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| 200年歷(li)史的慢砂濾(lv)池，遠沒(mei)你想的簡單 |
| 發表時間：2022-04-08 13:58:09 作者：admin |
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不老的砂濾技術(shu)
你知道嗎？世衛組織有份(fen)報告(gao)說，西(xi)方濾(lv)(lv)池(chi)的(de)(de)(de)歷史(shi)(shi)可追溯到1804年(nian)，當時(shi)一(yi)個叫John Gibb的(de)(de)(de)蘇格蘭人(ren)發明了一(yi)個試(shi)驗性的(de)(de)(de)過濾(lv)(lv)裝(zhuang)置，主要用于他自家的(de)(de)(de)漂白工(gong)場，多余(yu)的(de)(de)(de)過濾(lv)(lv)水以(yi)每加侖0.5鎊的(de)(de)(de)價(jia)格賣給當地人(ren)。之后的(de)(de)(de)20多年(nian)里，不(bu)少人(ren)都對砂(sha)(sha)濾(lv)(lv)池(chi)的(de)(de)(de)設計細節進(jin)行改進(jin)。到了1829年(nian)，砂(sha)(sha)濾(lv)(lv)池(chi)進(jin)入(ru)市政領域——一(yi)位(wei)叫James Simpson的(de)(de)(de)工(gong)程師，為倫敦的(de)(de)(de)切爾西(xi)水務公司建(jian)造了慢砂(sha)(sha)濾(lv)(lv)池(chi)(Slow Sand Filter)。這被(bei)業(ye)界視作市政水處理史(shi)(shi)上的(de)(de)(de)第一(yi)個砂(sha)(sha)濾(lv)(lv)池(chi)。
早(zao)期的濾(lv)池(chi)僅(jin)用(yong)于去(qu)除濁(zhuo)度，但后來人們(men)發(fa)現，隨著時間推移(yi)，濾(lv)池(chi)表面會逐漸長出一層有機(ji)物(wu)，過(guo)(guo)濾(lv)效果也(ye)會因(yin)此得到(dao)提升。如今科(ke)學(xue)家(jia)都(dou)把這層物(wu)質叫做Schmutzdecke。一看就知(zhi)道它(ta)(ta)是德語，英文可譯作dirt cover，專業點說，它(ta)(ta)是生物(wu)活性層。通(tong)過(guo)(guo)對出水(shui)的化(hua)驗(yan)分析(xi)，人們(men)發(fa)現濾(lv)池(chi)不僅(jin)能氧(yang)化(hua)水(shui)中的氮，還(huan)有更(geng)重(zhong)要的作用(yong)——1886年(nian)，英國(guo)人Edward Frandland借用(yong)當時著名德國(guo)科(ke)學(xue)家(jia)Robert Koch發(fa)現的霍(huo)亂弧菌(jun)的微生物(wu)檢(jian)測技術，發(fa)現慢濾(lv)池(chi)能夠去(qu)除細菌(jun)。
寫到這里，小(xiao)編有(you)點小(xiao)感慨：有(you)時覺得我們人類(lei)(lei)很多時候(hou)真的(de)很幸運，在(zai)科學家們正式發現疾病(bing)可以通過(guo)水中細(xi)菌傳播之前(1883年Robert Koch發現霍亂通過(guo)水傳播)，濾(lv)池因(yin)為(wei)可以去除病(bing)原微生物，因(yin)此已在(zai)不(bu)知覺中幫(bang)人類(lei)(lei)大大降(jiang)低了(le)病(bing)從口入(ru)的(de)風險。在(zai)此推薦大家讀(du)一(yi)下(xia)G.R. Scott發表于1954年的(de)《濾(lv)池建造及運行(xing)簡(jian)史(Short History of Filter Construction and Operation)》，借用那文章里的(de)話：“在(zai)水處理的(de)早期，砂濾(lv)池是去除有(you)害微生物的(de)唯一(yi)屏(ping)障。” 所以在(zai)小(xiao)編看來，濾(lv)池在(zai)水處理發展史中，有(you)著比(bi)活性污(wu)泥法更重(zhong)要的(de)地位。
快濾池的興(xing)起
Schmutzdecke這個生(sheng)物(wu)(wu)活性層其實是(shi)把雙刃(ren)劍(jian)，雖然在(zai)去除微生(sheng)物(wu)(wu)方面起著(zhu)積極作(zuo)用，但隨時(shi)間推(tui)移，Schmutzdecke會(hui)增厚到(dao)不可穿透，此(ci)時(shi)必(bi)須移除這層生(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)，并對(dui)濾池作(zuo)重新(xin)啟(qi)動(dong)。重啟(qi)時(shi)間也會(hui)讓人(ren)十分焦(jiao)急，因為會(hui)長達6個月左右。這也注(zhu)定了慢濾池誕生(sheng)之后，快濾池的面世(shi)是(shi)遲早的事(shi)。畢(bi)竟(jing)人(ren)類在(zai)追求“好快多(duo)省”的路上從未停歇。
1872年(nian)，美(mei)國建成第(di)一(yi)個慢(man)砂濾(lv)池(chi)，地(di)點(dian)位于紐約州(zhou)的(de)Poughkeepsie城。10年(nian)后的(de)1882年(nian)，美(mei)國人發(fa)明了(le)第(di)一(yi)個快濾(lv)池(chi)，地(di)點(dian)位于新澤西州(zhou)的(de)Somerville。和慢(man)濾(lv)不一(yi)樣，由(you)于向(xiang)原水投加了(le)混凝(ning)劑，快濾(lv)池(chi)表面(mian)會(hui)形成一(yi)層化學膜，相(xiang)當于替代了(le)慢(man)濾(lv)中的(de)Schmutzdecke。但由(you)于混凝(ning)劑和固體物(wu)質的(de)積累造成嚴重的(de)水頭(tou)損失，快濾(lv)需要增加反洗的(de)工序。
盡管這一代的快(kuai)濾池普遍(bian)存在濾料(liao)清洗不徹底、反(fan)洗水量大(da)等缺點，但(dan)由于(yu)其過(guo)濾速度遠高于(yu)慢濾池，占地(di)面積又大(da)大(da)減少，所以快(kuai)濾很快(kuai)成為(wei)市場的寵(chong)兒。
1972年(nian)，法國得利滿公司(Degremont)更(geng)進一步，發(fa)明了V型濾(lv)(lv)池(Aquazur V Filter)，采用(yong)先進的氣(qi)水聯合(he)反(fan)沖洗工藝和均(jun)質濾(lv)(lv)料，在快濾(lv)(lv)池的基(ji)礎上引入(ru)了壓(ya)縮空氣(qi)進行反(fan)沖洗，使濾(lv)(lv)料清洗比較徹底，改(gai)善(shan)了過濾(lv)(lv)性能，提高(gao)了濾(lv)(lv)層的截污(wu)能力。
砂(sha)濾(lv)技術下(xia)一個百(bai)年
因其(qi)(qi)占地(di)面積大等(deng)缺點(dian)，慢(man)(man)濾(lv)工藝曾一度被冷(leng)落并(bing)被快濾(lv)取代。例(li)如國內的(de)(de)自來水廠，大部分都(dou)是(shi)采用(yong)源自S公(gong)司的(de)(de)V濾(lv)池(chi)技術。但有(you)(you)趣的(de)(de)是(shi)，隨著(zhu)學界發現慢(man)(man)濾(lv)池(chi)對有(you)(you)機(ji)物(wu)(wu)，尤其(qi)(qi)是(shi)微量有(you)(you)機(ji)物(wu)(wu)以及細(xi)菌、病毒具有(you)(you)良(liang)好的(de)(de)去除能力，加上(shang)其(qi)(qi)在運行成本上(shang)的(de)(de)優勢，慢(man)(man)濾(lv)又逐(zhu)漸(jian)得到了重視(shi)。
值得一提的是(shi)，諸如(ru)(ru)荷蘭(lan)等大家(jia)公(gong)認的水處(chu)理(li)強國，在飲用水處(chu)理(li)中(zhong)，他(ta)們采用的仍(reng)是(shi)慢濾而不(bu)是(shi)快濾的技(ji)術。不(bu)僅(jin)如(ru)(ru)此(ci)，他(ta)們對慢濾的研(yan)究從(cong)未(wei)停止。2019年，荷蘭(lan)研(yan)究委員(yuan)會(NWO)、荷蘭(lan)兩家(jia)水務公(gong)司(si)Vitens和Dunea作為牽頭(tou)單位，聯合荷蘭(lan)多(duo)所著名(ming)高校10名(ming)博(bo)士生，專門為砂濾成立了研(yan)究項目SandFiltration。
Frank Schoonenberg是(shi)Vitens公(gong)司的一(yi)名工(gong)藝工(gong)程(cheng)師，也(ye)是(shi)這(zhe)(zhe)個砂濾(lv)研究(jiu)項目(mu)的負責人。他在最近接受采訪時(shi)表示：“砂濾(lv)池可去除溶解(jie)在水中(zhong)的鐵、錳和(he)銨等(deng)物(wu)質。但(dan)如(ru)果你以(yi)為它僅(jin)僅(jin)是(shi)簡單的過濾(lv)篩子(zi)，你就錯了(le)。它其實是(shi)個反應器，里邊有著相互(hu)影響(xiang)的物(wu)理、化學和(he)生物(wu)過程(cheng)。但(dan)我們還(huan)不(bu)完全了(le)解(jie)這(zhe)(zhe)些反應是(shi)如(ru)何運(yun)作和(he)相互(hu)影響(xiang)。因(yin)此我們常(chang)常(chang)無(wu)法(fa)解(jie)釋(shi)為什么(me)有些砂濾(lv)池運(yun)行效(xiao)果良好(hao)，有些卻不(bu)行。
是不是覺得有些難以置(zhi)信?
盡管(guan)已(yi)經(jing)有200年的歷史，而且得到歐洲許多自(zi)來水廠廣泛應(ying)用，但慢濾池(chi)里邊究(jiu)竟發(fa)生了什(shen)么，竟然仍(reng)是個“黑(hei)匣子之(zhi)謎(mi)”。
荷蘭這個多方合作項目的目標(biao)是要進一步(bu)提高用于飲用水生產的慢(man)濾技(ji)術(shu)的處(chu)理能力、穩定性，并降低成本。
這(zhe)是一個非常基礎(chu)性的(de)研(yan)究，并且涵蓋砂(sha)濾的(de)方方面(mian)面(mian)，總(zong)的(de)來說由五(wu)個子(zi)項(xiang)(xiang)(xiang)目(mu)組成，每(mei)個子(zi)項(xiang)(xiang)(xiang)目(mu)都有兩個不同高校或單位(wei)的(de)博士生來進(jin)行。項(xiang)(xiang)(xiang)目(mu)委員會(hui)之所以這(zhe)樣分組，是希望跨學科(ke)背景的(de)人能碰撞(zhuang)出知識的(de)火花，促進(jin)新見解的(de)產出。這(zhe)五(wu)個子(zi)項(xiang)(xiang)(xiang)目(mu)分別為：
1、加強對砂(sha)濾的(de)微生(sheng)物和地(di)球(qiu)化學(xue)動力學(xue)的(de)機械認(ren)知
此項目周期為2020年(nian)1月-2024年(nian)8月，主要由烏特勒支大學(xue)(xue)地球科學(xue)(xue)系和奈梅亨Radboud大學(xue)(xue)微生(sheng)物(wu)系的博士生(sheng)進行研究。
項目組將DNA分析(xi)和(he)地球化學(xue)測量(geochemical measurements)技(ji)術結合到(dao)一(yi)起：在DNA分析(xi)中，他們可以“盤點(dian)”砂濾池里都有什么細菌及其數量和(he)作用。所謂的地球化學(xue)測量，則是(shi)指研究(jiu)人員拍攝顯微(wei)照片，準確(que)繪制出鐵、錳(meng)等物(wu)質最(zui)后被吸附到(dao)砂濾池中的什么位置(zhi)。
另外，他(ta)們將對(dui)砂(sha)濾工序進行拆解，先(xian)在一(yi)個相(xiang)對(dui)低曝(pu)氣條件的(de)砂(sha)濾池里去除鐵，然后在后續的(de)砂(sha)濾池中(zhong)提(ti)高氧(yang)氣含量，以去除錳(meng)和(he)銨。他(ta)們認為這樣能更好地優化砂(sha)濾池的(de)設計。
2、開發模型精確預測除菌(jun)以(yi)及(ji)粘性膜功(gong)效和保護(hu)
此項目周期為(wei)2020年1月-2024年8月。研究員將結(jie)合實驗、3D成(cheng)像(xiang)和建模(mo)工具，從微米(mi)級(ji)到納米(mi)級(ji)逐步探究慢濾的工藝細節，從而創建能夠精(jing)確預(yu)測(ce)實際(ji)運行的模(mo)型。
參與(yu)的大學(xue)(xue)(xue)包括阿姆斯特丹大學(xue)(xue)(xue)、烏特勒支大學(xue)(xue)(xue)和代爾夫特理工。
3、改(gai)進(jin)以地下水(shui)(shui)為水(shui)(shui)源的曝(pu)氣(qi)濾(lv)池
此項目(mu)周期(qi)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(yi)個研(yan)究快速曝(pu)氣濾池(chi)的項目(mu)。對工程師(shi)來說，傳統的曝(pu)氣濾池(chi)中多余的氧(yang)氣其實不是好事(shi)，所(suo)以該(gai)項目(mu)是要找到控制氧(yang)化還(huan)原電(dian)位(ORP)，將曝(pu)氣濾池(chi)從過去的過飽和到恰如其分(fen)地優化高(gao)流速狀態。
4、揭示生物活性(xing)在(zai)慢砂(sha)濾(lv)池(chi)性(xing)能中的作用(yong)
此項目周期為2019年9月-2023年8月，主要由烏特勒支(zhi)大(da)學和荷蘭皇(huang)家大(da)海研究所(suo)(NIOZ)負(fu)責。如題所(suo)示(shi)，這個(ge)項目主要考察特定(ding)生(sheng)物工(gong)藝在慢(man)濾池中的作用。
5、面向下個(ge)百(bai)年(nian)的慢(man)濾
此項目周期為2019年9月(yue)-2023年8月(yue)，這個項目主要由瓦赫寧(ning)根(gen)大(da)學和代爾夫特理(li)工大(da)學開展研究。最終的(de)服務(wu)用戶都是(shi)荷(he)蘭最出(chu)名的(de)水(shui)務(wu)公(gong)司(si)，包括RoyalHaskoning DHV、Witteveen + Bos、Waternet、Waterbedrijf Groningen、Dunea和Vitens。
其實從這個(ge)項目(mu)名(ming)稱也可以(yi)看出項目(mu)組的(de)(de)野心(xin)。他們并沒(mei)有認為慢濾過時(shi)(shi)了(le)，而且認為非常適合用于飲用水生產，他們希望(wang)通過這次研究，測試不同濾料(liao)、過濾速度以(yi)及添(tian)加(jia)營(ying)養物(wu)或(huo)接種物(wu)的(de)(de)效果，從而找出創新策略，從而加(jia)快(kuai)生物(wu)活性層(ceng) (schmutzdecke)的(de)(de)形成(cheng)時(shi)(shi)間，縮短啟動周(zhou)期，并避免其快(kuai)速堵塞。另一方面(mian)，找出可以(yi)優化的(de)(de)工(gong)藝條(tiao)件，減少濾池占地面(mian)積和(he)床層(ceng)高度，提高其市場競(jing)爭力。
其實除了(le)荷蘭，世界好多國家都沒(mei)有停止對慢(man)濾池的(de)研(yan)究(jiu)。2019年美國俄勒岡州水務局在(zai)一份專(zhuan)題報告里，就曾(ceng)用a timeless technology來形(xing)容慢(man)濾技(ji)術。隨著水處理行(xing)業對微生物認識的(de)加深(shen)，慢(man)濾技(ji)術真的(de)有可能(neng)在(zai)下一個百(bai)年里，在(zai)城(cheng)市水處理領(ling)域煥(huan)發新生。畢竟(jing)，誰不喜(xi)歡(huan)又好又便(bian)宜(yi)的(de)東西呢？
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