《Water Cycle》：In-situ ultrasonic treatment for effective clogging mitigation in sand filters
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本文针对砂滤系统普遍存在的因颗粒和生物膜积累导致的堵塞问题，探讨了原位超声处理（20-40 kHz）作为缓解手段的有效性与机制。研究发现，间歇连续超声波可延缓堵塞进程，而脉冲式超声能有效恢复砂滤器渗透性。该研究为解决砂滤系统维护成本高、效率下降的难题提供了可持续、非侵入性的新思路，具有重要的工程应用价值。
在确保安全供水的征途中，砂滤系统扮演着基石般的角色。它们成本低廉、能耗不高且适应性强，被广泛用于城市污水、工业废水和饮用水处理，通过物理、化学和生物过程有效去除浊度、悬浮颗粒乃至贾第鞭毛虫、隐孢子虫等病原微生物。然而，这位“净水卫士”有一个长期的“阿喀琉斯之踵”——堵塞。悬浮固体和生物膜的不断累积，会导致水头损失增加、过滤效率下降。为了应对这一问题，传统方法如反冲洗会消耗大量水和能量，表面刮除则会造成滤料损失，曝气可能反而促进微生物过度生长，而化学清洗又可能带来化学残留并破坏有益的微生物群落。堵塞，始终是影响砂滤系统性能和成本效益的最重要操作挑战之一。
与此同时，超声波技术作为一种绿色、高效、低能耗的非侵入性方法，已在超滤和微滤等膜技术中展现出清除污染的显著潜力。但砂滤与膜过滤存在本质差异：砂滤依赖重力驱动的下向流，孔隙更大，堵塞主要由无机沉积物和微生物胞外聚合物(EPS)引起，且声波在砂层中的传播并不均匀。那么，超声波这把“利器”，能否同样有效地为砂滤系统“疏通经脉”呢？这一领域尚待深入探索。发表在《Water Cycle》上的这项研究，正是为了填补这一空白，系统评估低频超声波缓解砂滤器堵塞的有效性，并揭示其背后的作用机理。
为开展这项研究，作者主要采用了以下几种关键技术方法：首先，搭建了集成超声处理的模拟砂滤实验系统，使用不锈钢填充柱（内填1.5–2.5 mm石英砂）置于超声槽内，通过精密控制的水泵以典型水力负荷率（4.7 m/h）进水。其次，制备了具有不同粒径（通过60、100、300目筛网）和不同挥发性固体(VS)含量（0%， 16%， 68%）的堵塞物质，以模拟不同类型的堵塞。再者，运用了两种超声波处理模式：在堵塞过程中施加间歇连续超声以评估其延缓堵塞的效果；在滤柱接近堵塞后施加脉冲式（开启1分钟）超声以评估其恢复渗透性的能力。最后，通过监测水头损失并依据达西定律计算渗透系数来量化堵塞与恢复程度，并对处理前后的颗粒进行粒径、zeta电位和VS含量等物理化学性质表征。
研究结果
3.1. 超声条件对渗透性损失动态的影响
3.1.1. 连续/脉冲超声下超声条件对渗透性损失的影响
在不施加超声处理的对照组中，砂滤器的渗透系数在前10分钟内从1.86 cm/s迅速下降至0.59 cm/s。研究发现，在相同频率下，提高超声能量密度可以降低渗透系数的下降速率；而在相同能量密度下，较低频率（20 kHz）会导致更快的渗透性损失。综合来看，在40 kHz频率、60 kW/m2能量密度下的间歇连续超声处理，在延缓堵塞进程方面表现最佳。这归因于该条件下空化强度与微气泡介导的剪切力达到了最佳平衡，能有效促进颗粒从石英砂表面剥离以及胞外聚合物(EPS)结合絮体的解聚。
3.1.2. 超声条件对接受连续/脉冲超声处理的砂滤器的影响
对于已严重堵塞的砂滤器，施加1分钟的脉冲超声可以改善其渗透性，但无法完全恢复到初始水平。在相同能量输入下，渗透性恢复效果遵循28 kHz > 40 kHz > 20 kHz的趋势，其中28 kHz和60 kW/m2的组合恢复效果最佳。这是因为28 kHz频率在空化强度与稳定性之间取得了最优平衡，产生的空化气泡分布更均匀，塌陷能量足以有效去除滤料表面的颗粒和胶体物质。
3.2. 超声处理对不同类型堵塞物质的影响
3.2.1. 超声处理对不同粒径诱发堵塞的影响
堵塞过程中渗透性下降的趋势为：60目 > 100目 > 300目颗粒，表明较大颗粒更易引发堵塞。超声处理能有效恢复由60目和100目颗粒造成堵塞的滤柱渗透性，但对300目细颗粒造成的堵塞，由于初始堵塞就不明显，恢复效果有限。颗粒分析证实，超声处理能显著减小颗粒尺寸，60目、100目和300目颗粒的平均尺寸分别减少了58.65%、51.46%和36.15%，且松散结合的聚集体更容易被超声波破坏。同时，超声处理还降低了所有粒径颗粒的zeta电位（绝对值减小），增强了颗粒的迁移能力。
3.2.2. 超声处理对不同VS含量堵塞物质的影响
在堵塞过程中，渗透性下降的趋势为：16%VS > 68%VS > 0%VS颗粒，表明超声处理对缓解无机颗粒或高VS含量固体引起的堵塞特别有效。对于高有机物含量的系统（68%VS），超声处理能通过空化产生的活性氧（如羟基自由基）氧化降解有机物，其VS含量降低了19.32%。在恢复渗透性方面，首次超声处理后，恢复率顺序为68%VS > 16%VS > 0%VS系统，显示了超声波在处理含有机物堵塞方面的效力。
3.3. 超声处理后堵塞物质的去向
超声处理后，堵塞物质主要发生两种变化：一是颗粒破碎，聚集体尺寸减小36–59%；二是zeta电位降低，增强了颗粒的移动性并促进其再悬浮。这会导致短期内出水总悬浮固体(TSS)浓度显著升高，但系统仍能维持约86%的TSS去除率，与砂滤器的典型性能相当。
结论与意义
本研究系统探讨了原位超声处理缓解砂滤器堵塞的潜力与机制，得出以下核心结论：在延缓堵塞进程方面，40 kHz、60 kW/m2的间歇连续超声处理效果最佳；在恢复已堵塞滤柱的渗透性方面，28 kHz、60 kW/m2的脉冲超声处理最为有效。超声波通过促进颗粒解聚、减小聚集体尺寸、改变表面电荷以及氧化有机物等多种物理化学机制来增强滤层渗透性。该方法对于主要由无机小颗粒主导的堵塞效果显著，在处理受有机物影响的堵塞时也表现出高效能。间歇连续超声在有机质含量高的系统中优于脉冲处理，这得益于其增强了有机物的释放或降解。
这项研究的发现具有重要意义。它首次系统地将超声波技术应用于砂滤这一传统而广泛的水处理工艺中，并明确了其最优操作参数和作用靶点（如针对无机小颗粒和特定有机组分）。与反冲洗、刮砂等传统方法相比，超声处理具有耗水量低、操作干扰小、易于自动化等优势。该研究为砂滤系统的可持续维护提供了一种创新、环保且高效的补充或替代策略，有望延长滤池运行寿命、降低维护成本，并为推动超声波技术在更广泛的水处理场景中的大规模应用奠定了坚实的科学基础。
