重力式滤池设计、运行最佳化的讨论

Optimization of basic water treatment Processes－design and operation:filtration

铃间川村

　　译者按：本篇文章为给水专家铃间川村(S·Kawamura)近日发表的论文。铃间川村在给水工艺上，尤其是在重力式滤池上都有高深研究，曾于1975年在JAWWA杂志上发表了“高速滤池的设计和运行”著作，重点阐述了双层滤池许多关键问题，引起国内广泛关注，本篇文章对多层重力式滤池，特别是对双层滤池更进一步提出了自己的精辟见解。文章内为重力式滤池滤床滤池冲洗、辅助冲洗、冲洗槽、初滤水排放、过滤速度控制、滤池数目以及运行的一些问题。现译出供给水工作者作参考。

　　虽然市场上有很多型式的滤池，但在美国城市所使用的水处理设施，几乎都是使用颗粒滤料的重力式滤池。因此，以下所谈论的就仅限于此种形式的过滤设施。
　　设计工程师设计重力式过滤设施时，可选取以下设计变数：滤层滤料的粒径、型式和层厚；滤速和控制滤速设备；滤池反冲设备，滤池配水设备；适用水头损失；并为远期常规煤和或砂滤料改成颗粒活性碳滤料的可能性作出考虑。这些变数必须根据原水水质，预处理方式，滤料的适用性和价格，特殊处理措施，和美国环保局及本地管理部门所订设计准则而定。

1、滤床

　　滤床是滤池设计的主要部分。自70年代以来，最常用的滤床标准是双层滤料，上层煤滤料0.5m厚(ES=1.0mm，UC=1.5)，下层砂滤料0.25m厚(ES=0.5mm，UC=1.5)，此处ES为有效直径，UC为滤料均匀系数。80年代以后采用的滤层粗颗粒煤滤料，层深1.8m(ES=1.3mm，UC=1.5)，该滤池滤层下部有一层薄砂滤层(0.3m厚，ES=0.75mm)的，或者没有。这种滤池得到普遍应用。三层滤池是在双层滤池滤层下面铺设一薄层(75mm)的石榴石或磁铁矿颗粒(ES=0.20-0.25mm)，这种滤池得到有限制的应用。从许多小型试验和生产上实践评价三层滤池的使用效果可得出，如果在不投加聚合物助滤剂情况下，三层滤池可说是比双层滤料滤池或深滤层单一滤料滤池稍好一些。然而，如果投加合宜的聚合物助滤剂(15-25ug/L非离子聚合物)，则双层滤池与深层单一滤料滤池滤出水能力与三层滤池相等。三层滤池一般来说，有三个明显的缺点即，(1)起始过滤水头损失大，过滤周期短，(2)多数生产例子指出石榴石会流失，(3)石榴石和磁铁矿价格比之煤滤料要高10倍以上（煤滤料美金300元/m3）。
　　粗滤料深滤层滤池之所以得到普遍应用的原因是，和双层滤池相比，该滤池有达15m/h的高滤速，且滤出水质也可与双层滤池相比，另外如果将来水质要求或者由于规定，需要置换颗粒活性炭(GAC)时，这种滤池也可以不必改造就能够做到。使用GAC做深床滤池滤料，在滤速12.5m/h，空床接触时间约10min。美国洛杉矶市管道与过滤水厂为应用深床粗滤料煤滤池的一个例子，该水厂采用预臭氧化和三氯化铁、阳离子聚合物凝聚（直接过滤方式），正常滤速32.5m/h。
　　设计滤层时有三个关键参数应予考虑：(1)滤料粒径、硬度和比重的这些物理特性，(2)滤料形式，和(3)滤床深度。如果滤床不是一种滤料，这样就得对滤床的每一种滤料仔细考虑确定，以便保证在冲洗时这些滤料液化作用相同。不对这些情况考虑和分析，就会发生滤床减薄，滤床严重混杂，弄脏底层等情况。
　　评估滤床合宜构造和最佳操作方式的方法之一是进行模型试验。另一种试验是按照处理同一原水现有运行的有效滤池设计，来选取合宜的滤池滤床。第三种技术是采取被接受的可靠公式，来计算合宜的滤床构造。这些设计公式之一是L/d比例。此处L是滤床深度，以mm计；d是滤料有效粒径，以mm计。建议的L/d比例，由于滤料空隙关系，通用滤床和粗滤料深滤床相比是有所差异的。建议L/d比例为：
　　L/d≥1000用于快砂滤池滤床或标准双层滤料滤池滤床
　　L/d≥1300用于粗滤料深滤层滤池的滤床
　　L/d≥1300用于三层滤料滤池滤床
　　多层滤料滤池和粗滤料深滤层滤池一般预加少量的聚合物助滤剂。如果不加此助滤剂，L/d比例至少增加25%，以使水中浊度更好的去除（滤出水浊度为0.1NTU或更小）。
　　单层滤池构造计算一例如下，如果该池使用助滤剂，其有效粒径为1.3mm，滤床深度应是1.3×1300=1690mm或约等于1.8m。该池不加助滤剂，则需要的滤床深度要增加25%，或约2.3m。
　　对双层滤料滤池，每层滤料的物理特微以下式决定。
　　d1/d2=[(p2-p)/(p1-p)]0.667
　　式中p为水的比重，d1和d2为两种滤料的粒径，p1和p2为两种滤料的比重。例如，无烟煤比重为1.65，砂比重2.65,有效粒直径0.55mm，则用上述求得煤的有效粒径为：
　　0.55/d2=[(1.65-1)/(2.65-1)]0.667
　　d2=1.01mm
　　如果三层滤池，则石榴石所需有效粒径，也以同样方式求得。
　　规定均匀系数(UC)，对滤池的每种滤料来说，是另一个在设计上考虑的重点。从模型试验上和理论研究上都提出UC小一些，对设计的滤池有利。UC为1.4或更小应该是所有滤料所要求的数据。
　　另一个在设计上应考虑滤池运行的要素是滤料的形状（圆形、磨损的滤料和角形的滤料）。一般来说，在不加助滤剂时，角形滤料在同一有效粒径、UC、和过滤滤速条件下，由于空隙比例大和颗粒整个表面积广，这行状况较好。然而，在加助滤剂时，圆形和角形滤料滤层所滤出水，都符合规定标准，即使角形滤料滤层滤出水浊度稍低，也是这样。角形滤料滤池这行周期与圆形滤料滤池相比，则几乎都显著的长。

2、滤池冲洗

　　滤床物理特征确定以后，洽当的冲洗强度就应该根据粒径、比重和高、低水温决定下来。图1可协助工程师和水厂操作人员于20℃水温下，选择已定下来滤料的洽当冲洗强度。天冷时水的粘速度增加很快，这就使得在冬天寒冷的几个月内水的冲洗强度，只是水温20℃水的冲洗强度约80-85%。但当夏天天暖的几个月，其冲洗强度则为水温20℃的105-110%，这种情况应予以考虑。
　　占滤层全部60%重份量的粒径（有效粒径×UC）示于图1横坐标上。有主张以占滤层全部90%重份量的粒径来代替的。用90%的就得使UC高到1.7，因为其粒径比60%的要大40-50%。但是，合理的设计标准是低UC（即1.3-1.4），这样会使滤池运行相宜，比液化大滤料要求的冲洗强度低、且可减少滤料混杂。UC为1.4时，90%的仅比60%的大25%，UC为1.2时，90%的和60%的相比，只相差10-15%。著者建议采用60%的决定冲洗强度，有以下三个原因：(1)滤料规定经常用60%的有效粒径和UC，容易计算，(2)UC用低指标，60%的和90%的相差不显著，(3)图1所示冲洗强度的范围，过去50年来一直使用。

3、辅助冲洗

　　滤池滤床通常是，如果没有表面冲洗和空气搓洗等辅助冲洗设备，不能有效的将滤床洗净。但养鱼池水(aquarium water)过滤系统和连续自动反冲滤池除外，这是因为这些设施的滤床不允许有超过0.4m的水头损失。近些年来出版的刊物给读者这样一个印象，即空气搓洗是唯一洗净滤池的方法。但实际情况不全是这样。在美国过去有一些少数例子，在滤池使用聚合物助凝剂的情况下，仅管有空气搓洗设施，在滤床中部和底部，还是有显著的泥球形成。用空气搓洗，只有滤床顶部0.2-0.3m处能均匀扰动，使这部分滤料洗净。滤站操作人员只由滤床顶部看到这种空气扰动现象，就错误的认为整个滤床都被扰动。绝大多数空气搓洗设施产生的压缩空气气泡，在配水喷咀上直接进入滤床；空气成为短暂循环，造成局部强烈搓洗动作且空气从表面进发大而集中的磨菇状态气泡。当这些大而集中的气泡上升到顶部，上升流中间的滤料由于质量平衡定律的原因，则通过滤床向下降落，一直到空气扩散喷咀的水平位置为止。这样就使得没有被猛烈振动冲洗散开的一部分压实顶部滤料从顶部深入底部滤床，且将微生物和他们的孢囊也带入滤床底部。这种现象和大量积泥沉积于滤床下部的情况，已为通过试验和应用空气搓洗设施的生产滤池实际观察所承认。因此，在应用滤池水头损失超过1.8m或过滤周期大于48h的情况下，实际运行经验是无论何时，于冲洗以前，都要空气搓洗与表面冲洗合用，以打碎滤床顶部5-10cm的压实滤料。
　　总之，当滤床整个深度没有超过0.9m时，表面冲洗效果与空气搓洗相等。然而，当滤床深度超过0.9m时，不论有无表面冲洗都应有空气搓洗设施。图2所示为美国现有的两个水处理厂表面冲洗与空气搓洗的效能比较。其中的芝加哥南区滤站(22m²/s)已用表面冲洗设备超过40年。从图上看出，丹佛滤站(10m3/s)单独采用空气搓洗则在滤池底部积泥多。

　　一旦设计采用了空气搓洗设备，那么滤池配水设备就只能为这种空气搓洗设备使用有喷咀的假底或塑料块形装置。这两种型式都合宜。当配水设备已经规定，工程师必须选用有运行5年成功经验的构件。相比起来，对空气搓洗反冲的重要性来说，配水设备则需要多重视选取表面冲洗设备。

4、冲洗槽

　　自从欧洲设计水处理采用空气搓洗设施不要任何冲洗槽以来，冲洗槽要求数目就成为一个争论的问题。在美国多年来对液化床、高滤速、反冲洗系统，包括设计冲洗槽的数目，有一定的实践经验。理论上是冲洗槽能均匀收集冲洗滤池排水，也能均匀地把进水散布到整个滤池，以减少在高滤速（超过15m/h）情况下滤料的移动。然而，这是显然的，采用表面冲洗设施，就没有影响滤床相反条件，冲洗槽的整个数目能明显的减少（多至50%）。
　　美国加州Sacramento城定出一个措施，即从其两个滤站(4.4m3/h)的一个滤站中的16个滤池之一，取消全部冲洗槽，观察其运行效果。其进水和冲洗排水经过中央水槽到槽水两边滤池进出溢流。经过连续运行的两年以后，根据运行人员的初步结论，采用此种措施的滤床运行和滤床状况，与有着冲洗槽的滤床相比一样。然而，没有冲洗槽的滤池冲洗时间比有的要多25%的时间。从此研究结果可提出，美国所定冲洗槽规程（即十个州标准）还需重新评价，不能忽视。

5、初滤水排放

　　设计工程师往往不注意每个滤池初滤水排放性能的问题。有这种观点的主要理由是一些州规定只有一个滤池初滤水排放系统或者是为了于开始过滤前调节好滤床，对冲洗水投加聚合物。但没有考虑到投加聚合物经常效果不好，有经验的水厂人员指出了此种事实。可是设计工程师和水厂工作干部都选择向冲洗水投加聚合物的这种办法，因为这种办法设计很容易做到，水厂工作干部也很容易做到，这种办法也很省钱。然而，每一个滤池都应要有一个初滤水排放管道设施，以便对滤池起始过滤浊度穿透和不正常滤站状况予以管制。这些不正常滤站状况包括：整修垫层和配水设备后一段浊时间，过滤当中表面冲洗或空气搓洗发生故障出现穿透状况，由于操作问题滤出水浊度过度增大，和由于强烈地震滤床松散，出现高度的浊度穿透等等。

6、过滤速度控制

　　就过滤速度控制而论，有恒速过滤与变速过滤两种形式。在这两种过滤形式当中，变速过滤有一些优点，但不能稳定的控制流量。全美国新建水厂负责人都倾向于不选取变速过滤形式，且许多州也不鼓励用此种形式。
　　多数人在心目中，认为滤速高到20m/h不会显著影响滤出水水质，条件是预处理做好且滤床设计合理和及时维修。如果使用通用快滤池砂床，高滤速会缩短过滤周期而超过规定要求，然而采用双层滤料滤池和粗滤料深床滤池，甚至滤速在20m/h，一般也能有一个合理的过滤周期（周期到24h）。

7、滤池数目

　　滤池数目和每个滤池样式都是设计上主要考虑的，原因是这样做不仅是由于它们决定构造物造价，而且也由于决定次要装置大小如冲洗缶，反冲洗管，和收取冲洗排水缶，以及使冲洗水在滤床上均匀散布的原故。工程师们必须考虑防止余留滤池滤出水滤速过高，超过规定要求，而带来对余留滤池水力震动，这种情况常发生于有一些滤池因为修理、冲洗等等方面致仃止运行的时候。根据以往经验，滤池超过180m2，就常会有冲洗水散布不匀和滤料移动的问题。作者建议用下列公式计算需要滤池的数目。
　　N=5.7Q^0.5
　　式中N=滤池数目，Q=设计极限水量(m3/s)

8、运行的一些问题

　　如果滤床由于各种使用条件的原因产生气盲，那么滤床上水深必须比滤池许可的最大水头损失要大。滤床的正压以滤池出水水位控制堰形成。这种滤池样式的设计，特别对配以流量计的机械流量控制设施的滤池有利，因为这样流量计会永远处于正压状态之下。
　　从水厂运行状况来看，滤池工艺是去除微生物，它们的卵和孢囊，以及葛第虫、隐孢子虫的卵囊虫等有害悬浮生物的最后堡垒。然而，水厂运行人员必须相信，絮凝和沉淀预处理要做好，因为只要有标准滤床过滤，则不是极有效果的。预处理完善，采用标准设计滤床，一般在这些微生物、它们的卵和孢囊，以及葛第虫等卵囊虫的log去除上，可到log3-4，所以关键的第一阶段是要做到取佳预处理。
　　与最佳预处理同样重要的是连续监视滤池运行。滤出水水质监视项目为浊度、pH值、进而是颗粒大小和计数。物理监视项目为滤速、水头损失、过滤周期、冲洗耗水率和初滤水排放量、泥球形成和每一过滤周期终结前滤床裂缝程度和数量。
　　由于滤出水浊度指示纪录仪对起始浊度穿透现象显示不足够灵敏，或者是由于操作人在10min或再少些时间就终结初滤水排放操作，便一些操作人员对开始浊度穿透现象经常忽视，图3示出的是四个水处理厂的起始浊度穿透实际情况。水样在每一滤池过滤周期开始，于少于3min的间隔时间内取得。重要的是要注意此滤出水浊度指示纪录仪没有示出实际数字，只是显示过滤周期开始时的一条短的垂直线。初滤水排放10min后才是实际弄污的冲洗水。通常，在滤床内冲洗后干净的冲洗水有1.2m深或更多，这种深度已包括着滤床，垫石层和配水设备。在排除初滤水当时的滤速经常为约0.123m/min，那么就用差不多10min就可以把这部分滤床水滤走。另外，在起始过滤时滤床上的水是约50%沉淀水与反冲洗水混合在一起的水。所以，在起始过滤后的15-20min，浊度仪才示出真正纯净的过滤水，图3就明确的表示出这种状况。洽当的初滤水实际上应根据冲洗水浊度大小而定，操作人员不应根据计时仪决定。
　　掌握起始浊度穿透有五个方式：(1)初滤水(2)终止冲洗的最后3min投加聚合物(3)冲洗后进水闸门开启时，在滤池进水内投加聚合物(4)滤池缓慢开动和(5)滤池冲洗早仃（当冲洗后污水减到10NTU），以保持滤床在熟化状况。图4示出的是滤池冲洗当中冲洗污水典型浊度剖面图。
　　运行评价一般由滤出水水质分析参数（浊度、颗粒计数）和运转周期长度仃立。然而，这如同仅是用尿等试验和人体体温，对人体健康做物理诊断一样，来用X光线等评价人体健康。滤站运行重要的用砂芯取样方法评论好坏。砂芯所取样提供操作人员示于图2的滤站中冲洗前后沉积絮体分布图，及列于表1的纵断滤床全层滤料粒径和均匀系数分布状况。水厂操作人员能很容易地从这些图表和计录仪表决定滤池冲洗的效果。细小颗粒聚集在滤床顶部25-50mm处会减短过滤周期长度和产生空气堵塞。决定是否清除这些细小颗粒应由砂芯样子所得数据而定。操作人员应当牢记，滤床上的水要是停留一天以上，就必须在重新过滤前将其轻轻反冲走。特别是在热天，由于会有微生物生长更为重要。
　　有一些水厂操作人员用间歇过滤方法，而不用24小时连续过滤方法。这种过滤方法对所有单元处理包括起始过滤运行都会产生重大的水力冲击，所以间歇过滤不是一个好的办法。

表1　筛分析结果：滤池5号和8号滤料粒径分布状况 滤床深度*(mm) 　　　　滤池5号
　　ES(mm)　　　UC 　　　　滤池8号
　　ES(mm)　　　UC 0-51
51-152
152-305
305-457
457-610
610-813 　　0.87　　　　1.39
　　0.92　　　　1.43
　　1.00　　　　1.41
　　0.70　　　　1.91
　　0.66　　　　1.44
　　0.75　　　　2.93 　　0.85　　　　1.35
　　0.90　　　　1.41
　　0.92　　　　1.47
　　0.69　　　　1.86
　　0.65　　　　1.45
　　0.70　　　　2.31

　　*滤床深度　滤池5号和滤池8号分别测定为813mm和762mm。
　　注意：无烟煤和砂滤料比重分别测定为1.59和2.62。

　　一些操作人员用间歇滤站操作代替24小时连续操作，由于其向全部工艺系统散布剩余氯，促进了微生物生长。一个建议的解决方法是在停止运转期间重新循环过滤水。虽然多数工程师和管理机构都相信4-10um范围颗粒去除率足以相当于原生物卵虫和孢囊的去除率（其范围也是4-10um粒径），但事实并不是这样简单。孢囊和卵囊虫有特殊吸附到颗粒表面的能力，很像熟化滤床滤料，以帮助寿命周期的完成。绝大多数4-10um范围的颗粒并不带表面电核，因为他们比胶体颗粒大得多，所以很少或者不能吸附到滤池滤料表面。许多模型试验，使用洽当的预处理和聚合物助凝剂，明确得出其去除孢囊和卵囊虫，比去除同一滤速的粒子，需高出1.5-2.5log。企图证明物质仅是能根据其粒径产生特殊效果的想法，是太过于简单化了。
　　然而应当注意，对滤出水所含颗粒相当粒径范围的分析，是对滤出水水质控制的可贵监测手段，因为它给予操作人员察觉滤池浊度穿透的一个早期警告。滤池效果的真正读数，对散射的浊度不能提出，但能示出通过滤床穿透的PAC（颗粒活性炭）。有许多量测粒径和颗粒计数很准确的仪表在市面出售，然而也有一些浊度仪仅能检测PAC。

9、扼要

　　去除包括原生动物的孢囊和卵囊虫的悬浮体的最后堡垒是滤池。滤池运行需要的主要因素有三个，即选好滤料、过滤速度，和聚合物助滤剂的有效利用。有两种滤床能保证高速过滤，它们是标准双层滤料滤床和在滤床底部带或不带砂层的粗颗粒煤滤料的滤床。原水洽当的预处理和对滤池来水投以极小量聚合物(10-25ug/L)能使滤池滤出水浊度为0.1NTU或者再低（低颗粒计数——对2-150um粒径为小于50/mL），即使滤速为15-20m/h也是如此。
　　为了使滤床保持良好的干净的条件，必须有辅助搓洗协助反冲，特别是如果用聚合物做混凝剂和助凝剂的情况更须如此。标准表面冲洗设施是能以和保证快速砂滤池和标准双层滤料滤池辅助搓洗的一个方法；表面冲洗对这些类型的滤床冲洗效果与空气搓洗一样。超出1.2m的粗颗粒深床滤池需要用空气搓洗作为辅助搓洗。有些时候用于冲洗的空气搓洗对防止形成泥球效果不好，且在滤床底部会部分聚集少量淤泥。所以采用表面冲洗设备应当重点考虑。
　　当滤床滤料多于一种时，滤床的每一种滤料都要仔细选取，以保证在冲洗时它们的液化度一致。一个良好的滤床设计，要考虑它们的滤料粒径中间的相对关系和它们需要的滤床深度。当前的地表水处理规则(SWTR)和加强地表水处理规则(ESWTR)目标是滤出水浊度达到0.1NTU。

参考文献18篇从略。

---

杨福才　译自AQUA　1996-3　P134-142
天津市自来水集团有限公司科技情报站

1997年2月