过滤是净水工艺的核心处理单元,滤池构建参数及运行参数的好坏直接影响过滤性能。滤池过滤性能的主要影响因素包括有效粒径、滤料级配、厚径比、滤速、反冲洗参数等^[1]。按照滤料形式分类,滤池分为均质滤料滤池和级配滤料滤池^[2]。双层滤料滤池因具有良好的处理效果而越来越多地应用于新建滤池及滤池升级改造中,常见的滤池形式包括煤砂滤池、炭砂滤池等^[3]。但相较于单层滤料滤池,双层滤料滤池构建参数和运行参数更为复杂,在实际应用过程中出现一些问题亟待解决,因此有必要对双层滤料滤池进行优化研究。

　　 根据快滤池的除浊机理可知,滤料对浊质颗粒的截留主要是其表面的粘附作用,采用比表面积较大的滤料有助于除浊,即滤料的粒径越小,比表面积越大^[4]。根据国内外研究,厚径比L/d(滤料层厚与颗粒粒径之比)与比表面积呈正相关关系,即L/d越大,除浊性能越好^[5]。对于煤砂滤池,目前国内规范规定石英砂的有效粒径为0.55mm^[6],而美国规范规定为0.47~0.53mm^[7]。旧金山附近SUNOL河谷水厂的煤砂滤池采用有效粒径为0.43~0.5mm的石英砂^[8],获得了良好的出水水质。因此,减小砂层有效粒径对滤池的运行及升级改造有良好的效果。根据周超等^[9]人的研究,均质滤料砂滤池的过滤性能要优于级配滤料砂滤池,但试验滤速较低(4~10m/h),因此,采用煤砂滤料滤池能否在较高滤速条件下实现对滤池过滤性能的优化需要进行研究。

　　 本文通过对三种级配条件下煤砂滤池的构建参数和运行参数进行优化,对比滤池进出水浊度、颗粒数及水头损失的变化情况,分析各因素对过滤效果的影响,总结相关规律,为滤池的升级改造提供相关依据。

　　 试验在济南鹊华水厂中试科研基地完成,原水来自鹊山水库,水温12~24 ℃,混凝剂为聚氯化铝铁(PAFC),投加量2.0mg/L(以铝离子计),沉后水浊度控制在1.0~2.0NTU。试验装置示意见图1。

　　 对实际运行条件进行模拟,通常要满足几何相似、运动相似和动力相似^[10]。对于滤池,水在多孔介质中进行流动,只要满足运动相似即可。根据运动相似原理,采用与实际双层滤料滤池相同的滤速,分别为9m/h、10m/h、12m/h、14m/h。试验采用同一种规格三根滤柱,分别模拟在不同的滤料级配、滤层厚度和滤速条件下,滤柱出水中浊度和颗粒数的变化。根据Lang等^[11]人的研究,当滤柱的内径与滤料最大粒径之比大于50时,边壁效应可以忽略。试验采用有机玻璃滤柱,内径100 mm,高度5 000mm,布置一个小长柄滤头,从滤柱底部向上每隔30cm设置一根测压管,各滤柱主要参数见表1。

　　 采用TSZ-400A台式智能散射光浊度计测量滤前水浊度,采用美国哈希sc100^TM1720E低量程在线浊度仪监测滤后水浊度,采用美国哈希PCX2200在线颗粒计数仪监测滤后水中颗粒数,颗粒尺寸分区为:2~3μm、3~5μm、5~7μm、7~10μm、10~15μm、15~20μm、20~25μm、>25μm,根据测压管液位在测压板上量取水头损失。

　　 滤柱采用的滤速分别为9m/h、10m/h、12m/h、14m/h,滤后水浊度极限值0.3NTU,过滤极限水头损失选取1.5m,过滤周期不超过48h,由此形成三个触发条件并行的运行模式。当三个条件有一个触发,停止运行进行反冲洗。

　　 滤柱A、滤柱B、滤柱C均采用单水反冲的方式,反冲洗参数同实际水厂滤池参数相同,冲洗强度为13.5L/(s·m²),冲洗时长为5min,反冲洗水来自水箱。

　　 在9~14 m/h滤速范围内滤层表面以下不同深度水头损失变化及总水头损失曲线如图2~图4所示。当出水浊度稳定在0.3NTU以下时,过滤终点由水头损失到达1.5m决定。表2为滤柱A、滤柱B、滤柱C不同层厚及滤速下的过滤周期。

　　 由表2可以看出,三种级配条件下,滤柱B的过滤周期最长,说明减小砂层的有效粒径能够增加滤池的过滤周期。根据过滤理论可知,滤料对污染物的截留是水头损失增长的原因^[12]。对于滤柱A,除在滤速14 m/h运行工况外,其余条件下过滤终点由水头损失1.5m决定;对于滤柱B,除B(0.3/0.6)在滤速14m/h运行工况外,其余条件下过滤终点由水头损失1.5m决定;对于滤柱C,只有C(0.2/0.7)各运行工况下过滤终点由水头损失1.5m决定。

　　 对比滤柱B和滤柱C在相同滤层厚度下的过滤周期可知,滤柱B> 滤柱C,说明砂层厚度并不决定过滤周期的长短,而砂层的有效粒径则起到决定性作用。这可能是因为当减小砂层有效粒径时,石英砂颗粒间的间隙减小,当截污层随过滤进行而下移时下层无烟煤的截污性能逐渐发挥出来。结合图2~图4中不同深度水头损失变化曲线进行分析,煤砂滤池对污染物的截留主要是在无烟煤层。对于滤柱A,污染物主要截留区间为滤层下15~45cm,对于滤柱B和滤柱C,主要截留区间为滤层表面下0~30cm。

　　 综合上述分析可知,砂层厚度并不决定过滤周期的长短,减小砂层的有效粒径能明显延长过滤周期,无烟煤层是主要的截污区域,从过滤周期长短进行对比,滤柱B>滤柱A>滤柱C,即采用美国规范的煤砂滤池过滤周期最长。

　　 待滤水浊度变化范围在1.0~2.0NTU,各滤柱出水浊度见图5~图7。

　　 由图5~图7可以看出,当滤速增大时,过滤周期减小。对于滤柱A,除滤速14m/h时出水浊度增至0.3NTU触发过滤终点,其余滤速下滤柱的出水浊度均稳定在0.3NTU以下,甚至能够长期稳定在0.1NTU以下,滤池除浊效果较好。对于滤柱B,在滤速9m/h、10m/h时采用B(0.4/0.5),在滤速12m/h、14m/h时采用B(0.2/0.7)的厚度参数能够在整个过滤周期内获得稳定的出水水质,出水水质长期稳定在0.1NTU以下,滤池除浊效果最好。对于滤柱C,除了C(0.2/0.7)各运行工况下滤柱出水水质较好,平均出水浊度为0.1~0.3NTU;其他两种情况下都会出现浊度穿透的现象,滤池除浊效果最差。

　　 对比滤柱A、B、C的出水浊度,可以得出,砂层的有效粒径是滤柱出水浊度的重要影响因素,减小砂层的有效粒径能够延后浊度穿透出现的时间,充分发挥煤砂滤池的截污性能,延长过滤周期,增加产水量。结合图2~图4水头损失变化推断,浊度的去除主要发生在无烟煤层,减小砂层的有效粒径能够使无烟煤层充分发挥其截污性能。从除浊效果来看,滤柱B优于滤柱A优于滤柱C。

　　 大量研究表明,颗粒数随时间的变化与浊度随时间的变化有正相关性^[13],且颗粒数对水质变化的灵敏度要高于浊度,因此检测滤后水颗粒数变化对提高试验精确性更有意义。

　　 待滤水颗粒数含量见表3,图8~图10分别为滤柱A、滤柱B和滤柱C各滤速下不同粒径颗粒含量及颗粒总数。

　　 由图8~图10可以看出,出水颗粒数随滤速的增加呈现递增的趋势,在同一级配条件下,增加无烟煤层的厚度能够充分发挥无烟煤层对颗粒物的截留效果,降低出水中的颗粒物含量。对于滤柱A、B、C,对颗粒物截留效果依次为滤柱B优于滤柱A优于滤柱C,说明减小砂层的有效粒径能够增强滤料对颗粒物的截留效果。而滤柱A能够在滤层总厚度较小的条件下同样获得良好的处理效果,可能是因为所采用的无烟煤的有效粒径为0.85 mm,其对于颗粒物的截留发挥了一定的作用,因此,采用粒径较小的无烟煤对颗粒物的去除也有较好的效果。

　　 从滤后水颗粒分布来看,最不易去除的是粒径为2~5μm的颗粒物,其在出水中所占的比例可达到85%以上,Hsu等^[14]人发现,采用颗粒数作为水质指标中“两虫”的宏观表现更具有代表性。因为当出水浊度小于0.1NTU时,水中“两虫”的存在几率小于0.1%,但 “两虫”对浊度的贡献很小。由此可见,降低滤速、增加无烟煤层厚度能够减少出水中存在 “两虫”的风险。

　　 通过章节2.1~2.3 对浊度、颗粒数及水头损失的分析,可以从定量的方面总结各条件下滤池的处理效果。Lekkas^[15]曾提出综合评价滤池过滤性能的指标F值,计算公式如式(1)所示:

　　 式中H———过滤终点水头损失增长量,m;

　　 V———过滤速度,m/h;

　　 T———过滤周期,h;

　　 C———滤池平均出水浓度,mg/L;

　　 C₀———滤池平均进水浓度,mg/L。

　　 F值越小,说明过滤性能越好,各滤柱不同滤速下过滤性能指标F值的变化见表4。从表4可以看出,在各滤速条件下,滤柱B的F值最小,说明滤柱B的过滤性能最好。由此可见,采用美国规范规定级配的煤砂滤池具有良好的过滤性能,减小石英砂的有效粒径能够延长煤砂滤池的过滤周期,防止浊度和颗粒穿透现象的出现。

　　 对于滤柱B,在滤速9m/h时增加砂层厚度,滤速10m/h、12m/h、14m/h时增加无烟煤的厚度能够充分发挥滤池的过滤性能。各滤速下最优工况分别为:9m/h采用砂/煤(0.4/0.5)、10m/h采用砂/煤(0.2/0.7)、12m/h采用砂/煤(0.2/0.7)及14m/h采用砂/煤(0.2/0.7)的参数进行构建。在同一种级配条件下,厚径比L/d与过滤效果没有直接关系,而在某一特定滤速下滤池的过滤性能达到最佳。

　　 通过对三种级配煤砂滤池进行参数构建和运行分析,得出如下结论:

　　 (1)在过滤性能方面,美国级配煤砂滤池(滤柱B)优于国内级配煤砂滤池(滤柱A)优于砂层d₁₀=0.6mm煤砂滤池(滤柱C)。

　　 (2)砂层有效粒径d₁₀=0.5mm的煤砂滤池在相同的滤速条件下过滤周期最长(>20h)、出水水质最好(<0.1NTU),各滤速下最优工况分别在9m/h采用砂/煤(0.4/0.5)、10 m/h采用砂/煤(0.2/0.7)、12m/h采用砂/煤(0.2/0.7)及14 m/h采用砂/煤(0.2/0.7)的参数进行构建条件下取得。

　　 (3)当压力周期大于水质周期时,过滤周期末期浊度迅速增加,浊度增长至0.3NTU,触发过滤终点;当水质周期大于压力周期时,过滤周期末期水头损失增长到1.5m,触发过滤终点;滤池在实际运行中应保证水质周期大于压力周期,即在作用水头增长至限值时,出水浊度保证在限值以下。

　　 (4)无烟煤层是主要的截污区域,随着过滤的进行,截污层下移,粒径较小的石英砂,其颗粒间的间隙较小,当截污层随过滤进行而下移时下层无烟煤的截污性能得到充分发挥,砂层的有效粒径是滤柱出水浊度的重要影响因素。

　　 在实际生产中应对煤砂滤池的构建参数和运行参数进行优化,提高滤池的过滤性能。采用美国规范参数构建的煤砂滤池具有良好的性能,对于煤砂滤池相关的机理研究应当继续进行。