多介质过滤器滤料 “接触絮凝” 的净化原理

多介质过滤器（如石英砂 - 无烟煤 - 石榴石多层滤料过滤器）中的 “接触絮凝”，是胶体颗粒在滤料表面的吸附、碰撞与聚集过程，核心是利用滤料的 “接触界面” 替代传统混凝工艺中的 “药剂混合反应池”，让微小污染物在滤层内部完成从 “分散态” 到 “聚集态” 的转化，最终被滤料截留。其净化原理需从 “胶体污染物特性”“滤料界面作用”“颗粒迁移与聚集” 三个核心维度拆解，具体如下：

一、前提：为什么需要 “接触絮凝”—— 胶体污染物的稳定性难题

水中的主要污染物（如黏土颗粒、藻类残骸、微小有机物、微生物等）多以胶体形式存在（粒径 1~100nm），这类颗粒存在两大特性，导致其难以被普通过滤直接截留：

表面带电性：胶体颗粒（如黏土）因吸附水中离子（如 OH⁻），表面带负电，同类颗粒间因 “静电排斥” 无法相互聚集，始终保持分散状态；

布朗运动：胶体颗粒质量极小，会在水分子热运动作用下做无规则 “布朗运动”，进一步避免了颗粒沉降或自然聚集。

传统工艺需通过 “投加混凝剂（如 PAC、PFS）” 让胶体脱稳聚集，但多介质过滤器的 “接触絮凝” 可通过滤料界面作用，简化或辅助这一过程 —— 本质是让滤料成为 “胶体脱稳与聚集的载体”。

二、核心：接触絮凝的 3 步净化机制

接触絮凝的本质是 “胶体颗粒在滤料表面的‘吸附 - 聚集 - 截留’闭环”，具体分为三个关键步骤：

1. 第一步：胶体颗粒向滤料表面 “迁移”—— 突破静电排斥的前提

滤料（如石英砂、无烟煤）表面通常带负电（与胶体电荷相同），但水流在滤层内的流动状态（非均匀流）和滤料的物理特性，会推动胶体颗粒克服静电排斥，靠近滤料表面，主要通过 3 种迁移方式：

拦截作用：水流穿过滤料间隙时，胶体颗粒因粒径略大于局部间隙，被滤料表面 “物理拦截”，强制接触滤料；

惯性碰撞：水流在滤料周围形成涡流，胶体颗粒因惯性无法跟随水流转弯，直接碰撞到滤料表面；

扩散作用：微小胶体颗粒（<10nm）的布朗运动更剧烈，会主动扩散到滤料表面，类似 “分子扩散”。

这一步的关键是：滤料的 “不规则外形”（如无烟煤的多孔结构、石英砂的棱角）和 “合理的滤层孔隙分布”（上层粗滤料留大孔隙，下层细滤料缩孔隙），为迁移提供了充足的接触机会。

2. 第二步：胶体颗粒在滤料表面 “脱稳吸附”—— 接触絮凝的核心

当胶体颗粒靠近滤料表面到一定距离（通常 <10nm，进入 “范德华力作用范围”），滤料表面的 “界面作用力” 会主导胶体脱稳，实现吸附，主要依赖两种力：

范德华引力：滤料与胶体颗粒均为 “极性物质”，分子间存在普遍的范德华引力（随距离减小而急剧增强）。当范德华引力 > 胶体表面的静电排斥力时，胶体颗粒会被 “拉向” 滤料表面，完成 “脱稳”；

化学吸附辅助：若水中存在微量混凝剂（或原水自带钙、镁离子），这些 “正电荷离子” 会先吸附在滤料负电表面，形成 “正电吸附层”—— 此时胶体颗粒的负电会被正电层中和，静电排斥力完全消失，胶体可通过 “电荷中和” 牢固吸附在滤料表面。

这一步是 “接触” 的核心：滤料不再是单纯的 “筛网”，而是成为 “胶体脱稳的反应界面”。

3. 第三步：吸附颗粒在滤料表面 “聚集与截留”—— 完成净化

已吸附在滤料表面的胶体颗粒，会成为新的 “吸附中心”：后续流经的胶体颗粒，会优先吸附在 “已吸附的颗粒” 上，而非直接吸附滤料，形成 “颗粒聚集物”（类似传统混凝的 “矾花”）；随着聚集物增多，滤料间隙会被进一步堵塞，形成 “滤饼层”，此时水流中的微小颗粒（甚至部分溶解性有机物）会被滤饼层 “深度截留”；最终，聚集物因重力和滤料的机械阻挡，无法随水流穿出滤层，留在滤料间隙或表面，实现水质净化。

三、关键影响因素：如何强化接触絮凝效果？

接触絮凝的效率并非固定，受以下 4 个因素直接影响，也是工程中优化过滤器的核心方向：

滤料特性：滤料粒径越小、孔隙越多（如无烟煤比石英砂多孔），比表面积越大，接触界面越多，絮凝效果越强；通过预处理（如酸洗、覆膜）调整滤料表面电荷（如从负电改为弱正电），可增强对负电胶体的吸附；多介质滤料的 “上层粗、下层细” 级配（如无烟煤粒径 0.8~1.2mm，石英砂 0.4~0.6mm），可避免上层滤料堵塞过快，保证下层细滤料的接触絮凝空间。

水流条件：滤速过慢（<5m/h）会导致颗粒停留时间过长，滤层易堵塞；滤速过快（>15m/h）会导致颗粒来不及接触吸附，随水流穿透；通常控制在 8~12m/h，平衡接触时间与流速；反洗时需通过水流冲击（或气水联合反洗）将滤料表面的聚集物冲洗掉，若反洗不彻底，滤料表面残留聚集物会影响下次吸附，导致出水水质下降。

原水水质：原水胶体浓度过高（如浊度 > 50NTU），需先投加少量混凝剂预处理，避免滤料快速饱和；浓度过低（浊度 < 5NTU），可通过增加滤料接触时间（如延长滤层高度）强化吸附；pH 影响胶体和滤料的表面电荷（如 pH<6 时，胶体负电量减少，吸附力增强），通常控制原水 pH 在 6.5~8.5，适配滤料的最佳吸附状态。

混凝剂辅助：若原水胶体稳定性极强（如低温低浊水），可在过滤器进水前投加微量混凝剂（如 PAC，投加量 5~10mg/L），通过 “药剂中和 + 滤料接触” 双重作用，强化胶体脱稳聚集。

四、与传统混凝的区别：为什么接触絮凝更高效？

接触絮凝本质是 “混凝过程的‘微型化’与‘滤层内集成’”，与传统的 “混合池 - 反应池 - 沉淀池 - 过滤器” 工艺相比，核心优势体现在四个方面：

反应空间：传统混凝需要独立的混合池、反应池，占地较大；接触絮凝的反应空间直接利用滤料间隙，集成在过滤器内部，大幅节省占地；

药剂用量：传统混凝需投加足量混凝剂以形成大矾花，药剂消耗多；接触絮凝可依赖滤料界面作用，少加甚至不加混凝剂，降低药剂成本；

适用场景：传统混凝更适合高浊度水（浊度 > 100NTU）；接触絮凝更适配中低浊度水（浊度 < 50NTU）或预处理后的水，无需单独设置沉淀池；

净化效率：传统混凝依赖矾花沉降效果，易残留微小矾花，出水浊度难以进一步降低；接触絮凝在滤层内直接截留聚集物，出水浊度更低（通常 < 1NTU）。

综上，多介质过滤器的 “接触絮凝” 是“界面吸附”“电荷作用”“颗粒聚集” 共同驱动的净化过程—— 滤料既是 “接触载体”，也是 “反应平台”，通过将 “混凝” 与 “过滤” 集成，实现了对水中胶体污染物的高效去除，是饮用水处理、工业循环水处理中核心的预处理技术之一。