硅藻土在水處理領(lǐng)域的應用研究進展

任華峰，苗英霞，張雨山，王 靜

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津300192）

硅藻土是一種非金屬礦物質(zhì)，它是由單細胞藻類遺骸為主要組成的硅質(zhì)生物沉積巖，其主要化學成分是SiO2，含量通常在80%以上。硅藻土具有空隙率高、比表面積大、相對密度小、耐磨、化學穩(wěn)定性高、耐酸、易溶于堿、吸附性強等優(yōu)良特點，被廣泛應用于飲料、釀酒、水處理等行業(yè)中［1－4］。我國硅藻土資源豐富，保有量達3.9億噸，居世界第二位［5］。巨大的硅藻土資源為水處理行業(yè)的發(fā)展提供了豐富的物質(zhì)基礎，然而，硅藻土污水處理技術(shù)是一項較新的技術(shù)，各方面還不完善，需進一步加強理論和實際工程應用方面的研究及探索［6］。

1 硅藻土過濾技術(shù)

從硅藻土的結(jié)構(gòu)、性能和國外幾十年的實用結(jié)果來看，在各種過濾材料中，硅藻土助濾劑性能最好，消費量也最大［7］。硅藻土的基本組成和特征構(gòu)造使其具有密度、堆密度小，穩(wěn)定性高，耐酸、耐熱，吸附性、懸浮性、分散性好等特點，而且在煅燒加工后濕度低 （水分≤1%），可使其滲透性能得到明顯改善，這些特性都為硅藻土作為助濾劑提供了有利條件［2］。硅藻土的過濾機理，主要是機械隔濾作用，截留固體顆粒，使其大多沉積在介質(zhì)表面，而另一部分固體顆粒則在介質(zhì)的孔隙中被吸附截留。尤其當原水中投加的附加劑和濾餅較厚時，深層過濾更能起到重要作用。

1.1 游泳池水過濾

游泳池是公共娛樂和進行體育鍛煉的場所，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展以及人民生活水平和健康意識的不斷提高，越來越多的游泳池和水上娛樂池建成并投入使用。游泳池池水水質(zhì)的好壞與游泳期間多種流行性疾病的傳播有重要關(guān)系，游泳水水質(zhì)及其凈化過濾技術(shù)日益受到人們的關(guān)注與重視。目前，我國游泳池的過濾系統(tǒng)大都采用石英砂過濾技術(shù)。經(jīng)過大量的工程實踐，石英砂過濾技術(shù)已成為一種較為成熟的工藝，但其存在設備體積大、有二次污染、不能有效去除藻類和小分子有機物以及過濾效率低、水頭損失大、運行能耗大等問題。［8］

近年來，硅藻土過濾技術(shù)在游泳池循環(huán)水處理系統(tǒng)中的應用效果良好，其原理是利用附著在濾元上的硅藻土涂膜對游泳池水進行循環(huán)過濾。硅藻土過濾技術(shù)與石英砂過濾技術(shù)相比，具有設備體積小、不使用絮凝劑、過濾精度高、節(jié)能節(jié)水等優(yōu)點，具有較大的發(fā)展?jié)摿褪袌鰬们熬埃笥腥〈鷤鹘y(tǒng)石英砂過濾技術(shù)的趨勢［9－11］。早在20世紀50～60年代，美國就有60%以上的公共游泳池采用硅藻土 （DE）過濾技術(shù)循環(huán)處理游泳池水。日本廣島的亞運會游泳館、1988年漢城奧運會游泳館也都采用了硅藻土過濾技術(shù)［12］。2000年悉尼奧運會的游泳、跳水比賽館——悉尼水上運動中心，在使用石英砂過濾系統(tǒng)，水質(zhì)達不到奧運會要求的情況下，運用硅藻土過濾器對其進行改造，取得了滿意的效果［13］。

硅藻土過濾技術(shù)在我國的啤酒業(yè)、飲料業(yè)和工業(yè)純水過濾中已有廣泛的應用，而將其用于游泳池水凈化方面的時間不長，但發(fā)展較快。1994年，同濟大學首先研制了硅藻土過濾器用于浙江省寧海縣游泳池循環(huán)水的凈化處理，運行效果良好。實踐證明：硅藻土過濾技術(shù)是游泳池循環(huán)水凈化的有效手段。此后，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)從國外引進了多種不同的硅藻土過濾設備及制造技術(shù)，并將其成功應用于國內(nèi)的一些游泳池循環(huán)水凈化系統(tǒng)中，取得了一定的的經(jīng)濟效益和社會效益，發(fā)展?jié)摿^大［13］。此外［14］，PCT系列可再生硅藻土過濾系統(tǒng)在青島市游泳跳水館水處理系統(tǒng)中也得了成功應用，出水水質(zhì)達到了飲用水級別，完全符合國際泳聯(lián)泳池水質(zhì)標準。

存在的問題。①預涂膜硅藻土過濾器已經(jīng)被納入《游泳池給水排水工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ 122—2008），但硅藻土過濾器目前尚無國家產(chǎn)品標準和行業(yè)產(chǎn)品標準，僅有各相關(guān)生產(chǎn)廠的企業(yè)標準。為使該技術(shù)順利推廣和應用，相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)和科研單位應盡快研究、制定相關(guān)國家或行業(yè)標準，以規(guī)范其發(fā)展。②硅藻土過濾器的技術(shù)和結(jié)構(gòu)還需不斷改進，如濾元的污染和清洗、硅藻土助濾劑的排放和二次利用等問題，需進一步提高其過濾效率、可靠性、耐久性和降低維護管理難度，以便更好地適應我國不同地區(qū)、不同層次、不同規(guī)模游泳池的處理要求。

1.2 微污染水源水直接過濾

受污染較輕的水源水，在其濁度較低的情況下，采用硅藻土直接過濾，能較好的去除水中的有機物、硬度、細菌、病毒等，從而得到水質(zhì)較好的飲用水，將其應用于鄉(xiāng)村小鎮(zhèn)的中小型水廠，既經(jīng)濟又有效。以美國為例，20世紀50年代，紐約州北部的小城市運用硅藻土過濾設備，解決了城市生活和工業(yè)供水緊張的問題，到80年代規(guī)模增至125～150套，其中最大設備的處理水量為3.75萬m3／天［15］。

我國在這方面的研究起步較晚，與發(fā)達國家相比還有一定差距。張艷麗等［16］采用懸浮澄清池－硅藻土動態(tài)膜聯(lián)用工藝對淮河微污染原水進行試驗研究。結(jié)果表明：該工藝對濁度、UV254和CODMn具有較好的去除效果，去除率分別為99%、50%和50%；徐亞斌等［17］，研究了硅藻土與聚合氯化鋁 （PAC）強化混凝聯(lián)用工藝對有機微污染原水中不同性質(zhì)溶解性有機物的去除效果。實驗結(jié)果表明，當PAC投加量30 mg／L，硅藻土投加量0.5 g／L時，TOC去除率由22.5%提高到26.3%。

1.3 地下水除鐵除錳

對于鐵錳超標的地下水，需先進行適當?shù)钠貧夂突炷俳?jīng)硅藻土過濾，使其鐵錳濃度達到飲用水標準。范瑾初等［18］的研究表明，在初始鐵濃度2～4 mg／L，硅藻土預涂膜量700～800 g／m2的情況下，硅藻土對鐵的平均去除率均為97%以上。此外，硅藻土過濾技術(shù)還可用于高硬度原水的軟化，放射性物質(zhì)的去除及其它工業(yè)廢水處理等領(lǐng)域。

2 硅藻土吸附技術(shù)

硅藻土具有獨特的微孔結(jié)構(gòu)，比表面積大（19～65 m2／g），堆密度小，孔體積大，使其具有良好的吸附性能［19］。同時，硅藻土表面被大量的硅羥基所覆蓋，其顆粒通常帶負電荷，因此硅藻土能對金屬陽離子有很好的吸附效果，但對帶負電荷的有機物吸附效果有限。通過對硅藻土進行改性，可使帶負電荷的膠體顆粒脫穩(wěn)，從而改善處理效果。

2.1 重金屬廢水吸附處理

含有重金屬離子的工業(yè)廢水主要來源于機械加工、礦山開采、鋼鐵及有色金屬冶煉和部分化工企業(yè)生產(chǎn)，這類廢水對環(huán)境及人體都有極大的危害。Khraisheh等［20］認為，硅藻土是一種很好的吸附劑，可以有效吸附水體中的重金屬離子。袁笛等［21］研究表明，硅藻土對重金屬的吸附速度很快，在10 min內(nèi)就能達到吸附平衡。楊丹等［22］用氫氧化鈉對硅藻土進行改性，并與未改性硅藻土進行Pb2＋離子吸附對比實驗，實驗結(jié)果表明，按此方法進行改性后，硅藻土對Pb2＋離子吸附性能明顯提高，改性硅藻土對Pb2＋離子的去除率達到了70%；同時，他們還發(fā)現(xiàn)，p H值是影響吸附效果的最主要因素，且最佳吸附p H值為5～6。Aldegs等［23］發(fā)現(xiàn)改性后的硅藻土對Pb2＋的吸附能力有很大程度的提高。他們用MnO2對硅藻土進行改性，研究發(fā)現(xiàn)：改性后硅藻土的吸附容量是未改性的4倍以上，這是由于改性后的硅藻土比表面積更大，負表面電荷更高所導致的。Miretzky等［24］發(fā)現(xiàn)，原生硅藻土對Cd2＋的最大吸附容量為0.058 mmol／L，而用氫氧化鈉對硅藻土改性后，最大吸附容量提高到0.195 mmol／L；吸附數(shù)據(jù)能很好的符合Langmiur和Freundlich熱力學方程，且吸附是一種自發(fā)和吸熱的過程。

2.2 印染廢水吸附處理

印染廢水具有數(shù)量大，成分復雜，色澤深，生化學需氧量高，毒性大及水溫高等特點，嚴重污染環(huán)境。硅藻土價格低廉、吸附效果好，未來有望成為理想的吸附材料。盛莉等［25］將硅藻土作為吸附劑用于印染廢水，考察硅藻土用量、p H值、吸附時間等因素對印染廢水中CODCr和色度的去除效果的影響。實驗結(jié)果顯示，最佳吸附條件為：在室溫下，硅藻土添加量0.8～1.0 g／L，p H值6～9，處理時間60 min；處理后的出水CODCr和色度均達到國家污染排放標準。谷志攀等［26］用天然硅藻土吸附活性染料黑K－BR，結(jié)果表明，硅藻土對活性黑K－BR有較高的去除率，隨著硅藻土吸附劑用量的增加，去除率逐漸增大，當達到最大值以后，去除率開始降低；初始p H值逐漸增大時，硅藻土對染料的吸附去除率下降；去除率隨著初始濃度的升高而降低；隨著溫度的升高，染料的去除率增加。Emin Erdem等［27］研究了天然硅藻土對3種染料SB（活性染料）、EBR（活性染料）、IY（還原染料）的吸附性能及影響因素。結(jié)果表明吸附選擇性為IY＞SB＞EBR，去除率在28.60%～99.23%，具有很好的實用價值。

2.3 有機廢水吸附處理

有機廢水過量排放會導致水體富營養(yǎng)化，芳香類有機廢水還會嚴重影響我們的身體健康。許多研究已經(jīng)表明，硅藻土能有效去除水體中的有機污染物。朱曉君等［28］利用改性硅藻土對老齡垃圾填埋場滲濾液進行處理，結(jié)果表明：若提高p H值，增加硅藻土投加量，可以提高COD去除率；采用兩級硅藻土反應器串聯(lián)處理老齡填埋場滲濾液生物處理出水，COD去除率可達到57%。高寶嬌等［29］采用浸漬法，用聚乙烯亞胺對硅藻土進行表面改性，改性后硅藻土表面的電性發(fā)生根本性變化，且等電點由p H＝2.0移至p H＝10.5；在中性溶液中，改性硅藻土對苯酚的飽和吸附量可達92 mg／g；在酸性溶液中由于聚乙烯亞胺分子鏈高度的質(zhì)子化，氫鍵的作用相對減弱，故吸附量也隨之減小。曹亞麗［30］采用聚二甲基二烯丙基氯化銨（PDMDAAC）作為改性劑，對硅藻精土進行了有機改性，考察各種因素對改性硅藻土吸附水體中腐植酸的影響，結(jié)果表明：在20℃，p H＝6.0的條件下進行吸附實驗，當PDMDAAC——硅藻土的投加量0.4 g／L，吸附時間120 min時，對腐植酸的吸附去除率達83.15%。

目前，硅藻土作為一種過濾介質(zhì)的應用研究已取得較大成果，但其作為一種吸附材料的研究還在起步階段。深入探討硅藻土的吸附機理，可進一步增加污水的處理能力和效果，滿足不同類型有毒有害廢水的凈化處理需要。同時，如何做好硅藻土循環(huán)使用且不引起二次污染，也是硅藻土應用的一大研究方向。

3 結(jié) 語

應用和研究表明，硅藻土水處理技術(shù)是一種很有應用前景的技術(shù)，我國硅藻土助濾劑工業(yè)已初步形成，隨著應用范圍擴大，產(chǎn)品需要多樣化、系列化、標準化；急需研發(fā)出高新產(chǎn)品，以提高產(chǎn)品附加值，減少資源浪費和對環(huán)境的負面影響。

（1）通過對硅藻土改性方法、其與絮凝劑以及其它吸附材料相結(jié)合的廢水處理工藝的研究結(jié)果顯示，深入探討硅藻土助濾劑在水處理過程中的吸附機理、吸附動力學機制、影響因素及其影響規(guī)律尤為必要，將滿足不同類型水處理工藝的需要。

（2）針對硅藻土助濾劑再生方法和條件，及使用后硅藻土的排放、再利用 （如建筑材料等）等方面進行進一步研究，能有效防止二次污染，對硅藻土助濾劑的推廣及循環(huán)使用起到積極的作用。

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