应对供水突发公共事件的炭砂滤池应急改造技术研究

1.1 试验装置

中试采用3座有机玻璃柱并联运行模拟滤池，编号1#~3#，装置进水为厂区沉后水，尺寸为￠900×3800 mm，单座设计流量5 m3/h，设计滤速8 m/h，空床接触时间10 min，采用长柄滤头进行配水配气。

1.2 试验方法

1.2.1 炭砂配比

研究中试炭层采用￠1.5 mm的煤质柱状活性炭，砂层采用粒径为0.95 mm的石英砂，K80=1.4。本试验炭砂配比厚度如表1所示。通过对比浊度、高锰酸盐指数、氨等指标的去除效果得出最佳炭砂配比。

表1 试验炭砂配比组合参数

1.2.2 冲洗方式研究

探究不同气冲强度、水冲强度、气冲时间和水冲时间对冲洗效果的影响，冲洗周期为24 h，气水冲洗间隔时间保持2 min不变。其中，气冲强度控制变量为14、15、16、17 L/(m2·s)，气冲时间为1、3、5 min，水冲强度为9、11、13、15 L/(m2·s)，水冲时间为3、5、7、9 min。通过对比滤后水浊度和高锰酸盐指数的去除效果得出最佳冲洗方式，并在冲洗过程中记录炭层和砂层的膨胀高度以及两种滤料的分界情况。

2.1 滤层炭砂配比选择

本研究在中试进行第22 d后，对2#和3#炭砂滤柱进行滤层改造。探究炭砂滤池对水中氨、高锰酸盐指数和浊度等污染物的去除效果。

2.1.1 氨去除效果

炭砂滤柱对氨的去除效果如图1所示。结果表明，在滤层总高度不变、炭砂配比不同的情况下，1#炭砂滤柱对氨的去除效果最佳，平均去除率可达46.99%，主要原因为上层活性炭形成的生物膜中存在硝化细菌，随着炭层厚度的增加，硝化菌的数量越多，其对氨的去除效果也越强，且石英砂对氨的去除有限。与砂滤柱对比，炭砂滤柱的去除率较低，但其出水均满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）限值要求。

图1 氨去除效果

2.1.2 高锰酸盐指数去除效果

炭砂滤柱对高锰酸盐指数的去除效果如图2所示。活性炭利用自身大比表面积和孔隙结构对水中有机物有明显的吸附作用，并且活性炭表面及内部形成的生物膜也具有一定的生物降解作用。结果显示，炭砂滤柱出水高锰酸盐指数均低于《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）的限值，1#滤柱具有最高的高锰酸盐指数去除率，且去除效果明显优于普通砂滤池。1#炭砂滤柱与2#~3#（改造后）相比，高锰酸盐指数的去除率相近，说明石英砂层对有机物的过滤作用较弱。

图2 高锰酸盐指数去除效果

2.1.3 浊度去除效果

炭砂滤柱对浊度的去除效果如图3所示。结果表明，各炭砂滤柱对浑浊度的去除率均不及砂滤柱，这是因为上部柱状活性炭层孔隙较大，结构较为松散，对水中杂质的拦截作用有限，且石英砂为均质滤料，截污能力更强，石英砂滤层在浑浊度的去除中起主要截留作用。但在试验第33~40 d，控制进水浑浊度低于2 NTU，3根炭砂滤柱出水浑浊度均稳定小于0.3 NTU，其中，1#炭砂滤柱出水浑浊度平均去除率为85.67%。

图3 浑浊度去除效果

2.2 冲洗参数选择

通过炭砂滤柱对污染物去除效果的分析，可以得出最佳炭层和砂层厚度为800 mm和500 mm。在该炭砂配比的基础上，探究最佳的冲洗方式，避免出现滤层板结、出水超标、炭砂混层等问题。

2.2.1 滤层膨胀率

对不同气冲和水冲强度下炭砂滤柱的滤层膨胀率进行测定，如图4所示。结果表明，滤层的整体膨胀主要是由活性炭层引起的，石英砂层在不同反冲洗强度下膨胀甚微，且低水冲强度下不膨胀。当气冲强度为16、17 L/(m2·s)时，活性炭上层颗粒会随气泡上浮，易造成跑炭现象，因此，气冲强度小于等于16 L/(m2·s)较为合适。炭层膨胀率和水冲强度呈明显的线性关系，当水冲强度为13、15 L/(m2·s)时，炭砂滤柱的整体膨胀率分别为14.59%和20.66%，以该强度进行冲洗不会引起滤层过度膨胀，且清洗较为完全。

图4 不同反冲洗强度下滤层的膨胀率

2.2.2 气冲强度和气冲时间

在不同气冲强度下炭砂滤柱对浊度和高锰酸盐指数的去除效果如图5所示。结果表明，当气冲强度为14 L/(m2·s)时，对滤层的清洗不够彻底，15~17 L/(m2·s)的气冲强度对滤层浊度的去除效果有所增强且改善程度相当。随着气冲强度的增大，出水高锰酸盐指数的去除率也逐渐提高，当气冲强度为17 L/(m2·s)时，高锰酸盐指数的去除率降低至64.43%，这可能是因为较大的气冲强度会对滤层的生物膜产生冲击，从而削弱滤层对有机物的生物降解能力。因此，最佳气冲强度为16 L/(m2·s)。

图5 气冲强度对浊度和高锰酸盐指数去除效果的影响

在不同气冲时间下炭砂滤柱对浑浊度和高锰酸盐指数的去除效果如图6所示。可以看出气冲时间延长至3 min时，炭砂滤柱对浑浊度和高锰酸盐指数的去除率分别增加8.88%和8.35%，之后趋于稳定。这是因为气冲时间的延长导致中下部滤层因气体冲击而脱落的杂质更多，使得水冲后滤层残余杂质减少，因此，最佳气冲时间为3 min。

图6 气冲时间对浊度和高锰酸盐指数去除效果的影响

2.2.3 水冲强度和水冲时间在

不同水冲强度下炭砂滤柱对浑浊度和高锰酸盐指数的去除效果如图7所示。当水冲强度由9 L/(m2·s)提升至13 L/(m2·s)时，浑浊度的平均去除率由75.78%显著提高至89.56%，这说明低水冲强度不能将滤层冲洗彻底，导致活性炭的吸附性能未充分恢复；当水冲强度由13 L/(m2·s)增大至15 L/(m2·s)时，浑浊度的去除率仅由89.56%提升至91.16%，对浑浊度的去除效果无明显的提高。当水冲强度为11 L/(m2·s)时，高锰酸盐指数去除率仅为49.60%，说明对滤层的冲洗不够彻底；当水冲强度由13 L/(m2·s)增大至15 L/(m2·s)时，高锰酸盐指数平均去除率降低至62.79%，这可能是因为较大的水冲强度冲击滤层的生物膜导致对有机物的生物降解能力减弱。综合考虑污染物去除效果及设备能耗，采用13 L/(m2·s)的水冲强度最为合适。

图7 水冲强度对浊度和高锰酸盐指数去除效果的影响

由图8可以看出，较短的水冲时间未能将气冲阶段脱落的杂质排净，当水冲时间延长至9 min时，浑浊度及高锰酸盐指数的去除率达到最高，该水冲时间对滤层的冲洗最为彻底。

图8 水冲时间对浊度和高锰酸盐指数去除效果的影响

2.2.4 水力分层

炭层和砂层的混杂会加大滤池的水头损失并影响其去除效果，炭砂滤池气冲后会发生混层现象，为避免该问题，需采用高强度的水反冲洗进行水力分级使滤料分层。如图9所示，采用不同水冲强度对滤层进行冲洗，记录冲洗后的炭砂界面情况。

图9 不同强度水冲后的炭砂界面情况

当水冲强度为9 L/(m2·s)时，炭砂混层严重；当水冲强度为13 L/(m2·s)时，炭层和砂层有较为明显的边界；当水冲强度为15 L/(m2·s)时，炭层和砂层出现清晰的界面。这说明水冲强度越大，活性炭和石英砂的水力分层完成度越高，滤料分层也越明显。因此，采用13 L/(m2·s)及以上的水冲强度，对滤层的水力分层效果最佳。

2.3 炭砂滤池工程改造方案

结合上述中试结果，并通过对镇江、东莞和武汉等地工程的炭砂滤池进行调研，凝练总结形成一套完整的炭砂滤池工程改造方案，改造内容及步骤如下：

(1)清理原有砂滤池中的石英砂至厚度为500 mm，确保石英砂粒径满足d10=0.55~0.95 mm，不均匀系数K80<1.6，若不满足，需重新装填。

(2)清洗滤池池体，疏通和修复原有配水系统。

(3)对于V型滤池和翻板滤池，滤池原有气洗系统，只需将大阻力配水配气系统改造为小阻力，推荐采用长柄滤头，开孔比1.25%~2%。对于单水冲洗滤池需增加全套气洗系统，气洗系统可从池面向下伸入配水层，在原有配水管上方安装环状布气总管及支管，配水配气区高度不小于0.4 m，配水配气系统采用长柄滤头。

(4)安装气洗阀、排气阀及自冲洗泵房新安装风机引出的气洗管，进行布气试验，确保管道安装到位，布气均匀。

(5)装填800 mm厚的1.5 mm煤质柱状活性炭，保证铺装均匀。

(6)为使滤池保持足够的过滤水头，避免滤层出现负压、冲洗过于频繁、跑炭现象，按滤层膨胀率为30%，滤层表面以上水深应控制在1.2 m以上，水面超高不宜小于0.4 m，排水槽或排水渠底部距滤层表面高度不宜小于0.4 m。

(7)进行新安装阀门及设备的调试，确保设备运行良好。进行自控系统的修改，增加气冲及气水冲洗程序，调整运行参数。

(8)对改造完成后的滤层进行浸泡，每天冲洗一次，尽可能去除炭层和砂层中的残余粉炭和杂质。

(9)对炭砂滤池出水进行采样测定，当水质满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）的要求，方可投入运行。

（1）探究了不同炭砂配比对水中氨、高锰酸盐指数和浊度等污染物去除效果的影响。1#炭砂滤柱对氨和高锰酸盐指数的平均去除率分别为46.99%和54.81%，其对有机物的去除效果明显优于砂滤柱，当进水浊度低于2 NTU时，1#炭砂滤柱浊度平均去除率可达85.67%，出水满足厂区滤后水浊度指标低于0.3 NTU的要求。中试的最佳炭层和砂层厚度分别为800 mm和500 mm。

（2）在最佳炭砂配比的基础上，探究了不同气冲强度、水冲强度、气冲时间和水冲时间对冲洗效果的影响。试验的最佳冲洗方式为16 L/(m2·s)气冲3 min、间隔2 min、13 L/(m2·s)水冲9 min；采用该冲洗方式时，1#炭砂滤柱滤后水浊度和高锰酸盐指数去除率可达89.56%和66.27%。

（3）形成的炭砂滤池工程改造方案包括：现状砂滤料的清理及换填、池体清洗及配水系统修复、气洗系统改造、管道及阀门配件安装、炭滤料加铺、设备调试及自控系统调节、冲洗要求及投入运行条件等，可为应对供水突发事件时砂滤池改造为炭砂滤池提供一定的理论指导。