应用于反渗透海水淡化的预处理，混凝沉淀后的海水经纤维过滤后，出水浊度小于0.2 NTU，Fe(总铁)小于0.1 mg/L，SDI15(淤塞指数)小于4，滤后水质达到了反渗透膜的进水要求，纤维滤料增强了对海水污染物的吸附截留效果，有机物得到进一步去除。薛罡等[15]采用涤纶高弹丝纤维球滤料过滤景观水，当滤速为30 m/h、平均进水浊度为87.5 NTU时，纤维球过滤周期达16.5 h，出水浊度在3～5 NTU；当气洗强度为25 L/(s·m2)、水洗强度为8 L/(s·m2)时，经气洗-气水联合-水洗的纤维球滤料积泥量约占滤料质量的4.53%。韩国Hyosung Goodsprings公司开发了一种新型高浊度海水预处理系统，包括纤维过滤器和超滤装置，海水浊度高达52 NTU时，经预处理的出水SDI15值小于3，该工艺可以适用于高浊度海水的膜脱盐系统[3]。

一般而言，固定成型的纤维滤料孔隙分布越均匀，出水水质越好；适当减小纤维滤料的长度有利于过滤精度的提高，但会增大制作的复杂程度，同时更不利于反冲洗时纤维充分散开，难以保证洗净效果。因此，纤维滤料朝着既发挥纤维滤料比表面积大的优势，又具备粒状滤料反冲洗简便特点的方向发展，产生了一种新的不对称结构滤料——彗星式纤维滤料[16]。

2.2 非对称结构纤维滤料

彗星式纤维滤料是一种具备不对称结构的过滤材料，因形状像彗星，故命名为彗星式纤维滤料，其特点是“彗核”为密度较大的实心体，“彗尾”为松散的纤维丝束[17]。彗核起到固定彗尾丝束的作用，彗核较小，因此并不影响滤料孔隙的均匀程度，仍能保持较高的过滤精度；反冲洗时，彗尾丝束随水流摆动，其非对称结构加剧了滤料之间的相互碰撞，显著提高了反冲洗效果。为减小彗核的体积、提高纤维滤料的容积利用率，研究人员相继开发了双尾、多尾彗星式纤维滤料。

彗星式纤维滤料可实现高滤速与高精度过滤。权洁等[18]研究了彗星式纤维滤料过滤器的运行性能，分析其进出水浊度、水头损失、过滤周期、滤速以及反冲洗特性，结果表明，彗星式纤维滤料过滤器在过滤周期内出水水质稳定且浊度小于1 NTU，过滤精度高，水头损失随滤速的增大而增大，过滤周期随滤速的增大而缩短，反冲洗耗水量低，污泥洗出率可达98%以上。王树勋等[11]采用彗星式纤维滤料过滤海水，在滤速为15 m/h、进水浊度为17.8～22.1 NTU的条件下，经过滤后的水质稳定，浊度保持在1.33～2.45 NTU。采用石英砂与纤维滤料过滤海水的运行情况如表1所示[11]。

纤维滤料深层过滤水中的悬浮颗粒，其机理主要包括重力作用、惯性作用、截阻作用、扩散作用及动力效应，可能同时受到多种作用的共同影响，根据悬浮颗粒的大小、滤料性质及过滤形式的不同，各作用所占的主导作用也不同[19]。在装填方面，由于纤维滤料的高弹性，纤维滤层的伸展与压缩需凭借外力，过滤时要保证装填密度，同时还需保证滤料均匀分布，防止因过滤阻力不均而被水流穿透。在反冲洗方面，纤维滤料之间的相互作用会使彼此黏结在一起，使得反洗不够彻底，因此需严格控制气洗与水洗的顺序、强度与时间，保证黏结成团的纤维充分冲散。

表1 石英砂与纤维滤料运行情况的对比[11]Tab.1 Comparison of Operation Conditions between Quartz Sand and Fiber Filter Materials[11]

3 改性滤料

改性滤料是基于迁移和吸附机理发展起来的一种技术，是通过物理或化学反应将改性剂黏附在滤料载体表面上，以改变滤料表面的物理化学性质，从而提高对某些特定污染物的吸附拦截能力。滤料经改性后，其表面性质发生了很大改变，增大了比表面积，增加了表面吸附位点[20]，对不同污染物的吸附作用机理也不同。研究表明，改性滤料在近乎中性的条件下吸附去除水中微量的重金属离子，其机理主要是化学吸附、离子交换吸附、表面络合和离子沉淀[1]。

改性颗粒滤料的载体通常为石英砂、天然沸石、陶粒等，根据改性剂成分的不同，可吸附截留水体中的有机物、细菌、油类、藻类、重金属离子等，有效改善过滤出水水质。穆丹琳等[21]采用铁表面改性的石英砂去除混凝出水中的Cr(VI)，试验结果表明，未改性的石英砂对混凝出水中的剩余Cr(VI)无明显的去除作用，而采用改性砂对硫酸铝混凝出水进行过滤时，30 min内对Cr(VI)的去除率接近100%。刘光等[22]采用钛酸酯偶联剂DN101对石英砂滤料进行表面干法改性，增强其亲油疏水性，经改性后石英砂的亲油亲水比值由未改性时的1.25升至最大值11.1，对15.61 mg/L含油废水的吸附容量由未改性时的0.17 mg/g增大到0.25 mg/g，对17.3 mg/L含油废水的过滤去除率由未改性时的72.6%提高到97.8%。郭俊元等[23]采用十六烷基三甲基溴化铵(HDTMA)对天然沸石进行改性，当改性沸石的HDTMA溶液质量分数为1.2%且pH值为10时，改性后的沸石对废水中对硝基苯酚的吸附量达到2.53 mg/g，明显高于天然沸石的0.54 mg/g。张雨山等[24]制备了一种海水净化用多功能复合滤料，以石英砂为载体，采用金属盐溶液改性剂对石英砂进行改性，再经壳聚糖改性处理，该复合滤料在保留传统滤料截留过滤功能的同时，又增强了其对污染物的吸附能力。Hou等[25]采用硅烷偶联剂KH550对石英砂进行表面改性，通过官能团之间的化学反应将其接枝到石英砂表面，改性后的石英砂明显改善了吸附作用，能吸附去除大体积水溶液中的浊度、有机物、Cd(II)及Pb(II)。石英砂与改性砂的性能对比如表2所示。

表2 石英砂与改性砂的性能对比Tab.2 Comparison of Performance between Quartz Sand and Modified Quartz Sand

纤维滤料具有吸油的特点，常用于含油污水的除油处理，但纤维亲水性差，其非极性的亲油表面经油污吸附后难以冲洗，因此对纤维进行亲水改性，可满足纤维吸油后再生的要求[26]。张建国等[27]分别采用邻苯二甲酸、聚乙烯醇、氨磺酸、聚乙二醇、氢氧化钠、丙烯酸对长纤维进行亲水改性，对单位纤维吸水量和单位纤维吸放油差量与改性液质量分数、温度和浸泡时间的关系进行了研究，试验结果表明，改性纤维的吸水量是原来的2.2～2.9倍，吸放油差量是原来的2.1～2.8倍，更适于含油废水的处理。Wang等[28]在纤维表面进行聚多巴胺黏附和疏水改性，并固定二氧化硅纳米粒子，制备了吸附石油的超疏水纤维滤料，改性后的纤维对水体中的正己烷、甲苯、氯仿、亚麻籽油、石蜡、原油的吸油量增加率分别为39.8%、35.2%、29.4%、39.3%、41.7%和34.0%，可适用于修复水体大规模溢油。曾金华[29]通过加入植物成分对纤维丝进行化学改性，制备出亲水疏油滤料，改性后的纤维球对油及有机物的吸附能力增强。Vukcevic等[30]将纺织工业废弃物短麻纤维进行氧化和碱处理等化学改性，用于吸附废水中的锌离子，发现改性纤维的吸附性能主要受表面酸度和官能基团数量的影响。

总之，改性滤料在吸附去除不同污染物时的作用机制是不尽相同的，但均是对滤料表面进行改性，达到去除水中污染物的目的。改性滤料克服了传统滤料比表面积小、吸附容量低等问题，打破了传统滤料的过滤模式，提高了滤料对水中污染物的物理、化学吸附能力和拦截过滤效果，无需增加额外设备，即可有效去除水中的污染物，操作简便，绿色环保，适合我国水处理工程现状。

4 颗粒滤料与纤维滤料的组合

根据过滤介质的不同，将颗粒滤料与纤维滤料两种性质不同的滤料进行组合优化，以去除不同的污染物，可充分发挥颗粒滤料反冲洗彻底与纤维滤料过滤精度高的优势。唐传祥等[31]采用双级组合滤池进行高效过滤，滤层上层为均质石英砂滤料，下层为彗星式纤维滤料，与单独采用石英砂和纤维滤料相比，该组合滤池滤速快、周期长、水头损失小，在进水浊度为10～80 NTU、滤速为9～20 m/h的条件下，该滤池对固定悬浮物的去除率达95%以上，截污量达24 kg/m3。

5 结语与展望

随着专家学者对滤料研究的不断深入，滤料在制备、过滤性能及反冲洗等方面取得了一些进展，有益于其在水处理中的推广应用。目前滤料在实际应用中仍存在一些问题，具体表现在以下两方面。

(1)滤料是过滤的关键，过滤技术的理论研究也是围绕滤料结构展开的。迄今为止，对于颗粒滤料和纤维滤料的研究仅局限于出水水质、水头损失、动力学行为等宏观现象，由于过滤过程的复杂性和瞬时性[19]，现有的过滤理论已无法全面解释过滤技术出现的许多实际问题，因此系统开展滤料的捕捉机理、积泥形态及其对过滤过程的影响等微观理论研究，对于指导实践应用具有重要的意义。

(2)改性滤料的应用较为广泛，但过滤去除污染物的种类十分有限，提高改性滤料的吸附容量，扩大滤料的应用范围是当前亟待解决的问题。同时，开展改性滤料再生技术研究，延长滤料的使用寿命，对于有效促进滤料生产的工业化进程具有重要的意义。此外，改性滤料的研究仍处于实验室阶段，在今后应注重将成果转化至实际工程应用中。再者，改性剂长期浸泡在水体中易发生脱落和溶解，导致二次污染；采用纤维素、木质素、甲壳素、壳聚糖等天然高分子材料作为改性剂原料，可通过这些环境友好型可再生资源中官能基团的静电作用和表面络合作用，实现对水体中污染物的吸附，将净水技术与资源利用技术有机结合，从而达到提高资源利用率、减少环境污染的目的。

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