何華 李桂平  朱文芳
北京市自來水公司

　　一  前言

　　北京市自來水公司第九水廠是北京最大和主要的地面水廠，產水量約150萬M³/日。其水源主要是京郊密云水庫，水質良好，屬低濁低色低溫水庫水。
　　采用常規水處理工藝處理這種低濁水，即使在加大投藥量情況下，也很難處理。在處理過程中往往表現出：混凝反應非常緩慢，形成礬花基因型小、輕松、不易下沉，使反應沉淀效果較差。另一方面，在混凝過程中投加粘顆粒，盡管改善了反應沉淀效果，但使污泥量增加，增大了后續工藝的負荷。根據混凝沉淀理論，水中懸浮物和膠體雜質是水處理的主要對象，在混凝沉淀過程中，顆粒大的懸浮物一般容易沉淀，而顆粒細小的懸浮物和膠體雜質動在水中長期處于分散懸浮狀態，具有“膠體穩定性”。
　　隨著混凝、過濾理論及其工藝技術的研究發展，近年來微絮凝——深床直接過濾工藝技術在國外得到了迅速發展。微絮凝深床直接過濾是將混凝和過濾兩個操作單元有機綜合為一體的新型工藝技術，省略了絮凝沉淀、澄清過程。在該工藝過程中，微絮凝體可以穿過濾料層表面，進入濾層中間，在濾層中，水中微絮凝絮體供暖助長流在大的均質濾料間隙中產生的微渦旋以及絮體與濾料間的碰撞粘附作用而在濾層中逐漸增長并在被截留在濾床中，使較深層的濾料也能吸附、截留到微絮體。因此比一般過濾法增大了含污層的厚度，即增加了濾池的截污能力、提高了了處理效果。

　　二  試驗裝置的流程

　　微絮凝深床過濾試驗裝置及流程見圖1。深床過濾試驗系統的進水直接與水廠管路相連，絮凝劑通過電子計量泵精確投加，經機械混合池后直接進入濾柱。深床濾柱高500cm，內徑20cm，承托層20cm。采用無煙煤濾料，有效粒徑3.5mm、2.7mm,濾層高度為1～2.5m。濾層底部鋪墊粒徑8～16mm的卵石承托層。濾前混凝反應時間設定為1～2min。最大處理流量為1m3/hr，最大濾速為32m/hr。濁度采用在線濁度儀（HACH1720）實時檢測。水頭穿透標準為220cm，水質空透標準為濁度＜0.5NTU。水中顆粒分布狀況由COULTER MULTISIZER Ⅱ測定。

　　三  試驗結果及討論

　　1、濾料粒度對過濾性能有影響
　　試驗采用床深2.5m，有效粒徑分別為3.5mm、2.7mm，濾料試驗周期終止時，濾層內不同深度處水頭損失值及所占水頭損失百分比如表1。

　　從結果中可見，同種濾料濾層孔隙尺度以及孔隙率的大小隨濾料粒度的加大而增大。即濾料粒度越粗，可容納懸浮物的空間越大。其表現為過濾能力增強，納污能力增加，截污量增大。同時，濾層孔隙越大，水中懸浮物越能被更深地輸送至下一層，在有足夠保護深度的條件下，懸浮物可以更多的被截留，使中下層濾層更好的發揮截留作用，濾池截污量增加。其結果過水水流陰減弱，水頭損失增量將得以延緩，達到物定終止水頭損失的過濾周期得以延長，產水量得以增加。
　　日本學者藤田賢二通過研究導出的公式清晰地表明了粒度、空隙度和水頭損失之間的關系：

　　H=K·(LVμ/ρgψ²d² )·(（1-ε）^2/ε3)　　　　　　(1)

　　 式中：H——過濾水頭損失；
　　　　　 K——系數；
　　　　　 V——濾速；
　　　　　 g——重力加速度；
　　　　　 d——濾料粒徑；
　　　　　 μ——水動力粒度；
　　　　　 L——濾料層厚度；
　　　　　 ρ——水密度；
　　　　　 ψ——濾料球形度；
　　　　　 ε——小層空隙度。
　　雖然式（1）主要是定性地表示濾料物性與初始水頭的關系，但已清楚地描述了濾料粒徑大小、空隙度大小對濾料過程的影響。
　　然而隨著濾料粒徑的加大，雖然能更多地發揮下層濾料的截留作用，但同時也對空透深度帶來影響，即在其他條件等同時，粒徑越粗，空透深度也越大。
　　斯坦雷（Stanley）則用式（2）表述濾粒粒徑與空透深度的關系：

　　K= hd^2.46u^1.56／l　　　　　　　　　　　　(2)

　　式中：K——常數；
　　　　　d——有效粒徑；
　　　　　u——濾速；
　　　　　h——水頭損失；
　　　　　l——穿透深度。

　　式（2）表明，穿透深度與濾料粒徑2.4次方成正比。
　　2.L/d值對過濾性能的影響
　　選用優良的顆粒級配與適宜的濾層厚度是保證過濾效果的關鍵。從技術角度講，L/d值越大越好。而綜合經濟因素，工程中應以最小的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。
　　試驗中采用有效粒徑為2.7mm的無煙煤濾料，在2.5m和2m床深條件下，測定濾速在16m/hr和24/hr下的運行情況結果見表2，過 濾性能根據過濾性能評指指標JP值進行綜合分析，JP值由公式（3）確定：

　　 JP=H_tLC_e ／(V²T²（C_o-C_e))

　　其中：V——濾速（m/hr），濾速大，則濾池面積減少，節省占地，因而過濾性能好；
　　　　　T——過濾時間（hr），連續過濾時間長，則周期產水量大，反沖洗次數少，節約自用水量，過濾性能優良；
　　　　　C_e——出水濁度（NTU），出水濁度小，水質優良，過濾性能好；
　　　　　C_o——進水濁度（NTU），進水濁度大，說明濾池能接受的負荷高，過濾性能好；
　　　　　H_t——過濾終期的水頭損失（m），過濾終期的水頭損失小，則能量消耗低，過濾性能好；
　　　　　L ——濾層厚度（m），所需要的濾層厚度薄，則濾池高程小，投資成本小，過濾性能好；
　　　　　JP——為無量綱純數，此指標越小，過濾性能好；

　　從表2中可以看出，兩種床深情況下過濾均能達到較好的出水水質（＜0.5NTU）。床深2.5m時，16m/hr濾速的運行周期可達90小時以上，24m/hr濾速的運行周期為50～60小時。但此時水頭周期明顯短于水質周期，因此可以考慮降低床深至2米。采用2米床深的運行結果表明：其過濾效果能滿足要求，水頭周期與水質周期較為接近，說明充分發揮了濾床的過濾能力。另外，從過濾性能評價指標JP值可知，2m床深的運行效果與2.5m床深相近，此時濾床參數L/D=741，略小于經驗值800-1000，但對于低濁水這種床深是安全的。
　　3、均質濾層反沖洗
　　均質濾料對反沖洗有利的一點是不會發生沖洗強度較高時將小粒徑濾料沖出濾池，造成濾料損失。也不會發生為避免小粒徑濾料流失而減小沖洗強度導致粗粒徑濾料不能完全流態化。然而均質大粒徑濾料雖有利于截留懸浮物，濾層中污染物分布較均，但同時也帶來了反沖洗的難度。在濾床深度較大時，反沖洗問題尤為突出。在此，我們采用氣水聯合反沖洗方式，分為三步驟：單氣沖洗、氣水混合沖洗、單水漂洗。
　　在濾池充水并在濾床層面上保持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摩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，氣水聯合反沖是能否使濾層潔凈的關鍵。單獨氣沖脫落的污泥在此階段因氣沖保持濾層流態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，同時進一步沖洗濾層中剩余的脫落的污泥，使濾層達到較徹底的凈化。最后的水沖應遵循兩條原則，一是不使均質濾層狀態受到破壞，二是按沖洗要求能夠使濾層中剩余的脫落污泥有效地去除。
　　根據經驗，在實驗中固定氣沖時間為23min，氣水聯合沖洗時間為2min，改變氣沖強度與水沖強度，并記錄自氣水聯合沖洗開始后，各不同時間段的反沖洗出水濁方式。結果見表3。

　　由于氣反沖的作用是把濾料表面的一次污染物剝脫液化于水中，故氣沖強度越大，沖洗時間越長，則濾料表面含泥量越小。水沖洗的作用是排隊縫隙中的二次污泥和因氣沖而脫落下來的一次污泥。只有以上兩個參數均滿足要求，方可完成氣水反沖洗。
　　從實驗結果可以看出：實驗1，氣沖洗流速較大，水沖洗流速較小，這時濾料表面的含泥量很快達到要求，但濾池反沖洗濁度達到規定的時間較長，當反沖完成時，氣體的作用未充分發揮，浪費一部分氣體能量。相反，實驗5，水沖洗流速較大，氣沖洗流速較小，則濾層含泥量達到規定所需的時間較長，而濾池的排水濁度很快達到控制要求，這時，反沖洗水的輸泥能力未充分發揮。
　　4、投藥量對水中顆粒物粒徑分布的影響
　　圖2是在相同水力條件下，不同投藥量（0.3,0.4,0.5,0.6,0.8mg/LAI₂O₃)對應的各粒度體積百分含量積分圖。由圖可知，隨著投藥量的增加，水中大顆粒比例逐漸增加，小顆粒比例降低。但當投藥量超過0.5mg/l時（實際運行試驗表明該投藥量為該條件下的最佳投藥量），小顆粒（＜2um）的比例也有所增加，這可從混凝原理中投藥過量引起的再穩現象加以解釋，出現這種情況，會導致水中顆粒難以去除，這也與實際運行結果吻合，實際結果見表4，即投藥量超過最佳投藥量反而會引起出水水質變壞。同時投藥量超過最佳投藥量時，水中顆粒總何種也由減少超勢轉為增大趨勢，這必然導致泥量增加而加重后續工藝中濾床負荷。實際運行試驗表明，當投藥量偏大時，不僅會使水頭增長過快，還會加快水質穿透時間。

　　同時，從不同原水濁度對應的最佳投藥量情況（表5）分析可見，原水濁度變化對應不同的投藥量數值大小，會直接影響到水質達標所需時間（即初濾水）、水頭濾程、水質濾程。

　　綜上所述，微絮凝——深床過濾工藝對加藥量的選擇非常嚴格，最佳投藥量應在保證水中顆?？傮w積最小情況下，適當增大大顆粒所占比例，減少小顆粒比例，這樣才能水頭周期和水質周期均達到最佳。當然，過大的絮體顆粒會使絮體截流在濾床上層，從而不能充分發揮深床的作用。
　　5、不同絮凝劑對顆粒物粒度分布的影響
　　圖3是相同投藥量和相同水力參數條件下，不同絮凝劑經混合后的粒度分布百分比積分圖。采用的六種絮凝劑分別為：
  　　1#PAC（青島AI²O³=15.7%，B=46.3）
  　　2#PAC（北京AI²O³=9.8%，=86.5)
  　　3#硫酸鋁（固體AI²O³ =10.6%)
  　　4#FeCl₃,(Fe³⁺=2.18mol/L)
  　　5#PFC(Fe³⁺=2.18mol/L  B=0.31)
  6#PFC(Fe³⁺=2.5mol/L  B=0.67)

　　由圖3可知，六種絮凝劑的加入均有一定程度的絮凝作用，在水中產生微絮體，使水中顆粒物中大顆粒所占比例增加，而小顆粒比例減少。但相互之間作用效果不同：其中3#硫酸鋁，其使源水小顆粒減少的程度最小，這正是因為硫酸鋁脫穩能力差，產生絮體緩慢等特性所決定的。5#和6#兩種PFC作用效果較為一致，兩者減少小顆粒比例，增大顆粒比便的效果最為明顯，這是因為PFC脫穩迅速，形成絮體也較快等特性造成的。PAC和F_eCl₃效果介于硫酸鋁和PFC。直接過濾對于水中顆粒徑分布和形成的絮體表面特性都比較敏感，結合實際運行結果分析，可以認為：采用脫穩能力強，形成絮體迅速，絮體小而密實的絮凝劑最適合直接過濾。

　　四 結論

　　微絮凝深床直接過濾工藝是一種處理低濁度水極佳的工藝，它省去了傳統工藝中的反應池、沉淀池，節省了投資費用；另外，它降低了藥耗，節省了藥劑費用；同時，延長過濾周期，減少沖洗次數，增加周期產水率。但是，這種工藝對藥劑、藥量的變化極敏感，操作方面需嚴格管理。

  參考文獻

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