不老的砂濾技術(shù)

你知道嗎？世衛(wèi)組織有份報(bào)告說，西方濾池的歷史可追溯到1804年，當(dāng)時(shí)一個(gè)叫John Gibb的蘇格蘭人發(fā)明了一個(gè)試驗(yàn)性的過濾裝置，主要用于他自家的漂白工場(chǎng)，多余的過濾水以每加侖0.5鎊的價(jià)格賣給當(dāng)?shù)厝?。之后?0多年里，不少人都對(duì)砂濾池的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。到了1829年，砂濾池進(jìn)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(gè)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(shí)間推移，濾池表面會(huì)逐漸長(zhǎng)出一層有機(jī)物，過濾效果也會(huì)因此得到提升。如今科學(xué)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(diǎn)說，它是生物活性層。通過對(duì)出水的化驗(yàn)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(guó)人Edward Frandland借用當(dāng)時(shí)著名德國(guó)科學(xué)家Robert Koch發(fā)現(xiàn)的霍亂弧菌的微生物檢測(cè)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)慢濾池能夠去除細(xì)菌。

寫到這里，小編有點(diǎn)小感慨：有時(shí)覺得我們?nèi)祟惡芏鄷r(shí)候真的很幸運(yùn)，在科學(xué)家們正式發(fā)現(xiàn)疾病可以通過水中細(xì)菌傳播之前(1883年Robert Koch發(fā)現(xiàn)霍亂通過水傳播)，濾池因?yàn)榭梢匀コ≡⑸铮虼艘言诓恢X中幫人類大大降低了病從口入的風(fēng)險(xiǎn)。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(yùn)行簡(jiǎn)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(gè)生物活性層其實(shí)是把雙刃劍，雖然在去除微生物方面起著積極作用，但隨時(shí)間推移，Schmutzdecke會(huì)增厚到不可穿透，此時(shí)必須移除這層生物膜，并對(duì)濾池作重新啟動(dòng)。重啟時(shí)間也會(huì)讓人十分焦急，因?yàn)闀?huì)長(zhǎng)達(dá)6個(gè)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(guó)建成第一個(gè)慢砂濾池，地點(diǎn)位于紐約州的Poughkeepsie城。10年后的1882年，美國(guó)人發(fā)明了第一個(gè)快濾池，地點(diǎn)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(huì)形成一層化學(xué)膜，相當(dāng)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(yán)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(diǎn)，但由于其過濾速度遠(yuǎn)高于慢濾池，占地面積又大大減少，所以快濾很快成為市場(chǎng)的寵兒。

1972年，法國(guó)得利滿公司（Degremont）更進(jìn)一步，發(fā)明了V型濾池(Aquazur V Filter)，采用先進(jìn)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(jìn)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(gè)百年

因其占地面積大等缺點(diǎn)，慢濾工藝曾一度被冷落并被快濾取代。例如國(guó)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(xué)界發(fā)現(xiàn)慢濾池對(duì)有機(jī)物，尤其是微量有機(jī)物以及細(xì)菌、病毒具有良好的去除能力，加上其在運(yùn)行成本上的優(yōu)勢(shì)，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(rèn)的水處理強(qiáng)國(guó)，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(duì)慢濾的研究從未停止。2019年，荷蘭研究委員會(huì)（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(xiàng)目SandFiltration。

Frank Schoonenberg是Vitens公司的一名工藝工程師，也是這個(gè)砂濾研究項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。他在最近接受采訪時(shí)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(jiǎn)單的過濾篩子，你就錯(cuò)了。它其實(shí)是個(gè)反應(yīng)器，里邊有著相互影響的物理、化學(xué)和生物過程。但我們還不完全了解這些反應(yīng)是如何運(yùn)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(yùn)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(gè)“黑匣子之謎”。

荷蘭這個(gè)多方合作項(xiàng)目的目標(biāo)是要進(jìn)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(gè)非?；A(chǔ)性的研究，并且涵蓋砂濾的方方面面，總的來說由五個(gè)子項(xiàng)目組成，每個(gè)子項(xiàng)目都有兩個(gè)不同高校或單位的博士生來進(jìn)行。項(xiàng)目委員會(huì)之所以這樣分組，是希望跨學(xué)科背景的人能碰撞出知識(shí)的火花，促進(jìn)新見解的產(chǎn)出。這五個(gè)子項(xiàng)目分別為：

1 加強(qiáng)對(duì)砂濾的微生物和地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)的機(jī)械認(rèn)知

此項(xiàng)目周期為2020年1月-2024年8月，主要由烏特勒支大學(xué)地球科學(xué)系和奈梅亨Radboud大學(xué)微生物系的博士生進(jìn)行研究。

項(xiàng)目組將DNA分析和地球化學(xué)測(cè)量(geochemical measurements)技術(shù)結(jié)合到一起：在DNA分析中，他們可以“盤點(diǎn)”砂濾池里都有什么細(xì)菌及其數(shù)量和作用。所謂的地球化學(xué)測(cè)量，則是指研究人員拍攝顯微照片，準(zhǔn)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(duì)砂濾工序進(jìn)行拆解，先在一個(gè)相對(duì)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(rèn)為這樣能更好地優(yōu)化砂濾池的設(shè)計(jì)。

2 開發(fā)模型精確預(yù)測(cè)除菌以及粘性膜功效和保護(hù)

此項(xiàng)目周期為2020年1月-2024年8月。研究員將結(jié)合實(shí)驗(yàn)、3D成像和建模工具，從微米級(jí)到納米級(jí)逐步探究慢濾的工藝細(xì)節(jié)，從而創(chuàng)建能夠精確預(yù)測(cè)實(shí)際運(yùn)行的模型。

參與的大學(xué)包括阿姆斯特丹大學(xué)、烏特勒支大學(xué)和代爾夫特理工。

3 改進(jìn)以地下水為水源的曝氣濾池

此項(xiàng)目周期為2020年1月-2024年8月，主要由代爾夫特理工大學(xué)負(fù)責(zé)。這是一個(gè)研究快速曝氣濾池的項(xiàng)目。對(duì)工程師來說，傳統(tǒng)的曝氣濾池中多余的氧氣其實(shí)不是好事，所以該項(xiàng)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(xiàng)目周期為2019年9月-2023年8月，主要由烏特勒支大學(xué)和荷蘭皇家大海研究所(NIOZ)負(fù)責(zé)。如題所示，這個(gè)項(xiàng)目主要考察特定生物工藝在慢濾池中的作用。

5 面向下個(gè)百年的慢濾

此項(xiàng)目周期為2019年9月-2023年8月，這個(gè)項(xiàng)目主要由瓦赫寧根大學(xué)和代爾夫特理工大學(xué)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(shí)從這個(gè)項(xiàng)目名稱也可以看出項(xiàng)目組的野心。他們并沒有認(rèn)為慢濾過時(shí)了，而且認(rèn)為非常適合用于飲用水生產(chǎn)，他們希望通過這次研究，測(cè)試不同濾料、過濾速度以及添加營(yíng)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(shí)間，縮短啟動(dòng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

其實(shí)除了荷蘭，世界好多國(guó)家都沒有停止對(duì)慢濾池的研究。2019年美國(guó)俄勒岡州水務(wù)局在一份專題報(bào)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(duì)微生物認(rèn)識(shí)的加深，慢濾技術(shù)真的有可能在下一個(gè)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？