炭砂濾池設(shè)計(jì)參數(shù)研究與運(yùn)行效果分析

李洪清， 董 蕓

(天津市華淼給排水研究設(shè)計(jì)院有限公司， 天津 300190)

1 背景

隨著城市建設(shè)用地日益緊張，國(guó)內(nèi)水廠改造、建設(shè)中存在規(guī)劃建設(shè)用地面積小的問(wèn)題。炭砂濾池可看做是砂濾池和活性炭濾池的結(jié)合。與臭氧聯(lián)合使用，在運(yùn)行前期，利用活性炭的吸附和石英砂的物理攔截去除水中有機(jī)污染物和懸浮雜質(zhì)物；待活性炭濾層生成生物膜后，利用生物膜生化作用吸附去除水中有機(jī)污染物，石英砂截留水中的顆粒物包括上層活性炭層脫落的生物膜[1]。炭砂濾池綜合了砂濾池和活性炭濾池工藝的優(yōu)點(diǎn)，提高了對(duì)污染物的去除種類，還具有池體占地面積小、運(yùn)行管理更加簡(jiǎn)便的特性，可作為新建或改造水廠的一個(gè)較優(yōu)選擇，具有廣闊的運(yùn)行前景。

目前國(guó)內(nèi)炭砂濾池水廠的建設(shè)主要有兩種情況。第一種情況是在老水廠改造中，通過(guò)更換濾料將現(xiàn)有砂濾池或活性炭濾池改造成炭砂濾池。將活性炭濾池改造為炭砂濾池，可以提高水廠產(chǎn)水量，降低出水濁度。當(dāng)水廠用地已無(wú)空間新建深度處理系統(tǒng)，可將砂濾池改造為炭砂濾池用于替代深度處理作用。例如北京長(zhǎng)辛店給水廠(4.32×104m3/d)由于水源變化，為了降低出水濁度，將活性炭濾池改為炭砂濾池。嘉興南門水廠(5×104m3/d)和深圳上南水廠(10×104m3/d)為了改善出廠水水質(zhì)，但由于場(chǎng)地等條件限制，將普通砂濾池改造為炭砂濾池。無(wú)錫中橋水廠2009年隨著水廠超濾膜凈水系統(tǒng)建設(shè)，水廠將一期30×104m3/d砂濾池分為兩組改造為炭砂濾池，以保證嗅味和有機(jī)物的去除。第二種情況是新建水廠選擇炭砂濾池工藝，這些水廠多應(yīng)用膜處理技術(shù)，將炭砂濾池設(shè)置在超濾膜工藝前端來(lái)保障進(jìn)膜前水質(zhì)。炭砂濾池工藝能縮短工藝流程，從而降低工程投資和運(yùn)行成本。例如北京郭公莊水廠(50×104m3/d)和杭州清泰水廠(30×104m3/d)。

炭砂濾池在設(shè)計(jì)中存在如下問(wèn)題：①上層是活性炭濾料，屬于輕介質(zhì)濾料，顆粒比較大；下層是石英砂，屬于重介質(zhì)濾料，顆粒細(xì)小。在反沖洗時(shí)，如果強(qiáng)度控制不好，膨脹率低，無(wú)法滿足自然分層的條件，底層石英砂會(huì)混入上層活性炭中，造成濾料混層。②炭、砂兩種濾料的比重相差較大，水沖洗時(shí)反沖洗強(qiáng)度不好控制，強(qiáng)度大時(shí)易出現(xiàn)跑炭現(xiàn)象，強(qiáng)度小則砂層膨脹率不夠，濾料不能被有效而充分的清洗，濾料表面會(huì)形成泥膜，導(dǎo)致濾層板結(jié)，從而降低過(guò)濾能力，造成濾程縮短。筆者通過(guò)中試探索炭砂濾池濾料選型和反沖洗強(qiáng)度的確定，以及臭氧+炭砂過(guò)濾工藝沉后水部分指標(biāo)的處理效果，以期為水廠設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 試驗(yàn)裝置和檢測(cè)指標(biāo)

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)規(guī)模為Q=3 m3/h。臭氧接觸單元按照后臭氧接觸設(shè)計(jì)，接觸時(shí)間為12 min。試驗(yàn)裝置如圖1所示，分別由臭氧接觸單元、炭砂濾柱組成。池體采用碳鋼制作，內(nèi)部刷防腐涂料。沉淀后原水通過(guò)原水泵加壓進(jìn)入中試系統(tǒng)，投加臭氧對(duì)原水中的有機(jī)物進(jìn)行氧化，再進(jìn)入炭砂濾柱。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device

2.2 活性炭濾料和石英砂濾料的規(guī)格

炭砂濾柱的濾料選用應(yīng)按《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013—2018)中有關(guān)過(guò)濾和活性炭吸附池的規(guī)定執(zhí)行，濾料的技術(shù)性能應(yīng)滿足現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水處理用濾料》(CJ/T 43—2005)、《生活飲用水凈水廠用煤質(zhì)活性炭》(CJ/T 345—2010)的有關(guān)規(guī)定。綜合考慮處理水與活性炭層的空床接觸時(shí)間，確定活性炭層厚度為1.5 m，試驗(yàn)中炭砂過(guò)濾中的砂層代替了砂過(guò)濾，石英砂層厚度為1.0 m。

炭砂濾池活性炭濾料主要選用煤質(zhì)顆?；钚蕴?，常見的規(guī)格有1.5 mm、8×30目、12×40目等。北京郭公莊水廠炭砂濾池采用1.5 mm 煤質(zhì)柱狀活性炭；深圳市上南水廠炭砂濾池最初采用粒徑為8×30目的破碎活性炭，后期改為1.5 mm柱狀活性炭; 杭州清泰水廠、嘉興南門水廠炭砂濾池均采用8×30目的柱狀顆?；钚蕴俊Ｄ壳疤可盀V池大型工程案例調(diào)研的結(jié)果也表明，8×30目破碎炭和1.5 mm柱狀炭應(yīng)用較為普遍，因此本試驗(yàn)中活性炭濾料采用1.5 mm柱狀炭。結(jié)合V型濾池運(yùn)行情況，試驗(yàn)中采用均勻級(jí)配粗砂濾料，有效粒徑為0.90～1.00 mm，不均勻系數(shù)K60≤1.3。

2.3 試驗(yàn)指標(biāo)和檢測(cè)方法

溫度：溫度計(jì)；濁度：TSZ-400A散射光濁度儀；CODMn：酸性高錳酸鉀法；藻類計(jì)數(shù)：顯微平板計(jì)數(shù)法。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 反沖洗強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50012—2018)，下向流活性炭濾池采用氣水聯(lián)合沖洗時(shí)，應(yīng)采用先氣沖后水沖的模式，氣沖強(qiáng)度宜采用15～17 L/(m2·s)，歷時(shí)宜為3～5 min，常溫下水沖洗強(qiáng)度宜采用7～12 L/(m2·s)，歷時(shí)宜為8～12 min，膨脹率宜為15%～20%。單層均勻級(jí)配粗砂濾料采用氣水聯(lián)合反沖洗的模式，單獨(dú)氣沖強(qiáng)度宜采用13～17 L/(m2·s)，歷時(shí)宜為1～2 min，單獨(dú)水沖洗強(qiáng)度宜采用4～8 L/(m2·s)，歷時(shí)宜為5～8 min。

對(duì)采用1.5 mm柱狀活性炭濾料和均勻級(jí)配粗砂濾料的炭砂濾池水廠的反沖洗情況進(jìn)行了調(diào)查：中橋水廠炭砂濾池反沖洗僅為水沖洗，運(yùn)行初期破碎炭和柱狀炭的反沖強(qiáng)度分別為7.3 和10.8 L/(m2·s) ，由于達(dá)不到充分沖洗的要求，炭層表面相繼出現(xiàn)泥球、板結(jié)等現(xiàn)象，后期將反沖強(qiáng)度分別增大到10.3和12.0 L/(m2·s)，濾層泥球、板結(jié)等現(xiàn)象大有改善，活性炭碘值也得以部分恢復(fù)。北京郭公莊水廠反沖洗為氣沖洗和水沖洗，其中氣沖強(qiáng)度為14 L/(s·m2)，水沖強(qiáng)度為12 L/(s·m2)。

對(duì)氣沖洗進(jìn)行了初步試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣沖強(qiáng)度達(dá)到15 L/(m2·s)時(shí)，通過(guò)觀察窗可以看到活性炭和砂濾料均出現(xiàn)攪動(dòng)、輕微膨脹現(xiàn)象。

綜合分析后確定，試驗(yàn)炭砂濾柱氣沖強(qiáng)度采用15 L/(m2·s)，歷時(shí)為5 min。在不同水沖強(qiáng)度和歷時(shí)條件下進(jìn)行試驗(yàn)，具體參數(shù)見表1，考察沖洗后36 h過(guò)濾周期內(nèi)炭砂濾柱水頭損失、出水濁度和CODMn變化情況。

表1 氣、水反沖洗強(qiáng)度和歷時(shí)Tab.1 Intensity and time of water and air backwash

3.1.1 水頭損失

水頭損失作為濾池反洗周期的一個(gè)重要參考指標(biāo)，隨著濾池對(duì)污染物的截留而逐漸增加。本次監(jiān)測(cè)水頭損失試驗(yàn)時(shí)間段以36 h為一個(gè)周期，試驗(yàn)對(duì)象為運(yùn)行穩(wěn)定后的炭砂濾柱，結(jié)果見圖2。

圖2 不同強(qiáng)度反沖洗后的過(guò)濾水頭損失對(duì)比Fig.2 Head loss of the filter effluent after backwash with different intensity

由圖2可知，在3種不同的反沖洗強(qiáng)度和沖洗歷時(shí)的情況下，沖洗結(jié)束后，水頭損失逐漸增加。其中方式Ⅲ的初始水頭損失較小，沖洗較為徹底。3種方式下，運(yùn)行36 h后，水頭損失均達(dá)到2.5 m，這說(shuō)明懸浮物在濾層間積累達(dá)到高點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)制反沖洗。在實(shí)際工程中，建議反洗周期為24 h。

由于我國(guó)現(xiàn)階段公路工程施工過(guò)程中用到的施工設(shè)備均為大型綜合施工設(shè)備，因此，在施工設(shè)備的維護(hù)與檢修過(guò)程中，如果施工設(shè)備存在管理不善的問(wèn)題，很容易使設(shè)備受損，不僅影響施工效率，增加工程的成本，減少工程的經(jīng)濟(jì)收益。

3.1.2 濁度

沖洗完畢且初濾水排放15 min后，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行5 min以上取樣。由圖3可以看出，采用方式Ⅲ的出水濁度明顯優(yōu)于方式Ⅰ和方式Ⅱ。

圖3 不同強(qiáng)度反沖洗后的濾后水濁度Fig.3 Turbidity of the filter effluent after backwash with different intensity

3.1.3 CODMn

沖洗完畢，初濾水排放15 min后，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行5 min以上取樣，結(jié)果見圖4。

圖4 不同強(qiáng)度反沖洗后的濾后水CODMnFig.4 CODMn of the filter effluent after backwash with different intensity

從圖4可以看出，3種沖洗方式下對(duì)CODMn去除效果基本一致。炭砂濾池去除CODMn的原理主要為濾料截留、炭吸附和部分的生物降解，3種反沖洗強(qiáng)度對(duì)其影響不大，分析認(rèn)為主要原因?yàn)樵诖?種沖洗強(qiáng)度下，炭砂濾池截留或者吸附的中低分子質(zhì)量的有機(jī)物均能夠有效的沖洗排放，并且不影響已形成的生物膜的特性。

3.2 運(yùn)行試驗(yàn)

根據(jù)所確定的炭砂濾柱濾料規(guī)格和厚度，在已經(jīng)確定的反沖洗強(qiáng)度條件下，考察高藻期和低溫低濁期炭砂濾柱對(duì)沉后水各污染指標(biāo)的去除效果。

3.2.1 高藻期

根據(jù)圖5可以看出，在高藻期，炭砂濾池對(duì)沉后水CODMn的去除率在21.05%～38.10%，平均值為25.17%。

在高藻期，炭砂濾池對(duì)沉后水藻類的去除率在49.73%～58.13%，平均值為53.65%，見圖6。

圖5 炭砂濾池對(duì)CODMn的去除效果Fig.5 Removal efficiency of CODMn by carbon sand filter

圖6 炭砂濾池對(duì)藻類的去除效果Fig.6 Removal efficiency of alga by carbon sand filter

從圖7可以看出，在高藻期，炭砂濾池對(duì)沉后水濁度的去除非常明顯，去除率在78.95%～84.62%，平均值為81.53%。

圖7 炭砂濾池對(duì)濁度的去除效果Fig.7 Removal efficiency of turbidity by carbon sand filter

3.2.2 低溫低濁期

從圖8可以看出，在低溫低濁期，炭砂濾池對(duì)濁度的去除非常明顯，去除率在67.39%～78.26%之間，平均值為72.86%，低于高藻期；對(duì)CODMn去除效果明顯，去除率在12.50%～27.78%之間，平均值為21.45%。

圖8 低溫低濁期炭砂濾池對(duì)濁度和COD Mn的去除效果Fig.8 Removal efficiency of turbidity and CODMn by carbon sand filter in low temperature low turbidity stage

4 結(jié)論

① 通過(guò)綜合比選，確定炭砂濾柱上層為1.5 mm柱狀活性炭濾料，厚度1.5 m；下層為均勻級(jí)配粗砂濾料，有效粒徑0.90～1.00 mm，不均勻系數(shù)K60≤1.3，厚度1.0 m。

② 炭砂濾柱反沖洗采用先氣沖后水沖的模式，其中氣沖強(qiáng)度為15 L/(m2· s)，歷時(shí)5 min；水沖洗強(qiáng)度為12 L/(m2·s)，時(shí)間宜為6 min。

③ 高藻期炭砂濾池對(duì)沉后水藻類、濁度、CODMn的去除率分別為49.73%～58.13%，78.95%～84.62%和21.05%～38.10%。

④ 低溫低濁期炭砂濾池對(duì)沉后水濁度、CODMn的去除率分別為67.39%～78.26%和12.50%～27.78%。