高士國 阮如新

　　【摘要】 本文介紹了無煙煤均質濾層過濾技術試驗研究內容和結果；簡略闡述了濾速與產水量的關系、濾料粒度對過濾效能的影響、L／d值的重要性以及為保證濾層均質狀態的氣水反沖洗過程；文章還介紹了北京市第九水廠二期無煙煤均質濾層濾池的主要設計參數和生產運行測定結果。
　　【關鍵詞】 均質濾層 過濾 研究 應用

　　自從快濾池取代慢濾池以來的幾十年間，普通砂濾料過濾技術已經十分成熟，得到極廣泛的應用。但是普通砂濾池濾層經膨脹狀態下反沖洗后形成上細下粗顆粒的逆向級配，在一般正向過濾的情況下納污能力距理想濾層相距甚遠。煤砂雙層濾料濾池和煤砂磁鐵礦三層濾料濾池在濾層結構上取得了重大進展，但由于鋪設、分層、反沖洗等問題，使建立在快濾機理上的過濾潛力難以充分發揮。以不膨脹或低膨脹、氣水反沖洗為基礎條件的均質濾層過濾由于濾料顆粒在濾層垂直方向分布的均勻性，在濾厚度與濾料粒徑比合理的情況下，濾料粒徑適當加大，提高了納污能力；濾層厚度適當加深，保證了濾后水質。這樣使濾池單位面積周期產水量增加，即或可提高濾速或可延長過濾周期，同時降低反沖洗耗水率，降低建設投資，帶來更多的經濟和社會效益。雖然近幾年法國V型濾池引入我國，但我國對均質濾層過濾尚缺乏系統的科學理性認識和一套完整的參數群。為此建設部立項、我院開展了《均質濾層過濾技術研究》。該項目是建設部“八五”重點科技項目，其成果獲九八年建設部科技進步二等獎、并列為九九年建設部重點科技推廣項目。現將有關無煙煤均質濾層過濾試驗研究結果和應用作簡要介紹。

1 試驗流程與試驗內容

1.1 試驗流程及裝置
　　試驗工藝流程見圖1。

　　試驗用原水為取自懷柔水庫的第九水廠進水，由水泵提升經計量至混合裝置，加藥經快速混合進入絮凝池，絮凝后流入沉淀池，沉淀池出水進入濾池。
　　試驗裝置的設計規模為25m³／h。
　　混合采用快速軸流式機械攪拌。絮凝采用波形板豎流式三段絮凝。沉淀為側向流波形斜板沉淀。
　　試驗濾池為鋼管筒式結構，構造示意見圖1。濾池筒體直徑1.2m，總高5.2m，過濾面積1.13m²。墊層為級配河卵石。濾頭為窄縫式長柄濾頭。
　　應當指出，本試驗濾池規模已達到生產性規模，試驗水量大是本試驗與一般過濾試驗顯著不同的特點之外，由于濾池直徑大而大大降低了濕周對過濾的影響，使試驗濾池反沖時的狀況特別是形成的濾層與實際生產更為接近。
1.2 試驗方案與內容
　　試驗原水分自然濁水與配濁水。
　　無煙煤濾料粒度分三種：dmin～dmax＝1.00～2.00mm、d10＝1.10mm；
　　dmin～dmax＝1.25～2.50mm、d10＝1.33mm；
　　dmin～dmax＝1.43～2.80mm、d10＝1.48mm；
　　濾料厚度分二種：1.1m和1.5m。
　　濾速分二種：10m／h和20m／h。
　　反沖洗方式為氣、氣加水、水三段式氣水反沖洗，膨脹率為7％。氣沖階段氣沖強度15～17L／m².，歷時3min；氣水同時沖洗階段氣沖強度不變、水沖強度4～5L／m².，歷時3～5min；水沖階段強度6～8L／m².，歷時5～8min。
　　過濾方式為等濾速定水頭過濾。

2 試驗結果與討論

2.1 試驗結果
　　將試驗變量恰當組合安排，組合排列過濾試驗8組，每組試驗分別進行3～6個過濾周期，試驗結果見表1。

無煙煤濾料過濾結果統計　　表1 序 進水
條件 前處理
條件 有效粒徑
d₁₀mm 厚度
m 濾速
m／h 膨脹率
0／0 進水濁度
NTU 沉淀出水濁度
NTU 過濾出水
濁度NTU 周期
h 產水量
m³／m² 試驗
次數 1 自然濁 常規 1.10 1.5 10 7 0.73 0.63 0.17 46 460 3 2 自然濁 常規 1.33 1.5 10 7 0.76 0.63 0.19 55 550 3 3 自然濁 常規 1.10 1.5 20 7 1.08 0.73 0.23 23 460 5 4 自然濁 常規 1.33 1.5 20 7 0.86 0.64 0.19 28 560 6 5 配濁 常規 1.10 1.5 10 7 24.34 1.20 0.13 38 380 4 6 配濁 常規 1.10 1.5 20 7 26.30 3.43 0.20 20 400 4 7 配濁 直接 1.10 1.1 10 7 10.20 　 0.21 22 220 3 8 配濁 直接 1.48 1.1 10 7 10.20 　 0.25 28 280 3

　　試驗結果表明，對于本試驗用原水，選取本試驗用參數，可獲得高質量的過濾出水，周期過濾出水平均濁度低于0.3NTU。
2.2 討論與分析
2.2.1 濾速與周期產水量
　　將表1中濾料粒徑相同、前處理條件相同、濾速不同的過濾試驗濾出水濁度和單位面積濾池周期產水量整理，得表2。

濾速與周期產量對應統計 表2 粒徑
mm 前處理
條件 單位面積周期產水量
m³／m² 差值 試驗序號 濾速10m/h 濾速20m/h 1.10 自然濁常規 460 460 0 1；3 1.33 自然濁常規 550 560 10 2；4 1.10 配濁常規 380 400 20 5；6

　　從表2可以看出，10m／h濾速時單位面積濾池周期產水量和20m／h濾速時相差無幾，有的濾程沒有差別。這說明濾速的大小（至少在10m／h～V20m／h范圍內）對過濾周期產水量影響不大。
　　美國洛杉磯水廠粗濾料厚濾層濾池建設前的研究報告（Water Treatment Pilot Studies forthe Los Angeles Aqueduet）稱：“試驗原水經預臭氧，通過厚6英尺的無煙煤濾層過濾，濾速13.5加侖／英尺²分，其濾程為28小時；濾速18加侖／英尺²分，其濾程為22小時。兩者濾程產水量分別為22700加侖／英尺²和23800加侖／英尺²。”說明濾速變化對濾池產水量無大影響。
如是，在評價濾池特性時，單位面積濾池周期產水量可以作為一項評價因素，而濾速對其影響可以略去。這為設計中適當提高濾速提供了實KH上的支持。
2.2.2 濾料粒度對過濾的影響
　　按唯象觀點即不涉及機理，認為過濾是水中懸浮物被截留的過程，被截留的懸浮物充塞于濾料間的孔隙中。在同種濾料、相同反沖洗條件下，濾層孔隙尺度以及有效孔隙率隨濾料粒度的加大而增加。即濾料粒度越粗，可容納懸浮物的有效空間越大。其表現為過濾能力增強，截污量增大。同時，濾層孔隙度越大，水中懸浮物能被更深地輸送至下一層濾層，在有足夠保護厚度的條件下，懸浮物可以被更多地截留，使中下層濾層更好地發揮截留作用，濾池截污量增加。
　　從力學特性講，過濾水流在濾料層中的流動與濾料顆粒間的水流剪力則具有使被截留吸附在濾料顆粒表面的懸浮物剝落的可能，并同時產生附加水頭，即產生水頭損失。濾料粒度增大，孔隙尺度加大，有效孔隙空間增加，過水通道尺度大，過濾水流阻力減弱，水頭損失增量將得以延緩，其結果達到規定水頭損失的過濾周期得以延長，產水量得以增加。
　　下列表3是無煙煤濾料不同粒徑過濾能力比較的試驗數據。

無煙煤濾料不同粒徑過濾能力比較　　表3 組別 序號 有效粒徑
mm 濾速
m／h 進水濁度
NTU 出水濁度
NTU 截留濁度
NTU 周期產水量
m³／m² 過濾能力指數 比值 A 1 1.10 10 0.63 0.17 0.46 460 211 1∶1.15 2 1.33 10 0.63 0.19 0.44 550 242 B 3 1.10 20 0.73 0.23 0.50 460 230 1∶1.10 4 1.33 20 0.64 0.19 0.45 560 252 C 7 1.10 10 10.20 0.21 9.99 220 2197 1∶1.26 8 1.48 10 10.20 0.25 9.95 280 2786

　　 表中“過濾能力指數”為：過濾進出水濁度差即截留濁度與周期產水量的乘積（截污能力）。
　　A組和B組試驗表明，有效粒徑1.33mm濾料的過濾周期產水量大于有效粒徑1.10mm的周期產水量；有效粒徑1.33mm的過濾能力指數高于有效粒徑1.10mm的過濾能力指數，比值表明過濾能力高出10％～15％。C組試驗表明，在周期產水量和過濾能力指數方面，有效粒徑1.48mm更高于有效粒徑1.10mm。
　　然而，應當看到，隨著濾料粒徑的加大，雖然能更多地發揮下層濾料的截污作用，但同時對穿透深度帶來影響。即在其他條件等同時，粒徑越粗穿透深度越大，其表現為粒徑粗的濾料過濾出水濁度較粒徑細的濾料高，或是粒徑粗的濾料截留濁度比粒徑細的濾料低。
　　A組和C組數據表明，其他條件特別是進水條件等同時，有效粒徑1.33mm和1.48mm濾料較有效粒徑1.10mm濾料的過濾出水濁度高，截留濁度低。B組數據表明，由于進水濁度不同，雖然有效粒徑1.10mm濾料的過濾出水濁度不如有效粒徑1.33mm濾料，但其截留濁度高。
　　粒徑變化對過濾出水水質和截留濁度的影響引出下面有關L／d的討論與研究。
2.2.3 關于L／d
　　從嚴格的理論上講，濾層所具有的對懸浮物的截留作用來自濾料所具有的表面積。慢濾池的過濾能力主要地來自篩除作用，而快濾池的過濾能力主要來自濾料顆粒表面的吸附作用，這是快濾池與慢濾池過濾機理最主要的不同之處。在過濾過程中濾料所提供的表面積越大，對水中懸浮物的附著力越強。為要達到一定的預期的水質要求，濾料所提供的表面積應表現為：單位面積濾層所提供的表面積必須滿足某一最低量值的要求，相互關系可以參考如下數學式^［1］表達：
　　S=6(1-ε)／Φ·(L/d)
　　S——濾料表面積 ε——濾層孔隙度
　　Φ——濾料球形度 L——濾層厚度
　　d——濾料的幾何平均粒徑
　　從上式各參數的相互關系可以看出，隨著濾料顆粒粒徑加大，孔隙度加大，所提供的表面積變小。濾層表面積減少的結果必然會降低過濾能力。這反映出粒度加大對過濾效果帶來的負作用。
　　這個式子同時也清楚地表明，在濾料球形度一定也即濾料種類一定的情況下，能夠抵消粒度變化負面影響的只有濾層厚度，即L。這樣，此式中的L／d成為關鍵因素，它決定了濾料所能提供的表面積的大小也就決定了過濾性能。
　　由此引伸出L／d這一概念。從技術角度講，L／d值越大越好。而綜合經濟因素，工程中應以最小L／d值滿足提供最低量值的濾料表面積達到預期的過濾出水水質要求。在實踐中，選用優良的濾料級配和濾層厚度正是保證過濾效能的關鍵。因此，L／d受到濾池設計人員的日益重視。
　　我國《城市供水行業2000年技術進步發展規劃》↑［2］提出：“為保證水質濾層深度與粒徑之比應大于800。”在其子課題《改善過濾效能》中指出：“運用L／Dm≥800判別式判斷分析濾池濾料級配的合理性或比較其優越性。”這里的Dm為幾何平均粒徑。美國《Interg－rated Design of Water Treatment Facilities》↑［3］提出，“1.5mm≤d≥1.0mm的單層濾料濾池L／d≥1250。”這里的d為有效粒徑。
　　本試驗用濾料L／d值見表4。

試驗用濾料L／D 表4

d

l/d

Lmm 有效粒徑
mm 平均粒徑
mm 1.48 1.33 1.10 1.83 1.65 1.36 1500 ／ 1028 1364 ／ 909 1103 1100 743 ／ 1000 601 ／ 809

　　將試驗中除粒徑不同而其他條件特別是進水濁度相同時的L／d值和試驗結果列表如表5。

L／d與過濾結果　　表5 組別 序號 有效粒徑
mm 濾速
m／h 進水濁度
NTU 出水濁度
NTU L／d A 1 1.10 10 0.63 0.17 1364 2 1.33 10 0.63 0.19 1028 B 7 1.10 10 10.20 0.21 1000 8 1.48 10 10.20 0.25 743 注：d為有效粒徑

　　表5清晰地表明，L／d值大的出水濁度比值小的低。
　　以上只是試驗數據，設計應用時需要根據具體情況予以調整。依據試驗研究和北京市第九水廠二期工程應用情況，我院提出了設計采用的推薦值（本文從略）。
2.2.4 均質濾層反沖洗
　　為保證濾層反沖洗后具有足夠的清潔度，又能接近均質狀態，目前理想的辦法是采用氣、氣水、水的三段式氣水反沖洗技術。近年來，國內不少人對氣水反沖洗進行了較為深人的研究。幾乎所有文獻都認為三段式氣水反沖洗比二段式氣水反沖洗更為理想，并從機理上進行了探索，本文在此不作贅述。
　　在濾池充水并在濾床層面上保有一定水深條件下先進行單獨氣沖，一方面通過濾料顆粒間相互磨擦使濾料上粘附的污泥脫落，一方面達到使濾層攪動為均質的目的。經過一段時間的氣沖后，不停氣且氣沖強度無須改變的同時加入水沖，水沖強度很小，只要能使脫落的污泥在合宜的時間內升至排水槽即可。氣水聯合反沖是能否使濾層潔凈的關鍵。單獨氣沖時脫落的污泥在此階段因氣沖保持濾層流化狀態下加上水沖被有效地托至上層。第三階段停止氣沖，濾料回落為固定床，使脫落的污泥滯留在上層，隨后的水沖只是漂洗過程，主要是將上層的高濃度泥水托出濾池，同時進一步清除濾層中剩余的脫落污泥，使濾層達到較徹底的凈化。最后的水沖洗應遵循二條原則，一是不使均質濾層狀態受到破壞，二是按沖洗要求要能夠使濾層中剩余的脫落污泥被有效地去除。
　　本試驗選用7％膨脹率獲得了滿意的濾后水質，說明此程度的膨脹率及相應的水沖強度可以使濾層保持接近均質狀態。

3 北京市第九水廠二期、三期工程濾池

3.1 濾池主要設計參數
　　北京市第九水廠二期、三期工程濾池設計應用上述研究成果，建成無煙煤濾料均質濾層濾池，處理能力各為50萬m³／d。
　　其主要設計參數如下：
　　濾料粒徑范圍dmax～dmin＝2.0～1.0mm，有效粒徑d10＝1.10mm，均勻系數K↓（60）＝1.35，濾料層厚L＝1.5m。
設計濾速V＝7.60m／h；強制濾速V＝7.93m／h。
　　三段式氣水反沖洗，氣沖階段氣沖強度q＝18～20L／m²·s、歷時t＝3min；氣水同時沖洗階段氣沖強度不變，水沖強度q＝4～5L／m²·s、歷時t＝2～3min；水沖階段水沖強度q＝4～8L／m²·s、歷時t＝5min。膨脹率η＝0。
3.2 生產運行測定結果
　　二期工程95年投產，96年6～8月進行了生產運行測定。結果見表6。

北京市第九水廠二期工程濾池生產運行測定結果　表6 序 日期 厚水濁度
NTU 濾池進水濁度
NTU 濾池出水濁度
NTU 周期
h 最高 最低 平均 最高 最低 平均 最高 最低 平均 平均 1 6.24－6.28 1.29 0.60 0.84 1.15 0.51 0.68 0.23 0.06 0.14 48 2 7.31－8.4 5.00 1.65 3.30 3.30 1.10 2.04 0.23 0.03 0.11 38 3 8.21－8.24 37.8 10.08 19.7 9.40 4.60 7.44 0.69 0.09 0.26 36

　　需要指出的是，表中所列過濾周期終止時水頭損失并未達到設計最大值，其時水頭損失只有設計值的2／3。
　　應當特別說明的是，生產運行的膨脹率與試驗用膨脹率不同，實際運行濾料確無膨脹。
　　測定結果表明，濾池過濾性能良好，獲得高質量的出水。

4 簡要結論

　　① 試驗研究和生產實踐表明，無煙煤均質濾層過濾可獲得滿意的過濾效果，證明均質濾層過濾是一項先進的水凈化技術。
　　② 在試驗選擇的粒徑范圍內，粗濾料的過濾周期產水量大于相對較細的濾料，并有一定程度的定量概念。但為要達到相同的濾后水質，濾料表面積大小是決定截留作用大小的因素。然而粒度粗的單位面積濾料所具有的表面積小，能夠抵消粒度增大帶來這種負面影響的因素只有靠濾層厚度的增加。這樣便形成了為要滿足某一最低單位面積濾層所提供表面積量值的要求而形成L／d最小值的概念。顯然，L／d成為達到某一過濾效果的保證條件，是濾池設計需要著重考慮的因素。
　　③ 低膨脹或不膨脹三段式氣水反沖洗是保證濾層均質的關鍵。氣沖使濾層形成均質狀態并使污泥剝落，氣加水聯合沖洗使污泥升至濾床上部，最后水沖漂清濾層。試驗表明7％膨脹率仍可使濾床接近均質狀態，生產實際表明不膨脹反沖洗仍獲得清潔濾床。

參考文獻
　　［1］JAWWA，67：535，1975
　　［2］江光燾主編，城市供水行業2000年技術進步發展規劃，改善過濾效能，P227，中國建筑工程出版社，1993
　　［3］Susumu Kawamura，Intergrated Design of Water Treatment Facilities，P212，John Wiley ＆Sone，Inc.1991