微絮两级陶粒过滤净水系列装置应用研究

广州军区联勤部净水研究所
盛选军 刘传胜 梁好 蔡建宇 易路景

　　目前，我国的净水厂一般采用混凝、沉淀、过滤的常规处理工艺，该工艺在净水处理领域一直占据着主导地位，但也存在一些问题：（1）总投资大，运行费用高，占地面积大。（2）每当遇到低浊水时，常规处理系统中的沉淀工艺较难起到理想的作用，这是由于水中悬浊颗粒太少而导致颗粒间相互接触碰撞几率太低，不能提供有效的沉积接触的絮体体积。传统方法或是通过增加絮凝剂投加量或是通过投加粘土微粒来增加颗粒碰撞数及絮体体积，但这样一来势必导致絮凝剂用量增加，或沉积污染量剧增，处理难度也增大，甚至有时会出现沉淀池出水浊度反而大于进水浊度的现象。（3）当水中存在纳微米级污染物即尺寸小于lμm的细微颗粒，由于其组成极为复杂，如由各种微细的粘土矿物质、合成有机物、腐殖质、和藻类物质等组成。这些纳微米级污染物的存在不仅对人体健康具有直接或潜在的毒害作用，而且还严重恶化处理水质条件，增由各种微细的粘土矿物质、合成有机物、腐殖质、和藻类物质等组成。这些纳微米级污染物的存在不仅对人体健康具有直接或潜在的毒害作用，而且还严重恶化处理水质条件，增加处理难度，尤其是在肖前大规模的城市给水的常规混凝、过滤处理过程 ，会造成沉淀池絮体上浮、滤池易穿透、导致出水水质下降、运行费用增加等影响因素。大量的实践结果表明，采用传统的常规处理工艺已无法有效去除水中这些纳微米级污染物，虽然一些深度处理技术，如超滤膜反渗碳透膜等能够较之有效地去除某些纳微米污物，但由于投资及运行费昂贵，在城市给水工程中很难得到应用。因此，在深入研究传统混凝、沉淀、过滤工艺机理，提高传统水处理效能的基础上，研究发展新型高效、经济、实用的水处理工艺一直是当前国内外水处理领域中的研究新课题^[1.2.3]。为此，广州军区联勤部净水所将混凝与过滤过程有机结合起来，应用本所研究的自动投矾技术，利用陶粒作为过滤材料而发展成为一种新型高效的自动投矾微絮凝两级陶粒直接过滤工艺技术，研究了自动投药型微絮两级陶粒直接过滤净水系列装置，在处理低浊水及去除水中纳微米级污染物获得较好的处理效果，同时节省了大量处理投资和运行费用，先后在多个地方的不同水源使用，证明可以作为一种很有发展景的水处理工艺技术。我所自1996年采用微絮两级陶粒直接过滤净水技术，先后为部队和地方单位在广东省花都市、增城市和龙川县设计建造了每小时制水量分别为10，20，50和160立方米的净水装置。该系列净水装置投产后经过近三年的运行观察，制水水质良好 ，完全达到国家自来水卫生学标准（GB5749--85）。

　　一、自动投药型两级陶粒直接过滤净水系列装置的研制

　　自动投药型两级陶粒直接过滤净化水工艺是指采用自动投药置控制准确絮凝剂量，使用陶粒作为过滤材料，将水源水经加凝聚剂后产生小而实的微絮凝体，不经沉淀，直接通过一、二级陶粒过滤达到净化的目的。它是将混凝与过滤料两个操作单元有机结合的新型净水技术。采用直接过滤，将滤料作为大而静止微粒，这就使悬浊微粒间的接触碰撞几率显著增大，既节省絮凝剂用量及减少污染处理量，同时也满足由于絮体颗粒太少的水中对附加微粒的要求。采用自动投药两级陶粒直接过滤，由于控制投药量准确，源水加药混合使悬浮物产生微小的絮凝（一般为40-60μ），然后迅速进入滤料层接触絮凝，产生的絮凝物被滤料层吸附截流去除。Amirtharajah通过对水中絮凝物定其δ电位降低，微粒就迅速在滤料层中凝聚，微粒间的吸力开始发挥作用，当δ电位接近零时吸引力达到最大值，脱稳微粒相互吸附絮凝且不断被滤料截流去除^（4）过程在滤料表层到深部逐步进行的，从而发挥滤料深层截污能力，达到过滤周期长，过滤效果好的目的。
　　（一）、自动投药型两极陶粒直接过滤净水系统的组成
　　自动药型两极陶粒直接过滤净水装置由一级泵、一级、两级压力过滤罐、自动投药器、消毒器、二级泵、浊度、余氯水质监测系统、自动控制系统等组成。
　　1、净水流程：

　　2、微絮两级陶料直接过滤系统的组成
　　（1）过滤系统
　　该系列净水装置主要设备是过滤罐，按制水量要求，滤速每小时30米计算设计滤罐大小，用钢板焊制，滤罐采用大阻力配水系统，滤材用陶粒，滤层厚0.8米，第一、二滤罐陶粒粒径分别为1-2和0.5-1.2毫米。
　　（2）自动投矾装置
　　自动投矾装置是将配制一定浓度的净水剂通过自动化技术控制净水剂的投加量的装置，在集水井的一级泵吸水口处投加聚合氯化铝或硫酸铝。DCW型自动投矾装置由三部分组成：（1）溶矾设备：主要部件采用PVC材料焊制，进水、充气、净水剂溶解和沉淀等工序幕为自运行，所配净水剂含量稳定，使用中对投药器不会发生堵塞现象。（2）投药器：用射流器提升净水剂，用电动调节阀近代制净水剂的投加量，用气压瓶控制负压，调节所需的流量。（3）自动控制装置：用液位计、计时计、电磁阀等部件控制净水剂的溶解、使用和设备的冲洗、电动调节阀的开放度，使达到适量的加药量。
　　（3）消毒系统
　　两级陶粒直接过滤净化了水采用本所研制的次氯酸钠发生器进行消毒，通过余氯仪控制出水余氯0.3mg/l以上。
　　（4）两级陶粒直接过滤系统的自动控制
　　应用电动碟阀、液位计和压力计等元件使系统正常运行及滤罐反洗达到自控运行。
　　（二）自动投矾两级陶粒直接过滤系统的运行
　　1、制水：采用我所研制的自动投矾置将聚合氯化铝或硫酸铝投加到集水井的一级泵吸水口，通过管道混合絮凝实现快速均匀混合，这样能够充分发挥絮凝剂的反应特性。因此，两级陶粒直接过滤中最适用的絮凝设备是采用管道混合絮凝方法，通过管内水力的强烈率流扰动作用促使絮凝剂与源水快速混合扩散，生成的絮凝体经过下一段速度衰减的管道逐渐增大再进行两级陶粒过滤。出水采用次氯酸钠液消毒，将消毒液投加到清水箱二级泵吸水口。通过余氯仪控制出水余氯。
　　2、反洗：两级陶粒直接过滤系统正常运转一段时间后，滤罐压力会不断上升。当第一滤罐过滤水压力达2.5kg/cm²或制水浊度大于1度时，可自动集机进行反洗。反洗时二级泵起动，每次反洗时间4-6分钟，反洗水量约制水量的1%第一、二滤罐采用串联反冲洗，反冲洗强度为15L/M².s。
　　（三）自动投药型两级陶粒直接过滤净水系统运行应注意的问题
　　该系统较适合于低浑浊度水源水，要求水源水混浊度一般应小于50度，对投加凝聚剂药量要适当准确，投加药量过大，则絮凝体大而不实，不利于过滤吸附。投加药量太少，则不能产生过滤性能良好的微絮凝体，也不利于过滤吸附，且净化水水质达不到卫生院学的要求^[5]。微絮直接过滤的投加凝聚剂药大约是一般混凝沉法加药量的二分之一。因此可大大降低药耗，节省水处理技术。
　　1、投药量控制
　　投药量的控制是两级直接过滤的关键，投药量过多，则会形成过多过大的絮凝体，造成滤料表层过滤，不能充分发挥整个滤料层的截污能力，使水头损失增长过快；药量不足，则形成的絮凝体过小，易于穿透滤层，影响滤后水质。采用自动投药型级陶粒直接过滤系统，混凝剂硫酸铝消耗量为3.8-6.0mg/l，使悬浮物产生微小的絮凝（一般为40-60μm），然后迅速进入滤料层接触絮凝，产生的絮凝物被滤料层吸附截流去除。
　　2、絮凝时间的控制
　　与常规絮凝沉淀池不同，微絮凝直接过滤的絮凝时间宜短不宜长。根据Amirtharajah^（4）实验报道：通过测定不同絮凝时间的δ电位表明，絮凝时间在10min之内时δ电位值降低，而超过min时δ电位又回升。国内外实践经验表明，为使其仅产生40-60μm的微小絮凝体，絮凝时间不宜超过10min。一般控制在2-8min。人所采用的自动投药型两级陶粒直接过滤系统符合该絮凝时间的控制条件。

　　二、微絮两级陶粒直接过滤净水系统的运行效果观察

　　1、净化水水质
　　微絮两级陶粒直接过滤净水系统使用过程中，当地防疫站进行了多次常规水质检验，净化水水质均符合自一水卫生学标准我所对每小时制水量为160立方米/小时的增城中新镇的净化水装置，经不定期取水样共24次做常规水质检验分析，结果如表1。对花都油库，龙川油库的净水装置，取水样检测结果与中新水厂类同。净化水水质达到或超过GB5749-85标准。

　　2、系统运行情况
　　自从1996年运用两级陶粒直接过滤净水系统以来，先后在广东省的花都市、增城市和成川县设计建造了每小时制水量分别为10，20，50和160立方米的净水装置。该系列净水装置投产后经过近三年的运行观察，制水水质良好，完全达到中家自来水卫生学标准（GB5749--85）。另外，两级陶粒直接过滤系统较混凝、沉淀、过滤常规处理和絮凝剂可节省约30%，各项费用节省50%以上，大大降低操作和维护费用。同时，我所研制的两级陶粒直接过滤净水系统由于采用罐式过滤方法，充分利用了陶粒含污量大的特点，使微絮凝体可以空过滤料层的表面进入到滤料层中间，经过滤料吸附截留到微絮凝体，源水絮凝过程部分地在滤床孔隙内完成，可有效增加絮凝体在滤层内的穿透深度，防止过早堵塞而使水头损失减少到最小，使滤料含污层厚。含污能力大，过滤持续净化水系统滤速达30米/小时，一个制水周期为15-30小时，平均23小时。系统运行正常、自动化程度高、操作简便，大大降低了劳动强度，操作管理人员只需观察控制柜的仪表，投加药量的流量表，水质检测仪器显示的水质情况，巡视观察运行，做些清洁保养工作。

　　三、讨论

　　1、关于滤速
　　滤速指滤水通过滤罐面积的速度（M/H），它对过滤效果影响很大。滤速快，悬浮物絮凝体难以粘附于滤料内。滤速过快，微絮凝体可穿透层，影响出水质量、滤速过慢又会减少制水量，影响使用效率，增加制水成本。因此，直接微絮过滤净水必须控制适宜的过滤速度，以取得最佳过滤效果。普通滤池的快速过滤速度一般为8-20M/h。我们采用两级陶粒压力式过滤，滤速要比一般滤池的滤速快，为找到最合适的滤速，我们经过反复多次试验，先是用小型透明玻璃管制成滤柱，直视下观察滤速与滤含量的出水水质的变化规律，通过摸索试测确定滤速为30m/h最为适合。通过中新水厂近三年的运行观察，证明该滤速较为理想。
　　2、适用水源：
　　近年来，许多研究指出，直接过滤最适合处理低浊微污染的源水。目前一般认为，直接过滤法适用于三类水源：即浊度和色度分别低于25单位；低浊时色度不超过100色度单位；或低色度时浊度不超过200NTU；近年来一些研究人员建议以三种污染的季节性最坏时所需的混凝剂总量作为评价标准，认为需用15mg.l^-1以上硫酸铝才能得到浊度和色度合格滤后水的源水难以用直接过滤进行处理，而硫酸铝投加量小于6或7mg.l^-1就能产生合格滤后水的源水是直接过滤最理想的水源。
　　3、关于反冲洗和滤料流失
　　反冲洗的好坏是微絮直接过滤净化水系统是否成功的关键，假如反冲洗不彻底，滤料将形成泥球，制出的水质将达不到卫生学要求和指标。如果反冲洗水压及水量过大，则消耗大，造成浪费，并且易造成滤料的流失。应控制适当的反冲洗水压及水量过大，则消耗大，造成浪费，并且易造成滤料的流失。应控制适当的反冲洗强度和时间。我们经过反复实践，确定采用滤水压力达2.5kg/cm2，或者制水浊度大于1度进行自控制反冲洗，反洗时间为5分钟。增城中新水厂是采用高位水池的水反流进行反洗，用电动蝶阀控制反洗流量，通过一年以上的时间运行观察效果良好。运行一年后，找开滤罐入孔，检查滤料，第二滤罐的滤料流失约十分之一，第一滤罐的滤料维持原有水平，没有流失，可能是由于串联反洗时第二滤罐的滤罐的滤料流失到第一滤罐内，第一滤罐的滤料流失后得到补充，实际上反冲洗流失的滤料是第一罐的滤料。
　　4、关于高浑浊度水源水的处理
　　微絮直接过滤不适宜租高浑浊度水源水的处理，我们经过反复试验，如果源水浑浊度在500-100度时，采用微絮直接过滤净化的水质浑浊度要大于1度，运行一个周期约8小时就需要进行反冲洗。这样反洗耗水量加大，增加制水成本。在水源长期超过50度以上小时，不适宜设计直接过滤系统。在过滤前应进行沉淀处理对因暴雨季节影响，每年有短期的高浊度水，我们采取建砂滤集水井的办法，通过近两年的运行证明效果良好。增城中新镇水厂因取水量大，第一期工程没有修建粗滤设施，只是在引水渠上设立了几个沉砂井，这样不能解决暴雨后短期高浑浊度水的问题，为解决这一难题，我们在河边取水处又修建了砂滤池，高浑浊度水通过砂滤后，浑浊度明显下降，基本上解决了暴雨后高浊度水的处理问题。

　　四、结论

　　微絮两级陶粒直接过滤净水系统是对混凝聚力、过滤基本微粒化学理论及工艺术的发展和应用。随着混凝与过滤单元操作过程的微观物化理论研究的深入，揭示了两者间的相似性和一致性，从而变革了传统的水处理厂总体设计与操作概念，促进并扩展了微絮——直接过滤工艺技术的发展及其应用范围，尤其近年来在我国水源水微污染日趋加剧的情况下，进一步深入研究微絮——直接过滤过程的理论机理及其影响因素，并在如凝理论的研究基础上，发展我国的微絮——直接过滤工艺技术，无疑具有十分重要的社会及经济意义。微如两级陶粒直接过滤工艺以其占地面积小。过滤速度快（滤速可达30mh-1）。固体颗粒物微污染低浊水的工艺技术。微如常——两级陶注直接过滤工艺简化了处理单元，不城要沉淀和污泥收集装置，采用管道凝聚絮凝，不需要建造大的如凝反应池，且可显著地节省基建投资。微絮——两级陶粒直接过滤主要具有自近代运行。操作简便、节省占地面积以及减少投资和运行费用等优点。

　　五、参考文献

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