何華 李桂平  朱文芳
北京市自來(lái)水公司

　　一  前言

　　北京市自來(lái)水公司第九水廠是北京最大和主要的地面水廠，產(chǎn)水量約150萬(wàn)M³/日。其水源主要是京郊密云水庫(kù)，水質(zhì)良好，屬低濁低色低溫水庫(kù)水。
　　采用常規(guī)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(guò)程中往往表現(xiàn)出：混凝反應(yīng)非常緩慢，形成礬花基因型小、輕松、不易下沉，使反應(yīng)沉淀效果較差。另一方面，在混凝過(guò)程中投加粘顆粒，盡管改善了反應(yīng)沉淀效果，但使污泥量增加，增大了后續(xù)工藝的負(fù)荷。根據(jù)混凝沉淀理論，水中懸浮物和膠體雜質(zhì)是水處理的主要對(duì)象，在混凝沉淀過(guò)程中，顆粒大的懸浮物一般容易沉淀，而顆粒細(xì)小的懸浮物和膠體雜質(zhì)動(dòng)在水中長(zhǎng)期處于分散懸浮狀態(tài)，具有“膠體穩(wěn)定性”。
　　隨著混凝、過(guò)濾理論及其工藝技術(shù)的研究發(fā)展，近年來(lái)微絮凝——深床直接過(guò)濾工藝技術(shù)在國(guó)外得到了迅速發(fā)展。微絮凝深床直接過(guò)濾是將混凝和過(guò)濾兩個(gè)操作單元有機(jī)綜合為一體的新型工藝技術(shù)，省略了絮凝沉淀、澄清過(guò)程。在該工藝過(guò)程中，微絮凝體可以穿過(guò)濾料層表面，進(jìn)入濾層中間，在濾層中，水中微絮凝絮體供暖助長(zhǎng)流在大的均質(zhì)濾料間隙中產(chǎn)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(zhǎng)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(guò)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(yàn)裝置的流程

　　微絮凝深床過(guò)濾試驗(yàn)裝置及流程見(jiàn)圖1。深床過(guò)濾試驗(yàn)系統(tǒng)的進(jìn)水直接與水廠管路相連，絮凝劑通過(guò)電子計(jì)量泵精確投加，經(jīng)機(jī)械混合池后直接進(jìn)入濾柱。深床濾柱高500cm，內(nèi)徑20cm，承托層20cm。采用無(wú)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(yīng)時(shí)間設(shè)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(shí)時(shí)檢測(cè)。水頭穿透標(biāo)準(zhǔn)為220cm，水質(zhì)空透標(biāo)準(zhǔn)為濁度＜0.5NTU。水中顆粒分布狀況由COULTER MULTISIZER Ⅱ測(cè)定。

　　三  試驗(yàn)結(jié)果及討論

　　1、濾料粒度對(duì)過(guò)濾性能有影響
　　試驗(yàn)采用床深2.5m，有效粒徑分別為3.5mm、2.7mm，濾料試驗(yàn)周期終止時(shí)，濾層內(nèi)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(jié)果中可見(jiàn)，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(xiàn)為過(guò)濾能力增強(qiáng)，納污能力增加，截污量增大。同時(shí)，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(hù)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(fā)揮截留作用，濾池截污量增加。其結(jié)果過(guò)水水流陰減弱，水頭損失增量將得以延緩，達(dá)到物定終止水頭損失的過(guò)濾周期得以延長(zhǎng)，產(chǎn)水量得以增加。
　　日本學(xué)者藤田賢二通過(guò)研究導(dǎo)出的公式清晰地表明了粒度、空隙度和水頭損失之間的關(guān)系：

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

　　 式中：H——過(guò)濾水頭損失；
　　　　　 K——系數(shù)；
　　　　　 V——濾速；
　　　　　 g——重力加速度；
　　　　　 d——濾料粒徑；
　　　　　 μ——水動(dòng)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(guān)系，但已清楚地描述了濾料粒徑大小、空隙度大小對(duì)濾料過(guò)程的影響。
　　然而隨著濾料粒徑的加大，雖然能更多地發(fā)揮下層濾料的截留作用，但同時(shí)也對(duì)空透深度帶來(lái)影響，即在其他條件等同時(shí)，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(guān)系：

　　K= hd^2.46u^1.56／l　　　　　　　　　　　　(2)

　　式中：K——常數(shù)；
　　　　　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(duì)過(guò)濾性能的影響
　　選用優(yōu)良的顆粒級(jí)配與適宜的濾層厚度是保證過(guò)濾效果的關(guān)鍵。從技術(shù)角度講，L/d值越大越好。而綜合經(jīng)濟(jì)因素，工程中應(yīng)以最小的L/d值滿足提供最低量值的濾料表面積達(dá)到預(yù)期的過(guò)濾出水水質(zhì)。
　　試驗(yàn)中采用有效粒徑為2.7mm的無(wú)煙煤濾料，在2.5m和2m床深條件下，測(cè)定濾速在16m/hr和24/hr下的運(yùn)行情況結(jié)果見(jiàn)表2，過(guò) 濾性能根據(jù)過(guò)濾性能評(píng)指指標(biāo)JP值進(jìn)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(jié)省占地，因而過(guò)濾性能好；
　　　　　T——過(guò)濾時(shí)間（hr），連續(xù)過(guò)濾時(shí)間長(zhǎng)，則周期產(chǎn)水量大，反沖洗次數(shù)少，節(jié)約自用水量，過(guò)濾性能優(yōu)良；
　　　　　C_e——出水濁度（NTU），出水濁度小，水質(zhì)優(yōu)良，過(guò)濾性能好；
　　　　　C_o——進(jìn)水濁度（NTU），進(jìn)水濁度大，說(shuō)明濾池能接受的負(fù)荷高，過(guò)濾性能好；
　　　　　H_t——過(guò)濾終期的水頭損失（m），過(guò)濾終期的水頭損失小，則能量消耗低，過(guò)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(guò)濾性能好；
　　　　　JP——為無(wú)量綱純數(shù)，此指標(biāo)越小，過(guò)濾性能好；

　　從表2中可以看出，兩種床深情況下過(guò)濾均能達(dá)到較好的出水水質(zhì)（＜0.5NTU）。床深2.5m時(shí)，16m/hr濾速的運(yùn)行周期可達(dá)90小時(shí)以上，24m/hr濾速的運(yùn)行周期為50～60小時(shí)。但此時(shí)水頭周期明顯短于水質(zhì)周期，因此可以考慮降低床深至2米。采用2米床深的運(yùn)行結(jié)果表明：其過(guò)濾效果能滿足要求，水頭周期與水質(zhì)周期較為接近，說(shuō)明充分發(fā)揮了濾床的過(guò)濾能力。另外，從過(guò)濾性能評(píng)價(jià)指標(biāo)JP值可知，2m床深的運(yùn)行效果與2.5m床深相近，此時(shí)濾床參數(shù)L/D=741，略小于經(jīng)驗(yàn)值800-1000，但對(duì)于低濁水這種床深是安全的。
　　3、均質(zhì)濾層反沖洗
　　均質(zhì)濾料對(duì)反沖洗有利的一點(diǎn)是不會(huì)發(fā)生沖洗強(qiáng)度較高時(shí)將小粒徑濾料沖出濾池，造成濾料損失。也不會(huì)發(fā)生為避免小粒徑濾料流失而減小沖洗強(qiáng)度導(dǎo)致粗粒徑濾料不能完全流態(tài)化。然而均質(zhì)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(shí)也帶來(lái)了反沖洗的難度。在濾床深度較大時(shí)，反沖洗問(wèn)題尤為突出。在此，我們采用氣水聯(lián)合反沖洗方式，分為三步驟：?jiǎn)螝鉀_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(jìn)行單獨(dú)氣沖，一方面通過(guò)濾料顆粒間相互摩擦使濾料上粘附的污泥脫落，一方面達(dá)到使濾層攪動(dòng)為均質(zhì)的目的。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的氣沖后，不停氣且氣沖強(qiáng)度無(wú)須改變的同時(shí)加入水沖，氣水聯(lián)合反沖是能否使濾層潔凈的關(guān)鍵。單獨(dú)氣沖脫落的污泥在此階段因氣沖保持濾層流態(tài)化狀態(tài)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(guò)程，主要是將上層的高濃度泥水托出濾池，同時(shí)進(jìn)一步?jīng)_洗濾層中剩余的脫落的污泥，使濾層達(dá)到較徹底的凈化。最后的水沖應(yīng)遵循兩條原則，一是不使均質(zhì)濾層狀態(tài)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(jù)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中固定氣沖時(shí)間為23min，氣水聯(lián)合沖洗時(shí)間為2min，改變氣沖強(qiáng)度與水沖強(qiáng)度，并記錄自氣水聯(lián)合沖洗開(kāi)始后，各不同時(shí)間段的反沖洗出水濁方式。結(jié)果見(jiàn)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(qiáng)度越大，沖洗時(shí)間越長(zhǎng)，則濾料表面含泥量越小。水沖洗的作用是排隊(duì)縫隙中的二次污泥和因氣沖而脫落下來(lái)的一次污泥。只有以上兩個(gè)參數(shù)均滿足要求，方可完成氣水反沖洗。
　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：實(shí)驗(yàn)1，氣沖洗流速較大，水沖洗流速較小，這時(shí)濾料表面的含泥量很快達(dá)到要求，但濾池反沖洗濁度達(dá)到規(guī)定的時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)反沖完成時(shí)，氣體的作用未充分發(fā)揮，浪費(fèi)一部分氣體能量。相反，實(shí)驗(yàn)5，水沖洗流速較大，氣沖洗流速較小，則濾層含泥量達(dá)到規(guī)定所需的時(shí)間較長(zhǎng)，而濾池的排水濁度很快達(dá)到控制要求，這時(shí)，反沖洗水的輸泥能力未充分發(fā)揮。
　　4、投藥量對(duì)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(duì)應(yīng)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(dāng)投藥量超過(guò)0.5mg/l時(shí)（實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)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(guò)量引起的再穩(wěn)現(xiàn)象加以解釋，出現(xiàn)這種情況，會(huì)導(dǎo)致水中顆粒難以去除，這也與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果吻合，實(shí)際結(jié)果見(jiàn)表4，即投藥量超過(guò)最佳投藥量反而會(huì)引起出水水質(zhì)變壞。同時(shí)投藥量超過(guò)最佳投藥量時(shí)，水中顆?？偤畏N也由減少超勢(shì)轉(zhuǎn)為增大趨勢(shì)，這必然導(dǎo)致泥量增加而加重后續(xù)工藝中濾床負(fù)荷。實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)表明，當(dāng)投藥量偏大時(shí)，不僅會(huì)使水頭增長(zhǎng)過(guò)快，還會(huì)加快水質(zhì)穿透時(shí)間。

　　同時(shí)，從不同原水濁度對(duì)應(yīng)的最佳投藥量情況（表5）分析可見(jiàn)，原水濁度變化對(duì)應(yīng)不同的投藥量數(shù)值大小，會(huì)直接影響到水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需時(shí)間（即初濾水）、水頭濾程、水質(zhì)濾程。

　　綜上所述，微絮凝——深床過(guò)濾工藝對(duì)加藥量的選擇非常嚴(yán)格，最佳投藥量應(yīng)在保證水中顆?？傮w積最小情況下，適當(dāng)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(zhì)周期均達(dá)到最佳。當(dāng)然，過(guò)大的絮體顆粒會(huì)使絮體截流在濾床上層，從而不能充分發(fā)揮深床的作用。
　　5、不同絮凝劑對(duì)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(shù)條件下，不同絮凝劑經(jīng)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(chǎn)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?yàn)榱蛩徜X脫穩(wěn)能力差，產(chǎn)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?yàn)镻FC脫穩(wěn)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(guò)濾對(duì)于水中顆粒徑分布和形成的絮體表面特性都比較敏感，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行結(jié)果分析，可以認(rèn)為：采用脫穩(wěn)能力強(qiáng)，形成絮體迅速，絮體小而密實(shí)的絮凝劑最適合直接過(guò)濾。

　　四 結(jié)論

　　微絮凝深床直接過(guò)濾工藝是一種處理低濁度水極佳的工藝，它省去了傳統(tǒng)工藝中的反應(yīng)池、沉淀池，節(jié)省了投資費(fèi)用；另外，它降低了藥耗，節(jié)省了藥劑費(fèi)用；同時(shí)，延長(zhǎng)過(guò)濾周期，減少?zèng)_洗次數(shù)，增加周期產(chǎn)水率。但是，這種工藝對(duì)藥劑、藥量的變化極敏感，操作方面需嚴(yán)格管理。

  參考文獻(xiàn)

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