微絮凝-深床直接过滤及工艺参数研究

　　　微絮凝—深床直接过滤又简称直接过滤工艺［1］。它实际是在对混凝、过滤作用机理及其工艺过程深入研究的基础上，将混凝与过滤过程有机集成为一体，形成了当今水处理的高新技术系统［2、3］。近年来，采用该过滤工艺处理低温、低浊、有色水质已成为发达国家水厂选择的主流［4］。 1 　中试装置及流程　
1.1 装置
　　中试装置及工艺流程如图1所示。
　　中试是在小型模拟试验［5］基础上进行的优化放大，最大设计处理量为1.2m3/h 。滤床采用有机玻璃管，高为5 000 mm、内径为200mm、取样管间隔为300 mm、承托层为20 0 mm。由于小试选用滤料的粒径相对较小，导致截污分布相对不均，过滤周期未能达到最佳状况，故中试选用了超大粒径的无烟煤滤料(粒径为3.5～4 mm，有效粒径d10为3.8 mm，不均匀系数为1.05)，滤料填充高度为1000～2500mm。为保证布水、布气均匀，采用长柄滤头布水并在滤层底部铺垫粒径为16～32mm、8～16mm、4～8 mm的卵石承托层。
1.2 工艺流程
　　原水直接与水厂配水管路相连，用水泵提升。絮凝剂与原水通过管式混合器混合、经旋流混合槽后直接进入滤床进行过滤处理。管式混合器前由高精度电子蠕动计量泵控制加药量，管道混合停留时间设定为1～2min。旋流混合槽出口处安装流动电流检测仪在线检测混合水质的流动电流变化状况。出水浊度采用美国Great Lake公司的在线浊度监测仪进行瞬时监测并传输至Hitachi Cor.的记录仪进行记录。
1.3 控制标准
　　采用下向流等速变水头过滤，滤速为16～32 m/h，水头损失穿透标准设定为250cm(25 kPa)，水质穿透标准设定为浊度＜0.3 NTU、色度＜0.5倍，与国外控制标准一致［4］。
　　所用药剂分别为碱化度为40%～60%、Al2O3含量为10%和16%的液体聚合氯化铝，投药量以水厂现有工艺确定的最佳投药量(4 mg/L)作基准。
2 　结果与讨论　
2.1 运行结果
　　北京第九水厂源水取自密云水库，以怀柔水库作调节水库。由于密云水库环境保护良好，源水基本未受污染。除每年一周左右的高浊期(平均为68 NTU)外，浊度最高为3.2NTU，最低为0.69 NTU，平均为2～3 NTU，而且取水口深(水下40 m)、水质波动较小、水温较低。中试进行了两年，其中不同床深和投药量条件下部分典型过滤周期结果见表1。
表1 第九水厂中试结果

编号	浊度(NTU)	床深(m)	投药量(mg/L以Al2O3计)	滤速(m/h)	水头损失(kPa)	水头增长速率(cm/h)	过滤周期(h)	FN(10-6)	周期产水率(m3/m2)
进水	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*表示在过滤周期为20 h时，因床浅致出水水质 超过控制标准，试验失败；②FN表示过滤效能综合因子，其值越小，过滤效能越好。

2.2 深床直接过滤的影响因素
　　① 滤料粒径
　　滤料粒径是影响直接过滤过程水头损失(H)的最重要因素之一，H可用下式计算：
　　H=f(L0／D2)　　(1)
　　式(1)表明水头损失与滤料粒径(D)的平方成反比，与滤层厚度(L0)成正比，当滤 料粒径增加时水头损失将大大减小。国外目前直接过滤选用的均质滤料粒径范围一般为1.5 ～2.0 mm。小试中发现，采用有效粒径d10=2.0 mm的均质无烟煤滤料及滤床深度为2 m时，大部分絮体颗粒聚集在滤料表层上半部分，过滤周期仅为20 h左右，表明滤料有 效粒径相对较小，滤层截污分布相对不均，因此中试采用d10=3.8mm的超大粒径滤料并将滤床厚度加深为2.5 m，此时的截污分布如图2所示。
　　结果表明，在相同滤速下中试滤料粒径为3.8 mm时的水头增长比小试(粒径为2.0 mm)慢得多，可有效增加滤层絮体沉积速率以及絮体在滤层内的穿透深度，防止过早堵塞而使水头损失减至最小，因而可显著提高过滤运行周期和产水率。
　　② 滤层厚度
　　滤层厚度的影响需从滤料表面吸附和沉积作用两方面考虑，而对吸附和沉积起决定性作用的是滤料表面积。
　　对于一定粒径的滤料，滤料表面积实际由L/d(L为滤层厚度，d为粒径)决定。普通滤料厚度一般根据藤田贤二的经验公式［6］，认为L/d10=1 000 或L/de=800时是安全的但它是在常规滤速(V=10 m/h左右)得到的，在深床过滤的高滤速下此值的安全性值得怀疑。Hazen认为滤层深度需满足下列公式：
　　L=Qhd3／B　　　（2)
　　式中 d——粒径，mm
　　　　 Q——截面流量，L/(m2·s)
　　　　 h——水头损失，Pa
　　　　B——穿透指数，一般取B＝1×10-3
　　因滤速(V)越大，所需滤层厚度越大(L与V1/3成正比，如滤速提高1倍，L相应增加21/3)，而L越大，滤后浊度变化越慢；d越大，水头损失增长越慢，因此，增大L和d值可以延长过滤周期。
　　当床深＜2.0 m会出现出水不达标或水质过早穿透，导致过滤周期过短。床深为2.5 m、滤速为24 m/h和16 m/h时水质达标(浊度＜0.3 NTU)，过滤周期分别达到78、104h，表明以2.5 m床深运行较安全，而此时L/de值(658)仍低于藤田所提出的800～1000的范围，说明直接过滤滤速与滤床厚度之间存在一定关系，依据现有常规滤料的经验公式并不能准确反映深床直接过滤中滤床厚度与滤速的关系以及选择适宜滤床深度。
　　③ 滤速
　　在滤速高时滤池工作 周期的长短主要由水头损失决定，而起始水头损失小是大粒径滤料的优点之一(可延长过滤工作周期)。此外，颗粒物在滤床中的迁移取决于水流的剪切力，而水流剪切力则由流速和滤料粒径及形状决定。滤料粒径及深度一定时，滤速越大颗粒污染物在滤床中向下迁移得越快，过滤周期也越短。
　　在投药量为4 mg/L、滤速为32 m/h时，过滤周期仅为26 h。降低投药量和滤速(16～24 m/h) ，过滤周期分别达到78、96 h，表明在此L/d情况下，16～24 m/h是最佳直接过滤滤速。
　　④ 最佳投药量与滤前絮凝反应时间
　　最佳投药量与滤前絮凝反应时间对直接过滤的最佳过滤周期具有显著的影响。试验表明，聚合氯化铝稍低或稍高的投量均会显著影响出水水质和过滤周期，因此精确控制其最佳 投量是获得最佳过滤净化处理效能的关键。滤前最佳投量和絮凝反应时间必须依 据絮凝剂的化学反应特性和源水悬浊胶体颗粒特性及浓度而随机调整，使其形成不仅能够透过较深滤层，同时又能与负电滤料表面发生接触粘结絮凝反应而被截留于滤料表面的一定微尺度的正电性微絮凝颗粒。
　　图4等滤速、不同投药量的试验结果在投药量为2 mg/L(相当于0.32 mg/LAl2O3)、滤速为16 m/h的条件下，出水浊度＜0.3 NTU，稳定运行周期长达96～110 h。水厂现有过滤工艺是以7～8 m/h的滤速运行，过滤周期为48 h，液体PAC投加量为4 mg/L(相当于0.64 mg/LAl2O3)，是微絮凝—深床直接过滤工艺的一倍，表明聚合氯化铝高效絮凝特性更适用于大粒径深床直接过滤，并能在较低投药量下获得较好的出水水质。
　　国外在直接过滤工艺中，采用传统絮凝剂(硫酸铝、氯化铁等)的滤前停留时间多控制在3～7 min。如前所述，聚合铝絮凝剂具有较强的电中和脱稳能力、快速的絮凝反应动力学及结团 絮凝反应特征。因此微絮凝—直接过滤滤前絮凝反应停留时间只需控制在1～2 min，停留时间延长将导致水头损失增大、过滤周期缩短。
2.3　反冲洗参数
　　超大均质滤料反冲洗的优点是不会因为冲洗强度过大而将小粒径滤料冲出滤池而造成滤料损失，也不会因冲洗强度过小而导致粗滤料不能完全流态化。均质大粒径滤料有利于截留的悬 浮物向下渗透，使污染物分布较均匀，但同时也存在反冲洗问题。采用常规水冲洗方法不能达到较好效果，会导致滤池不能恢复净水能力、截污能力下降以及冲洗水耗上升等不良后果。因此，深床直接过滤工艺过程的反冲洗最好采用气水联合反冲洗方式，分三步进行：①气冲；②气、水混合冲；③水漂洗。目前所有反冲洗强度的经验公式都是针对水反冲洗的，对于大粒径深床的气水反冲洗参数国内尚无数据提供。笔者针对所采用的滤料及填料厚度，对深床直接过滤的合适反冲洗参数进行了试验，计算结果见表2。
表2 反冲洗参数及水量计算

冲洗方式	冲洗强度(L/m2·s)	流量(m3/h)	历时(min)	耗水量(m3 )
气	水	气	水
气冲	20		2.3		2～3
气—水混合冲	15	15	1.7	1.7	4	0.113
水漂洗		25		2.8	4	0.187

　　① 气冲强度的确定。气冲的目的是使气泡通过滤层时局部滤料发生移动，滤料颗粒相互填充、碰撞、摩擦，使得附着在滤料表面的杂质脱落，也可通过气泡对滤料颗粒的冲击使滤料 产生振动而导致杂质脱落，即以滤层开始搅动临界冲洗强度为下限，但不能使滤层膨胀而致动力消耗过大。研究表明，在柱上水头为10 kPa时，使滤层搅动的反冲洗强度为18L/(m2·s)，强度增长至26L/(m2·s)时滤层开始膨胀，因此选取20L/(m2·s)为气冲洗强度，冲洗时间为2～3 min。
　　② 混合冲洗阶段强度确定。混合冲洗阶段水流处理起到剪切、剥落污染物的作用，还要将剥离的污染物与滤料层分开。在此阶段应以滤料流化为准，滤层膨胀率按经验控制在30%左右。气冲强度过高会导致紊动程度过大而不利污染物随水流上升。因此，将气冲强度减小至15L/(m2·s)，此条件下使滤层膨胀率达到30%的水冲洗强度为15 L/(m2·s)，冲洗时间为4 min。
　　③ 水漂洗。此阶段的目的是将前两阶段从滤层中剥落的污染物与滤料层分开。为 防止污染物重新回到滤层下方，应保持第二阶段的膨胀率不变。此阶段的水力强度应加 大为25L/(m2·s)，冲洗4 min。
　　④ 表面扫洗。在实际工程中，最好结合表面扫洗使随气泡或水流上浮的杂质及时被清除［扫洗强度可按经验数据取7～8/(m2·s)］。在有表面扫洗时，混合冲洗阶段、单水漂 洗阶段气和水的强度均可适当减小。
　　综合上述结果，在第二阶段的冲洗水用量为0.113m3，第三阶段的冲洗水用量为0.187m3，反冲洗过程中总耗水量为0.3m3，若按第8周期产水量计算，该周期内总产水量为46.5m3，反冲洗用水量仅占产水量的0.6%。
2.4 综合效能评价
　　表3是直接过滤与传统工艺处理结果对比。
表3 微絮凝—深床直接过滤工艺与水厂二期处理工艺的初步比较

项 目	工艺流程	滤速(m/h)	投药量(mg/LAI2O3)	出水浊度(NTU)	周期产水率(m3/m2)	反冲洗用水率(%)
水厂现有传统处理工艺	源水→混合池→三级反应池→斜板沉淀池→煤滤池→炭滤池 →出水	7～8	0.6～0.8	0.5～1.0	336～384	1.5
微絮凝—直接过滤	源水→混合池→深床过滤→炭滤池→出水	16～32	0.35～0. 5	0.2～0.5	1 200～1 500	0.7～1.2
工艺优点	省去三级反应池和斜板沉淀池	提高滤速2～4倍	减少投药量1/ 2～1/3	降低出水浊度	产水量提高3～4倍	用水率减少

　　由表3可见，聚合氯化铝的微絮凝—深床直接过滤工艺在净化处理低温、低浊水质方面具有显著的社会与经济效益，具体体现在：①流程方面，该工艺省去了现有三级絮凝反应池 和斜板沉淀池，缩短了工艺流程，可节省投资近1/3；②产率方面，现有滤池滤速为7～8 m/h，过滤周期为48 h，而直接过滤滤速可达16～32 m/h，可稳定运行80～104 h，滤速提高2～3倍，过滤周期也提高1～2倍，产水率至少提高2～4倍；③药剂方面，使用碱化度为60% 的液体聚合铝，在床深为2.5 m、滤速为16 m/h、投药量仅为2 mg/L时，稳定运行达到90～104 h，仅为水厂现有投药量的1/2。北京九厂现处理水量为100×104m3/d，现有工艺用药量为4 t/d，而采用微絮凝—深床直接过滤工艺可节省药剂2t/d，按液体PAC(Al2O3含量为16%)市售1600 元/t计算，仅药剂费就可节省3200元/d。④出水水质方面，试验水质控制标准为浊度＜0.3 NTU，明显地提高水厂出水水质(现有水厂出水浊度标准＜1 NTU) ，使出水水质可达到发达国家水厂处理标准。
3 结论
　　 ① 中试从工程可行性及实用性的角度进行研究。针对北京水源九厂的低温低浊水质实际处理所得试验结果表明，该试验设计适合于采用聚合铝絮凝剂的微絮凝—深 床直 接过滤工艺，对于处理低温低浊水是可行的且可实用化，同时也验证了所提出的超大粒径滤 料深床完全适合于聚合氯化铝的高效絮凝反应特征。
　　② 微絮凝—直接过滤工艺的最佳化学及水力学参数如下：选用粒径＞3～4 mm的无烟煤滤料；采用大粒径滤料、大滤速进行直接过滤时，L/d值所需满足的范围可比藤田等人提 出的经验公式都小；大粒径深床过滤工艺可采用比常规粒径滤料大得多的滤速，出水标准控制在浊度＜0.3 NTU，滤速提高到30 m/h，过滤周期可达到24 h。如出水浊度标准控制在0.5 NTU、滤速为30 m/h，过滤周期可达到50 h以上。采用16 m/h或更低滤速时，则可大大延长过滤周期，而这一滤速也接近常规滤速(8～10 m/h)的一倍。
　　③ 微絮凝—深床直接过滤工艺在处理低温、低浊水质方面具有显著的社会与经济效益，不仅明显节省投资费用及占地，而且可显著提高产水率和出水质量，显著节省运行处理费用。