給水處理濾池工藝的優(yōu)化研究及問題分析

山東省絲路

聶榮飛

山東省絲路投資發(fā)展有限公司

引言

在傳統(tǒng)的水處理過程中，過濾工藝是保證給水質(zhì)量的關(guān)鍵。濾池的運行狀況將會對懸浮固體、濁度、細菌、病毒等的去除效率產(chǎn)生影響，同時也決定著出水質(zhì)量的好壞，這對于確保出廠水濁度以及下一步消毒工藝的消毒效果起著十分關(guān)鍵的作用。針對低濁度、高藻含量、高有機物、高NH3-N 等一些典型水源水質(zhì)，如何避免水環(huán)境中特征污染物的干擾，實現(xiàn)對污染物的高效去除和高效除濁，是過濾工藝目前面臨的新挑戰(zhàn)。因此，為了最大限度地發(fā)揮濾池的功能，確保出水質(zhì)量，有必要對濾池過濾工藝進行系統(tǒng)性的研究。

本文主要綜述了有關(guān)給水濾池工藝的優(yōu)化研究現(xiàn)狀，對給水濾池目前存在的問題進行了系統(tǒng)分析，指出了未來研究的方向，以期為實現(xiàn)濾池的節(jié)能降耗和經(jīng)濟高效地運行提供參考。

一、給水處理過濾工藝的作用機理

過濾作為最常用的水處理工藝之一，有著廣泛的應(yīng)用。在給水處理中，過濾工藝的濁度適用范圍廣泛，較高或較低的原水濁度情況均可適用，該工藝能有效地濾除水中的渾濁物質(zhì)，并能有效地殺滅水中的一些細菌、病毒，為消毒工藝的應(yīng)用提供了有利的條件。在過濾工藝的快速過濾過程中，其去除的效率往往與過濾機理相關(guān)。大多數(shù)關(guān)于過濾機理的研究和理論認為濾池的過濾作用有兩個過程：一是水中顆粒向濾料表面的遷移，二是顆粒吸附在顆粒表面，從而達到去除懸浮物，降低出水濁度[1]：

1.遷移機理

小顆粒通過流體的傳輸透過濾料的空隙到達砂粒的表面，其在過濾介質(zhì)中的運動是由重力沉降、布朗運動、截留、水動力、擴散等因素共同作用而形成的。這種效應(yīng)與濾料的粒徑和形狀，過濾速率，溫度，懸浮粒子的密度，大小和形狀有關(guān)。

2.粘附機理

所謂粘附指的是雜質(zhì)顆粒被范德華力或者靜電作用于濾料時會被某種特定的化學(xué)作用力吸附在過濾材料的表面。其吸附效果與過濾材料及水體中雜質(zhì)粒子的表面理化特性密切相關(guān)。

二、給水處理濾池工藝的優(yōu)化研究

（一）助濾劑對過濾性能的影響研究

助濾劑是影響絮凝過濾效果的重要影響因素之一，國內(nèi)外的給水濾池進行過濾時常常為了增強過濾速率和降低過濾遇到的阻力加入助濾劑。助濾劑的使用最早可以追溯到1968 年，Tuepker 等人將助濾劑一定量的聚電解質(zhì)投加在實驗水中，發(fā)現(xiàn)濾池的濾速有明顯提高，出水質(zhì)量也得到了相應(yīng)的提升。Cranston 的試驗證實，將助濾劑以合適的量投加在過濾前的水中，可以在不考慮水頭損失的高低的情況下有效地解決水中懸浮粒子的穿透問題，并且可以降低出水的濁度，同時還證實了聚合電解質(zhì)助濾劑對出水水質(zhì)有一定的改善效果，這一過程類似于絮凝的過程[2]。目前，國內(nèi)的學(xué)者更傾向于選擇高分子絮凝劑作為助濾劑。熊躍國[3]在實驗過程中加入陽離子聚丙酰胺作為助濾劑，不僅濁度降低效果明顯提升而且明顯改變了過濾速率。許國仁、李圭白等對受有機物污染的松花江和黃河水庫水進行了強化過濾的試驗研究，結(jié)果表明，通過向濾前水中投加高錳酸鉀復(fù)合藥劑（CP)可以達到強化過濾的效果[4]。

目前我國應(yīng)用聚丙烯酰胺和鋁鹽作為助濾劑較為廣泛，成本低，處理效果好，主要應(yīng)用于城鎮(zhèn)供水。目前大多數(shù)人對此的看法是：在水溶液中，以高價聚合離子的形態(tài)存在的高分子聚合物比較多，并且未脫穩(wěn)的膠體粒子主要是利用電性中和效應(yīng)來實現(xiàn)在水溶液中的成功脫穩(wěn)。同時，還可通過吸附架橋功能起到截留絮體的作用。助濾劑雖然能提高過濾性能，但也造成了濾料反沖洗困難，單水反沖很難沖洗干凈，應(yīng)當采用氣、水聯(lián)合反沖洗[5]。并且這些藥劑應(yīng)用于凈水中會在水中有殘余從而影響到身體健康，所以開發(fā)無毒無害的綠色助濾劑成為大家關(guān)注的重點。

（二）濾池濾料級配及厚度（L/d10）對過濾性能的影響研究

濾料在水處理過程中對濾池工藝的處理效果起到了重要作用，濾料顆粒直徑（d10）與濾層厚度（L）的比值L/d10是影響過濾效果的關(guān)鍵因素，通常認為，當這個比率較大時，濾料表面積較大，其吸附容量較大，對應(yīng)的過濾效果也較顯著。在保證濾前水的水質(zhì)不變的情況下，對濾后水的出水水質(zhì)進行改善，可通過減少濾池濾料的粒徑，或者增加濾池濾料的厚度來滿足這一要求，然而，該方案會縮短濾池的過濾周期，同時，濾池出水的產(chǎn)量也會隨之下降，所以，當前濾池設(shè)計的一個重要問題就是如何選擇濾池濾料，并對濾層厚度進行設(shè)計。

早在1995 年，學(xué)者 Greeley和 Hansen 就控制過濾條件相等，調(diào)整L/d10的比值進行了不同的試驗，同時，通過測定不同比值的過濾后的水的渾濁程度，得出L/d10比例越高的濾液的出水效果也越好。雖然增大L/d10的比值會使濾池出水的水質(zhì)得到改善，但是一些問題也會相應(yīng)出現(xiàn)，比如使工程的造價提高和使反沖洗的難度升高。據(jù)相關(guān)報道L/d10的比值至少要大于等于1000 才能保證濾池出水滿足相關(guān)要求，所以如何選擇合適L/d10比值至關(guān)重要。王群等通過改變雙層濾料的L/d 值，對幾種實驗濾柱的排水效果進行比較，發(fā)現(xiàn)在L/d值為1400 的時候，試驗濾柱具有良好的出水性能，并且抗沖擊能力最優(yōu)[6]。楊一在控制L/d 比值在 1300 ，隨后，對不同濾料包括無煙煤和石英砂的過濾效果進行了研究，結(jié)果表明，粒徑越小，出水的濁度越低，不可濾殘渣以及藻類的含量越少。同時還表明，在不同的高度條件下，濾料表面積的大小除了與L/d 的比值有關(guān)外，還與濾層的孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒形狀等因素密切相關(guān)。

（三）濾速對過濾性能的影響研究

有研究表明濾料層與濾速之間有一定的相對關(guān)系，應(yīng)保持在一定水平，才能保障出水水質(zhì)和處理效率。研究表明，在過濾過程中濾速的改變可能會使出水質(zhì)量明顯變差，因此，更好的控制濾速波動有助于提高濾后水質(zhì)。20 世紀初期，這一概念首先在美國被提出來，并被當時的學(xué)者們所接受。Moran 等人相繼在自己的實驗中發(fā)現(xiàn)，濾池對水中懸浮雜質(zhì)顆粒的去除效果與過濾速度的增加成反比。此外，還證實了采用添加助濾劑等輔助性措施，可以有效地減少因濾速提高而引起的出水水質(zhì)惡化和顆粒增多等不良影響。目前，史永浩還對濾速波動對濾后水濁度的影響進行了研究，結(jié)果表明，4.0 米/小時的濾速波動對濾后水濁度的影響要比在過濾前期更大，并且與濾后水濁度之間存在著一定的相關(guān)關(guān)系。韋舒通過試驗，研究了低濁度進水時，濾速對其過濾效果的影響。結(jié)果表明，濾池濾速較低情況下，過濾后出水的濁度、平均濁度均降低，濾池的過濾能力指數(shù)提高，濾池的穩(wěn)定性及使用壽命也均有所改善。如果濾速過快，會造成濾層水頭損失過大，從而縮短了過濾時間，使出水質(zhì)量下降。結(jié)果表明，在較高的濾速條件下，由于流體中剪切力較大，絮體破碎較多，并且絮體與濾料接觸不足或接觸不充分等，均會產(chǎn)生較差的過濾效果。

（四）針對特殊水質(zhì)的濾池優(yōu)化研究

因為人類活動的影響，使得大量的含氮含磷物質(zhì)進入到水中，從而導(dǎo)致了藻類與浮游生物的大量繁殖，破壞水生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致了生活飲用水水源水質(zhì)的不斷惡化。高藻水的處理研究也吸引了越來越多的學(xué)者關(guān)注。氣浮技術(shù)是當前處理高藻水的主要方法之一。由于藻類通常密度很小，且其絮凝體很難沉淀，所以利用氣浮處理可以獲得很好的除藻效果。Maeng 對不同氣浮工藝對藻類的去除效果進行對比，結(jié)果表明對于常規(guī)DAF，最佳浮選時間為4 min，去除率大于91%。對于含微珠的DAF，最佳浮選時間為2 min，去除率大于95.4%，均達到不錯處理效果。氣浮工藝如今在中國也已成熟應(yīng)用于水廠改造，目前更多的工藝為新型氣浮—沉淀工藝，珠海三灶水廠改造工程（日處理能力2×104 m3.d-1）是這一工程的一個技術(shù)實例，在實際運行中，采用氣浮處理方式后，其平均除藻效率達到96.9%，除濁效率達到94.1%。在使用沉淀方式的情況下，去除率達到98.5%。

伴隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源的污染問題也在不斷加劇，特別是在我國北方，冬天溫度較低，許多江河湖泊被凍結(jié)，再加上地表徑流的減少，造成了水質(zhì)的嚴重污染，尤其是對低溫低濁水的處理，如果采用傳統(tǒng)的處理方法，難以滿足國家生活飲用水衛(wèi)生標準中的濁度要求，這將會對居民的飲水安全造成極大的威脅，給人們的生產(chǎn)帶來極大的困難。當前的最佳處理方法是：微絮凝接觸過濾。微絮凝接觸過濾工藝是利用向水體中投加混凝劑與助凝劑，將其投入設(shè)備中后利用設(shè)備在正常運行的過濾期間發(fā)生的絮凝和過濾作用，在濾層濾料表面形成微小的絮凝物，隨之通過濾料的截留與吸附作用去除，進而降低了出水水體的濁度。閆曉濤對微絮凝接觸過濾工藝對冬季黃河蘭州段低溫低濁水中濁度、有機物、氨氮的最優(yōu)去除效果進行探究。結(jié)果表明：在最佳工藝參數(shù)條件下，濁度去除率為77.95%；高錳酸鹽指數(shù)去除率為55.22%；氨氮去除率為94.62%，均達到不錯的效果。

三、我國給水處理濾池運行存在問題

給水處理中的過濾一般是指分離懸浮在液體中的固體物質(zhì)顆粒的一種操作。按照濾池的結(jié)構(gòu)形式，當前在大型水廠中使用最廣泛的有：普通快濾池、V型濾池和翻板濾池，現(xiàn)就這三種濾池所存在的問題展開論述。

（一）普通快濾池

普通快濾池是水廠濾池最常見的應(yīng)用類型，其主要工作階段為過濾和反洗，濾料一般分為單層或雙層，特別是單層濾料的普通快濾池在水廠的應(yīng)用時間較長，有豐富的運行經(jīng)驗可以參考，并且單層濾料濾池的池深較淺，反沖洗較容易。雙層濾料的普通快濾池的濾速更快，容納污染物的能力更強，工作的時間更長。

即便普通快濾池的優(yōu)勢明顯，出水的水質(zhì)一般也能達到要求，但也會有一些問題的出現(xiàn)需要對濾池進行優(yōu)化，像浙江某自來水廠在洪水季節(jié)的出水無法滿足水質(zhì)要求，反洗是容易跑料造成反沖洗效果不明顯，濾池運行自控程度不完善，無法實現(xiàn)濾池的自動化運行，針對這些問題作出相應(yīng)改造方案對水廠濾池進行優(yōu)化。

（二）V 型濾池

V 型濾池是一種進水口有V型槽的高速過濾池，反沖洗采用氣水方式，常被應(yīng)用于大中型水廠。 V 型濾池在實際應(yīng)用中也有許多優(yōu)勢，如氣水反沖洗和表面清掃的聯(lián)合使用，使反沖洗效果得到了提高，反沖洗時濾料略有膨脹，可以做到使濾池深度更淺，并且在生產(chǎn)中高度自動化，易于管理。雖然V 型濾池的優(yōu)勢明顯，但在實際應(yīng)用的過程中也暴露一些問題，像白洋灣水廠在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)反沖洗受季節(jié)的影響并且沖洗時間長、過程復(fù)雜、耗能較高，針對上述問題進行濾池優(yōu)化。

（三）翻板濾池

翻版型濾池是瑞士CTE 公司的研究成果，該裝置的濾料選擇多樣，可選擇單層、雙層或多層，反沖洗分為氣沖、氣水混合沖、水沖三個階段，翻板濾池的命名來由是因為其在反沖洗的過程中可翻轉(zhuǎn)九十度，并在運行過程中閥門是關(guān)閉的。這種構(gòu)造可以提高反沖洗強度，增強濾料碰撞的時間，避免濾料的大量流失，運行過程自動化程度較高，方便管理，在我國得到了廣泛的應(yīng)用。雖然翻板濾池的優(yōu)勢顯而易見，但在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)其反沖洗存在廢水溢流，反沖洗水排放不完全，濾層擾動等問題，針對這些問題提出相應(yīng)的解決措施并且翻板濾池進行優(yōu)化，以此保證濾池的穩(wěn)定運行。

四、結(jié)論

1.助濾劑可有效提高過濾性能，但其造成的濾料反沖洗困難問題應(yīng)引起關(guān)注。

2.增大L/d10的比值會使濾池出水的水質(zhì)得到改善，但會產(chǎn)生其他問題，因此目前濾池設(shè)計的關(guān)鍵應(yīng)放在濾池濾料的選擇以及濾層厚度的設(shè)計上。

3.濾速對過濾性能的影響也十分重要，更好的控制濾速波動有助于提高濾后水質(zhì)。

4.對于特殊水質(zhì)，應(yīng)采取不同的水處理技術(shù)，按需加投助濾劑等以期提高處理效果。

5.目前給水處理濾池的運行工況、設(shè)計參數(shù)、新型助濾劑的研發(fā)等問題還需進一步優(yōu)化。