200年歷史的慢砂濾池 遠沒你想的簡單
不老的砂濾技術
你知道嗎？世衛組織有份報告說，西方濾池的歷史可追溯到1804年，當時一個叫John Gibb的蘇格蘭人發明了一個試驗性的過濾裝置，主要用于他自家的漂白工場，多余的過濾水以每加侖0.5鎊的價格賣給當地人。之后的20多年里，不少人都對砂濾池的設計細節進行改進。到了1829年，砂濾池進入市政領域——一位叫James Simpson的工程師，為倫敦的切爾西水務公司建造了慢砂濾池(Slow Sand Filter)。這被業界視作市政水處理史上的第一個砂濾池。
早期的濾池僅用于去除濁度，但后來人們發現，隨著時間推移，濾池表面會逐漸長出一層有機物，過濾效果也會因此得到提升。如今科學家都把這層物質叫做Schmutzdecke。一看就知道它是德語，英文可譯作dirt cover，專業點說，它是生物活性層。通過對出水的化驗分析，人們發現濾池不僅能氧化水中的氮，還有更重要的作用——1886年，英國人Edward Frandland借用當時著名德國科學家Robert Koch發現的霍亂弧菌的微生物檢測技術，發現慢濾池能夠去除細菌。
寫到這里，小編有點小感慨：有時覺得我們人類很多時候真的很幸運，在科學家們正式發現疾病可以通過水中細菌傳播之前(1883年Robert Koch發現霍亂通過水傳播)，濾池因為可以去除病原微生物，因此已在不知覺中幫人類大大降低了病從口入的風險。在此推薦大家讀一下G.R. Scott發表于1954年的《濾池建造及運行簡史(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這個生物活性層其實是把雙刃劍，雖然在去除微生物方面起著積極作用，但隨時間推移，Schmutzdecke會增厚到不可穿透，此時必須移除這層生物膜，并對濾池作重新啟動。重啟時間也會讓人十分焦急，因為會長達6個月左右。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，美國建成第一個慢砂濾池，地點位于紐約州的Poughkeepsie城。10年后的1882年，美國人發明了第一個快濾池，地點位于新澤西州的Somerville。和慢濾不一樣，由于向原水投加了混凝劑，快濾池表面會形成一層化學膜，相當于替代了慢濾中的Schmutzdecke。但由于混凝劑和固體物質的積累造成嚴重的水頭損失，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，但由于其過濾速度遠高于慢濾池，占地面積又大大減少，所以快濾很快成為市場的寵兒。
1972年，法國得利滿公司（Degremont）更進一步，發明了V型濾池(Aquazur V Filter)，采用先進的氣水聯合反沖洗工藝和均質濾料，在快濾池的基礎上引入了壓縮空氣進行反沖洗，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。
砂濾技術下一個百年
因其占地面積大等缺點，慢濾工藝曾一度被冷落并被快濾取代。例如國內的自來水廠，大部分都是采用源自S公司的V濾池技術。但有趣的是，隨著學界發現慢濾池對有機物，尤其是微量有機物以及細菌、病毒具有良好的去除能力，加上其在運行成本上的優勢，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的水處理強國，在飲用水處理中，他們采用的仍是慢濾而不是快濾的技術。不僅如此，他們對慢濾的研究從未停止。2019年，荷蘭研究委員會（NWO）、荷蘭兩家水務公司Vitens和Dunea作為牽頭單位，聯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目SandFiltration。
Frank Schoonenberg是Vitens公司的一名工藝工程師，也是這個砂濾研究項目的負責人。他在最近接受采訪時表示：“砂濾池可去除溶解在水中的鐵、錳和銨等物質。但如果你以為它僅僅是簡單的過濾篩子，你就錯了。它其實是個反應器，里邊有著相互影響的物理、化學和生物過程。但我們還不完全了解這些反應是如何運作和相互影響。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?
盡管已經有200年的歷史，而且得到歐洲許多自來水廠廣泛應用，但慢濾池里邊究竟發生了什么，竟然仍是個“黑匣子之謎”。
荷蘭這個多方合作項目的目標是要進一步提高用于飲用水生產的慢濾技術的處理能力、穩定性，并降低成本。
這是一個非常基礎性的研究，并且涵蓋砂濾的方方面面，總的來說由五個子項目組成，每個子項目都有兩個不同高校或單位的博士生來進行。項目委員會之所以這樣分組，是希望跨學科背景的人能碰撞出知識的火花，促進新見解的產出。這五個子項目分別為：
1 加強對砂濾的微生物和地球化學動力學的機械認知
此項目周期為2020年1月-2024年8月，主要由烏特勒支大學地球科學系和奈梅亨Radboud大學微生物系的博士生進行研究。
項目組將DNA分析和地球化學測量(geochemical measurements)技術結合到一起：在DNA分析中，他們可以“盤點”砂濾池里都有什么細菌及其數量和作用。所謂的地球化學測量，則是指研究人員拍攝顯微照片，準確繪制出鐵、錳等物質最后被吸附到砂濾池中的什么位置。
另外，他們將對砂濾工序進行拆解，先在一個相對低曝氣條件的砂濾池里去除鐵，然后在后續的砂濾池中提高氧氣含量，以去除錳和銨。他們認為這樣能更好地優化砂濾池的設計。
2 開發模型精確預測除菌以及粘性膜功效和保護
此項目周期為2020年1月-2024年8月。研究員將結合實驗、3D成像和建模工具，從微米級到納米級逐步探究慢濾的工藝細節，從而創建能夠精確預測實際運行的模型。
參與的大學包括阿姆斯特丹大學、烏特勒支大學和代爾夫特理工。
3 改進以地下水為水源的曝氣濾池
此項目周期為2020年1月-2024年8月，主要由代爾夫特理工大學負責。這是一個研究快速曝氣濾池的項目。對工程師來說，傳統的曝氣濾池中多余的氧氣其實不是好事，所以該項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化高流速狀態。
4 揭示生物活性在慢砂濾池性能中的作用
此項目周期為2019年9月-2023年8月，主要由烏特勒支大學和荷蘭皇家大海研究所(NIOZ)負責。如題所示，這個項目主要考察特定生物工藝在慢濾池中的作用。
5 面向下個百年的慢濾
此項目周期為2019年9月-2023年8月，這個項目主要由瓦赫寧根大學和代爾夫特理工大學開展研究。最終的服務用戶都是荷蘭最出名的水務公司，包括RoyalHaskoning DHV、Witteveen + Bos、Waternet、Waterbedrijf Groningen、Dunea和Vitens。
其實從這個項目名稱也可以看出項目組的野心。他們并沒有認為慢濾過時了，而且認為非常適合用于飲用水生產，他們希望通過這次研究，測試不同濾料、過濾速度以及添加營養物或接種物的效果，從而找出創新策略，從而加快生物活性層 (schmutzdecke)的形成時間，縮短啟動周期，并避免其快速堵塞。另一方面，找出可以優化的工藝條件，減少濾池占地面積和床層高度，提高其市場競爭力。
其實除了荷蘭，世界好多國家都沒有停止對慢濾池的研究。2019年美國俄勒岡州水務局在一份專題報告里，就曾用a timeless technology來形容慢濾技術。隨著水處理行業對微生物認識的加深，慢濾技術真的有可能在下一個百年里，在城市水處理領域煥發新生。畢竟，誰不喜歡又好又便宜的東西呢？
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