炭砂濾池直接過濾處理低溫低濁水的試驗(yàn)研究

王琳，張克峰，王永磊，王安爽，賈偉健

（山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

炭砂濾池直接過濾處理低溫低濁水的試驗(yàn)研究

王琳，張克峰*，王永磊，王安爽，賈偉健

（山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

直接過濾是首選的處理低溫低濁水的方式之一。文章以低溫低濁水為研究對(duì)象，運(yùn)用炭砂雙層濾料濾池進(jìn)行直接過濾試驗(yàn)研究，以考察炭砂雙層濾料濾池微絮凝直接過濾工藝參數(shù)及適宜原水水質(zhì)。結(jié)果表明：在原水低溫低濁條件下，工藝優(yōu)選絮凝劑為PAFC（聚合氯化鋁鐵），投藥量為1.0mg／L，水力負(fù)荷為8m3／（m2·h），上層濾料顆?；钚蕴窟m宜粒徑為1.6～2.3 mm，適合運(yùn)行炭砂濾池直接過濾工藝濁度范圍為≤7 NTU；在最優(yōu)參數(shù)下，工藝對(duì)濁度、CODMn（高錳酸鹽指數(shù)）、UV254、TOC（總有機(jī)碳）和氨氮平均去除率分別達(dá)到90%、43%、63%、55%和80%，凈水效果顯著，不同進(jìn)水水質(zhì)下過濾周期都能滿足≥12 h的試驗(yàn)要求。

炭砂雙層濾池；直接過濾；低溫低濁；除濁

0 引言

北方冬季水體主要特點(diǎn)呈現(xiàn)低溫低濁，針對(duì)這種水質(zhì)，水廠的處理方法大多是增加投藥量來強(qiáng)化混凝效果，這一方面加大了投藥成本，另一方面向水體中引入了大量的金屬離子，不利于人的身體健康［1-2］。針對(duì)低溫低濁水質(zhì)國(guó)內(nèi)水廠采用的是氣浮池替代沉淀池的處理方法，有研究者在引黃水處理中應(yīng)用過浮濾一體的凈水工藝，在國(guó)內(nèi)砂濾池以直接過濾的方式處理引黃水的研究證明了直接過濾工藝的可行性［3-4］。國(guó)外研究發(fā)現(xiàn)直接過濾工藝對(duì)低溫低濁水有較好的去除效果，并且美國(guó)給水協(xié)會(huì)在一份報(bào)告中指出適合直接過濾的理想水源水的水質(zhì)是：色度＜40度，濁度＜5 NTU，鐵含量＜0.3 mg／L，錳含量＜0.05 mg／L，藻類含量小于105個(gè)／L［5-6］。對(duì)于冬季溫度較低，常年濁度處于10 NTU以下的原水，直接過濾工藝在混凝劑投藥量和人工操作方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，因此直接過濾是首選的處理低溫低濁水的方式之一［7-8］?，F(xiàn)在的直接過濾大多指原水經(jīng)過混合絮凝處理再進(jìn)入砂濾池的處理水方式，是文章試驗(yàn)所采用的微絮凝直接過濾方式［9］。

針對(duì)夏季高溫、高有機(jī)物、高氨氮的水源水，水廠改良砂濾池為活性炭炭砂濾池以提高凈水效果，而對(duì)于冬季水體呈現(xiàn)出了低溫低濁的水質(zhì)，為了提高運(yùn)行效果，減少運(yùn)行成本，通過省略中間沉淀池強(qiáng)化混凝，炭砂濾池以直接過濾方式運(yùn)行［10-11］。近幾年，國(guó)內(nèi)外相繼開展了炭砂濾池前微絮凝混凝直接過濾處理冬季低溫低濁水的研究［11-12］。目前炭砂濾池以直接過濾方式處理低溫低濁水沒有明確的工況條件，并且炭砂濾池以直接過濾方式運(yùn)行的適宜水質(zhì)條件有待進(jìn)一步研究。文章通過運(yùn)行引黃水來確定微絮凝—炭砂雙層濾料濾池的各項(xiàng)影響工況，在變換進(jìn)水水質(zhì)的前提下通過對(duì)出水濁度和過濾周期的的論證總結(jié)出適合這種工藝的濁度區(qū)間。試驗(yàn)期間以引黃水配水，通過投加高嶺土來改變?cè)疂岫?，配水濁度區(qū)間在1～10 NTU之間，主要以變化濁度區(qū)間為目的總結(jié)出適合活性炭雙層濾料以微絮凝直接過濾方式的運(yùn)行水質(zhì)。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置為兩組規(guī)格相同的活性炭石英砂雙層過濾柱，采用透明的有機(jī)玻璃制作而成，其直徑為200mm、高為2.8m，每隔200mm設(shè)有1個(gè)取樣口。濾柱采用活性炭石英砂雙層濾料，濾層厚度約為1000mm，其中上層的活性炭濾層厚為500 mm，下層石英砂厚為500mm。濾柱過濾采用下向流方式運(yùn)行，水力負(fù)荷為8 m3／（m2·h），濾池反沖洗采用氣水反沖洗，反沖洗膨脹率為30%～40%。濾池前面設(shè)兩級(jí)絮凝池和混合池。炭砂濾柱試驗(yàn)裝置圖如圖1所示。

圖1 炭砂濾柱試驗(yàn)設(shè)備圖

濾柱前面設(shè)置兩級(jí)絮凝池，總絮凝時(shí)間為6 min，在燒杯實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，改變絮凝劑種類，絮凝劑的投藥量和活性炭種類三種參數(shù)來運(yùn)行設(shè)備，通過檢測(cè)出水濁度指標(biāo)和過濾周期來選用較優(yōu)的絮凝劑種類，投藥量和活性炭的種類。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)期間引黃水（10月到次年3月）水質(zhì)：原水水溫2.0～4.9℃，并且較大部分時(shí)間是在3.0℃以下；pH值為7.23～7.42；濁度為1.03～2.0 NTU；耗氧量為1.73～2.37mg／L；UV254為0.032～0.035／cm-1，TOC為2.33～3.20mg／L，氨氮在0.55mg／L左右，且藻類含量一直小于105個(gè)／L。前期是直接運(yùn)行引黃水來優(yōu)選絮凝劑種類、絮凝劑投藥量和活性炭種類，后期是在最優(yōu)參數(shù)下再通過引黃水加入高嶺土配水為進(jìn)水來運(yùn)行設(shè)備，通過出水濁度指標(biāo)和過濾周期等因素總結(jié)出適合炭砂濾池微絮凝直接過濾的濁度區(qū)間。

試驗(yàn)所檢測(cè)的進(jìn)出水指標(biāo)為濁度、CODMn、UV254、TOC和氨氮，檢測(cè)方法依據(jù)GB／T 5750—2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》［13］。檢測(cè)指標(biāo)所使用的檢測(cè)儀器和方法見表1。

表1 檢測(cè)指標(biāo)與相應(yīng)檢測(cè)儀器

2 結(jié)果與分析

2.1 炭砂濾柱工藝參數(shù)影響因素

試驗(yàn)原水采用引黃水，過濾出水控制指標(biāo)為濁度和水頭損失。根據(jù)目前我國(guó)的GB／T 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)感官指標(biāo)中的濁度提出了嚴(yán)格限值，其中規(guī)定了出廠水濁度1 NTU，為考慮過濾后的消毒處理［14］。本試驗(yàn)規(guī)定當(dāng)出水濁度大于0.3 NTU或過濾水頭損失大于0.55 m時(shí)，停止過濾，并且采用氣、水反沖洗的方式對(duì)濾柱進(jìn)行反沖洗。試驗(yàn)對(duì)絮凝劑種類、絮凝劑投藥量和活性炭種類進(jìn)行了優(yōu)選，并且在最優(yōu)參數(shù)下，以改變進(jìn)水濁度為進(jìn)水水質(zhì)研討適合活性炭雙層濾池直接過濾方式的進(jìn)水水質(zhì)。

2.1.1 絮凝劑種類

不同的絮凝劑種類和用量是決定絮凝效果好壞的關(guān)鍵，而絮凝效果是決定過濾效果的關(guān)鍵所在。首先試驗(yàn)對(duì)絮凝劑的種類進(jìn)行優(yōu)選。絮凝劑種類的優(yōu)選以引黃水為運(yùn)行原水，四種絮凝劑種類為：聚合氯化鋁鐵（PAFC）、聚合氯化鋁（PAC）、硫酸鋁（AS）和氯化鐵（FC）。選用四種絮凝劑種類為變量因素，其他因素不變的條件下運(yùn)行設(shè)備，參考其他試驗(yàn)研究在水質(zhì)低溫低濁條件下絮凝劑投藥量（以Al3+計(jì)）大約在4 mg／L以下為宜，本試驗(yàn)選取絮凝劑的投藥量（以Al3+計(jì)，而FC以Fe3+計(jì)）統(tǒng)一為定量2 mg／L。不同絮凝劑種類下設(shè)備運(yùn)行引黃水的出水濁度平均值變化曲線如圖2所示。

圖2 不同絮凝劑種類進(jìn)出水濁度隨時(shí)間的變化圖

由圖2可以看出在相同的投藥量下，投加的絮凝劑為聚合氯化鋁鐵時(shí)的活性炭雙層濾池直接過濾出水濁度在0.15 NTU左右，濁度去除率高達(dá)90%，凈水效果遠(yuǎn)比其他幾種絮凝劑好，并且由圖2可以看出，聚合混凝劑PAFC和PAC作為絮凝劑時(shí)的出水濁度要明顯低于無機(jī)絮凝劑AS和FC的出水濁度，因此也證實(shí)了聚合混凝劑的混凝效果要比無機(jī)混凝劑的混凝效果要好的多，且本實(shí)驗(yàn)中對(duì)PAFC和PAC兩種聚合絮凝劑進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)PAFC的效果要比PAC的效果要好，因此實(shí)驗(yàn)確定選用的絮凝劑種類為PAFC。

2.1.2 PAFC的投加量

在最終選出PAFC作為絮凝效果最好的絮凝劑的前提下，控制濾柱水力負(fù)荷為8 m3／（m2·h），其他因素均相同的條件下進(jìn)行絮凝劑投藥量的優(yōu)化試驗(yàn)。投藥量的優(yōu)化是在濾柱①中進(jìn)行的，濾柱①上層濾料為500 mm的A型活性炭濾料，下層為級(jí)配1.0～1.2的石英砂濾料。初步優(yōu)選絮凝劑的投加量（以Al3+計(jì)）為1、3和6 mg／L。濾柱水力負(fù)荷為8 m3／（m2·h），試驗(yàn)主要考察濁度指標(biāo)。投藥量不同時(shí)出水濁度隨時(shí)間（t）的變化如圖3所示，由圖3可看出，當(dāng)投藥量（以Al3+計(jì)）為6、3 mg／L時(shí)，開始幾個(gè)小時(shí)的出水水質(zhì)均良好，但是分別到了3～4 h之后濁度突然增高到0.5 NTU，都大于0.3 NTU，均不能滿足濾池的出水水質(zhì)，于是立即停止過濾，兩種投藥量下的濾柱的水頭損失均沒有達(dá)到0.55 m。投藥量為1 mg／L時(shí)，過濾初期濁度在0.2～0.25 NTU之間，但是也能滿足出水水質(zhì)，隨著時(shí)間的變化濁度逐漸降低穩(wěn)定在0.15 NTU左右，在24 h時(shí)水頭損失達(dá)到0.55 m，濾柱停止過濾，過濾周期達(dá)到了24 h（滿足試驗(yàn)要求≥12 h）。于是確定本試驗(yàn)炭砂濾池直接過濾工藝PAFC最佳投藥量為1 mg／L。從濾柱過濾周期考慮，在低溫低濁條件下，炭砂雙層濾池以直接過濾形式運(yùn)行方式是可行的，并且工藝所優(yōu)選的PAFC投藥量為1 mg／L。

圖3 不同投藥量下進(jìn)出水濁度隨時(shí)間的變化圖

由混凝劑的投藥量?jī)?yōu)選試驗(yàn)可看出，混凝效果對(duì)過濾效果有著直接的影響，在投藥量較大的情況下，形成的絮體較大，雖然在過濾的開始出水的效果較好，但是隨著過濾的進(jìn)行，絮體在上層濾料中被大量吸附和截留，下層濾料發(fā)揮不到很好的過濾吸附作用，上層濾料被很快阻塞，水頭損失增長(zhǎng)的很快，形成過濾中的濾餅過濾模式，但是隨著濾上水頭的增加，在較強(qiáng)的壓力下濾層很快被穿透，出水效果立刻變差，必須停止過濾。在較小的投藥量下，形成的絮體適中，絮體大小小于40μm，顆粒經(jīng)過微絮凝其體積和表面電性發(fā)生了巨大的改變，進(jìn)而也影響到了濾層對(duì)顆粒物的粘附和截留，所以絮凝效果的好壞對(duì)過濾有著至關(guān)重要的作用。

2.1.3 活性炭濾料類型

在優(yōu)選出的PAFC的投藥量為1 mg／L的投藥量下，分別在兩種規(guī)格相同的濾柱中進(jìn)行濾料的優(yōu)選，考察不同活性炭濾料對(duì)炭砂濾池直接過濾的影響，因?yàn)闉V料是決定過濾凈水效果的關(guān)鍵所在［15］。本試驗(yàn)兩個(gè)濾柱上層濾料分別為兩種不同的顆?；钚蕴縂AC（granular activated carbon），編號(hào)為A型和B型，濾料厚度為500 mm，下層填充500 mm的相同材質(zhì)的石英砂，級(jí)配為1.0～1.2。兩種活性炭的性質(zhì)見表2。

表2 兩種活性炭的性質(zhì)

濾柱水力負(fù)荷一律為8 m3／（m2·h），此水力負(fù)荷也是以微絮凝直接過濾工藝處理引黃水的基礎(chǔ)上進(jìn)行參考運(yùn)行的［4］。在優(yōu)選出的PAFC投藥量（1 mg／L）的條件下進(jìn)行濾料的優(yōu)選。試驗(yàn)期間以出水濁度為控制指標(biāo)，出水濁度大于0.3 NTU，或者A型GAC濾柱是過濾水頭損失大于0.55 m時(shí)，B型GAC濾柱是過濾水頭損失大于0.65 m時(shí)達(dá)到各自的過濾周期從而停止過濾。

兩種濾料出水濁度均能滿足出水要求，出水水質(zhì)保持在0.3 NTU以下，過濾周期都均滿足試驗(yàn)過濾控制要求（大于12 h），B型GAC出水的濁度比A型GAC稍好一些，但是過濾周期卻較短。兩種濾料濾柱出水濁度如圖4所示，兩種濾料濾柱水頭損失增長(zhǎng)情況如圖5所示。A型GAC濾料濾柱的過濾周期可以達(dá)到24 h，B型GAC濾料濾柱的過濾周期只有15 h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于A型GAC濾料濾柱的過濾周期，結(jié)合出水濁度指標(biāo)綜合考慮選用A型GAC濾料作為小試試驗(yàn)濾柱的的上層活性炭濾料。

圖4 兩種濾料濾柱出水濁度隨時(shí)間的變化圖

圖5 兩種濾料濾柱水頭損失增長(zhǎng)情況圖

2.2 不同濁度水質(zhì)下炭砂濾池的運(yùn)行情況

在優(yōu)選出的1 mg／L投藥量下，在濾柱①中進(jìn)行直接過濾的試驗(yàn)，優(yōu)選出適合直接過濾工藝的濁度區(qū)間。試驗(yàn)用水為引黃水，投加高嶺土以改變微絮凝直接過濾工藝的進(jìn)水的濁度，配置原水的濁度區(qū)間分為五個(gè)，分別為1～2、3～4、4～5、6～7和8～ 9 NTU。

試驗(yàn)期間投加1 mg／L的PAFC，絮凝方式采用兩級(jí)絮凝，連續(xù)運(yùn)行小試裝置，直到水頭損失達(dá)到0.55 m或者是出水的濁度高于0.3 NTU即刻停止過濾。

在配水濁度1～2、3～4、4～5、6～7和8～9 NTU不同濁度區(qū)間炭砂濾池以直接過濾方式運(yùn)行對(duì)濁度的平均去除效果和過濾周期圖如圖6所示。試驗(yàn)過程中在進(jìn)水濁度為1～2 NTU，3～4 NTU，4～ 5 NTU的區(qū)間進(jìn)行直接過濾的過程中，過濾開始的1 h出水濁度都較高但是還是保持在0.3 NTU以下，隨著過濾的進(jìn)行，出水濁度逐漸降低并且穩(wěn)定在0.15 NTU左右，在進(jìn)水濁度區(qū)間6～7進(jìn)行直接過濾的過程中，出水濁度已經(jīng)開始了不穩(wěn)定的現(xiàn)象，但是還是能穩(wěn)定在0.3個(gè)NTU以下，其過濾周期是14 h，能夠滿足試驗(yàn)過濾要求。并且由圖6可看出，進(jìn)水濁度越高，過濾周期越短。

在進(jìn)水濁度8～9 NTU區(qū)間進(jìn)行直接過濾的過程中，4 h時(shí)的出水濁度可直接達(dá)到0.5 NTU，已經(jīng)不能滿足出水水質(zhì)要求，所以直接停止了過濾的進(jìn)行，此時(shí)濾池的截污能力已經(jīng)達(dá)到了極限，表層濾料間空隙被堵塞，可能在高濁度的進(jìn)水條件下，濾層產(chǎn)生刷濾作用而產(chǎn)生泥膜，過濾的阻力也增加了，在濾層受力不均勻的情況下泥膜產(chǎn)生裂縫，從而大量進(jìn)水從裂縫中流出，從而導(dǎo)致了懸浮雜質(zhì)穿過濾層使出水水質(zhì)惡化。這種情況濾柱并沒有達(dá)到濾池的水頭損失而被迫停止過濾。由上述試驗(yàn)結(jié)果討論可得，性炭雙層濾池處理進(jìn)水濁度8～9 NTU及以上的進(jìn)水時(shí)能力有限，針對(duì)進(jìn)水濁度高于8～9 NTU及以上的原水，應(yīng)考慮炭砂濾池與其他工藝聯(lián)用處理進(jìn)水。各個(gè)區(qū)間的水頭損失隨時(shí)間的變化如圖7所示。

圖6 不同濁度區(qū)間出水平均濁度和過濾周期圖

圖7 不同濁度區(qū)間的水頭損失隨運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)情況圖

文中工藝以微絮凝直接過濾方式運(yùn)行處理不同濁度區(qū)間的原水綜合考慮來說，適合直接過濾的濁度區(qū)間是小于8 NTU的，建議在進(jìn)水濁度高于7 NTU左右時(shí)與其他工藝結(jié)合進(jìn)行協(xié)同凈水。

2.3 有機(jī)物氨氮指標(biāo)去除情況

為了清楚的了解炭砂濾池直接過濾方式運(yùn)行情況下對(duì)有機(jī)物和氨氮指標(biāo)的去處情況，在改變濁度但是沒有改變其他進(jìn)水指標(biāo)的前提下，每日檢測(cè)濾柱進(jìn)出水各種有機(jī)物指標(biāo)和氨氮指標(biāo)，并求平均值得出以下結(jié)果。濾柱對(duì)于有機(jī)物和氨氮的去除情況基本穩(wěn)定，出水的CODMn、UV254、TOC和氨氮分別約為0.8 mg／L、0.020／cm、1.52 mg／L和0.10 mg／L。具體進(jìn)出水去處指標(biāo)見表3。CODMn的平均去除率為43%；UV254的去除率為63%；TOC的去除率為55%；氨氮的去除率為80%。炭砂雙層濾池在運(yùn)行三個(gè)月的情況下，活性炭已經(jīng)初步形成為生物活性炭，利用活性炭上各種菌體的硝化反硝化作用，對(duì)有機(jī)物和氨氮均有較好的去處效果，且炭砂濾池為各種不同形態(tài)有機(jī)物提供了豐富的生長(zhǎng)條件，使一些嗜低溫的種群也能夠在溫度較低的條件下充分發(fā)揮作用，也在一定條件下保證了生物活性炭濾池在較低溫度條件下對(duì)有機(jī)污染物的處理能力?？傮w來說，在進(jìn)水氨氮和有機(jī)物含量不高的良好水源下，炭砂濾池以直接過濾工藝方式運(yùn)行時(shí)有機(jī)物和氨氮的去除情況比較良好。

表3 進(jìn)出水水質(zhì)分析

3 結(jié)論

通過本研究可知：

（1）對(duì)于本試驗(yàn)炭砂濾柱裝置處理溫度低于3℃，濁度在1～2 NTU的水源，以微絮凝直接過濾工藝運(yùn)行，較適合的混凝劑種類為聚合氯化鋁鐵PAFC，PAFC的投藥量為1 mg／L。且在低溫低濁條件下以微絮凝直接過濾的運(yùn)行方式是具有可行性的?；钚蕴繛V料滿足出水濁度、有機(jī)物、氨氮指標(biāo)及過濾周期的活性炭為粒徑（1.6～2.3mm）的A型活性炭。

（2）在變濁度區(qū)間炭砂濾池以微絮凝直接過濾工藝運(yùn)行試驗(yàn)研究中，進(jìn)水濁度為7 NTU以下是可以進(jìn)行直接過濾的。建議在進(jìn)水濁度高于7 NTU時(shí)與其他工藝結(jié)合進(jìn)行協(xié)同凈水。

（3）炭砂濾池運(yùn)行微絮凝直接過濾工藝，去除有機(jī)物、氨氮效果良好，對(duì)CODMn的平均去除率為43%；UV254的去除率為63%；TOC的去除率為55%；氨氮的去除率為80%，出水均能夠滿足生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中的限值。

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（學(xué)科責(zé)編：吳芹）

Treatment of low tem perature and low turbidity raw water w ith
sand carbon filter by direct filtration

Wang Lin，Zhang Kefeng*，Wang Yonglei，et al.

（School of Environmental and Municipal Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

Direct filtration is one of the preferred way of dealing with low temperature and low water.With the low temperature and low turbidity water as the research object，direct filtration experiment research was conducted by using sand carbon double-layer filter，and process parameters and suitable raw water quality of sand carbon double-layer filter was investigated.The results show，under the condition of low temperature and low turbidity raw water，the process preferred PAFC（Polyaluminum ferric chloride）as the flocculant，the flocculant drug dosage is 1.0mg／L，the hydraulic loading is 8 m3／（m2·h），the suitable GAC size of upper filter material is 1.6-2.3 mm，and the suitable turbidity range is≤7NTU.Under the optimal parameters，the removal of turbidity，CODMn（Chemical Oxygen Demand），UV254and TOC（Total Organic Carbon）by process reached respectively an average of 90%，43%，63%，55%，80%，and effect is remarkable，under different inletwater quality，the filtration cycle can meet the testing requirements（≥12h）.

sand carbon double filter；direct filtration；low temperature and turbidity；turbidity removal

TQ424.1；TQ028.53

A

1673-7644（2015）02-0135-06

2014-06-19

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2012ZX07404-013-006）；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（2014-K5-026）；山東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（KY022）；2014年度山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2014GSF120003）

王琳（1988-），女，在讀碩士，主要從事水處理理論與技術(shù)等方面的研究.E-mail：250641608＠qq.com

*：張克峰（1964-），男，教授，博士，主要從事水處理理論與技術(shù)等方面的研究.E-mail：kfz＠sdjzu.edu.cn