(從杭州祥符橋水廠濾池改造談起)
(焦點(diǎn)問(wèn)題之一：濾床濾料組成選擇的理論與實(shí)踐) 張亞杰 倪席平 丁云鶴 一、前言 建設(shè)部在2000年全國(guó)供水行此進(jìn)步規(guī)劃中提出一類水司出水指標(biāo)應(yīng)＜1NTU而現(xiàn)有老工藝難以滿足。因此改造老工藝滿足新水質(zhì)指標(biāo)，勢(shì)在必行。
濾池的改造或新建，通常采取以下八種國(guó)內(nèi)外比較流行的途徑：
第一種是在水廠原有過(guò)濾站站址上改造或新建均質(zhì)均粒濾床采用氣、水反洗工藝的如法國(guó)的“Aquazor的V型”濾池并加建附屬的反洗鼓風(fēng)機(jī)，反洗泵及空氣壓縮機(jī)設(shè)備及機(jī)房與自控系統(tǒng)設(shè)備。
第二種是在原有濾站基礎(chǔ)上，采用反粒度過(guò)濾的單層、雙層或多層混合濾料，應(yīng)用表面沖洗系統(tǒng)，加強(qiáng)原有反洗機(jī)制.使用有機(jī)或無(wú)機(jī)的助濾劑與自動(dòng)控制設(shè)備系統(tǒng).并佐以模型濾池為向?qū)В^察、控制和調(diào)整過(guò)濾他的工作效能。
以上兩種技術(shù)改造途徑是當(dāng)前歐美各國(guó)十分流行的方法，在一定程度上體現(xiàn)了現(xiàn)代過(guò)濾理淪的機(jī)制和設(shè)備。均需要大量的改造資金。
中昌公司結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)水廠改造資金不足的現(xiàn)實(shí)條件，用少量資金完成老工藝的改造目標(biāo)，按當(dāng)前實(shí)際需求，針對(duì)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(zhì)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(tǒng)。布水系統(tǒng)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(guó)內(nèi)，運(yùn)用科學(xué)的過(guò)濾理論與實(shí)踐，具有現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)國(guó)內(nèi)占絕大多數(shù)的城鎮(zhèn)己建水廠在其原有設(shè)備，凈水構(gòu)筑物和管理?xiàng)l件下采取盡最少改動(dòng)或不改動(dòng)的方法步驟使原有濾池充分發(fā)揮其應(yīng)有的過(guò)濾效能提高過(guò)濾水質(zhì)，延長(zhǎng)過(guò)濾周期、當(dāng)沉淀水出水水質(zhì)在5NTU濁度情況下，過(guò)濾水出水濁度可提高到≤0.5NTU，為國(guó)內(nèi)過(guò)濾地改造創(chuàng)造了十分良好的條件。
杭州市自來(lái)水總公司祥橋凈水廠建于1989年，原設(shè)計(jì)規(guī)模為145萬(wàn)m3/日。該凈水廠主要工藝：折板反應(yīng)、平流沉淀、普通快濾池。原設(shè)計(jì)過(guò)濾池為中阻力陶瓷磚配水系統(tǒng)的普通快濾池。過(guò)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(zhǎng)期經(jīng)受正反兩面過(guò)濾和反沖負(fù)荷，隱性裂紋擴(kuò)大，發(fā)生破裂，并導(dǎo)致過(guò)濾池漏砂、承托層紊亂、翻滾、堵塞，過(guò)濾及反洗功能失效、出水量驟減、水質(zhì)變劣，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。1999年臺(tái)州中昌公司承擔(dān)了濾池的技術(shù)改造任務(wù)，需在不影響水廠高峰供水期前在工期極短的條件下，運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)的過(guò)濾理論和經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)改造途徑，在邊生產(chǎn)邊改造的情況下全部工程，并經(jīng)過(guò)近二年運(yùn)行實(shí)踐證明取得成功。這一改造途徑可為國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有各種普通快濾池、雙閥濾池、虹吸濾池的改造成為開(kāi)拓了一條科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、安全、快捷的途徑、出水水質(zhì)提高，超過(guò)了國(guó)家現(xiàn)行一類水司的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)效的目的?？偢脑熨M(fèi)用為136萬(wàn)元，僅為新建普通濾池的20％。 二、技術(shù)改造的原則 對(duì)祥符橋水廠濾池改造的要求突出以下各點(diǎn)：
1、在濾池配水系統(tǒng)改造時(shí)，盡量做到少更動(dòng)或不更動(dòng)原則下進(jìn)行，濾池結(jié)構(gòu)與工藝均可維持不變，可以邊生產(chǎn)邊改造，達(dá)到施工簡(jiǎn)便、迅速、節(jié)省工時(shí)，有效達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益為目的。
2、工藝方面采用小阻力配水系統(tǒng)，布水均勻，確保濾池進(jìn)水池度5-6NTU下，濾后水濁度達(dá)到≤1NTU。
3、濾料采用淺層均質(zhì)均粒級(jí)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(qū)空間，提高反沖布水的均勻性。 三、濾池改造前后的有關(guān)主要技術(shù)參數(shù)比較 樣符橋水廠濾站，每一濾站含有8個(gè)矩形濾池，濾池中間設(shè)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(dá)414.4m2。
現(xiàn)將各地改造前與改造后的有關(guān)參數(shù)分述于下：
1、濾床組成，過(guò)濾速率及反沖洗水強(qiáng)度情況
(a)濾床組成 | 砂濾層 | 厚度 | 均與系數(shù) | 粒徑(mm) | 承托層 | 粒徑 | 厚度 | | 改造前 | 單層普通
石英砂
濾池陶瓷濾
磚布水系統(tǒng) | 700 | K80≤2.0 | 0.5--1.2 | 礫石 | Φ4—8
Φ8—16
Φ16—32 | 100
100
150
∑350 | | 改造后 | 單層
石英砂
濾板濾頭
布水系統(tǒng) | 850 | K80≤1.37
K60≤1.3 | Φ0.6—1.1 | 粗砂 | Φ2—4 | 50--100 |
（b)濾池有效面積與所采用的濾速 | 改造前 | 改造后 | | 濾池面積 | 二級(jí)每組8個(gè)池子，每池7m×3.7m面積51.8m2 | 面積未改變每池7m3.7m=51.8m2仍為二級(jí)每組8池，便于邊改造邊生產(chǎn) | | 濾速 | 8m/時(shí) | 10-12m/時(shí) |
(c)反沖洗方式與反沖洗強(qiáng)度及歷時(shí)過(guò)程 | 改造前 | 改造后 | | 單水反洗 | 單水反洗，水塔供水 | 單水反洗，增加水塔反洗水輸水泵 | | 反洗強(qiáng)度 | *15L/m.s 6.5分鐘 | 歷時(shí)5分鐘強(qiáng)度達(dá)到12-15L/m2.s |
*因受水塔容量限制，實(shí)際上達(dá)不到15L/m2.s。 2、濾池底部配水系統(tǒng)
改造前的陶瓷濾磚系統(tǒng)，濾磚鋪設(shè)沿池7m方向?yàn)?3排，沿3.7m方向?yàn)槊颗?塊組成，濾磚的開(kāi)孔與總開(kāi)孔比，參見(jiàn)下表： | 改造前 | 開(kāi)孔情況 | 開(kāi)孔比（按每塊濾磚計(jì)） | 開(kāi)孔比（按全池面積計(jì)） | 備注 | | 濾磚 | 中層4個(gè)孔＠Φ25mm | 1.1% | 1.05% | 開(kāi)孔比較小 | | 陶瓷磚雙層600×280×250高 | 上層96個(gè)孔＠Φ4mm | 0.72% | 0.64% |
| 改造后 | 材料及尺寸 | 數(shù)量 | 開(kāi)孔比（按每塊濾板計(jì)） | 開(kāi)孔比（按全池面積計(jì)） | 備注 | | 采用臺(tái)州中昌公司 | C30高強(qiáng)度鋼筋混凝土濾板 | 每格濾池28塊 | | | 開(kāi)孔比較濾磚稍大 | | 濾板 | 977×900×100厚 | | | | | 濾頭 | 型號(hào)QS-Ⅲ短柄濾頭縫隙40×0.25×25 | | 1.39% | 1.32% |
3、濾層厚度及過(guò)濾性指標(biāo)的參數(shù)
a、反映過(guò)濾性能的L/D指標(biāo)與S/A指標(biāo) | 過(guò)濾性指標(biāo) | 改造前 | 改造后 | 備注 | | L/Dm濾層厚度/平均粒徑 | 700/0.74=946 | 850/0.81=1049 | 兩項(xiàng)參數(shù)指出改造后有顯著提高 | | S/A=[6（1-ε）/Φ]L/D | [6（1-0.38)/0.8]700/0.74=4399 | [6(1-0.38)/0.75]850/0.81=5120 |
*從上述二項(xiàng)指標(biāo)比較改造后濾池濾床的過(guò)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 | 改造前 | 改造后 | 1、水質(zhì)效果：
過(guò)濾池進(jìn)水濁度：4-5NTU
濾后水濁度：3-5NTU
2、運(yùn)轉(zhuǎn)周期：≤12小時(shí)
3、日產(chǎn)水量：11.0萬(wàn)m3/日 | 1、水質(zhì)效果：
過(guò)濾池進(jìn)水濁度：4-5NTU
濾后出水濁度平均：0.43NTU,最好0.26NTU
2、運(yùn)轉(zhuǎn)周期：＞16-24小時(shí)
3、日產(chǎn)水量：15.5萬(wàn)m3/日 | 4、設(shè)計(jì)反洗水強(qiáng)度為15L/m2.s
實(shí)際強(qiáng)度僅12L/m2.s
反洗時(shí)間6.5分鐘還沖不清
反洗水量：300m2/次/池
沖洗末排水濁度正常時(shí)5NTU
不正常時(shí)10-20NTU | 4、反沖洗：
采用單水反洗強(qiáng)度只需12L/m2.s
反洗時(shí)間：5分鐘
反洗水量：190m3/次/池
砂層膨脹度均
沖洗末排水濁度：1.5NTU | | 5、配水系統(tǒng)原為陶瓷雙層濾磚，孔眼堵塞，濾磚破裂，沖洗不干凈，形成惡性循環(huán)，礫石層走動(dòng)，砂面凹凸不平整，出水水質(zhì)變劣 | 5、配水系統(tǒng)改為濾板濾頭反洗均勻性大大提高 | | 6、礫石承托層較高但濾磚堵塞或破裂而導(dǎo)致過(guò)濾失常，漏砂等。 | 6、濾池采用淺層中粗度顆粒均質(zhì)石英砂過(guò)濾及濾料比表面大大提高了。 | | 7、濾料采用一般普通濾池細(xì)顆?；浣M成，過(guò)濾性及濾料比表面均較小。 | 7、濾料采用淺層中粗度顆粒均質(zhì)石項(xiàng)砂過(guò)濾及濾半比表面大大提高了。 | | 8、中阻力濾磚破裂、不平整、反洗強(qiáng)度高、水頭損失大、出水水質(zhì)及出水量下降。 | 8、土建及安裝工程經(jīng)過(guò)科學(xué)的周密作業(yè)計(jì)劃與嚴(yán)格的工程質(zhì)量控制結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況，在不改動(dòng)或少改動(dòng)原池結(jié)構(gòu)情況下達(dá)到生產(chǎn)改造兩不誤和經(jīng)濟(jì)高效，濾頭濾板平整度達(dá)到＜2mm內(nèi)，試水無(wú)滲漏及布水均勻出水濁＜0.5Ntu，濾速與出水量均有所提高。 | | 9、新建15萬(wàn)m3/日普通濾池投資單位為人民幣40-47元/m3，如改革者V型氣水反洗濾池所需投資單價(jià)為58-60元/m3（包括鼓風(fēng)機(jī)房及沖洗泵房及PLC自控設(shè)備）。 | 9、由普通濾池改造為均粒淺層中粗粒石英砂濾層，布水系統(tǒng)為濾板濾頭所需費(fèi)用為每立米人民幣9.1元。約占新建普通濾池費(fèi)用20%。 |
五、改造工作幾點(diǎn)體會(huì)與收獲 1、濾料級(jí)配組成的改革
濾料濾料層級(jí)配組成是過(guò)濾池的靈魂。過(guò)濾工藝的實(shí)施沒(méi)有一種現(xiàn)存可取的濾料顆粒組成以資應(yīng)用。濾池顆粒級(jí)配的設(shè)計(jì)一直被忽視，較長(zhǎng)時(shí)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外凈水工藝曾一直沿用經(jīng)典的理論和實(shí)際方式即采取細(xì)粒度，高墊層、低濾速、低反洗強(qiáng)度來(lái)規(guī)范對(duì)濾料的選擇和開(kāi)拓應(yīng)用的思想。
近30-40年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，給水過(guò)濾理論已有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，從水中膠體顆粒雙電層壓縮、脫穩(wěn)到吸附沉淀微絮過(guò)濾，上向流反粒度過(guò)濾工藝?yán)碚撆c方式取得了質(zhì)的飛躍?，F(xiàn)代快速過(guò)濾的科學(xué)概念已經(jīng)不是依靠砂層表面，而是將凝聚的微小絮團(tuán)輸入濾層內(nèi)部深處藉深部表面與微絮 團(tuán)的凝集，吸附的絮團(tuán)與后續(xù)絮團(tuán)的相互粘附而進(jìn)行除濁。過(guò)濾的截留機(jī)制包含懸濁液向?yàn)V料表面的 輸送和吸附兩個(gè)階段。小顆粒(＜10μm)能被砂層間隙100μm級(jí)所截留，其機(jī)制已不同于過(guò)去以小截大的機(jī)制。這些微絮圖在曲折間隙水中移動(dòng)到濾料表面而進(jìn)行吸附。懸濁物接觸濾料表面依靠電位中和與架橋兩個(gè)條件促成吸附而從水中脫離。因此快濾池的除濁類似無(wú)數(shù)微型絮凝沉淀池進(jìn)行脫穩(wěn)、沉淀的固液分離器相同。應(yīng)用這些現(xiàn)代過(guò)濾濾床采用了粗粒度、厚濾層、高濾速、高反洗強(qiáng)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(jìn)水水質(zhì)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(guò)濾速度和水溫等因素。
《改善過(guò)濾池的效能》*較全面地總結(jié)了當(dāng)代國(guó)內(nèi)外，凈水過(guò)濾工藝存在的主要問(wèn)題，其中核心問(wèn)題之一就在于要打破過(guò)去盲目選用濾料級(jí)配過(guò)細(xì)的偏見(jiàn)，而實(shí)現(xiàn)均質(zhì)均?；蚧旌蠟V料反粒度過(guò)濾 的濾床以及濾料輔以氣水反洗或表面沖洗以及應(yīng)用助濾劑改變進(jìn)水水體中懸濁物的性狀的可行性。對(duì)于新建濾池固然是可行的，但對(duì)于在大批己建成水廠過(guò)濾地從事徹底的改建從環(huán)境場(chǎng)地投資經(jīng)費(fèi)作比較，是否可取尚須慎重從事。
但應(yīng)當(dāng)指出適合國(guó)內(nèi)己建濾池構(gòu)筑物現(xiàn)實(shí)存在的改造問(wèn)題，可采用較薄層均質(zhì)均粒中等粗粒度的濾料級(jí)配單水反洗既符合現(xiàn)代過(guò)濾理論的精粹所在，能大大提高過(guò)濾性而又能結(jié)合己建濾池的土建與 工藝結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，采用濾板濾頭或高密度聚乙烯濾磚等方案達(dá)到布水均勻以及選擇正確的反洗措施可大 大節(jié)省改建投資費(fèi)用，同時(shí)水量及水質(zhì)又可大大提高。
2、濾池的改造既要考慮到過(guò)濾性能好，又要達(dá)到經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的目的。
應(yīng)用細(xì)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(duì)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(shí)，其濾層厚度必須加高，一直到滿足像細(xì)顆粒相仿的過(guò)濾比表面為度。這便需要增加很高的濾層，這對(duì)于新建濾池來(lái)說(shuō).應(yīng)用很深或很高的濾池在基建投資上無(wú)疑將大大增高。如對(duì)于老池改造來(lái)說(shuō)除了虹吸濾池具有較高的池身外，一殷普通快濾池來(lái)講(3m±)就比較困難了。
所以改造工作既希望濾床有較好的過(guò)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(jí)配可以比粗顆粒厚濾層所取得相同的高過(guò)濾性能，而改造工程則大大的簡(jiǎn)化了。例如：它免去了鼓風(fēng)機(jī)及壓縮空氣機(jī)的設(shè)施與機(jī)房；氣反沖所需的輸氣管道，控制閥門系統(tǒng)，又免去了控制所需PLC系統(tǒng)和設(shè)施。改造中只需采用電動(dòng)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(shí)，對(duì)反洗機(jī)泵與管系都可保持原有設(shè)施而加以利用，改造工作只局限在濾池內(nèi)，如設(shè)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(dá)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(shí)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(xì)粒濾床
這是歐洲與美國(guó)水處理界較長(zhǎng)時(shí)期爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一。以法國(guó)為代表認(rèn)為應(yīng)用氣、水反洗微膨脹或 不膨脹深層粗粒料均質(zhì)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(yōu)質(zhì)的過(guò)濾水，而以美國(guó)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(rèn)為法國(guó)濾床雖采用氣、水反洗，曾發(fā)現(xiàn)底部仍存在污泥淤積現(xiàn)象，過(guò)濾效果并不理想，還據(jù)理闡明應(yīng)用薄層細(xì)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(kāi)孔比過(guò)大；二是濾床很深不膨脹或微膨脹而反洗水度及時(shí)間不夠富裕；三是進(jìn)水如屬真懸浮液的 除濁能力同平均粒徑的次冪成反比導(dǎo)致過(guò)濾性能下降，此時(shí)采用細(xì)顆粒比粗顆粒的過(guò)濾性為佳。
實(shí)際上深床過(guò)濾的確存在值得注意改進(jìn)的兩項(xiàng)較重要問(wèn)題才能使深度粗粒料發(fā)揮出蓄污能力高和 濁度不易穿透濾床的危險(xiǎn)：用氣沖洗再生，可剝離粒料上所粘附的膠體或污泥.但同時(shí)也須用相當(dāng)強(qiáng) 度和時(shí)間的水反洗，迫使已剝離的污泥得從濾床深處向上通過(guò)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(zhì)已經(jīng)剝離如仍不能排出濾床，豈非前功盡棄，而又滯留在池內(nèi)加重了負(fù)擔(dān)，形成惡化循環(huán)這是微膨脹或不膨脹濾層的弱點(diǎn)。因此反沖洗是否均勻還牽涉到濾頭在濾板上的數(shù)量與分布均勻性，反洗強(qiáng)度與反洗的時(shí)間。
美國(guó)的做法一直強(qiáng)調(diào)使濾料層處于流化狀態(tài)，水反洗強(qiáng)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(qiáng)度更須達(dá)到1.3Vmf。至此頂部過(guò)細(xì)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(yùn)用而生。但表面沖洗裝置系統(tǒng)所需安設(shè)的管系與增壓泵，卻進(jìn) 一步給濾池表面帶來(lái)復(fù)雜化，在國(guó)內(nèi)實(shí)用上受歡迎的不多。
反之法國(guó)的做法則過(guò)于強(qiáng)調(diào)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(lái)層層阻礙，不易徹底排清，就會(huì)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(guò)濾性能，而在反洗問(wèn)題上也同時(shí)達(dá)到一定的強(qiáng)度和膨脹度則對(duì)污泥的脫落和排除也達(dá)到了較好水平。
因此針對(duì)國(guó)內(nèi)過(guò)去己建普通濾池，我們應(yīng)用均質(zhì)均粒薄層或淺深層的中粗粒均粒濾料作為重力式過(guò)濾工藝的改進(jìn)，反沖洗采用單水反洗或氣、水反洗系統(tǒng)，從根本上提高過(guò)濾效能與出水水質(zhì)，又能達(dá)到耗費(fèi)投資少的優(yōu)點(diǎn)。
具體來(lái)說(shuō)通過(guò)杭州水司改造實(shí)踐證明，客觀上可以選擇兩種濾床的組成：
?。?）應(yīng)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(jìn)行改造。
?。?）應(yīng)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(jìn)行改造，兩者均較適合我國(guó)水廠改造。
對(duì)于國(guó)內(nèi)已建濾為普通快濾池、雙閥濾池、無(wú)閥濾池，采用第（1）種方式對(duì)于適用于一般池身高度，對(duì)較高的虹吸濾池則可采用第（2）種方式。這樣都能達(dá)到制因地制宜改造簡(jiǎn)易方便，提高過(guò)濾水量水質(zhì)而又能降低投資的造價(jià)的多種目的。
4、比較各類濾池濾料組成考核其過(guò)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(guò)濾性（L/dm）：
（Ⅰ）類：歐洲類型Aquazor-V型濾池均質(zhì)均粒石英砂濾率石英砂濾床；
（Ⅱ）類：美國(guó)類型即經(jīng)曲普通濾池，祥符橋水廠濾池亦屬此類，濾料為單層石英砂濾床。
（Ⅲ）類：中昌型淺層中粗粒均質(zhì)均粒石英砂濾床。
三類濾料組成分析比較詳見(jiàn)下表： | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 11 | | 濾池分類 | 濾料級(jí)配石英砂粒徑 | 濾層厚度 | d50=dm | ε0 | Φ | L/dm | S/A | Ri=(L/dm） | 增加吸附能力 | | Ⅰ）類歐洲Aquazor-V型 | a.Φ0.95-1.35 | 1200 | 1.13 | 0.4 | 0.7 | 1062 | 5461 | Ra=1.06×103 | 29-36% | | b:Φ0.9-1.2 | 1100 | 1.04 | 0.4 | 0.7 | 1057 | 5440 | Rb=1.06×103 | 29-36% | | Ⅱ）類：美國(guó)型 | a.0.5-1.2 | 700 | 0.77 | 0.38 | 0.8 | 904 | 4227 | Ra=9×102 | - | | b0.42-1.27 | 600 | 0.73 | 0.35 | 0.8 | 822 | 4007 | Rb=8.2×102 | - | | Ⅲ）類中昌型 | a.淺層中粗粒度0.6-1.10 | 850
900 | 0.81 | 0.38 | 0.75 | 1049
1111 | 5203
5511 | Ra=1.05-1.11×103 | 21-28%
29-35% | | b.深層中粗粒度0.8-1.1 | 1000
1100 | 0.92 | 0.4 | 0.75 | 1063
1170 | 5106
5616 | Rb=1.02-1.17×103 | 27%
34-40% |
由表可知以L/dm代表過(guò)濾性之值或去除率的對(duì)數(shù)值Ri指出 RⅠAB＞RⅡab≤RⅢAB
Ri=ln(c/coi)=λ(L/dm)i=λ(fanθi) 同時(shí)Pi=1/Ri表示濾料的通透性 | 類別 | fanθi | Qi | Ri | 過(guò)濾性 | Pi | 通透性 | | Ⅰ | a | 6.67 | QIa=81.5 | 1.1×103 | 好 | 9.1×10-3 | 小 | | b | 7.86 | QIb=81.75 | 1.1×103 | 好 | 9.1×10-3 | 小 | | Ⅱ | a | 2.55 | QIa=68.6° | 9×103 | 次 | 1.1×10-2 | 大 | | b | 1.94 | QIb=62.5° | 8.2×102 | 次 | 1.2×10-2 | 大 | | Ⅲ | a | 4.29 | QIa=76.9° | 1.1×103 | 好 | 9.0×10-3 | 小 | | b | 7.14 | QIb=82° | 1.1×103 | 好 | 9.1×10-3 | 小 |
Pi=f(dm/L)
PⅠ＜PⅡ≤PⅢ 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(yīng)用于粗、細(xì)、中三類濾料則 [S/A]粗/[S/A]細(xì)=φ細(xì)/φ細(xì)=（1-ε0）粗/（1-ε01）細(xì)×L粗/L細(xì)×d粗/d粗 現(xiàn)就粗、細(xì)、中三類濾床作比較均同細(xì)粒度(即經(jīng)典過(guò)濾)為基準(zhǔn)其結(jié)果，己列于表中第9、10列。由此可見(jiàn)采用中昌型淺層中超粒濾層或淺深層中粗粒濾層的過(guò)濾性及單位面積的比表面吸附能力 均占相當(dāng)優(yōu)越性和合理性。
各類砂床組成的比較其基礎(chǔ)是相同進(jìn)水水質(zhì)，過(guò)濾速率，水溫及相同球體形砂粒條件進(jìn)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(guò)濾率與通透性， 而加以比較的，根據(jù)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(shù)量，于是可得到以下表所示的結(jié)果。 | 三類砂濾床 | 沿L深度排列dm（N）的球粒數(shù) | 疊球的體積V=（N）.V | 疊球的體積S=（N）.Si | 比表面S/dm2 | 空隙量∑0=V-（N）v | 空隙比∑0/v-N | 過(guò)濾性Ri | 通透性Pi | | Ⅰa | 1062個(gè) | V=802mm3 | S=4260mm2 | 3336 | ∑0=730mm3 | 0.48 | 1.1×103 | 9.4×10-3 | | Ⅰb | 1078個(gè) | V=599mm3 | S=3525mm2 | 3388 | ∑0=545mm3 | 0.48 | 1.1×103 | 9.3×10-3 | | Ⅱa | 946個(gè) | V=201mm3 | S=1627mm2 | 2971 | ∑0=182mm3 | 0.48 | 9.5×102 | 1.1×10-2 | | Ⅱb | 822個(gè) | V=167mm3 | S=1376mm2 | 2582 | ∑0=152.7mm3 | 0.48 | 8.2×102 | 1.2×10-2 | | Ⅲa | 1111個(gè) | V=309mm3 | S=2290mm2 | 3490 | ∑0=282mm3 | 0.48 | 1.1×103 | 9.0×10-3 | | Ⅲb | 1011個(gè) | V=408mm3 | S=2662mm2 | 3145 | ∑0=438.4mm3 | 0.52 | 1.0×103 | 9.9×10-3 |
表列結(jié)果同圖中所示表列數(shù)基本相同。
5、應(yīng)用淺層中超粒及淺深層中超粒均粒濾料濾池的投資經(jīng)濟(jì)性較突出。
(一)普通快濾他的土建和設(shè)備(指包括閥門、管配件等)的基建費(fèi)用按15萬(wàn)m3／日供水量的水廠包括安裝(國(guó)產(chǎn)設(shè)備)其總費(fèi)用為人民幣600—700萬(wàn)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(fèi)用僅為136萬(wàn)元，僅占新建費(fèi)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(guī)模以40萬(wàn)m3／日濾站的基建同上海浦東某著名自動(dòng)化控制現(xiàn)代化水廠投資總額分析比較如下；
1)濾站：a.主體土建及國(guó)產(chǎn)設(shè)施設(shè)備及安裝費(fèi)用為￥195.5萬(wàn)元
b、附屬建筑鼓風(fēng)機(jī)房(兼空壓機(jī)房水泵房)的土建及安裝費(fèi)用為￥209萬(wàn)元
2)濾池設(shè)備；a國(guó)產(chǎn)設(shè)備及安裝費(fèi)用￥6.5萬(wàn)元
b.進(jìn)口設(shè)備及安裝費(fèi)用(鼓風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、水泵等)￥1825萬(wàn)元
3)PLC系統(tǒng)為全廠子站之一約為￥97萬(wàn)元
合計(jì)40萬(wàn)m3／日濾站的投資總額為￥2，333萬(wàn)元
其中引進(jìn)設(shè)備即第2)b占總額為￥l.825萬(wàn)元
合占 78.23%
合每1m3／日能力所需投資為￥58.33元。
(二)上述40萬(wàn)m3／日現(xiàn)代化水廠中如以國(guó)產(chǎn)設(shè)備代替進(jìn)口設(shè)備。
則總投資費(fèi)用大為減低，這樣所需投資合每1m3／日能力費(fèi)用為20元／m3，約800～1000萬(wàn)元。則改造費(fèi)用與之比較則僅9.1元／m3合占15％。
由此得到幾點(diǎn)啟示：
1、為全部應(yīng)用國(guó)產(chǎn)設(shè)備，如土建及安裝，所需投資費(fèi)用只需1000～1200萬(wàn)元，含每1m3／日能力 投資費(fèi)為30元。
2、對(duì)15萬(wàn)m3／日水廠而言濾站基建投資以50～60元／m3計(jì)采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備及單水反洗所需投資 費(fèi)為750～900萬(wàn)元。
3、對(duì)15萬(wàn)m3／日老水廠濾池改造免去了鼓風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)以及仍利用水塔反洗免去水泵房土建與設(shè)備安裝，根據(jù)杭州自來(lái)水祥符橋水廠濾池改造經(jīng)驗(yàn)只需136萬(wàn)元僅為總投資18～20%。
4、對(duì)改造老池的具體項(xiàng)目主要為改變?cè)?xì)顆粒、薄層濾料為淺層中粗粒濾料：濾板濾頭布水系統(tǒng)，因而所需工期大為縮短和簡(jiǎn)化，改造期內(nèi)可實(shí)行邊生產(chǎn)邊改造不影響水廠供應(yīng)，達(dá)到多、快、 好、省的目的。 六、結(jié)論 1、應(yīng)用中昌所創(chuàng)選的淺層中粗粒均質(zhì)均粒石英砂單水反洗濾床或淺深層中粗粒均質(zhì)均粒石英砂氣、水反洗濾床，從理論上和實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)上可獲得比—般經(jīng)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(guò)濾性和出水水質(zhì)。
2、應(yīng)用中昌公司所創(chuàng)造的濾床還同時(shí)有其它的優(yōu)點(diǎn)：可以對(duì)一般普通快濾池進(jìn)行最簡(jiǎn)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(gè)濾池內(nèi)進(jìn)行底部進(jìn)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(dá)到充分利用普通濾池等原有土建與設(shè)備，完全免除了新建機(jī)房，管閥系統(tǒng)及PLC控制系統(tǒng)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效的目的。而且可以邊生產(chǎn)邊改造的情況下逐只逐組地進(jìn)行達(dá)到生產(chǎn)與改造兩不誤的優(yōu)點(diǎn)。杭州祥符橋水廠兩組濾池的改造在16只池在對(duì)外不斷生產(chǎn)供水的情況下通過(guò)科學(xué)安排，僅用了160多天時(shí)間完成了即濾池的改造工作，改造費(fèi)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(fèi)用。
3、濾池經(jīng)改造后經(jīng)過(guò)190多天的運(yùn)行測(cè)定在進(jìn)水濁度5Ntu以下時(shí)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(shí)，出水量從11萬(wàn)m3／日提高到15.5萬(wàn)m3／日，出水量提高了40.9％或?qū)υO(shè)計(jì)規(guī)模提高了7％。 
| | θi | fanθi=L/103×dm8 | Pi=(1/Ri) | | Ⅰ | θⅠa=81.5° | 1200/103(1.13-0.95)=6.67 | 9.4×10-4 | 小 | | | θⅡb=81.25° | 1100/103(1.04-0.9)=7.86 | 9.4×10-4 | 小 | | Ⅱ | θⅠa＝68.6° | 700/103(0.77-0.5)=2.55 | 1.1×10-3 | 大 | | | θⅡb＝62.5° | 600/103(1.13-0.95)=1.94 | 1.2×10-3 | 大 | | Ⅲ | θⅠa＝76.9° | 900/103(0.81-0.6)=4.29 | 9.0×10-4 | 小 | | | θⅡb＝90° | 1000/103(0.94-0.8)=7.14 | 9.4×10-4 | 小 |
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(lái)水二公司《一廠濾池改造及運(yùn)行情況》
張亞杰 教授級(jí)高工 中昌公司顧問(wèn)總工程師
倪席平 申昌公司總經(jīng)理
丁云鶴 高級(jí)工程師 中昌公司總工程師 | 
