(從杭州祥符橋水廠濾池改造談起)
(焦點問題之一：濾床濾料組成選擇的理論與實踐)

張亞杰 　倪席平 丁云鶴

一、前言

　　建設部在2000年全國供水行此進步規劃中提出一類水司出水指標應＜1NTU而現有老工藝難以滿足。因此改造老工藝滿足新水質指標，勢在必行。
　　濾池的改造或新建，通常采取以下八種國內外比較流行的途徑：
　　第一種是在水廠原有過濾站站址上改造或新建均質均粒濾床采用氣、水反洗工藝的如法國的“Aquazor的V型”濾池并加建附屬的反洗鼓風機，反洗泵及空氣壓縮機設備及機房與自控系統設備。
　　第二種是在原有濾站基礎上，采用反粒度過濾的單層、雙層或多層混合濾料，應用表面沖洗系統，加強原有反洗機制.使用有機或無機的助濾劑與自動控制設備系統.并佐以模型濾池為向導，觀察、控制和調整過濾他的工作效能。
　　以上兩種技術改造途徑是當前歐美各國十分流行的方法，在一定程度上體現了現代過濾理淪的機制和設備。均需要大量的改造資金。
　　中昌公司結合當前國內水廠改造資金不足的現實條件，用少量資金完成老工藝的改造目標，按當前實際需求，針對普通快濾池和虹吸濾池工藝分別提出兩種改造方案采用均質均粒淺層中粗粒石英砂濾料床單水反洗或淺深層中粗粒石英砂濾床氣、水反洗系統。布水系統可采用濾頭濾極或ABS濾磚以及高密度聚乙烯濾磚：可因地制宜任擇其中一種，前者適合于一般普通快濾池、雙閥濾池等；后者適合了虹吸濾池等改造。均以立足國內，運用科學的過濾理論與實踐，具有現實意義。針對國內占絕大多數的城鎮己建水廠在其原有設備，凈水構筑物和管理條件下采取盡最少改動或不改動的方法步驟使原有濾池充分發揮其應有的過濾效能提高過濾水質，延長過濾周期、當沉淀水出水水質在5NTU濁度情況下，過濾水出水濁度可提高到≤0.5NTU，為國內過濾地改造創造了十分良好的條件。
　　杭州市自來水總公司祥橋凈水廠建于1989年，原設計規模為145萬m³/日。該凈水廠主要工藝：折板反應、平流沉淀、普通快濾池。原設計過濾池為中阻力陶瓷磚配水系統的普通快濾池。過濾池出水濁度≤3度，由于陶瓷磚先天不足，孔眼不勻、易破碎，尤其是長期經受正反兩面過濾和反沖負荷，隱性裂紋擴大，發生破裂，并導致過濾池漏砂、承托層紊亂、翻滾、堵塞，過濾及反洗功能失效、出水量驟減、水質變劣，嚴重影響了正常生產。1999年臺州中昌公司承擔了濾池的技術改造任務，需在不影響水廠高峰供水期前在工期極短的條件下，運用現代先進的過濾理論和經濟有效的技術改造途徑，在邊生產邊改造的情況下全部工程，并經過近二年運行實踐證明取得成功。這一改造途徑可為國內外現有各種普通快濾池、雙閥濾池、虹吸濾池的改造成為開拓了一條科學、經濟、安全、快捷的途徑、出水水質提高，超過了國家現行一類水司的水質標準，達到優質高產效的目的?？偢脑熨M用為136萬元，僅為新建普通濾池的20％。

二、技術改造的原則

　 對祥符橋水廠濾池改造的要求突出以下各點：
　　1、在濾池配水系統改造時，盡量做到少更動或不更動原則下進行，濾池結構與工藝均可維持不變，可以邊生產邊改造，達到施工簡便、迅速、節省工時，有效達到經濟效益為目的。
　　2、工藝方面采用小阻力配水系統，布水均勻，確保濾池進水池度5-6NTU下，濾后水濁度達到≤1NTU。
　　3、濾料采用淺層均質均粒級配、濾料組成石英砂粒徑0.6—1.1，厚度850mm。承托層粗砂粒徑2—4mm,厚度100mm，取消原承托層，增加清水區空間，提高反沖布水的均勻性。

三、濾池改造前后的有關主要技術參數比較

　　樣符橋水廠濾站，每一濾站含有8個矩形濾池，濾池中間設有一條共用的清水出水渠和一條排水渠道相連。雙層因此每二格濾池所組成的有效面積為7m×3.7m×2=51.8m²，8格濾池總面積達414.4m²。
　　現將各地改造前與改造后的有關參數分述于下：
　　1、濾床組成，過濾速率及反沖洗水強度情況
　　(a)濾床組成

　　?。╞)濾池有效面積與所采用的濾速

　　(c)反沖洗方式與反沖洗強度及歷時過程

　　*因受水塔容量限制，實際上達不到15L/m².s。

2、濾池底部配水系統
　　改造前的陶瓷濾磚系統，濾磚鋪設沿池7m方向為23排，沿3.7m方向為每排6塊組成，濾磚的開孔與總開孔比，參見下表：

3、濾層厚度及過濾性指標的參數
　　a、反映過濾性能的L/D指標與S/A指標

　　*從上述二項指標比較改造后濾池濾床的過濾性及截污能力有顯著的提高。

四、改造前與改造后的效果比較

五、改造工作幾點體會與收獲

1、濾料級配組成的改革
　　濾料濾料層級配組成是過濾池的靈魂。過濾工藝的實施沒有一種現存可取的濾料顆粒組成以資應用。濾池顆粒級配的設計一直被忽視，較長時期以來國內外凈水工藝曾一直沿用經典的理論和實際方式即采取細粒度，高墊層、低濾速、低反洗強度來規范對濾料的選擇和開拓應用的思想。
　　近30-40年來，隨著科學技術的發展，給水過濾理論已有了長足的進步，從水中膠體顆粒雙電層壓縮、脫穩到吸附沉淀微絮過濾，上向流反粒度過濾工藝理論與方式取得了質的飛躍。現代快速過濾的科學概念已經不是依靠砂層表面，而是將凝聚的微小絮團輸入濾層內部深處藉深部表面與微絮 團的凝集，吸附的絮團與后續絮團的相互粘附而進行除濁。過濾的截留機制包含懸濁液向濾料表面的 輸送和吸附兩個階段。小顆粒(＜10μm)能被砂層間隙100μm級所截留，其機制已不同于過去以小截大的機制。這些微絮圖在曲折間隙水中移動到濾料表面而進行吸附。懸濁物接觸濾料表面依靠電位中和與架橋兩個條件促成吸附而從水中脫離。因此快濾池的除濁類似無數微型絮凝沉淀池進行脫穩、沉淀的固液分離器相同。應用這些現代過濾濾床采用了粗粒度、厚濾層、高濾速、高反洗強度取代了 老的概念和方式。
　　但究竟哪種濾床能截留多少絮凝圈粒子呢?如進水水質與絮凝條件相同，則取決于所采用的濾床顆粒料的粒徑，濾層深度、過濾速度和水溫等因素。
　　《改善過濾池的效能》*較全面地總結了當代國內外，凈水過濾工藝存在的主要問題，其中核心問題之一就在于要打破過去盲目選用濾料級配過細的偏見，而實現均質均?；蚧旌蠟V料反粒度過濾 的濾床以及濾料輔以氣水反洗或表面沖洗以及應用助濾劑改變進水水體中懸濁物的性狀的可行性。對于新建濾池固然是可行的，但對于在大批己建成水廠過濾地從事徹底的改建從環境場地投資經費作比較，是否可取尚須慎重從事。
　　但應當指出適合國內己建濾池構筑物現實存在的改造問題，可采用較薄層均質均粒中等粗粒度的濾料級配單水反洗既符合現代過濾理論的精粹所在，能大大提高過濾性而又能結合己建濾池的土建與 工藝結構現狀，采用濾板濾頭或高密度聚乙烯濾磚等方案達到布水均勻以及選擇正確的反洗措施可大 大節省改建投資費用，同時水量及水質又可大大提高。
2、濾池的改造既要考慮到過濾性能好，又要達到經濟簡便的目的。
　　應用細顆粒料一殷比表面較粗顆粒為大，而單位體積中的空間(孔隙率)為卻相對變小，這便不能提供更高的活性污泥容蓄量，反之粗顆粒濾層總的比表面雖較小，但能提供更大的污泥容蓄量空間， 因此如使用粗粒料時，其濾層厚度必須加高，一直到滿足像細顆粒相仿的過濾比表面為度。這便需要增加很高的濾層，這對于新建濾池來說.應用很深或很高的濾池在基建投資上無疑將大大增高。如對于老池改造來說除了虹吸濾池具有較高的池身外，一殷普通快濾池來講(3m±)就比較困難了。
　　所以改造工作既希望濾床有較好的過濾性能又使用濾料比表面大具有較高的污泥容蓄空間。采用中粕粒中等深度濾層的顆粒級配可以比粗顆粒厚濾層所取得相同的高過濾性能，而改造工程則大大的簡化了。例如：它免去了鼓風機及壓縮空氣機的設施與機房；氣反沖所需的輸氣管道，控制閥門系統，又免去了控制所需PLC系統和設施。改造中只需采用電動控制的各種葉閥，如原有水塔或水泵反洗水量，水壓均能符合要求時，對反洗機泵與管系都可保持原有設施而加以利用，改造工作只局限在濾池內，如設置隔墻，承載梁使之維持一定的高度與隔墻間距，在其上安置濾板濾頭或高密度聚乙烯濾磚后便能達到均勻配水的目的。而濾池本身的高度按普通濾池而言一般在3m左右，改造后的高度一般仍可維持原高。祥符橋水廠的濾池改造前后的高度情況如下圖所示，實際砂面高度原池比較僅高出15cm。
3、采用深層超粒濾床還是采用薄層細粒濾床
　　這是歐洲與美國水處理界較長時期爭論的焦點之一。以法國為代表認為應用氣、水反洗微膨脹或 不膨脹深層粗粒料均質均粒石英砂(Φ0.95-1.35粒徑，床深1200mm或Φ0.9—1.2粒徑，床深1100mm) 濾床可獲得高度優質的過濾水，而以美國等為代表采用的濾床為單層石英砂Φ0.5—1.2mm，厚度為600—700mm；并認為法國濾床雖采用氣、水反洗，曾發現底部仍存在污泥淤積現象，過濾效果并不理想，還據理闡明應用薄層細顆粒濾料的除濁效果卻比深層粗濾料為佳。原因有三：一是濾頭分布不均 或開孔比過大；二是濾床很深不膨脹或微膨脹而反洗水度及時間不夠富裕；三是進水如屬真懸浮液的 除濁能力同平均粒徑的次冪成反比導致過濾性能下降，此時采用細顆粒比粗顆粒的過濾性為佳。
　　實際上深床過濾的確存在值得注意改進的兩項較重要問題才能使深度粗粒料發揮出蓄污能力高和 濁度不易穿透濾床的危險：用氣沖洗再生，可剝離粒料上所粘附的膠體或污泥.但同時也須用相當強 度和時間的水反洗，迫使已剝離的污泥得從濾床深處向上通過濾層而排出，這是濾床再生的必要條件。否則縱使污泥或膠體物質已經剝離如仍不能排出濾床，豈非前功盡棄，而又滯留在池內加重了負擔，形成惡化循環這是微膨脹或不膨脹濾層的弱點。因此反沖洗是否均勻還牽涉到濾頭在濾板上的數量與分布均勻性，反洗強度與反洗的時間。
　　美國的做法一直強調使濾料層處于流化狀態，水反洗強度一定要大于最小流化速度，如果采用較粗的顆粒則所需強度更須達到1.3Vmf。至此頂部過細的顆粒就有流失的可能，因此為減低底部反洗所付予的分外能量，表面沖洗裝置就運用而生。但表面沖洗裝置系統所需安設的管系與增壓泵，卻進 一步給濾池表面帶來復雜化，在國內實用上受歡迎的不多。
　　反之法國的做法則過于強調氣、水反沖的重要性.濾料層微膨脹或不膨脹或者反沖不均勻給剝離的污泥膠體帶來層層阻礙，不易徹底排清，就會造成活泥淤積的主要弊端。
　　我們所采用的淺層中粗粒均粒濾料層一方面可取得較好的過濾性能，而在反洗問題上也同時達到一定的強度和膨脹度則對污泥的脫落和排除也達到了較好水平。
　　因此針對國內過去己建普通濾池，我們應用均質均粒薄層或淺深層的中粗粒均粒濾料作為重力式過濾工藝的改進，反沖洗采用單水反洗或氣、水反洗系統，從根本上提高過濾效能與出水水質，又能達到耗費投資少的優點。
　　具體來說通過杭州水司改造實踐證明，客觀上可以選擇兩種濾床的組成：
　?。?）應用淺層中粗粒均粒石英砂濾料Φ0.6-1.10，層厚在850-900mm，以單水反洗濾床進行改造。
　?。?）應用較薄深層中粗粒石英砂濾Φ0.85-1.10，層厚在1000-1100mm，以氣、水反洗濾床進行改造，兩者均較適合我國水廠改造。
　　對于國內已建濾為普通快濾池、雙閥濾池、無閥濾池，采用第（1）種方式對于適用于一般池身高度，對較高的虹吸濾池則可采用第（2）種方式。這樣都能達到制因地制宜改造簡易方便，提高過濾水量水質而又能降低投資的造價的多種目的。
4、比較各類濾池濾料組成考核其過濾性及比表面吸附能力大小。
　　A、分析比較三類濾料組成考察各類的過濾性（L/dm）：
　?。á瘢╊悾簹W洲類型Aquazor-V型濾池均質均粒石英砂濾率石英砂濾床；
　?。á颍╊悾好绹愋图唇浨胀V池，祥符橋水廠濾池亦屬此類，濾料為單層石英砂濾床。
　?。á螅╊悾褐胁蜏\層中粗粒均質均粒石英砂濾床。
　　三類濾料組成分析比較詳見下表：

　　由表可知以L/dm代表過濾性之值或去除率的對數值Ri指出

　　R_ⅠAB＞R_Ⅱab≤R_{ⅢAB
　　Ri=ln(c/coi)=λ(L/dm)i=λ(fanθi)}

　　同時Pi=1/Ri表示濾料的通透性

　　Pi=f(dm/L)
　　P_Ⅰ＜P_Ⅱ≤P_Ⅲ

　　B、三類濾料濾床的比表面比較
　　由S／A代表單位面積的顆粒料的比表面，其表式為

　　S／A＝6（1-ε0）/φ×(L/dm)

　　其中ε0為顆粒度的空隙宰，φ為顆粒園粒度；L為濾床厚度，dm為濾料的幾何中均粒度，由此應用于粗、細、中三類濾料則

　　[S/A]粗/[S/A]細=φ細/φ細=（1-ε0）粗/（1-ε01）細×L粗/L細×d粗/d粗

　　現就粗、細、中三類濾床作比較均同細粒度(即經典過濾)為基準其結果，己列于表中第9、10列。由此可見采用中昌型淺層中超粒濾層或淺深層中粗粒濾層的過濾性及單位面積的比表面吸附能力 均占相當優越性和合理性。
　　各類砂床組成的比較其基礎是相同進水水質，過濾速率，水溫及相同球體形砂粒條件進行的，并以其沿濾床深度(Li)，單位平均粒度為寬度的砂粒柱狀體中所取得的空隙比，過濾率與通透性， 而加以比較的，根據各類砂床的球粒體積Vi＝π／6(dwi)³；球體砂粒的表面積Si＝π(dwi)²；假定 Li/dwi=（N）—為“平均粒度”球體的數量，于是可得到以下表所示的結果。

　　表列結果同圖中所示表列數基本相同。
5、應用淺層中超粒及淺深層中超粒均粒濾料濾池的投資經濟性較突出。
　　(一)普通快濾他的土建和設備(指包括閥門、管配件等)的基建費用按15萬m³／日供水量的水廠包括安裝(國產設備)其總費用為人民幣600—700萬元，合每1m³/日供水能力所需投資為40—47元，而局部改造如祥符橋水廠濾地總費用僅為136萬元，僅占新建費用的20.9%（含9.1元／m³)。
　　如采用仿Aquazor V型濾池在相同供水量規模以40萬m³／日濾站的基建同上海浦東某著名自動化控制現代化水廠投資總額分析比較如下；
　　1)濾站：a.主體土建及國產設施設備及安裝費用為￥195.5萬元
　　b、附屬建筑鼓風機房(兼空壓機房水泵房)的土建及安裝費用為￥209萬元
　　2)濾池設備；a國產設備及安裝費用￥6.5萬元
　　b.進口設備及安裝費用(鼓風機、空壓機、水泵等)￥1825萬元
　　3)PLC系統為全廠子站之一約為￥97萬元
　　合計40萬m³／日濾站的投資總額為￥2，333萬元
　　其中引進設備即第2)b占總額為￥l.825萬元
　　合占 78.23%
　　合每1m3／日能力所需投資為￥58.33元。
　　(二)上述40萬m³／日現代化水廠中如以國產設備代替進口設備。
　　則總投資費用大為減低，這樣所需投資合每1m3／日能力費用為20元／m³，約800～1000萬元。則改造費用與之比較則僅9.1元／m³合占15％。
　　由此得到幾點啟示：
　　1、為全部應用國產設備，如土建及安裝，所需投資費用只需1000～1200萬元，含每1m³／日能力 投資費為30元。
　　2、對15萬m³／日水廠而言濾站基建投資以50～60元／m³計采用國產設備及單水反洗所需投資 費為750～900萬元。
　　3、對15萬m³／日老水廠濾池改造免去了鼓風機、空壓機以及仍利用水塔反洗免去水泵房土建與設備安裝，根據杭州自來水祥符橋水廠濾池改造經驗只需136萬元僅為總投資18～20%。
　　4、對改造老池的具體項目主要為改變原細顆粒、薄層濾料為淺層中粗粒濾料：濾板濾頭布水系統，因而所需工期大為縮短和簡化，改造期內可實行邊生產邊改造不影響水廠供應，達到多、快、 好、省的目的。

六、結論

　　1、應用中昌所創選的淺層中粗粒均質均粒石英砂單水反洗濾床或淺深層中粗粒均質均粒石英砂氣、水反洗濾床，從理論上和實際生產運轉上可獲得比—般經典普通快濾池濾料濾床及歐洲類 型的V型氣、水反洗濾池濾床具有更好的過濾性和出水水質。
　　2、應用中昌公司所創造的濾床還同時有其它的優點：可以對一般普通快濾池進行最簡易的改造。它不需要將原有濾池——包括普通濾池、雙閥濾池，以及虹吸濾池等，予以廢棄或敲掉，改造工程只要在單個濾池內進行底部進行濾板濾頭承托梁與隔墻小阻力單水或氣水反洗或氣水的反洗濾床的改造仍能達到充分利用普通濾池等原有土建與設備，完全免除了新建機房，管閥系統及PLC控制系統，達到經濟有效的目的。而且可以邊生產邊改造的情況下逐只逐組地進行達到生產與改造兩不誤的優點。杭州祥符橋水廠兩組濾池的改造在16只池在對外不斷生產供水的情況下通過科學安排，僅用了160多天時間完成了即濾池的改造工作，改造費用僅為新建普通濾池的15-20%，為新建氣、水反V型濾池的6％費用。
　　3、濾池經改造后經過190多天的運行測定在進水濁度5Ntu以下時出水濁度平均為0.37Ntu，平均濁度去除率為89.6%／(85.4～92.3％)改造前為77%；濾速平均為10～12m／時，出水量從11萬m³／日提高到15.5萬m³／日，出水量提高了40.9％或對原設計規模提高了7％。

主要參考資料：

　　1、J.Cleasby“Granular Bed and Precoat Filtration”from 《Water Quality and Treatment》 AWWA, 1999.
　　2、Kawamura:《Filtration》 from water supply Engineering Handbook Montgomery Co, 1989
　　3、杭州市自來水二公司《一廠濾池改造及運行情況》

　　 張亞杰　 教授級高工 中昌公司顧問總工程師
　　 倪席平 　 申昌公司總經理
　　 丁云鶴 　 高級工程師 中昌公司總工程師