天津自來水公司
楊福才

　　提要：本文介紹了一種多用途哈伯瑞爾濾池，討論了其組成、構造、濾料、生產情況等。這種濾池是一種可處理微量元素和有機污染物原水的多用途濾池。
　　關鍵詞：濾池　微量元素　有機污染　構造　試驗　生產運行

　　1　概述

　　最近國外出現了一種新型高效的多種用途的上向流濾池。這種濾池有三種不同用途，即(1)新穎的上向流過濾作用的用途(Upflow filter)、(2)重過濾絮凝作用的用途(Refieloc Process)、(3)粉末活性炭(PAC)填入濾床吸附作用的用途(Pacefilt Precess)。這種濾池首先為德國給水工作者哈伯瑞爾(Klaus Haberer)提出和使用，為了有別于一般濾池，故稱為哈伯瑞爾濾池（下文簡稱哈氏濾池）。
　　哈氏濾池能將必須用大量藥劑及特殊處理才能夠除掉的水中有機污染物和微量元素（包括鐵、錳）及藻類等物質去除；占地空間很小；藥劑得到充分的發揮作用并節約大量藥劑，能耗減低；其處理構筑物一般只有兩個園筒，一個是哈氏濾池，接續一個雙層濾池，并且在水質不太惡劣時，可只用哈氏濾池就夠；不需要反應絮凝設備，并能間斷使用，是一個運轉簡易的可靠構筑物；在不同情況下，還可以根據需要，用一種、兩種或綜合一起使用；哈氏濾池經過模型濾池試驗所得結果，一般可直接在生產濾池上應用。

　　2　哈氏濾池構成

　　哈氏濾池的三種不同用途的設施，根據各自情況，可以單獨使用，也可以合并一起使用，但必須有第一種過濾作用的設施。即可采用(1)、(1)+(2)、(1)+(3)和(1)+(2)+(3)設施。
　　2.1　采用(1)作用型式的上向過濾設施。
　　這種過濾設施為向上過濾、向下沖洗的上向流濾池，濾料采用比水比重輕而沒有毒性的堅實的聚苯乙烯濾珠，這種濾珠可按要求制成均粒的最佳粒徑，它的好處是將壓實了的濾床變為液化濾床，而不需要多耗能量。濾床上面設篩網，防止濾料流失。沖洗用濾床頂端上的噴咀板(nozzle plate)。由于向下沖洗去除濾料上雜物速度大，而不需要沖洗水泵或氣沖，沖洗時間只需5min以下（一般濾池沖洗時間要8min）。最引人注目的是在該濾池入口處的濾床底部設有進口空間，其容積一般為濾床容積的30%，使重的絮凝體沉落在此處，減低了濾率過濾負擔，并節省了沖洗用水，由于濾料輕，比重25～100g/l，沖洗時可不設篩網，濾床下部也沒有支撐設施。該池濾床深度一般為1.0～1.5m，過濾速度10m/h，沖洗強度70-100m/h，濾珠粒徑1-2mm。
　　2.2　采用(1)+(2)作用型式的重過濾絮凝的過濾設施
　　具有這種工藝設施的上向流濾池主要使離開濾床的一部分濾出水回到濾池重新過濾，使沒有活力的一部分懸浮絮體，回到原水中重復循環接觸過濾。重復循環比例一般為1.5-3，具有這種設施的濾池使用很成功，甚至必須用大量藥劑才能去除的濁度、藻類和有機物高度污染的水，也可用少量藥劑去除。一般為達到潔凈水的要求，還在此濾池后面，增加雙層濾池處理。當然一般污染少的水也可不要雙層濾池設施。此池應用時配以上向流濾池設施。該池濾料粒徑1.3-2.5mm、濾床高度1.5-2.0m、濾速6-16m/h。
　　2.3　采用(1)+(3)作用型式粉末活性炭(PAC)裝入濾床的過濾設施
　　這種濾池過濾方式是在上向流濾池濾床內裝上PAC，以加強吸附雜物的作用。它是用再過濾水泵以高速度再循環的水，將PAC散于整個濾床上，接著在短期循環的階段，使PAC附著于聚苯乙烯濾珠的表面上。這個階段叫做調整狀態，也是PAC的一個極為有效的只附作用階段。所用PAC顆粒極小，僅為普通GAC顆粒的2%，約20um。PAC作用趨于飽和階段時就從濾珠脫離被帶來，而新投入的新鮮的PAC則不會帶走，這也是此種濾池的一大優點。濾池基本參數為：濾珠粒徑1.0-2.0mm，濾床深度1.0m濾速5-20m/h，沒有重過濾設施。
　　此種過濾方式比GAC過濾的優點是，它能以完全去除吸附性物質包括吸附不良及游離性物質；它能避免在進水口中因雜物濃度降低或改變有機污染物成分的脫吸作用；它可與重過濾工藝在一起同時運行，它能間斷運轉；它比GAC過濾更有效或更經濟；它的試驗結果可直接在生產濾池使用。
　　2.4　采用(1)+(2)+(3)作用型式的哈式過濾設施
　　哈氏濾池是將三種工藝設施綜合到一個過濾構筑物內運轉，使處理污染水達到最佳情況，這是哈伯瑞爾研究所得的關鍵所在。其優點已在概述中提出。在此濾池中，PAC吸附能力不會受到濾池內存在的絮體影響。然而也有一個問題是濾池中存在絮體會縮短過濾周期，這時PAC仍有吸附能力，在此情況下就應該讓PAC投入的量少一些。添加助濾劑可延長過濾周期。具有8h的過濾周期，對PAC吸附和雜物分離很實用。該池基本數據為，濾珠徑1.0-2.0mm，濾床深度1.0-1.5m，濾速6.8m/h。

　　3　哈氏濾池的應用

　　可根據不同用途采用。為了簡化起見，現按照濾池構造、濾料等類別，綜合分述如下。
　　3.1　濾池構造
　　一般都用園簡式濾池。濾池頂端的噴咀板應設計成保證能承受濾料的浮力和沖洗時有較小的水頭損失，噴咀板要有孔眼。反沖洗水要均勻分布，沖洗速度在70-100m/h之間。濾池高度至少為濾床深度的1.5倍。濾池進口空間要有足夠使絮體形成的水流停留時間，空間進口要設孔眼。絮凝劑借助靜力混合或水射器噴射使混合良好均勻。濾池下部做成錐形體，使沖洗時雜物容易除掉。由于濾珠有漂浮力，濾床下部不需設篩網。
　　3.2　濾料
　　聚苯乙烯濾珠比重為25-100g/l。濾珠的比重和等級決定濾珠漂浮程度。濾珠粒徑1-2mm、使用時堆比重40-50g/l。濾珠為一穩定、密封細纖維的構造，吸水作用極低。
　　用于填充PAC于上向流過濾的(1)+(3)pacefilt工藝的濾料粒徑在0.8-2.0mm之間，在(1)+(2)的Refifloc工藝中，當大量懸浮顆粒再循環流動時，粒徑為1.5-2.5mm之間，小顆粒濾料在濾料底層，所以底層作用范圍的顆粒組成，決定著過濾效果和需要的濾床深度。
　　3.3　運轉
　　濾池過濾效率根據濾池構造、過濾速度和重過濾比例而定。如果去除效率不夠好，就可以用重過濾方法改進。
　　絮凝程序如不是優選的，使重過濾比例在2-3之間，就可以幫助減少出水的濁度，還可以減少有機物質。重過濾比例上限為水流速度決定，超過此限度，就會發生剪力，破壞絮體，造成濾池穿透。
　　在一些情況下，使用適當的助凝劑可以很好的改善絮體分離能力，提高過濾水質且延長過濾時間。濾池濾程是依據許多參數如濾珠顆粒直徑、原水水質、混凝劑和絮體狀況而定，濾池過濾不要超過負荷，否則反沖洗比正常情況頻繁。
　　3.4　粉末活性炭
　　顆粒分布、比重和沉淀性質、濕潤度、吸附聚苯乙烯作用（表面性質）和吸附能力等這些PAC性質，對裝入PAC濾池特別重要。
　　粉末活性炭類型不同，深入濾床的深淺也不同，細小的PAC進入濾床深，最適于應用。PAC也有不適宜應用的，這是因為這些PAC吸附性能差或是直沖洗不掉的困難。
　　濾池濾期長短主要由炭的吸附性能決定，要緊的是用潔凈的水進行試驗，決定選用炭的特性和優選的過濾速度。這種試驗以小型的pacefilt設施，用較短的時間即運轉到幾小時，最多兩天，得到有機微污染物的穿透曲線。試驗得出PAC濾池的吸附能力、不同濾速的穿透狀態及除掉失效PAC的沖洗水強度等特性后，可將結果用于生產濾池。
　　3.5　調整
　　調整的意向是要向濾池裝入盡可能多的PAC數量，并為了補償那些失效的PAC，使裝入的PAC到濾池過濾達到極端水頭損失時，還能起到有效的吸附作用。由于大多數PAC在濾床底部最先部分吸附，故濾床深度選擇1.0m，足夠使用。
　　為了保證吸附能力達到最大利用的作用，裝入濾池的PAC在濾珠為1-2mm時，比重范圍在2.5-4.0g/l之間。足夠大的數量PAC對緩慢吸附腐殖酸最為重要。
　　在減少水頭損失上，應使過濾速度盡可能的低。對于完全裝入濾床的PAC，必然會明顯的增加沉降速度無論如何再加大過濾速度是不能增加濾床深處的PAC分布或濾池吸附能力的，但延長了調整時間。
　　第一階段或快速的最佳調整速度為30-35m/h，可有95-99%的PAC裝入濾床，隨后的慢速調整后，剩余的PAC也都裝入濾床。然后進入運行。
　　3.6　(1)+(2)Pacefilt工藝的特有情況
　　(1)+(2)工藝處理效率很大程度上是根據PAC附著的濾珠粒徑大小而定。特別是根據PAC吸附溶解有機物質緩慢的情況而定。為了得到PAC吸附能力的全部發揮，濾青少年應盡可能的小。最小粒徑取決于調整時期所引起的水頭損失而定。特別重要的是濾珠不應有過小尺寸(<0.8mm)，否則堵塞濾池的危險率極高。
　　濾池吸附床是由濾池中濾珠散布形成的，應盡量使PAC裝入直徑為0.8-1.8mm(de=1.37)的濾珠濾床內，可有60%的PAC都在濾床底部向上的第一個20cm濾支內，濾床頂部大顆粒濾珠層僅含有相當小的一部分PAC。
　　3.7　過濾速度
　　運行時期，過濾速度需要調整到對于除掉雜物的PAC吸附能力要有很好的利用，這就必須做水處理流程試驗，原因是吸附性物質和活性炭類型變化很大。試驗也用1.0m濾床進行。對快速和易于吸附的化合物，濾速能夠增加到限定的最大速度，到達此速度(20m/h)，PAC顆粒開始離開濾池。
　　決定最佳濾速，需要把裝入濾池的PAC的炭量，特別是對有著吸附作用的PAC影響考慮上。
　　濾池反沖應當盡可能完全沖走失效的PAC，約有5個濾床體積的沖洗水就能沖走吸附達飽和的PAC。沖洗水頭在80-100m之間，沖洗時間3-5min，膨脹率25-30%，調整時間60min。

　　4　哈伯瑞爾生產濾池和模型濾池

　　4.1　生產濾池
　　德國威斯巴登市使用哈伯瑞爾濾池，以處理人工回灌地下水。德國Aachen地區也用以處理水庫水，兩個地方運行的都很好?，F著重的將威斯巴登建設的水廠予以介紹。
　　威斯巴登地區水廠建于1979年，日產水規模36000m3，處理工藝為哈伯瑞爾濾池（(1)+(2)+(3)工藝），目的為除鐵、錳、氨及有機污染物。濾池數目6個，每個濾池直徑6m濾料為聚苯乙烯珠，濾珠粒徑1.0-2.0mm，濾床深度1.6-1.0m，濾速10m/h，重過濾比例最大1.6。沒有濾前處理設備。現仍在使用，效果很好。
　　該池使用就PAC作用來說，就比GAC有著以下優點。
　　(1)由于PAC的約兩倍吸附功能，PAC一聚苯乙烯珠濾池體積比GAC的可小一半。
　　(2)由于PAC失效排出，其儲量僅為GAC儲量的1/10，并且還不需要再生設備。
　　(3)PAC能夠快速和多次替換，GAC不可能做到。另外不同類型的PAC可混在一處使用。
　　(4)失效的PAC可不長期滯留在濾池內，經受脫吸作用，像GAC濾池有時發生的那樣。
　　(5)PAC根據意愿使用，GAC濾池在運行當中不打算用GAC時，不容易把GAC從濾池中拿掉不用。
　　4.2　模型濾池
　　世界各地為了使用這種多用途哈伯瑞爾濾池，有許多地方做了模型濾池試驗，以期得到建設新廠的主要技術參數。其中美國對此種濾池甚感興趣，他們在幾處從事了模型濾池試驗。以設在希里夫港(shreveport.La)地方的模型濾池為例。
　　該模型濾池于1985年建立，提取Cross湖水，湖水天然有機物含量很高，采取了(1)+(2)+(3)的哈伯瑞爾過濾工藝處理，并加煤砂雙層濾池過濾。哈池濾柱及雙層濾池濾柱都為10.2cm直徑，哈池濾柱內裝1.22m高、1-2mm粒徑的聚苯乙烯濾珠。（雙層濾池濾柱內裝高30cm、d10=0.55mm砂粒及高61cm、d10=1.0mm無煙煤粒，下鋪石子墊層。模型濾柱過水量0.22l/s，兩個濾柱濾速都為10m/h，哈池濾柱空柱接觸時間7.5min）。哈池使用藥劑為硫酸鋁，劑量45-54mg/l，還有聚合物助濾劑，分別投加于哈池濾柱前，沒有在雙層濾池濾柱前投加過助濾劑。進水流進哈池濾柱底部空間有3.8min的停留時間，向哈池投入的PAC為25g，計算為每L濾料內有2.5gPAC，PAC加到混合罐中成淤漿，被提升到哈池濾柱，以后再循環回到PAC罐中。在哈池濾柱試驗中，PAC淤集以50-70m/h速度流動約5min，再以10-20m/h速度流動約另一個5min，于PAC附著于濾料以后，哈池濾柱開始進水運轉。
　　哈池濾柱由高位水罐供給反沖洗水，水罐盛的是自來水，臨時接通送水至模型，沖洗沒有計量，但濾料膨脹率要25%，這種沖洗水強度至少有100m/h。雙層濾池濾柱也用自來水反沖，膨脹率50%。
　　試驗得出，哈池濾柱內裝有PAC，對濾柱中的水頭損失無甚影響。有個別裝有PAC的濾柱，水頭損失反小。哈池濾柱底部有約30%空間，絮體一直聚集到密度加大到上升流速勉強托起為止。結果是水流到達濾床前，就要通過相當多的接觸絮體，其作用如同上升式淤漿接觸澄清池一樣。雖然這種接觸絮凝作用能與雜物絮凝得好些，特別是阻止雜物進入濾床，并相應地阻止濾柱水頭損失的快速增長，但它不能抗擊濁度穿透濾床。
　　在試驗中還得出，水流通過哈池有穿透現象，但經過雙層濾池后，出水濁度不受影響。哈池濾床下面的絮體積累，顯示著哈池濾柱能有效處理高濁度水的重要機理。
　　試驗得出，由于哈池濾柱的混凝作用，將原水含有THMFP（三鹵甲烷形成潛能）252與277ug/l減少為127與166ug/l，減低50與60%。而用同一原水的城市自來水，采用傳統處理方式，經混凝沉淀處理后，水中的THMEP減少了64與17ug/l，減低了25與6.7%。城市自來水減低的值遠遠不如哈池濾柱處理所減低的值，說明用哈池混凝更有效果。模型濾池出水剩余鋁一般小于限定值0.05mg/l。在試驗過程中測定的THMEP，在濾柱中使用26-29mg/l劑量的PAC，可得到7-31ugTHMFP的減少量，相當于每gPAC有減少0.6-1.2ugTHMEP的效果。（模型試驗系統見圖）

 

　　5　結　語

　　5.1　多種用途的哈伯瑞爾濾池認為是目前國內外使用的濾池中技術較高超，處理含有微量元素及有機污染物等難處理的原水較澈底的一種濾池，有著種種特點，為其他類型的濾池所無可比擬。在設備上，哈池一般只需要一個園筒構筑物，必要時增加一個潔凈水的雙層濾池構筑物等。
　　世界上在歐洲、非洲特別是德國用得較廣泛，美國也正在積極的進行試驗，以便在生產上使用。我國國內工業發達的很快，城市人口越來越多，城市用水受化學物質及有機物等污染也越來越嚴重，不是一般水處理設備所能解決的，特種處理方法也相當麻煩，因此此種濾池應予以重視。
　　5.2哈池所使用的高技術設施，可說是在給水構筑物應用最多的一個。其有細小顆粒且粒徑一致的聚苯乙烯濾珠，有僅20um的PA，有過濾向上沖洗向下及在濾床下部空間絮凝的新型處理方法，有PAC附著濾料的吸附手段，還有循環接觸絮凝措施。這些都是很新穎的，也是在處理上有效率的。
　5.3　結合國內情況，如果這種濾池得以應用，在國內給水界應是一個重大的發展。但要采用問題還是很多的，如聚苯乙烯濾珠的制造，PAC的研究，哈池的設計和應用，由于哈池運行設施，國內還幾乎沒有，全靠自己制造、試驗，也是不簡單的。
　　5.4現在看來，哈池的采用應是處理污染水的方向之一，認為在深入了解后，確實能夠在給水發展上得到突破，應該下一些力量，使此種濾池在國內采用得以實現。

　　主要參考文獻
　　1　JAWWA　1991-9：“The Habererprocess;combining contact flocculation,filtration and PAC absorption”
　　2　JAWWA　1991-9：“Pilot testion the Haberer”