摘要：采用改性石英砂濾料強化過濾處理含藻水的試驗結果表明，與石英砂濾料相比，改性石英砂濾料對含藻水具有優良的處理效果；經混凝沉淀后水中的余鋁對藻類的去除有促進作用。
藻類的代謝產物會產生各種嗅味和對人體有害的藻毒素，同時也會顯著地增加給水處理難度，嚴重時可堵塞取水口、輸水管道和濾池，影響產水量。對含藻水的處理包括傳統的常規處理、氣浮過濾、直接過濾、微濾機過濾以及預投氧化劑殺藻等方法，除微濾機過濾外，其他方法都包含濾床過濾，即過濾是強化除藻的關鍵環節，因此強化濾床過濾效能對含藻水的處理有著重要作用。
藻類由于其自身分泌的有機物包裹在細胞膜外，一般表面帶有負電荷，而且具有一層水化膜，這些性質使藻細胞顆粒很難沉積、粘附在濾料表面，故常有一些藻類顆粒穿透濾池而影響出水水質。研究結果表明，將石英砂濾料表面涂覆一層金屬氧化物能夠顯著提高過濾效果，故采用某種化學方法將石英砂濾料表面改性，并就改性石英砂濾料對含藻水強化過濾效果進行了試驗。
1 試驗材料和方法
1.1 藻類的培養和計量
試驗用含藻水由實驗室所培養的藻類配制而成。將取自城市人工河的藻種加入盛有純無機培養基的透明容器中進行培養（水溫為25℃），用60W的白熾燈連續照射約一個月后，培養基呈現很濃的綠色，經鏡檢觀察主要為小球藻和少量顫藻，藻類在水中穩定懸浮不沉淀，故可用來配制含藻水。
藻類的計量通常采用顯微計數法，但誤差較大。因各種藻類都含有葉綠素a且含量較高，故通過測定葉綠素a的含量來表征水中藻類的含量（葉綠素a的測定采用Lorenzen提出的單色光分光光度法）。
分析混凝沉淀前后藻類顆粒的性質時，先用光學顯微鏡觀測藻類顆粒的大小，再用顯微電泳儀測定藻類顆粒的Zeta電位。
1.2 過濾試驗
試驗用濾柱為底部帶有多孔托板的玻璃柱，內徑為28mmm，柱內裝有250mm高的濾料。石英砂和改性砂濾柱的過濾試驗平行進行。石英砂粒徑為0.5~1mm，改性濾料由相同粒徑的石英砂制得。從培養基中取一定量的濃含藻水，加入到放置一段時間后的自來水中，混合靜置2h待用。將配制的含藻水加入一定量的硫酸鋁進行混凝沉淀，取出沉后水用于過濾。待濾水通過高位水箱流入濾柱中，保持濾速約為3m/h。
1.3 余鋁的測定
部分水樣需測定余鋁含量，采用鉻天青S-乳化劑OP分光光度法測定。
2 結果與分析
2.1 直接過濾效果對比
對含藻水進行直接過濾后的藻類含量見圖1。
由圖1可見，改性砂對含藻水的直接過濾效果略好于石英砂。部分濾后水樣含藻量高于原水的原因可能是由于濾速發生變化使濾料上附著的部分藻類被沖刷脫落下來進入濾后水。過濾10h后兩種濾料對藻類的去除率相近，可能是由于在過濾的前10h截留的藻類覆蓋在濾料表面使兩種濾料的表面性質差異變得很小所致。
兩種濾料的粒徑相同，改性砂對含藻水的直接過濾效果優于石英砂應歸結于二者表面性質的差異。改性砂濾料比石英砂濾料的比表面積大，表面更加粗糙，在水中的表面電位也更接近于中性，這些因素都有利于水中的藻類顆粒接近并沉積、粘附在濾料表面；另一方面，改性砂表面帶有更多的弱酸性官能團，可與藻類細胞的胞外有機物絡合，使藻類顆粒結合得更加緊密而不易脫落。隨著過濾過程的延續，濾料表面粘附一層藻類之后，其表面性質的差異變小，因此在含藻水直接過濾10h后，石英砂和改性砂對藻類的去除率差別很小。
2.2 混凝沉淀后過濾效果的對比
圖2.3是含藻水經混凝沉淀、過濾后的藻類含量對比，兩種濾料對藻類的去除率見表1。
由圖2.3和表1可見，經混凝沉淀后再過濾對藻類的去除率要高于含藻水直接過濾，而改性砂對藻類的去除效率優于石英砂。混凝沉淀后水中含藻量降低時對藻類的去除率上升，而沉后水中藻類含量較高時兩種濾料對藻類的去除率差別較大。在混凝沉淀后藻類的去除率隨過濾時間的延長而降低，個別石英砂濾柱的濾后水樣中葉綠素a含量高于濾前水，而改性砂在過濾16h后仍保持著較高的去除率，可見改性砂對藻類的過濾截留容量遠高于石英砂。
表1 兩種濾料對藻類的去除率對比%
| 處理方式 | 對藻類的去除率 | |
| 改性砂 | 石英砂 | |
| 直接過濾（濾前水葉綠素a含量57.5mg/L） | 28.5 | 21.7 |
| 混凝沉淀后過濾（濾前水葉綠素a含量147.73mg/L） | 60.9 | 30.3 |
| 混凝沉淀后過濾（濾前水葉綠素a含量49.14mg/L） | 65.3 | 43.8 |
兩種濾料對混凝沉淀后含藻水的過濾效果都要好于直接過濾，這包含幾方面的原因：混凝沉淀后水中殘存的藻類顆粒在混凝過程中有了一定的凝聚，粒徑有所增加大，使過濾效果更佳；鏡檢結果表明，水中藻類顆粒平均粒徑約為4~5μm，混凝沉淀后剩余藻類顆粒不僅聚集在一起（有相當一部分粒徑>10μm），而且使部分表面電荷被中和，減小了靜電排斥作用，更有利于藻類顆粒在濾料表面的粘附。
2.3 Zeta電位的對比
圖4是石英砂和改性砂的Zeta電位對比。可以看出，改性砂表面的零電點pH值約為5，而石英砂表面pH值約為3。在水樣pH值為6.8的試驗條件下，改性砂表面的Zeta電位為—14.5mV，石英砂表面為—34.8 mV，未經混凝沉淀的含藻水中藻類顆粒的Zeta電位為—24.7mV，混凝沉淀后Zeta電位為—14.7mV。
由此可見，在該試驗條件下改性砂的Zeta電位遠高于石英砂，故與藻類顆粒的靜電排斥作用更小，使藻類顆粒更易于靠近濾料表面，從而提高對藻類顆粒的去除率。同樣，混凝沉淀后水中剩余的藻類顆粒由于負電性減弱，與濾料的靜電排斥作用降低，也有利于去除率的提高。
2.4 余鋁含量
分別測定混凝沉淀后及濾后含藻水的鋁含量（含藻水經0.8μm的改性石英砂濾膜過濾后測定濾液的鋁含量），結果見表2。
表2 混凝沉淀后及濾后含藻水的鋁含量
| 項目 | 改性砂 | 石英砂 | ||
| 截留 | 穿透 | 截留 | 穿透 | |
| 混凝沉淀后鋁含量（mg/L） | 0.7 | 0.8 | 1.5 | 0.8 |
| 過濾后鋁含量（mg/L） | 0.19 | 0.26 | 0.95 | 0.73 |
| 過濾去除率（%） | 73 | 64 | 37 | 8.8 |
| 注：含藻水葉綠素a含量為49.14mg/L。 | ||||
由表2可以看出，水中剩余的鋁一部分被微孔濾膜截留，一部分溶解在水中。孔徑為0.8μm的改性石英砂濾膜可將水中絕大部分的藻類截留但不能截留溶解于水中的鋁，可以認為被濾膜截留的鋁都是附著于藻類顆粒上的。改性砂對附著于藻類上的和其他形態鋁的去除率都要遠高于石英砂，兩種濾料對吸附于藻類顆粒上鋁的去除率略高于對藻類顆粒的去除率，這說明吸附了較多鋁的藻類顆粒相對于未吸附或吸附較少鋁的藻類顆粒能夠被優先過濾去除，可見殘余鋁對藻類的過濾去除起到了一定的促進作用。
3 結論
① 改性石英砂濾料對含藻水的直接過濾效果略好于石英砂。
② 改性石英砂濾料對混凝沉淀后含藻水的過濾效果明顯優于石英砂，尤其是過濾截留容量遠遠大于石英砂。
③ 混凝沉淀后含藻水中的殘余鋁對藻類顆粒的去除有促進作用。
