摘要以湘江为地表水源的某些水厂的滤料存在黑化变质现象。随机选取部分已变黑滤料，用电镜观察等技术对其表面物质组成进行分析。结果表明，附着在滤料上的黑色物质的主要成分包括锰、铁、铝、硅、氧等元素。在100-150rpm的搅拌强度下，3%左右的盐酸能有效洗除滤料表面的黑色附着物。 关键词供水 过滤 滤料 表面附着物 滤料质量是保证过滤处理效果的关键。然而，在以湘江为地表水源的某些水厂，滤料使用1—2年后黑化，粒径增大且变得圆滑，既降低滤料层的截污能力，使滤池出水水质恶化，又缩短滤料的更换周期，增加生产成本。为探讨延长滤料正常工作年限的技术，本文对黑化滤料表面物质的组成及其洗除技术进行研究。
1实验材料与方法
1.1黑化滤料的选料
由于严重黑化，某水厂将滤料从钟罩滤池内取出进行清洗处理。收集废弃滤料，用四分法选取足量供实验用的材料，于棕色广口瓶内密封保存。
1.2黑化滤料表面物质的组成分析
1.2.1黑化滤料的外表观察
肉眼观察黑化滤料外表，比较新投入使用滤料与黑化滤料在表观上的差别。
1.2.2黑化滤料表面物质组成的电镜分析
取100g黑化滤料，105℃烘干2h，冷却后称重(m1)，再置于蒸馏水中，剧烈搅拌洗除表面黑色附着物，将洗净后的滤料再105℃烘干2h，称重(m2)。根据公式计算黑色附着物的含量。
随机挑出数颗砂粒，用蒸馏水淋洗干净，经过表面处理后用电镜观察，确定主要物质成分及其含量。
1.2.3黑化滤料的密度测定
按建设部部颁标准CJ24·1—88《水处理用石英砂滤料》附录A之3.2规定的检验方法测定黑化滤料的密度。
1.3黑化滤料表面附着物的洗除实验
1.3.1实验装置
洗除实验在烧杯内进行，用六联搅拌机作搅拌动力。
取500ml烧杯1个，于烧杯内加入黑化滤料150ml左右(刚好将搅拌叶片完全浸没滤料中)，再移入清洗液，浸泡30min后搅拌5min，然后用蒸馏水冲洗。冲洗时用玻璃棒轻微搅拌。冲洗出水不再浑浊，则视为冲洗干净，停止操作。
1.3.2酸、碱溶液洗除效果比较
配制浓度分别为0.2，1.5，3和5%的HCI和NaOH溶液，移入盛有黑化滤料的烧杯中，浸泡30min，再100rpm搅拌5min，洗净后测黑色附着物的除去量，并计算洗除率。
1.3.3搅拌强度对洗除效果的影响
用1.5%的HCI清洗液浸泡黑化滤料30min，再分别在50，100，150和200rpm的强度下搅拌5min，洗净后测黑色附着物的除去量，并计算洗除率。
2结果与分析
2.1黑化滤料的外表变化
滤料黑化后，砂粒原色被掩盖，整体变得圆滑而缺少棱角，直径增大(图1和图2)。
黑化滤料表面附着物的重量在5.5%左右。湿润时有粘滑感，风干后，附着物并不自行脱落，捏碎则呈粉末状。包裹在其内的砂粒基本上保持原状。
2.2滤料表面黑色附着物的物质组成
新滤料表面物质的主要元素是硅、氧和铝等(见图3和表1)。发生黑化后，表面物质的成分变得更复杂，而且各元素所占比例显著改变(见图4和表2)。
图3新投入使用滤料表面物质组成电镜分析
E1ementK-ralio(calc.)ZAFAtom%Element Wt %Wt %Err(1-Sigma)Fc-K0.00571.2140.270.69+/-0.12Mn-K0.00621.2430.310.77+/-0.12K-K0.00211.3420.160.28+/-0.05Si-K0.46821.24345.2958.22+/-0.27A1-K0.00911.3961.031.27+/-0.07O-K0.10253.78352.9538.77+/-0.45 表1新投入使用滤池表面物质组成及含量
锰为表面黑色附着物的最主要元素，硅所占的比例下降，而铝、铁、锌、钙等含量显著增加。氧仍是重要成分，表明很多金属元素以氧化物形式存在。
2.3滤料黑化后的密度变化
滤料黑化后，体积增大而密度变小。实验测得新滤料的密度为2.63g/cm3，黑化滤料的密度则下降至2.58g/cm3。
图4黑化滤料表面物质组成的电镜分析
ElememK-ratio(calc.)ZAFAtom%Element Wt%Wt % Err(1-Sigma)Zn-K0.04781.1842.575.66+/-0.44Fe-K0.08651.1025.059.53+/-0.31Mn-K0.24991.13115.2328.25+/-0.35Ti-k0.00541.0980.360.59+/-0.05Ca-k0.01511.0891.221.65+/-0.10K-K0.01741.1611.532.02+/-0.09S-K0.00231.5170.320.35+/-0.04P-K0.00311.8630.560.58+/-0.04Si-K0.07621.90315.2914.50+/-0.14Al-K0.06422.11214.8713.55+/-0.13Mg-K0.00092.8300.300.25+/-0.04O-K0.07722.98742.7023.07+/-0.25 表2 黑化滤料表面物质组成及其含量
图5不同浓度HCI和NaOH清洗液对滤料表面黑化附着物的洗除效果
2.4 黑化滤料的清洗效果
酸、喊清洗液对滤料表面黑色附着物的洗除情况见图5。从中可以看出，HCl和NaOH稀溶液都能有效洗除滤料表面的黑色附着物。在相同浓度下，HCl溶液清除坟果优于NaOH溶液。实际工作中，从节省药剂用量、减轻腐蚀破坏和降低操作危险等方面考虑，可将HCI清洗液的浓度配制在3%左右。
将黑化滤料置于清水中搅拌，表面附着物的洗除率也可达到73%左右，但有较多黑斑残留在砂粒表面。
搅拌强度影响滤料表而黑色附着物的洗除效果(图6)。在不进行搅拌处理的情况下，浸泡仅能洗除21%的表面附着物。将搅拌强度提高到50rpm，洗除率增至84%。搅拌强度达到150rpm后，洗除率维持在99%以上水平。就节能生产而言，可将经济搅拌强度确定在100-150rpm。
图6搅拌强度对滤池表面黑化附着物洗除效果的影响
3讨论
3.1 滤料黑化主要是受理化作用控制的过程
电镜分析没有检出碳元素，这表明滤料表面黑色附着物中的微生物成分相当少，微生物生长对滤料变黑的贡献可能小，表面附着物的积累主要取决于化学沉淀，配位化合和吸附等理化作用。
根据多年水质资料，黑化滤料所在滤池的进水的锰含量经常偏高，而滤池出水中的锰超标的现象较少，因而滤料对锰的截留量大。锰元素富集可能是导致滤料黑化的主要原因。
研究所选水厂皆用铝盐作混凝剂。受水体pH变化，药剂投加失误和原水浊度变化快等因素影响，可能有较大量铝残余进入滤池中，并通过理化作用在砂粒表面积累到较高水平。
湘江原水的铁含量明显偏高，但由于铁比锰易处理除去，进入滤池的铁可能相对少，故而其在滤料表面的附着量低于锰和铝。
钙，镁和锌等是水中常见的金属离子，推测通过共沉降作用与锰，铁和铝离子等包裹到滤料表面。
硫，磷等非金属元素进入附着物内，表明黑化不会是简单的生物或理化过程，可能各种因素综合在一起，共同决定着元素的存在形态及表面附着物的积累速度等。有关附着物生长动态的研究值得进一步开展。
3．2滤料黑化影响滤池正常运行
滤料黑化后产生的不良影响是多方面的。首先，黑化滤料粒径增加，抬高滤床，同时密度变小，容易在反冲洗时发生跑砂现象；其次，疏松附着物可能在反冲洗过程中脱落，如果未能排出滤池外，则会在滤池启动的初期进入滤后水中，恶化水质；第三，砂粒表面被覆附着物层后，原表面电荷、疏水性等性质发生改变，砂粒截留悬浮固本的微观过程相应变化，可能导致滤池的过滤性能下降；第四，黑化后，原滤池内滤料的级配等特征参数改变，影响滤池的截污和含污能力等；最后，缩短滤料更换周期，增加生产成本。
3．3关于黑化滤料的冲洗技术
实验表明，3%左右的HCl溶液能有效洗除滤料表面的黑色附着物。清洗过程中，只有少部分黑化物通过溶解作用进入清洗液中，大量附着物则是在碰撞摩擦力的作用下被洗除。由此可见，加强反冲洗管理有助于延缓滤料的黑化进程。
如果异地清洗已黑化滤料，适当强度的搅拌是提高附着物洗除率的重要手段。根据我们的实验结果，搅拌强度确定在100—150rpm为宜。
清洗液中HCl的作用可能在于溶解各种金属氧化物、氢氧化物和硫化物等。坚硬的附着物通过化学反应变得松软后，搅拌作用促使其从附着表面上脱落下来。
如果盐酸浓度，搅拌强度和清洗时间等因素控制得当，黑色附着物可波彻底洗除而滤料不被损坏，仍能重新利用。对滤料使用量大且受黑化影响的单位，建造清洗系统具有明显的经济优势。
由于盐酸对水下设施，如混凝土墙壁和各种闸阀等具有腐蚀作用，同时反冲洗强度可能满足不了搅拌要求，一般不提倡对黑化滤料进行就地清洗处理。 | 
