欒兆坤， 李桂平， 王曙光
(中國科學院生態環境研究中心環境水化學國家重點實驗室,北京1 00085)

　　摘　要： 針對北京市水源九廠的低濁水質進行了將聚合氯化鋁應用于微絮凝—深床直接過濾工藝的中試，討論了濾床深度與均質超大粒徑的濾料優選、直接過濾過程最佳化學與水力學參數以及反沖洗技術參數的優化及其影響因素，最后與現有水廠運行處理的綜合效能及經濟效益進行了對比，為微絮凝—深床過濾工藝的實際應用提供了基礎研究依據。
　　關鍵詞：微絮凝—深床工藝直接過濾；聚合氯化鋁
　　中圖分類號：TU991.2
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2002)04-0014-05

Study on the Micro-flocculation/Deep Bed Direct Filtration and Its Process Parameters
LUAN Zhao?kun, LI Gui?ping, WANG Shu?guang?
(State Key Lab of Environment and Aquatic Chemistry,Research Center for Eco-envi ronmental Science,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100085,China)

　　Abstract： Pilot study on micro-flocculation/deep bed direct filtration process with the addition of polyaluminum chloride (PAC) was made in accordance with the quality of low turbidity water in Beijing No.9 Water Supply Plant.The study focused on the preference of bed height and homogeneous media with ultra size,and the optimal chemical and hydraulic parameters of direct filtration process,as well as the op timization of backwashing.All of these were compared with overall treatment effi ciency and economic benefit in the existing water plant,and thus providing a bas is for the practical application of micro-flocculation/deep bed filtration process.?
　　Keywords: micro-flocculation/deep bed direct filtration; polyaluminum chloride

　　微絮凝—深床直接過濾又簡稱直接過濾工藝^［1］。它實際是在對混凝、過濾作用機理及其工藝過程深入研究的基礎上，將混凝與過濾過程有機集成為一體，形成了當今水處理的高新技術系統^［2、3］。近年來，采用該過濾工藝處理低溫、低濁、有色水質已成為發達國家水廠選擇的主流［4］。

1 　中試裝置及流程　

1.1 裝置
　　中試裝置及工藝流程如圖1所示。?
　　中試是在小型模擬試驗［5］基礎上進行的優化放大，最大設計處理量為1.2m³/h 。濾床采用有機玻璃管，高為5 000 mm、內徑為200mm、取樣管間隔為300 mm、承托層為20 0 mm。由于小試選用濾料的粒徑相對較小，導致截污分布相對不均，過濾周期未能達到最佳狀況，故中試選用了超大粒徑的無煙煤濾料(粒徑為3.5～4 mm，有效粒徑d10為3.8 mm，不均勻系數為1.05)，濾料填充高度為1000～2500mm。為保證布水、布氣均勻，采用長柄濾頭布水并在濾層底部鋪墊粒徑為16～32mm、8～16mm、4～8 mm的卵石承托層。

1.2 工藝流程
　　原水直接與水廠配水管路相連，用水泵提升。絮凝劑與原水通過管式混合器混合、經旋流混合槽后直接進入濾床進行過濾處理。管式混合器前由高精度電子蠕動計量泵控制加藥量，管道混合停留時間設定為1～2min。旋流混合槽出口處安裝流動電流檢測儀在線檢測混合水質的流動電流變化狀況。出水濁度采用美國Great Lake公司的在線濁度監測儀進行瞬時監測并傳輸至Hitachi Cor.的記錄儀進行記錄。?
1.3 控制標準
　　采用下向流等速變水頭過濾，濾速為16～32 m/h，水頭損失穿透標準設定為250cm(25 kPa)，水質穿透標準設定為濁度＜0.3 NTU、色度＜0.5倍，與國外控制標準一致［4］。?
　　所用藥劑分別為堿化度為40%～60%、Al₂O₃含量為10%和16%的液體聚合氯化鋁，投藥量以水廠現有工藝確定的最佳投藥量(4 mg/L)作基準。

2 　結果與討論　

2.1 運行結果
　　北京第九水廠源水取自密云水庫，以懷柔水庫作調節水庫。由于密云水庫環境保護良好，源水基本未受污染。除每年一周左右的高濁期(平均為68 NTU)外，濁度最高為3.2NTU，最低為0.69 NTU，平均為2～3 NTU，而且取水口深(水下40 m)、水質波動較小、水溫較低。中試進行了兩年，其中不同床深和投藥量條件下部分典型過濾周期結果見表1。

表1 第九水廠中試結果 編?號 濁度(NTU) 床深(m) 投藥量(mg/L以Al₂O₃計) 濾速(m/h) 水頭損失(kPa) 水頭增長速率(cm/h) 過濾周期(h) FN(10^-6) 周期產水率(m³/m²) 進水 出水 1* 1.23～1.93 0.43～0.56 1 0.4 24 7 3.5 20 　 　 2 1.19～1.43 0.21～0.27 1.5 0.4 25.5 10.3 9.36 11 642 280.5 3 1.34～1.76 0.23～0.52 1.5 0.4 24 11.1 6.82 17 343 340 4 1.07～1.50 0.20～0.28 2 0.4 16 14.0 2.26 90 241 1433.5 5 1.27～1.83 0.21～0.32 2 0.4 24.5 22.0 4.47 46 201 1098 6 1.26～1.67 0.13～0.25 2.5 0.4 16 20.0 7.14 104 179 1512.7 7 0.92～2.38 0.18～0.27 2.5 0.5 24 20.1 3.24 63 211 1420 8 0.92～1.37 0.21～0.28 2.5 0.5 24 23.0 2.12 96.4 148 2316.8 注： ①1*表示在過濾周期為20 h時，因床淺致出水水質 超過控制標準，試驗失敗；②FN表示過濾效能綜合因子，其值越小，過濾效能越好。

2.2 深床直接過濾的影響因素
　　① 濾料粒徑
　　濾料粒徑是影響直接過濾過程水頭損失(H)的最重要因素之一，H可用下式計算：

　　H=f(L0／D2)?　　(1)?

　　式(1)表明水頭損失與濾料粒徑(D)的平方成反比，與濾層厚度(L0)成正比，當濾 料粒徑增加時水頭損失將大大減小。國外目前直接過濾選用的均質濾料粒徑范圍一般為1.5 ～2.0 mm。小試中發現，采用有效粒徑d10=2.0 mm的均質無煙煤濾料及濾床深度為2 m時，大部分絮體顆粒聚集在濾料表層上半部分，過濾周期僅為20 h左右，表明濾料有 效粒徑相對較小，濾層截污分布相對不均，因此中試采用d10=3.8mm的超大粒徑濾料并將濾床厚度加深為2.5 m，此時的截污分布如圖2所示。

　　結果表明，在相同濾速下中試濾料粒徑為3.8 mm時的水頭增長比小試(粒徑為2.0 mm)慢得多，可有效增加濾層絮體沉積速率以及絮體在濾層內的穿透深度，防止過早堵塞而使水頭損失減至最小，因而可顯著提高過濾運行周期和產水率。
　　② 濾層厚度?
　　濾層厚度的影響需從濾料表面吸附和沉積作用兩方面考慮，而對吸附和沉積起決定性作用的是濾料表面積。
　　對于一定粒徑的濾料，濾料表面積實際由L/d(L為濾層厚度，d為粒徑)決定。普通濾料厚度一般根據藤田賢二的經驗公式^［6］，認為L/d10=1 000 或L/de=800時是安全的但它是在常規濾速(V=10 m/h左右)得到的，在深床過濾的高濾速下此值的安全性值得懷疑。Hazen認為濾層深度需滿足下列公式：?
　　L=Qhd3／B　　　（2)?
　　式中 ?d——粒徑，mm?
?　　　　 Q——截面流量，L/(m²·s)?
?　　　　 h——水頭損失，Pa?
　　　　?B——穿透指數，一般取B＝1×10^-3??
　　因濾速(V)越大，所需濾層厚度越大(L與V1/3成正比，如濾速提高1倍，L相應增加21/3)，而L越大，濾后濁度變化越慢；d越大，水頭損失增長越慢，因此，增大L和d值可以延長過濾周期。?
　　當床深＜2.0 m會出現出水不達標或水質過早穿透，導致過濾周期過短。床深為2.5 m、濾速為24 m/h和16 m/h時水質達標(濁度＜0.3 NTU)，過濾周期分別達到78、104h，表明以2.5 m床深運行較安全，而此時L/de值(658)仍低于藤田所提出的800～1000的范圍，說明直接過濾濾速與濾床厚度之間存在一定關系，依據現有常規濾料的經驗公式并不能準確反映深床直接過濾中濾床厚度與濾速的關系以及選擇適宜濾床深度。?
　　③ 濾速?
　　在濾速高時濾池工作 周期的長短主要由水頭損失決定，而起始水頭損失小是大粒徑濾料的優點之一(可延長過濾工作周期)。此外，顆粒物在濾床中的遷移取決于水流的剪切力，而水流剪切力則由流速和濾料粒徑及形狀決定。濾料粒徑及深度一定時，濾速越大顆粒污染物在濾床中向下遷移得越快，過濾周期也越短。3種濾速下的試驗結果見圖3。

　　在投藥量為4 mg/L、濾速為32 m/h時，過濾周期僅為26 h。降低投藥量和濾速(16～24 m/h) ，過濾周期分別達到78、96 h，表明在此L/d情況下，16～24 m/h是最佳直接過濾濾速。
　　④ 最佳投藥量與濾前絮凝反應時間
　　最佳投藥量與濾前絮凝反應時間對直接過濾的最佳過濾周期具有顯著的影響。試驗表明，聚合氯化鋁稍低或稍高的投量均會顯著影響出水水質和過濾周期，因此精確控制其最佳 投量是獲得最佳過濾凈化處理效能的關鍵。濾前最佳投量和絮凝反應時間必須依 據絮凝劑的化學反應特性和源水懸濁膠體顆粒特性及濃度而隨機調整，使其形成不僅能夠透過較深濾層，同時又能與負電濾料表面發生接觸粘結絮凝反應而被截留于濾料表面的一定微尺度的正電性微絮凝顆粒。

　　圖4等濾速、不同投藥量的試驗結果在投藥量為2 mg/L(相當于0.32 mg/LAl₂O₃)、濾速為16 m/h的條件下，出水濁度＜0.3 NTU，穩定運行周期長達96～110 h。水廠現有過濾工藝是以7～8 m/h的濾速運行，過濾周期為48 h，液體PAC投加量為4 mg/L(相當于0.64 mg/LAl₂O₃)，是微絮凝—深床直接過濾工藝的一倍，表明聚合氯化鋁高效絮凝特性更適用于大粒徑深床直接過濾，并能在較低投藥量下獲得較好的出水水質。
　　國外在直接過濾工藝中，采用傳統絮凝劑(硫酸鋁、氯化鐵等)的濾前停留時間多控制在3～7 min。如前所述，聚合鋁絮凝劑具有較強的電中和脫穩能力、快速的絮凝反應動力學及結團 絮凝反應特征。因此微絮凝—直接過濾濾前絮凝反應停留時間只需控制在1～2 min，停留時間延長將導致水頭損失增大、過濾周期縮短。
2.3　反沖洗參數
　　超大均質濾料反沖洗的優點是不會因為沖洗強度過大而將小粒徑濾料沖出濾池而造成濾料損失，也不會因沖洗強度過小而導致粗濾料不能完全流態化。均質大粒徑濾料有利于截留的懸 浮物向下滲透，使污染物分布較均勻，但同時也存在反沖洗問題。采用常規水沖洗方法不能達到較好效果，會導致濾池不能恢復凈水能力、截污能力下降以及沖洗水耗上升等不良后果。因此，深床直接過濾工藝過程的反沖洗最好采用氣水聯合反沖洗方式，分三步進行：①氣沖；②氣、水混合沖；③水漂洗。目前所有反沖洗強度的經驗公式都是針對水反沖洗的，對于大粒徑深床的氣水反沖洗參數國內尚無數據提供。筆者針對所采用的濾料及填料厚度，對深床直接過濾的合適反沖洗參數進行了試驗，計算結果見表2。

表2 反沖洗參數及水量計算 沖洗方式 沖洗強度(L/m²·s) 流量(m3/h) 歷時(min) 耗水量(m³ ) 氣 水 氣 水 氣沖 20 2.3 2～3 氣—水混合沖 15 15 1.7 1.7 4 0.113 水漂洗 25 2.8 4 0.187

　　① 氣沖強度的確定。氣沖的目的是使氣泡通過濾層時局部濾料發生移動，濾料顆粒相互填充、碰撞、摩擦，使得附著在濾料表面的雜質脫落，也可通過氣泡對濾料顆粒的沖擊使濾料 產生振動而導致雜質脫落，即以濾層開始攪動臨界沖洗強度為下限，但不能使濾層膨脹而致動力消耗過大。研究表明，在柱上水頭為10 kPa時，使濾層攪動的反沖洗強度為18L/(m²·s)，強度增長至26L/(m²·s)時濾層開始膨脹，因此選取20L/(m²·s)為氣沖洗強度，沖洗時間為2～3 min。
　　② 混合沖洗階段強度確定。混合沖洗階段水流處理起到剪切、剝落污染物的作用，還要將剝離的污染物與濾料層分開。在此階段應以濾料流化為準，濾層膨脹率按經驗控制在30%左右。氣沖強度過高會導致紊動程度過大而不利污染物隨水流上升。因此，將氣沖強度減小至15L/(m²·s)，此條件下使濾層膨脹率達到30%的水沖洗強度為15 L/(m^2·s)，沖洗時間為4 min。?
　　③ 水漂洗。此階段的目的是將前兩階段從濾層中剝落的污染物與濾料層分開。為 防止污染物重新回到濾層下方，應保持第二階段的膨脹率不變。此階段的水力強度應加 大為25L/(m²·s)，沖洗4 min。
　　④ 表面掃洗。在實際工程中，最好結合表面掃洗使隨氣泡或水流上浮的雜質及時被清除［掃洗強度可按經驗數據取7～8/(m²·s)］。在有表面掃洗時，混合沖洗階段、單水漂 洗階段氣和水的強度均可適當減小。?
　　綜合上述結果，在第二階段的沖洗水用量為0.113m³，第三階段的沖洗水用量為0.187m³，反沖洗過程中總耗水量為0.3m³，若按第8周期產水量計算，該周期內總產水量為46.5m³，反沖洗用水量僅占產水量的0.6%。?
2.4 綜合效能評價
　　表3是直接過濾與傳統工藝處理結果對比。

表3 微絮凝—深床直接過濾工藝與水廠二期處理工藝的初步比較 項 目 工藝流程 濾速(m/h) 投藥量(mg/LAI₂O₃) 出水濁度(NTU) 周期產水率(m³/m²) 反沖洗用水率(%) 水廠現有傳統處理工藝 源水→混合池→三級反應池→斜板沉淀池→煤濾池→炭濾池 →出水 7～8 0.6～0.8 0.5～1.0 336～384 1.5 微絮凝—直接過濾 源水→混合池→深床過濾→炭濾池→出水 16～32 0.35～0. 5 0.2～0.5 1 200～1 500 0.7～1.2 工藝優點 省去三級反應池和斜板沉淀池 提高濾速2～4倍 減少投藥量1/ 2～1/3 降低出水濁度 產水量提高3～4倍 用水率減少

　　由表3可見，聚合氯化鋁的微絮凝—深床直接過濾工藝在凈化處理低溫、低濁水質方面具有顯著的社會與經濟效益，具體體現在：①流程方面，該工藝省去了現有三級絮凝反應池 和斜板沉淀池，縮短了工藝流程，可節省投資近1/3；②產率方面，現有濾池濾速為7～8 m/h，過濾周期為48 h，而直接過濾濾速可達16～32 m/h，可穩定運行80～104 h，濾速提高2～3倍，過濾周期也提高1～2倍，產水率至少提高2～4倍；③藥劑方面，使用堿化度為60% 的液體聚合鋁，在床深為2.5 m、濾速為16 m/h、投藥量僅為2 mg/L時，穩定運行達到90～104 h，僅為水廠現有投藥量的1/2。北京九廠現處理水量為100×10⁴m³/d，現有工藝用藥量為4 t/d，而采用微絮凝—深床直接過濾工藝可節省藥劑2t/d，按液體PAC(Al₂O₃含量為16%)市售1600 元/t計算，僅藥劑費就可節省3200元/d。④出水水質方面，試驗水質控制標準為濁度＜0.3 NTU，明顯地提高水廠出水水質(現有水廠出水濁度標準＜1 NTU) ，使出水水質可達到發達國家水廠處理標準。

3 結論

　　 ① 中試從工程可行性及實用性的角度進行研究。針對北京水源九廠的低溫低濁水質實際處理所得試驗結果表明，該試驗設計適合于采用聚合鋁絮凝劑的微絮凝—深 床直 接過濾工藝，對于處理低溫低濁水是可行的且可實用化，同時也驗證了所提出的超大粒徑濾 料深床完全適合于聚合氯化鋁的高效絮凝反應特征。?
　　② 微絮凝—直接過濾工藝的最佳化學及水力學參數如下：選用粒徑＞3～4 mm的無煙煤濾料；采用大粒徑濾料、大濾速進行直接過濾時，L/d值所需滿足的范圍可比藤田等人提 出的經驗公式都小；大粒徑深床過濾工藝可采用比常規粒徑濾料大得多的濾速，出水標準控制在濁度＜0.3 NTU，濾速提高到30 m/h，過濾周期可達到24 h。如出水濁度標準控制在0.5 NTU、濾速為30 m/h，過濾周期可達到50 h以上。采用16 m/h或更低濾速時，則可大大延長過濾周期，而這一濾速也接近常規濾速(8～10 m/h)的一倍。
　　③ 微絮凝—深床直接過濾工藝在處理低溫、低濁水質方面具有顯著的社會與經濟效益，不僅明顯節省投資費用及占地，而且可顯著提高產水率和出水質量，顯著節省運行處理費用。

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　　作者簡介：欒兆坤(1950- )，男，山東龍口人，中國科學院生態環境中心研究員，博士，主要從事水處理藥劑與工藝、工程研究。
　　電　　話：(010)62849198?
　　收稿日期：2002-01-08