摘要：介紹均粒石英砂濾料快濾池的生產(chǎn)性試驗(yàn)與應(yīng)用，在不改變?yōu)V池結(jié)構(gòu)、反沖洗方法和操作習(xí)慣的條件下，僅將快濾池的傳統(tǒng)濾層改為均粒石英砂濾層，產(chǎn)水量提高15%，而濾料層的費(fèi)用僅增加7%。
過濾是凈水工藝中較重要的處理單元之一，快濾池是過濾常用的過濾構(gòu)筑物，至今己有100多年歷史。提高濾池含污能力，即增加單位體積內(nèi)濾料截留雜質(zhì)（絮粒、粘土、藻類、細(xì)菌、病毒及其它膠體顆粒）的含量是快濾技術(shù)中的技術(shù)關(guān)鍵，也是水處理專家研究的熱點(diǎn)之一。增加濾池含污能力主要有三個途徑：①改變過濾水流方向，采用上向流過濾、雙內(nèi)流過濾，輻射流過濾以及連續(xù)過濾等方式；②改變過濾操作方法，采用微絮凝過濾，調(diào)整混凝劑品種及投加量、投加助濾劑等；③改變?yōu)V料成分及組成，采用不同容重濾料的雙層及多層濾料過濾。如混合濾料、煤鋁濾料、活性炭濾料、塑料濾料、陶粒濾料、粗砂濾料及均粒石英砂濾料等。
某自來水公司在凈水廠試用均粒石英砂濾料，在不改變?yōu)V池結(jié)構(gòu)、反沖洗方法和操作習(xí)慣的條件下，僅將快濾池的傳統(tǒng)濾層改為均粒石英砂濾層，產(chǎn)水量提高了15%，而濾層的費(fèi)用僅增加7%，獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。均粒石英砂濾料顆粒粒徑比較均勻，能較好克服表面堵塞的缺點(diǎn)，整個濾床共同承擔(dān)截污作用，在保證水質(zhì)條件下，具有濾速快、過濾周期長、水頭損失增加慢等優(yōu)點(diǎn)。用均粒石英砂濾料代替常規(guī)砂濾料，不需要改動濾池原有設(shè)備，也不需要改變原來操作習(xí)慣，僅需要改變砂濾料組成即可，因而較易推廣。本文簡要介紹了自來水公司在凈水廠使用均粒石英砂濾料的試驗(yàn)及其應(yīng)用情況。
1、常規(guī)濾料、均粒濾料及粗濾料
常規(guī)砂濾料是指現(xiàn)在大多數(shù)濾池所普遍采用的石英砂濾料，較小直徑為0.45-0.5mm，較大直徑為1.0-1.2mm；平均粒徑de約為0.75mm，d10=0.5-0.55mm，d80=0.9-l.0mm，K80=1.5-2.0。
均粒濾料是指濾料粒徑比較均勻，即濾料粒徑不均勻系數(shù)以K80表示的數(shù)值比較小。但是究竟K80為多大即可稱為均粒濾料，現(xiàn)在沒有統(tǒng)一規(guī)定。從凈水廠使用而言，K80越接近于1，過濾效能越好；從濾料廠加工而言，K80越接近于1，加工難度越大。筆者認(rèn)為在K80＜1.4時(shí)，在濾池應(yīng)用上才有實(shí)際效果。實(shí)際上加工到K80=1.3以下，加工費(fèi)用并不需要增加很多。
粗砂濾料是指平均粒徑比較大的石英砂濾料，平均粒徑de至少應(yīng)大于0.85mm。粗砂濾料可能是均粒濾料，也可能不是均粒濾料。采用粗砂濾料的濾池因?yàn)槠骄絛e加大，往往有效粒徑d10也隨之加大，雖然濾池效能同樣可以提高，但是它只能稱為均質(zhì)濾料，與均粒濾料概念不同。
2、生產(chǎn)性試驗(yàn)概況
某凈水廠取河水，由DN600mm，DN500mm兩條輸水管線經(jīng)泵站提升到凈水廠。原水受污染較輕，濁度一般小于50度，冬季更低，僅有4-8度。凈化混凝劑采用堿式氯化鋁，消毒用液氯。
采用均粒石英砂濾料，粗粒石英砂濾料及常規(guī)石英砂濾料在凈水廠進(jìn)行了生產(chǎn)對比試驗(yàn)。
凈水廠工藝流程見圖1。
試驗(yàn)是在1號、2號及3號三組濾池同時(shí)進(jìn)行的，濾池面積29m2。由于1號池是高位排水槽，更換為比較粗的均粒砂濾料；2號池是比較細(xì)的均粒砂濾料；3號池是常規(guī)砂濾料，粒徑選擇為d較小=0.5mm，d較大=1.1mm。全部濾料均采用石英濾料廠產(chǎn)品，具體情況見表1。
表1 試驗(yàn)濾池濾料情況
| 濾池號 | 濾層厚度/mm | d10/mm | d80/mm | K80 | 孔隙率/% | de/mm |
| 1 | 800 | 0.73 | 0.98 | 1.36 | 0.438 | 0.86 |
| 2 | 700 | 0.68 | 0.88 | 1.29 | 0.436 | 0.77 |
| 3 | 700 | 0.57 | 0.97 | 1.70 | 0.421 | 0.76 |
3、試驗(yàn)結(jié)果及討論
在生產(chǎn)性試驗(yàn)中， 濾池運(yùn)行均按照濾后水濁度低于1.5度調(diào)整濾速（一般濾后均為l度），并按照濾前濁度小于5度確定混凝劑投加量，三種濾池濾前水水質(zhì)相同。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。
表2 濾池運(yùn)行測定數(shù)據(jù)
| 原水溫度/℃ | 原水平均溫度/℃ | 濾池號 | 濾前水平均濁度/度 | 濾后水平均濁度/度 | 平均濾速/（m·h-1) | 起始水頭損失/m | 期終水頭損失/m | 過濾周期/h | 水頭損失增長率/（m·h-1) |
| 4 | 4.5 | 1 | 3.4 | 1.02 | 12.17 | 1.00 | 2.50 | 20 | 0.075 |
| 2 | 4.0 | 0.96 | 11.39 | 0.90 | 2.40 | 15 | 0.100 | ||
| 3 | 4.0 | 0.97 | 9.90 | 0.92 | 2.54 | 13 | 0.124 | ||
| 22 | 18.0 | 1 | 3.5 | 0.57 | 12.29 | 0.60 | 2.60 | 50 | 0.040 |
| 2 | 3.4 | 0.63 | 11.89 | 0.80 | 2.76 | 25 | 0.079 | ||
| 3 | 3.6 | 0.58 | 9.82 | 0.78 | 2.50 | 21 | 0.082 | ||
| 24 | 21.0 | 1 | 4.7 | 0.61 | 11.62 | 0.90 | 2.72 | 44 | 0.041 |
| 2 | 4.6 | 0.44 | 11.42 | 0.96 | 2.50 | 29 | 0.053 | ||
| 3 | 4.6 | 0.68 | 9.95 | 0.60 | 2.58 | 22 | 0.090 |
3.1 粒徑與過濾周期及濾速關(guān)系
3.1.1 水頭損失
從表2可以看出，三個試驗(yàn)濾池水頭損失增長率的順序?yàn)椋?號濾池＜2號濾池＜3號濾池。這說明無論是否采用均粒濾料，只需加大濾料粒徑，水頭損失增長速度就會減慢。在本次試驗(yàn)中1號濾池和2號濾池同為均粒濾料，由于1號濾池平均粒徑大于2號濾池，因而1號濾池水頭損失增長率減緩了很多。另外，表2的數(shù)據(jù)還可以看出，2號濾池與3號濾池平均粒徑基本相同，但由于2號濾池d10＞3號濾池d10，所以3號濾池水頭損失增長率低于3號濾池。這說明過濾水頭損失受有效粒徑d10影響很大，而且當(dāng)d10相同時(shí)，水頭損失也大致不變。
3.1.2 濾速
表2中各種濾池濾速的順序?yàn)椋?號濾池＞2號濾池＞3號濾池，而且1號濾池和2號濾池的濾速明顯高于3號濾池。這說明濾料粒徑越大，濾速也越大，均粒石英砂濾料濾池的濾速明顯高于非均粒濾料濾池的濾速。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用均粒濾料濾池的濾速可比非均粒濾料濾池濾速提高15%以上。另外還可以看出，2號池與3號池雖然平均粒徑接近，但因?yàn)橛行Я讲煌�，濾速有明顯差異。當(dāng)濾床厚度L及平均粒徑de相同時(shí)，均粒濾料dl0越大，濾速也較大。
3.1.3 過濾周期
為了對比均粒濾料與非均粒濾料的濾速，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了濾柱對比試驗(yàn)。濾柱直徑135mm，濾料情況見表3。濾前水為澄清后的水，濾速由人工控制，過濾周期終止不是因?yàn)闉V后水頭損失達(dá)到上限，而是砂層穿透致使?jié)岫瘸瑯?biāo)（2度）而終止。試驗(yàn)結(jié)果見表4。
表3濾柱濾料粒徑
| 濾柱號 | d10/mm | d80/mm | K80 |
| 1 | 0.661 | 1.018 | 1.54 |
| 2 | 0.809 | 0.967 | 1.20 |
表4濾柱過濾周期對比表
| 水溫/℃ | 濾速/(m·h-1) | 濾柱號 | 過濾周期/h | 濾前水平均濁度/度 | 濾后水平均濁度/度 |
| 20 | 6 | 1 | 52 | 3.33 | 1.03 |
| 2 | 80 | 3.33 | 1.07 | ||
| 21 | 7 | 1 | 48 | 4.35 | 1.23 |
| 2 | 71 | 4.35 | 1.32 | ||
| 23 | 8 | 1 | 46 | 4.13 | 1.46 |
| 2 | 70 | 4.13 | 1.37 |
從試驗(yàn)結(jié)果看，均粒濾料的過濾周期明顯高于非均粒濾料的過濾周期。這主要是由于均粒濾料下層粒徑與上層濾料粒徑接近，有利于截留懸浮物繼續(xù)往下滲透，而非均粒濾料下層濾料粒徑相對較大，表面濾料粒徑較小，表層濾料截留后，下層濾料難以發(fā)揮作用。
3.2 粒徑與反沖洗關(guān)系
3.2.1 沖洗強(qiáng)度
沖洗的關(guān)鍵是將濾料懸浮起來。因此，沖洗強(qiáng)度應(yīng)以濾料中較大粒徑的較小流態(tài)化流速為依據(jù)，才能保證濾層得到均勻沖洗。
只要底層濾料粒徑不加大，無論是按不超過常規(guī)濾料較大粒徑配成的均粒濾料（濾層平均粒徑相應(yīng)加大），還是按平均粒徑配成均粒濾料，濾料中較大粒徑全部小于或等于常規(guī)濾料較大粒徑。這種濾池沖洗時(shí)，都不需要加大沖洗強(qiáng)度，可以按常規(guī)濾料濾池一樣來確定沖洗強(qiáng)度。
均粒濾料全部濾層中粒徑接近，不會發(fā)生為滿足粗粒徑濾料沖洗強(qiáng)度要求而造成細(xì)粒徑濾料沖出濾池；也不會發(fā)生為避免細(xì)粒徑濾料流失而減小沖洗強(qiáng)度，造成粗粒濾料不能完全流態(tài)化。
3.2.2 沖洗時(shí)間
均粒砂濾料濾池和平均粒徑加大不多的粗濾料濾池的沖洗時(shí)間均沒有特殊要求，與常規(guī)砂濾料濾池相比，僅沖洗時(shí)間由5-6min延長到6-8min。沖洗后濾池池面水濁度與常規(guī)砂濾池接近。
3.3 孔隙率和截泥量
3.3.1 孔隙率
各地石英砂的孔隙率不完全相同，它與濾料顆粒排列狀況關(guān)系密切。均勻球狀顆粒，因排列不同孔隙率在0.260-0.476之間變化�？紫堵逝c顆粒球狀度關(guān)系也很大。實(shí)測的結(jié)果表明，對于同一廠家生產(chǎn)的濾料，均粒濾料與非均粒濾料孔隙率變化不是很大。我們采用的晉江石英砂濾料廠生產(chǎn)的石英砂，由福建省地方砂產(chǎn)建材檢驗(yàn)所檢驗(yàn)，粒徑0.5-1.0mm，砂濾料孔隙率為0.421；均粒徑砂濾料孔隙率為0.436-0.438。
3.3.2 截泥量
均粒濾料濾池的雜質(zhì)能滲入砂層深處，雜質(zhì)分布趨于均勻，不象在非均粒濾料濾層那樣，只堵塞在濾床表面，因而均粒濾料在整個過濾周期中截泥量加大。對比實(shí)驗(yàn)的截泥量測定見表5，表中所列含泥量是砂層單位面積豎向含泥量的平均值。
表5 濾池截泥量
| 濾池號 | 含泥量/g·L-1 |
| 2 | 8.53 |
| 3 | 5.16 |
4、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析
4.1 均粒濾料產(chǎn)水量增長率
幾年生產(chǎn)實(shí)踐表明，采用均粒濾料可以提高濾池出水量，一般可提高濾池出水量15%以上，見表6。
表6均粒濾料產(chǎn)水量增加表
| 濾池號 | 過濾周期/h | 平均濾速/（m·h-1） | 過濾周期總濾水量/（m3·m-2） | 沖洗時(shí)間/min | 沖洗水量/（m3·m-2） | 制水量/（m3·（m-2·h-1）） | 增長率/% |
| 2 | 15 | 11.39 | 170.85 | 5.3 | 4.77 | 11.07 | 16 |
| 3 | 13 | 9.90 | 128.70 | 5.0 | 4.50 | 9.55 | |
| 2 | 25 | 11.89 | 297.25 | 7.0 | 7.02 | 11.61 | 18 |
| 3 | 21 | 9.82 | 206.22 | 6.1 | 5.01 | 9.58 | |
| 2 | 29 | 11.42 | 331.18 | 7.2 | 7.21 | 11.17 | 15 |
| 3 | 22 | 9.95 | 218.90 | 6.1 | 5.56 | 9.7 |
4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析
濾砂費(fèi)用大致由下列幾項(xiàng)構(gòu)成： 即濾料加工（篩砂）費(fèi)、包裝費(fèi)、產(chǎn)地短途運(yùn)費(fèi)、火車運(yùn)費(fèi)、凈水廠短途運(yùn)費(fèi)、濾池鋪砂費(fèi)用等。其中濾料廠加工篩砂費(fèi)用約為總費(fèi)用的20%，在濾料廠將石英砂加工為均粒濾料與加工為常規(guī)濾料加工費(fèi)（勞務(wù)支出）增加有限。若以全部費(fèi)用相比，兩種濾料支付費(fèi)用相差不足7%，水量則可增加15%。投入與產(chǎn)出相比，采用均粒濾料經(jīng)濟(jì)效益明顯。若條件許可，采用粗砂均粒濾料，其經(jīng)濟(jì)效益更為可觀。如果以濾池全部基本建設(shè)費(fèi)用為基數(shù)，采用均粒濾料增加的費(fèi)用不足l%。而水量則是以兩位數(shù)的比例增加，經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。
5、結(jié)論
①濾料的有效粒徑d10是影響過濾的主要因素之一。均粒濾料的d10大于平均粒徑相同的非均粒濾料，因而濾池效率高。將常規(guī)砂濾料更換為平均粒徑相同的均粒石英砂濾料，濾水能力可增加15%以上。
②均粒石英砂濾料不需變動濾池原有設(shè)備、沖洗方式、管理水平、技術(shù)水平和操作習(xí)慣等，因而較易推廣，投入與產(chǎn)出相比，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
③如果條件允許，采用粗砂均粒濾料，d10增加，濾池效益將更顯著。
