Optimization of basic water treatment Processes－design and operation:filtration

鈴間川村

　　譯者按：本篇文章為給水專家鈴間川村(S·Kawamura)近日發表的論文。鈴間川村在給水工藝上，尤其是在重力式濾池上都有高深研究，曾于1975年在JAWWA雜志上發表了“高速濾池的設計和運行”著作，重點闡述了雙層濾池許多關鍵問題，引起國內廣泛關注，本篇文章對多層重力式濾池，特別是對雙層濾池更進一步提出了自己的精辟見解。文章內為重力式濾池濾床濾池沖洗、輔助沖洗、沖洗槽、初濾水排放、過濾速度控制、濾池數目以及運行的一些問題。現譯出供給水工作者作參考。

　　雖然市場上有很多型式的濾池，但在美國城市所使用的水處理設施，幾乎都是使用顆粒濾料的重力式濾池。因此，以下所談論的就僅限于此種形式的過濾設施。
　　設計工程師設計重力式過濾設施時，可選取以下設計變數：濾層濾料的粒徑、型式和層厚；濾速和控制濾速設備；濾池反沖設備，濾池配水設備；適用水頭損失；并為遠期常規煤和或砂濾料改成顆粒活性碳濾料的可能性作出考慮。這些變數必須根據原水水質，預處理方式，濾料的適用性和價格，特殊處理措施，和美國環保局及本地管理部門所訂設計準則而定。

1、濾床

　　濾床是濾池設計的主要部分。自70年代以來，最常用的濾床標準是雙層濾料，上層煤濾料0.5m厚(ES=1.0mm，UC=1.5)，下層砂濾料0.25m厚(ES=0.5mm，UC=1.5)，此處ES為有效直徑，UC為濾料均勻系數。80年代以后采用的濾層粗顆粒煤濾料，層深1.8m(ES=1.3mm，UC=1.5)，該濾池濾層下部有一層薄砂濾層(0.3m厚，ES=0.75mm)的，或者沒有。這種濾池得到普遍應用。三層濾池是在雙層濾池濾層下面鋪設一薄層(75mm)的石榴石或磁鐵礦顆粒(ES=0.20-0.25mm)，這種濾池得到有限制的應用。從許多小型試驗和生產上實踐評價三層濾池的使用效果可得出，如果在不投加聚合物助濾劑情況下，三層濾池可說是比雙層濾料濾池或深濾層單一濾料濾池稍好一些。然而，如果投加合宜的聚合物助濾劑(15-25ug/L非離子聚合物)，則雙層濾池與深層單一濾料濾池濾出水能力與三層濾池相等。三層濾池一般來說，有三個明顯的缺點即，(1)起始過濾水頭損失大，過濾周期短，(2)多數生產例子指出石榴石會流失，(3)石榴石和磁鐵礦價格比之煤濾料要高10倍以上（煤濾料美金300元/m3）。
　　粗濾料深濾層濾池之所以得到普遍應用的原因是，和雙層濾池相比，該濾池有達15m/h的高濾速，且濾出水質也可與雙層濾池相比，另外如果將來水質要求或者由于規定，需要置換顆粒活性炭(GAC)時，這種濾池也可以不必改造就能夠做到。使用GAC做深床濾池濾料，在濾速12.5m/h，空床接觸時間約10min。美國洛杉磯市管道與過濾水廠為應用深床粗濾料煤濾池的一個例子，該水廠采用預臭氧化和三氯化鐵、陽離子聚合物凝聚（直接過濾方式），正常濾速32.5m/h。
　　設計濾層時有三個關鍵參數應予考慮：(1)濾料粒徑、硬度和比重的這些物理特性，(2)濾料形式，和(3)濾床深度。如果濾床不是一種濾料，這樣就得對濾床的每一種濾料仔細考慮確定，以便保證在沖洗時這些濾料液化作用相同。不對這些情況考慮和分析，就會發生濾床減薄，濾床嚴重混雜，弄臟底層等情況。
　　評估濾床合宜構造和最佳操作方式的方法之一是進行模型試驗。另一種試驗是按照處理同一原水現有運行的有效濾池設計，來選取合宜的濾池濾床。第三種技術是采取被接受的可靠公式，來計算合宜的濾床構造。這些設計公式之一是L/d比例。此處L是濾床深度，以mm計；d是濾料有效粒徑，以mm計。建議的L/d比例，由于濾料空隙關系，通用濾床和粗濾料深濾床相比是有所差異的。建議L/d比例為：
　　L/d≥1000用于快砂濾池濾床或標準雙層濾料濾池濾床
　　L/d≥1300用于粗濾料深濾層濾池的濾床
　　L/d≥1300用于三層濾料濾池濾床
　　多層濾料濾池和粗濾料深濾層濾池一般預加少量的聚合物助濾劑。如果不加此助濾劑，L/d比例至少增加25%，以使水中濁度更好的去除（濾出水濁度為0.1NTU或更小）。
　　單層濾池構造計算一例如下，如果該池使用助濾劑，其有效粒徑為1.3mm，濾床深度應是1.3×1300=1690mm或約等于1.8m。該池不加助濾劑，則需要的濾床深度要增加25%，或約2.3m。
　　對雙層濾料濾池，每層濾料的物理特微以下式決定。
　　d1/d2=[(p2-p)/(p1-p)]0.667
　　式中p為水的比重，d1和d2為兩種濾料的粒徑，p1和p2為兩種濾料的比重。例如，無煙煤比重為1.65，砂比重2.65,有效粒直徑0.55mm，則用上述求得煤的有效粒徑為：
　　0.55/d2=[(1.65-1)/(2.65-1)]0.667
　　d2=1.01mm
　　如果三層濾池，則石榴石所需有效粒徑，也以同樣方式求得。
　　規定均勻系數(UC)，對濾池的每種濾料來說，是另一個在設計上考慮的重點。從模型試驗上和理論研究上都提出UC小一些，對設計的濾池有利。UC為1.4或更小應該是所有濾料所要求的數據。
　　另一個在設計上應考慮濾池運行的要素是濾料的形狀（圓形、磨損的濾料和角形的濾料）。一般來說，在不加助濾劑時，角形濾料在同一有效粒徑、UC、和過濾濾速條件下，由于空隙比例大和顆粒整個表面積廣，這行狀況較好。然而，在加助濾劑時，圓形和角形濾料濾層所濾出水，都符合規定標準，即使角形濾料濾層濾出水濁度稍低，也是這樣。角形濾料濾池這行周期與圓形濾料濾池相比，則幾乎都顯著的長。

2、濾池沖洗

　　濾床物理特征確定以后，洽當的沖洗強度就應該根據粒徑、比重和高、低水溫決定下來。圖1可協助工程師和水廠操作人員于20℃水溫下，選擇已定下來濾料的洽當沖洗強度。天冷時水的粘速度增加很快，這就使得在冬天寒冷的幾個月內水的沖洗強度，只是水溫20℃水的沖洗強度約80-85%。但當夏天天暖的幾個月，其沖洗強度則為水溫20℃的105-110%，這種情況應予以考慮。
　　占濾層全部60%重份量的粒徑（有效粒徑×UC）示于圖1橫坐標上。有主張以占濾層全部90%重份量的粒徑來代替的。用90%的就得使UC高到1.7，因為其粒徑比60%的要大40-50%。但是，合理的設計標準是低UC（即1.3-1.4），這樣會使濾池運行相宜，比液化大濾料要求的沖洗強度低、且可減少濾料混雜。UC為1.4時，90%的僅比60%的大25%，UC為1.2時，90%的和60%的相比，只相差10-15%。著者建議采用60%的決定沖洗強度，有以下三個原因：(1)濾料規定經常用60%的有效粒徑和UC，容易計算，(2)UC用低指標，60%的和90%的相差不顯著，(3)圖1所示沖洗強度的范圍，過去50年來一直使用。

3、輔助沖洗

　　濾池濾床通常是，如果沒有表面沖洗和空氣搓洗等輔助沖洗設備，不能有效的將濾床洗凈。但養魚池水(aquarium water)過濾系統和連續自動反沖濾池除外，這是因為這些設施的濾床不允許有超過0.4m的水頭損失。近些年來出版的刊物給讀者這樣一個印象，即空氣搓洗是唯一洗凈濾池的方法。但實際情況不全是這樣。在美國過去有一些少數例子，在濾池使用聚合物助凝劑的情況下，僅管有空氣搓洗設施，在濾床中部和底部，還是有顯著的泥球形成。用空氣搓洗，只有濾床頂部0.2-0.3m處能均勻擾動，使這部分濾料洗凈。濾站操作人員只由濾床頂部看到這種空氣擾動現象，就錯誤的認為整個濾床都被擾動。絕大多數空氣搓洗設施產生的壓縮空氣氣泡，在配水噴咀上直接進入濾床；空氣成為短暫循環，造成局部強烈搓洗動作且空氣從表面進發大而集中的磨菇狀態氣泡。當這些大而集中的氣泡上升到頂部，上升流中間的濾料由于質量平衡定律的原因，則通過濾床向下降落，一直到空氣擴散噴咀的水平位置為止。這樣就使得沒有被猛烈振動沖洗散開的一部分壓實頂部濾料從頂部深入底部濾床，且將微生物和他們的孢囊也帶入濾床底部。這種現象和大量積泥沉積于濾床下部的情況，已為通過試驗和應用空氣搓洗設施的生產濾池實際觀察所承認。因此，在應用濾池水頭損失超過1.8m或過濾周期大于48h的情況下，實際運行經驗是無論何時，于沖洗以前，都要空氣搓洗與表面沖洗合用，以打碎濾床頂部5-10cm的壓實濾料。
　　總之，當濾床整個深度沒有超過0.9m時，表面沖洗效果與空氣搓洗相等。然而，當濾床深度超過0.9m時，不論有無表面沖洗都應有空氣搓洗設施。圖2所示為美國現有的兩個水處理廠表面沖洗與空氣搓洗的效能比較。其中的芝加哥南區濾站(22m²/s)已用表面沖洗設備超過40年。從圖上看出，丹佛濾站(10m3/s)單獨采用空氣搓洗則在濾池底部積泥多。

　　一旦設計采用了空氣搓洗設備，那么濾池配水設備就只能為這種空氣搓洗設備使用有噴咀的假底或塑料塊形裝置。這兩種型式都合宜。當配水設備已經規定，工程師必須選用有運行5年成功經驗的構件。相比起來，對空氣搓洗反沖的重要性來說，配水設備則需要多重視選取表面沖洗設備。

4、沖洗槽

　　自從歐洲設計水處理采用空氣搓洗設施不要任何沖洗槽以來，沖洗槽要求數目就成為一個爭論的問題。在美國多年來對液化床、高濾速、反沖洗系統，包括設計沖洗槽的數目，有一定的實踐經驗。理論上是沖洗槽能均勻收集沖洗濾池排水，也能均勻地把進水散布到整個濾池，以減少在高濾速（超過15m/h）情況下濾料的移動。然而，這是顯然的，采用表面沖洗設施，就沒有影響濾床相反條件，沖洗槽的整個數目能明顯的減少（多至50%）。
　　美國加州Sacramento城定出一個措施，即從其兩個濾站(4.4m3/h)的一個濾站中的16個濾池之一，取消全部沖洗槽，觀察其運行效果。其進水和沖洗排水經過中央水槽到槽水兩邊濾池進出溢流。經過連續運行的兩年以后，根據運行人員的初步結論，采用此種措施的濾床運行和濾床狀況，與有著沖洗槽的濾床相比一樣。然而，沒有沖洗槽的濾池沖洗時間比有的要多25%的時間。從此研究結果可提出，美國所定沖洗槽規程（即十個州標準）還需重新評價，不能忽視。

5、初濾水排放

　　設計工程師往往不注意每個濾池初濾水排放性能的問題。有這種觀點的主要理由是一些州規定只有一個濾池初濾水排放系統或者是為了于開始過濾前調節好濾床，對沖洗水投加聚合物。但沒有考慮到投加聚合物經常效果不好，有經驗的水廠人員指出了此種事實。可是設計工程師和水廠工作干部都選擇向沖洗水投加聚合物的這種辦法，因為這種辦法設計很容易做到，水廠工作干部也很容易做到，這種辦法也很省錢。然而，每一個濾池都應要有一個初濾水排放管道設施，以便對濾池起始過濾濁度穿透和不正常濾站狀況予以管制。這些不正常濾站狀況包括：整修墊層和配水設備后一段濁時間，過濾當中表面沖洗或空氣搓洗發生故障出現穿透狀況，由于操作問題濾出水濁度過度增大，和由于強烈地震濾床松散，出現高度的濁度穿透等等。

6、過濾速度控制

　　就過濾速度控制而論，有恒速過濾與變速過濾兩種形式。在這兩種過濾形式當中，變速過濾有一些優點，但不能穩定的控制流量。全美國新建水廠負責人都傾向于不選取變速過濾形式，且許多州也不鼓勵用此種形式。
　　多數人在心目中，認為濾速高到20m/h不會顯著影響濾出水水質，條件是預處理做好且濾床設計合理和及時維修。如果使用通用快濾池砂床，高濾速會縮短過濾周期而超過規定要求，然而采用雙層濾料濾池和粗濾料深床濾池，甚至濾速在20m/h，一般也能有一個合理的過濾周期（周期到24h）。

7、濾池數目

　　濾池數目和每個濾池樣式都是設計上主要考慮的，原因是這樣做不僅是由于它們決定構造物造價，而且也由于決定次要裝置大小如沖洗缶，反沖洗管，和收取沖洗排水缶，以及使沖洗水在濾床上均勻散布的原故。工程師們必須考慮防止余留濾池濾出水濾速過高，超過規定要求，而帶來對余留濾池水力震動，這種情況常發生于有一些濾池因為修理、沖洗等等方面致仃止運行的時候。根據以往經驗，濾池超過180m2，就常會有沖洗水散布不勻和濾料移動的問題。作者建議用下列公式計算需要濾池的數目。
　　N=5.7Q^0.5
　　式中N=濾池數目，Q=設計極限水量(m3/s)

8、運行的一些問題

　　如果濾床由于各種使用條件的原因產生氣盲，那么濾床上水深必須比濾池許可的最大水頭損失要大。濾床的正壓以濾池出水水位控制堰形成。這種濾池樣式的設計，特別對配以流量計的機械流量控制設施的濾池有利，因為這樣流量計會永遠處于正壓狀態之下。
　　從水廠運行狀況來看，濾池工藝是去除微生物，它們的卵和孢囊，以及葛第蟲、隱孢子蟲的卵囊蟲等有害懸浮生物的最后堡壘。然而，水廠運行人員必須相信，絮凝和沉淀預處理要做好，因為只要有標準濾床過濾，則不是極有效果的。預處理完善，采用標準設計濾床，一般在這些微生物、它們的卵和孢囊，以及葛第蟲等卵囊蟲的log去除上，可到log3-4，所以關鍵的第一階段是要做到取佳預處理。
　　與最佳預處理同樣重要的是連續監視濾池運行。濾出水水質監視項目為濁度、pH值、進而是顆粒大小和計數。物理監視項目為濾速、水頭損失、過濾周期、沖洗耗水率和初濾水排放量、泥球形成和每一過濾周期終結前濾床裂縫程度和數量。
　　由于濾出水濁度指示紀錄儀對起始濁度穿透現象顯示不足夠靈敏，或者是由于操作人在10min或再少些時間就終結初濾水排放操作，便一些操作人員對開始濁度穿透現象經常忽視，圖3示出的是四個水處理廠的起始濁度穿透實際情況。水樣在每一濾池過濾周期開始，于少于3min的間隔時間內取得。重要的是要注意此濾出水濁度指示紀錄儀沒有示出實際數字，只是顯示過濾周期開始時的一條短的垂直線。初濾水排放10min后才是實際弄污的沖洗水。通常，在濾床內沖洗后干凈的沖洗水有1.2m深或更多，這種深度已包括著濾床，墊石層和配水設備。在排除初濾水當時的濾速經常為約0.123m/min，那么就用差不多10min就可以把這部分濾床水濾走。另外，在起始過濾時濾床上的水是約50%沉淀水與反沖洗水混合在一起的水。所以，在起始過濾后的15-20min，濁度儀才示出真正純凈的過濾水，圖3就明確的表示出這種狀況。洽當的初濾水實際上應根據沖洗水濁度大小而定，操作人員不應根據計時儀決定。
　　掌握起始濁度穿透有五個方式：(1)初濾水(2)終止沖洗的最后3min投加聚合物(3)沖洗后進水閘門開啟時，在濾池進水內投加聚合物(4)濾池緩慢開動和(5)濾池沖洗早仃（當沖洗后污水減到10NTU），以保持濾床在熟化狀況。圖4示出的是濾池沖洗當中沖洗污水典型濁度剖面圖。
　　運行評價一般由濾出水水質分析參數（濁度、顆粒計數）和運轉周期長度仃立。然而，這如同僅是用尿等試驗和人體體溫，對人體健康做物理診斷一樣，來用X光線等評價人體健康。濾站運行重要的用砂芯取樣方法評論好壞。砂芯所取樣提供操作人員示于圖2的濾站中沖洗前后沉積絮體分布圖，及列于表1的縱斷濾床全層濾料粒徑和均勻系數分布狀況。水廠操作人員能很容易地從這些圖表和計錄儀表決定濾池沖洗的效果。細小顆粒聚集在濾床頂部25-50mm處會減短過濾周期長度和產生空氣堵塞。決定是否清除這些細小顆粒應由砂芯樣子所得數據而定。操作人員應當牢記，濾床上的水要是停留一天以上，就必須在重新過濾前將其輕輕反沖走。特別是在熱天，由于會有微生物生長更為重要。
　　有一些水廠操作人員用間歇過濾方法，而不用24小時連續過濾方法。這種過濾方法對所有單元處理包括起始過濾運行都會產生重大的水力沖擊，所以間歇過濾不是一個好的辦法。

表1　篩分析結果：濾池5號和8號濾料粒徑分布狀況 濾床深度*(mm) 　　　　濾池5號
　　ES(mm)　　　UC 　　　　濾池8號
　　ES(mm)　　　UC 0-51
51-152
152-305
305-457
457-610
610-813 　　0.87　　　　1.39
　　0.92　　　　1.43
　　1.00　　　　1.41
　　0.70　　　　1.91
　　0.66　　　　1.44
　　0.75　　　　2.93 　　0.85　　　　1.35
　　0.90　　　　1.41
　　0.92　　　　1.47
　　0.69　　　　1.86
　　0.65　　　　1.45
　　0.70　　　　2.31

　　*濾床深度　濾池5號和濾池8號分別測定為813mm和762mm。
　　注意：無煙煤和砂濾料比重分別測定為1.59和2.62。

　　一些操作人員用間歇濾站操作代替24小時連續操作，由于其向全部工藝系統散布剩余氯，促進了微生物生長。一個建議的解決方法是在停止運轉期間重新循環過濾水。雖然多數工程師和管理機構都相信4-10um范圍顆粒去除率足以相當于原生物卵蟲和孢囊的去除率（其范圍也是4-10um粒徑），但事實并不是這樣簡單。孢囊和卵囊蟲有特殊吸附到顆粒表面的能力，很像熟化濾床濾料，以幫助壽命周期的完成。絕大多數4-10um范圍的顆粒并不帶表面電核，因為他們比膠體顆粒大得多，所以很少或者不能吸附到濾池濾料表面。許多模型試驗，使用洽當的預處理和聚合物助凝劑，明確得出其去除孢囊和卵囊蟲，比去除同一濾速的粒子，需高出1.5-2.5log。企圖證明物質僅是能根據其粒徑產生特殊效果的想法，是太過于簡單化了。
　　然而應當注意，對濾出水所含顆粒相當粒徑范圍的分析，是對濾出水水質控制的可貴監測手段，因為它給予操作人員察覺濾池濁度穿透的一個早期警告。濾池效果的真正讀數，對散射的濁度不能提出，但能示出通過濾床穿透的PAC（顆粒活性炭）。有許多量測粒徑和顆粒計數很準確的儀表在市面出售，然而也有一些濁度儀僅能檢測PAC。

9、扼要

　　去除包括原生動物的孢囊和卵囊蟲的懸浮體的最后堡壘是濾池。濾池運行需要的主要因素有三個，即選好濾料、過濾速度，和聚合物助濾劑的有效利用。有兩種濾床能保證高速過濾，它們是標準雙層濾料濾床和在濾床底部帶或不帶砂層的粗顆粒煤濾料的濾床。原水洽當的預處理和對濾池來水投以極小量聚合物(10-25ug/L)能使濾池濾出水濁度為0.1NTU或者再低（低顆粒計數——對2-150um粒徑為小于50/mL），即使濾速為15-20m/h也是如此。
　　為了使濾床保持良好的干凈的條件，必須有輔助搓洗協助反沖，特別是如果用聚合物做混凝劑和助凝劑的情況更須如此。標準表面沖洗設施是能以和保證快速砂濾池和標準雙層濾料濾池輔助搓洗的一個方法；表面沖洗對這些類型的濾床沖洗效果與空氣搓洗一樣。超出1.2m的粗顆粒深床濾池需要用空氣搓洗作為輔助搓洗。有些時候用于沖洗的空氣搓洗對防止形成泥球效果不好，且在濾床底部會部分聚集少量淤泥。所以采用表面沖洗設備應當重點考慮。
　　當濾床濾料多于一種時，濾床的每一種濾料都要仔細選取，以保證在沖洗時它們的液化度一致。一個良好的濾床設計，要考慮它們的濾料粒徑中間的相對關系和它們需要的濾床深度。當前的地表水處理規則(SWTR)和加強地表水處理規則(ESWTR)目標是濾出水濁度達到0.1NTU。

參考文獻18篇從略。

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楊福才　譯自AQUA　1996-3　P134-142
天津市自來水集團有限公司科技情報站

1997年2月