高藻進水條件下常見濾池過濾性能研究

張克峰，王珊，聶榮飛，王小

（1.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟南250101；2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京100084）

高藻進水條件下常見濾池過濾性能研究

張克峰1，王珊1，聶榮飛1，王小2

（1.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟南250101；2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京100084）

高藻進水條件下常見濾池過濾性能的研究可為濾池構(gòu)建參數(shù)優(yōu)化提供一定理論依據(jù)，為新建和改造地表水廠濾池工程提供技術(shù)支持。文章針對地表水源水廠濾池表層濾料堵塞、水頭損失急劇增加和過濾周期急劇縮短問題，通過不同類型常見濾池濾柱模擬試驗，研究了不同類型濾池對高藻水的抗負荷沖擊能力，對比分析了其出水濁度、顆粒數(shù)分布、藻類數(shù)量、過濾周期、水頭損失等變化情況。結(jié)果表明：原水預(yù)氧化、增加絮凝劑投加量方式不能使藻類在絮凝沉淀過程中得到有效去除；煤砂濾池對高藻水有較強抗負荷沖擊能力，過濾周期最長，可達20 h左右；過濾初期水質(zhì)較差，隨時間增加出水水質(zhì)提高；藻細胞主要被表層濾料黏附截留，且表層濾料對藻細胞的去除率高達97%。

高藻水；濾池；過濾性能

0 引言

目前，我國湖泊、水庫水富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴重，且沒有好轉(zhuǎn)的跡象［1］。因此，夏季湖泊、水庫水中藻類容易大量繁殖，使水廠進水水質(zhì)嚴重惡化，影響水體嗅味、色度［2-3］。由于水中藻類帶負電難以混凝，藻細胞分泌物在混凝過程中與混凝劑的水解產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成的表面絡(luò)合物附著在絮體顆粒表面，會降低絮凝劑的絮凝效果［4-6］。同時，藻類細胞密度小難以在沉淀過程中去除，導(dǎo)致濾池進水中藻類含量增加［7］。進入濾池后藻類會粘附在濾料表面，使濾料結(jié)塊或堵塞濾層，嚴重影響水廠濾池正常運行，導(dǎo)致濾池出水水質(zhì)惡化，過濾周期急劇縮短，嚴重影響濾池的產(chǎn)水量［8］。有些水廠夏季藻類大量爆發(fā)時，過濾周期僅為2～3 h，且大量產(chǎn)水用于濾池反沖洗，此外，粘附了大量藻細胞的上層濾料反沖洗過程中不易被洗凈，即使增強反沖洗強度，延長反沖洗時間，沖洗效果依然難以保證［9-10］。因此，常見不同類型濾池對高藻水的負荷沖擊能力研究得到許多學(xué)者關(guān)注。針對目前地表水廠應(yīng)用較多的級配濾料砂濾池、均質(zhì)濾料砂濾池、煤砂雙濾料濾池、炭砂雙濾料濾池進行濾柱模擬試驗，對比分析在高藻水水質(zhì)條件下不同濾柱的過濾效果，探究和優(yōu)化適應(yīng)高藻水進水條件下濾池構(gòu)建參數(shù)，為地表水廠濾池新建和改造地表水廠濾池工程提供一定的技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與試驗流程

文中試驗在東營市第一水廠科研基地完成。試驗期間為控制水廠出水藻類數(shù)量，預(yù)處理投加12 mg/L的高錳酸鉀和7～8 mg/L的二氧化氯，混凝劑為聚合氯化鋁鐵（PAFC），投加量80～100 mg/L。試驗濾柱進水為水廠沉淀池出水。試驗流程：原水→預(yù)氧化→混凝+反應(yīng)沉淀→過濾→出水。試驗濾柱采用有機玻璃制成內(nèi)徑為10 cm，高為5 m，布置1個小阻力長柄濾頭。試驗裝置示意圖如圖1所示。試驗期間濾前水的主要水質(zhì)指標(biāo)見表1。

1.2 試驗濾柱參數(shù)

目前，傳統(tǒng)工藝給水處理廠常見濾池類型有以普通快濾池為代表的級配砂濾池，以V型濾池為代表的均質(zhì)砂濾池，以無煙煤—石英砂濾池和活性炭—石英砂濾池為代表的雙層濾料濾池。試驗通過變換濾料種類和級配，對四種常見的濾池進行試驗?zāi)M，試驗濾柱設(shè)計參數(shù)見表2。

圖1 濾柱裝置示意圖

表1 濾前水主要水質(zhì)指標(biāo)

表2 試驗濾柱設(shè)計參數(shù)表

1.3 試驗濾柱反沖洗參數(shù)

在實際運行中不同類型的濾池對應(yīng)不同的反沖洗方式和反沖洗強度（濾柱C和濾柱D反沖洗參數(shù)相同），參照水廠實際反沖洗運行參數(shù)，確定不同類型濾柱反沖洗參數(shù)見表3。

1.4 試劑與儀器

濁度儀為美國哈希sc100TM1720E低量程在線濁度儀；水中顆粒數(shù)儀為美國哈希pcx2200在線顆粒計數(shù)器；水頭損失通過測壓板測量。

1.5 試驗濾柱濾程

試驗濾柱運行濾速為10 m/h等速過濾。當(dāng)濾池水頭損失達到1.5 m時，一個過濾周期結(jié)束停止過濾進行反沖洗。

表3 三種不同反沖洗方式運行參數(shù)

2 結(jié)果與分析

從出水濁度、出水中不同粒徑顆粒物數(shù)量、濾程水頭損失、藻類數(shù)量四個方面分析不同類型濾柱的過濾性能和抗高藻水沖擊負荷能力，試驗結(jié)果分析如下。

2.1 不同類型濾柱出水濁度變化情況

圖2所示為在整個過濾周期內(nèi)不同試驗濾柱出水濁度的變化情況。從實驗結(jié)果看，高藻進水條件下，濾柱的出水濁度普遍偏高一般都大于0.3 NTU，最大可達0.8 NTU，這應(yīng)是由于在高藻進水條件下，藻細胞胞外分泌物與混凝劑的水解產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成的表面絡(luò)合物附著在絮體顆粒表面，使得絮體難以在濾料表面粘附，濾床主要依靠截阻和沉淀作用實現(xiàn)懸浮顆粒（特別是藻類）去除，造成出水濁度偏高［11］。

在整個過濾周期內(nèi)隨著過濾的進行，濾柱出水濁度隨運行時間的增加呈現(xiàn)明顯降低的趨勢。級配濾料濾柱A在過濾初期出水濁度為0.7 NTU左右，到過濾末期出水濁度為0.2 NTU左右；均質(zhì)濾料濾柱B在過濾初期出水濁度為0.8 NTU左右，到過濾末期出水濁度為0.4 NTU左右；煤砂濾柱C在過濾初期出水濁度為0.8 NTU左右，到過濾末期出水濁度為0.3 NTU左右；炭砂濾柱D在過濾初期出水濁度為0.5 NTU左右，到過濾末期出水濁度為0.1 NTU左右。這可能是因為在過濾初期，因高藻水絮凝效果不好，懸浮顆粒難以在濾料表面粘附，隨著過濾的進行濾料表面沉積和粘附了大量懸浮物，濾料間的孔隙逐漸減少，更有利于大顆粒懸浮濁質(zhì)在濾料上的截阻和沉淀，因此，出水濁度明顯降低［12］。

對比四個濾柱出水濁度發(fā)現(xiàn)，炭砂濾柱D的出水濁度最小，其次是級配石英砂濾柱A和煤砂濾柱C，均質(zhì)濾料濾柱B出水濁度最差。這主要是因為炭砂濾柱上層活性炭具有較大的比表面和大量的微孔隙結(jié)構(gòu)，有利于小顆粒懸浮物的吸附和懸浮物的粘附。同時，濾料的有效粒徑和出水濁度存在一定的相關(guān)性，底層濾料粒徑越小出水濁度越小。試驗中均質(zhì)濾料有效粒徑最大，其出水濁度最大，濾后出水水質(zhì)最差。

2.2 不同類型濾柱出水顆粒物變化情況

圖3所示為不同濾柱A、B、C、D在高藻水進水條件下，整個過濾周期內(nèi)試驗濾柱出水顆粒數(shù)變化情況，在高藻進水條件下，濾柱D出水中顆粒物最少，其次是濾柱C，再次是濾柱A，濾柱B出水顆粒最多，這與相應(yīng)濾柱出水濁度變化情況相應(yīng)一致，與出水濁度呈正相關(guān)性。

圖2 試驗濾柱出水濁度圖

圖3 不同試驗濾柱出水顆粒數(shù)圖

除濾柱A外，在整個過濾周期內(nèi)濾柱出水顆粒物呈明顯的下降趨勢，且在下降過程中都會出現(xiàn)一個拐點（一般在過濾中后期）。從過濾出水不同粒徑顆粒物濃度來看，過濾過程中主要去除粒徑大于5μm的顆粒，對粒徑小于5μm的顆粒去除有限，因此，濾柱出水中顆粒物粒徑小于5μm，其中級配濾料濾柱A過濾末期出水中粒徑在2～5μm之間的顆粒物總數(shù)降至3000左右；均質(zhì)濾料濾柱B過濾末期出水中粒徑在2～5μm之間的顆粒物總數(shù)降至4000左右；煤砂濾柱C過濾末期出水中粒徑在2～5μm之間的顆粒物總數(shù)降至3500左右；炭砂濾柱D出水中粒徑在2～5μm之間的顆粒物總數(shù)降至2000左右，這主要是由于高藻進水條件下，過濾水中懸浮物以藻細胞為主，過濾過程中濾層主要依靠截阻和沉淀作用實現(xiàn)懸浮顆粒（特別是藻類）去除，小粒徑的懸浮物不易被截阻粘附。

2.3 不同類型濾柱出水中藻類變化情況

在整個試驗期間，原水藻類數(shù)量在8000～12000萬個/L之間，運行期間通過投加高錳酸鉀和二氧化氯進行預(yù)處理以及加大混凝劑投加量的方式來增強水中懸浮物的絮凝效果，但是效果并不明顯，沉淀池出水的藻類仍然保持在2000萬個/L左右，因此，大量藻類會進入濾池。圖4所示為不同試驗濾柱在不同過濾階段出水中藻類含量變化情況。

圖4 試驗濾柱出水藻類含量圖

由圖4中我們可以看出，四個濾柱在整個過濾周期中濾后出水中藻類變化情況與濁度變化相一致，即過濾初期藻類數(shù)量最多，中期藻類水量明顯減少，過濾后期藻類最少。因此，在整個過濾過程中不會出現(xiàn)藻類穿透濾層的現(xiàn)象。這可能是由于過濾初期藻細胞及其胞外分泌物難以在濾料表面粘附，但當(dāng)濾料表面粘附一定沉積物后，水中懸浮物更易粘附在濾料的這些沉積物上，但其粘附機理尚需進一步研究［13］。

對比四個濾柱出水情況發(fā)現(xiàn)，炭砂濾柱D出水藻類數(shù)量最少，其次是級配濾料濾柱A，均質(zhì)濾料濾柱B在過濾初期濾后水中藻類數(shù)量達200萬個/L左右，出水效果極差。但從總體來看，濾柱對藻類的去除率可達90%以上，過濾末期炭砂和級配濾柱對藻類的去除率可達98%。但由于進水藻類基數(shù)大，濾池出水中藻類數(shù)量依然偏高。

2.4 不同類型濾柱水頭損失變化情況

隨著過濾的進行濾料表層會粘附大量懸浮物，濾層的水頭損失會隨過濾的進行不斷增加。圖5所示為不同試驗濾柱在整個過濾周期內(nèi)沿程水頭損失變化情況。試驗以濾層水頭損失達到1.5 m作為一個過濾周期，對比不同濾柱過濾周期發(fā)現(xiàn)：煤砂濾柱C的過濾周期最長，可達20 h左右；炭砂濾柱D過濾周期最短僅為僅10 h左右；均質(zhì)砂濾柱B過濾周期為11 h左右；級配砂濾柱A的過濾周期為12 h左右。這主要是由于高藻進水條件下，濾柱進水中懸浮物濃度較高，且懸浮物絮凝效果差，上層濾料粒徑較小，導(dǎo)致大粒徑懸浮物被大量截阻粘附，上層濾料會在短時間達到飽和，且過濾鋒難以向下層濾料移動，因此，上層濾層被藻細胞堵塞后水頭損失會急劇增加，過濾周期會明顯的縮短［14-15］。

圖5 不同試驗濾柱沿程損失圖

雙層煤砂濾池過濾周期是炭砂濾池過濾周期的兩倍，這主要是因為試驗所用無煙煤有效粒徑較大，而活性炭有效粒徑較小，且活性炭具有較大的比表面積和微孔結(jié)構(gòu)使得它上層濾料在短時間內(nèi)大量吸附和粘附懸浮物達到飽和，下層石英砂濾料的作用不能得到很好的發(fā)揮。

對比不同濾池在整個過濾周期上的水頭損失變化情況，級配砂濾柱A在過濾8 h后水頭損失增加率明顯增加；均質(zhì)砂濾柱B在過濾6 h后水頭損失增加率明顯增加；煤砂濾柱C和炭砂濾柱D在過濾4 h后水頭損失增加率明顯增加。這可能是因為四個不同濾柱表層濾料在相應(yīng)時間內(nèi)含污能力已經(jīng)達到飽和狀態(tài)，達到飽和狀態(tài)的濾層表面在后期過濾過程中仍然可以粘附少量懸浮顆粒，但是，表層濾料水頭損失會急劇增加，且主要是表層以下10 cm濾料。

綜上試驗數(shù)據(jù)分析可知，在高藻進水條件下，對原水進行預(yù)氧化處理，增加絮凝劑投加量等方式并不能有效提高藻類在傳統(tǒng)絮凝沉淀工藝中的去除率，因此，大量藻類會隨沉后出水進入濾池中，影響濾池的正常運行，尤其是對均質(zhì)濾料濾池，出水濁度和顆粒數(shù)明顯增加，過濾周期急劇縮短，濾池出水水質(zhì)和過濾周期較級配濾料濾池沒有明顯差別，均質(zhì)濾料濾池的優(yōu)勢得不到發(fā)揮。就雙層濾料濾池而言，炭砂濾池的出水水質(zhì)要明顯優(yōu)于煤砂濾池，文中試驗煤砂濾池的過濾周期炭砂濾池過濾周期的兩倍，但試驗選取的無煙煤有效粒徑為1.2 mm，活性炭有效粒徑為0.85 mm，無煙煤有效粒徑遠大于活性炭有效粒徑。

總的來看，在高藻水水質(zhì)條件下，濾池不能充分發(fā)揮自己的截污能力，濁度不能得到有效去除，在一定粒徑范圍內(nèi)，粒徑的大小決定了濾池出水的濁度，顆粒和絮體的去除更依賴于濾料的截阻和沉淀，擴散和動力效應(yīng)不能得到發(fā)揮。高藻水的水質(zhì)特點及對濾池除濁能力的影響因素仍然需要進一步的試驗研究。

2.5 藻類在濾料層內(nèi)的分布規(guī)律

為了進一步研究藻細胞在濾料層中的遷移分布規(guī)律，對第一水廠正在運行的V型濾池濾料層中藻細胞數(shù)量進行取樣檢測。試驗沿整個過濾周期進行分別對過濾開始前、過濾初期、過濾中期、過濾后期四個階段，以及不同深度濾層（濾層表面、濾層表面下10 cm、濾層表面下20 cm、濾層表面下30 cm、濾層表面下40 cm）進行檢測。

圖6所示為藻類含量在不同過濾階段不同深度濾層中分布情況，發(fā)現(xiàn)藻類在均質(zhì)濾料V型濾池濾層中的分布呈現(xiàn)明顯規(guī)律，在整個過濾周期內(nèi)濾層表面下10 cm處藻細胞數(shù)量最少；濾層表面下20～40 cm處藻細胞較10 cm處增多，但是，增加幅度不大；濾層表面藻類數(shù)量最多。同時，濾層內(nèi)藻類細胞數(shù)隨過濾的進行逐漸增加，過濾開始前反沖洗后濾層表面藻細胞最少，隨過濾進行表層濾料黏附藻類逐漸增加，中后期表面藻類迅速增加，導(dǎo)致上層濾料堵塞，過濾周期結(jié)束。這可能是因為反沖洗后的表層濾料容易黏附藻類細胞，濾峰難以向下移動，大量藻細胞在上層濾料大量富集。但濾層表面下10 cm處藻細胞數(shù)量最少的原因尚需進一步研究。

圖7所示為第一水廠均質(zhì)濾料V型濾池氣水反沖洗前后濾層內(nèi)藻類數(shù)量分布情況，對比發(fā)現(xiàn)氣水反沖洗后濾層各深度處藻細胞數(shù)量均有不同程度減少。其中，濾料表層藻細胞去除率最大高達97%以上，其他濾層藻類也明顯減少。因此，氣水反沖洗可有效清洗黏附于濾料表面的藻類使濾料得以清潔再生。

圖6 水廠V型濾池濾層藻類分布圖

圖7 水廠V型濾池反沖洗前后濾層藻類分布圖

3 結(jié)論

針對高藻水水質(zhì)條件下，對四種常見濾池濾柱模擬試驗研究得出以下結(jié)論：

（1）原水預(yù)氧化、增加絮凝劑投加量方式不能使藻類在絮凝沉淀過程中得到有效去除，藻類隨沉后水進入濾池后會堵塞濾池，大幅度的縮短濾池的過濾周期，增加反沖洗次數(shù)，影響濾池產(chǎn)水量，且濾池出水濁度升高，出水水質(zhì)變差。

（2）煤砂雙層濾料濾池對高藻水的抗負荷沖擊能力較強，過濾周期在20 h左右。炭砂濾池、級配和均質(zhì)砂濾池對高藻水的抗負荷沖擊能力較弱，過濾周期縮短到10 h左右。

（3）在整個過濾周期內(nèi)，過濾初期濾后水質(zhì)較差，出水水質(zhì)會隨過濾時間的增加提高，且中后期會出現(xiàn)一個出水濁度降低和顆粒數(shù)明顯降低的拐點。

（4）藻細胞進入均質(zhì)砂濾料濾池后，主要被濾料表面以下40 cm的濾料截留粘附，且表層濾料對藻細胞的去除率高達97%，其分布規(guī)律為表面最多，表層下10 cm處最少。

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（校慶約稿）

山東建筑大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科——張克峰教授

張克峰教授現(xiàn)任山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院黨委書記?，F(xiàn)為二級教授、博士研究生導(dǎo)師，山東建筑大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科首席崗教授，山東省有突出貢獻的中青年專家，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科帶頭人，濟南市政協(xié)委員。

張克峰教授博士畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)，長安大學(xué)和新疆天業(yè)集團股份有限公司博士后。現(xiàn)兼任：國家高等學(xué)校給水排水工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會委員、中國建筑學(xué)會建筑給水排水研究分會常務(wù)理事、中國土木工程學(xué)會水工業(yè)分會理事、山東省城市建設(shè)管理協(xié)會城鎮(zhèn)供排水分會副會長、山東省土木建筑學(xué)會城市給水排水專業(yè)委員會主任委員、濟南市飲用水安全研究會理事長等。

多年來從事于水處理理論與技術(shù)和非常規(guī)水資源化理論與技術(shù)等方面研究，在雨水控制與利用、氣浮無破壞除藻、原位生態(tài)控制水庫水質(zhì)、湖區(qū)水環(huán)境安全控制等方面形成了獨特的研究領(lǐng)域，取得了系列創(chuàng)新性研究成果。

近年來，張克峰教授主持國家重大科技水專項、建設(shè)部、山東省科技廳、山東省環(huán)保廳等科研課題30余項；授權(quán)專利5項；2000年以來發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇。曾獲山東省科技進步獎一等獎、濟南市科技進步獎一等獎等。

Study on the performance of different typical filters under the influent of high algae-laden water

Zhang Kefeng，Wang Shan，Nie Rongfei，et al．

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

The study on the performance of different typical filters under the influent of high algaeladen watermay providemany basic theories and technical supports for the drinking water treatment plants’operation and design under the influent of high algae-laden water.In surfaced water treatment plant，a large number of algal cells flow into the filter，which can easily block the surface filtration media，cause dramatically increase water head loss and shorten the period of filter.Through simulation experiment of the different typical filter columns，the resistance load capacities of high algae water between the different typical filterswere researched.This study comparatively analyzed the change in effluentwater，such as the turbidity，distribution of particle number，the amount of algae，the time of filtration cycle，head loss and so on.The results indicate that coal-sand filter has strong ability to resist impact load for high algae water，and that filtering cycle hour ismuch longer which can amount to about20 h；GAC filter，gradatingmaterial filter and homogeneous sand filter haveweak ability to resist impact load for high algaewaterwith filter cycle shortened half.The initial filterwater quality is poorer，but improving over time；Algal cells are mainly adhered and intercepted by the surface filtermaterial which removed 97%algal cells.

high algae-laden water；typical filters；filtration performance

TU991.24

A

1673-7644（2016）06-0549-07

2016-10-24

國家重大水專項（2012ZX07408001）

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