劉錚詩
中國市政工程東北設計研究院

前言

　　給水工程中，濾池的優化設計是以濾池運行處于最佳工作條件為原則。為此可調整各種工藝參數，使濾池的壓力周期等于它的水質周期。以調整濾層厚度為例，增加濾層厚度會提高整個濾層的含污能力，延長水質周期。但濾層水頭損大也相應增大，從而縮短了壓力周期。如果通過試驗做出水質周期和壓力周期與濾層厚度的關系曲線(見圖1)。則兩條曲線相交點便是濾池最佳工作條件，對應的濾層厚度就是最佳濾層厚度。實踐中，為安全起見，常增加一定的安全厚度，避免出現水質周期小于壓力周期的現象(見圖1)。

　　然而，由于濾池構造所限，濾層厚度增加也是有限的。實際情況要復雜得多，許多因素都影響著濾池的工作條件。所以，增加濾層厚是否能保證整個濾層含污能力被充分利用，還要做全方位的分析。

一、石英砂單層濾料除鐵濾柱[Fe]軸向分布

　　我院曾采用石英砂單層濾料做除鐵試驗，濾柱采用D＝100mm透明有機玻璃管，石砂濾料d＝0.6～1.2mm，濾層厚度1000～1500mm不等，濾速8m/h，反沖洗強度12～14L／s.m2，原水含鐵量10～12mg／L。濾后水含鐵量＜0.3mg／L。測定濾柱鐵離子濃度沿軸向分布并繪制曲線如圖2所示。由圖2可見，鐵高于主要是在上層約300mm范圍內被去除的，相應工作周期只有8小時。

　　可見，大部分濾層含污能力未被充分利用。實驗中觀察：每次反沖洗結束，回落到濾層最上部的是細小的顆粒和破碎的鐵質氧化物，厚度約80～150mm，其比表面積大、孔隙率小、附著物鏡檢微生物十分活躍，具有極強的吸附氧化能力，致使大部分鐵質在此層被去除。但濾層也因此很快被堵塞，很快到達期終水頭損失值，迫使周期結束，不得不進行反沖洗。
　　據調查，在利用石英砂單層濾料進行地面水除濁也有類似情況。可見。在濾層厚度確定以后如何使整個濾層含污能力充分發揮作用至關重要。無煙煤一石英砂雙層濾料濾池因其顯而易見的優點——含污能力強，而廣泛地應用于給水處理工藝。現今，甚至研制三層濾料濾池，以期更大程度地利用整個濾層的含污能力。這是石英砂單層濾料所無法比擬的。
　　但是，有一利必有一弊，雙層濾料、三層濾料濾池也有其不足之處：
　　1、濾層構造復雜
　　2、對各層濾料篩分要求精確，操作麻煩，如級配不當，投產后常有煤砂混雜現象發生。
　　3、施工中，對墊層、各層濾料裝填要求嚴格，操作也麻煩。使用中，濾層一旦翻混或定期更換濾料更是令人頭疼。
　　4、運行中要求更高的管理水平。如管理不當，反沖洗強度控制不好，會產生無煙煤嚴重流失現象。要經常補充新的濾料。
　　為此，人們又進行了新的探索和大膽的實踐，以期尋求一種新的濾料，它既具有單層石英砂濾料和煤一砂雙層濾料的優點，又避免了它們的不足，無煙煤單層濾料就是其中的姣姣者。

二、無煙煤單層濾料用于地下水除錳的實驗研究

　　我院曾在吉林省九臺市采用各種濾料進行地下水除鐵除錳實驗研究，以便為修訂編制《城市給水設計規范》有關章書提供科學依據。
　　1、原水(深井)水質
　　[Mn²⁺]＝9.3mg／L 　［Fe總］=14mg／L　　 PH=6.5
　　2、處理工藝流程

　　3、工藝參數
　　曝氣設備采用表面曝氣池，平板葉輪。
　　除鐵濾柱共5個，分別裝填濾料：馬山錳砂(2個)、石英砂、錦西錳砂和無煙煤—石英砂雙層濾料。濾層厚度1000mm。
　　除錳濾柱共8個，分別裝填濾料：馬山錳砂、樂平錳砂、湘潭錳砂、錦西錳砂、無煙煤(6＃濾柱)石英砂和石灰石等。濾層厚度1500mm左右。濾料粒徑，無煙煤d=1.5～2.0mm，其余d＝0.6～1.4mm。濾速7.5m／h，反沖洗強度：無煙煤、石英砂、石灰
石為12～14L／s·m2，錳砂為16～18L／s.m2。
　　4、實驗結果
　　a、曝氣效果良好，曝氣后溶解氧飽和度達60～70％，CO2散除率達76～87％，H2S散除率達76～79％，PH由6.4～6.6提高到7.4—7.6。
　　b、一級過濾除鐵效果良好，出水總鐵一直穩定在0.1mg／L以下。工作周期一般為24小時，但無煙煤——石英砂雙層濾料柱工作周期長達48小時，較其他濾料工作周期延長了一倍。
　　C、二級過濾，各種濾料均需經歷一個成熟期，成熟期長短隨濾料不同而各異。樂平錳砂36天，馬山錳砂51天，無煙煤為71大，石英砂和錦西錳砂為96天，成熟后的各種濾料均能穩定地將［Mn2+］降0.1mg／L以下。這表明，在實驗水質條件下，各種濾料在成熟后均起著錳質活性濾膜載體的作用。實驗中觀察到，無煙煤的工作周期長達6～8天，而其他濾料的工作周期只有4—6天。而且無煙煤的工作周期還可延長(水頭損失增長較慢)，實驗中怕濾層板結，影響實驗，故人為地提前結束過濾周期。
　　九臺市實驗結果表明，無煙煤單層濾料作為除錳濾料具有以下優點：
　　a、成熟期較短，成熟后除錳效果良好。
　　b、粒徑大d=1.5—2.0mm，孔隙率大，含污能力強。
　　c、工作周期長達6—8天，表明整個濾層含污能力得到充分利用。
　　d、無煙煤密度較小，需較小的反沖洗強度，節約反沖洗水量。
　　E、易于篩分、易于裝填、易于管理。

三、無煙煤單層濾料用于地下水除鐵的生產實踐

　　我院曾為佳木斯市自來水公司設計了一座地下水除鐵除錳水廠(西郊水廠)。
　　1、原水水質
　　　　　　[Mn²⁺]0.4—1.0mg／L ［Fel＜10mg／L PH6.7
　　2、處理能力8萬m³／d
　　3、處理工藝流程

　　4、生產性實驗
　　為了選擇濾料，84年佳木斯自來水公司在該市四水廠進行了以無煙煤為濾料的除鐵實驗。濾池面積12.5m2，無煙煤濾料d=0.6～2.0mm，濾層厚度為1000mm，濾速7～10m/h，工作周期人為地控制在48小時。實驗運行一個月，濾后水［Fe］一直穩定在0.3mg／L以下，效果良好。實驗結果如表1所示。

佳木斯自來水公司實驗結果 平均濾速(m/h) 原水[Fe](mg/L) 濾后水[Fe](mg/L) 反沖強度(L/sm²) 工作周期(h) 11 12-14 0.3 12 36 10 12-14 0.2 12 40 9 12-14 ＜0.2 12 48 8 12-14 ＜0.1 12 ＞50 7 12-14 0.05 12 ＞50

　　實驗期間，還與同期安裝的成熟錳砂濾料濾池進行了各種濾速的穩定工作時間的對比測試，結果如圖3所示。由圖3可見，在相同濾速條件下，無煙煤濾料的穩定工作時間長于錳砂，如濾速為10m／h時，無煙煤濾料的穩定工作時間為30小時，而錳砂只有20小時。

　　5、生產實踐
　　四水廠的實驗為新建西郊水廠除鐵濾料選擇提供了可靠依據，西郊水廠除鐵雙閥虹吸濾池共12格，雙排布置，每排6格，單池面積為50m²。濾料決定采用無煙煤單層濾料。粒徑d=0.8～1.8，K₈₀≤2，濾層厚度1000mm。濾速7mh/h，反沖洗強度12～14L/sm²，反沖洗時間4～6分鐘。投產后，經長期觀測除鐵效果良好，出水[Fe]一直穩定在0.2ng/L以下，工作周期穩定在48小時左右。

四、無煙煤單層濾料用于地面水除濁的生產實踐

　　美國洛杉礬水廠(The Los ngeles Aqueduct RiLtration Plant－LAAFP)、處理水量227萬m³／d，是美國同類水廠中最大、最先進的設施之一。原水從內華達西拉山區經544km長距離輸水管道引至洛杉礬。處理工藝流程如圖--4所示。由圖--4可見，LAAFP是一個直接過濾水廠。
　　LAAFP原水水質和出水水質如表2所示。
　　由表-2可見，原水水質較好，該水廠設計是以原水最高濁度15NTU為目標的。為了精心設計這個水廠，洛杉礬市水電局(LosAngles Department of Water and Power)進行了大量的調查研究和生產測試，其中包括小試。中試和生產性試驗，為選擇處理工藝流程和工藝參數，確定預氧化藥劑和混凝劑、助凝劑品種，選擇構筑物型式和濾料品類等做了大量工作。但在此過程中原水濁度很少達到15NTU，常年原水濁度均在4NTU以下，出水濁度穩定在0.1NTU以下，處理效果良好。

　　在選擇濾料實驗中，曾做過無煙煤單層濾料與無煙煤--石英砂雙層濾料處理效果的對比實驗，發現兩者的出水水質和過濾周期基本相同，但雙層濾料總是首先發生濁度穿透，而且要求較高的反沖洗強度。因而生產設備中將粗無煙煤單層濾料選為最佳濾料。
　　該廠有普通快濾池24格，單池面積131m2，粗無煙煤濾料有效粒徑為1.5mm，不均勻系數1.5，濾層厚度1830mm，濾速33m／h。氣水反沖洗，最大氣洗強度和最大水洗強度均為73m／h(約為20L／s.m)。
　　LAAFP自1987年4月投產以來，運轉穩定，處理效果良好，水廠管理水平很高。該水廠供水量占全洛杉磯市用水量的75％，是一個采用無煙煤 單層濾料，直接過濾成功的典型。此外，該廠采用臭氧預氧化除嗅。除味、降低三鹵甲烷基質(母體)也積累了不少值得借鑒的經驗。

五、對無煙煤濾料的評價

　　無煙煤濾料一般由塊狀無煙煤破碎篩分而得，其性質因產地不同而各異。無煙煤與石英砂、錳砂主要特性對比如表—3所示。我國部分地區無煙煤密度如表—4所示。

LAAFP原水水質和出水水質表 參數 單位 進水平均值 出水平均值 混濁度 NTU*(濁度測定單位) 2.6 0.1 電導率 Umho/cm**(微姆/厘米) 272 272 水溶礦物質(TDS) mg/L***(毫克/升) 100 100 溫度范圍 ℃ 5-27 - PH值 8.5 7.8 三四角甲烷最大可能形成值(THMFP) Ug/L(微克/升) 90 60 總有機碳(TOC) mg/L(毫克/升) 1.5 1.1 溶解氧 mg/L(毫克/升) 9.3 9.3 表觀顏色 4 1 總硬度 mg/L碳酸鈣 68 68 鈣 mg/L(毫克/升) 21 21 鎂 mg/L(毫克/升) 4.2 4.2 鈉 mg/L(毫克/升) 29 29 鉀 mg/L(毫克/升) 8.0 8.0 堿度 mg/L(毫克/升) 94 94 硫酸鹽 mg/L(毫克/升) 20 20 氯化物 mg/L(毫克/升) 13 16 硝酸鹽 mg/L(毫克/升) 0.44 0.44 二氧化硅 mg/L(毫克/升) 16 16 鐵 mg/L(毫克/升) 0.01 0.01 硼 mg/L(毫克/升) 0.42 0.42 氟化物 mg/L(毫克/升) 0.56 0.56

　 注：*濁度測定單位
　　　 **微姆/厘米
　　　 ***毫克/升(百萬分數，即10^-6)

無煙煤與石英砂、錳砂主要特性對比表 濾料品種 密度(kg/m³) 堆積密度(kg/m³) 孔隙率(%) 無煙煤 1400-1900 700-1000 50-55 無英砂 2600-2650 1600 41 馬山錳砂 3600 1800 50 湘潭錳砂 3400 1700 50 錦西錳砂 3200 1600 50

我國部分地區無煙煤耗密度表 產地 密度(kg/m³) 北京門頭溝 1880 四川榮徑 1610 山西晉城 1600 河南鞏縣 1560 河南焦作 1550 云南昭通 1550 黑龍江雙鴨山 1500 四川宜賓 1480 山西陽泉 1470

　　 某廠家生產的無煙煤濾料規格及物理化學性能如表5所示。

某廠家生產的無煙煤耗濾料規格及物理化學性能表 粒徑(mm) K80 K60 磨損率
(%) 碳損率
(%) 酸可溶率
(%) 灼燒減重
(%) 密度
(g/cm) 含泥量
(%) G≤1.8
(%) 孔隙率
(%) 2.5-4.0 　 ＜1.5 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 49.75 2.0-3.0 　 ＜1.5 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 49.75 1.11-1.76 ＜2 　 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 49.75 1.0-1.0 ＜2 　 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 51.37 1.0-2.0 ＜2 　 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 51.37 0.8-1.8 ＜2 　 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 51.37 0.8-2.0 ＜2 　 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 50.09 1.2-1.6 ＜2 　 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 50.09 0.8-1.25 ＜2 　 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 50.09 有效粒徑4 　 ＜1.4 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜7 ≤6 52.65 有效粒徑1.57 　 ＜1.4 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜8 ≤6 52.65

　　試驗研究和生產實踐表明，無煙煤單層濾料具有很多無可比擬的優點，歸納如一：
　　1、無煙煤濾料機械強度高，有良好的化學穩定性。表面粗糙，有良好的吸附能力。試驗研究及生產實踐表明，其除鐵、除錳、除濁的效果均較好。
　　2、無煙煤濾料顆粒較粗(d＝0.8～1.8mm)，孔隙率大(＞50％)，有較高的合污能力。
　　3、無煙煤密度較小。由于濾料市售產品均以單重(噸)計，所以無煙煤單位體積價格較石英砂、錳砂為低。亦因質輕，所需反沖洗強度較低，一般為12～14L／sm²、且易于清洗，反沖洗時間較短，一般為4～6分鐘。因此可節省大量反沖洗水量及電能。
　　4、由于濾層含污能力強，并能獲得充分利用，可大大延長工作周期，不僅工作穩定，同時也是節省反沖洗水量的另一個原因。
　　5、管理簡單方便，大大減輕了操作人員的勞動強度。
　　6、施工中，濾料篩分、裝填均較方便，大大縮短了工期，減輕了施工廠人員的勞動強度。
　　綜上所述，無煙煤單層濾料是一種值得推薦的濾料。

結束語

　　無煙煤濾料廣泛地用在煤一砂雙層濾料或三層濾料濾池中，是眾所周知的，無煤作為單層濾料在生產實踐中應用也有先例，算不上新技術。但是，無煙煤單層濾料的優勢尚未被廣大給排水工作者所熟知、所認同，尚未被廣大用戶所接受，生產實踐中采用還很少。筆者撰寫本文就是為了加大宣傳力度，旨在讓更多的讀者了解無煙單層濾料的優點，與同行交流經驗，以便促進它的推廣使用，在實踐中再總結、再提高。

參考文獻

　　1、李圭白 劉超 范懋功《地下水除錳技術》1982年12月
　　2、李圭白 劉超《地下水除鐵除錳》1989年2月
　　3、徐英光 龐馬可 彭志強《無煙煤濾料地下水中除鐵的應用》1990年全國地下水除鐵除錳學術研討會年會；
　　4、孫永海 刁乃維《無煙煤做為地下水除鐵濾料的總結》1990年全國地下水除錳學術研究會年會。
　　5、LAAFP，《The Los Angeles Aqueduct Filtration Plant》,1987。
　　6、Duane L.Jeorgeson, William O.Straub,《Interpretation of Turbidity and Trihalomethane Data at the Los ,Angeles Aqueduct Filtration》，AWWA Water Quality Conference, Baltimore Maryland November17,1988