黃宇萍　(湛江市自來水公司，廣東湛江524001)

　　摘　要：由于除鐵機(jī)理的特殊性，接觸氧化除鐵濾池設(shè)計(jì)上有某些不同于自然氧化除鐵濾池之處。從反沖洗方式、配水配氣系統(tǒng)的選擇、濾料的選擇、洗水槽安裝高度的確定和池型選擇等方面對(duì)其進(jìn)行了總結(jié)和探討。
　　關(guān)鍵詞：接觸氧化濾池；除鐵；設(shè)計(jì)
　　中圖分類號(hào)：TU991.26文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2001)12-0041-03

　　地下水除鐵既可用自然氧化法，也可用接觸氧化法。我國(guó)有不少地方的地下水屬于第二類型含鐵地下水，其具有低pH值、低堿度、低含鹽量和二氧化硅含量相對(duì)較高等化學(xué)特性，故不能用自然氧化法除鐵，只能用接觸氧化法除鐵［1］。湛江市的地下水便是一個(gè)典型的例子。
　　除鐵濾池也分為兩類：澄清濾池和接觸氧化濾池，前者用于自然氧化法除鐵，后者用于接觸氧化法除鐵。澄清濾池可截留水中以Fe3+狀態(tài)存在的鐵質(zhì)懸浮物，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)與地面水除濁濾池基本相同。接觸氧化除鐵濾池則主要用來氧化、截留水中以Fe2+狀態(tài)存在的鐵質(zhì)，作用機(jī)理與除濁濾池不同，設(shè)計(jì)上也有某些特殊要求。

1　反沖洗方式

　　接觸氧化除鐵濾池要求地下水經(jīng)過簡(jiǎn)單的曝氣充氧、去除部分二氧化碳后，待濾水中大部分鐵質(zhì)仍以Fe²⁺狀態(tài)進(jìn)入濾層，依靠濾料表面已生成的鐵質(zhì)活性濾膜的自催化反應(yīng)完成鐵的氧化截留過程。
　　鐵質(zhì)濾膜和鐵泥都是由微小的球狀三價(jià)鐵的氫氧化物組成^［2］，它的擴(kuò)散系數(shù)(E)很大，與濾料顆粒表面的粘附力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自然氧化法中的絮狀鐵質(zhì)懸浮物。假如使用單一水沖洗法，即使強(qiáng)度達(dá)14～16 L/(s·m²)，也難以使鐵泥徹底剝落、破碎、沖洗干凈，時(shí)間稍長(zhǎng)便會(huì)形成大量泥球，直至濾料表面龜裂、濾層堵塞。
氣水反沖洗法則可使鐵泥徹底剝離，并有效地防止濾層泥球和龜裂的形成。其原理是利用大量氣泡上升過程中對(duì)濾料的反復(fù)擠壓—放松—擠壓作用和氣泡尾渦的混摻作用，使水流剪切力和濾料顆粒碰撞力都大大提高(總G值是單一水沖洗的1.7～4.4倍)。
　　小氣泡在濾層內(nèi)邊上升邊聚合成大氣泡。聚合氣泡的直徑越大，擾動(dòng)作用也越大，而氣泡聚合又與砂面水深有關(guān)，水越淺越有利于進(jìn)一步聚合，故氣洗前宜停止進(jìn)水并盡量降低水位(降至砂面以上10～20 cm)，這樣還可防止被氣泡尾渦挾帶上來的濾料在氣泡破裂時(shí)流失。實(shí)踐證明，氣水反沖洗法不僅可靠、高效，而且可節(jié)約大量反沖用水。三段式氣水反沖洗法又優(yōu)于單一氣水沖洗法，其步驟為先氣洗［qa=14～16 L/(s·m²)
，t=1～2 min］，再氣水混合洗［qa=7～8 L/(s·m²)，qw=3.5～4.0 L/(s·m²)，t=2～3 min］，最后水洗［qw=7～8 L/(s·m²)，t=3～4 min］。
　　反沖氣源由空氣壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)供給。前者壓力大而流量小，必須設(shè)一個(gè)很大的貯氣罐加以緩沖，即使這樣，沖洗過程中的空氣壓力和流量仍然是由高變低、變化很大，而過高的初始?jí)毫土髁咳菀讓?dǎo)致支承層位移和濾料流失。鼓風(fēng)機(jī)供氣雖然一次投資稍大，但可始終保持穩(wěn)定的設(shè)計(jì)壓力和流量，沖洗效果良好。采用沖洗水箱(水塔)供水同樣有壓力、流量不穩(wěn)定的問題，最好由專門配置的沖洗水泵供水。

2　配水配氣系統(tǒng)的選擇

　　穿孔管式大阻力配水系統(tǒng)具有配水均勻、工作可靠、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能好的優(yōu)點(diǎn)，但它的水頭損失大(h=19.6～39.2 kPa)，金屬管道容易銹蝕、損壞、堵塞。湛江市自來水公司曾使用一種由岐管和傘形濾頭組成的大阻力配水系統(tǒng)。傘形濾頭由銅質(zhì)濾管和連接于其頂端的濾帽組成，濾管的上端鉆有一個(gè)d=4 mm的配水孔。濾帽是一塊半球形銅片，沿徑向開有幾條內(nèi)小(d=1 mm)外大(d=3 mm)的三角形配水縫。傘形濾頭通過濾管下端的外螺紋均勻地安裝在岐管支管上，岐管為鍍鋅鋼管，整體埋置于濾池底板的混凝土中。這種配水系統(tǒng)工作可靠、配水均勻、不堵塞，但岐管支管上的內(nèi)螺紋接頭經(jīng)多年使用會(huì)銹蝕損壞，難于維修。
　　豆石濾板、尼龍濾頭、穿孔板和三角槽等都屬于小阻力配水系統(tǒng)，雖然水頭損失小(h＜1.96 kPa)，但動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性差，單池面積較大時(shí)不宜采用。豆石濾板是由礫石與水泥拌成的無砂混凝土，其強(qiáng)度、水頭損失、均勻性等參數(shù)因受拌制時(shí)的工藝條件所制約而極不穩(wěn)定，彎曲而不規(guī)則的縫隙半年內(nèi)便會(huì)被鐵質(zhì)堵死。尼龍濾頭由于過水縫隙細(xì)小(b=0.2～0.25 mm)，加上濾帽機(jī)械強(qiáng)度偏低，在池內(nèi)壓力作用下會(huì)收縮變形，通常使用不足1年就被濾過水中的殘余鐵質(zhì)所堵塞。混凝土穿孔板上的尼龍網(wǎng)易老化破裂，相對(duì)而言，三角槽不失為一種較好的配水形式。但是，三角槽混凝土板只有15～20 mm厚，板的強(qiáng)度和孔眼附近混凝土的密實(shí)度受手工制作的工藝條件影響很大，在水的沖刷、侵蝕下孔徑會(huì)逐漸擴(kuò)大，配水均勻性下降，槽間水泥砂漿接縫的強(qiáng)度和水密性因受安裝、養(yǎng)護(hù)質(zhì)量的影響而難以保證。多年使用經(jīng)驗(yàn)表明，若制作、安裝質(zhì)量都控制得比較好，三角槽配水系統(tǒng)可用3～5年，否則幾個(gè)月內(nèi)便會(huì)因接縫砂漿脫落而導(dǎo)致支承層移位、濾砂漏失、板底堵塞乃至槽板斷裂。舊池翻修時(shí)，因池壁與槽板接縫處的新舊砂漿粘結(jié)差，安裝質(zhì)量更難掌握。濾池配水系統(tǒng)的頻繁翻修，對(duì)安全供水及生產(chǎn)成本所產(chǎn)生的影響之大是不言而喻的。
　　湛江市自來水公司近年開發(fā)了一種新型的三角槽，它的上半截(人字板部分)由不銹鋼板制作，下半截(直立部分)則用混凝土小梁代替，人字板與小梁之間墊以橡膠墊片，人字板則通過錨固于小梁和濾池底板上的不銹鋼螺栓固定。這種三角槽雖然制作成本稍高，但可避免混凝土三角槽的種種質(zhì)量隱患。
　　以上幾種系統(tǒng)都是只配水不配氣。采用氣水反沖洗法時(shí)還必須在支承層內(nèi)另加穿孔管配氣系統(tǒng)，使系統(tǒng)復(fù)雜化。
　　經(jīng)反復(fù)比較，V型濾池的配水配氣系統(tǒng)和反沖洗方式具有較大的優(yōu)越性而值得借鑒，但關(guān)鍵在于如何防止其濾頭堵塞。為此，研究出一種寬縫的長(zhǎng)柄濾頭，這種新型濾頭已經(jīng)過1年多的生產(chǎn)運(yùn)行檢驗(yàn)，既可均勻地配水配氣，又可防止鐵質(zhì)堵塞，適用于接觸氧化除鐵濾池。
　　由于鐵泥的粘附力大，對(duì)接觸氧化除鐵濾池配水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性要求應(yīng)高于普通澄清濾池。選用小阻力配水系統(tǒng)時(shí)，建議采用較小的開孔比(α=0.009)、較高的孔眼流速(Vw=0.8 m/s，Va=1.8 m/s)，以增大孔眼阻力。

3　濾料的選擇

　　石英砂、無煙煤、天然錳砂都可作為接觸氧化除鐵濾池的濾料。對(duì)于湛江的屬第二類型含鐵地下水，可能是因?yàn)樗疁馗?＞27 ℃)或其他方面的原因，濾料基本上不需要成熟期，40多年來一直使用石英砂、無煙煤除鐵。無煙煤對(duì)Fe2+的氧化能力優(yōu)于石英砂，濾料的適宜厚徑比(L/d)≥1 000。
　　如果采用雙層濾料和氣水反沖洗法，最好通過試驗(yàn)確定強(qiáng)烈的氣流攪拌和氣泡尾渦的挾裹作用對(duì)煤、砂層間相互混雜的影響。通常用單一石英砂或無煙煤作濾料，均粒濾料比普通非均粒濾料具有更好的除鐵效果。

4　洗水槽安裝高度的確定

　　在水洗強(qiáng)度低的情況下，濾層基本不膨脹或微膨脹，洗水槽的斷面高度也大大減少，因此可以降低洗水槽的安裝高度，有利于鐵泥的排除，縮短反沖洗時(shí)間。但是，考慮氣泡尾渦的挾裹作用和防止濾料流失，槽頂至砂面的距離不宜少于50 cm ，槽底至砂面的凈高也不宜少于15 cm。

5　池型選擇

　　無閥濾池的過濾和反沖洗只受其濾層水頭損失的控制，很難實(shí)行氣水反沖洗。依靠輔助虹吸管形成反洗管虹吸的虹吸濾池，與無閥濾池一樣也難于實(shí)行氣水反沖洗。通過真空泵或壓力水射器來形成反洗管虹吸的虹吸濾池，雖可以實(shí)行氣水反沖洗，但由于無法控制單格濾池的進(jìn)、出水，所以不能采用三段式，只能用單一氣水反沖洗。虹吸濾池的反沖水頭偏低，且隨著反洗過程而沖洗強(qiáng)度不斷降低；開始時(shí)的較大反沖水流和反洗氣流，容易導(dǎo)致大量跑砂；反洗后段水的強(qiáng)度減弱，又難于徹底排除鐵泥。
　　對(duì)于接觸氧化除鐵，普通快濾池和V型濾池是比較適宜的濾池池型，這兩種池型也便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，以進(jìn)一步提高水質(zhì)和管理水平。

6　結(jié)語

　　接觸氧化除鐵濾池的設(shè)計(jì)有其特殊性：
　?、俦容^適用的池型是普通快濾池和V型濾池(小型水廠也可采用虹吸濾池)。
　　②沖洗方式宜用氣水反沖洗法，建議采用三段式氣水反沖洗法。
　?、蹫V料可用石英砂、無煙煤和天然錳砂，厚徑比≥1 000。
　?、芘渌錃庀到y(tǒng)宜采用較低的開孔比，新開發(fā)的長(zhǎng)柄濾頭具有配水配氣均勻、工作可靠、不會(huì)被鐵質(zhì)堵塞的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

　　［1］黃宇萍，蔡同辛.第二類型含鐵地下水除鐵研究［J］.中國(guó)給水排水，1993,9(2):4-19.
　?。?］李圭白，劉超.地下水除鐵除錳［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1989.

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　　收稿日期：2001-07-09