接触氧化除铁滤池设计的若干问题

黄宇萍　(湛江市自来水公司，广东湛江524001)

　　摘　要：由于除铁机理的特殊性，接触氧化除铁滤池设计上有某些不同于自然氧化除铁滤池之处。从反冲洗方式、配水配气系统的选择、滤料的选择、洗水槽安装高度的确定和池型选择等方面对其进行了总结和探讨。
　　关键词：接触氧化滤池；除铁；设计
　　中图分类号：TU991.26文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)12-0041-03

　　地下水除铁既可用自然氧化法，也可用接触氧化法。我国有不少地方的地下水属于第二类型含铁地下水，其具有低pH值、低碱度、低含盐量和二氧化硅含量相对较高等化学特性，故不能用自然氧化法除铁，只能用接触氧化法除铁［1］。湛江市的地下水便是一个典型的例子。
　　除铁滤池也分为两类：澄清滤池和接触氧化滤池，前者用于自然氧化法除铁，后者用于接触氧化法除铁。澄清滤池可截留水中以Fe3+状态存在的铁质悬浮物，其设计要点与地面水除浊滤池基本相同。接触氧化除铁滤池则主要用来氧化、截留水中以Fe2+状态存在的铁质，作用机理与除浊滤池不同，设计上也有某些特殊要求。

1　反冲洗方式

　　接触氧化除铁滤池要求地下水经过简单的曝气充氧、去除部分二氧化碳后，待滤水中大部分铁质仍以Fe²⁺状态进入滤层，依靠滤料表面已生成的铁质活性滤膜的自催化反应完成铁的氧化截留过程。
　　铁质滤膜和铁泥都是由微小的球状三价铁的氢氧化物组成^［2］，它的扩散系数(E)很大，与滤料颗粒表面的粘附力远远大于自然氧化法中的絮状铁质悬浮物。假如使用单一水冲洗法，即使强度达14～16 L/(s·m²)，也难以使铁泥彻底剥落、破碎、冲洗干净，时间稍长便会形成大量泥球，直至滤料表面龟裂、滤层堵塞。
气水反冲洗法则可使铁泥彻底剥离，并有效地防止滤层泥球和龟裂的形成。其原理是利用大量气泡上升过程中对滤料的反复挤压—放松—挤压作用和气泡尾涡的混掺作用，使水流剪切力和滤料颗粒碰撞力都大大提高(总G值是单一水冲洗的1.7～4.4倍)。
　　小气泡在滤层内边上升边聚合成大气泡。聚合气泡的直径越大，扰动作用也越大，而气泡聚合又与砂面水深有关，水越浅越有利于进一步聚合，故气洗前宜停止进水并尽量降低水位(降至砂面以上10～20 cm)，这样还可防止被气泡尾涡挟带上来的滤料在气泡破裂时流失。实践证明，气水反冲洗法不仅可靠、高效，而且可节约大量反冲用水。三段式气水反冲洗法又优于单一气水冲洗法，其步骤为先气洗［qa=14～16 L/(s·m²)
，t=1～2 min］，再气水混合洗［qa=7～8 L/(s·m²)，qw=3.5～4.0 L/(s·m²)，t=2～3 min］，最后水洗［qw=7～8 L/(s·m²)，t=3～4 min］。
　　反冲气源由空气压缩机或鼓风机供给。前者压力大而流量小，必须设一个很大的贮气罐加以缓冲，即使这样，冲洗过程中的空气压力和流量仍然是由高变低、变化很大，而过高的初始压力和流量容易导致支承层位移和滤料流失。鼓风机供气虽然一次投资稍大，但可始终保持稳定的设计压力和流量，冲洗效果良好。采用冲洗水箱(水塔)供水同样有压力、流量不稳定的问题，最好由专门配置的冲洗水泵供水。

2　配水配气系统的选择

　　穿孔管式大阻力配水系统具有配水均匀、工作可靠、动态稳定性能好的优点，但它的水头损失大(h=19.6～39.2 kPa)，金属管道容易锈蚀、损坏、堵塞。湛江市自来水公司曾使用一种由岐管和伞形滤头组成的大阻力配水系统。伞形滤头由铜质滤管和连接于其顶端的滤帽组成，滤管的上端钻有一个d=4 mm的配水孔。滤帽是一块半球形铜片，沿径向开有几条内小(d=1 mm)外大(d=3 mm)的三角形配水缝。伞形滤头通过滤管下端的外螺纹均匀地安装在岐管支管上，岐管为镀锌钢管，整体埋置于滤池底板的混凝土中。这种配水系统工作可靠、配水均匀、不堵塞，但岐管支管上的内螺纹接头经多年使用会锈蚀损坏，难于维修。
　　豆石滤板、尼龙滤头、穿孔板和三角槽等都属于小阻力配水系统，虽然水头损失小(h＜1.96 kPa)，但动态稳定性差，单池面积较大时不宜采用。豆石滤板是由砾石与水泥拌成的无砂混凝土，其强度、水头损失、均匀性等参数因受拌制时的工艺条件所制约而极不稳定，弯曲而不规则的缝隙半年内便会被铁质堵死。尼龙滤头由于过水缝隙细小(b=0.2～0.25 mm)，加上滤帽机械强度偏低，在池内压力作用下会收缩变形，通常使用不足1年就被滤过水中的残余铁质所堵塞。混凝土穿孔板上的尼龙网易老化破裂，相对而言，三角槽不失为一种较好的配水形式。但是，三角槽混凝土板只有15～20 mm厚，板的强度和孔眼附近混凝土的密实度受手工制作的工艺条件影响很大，在水的冲刷、侵蚀下孔径会逐渐扩大，配水均匀性下降，槽间水泥砂浆接缝的强度和水密性因受安装、养护质量的影响而难以保证。多年使用经验表明，若制作、安装质量都控制得比较好，三角槽配水系统可用3～5年，否则几个月内便会因接缝砂浆脱落而导致支承层移位、滤砂漏失、板底堵塞乃至槽板断裂。旧池翻修时，因池壁与槽板接缝处的新旧砂浆粘结差，安装质量更难掌握。滤池配水系统的频繁翻修，对安全供水及生产成本所产生的影响之大是不言而喻的。
　　湛江市自来水公司近年开发了一种新型的三角槽，它的上半截(人字板部分)由不锈钢板制作，下半截(直立部分)则用混凝土小梁代替，人字板与小梁之间垫以橡胶垫片，人字板则通过锚固于小梁和滤池底板上的不锈钢螺栓固定。这种三角槽虽然制作成本稍高，但可避免混凝土三角槽的种种质量隐患。
　　以上几种系统都是只配水不配气。采用气水反冲洗法时还必须在支承层内另加穿孔管配气系统，使系统复杂化。
　　经反复比较，V型滤池的配水配气系统和反冲洗方式具有较大的优越性而值得借鉴，但关键在于如何防止其滤头堵塞。为此，研究出一种宽缝的长柄滤头，这种新型滤头已经过1年多的生产运行检验，既可均匀地配水配气，又可防止铁质堵塞，适用于接触氧化除铁滤池。
　　由于铁泥的粘附力大，对接触氧化除铁滤池配水系统的动态稳定性要求应高于普通澄清滤池。选用小阻力配水系统时，建议采用较小的开孔比(α=0.009)、较高的孔眼流速(Vw=0.8 m/s，Va=1.8 m/s)，以增大孔眼阻力。

3　滤料的选择

　　石英砂、无烟煤、天然锰砂都可作为接触氧化除铁滤池的滤料。对于湛江的属第二类型含铁地下水，可能是因为水温高(＞27 ℃)或其他方面的原因，滤料基本上不需要成熟期，40多年来一直使用石英砂、无烟煤除铁。无烟煤对Fe2+的氧化能力优于石英砂，滤料的适宜厚径比(L/d)≥1 000。
　　如果采用双层滤料和气水反冲洗法，最好通过试验确定强烈的气流搅拌和气泡尾涡的挟裹作用对煤、砂层间相互混杂的影响。通常用单一石英砂或无烟煤作滤料，均粒滤料比普通非均粒滤料具有更好的除铁效果。

4　洗水槽安装高度的确定

　　在水洗强度低的情况下，滤层基本不膨胀或微膨胀，洗水槽的断面高度也大大减少，因此可以降低洗水槽的安装高度，有利于铁泥的排除，缩短反冲洗时间。但是，考虑气泡尾涡的挟裹作用和防止滤料流失，槽顶至砂面的距离不宜少于50 cm ，槽底至砂面的净高也不宜少于15 cm。

5　池型选择

　　无阀滤池的过滤和反冲洗只受其滤层水头损失的控制，很难实行气水反冲洗。依靠辅助虹吸管形成反洗管虹吸的虹吸滤池，与无阀滤池一样也难于实行气水反冲洗。通过真空泵或压力水射器来形成反洗管虹吸的虹吸滤池，虽可以实行气水反冲洗，但由于无法控制单格滤池的进、出水，所以不能采用三段式，只能用单一气水反冲洗。虹吸滤池的反冲水头偏低，且随着反洗过程而冲洗强度不断降低；开始时的较大反冲水流和反洗气流，容易导致大量跑砂；反洗后段水的强度减弱，又难于彻底排除铁泥。
　　对于接触氧化除铁，普通快滤池和V型滤池是比较适宜的滤池池型，这两种池型也便于实现自动化控制，以进一步提高水质和管理水平。

6　结语

　　接触氧化除铁滤池的设计有其特殊性：
　　①比较适用的池型是普通快滤池和V型滤池(小型水厂也可采用虹吸滤池)。
　　②冲洗方式宜用气水反冲洗法，建议采用三段式气水反冲洗法。
　　③滤料可用石英砂、无烟煤和天然锰砂，厚径比≥1 000。
　　④配水配气系统宜采用较低的开孔比，新开发的长柄滤头具有配水配气均匀、工作可靠、不会被铁质堵塞的优点。

参考文献：

　　［1］黄宇萍，蔡同辛.第二类型含铁地下水除铁研究［J］.中国给水排水，1993,9(2):4-19.
　　［2］李圭白，刘超.地下水除铁除锰［M］.北京：中国建筑工业出版社，1989.

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　　收稿日期：2001-07-09