高藻进水条件下常见滤池过滤性能研究

2016-02-28张克峰王珊聂荣飞王小

山东建筑大学学报 2016年6期

关键词：滤层滤料滤池

张克峰，王珊，聂荣飞，王小

（1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南250101；2.清华大学环境学院，北京100084）

高藻进水条件下常见滤池过滤性能研究

张克峰1，王珊1，聂荣飞1，王小2

（1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南250101；2.清华大学环境学院，北京100084）

高藻进水条件下常见滤池过滤性能的研究可为滤池构建参数优化提供一定理论依据，为新建和改造地表水厂滤池工程提供技术支持。文章针对地表水源水厂滤池表层滤料堵塞、水头损失急剧增加和过滤周期急剧缩短问题，通过不同类型常见滤池滤柱模拟试验，研究了不同类型滤池对高藻水的抗负荷冲击能力，对比分析了其出水浊度、颗粒数分布、藻类数量、过滤周期、水头损失等变化情况。结果表明：原水预氧化、增加絮凝剂投加量方式不能使藻类在絮凝沉淀过程中得到有效去除；煤砂滤池对高藻水有较强抗负荷冲击能力，过滤周期最长，可达20 h左右；过滤初期水质较差，随时间增加出水水质提高；藻细胞主要被表层滤料黏附截留，且表层滤料对藻细胞的去除率高达97%。

高藻水；滤池；过滤性能

0 引言

目前，我国湖泊、水库水富营养化现象严重，且没有好转的迹象［1］。因此，夏季湖泊、水库水中藻类容易大量繁殖，使水厂进水水质严重恶化，影响水体嗅味、色度［2-3］。由于水中藻类带负电难以混凝，藻细胞分泌物在混凝过程中与混凝剂的水解产物发生反应，生成的表面络合物附着在絮体颗粒表面，会降低絮凝剂的絮凝效果［4-6］。同时，藻类细胞密度小难以在沉淀过程中去除，导致滤池进水中藻类含量增加［7］。进入滤池后藻类会粘附在滤料表面，使滤料结块或堵塞滤层，严重影响水厂滤池正常运行，导致滤池出水水质恶化，过滤周期急剧缩短，严重影响滤池的产水量［8］。有些水厂夏季藻类大量爆发时，过滤周期仅为2～3 h，且大量产水用于滤池反冲洗，此外，粘附了大量藻细胞的上层滤料反冲洗过程中不易被洗净，即使增强反冲洗强度，延长反冲洗时间，冲洗效果依然难以保证［9-10］。因此，常见不同类型滤池对高藻水的负荷冲击能力研究得到许多学者关注。针对目前地表水厂应用较多的级配滤料砂滤池、均质滤料砂滤池、煤砂双滤料滤池、炭砂双滤料滤池进行滤柱模拟试验，对比分析在高藻水水质条件下不同滤柱的过滤效果，探究和优化适应高藻水进水条件下滤池构建参数，为地表水厂滤池新建和改造地表水厂滤池工程提供一定的技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验装置与试验流程

文中试验在东营市第一水厂科研基地完成。试验期间为控制水厂出水藻类数量，预处理投加12 mg/L的高锰酸钾和7～8 mg/L的二氧化氯，混凝剂为聚合氯化铝铁（PAFC），投加量80～100 mg/L。试验滤柱进水为水厂沉淀池出水。试验流程：原水→预氧化→混凝+反应沉淀→过滤→出水。试验滤柱采用有机玻璃制成内径为10 cm，高为5 m，布置1个小阻力长柄滤头。试验装置示意图如图1所示。试验期间滤前水的主要水质指标见表1。

1.2 试验滤柱参数

目前，传统工艺给水处理厂常见滤池类型有以普通快滤池为代表的级配砂滤池，以V型滤池为代表的均质砂滤池，以无烟煤—石英砂滤池和活性炭—石英砂滤池为代表的双层滤料滤池。试验通过变换滤料种类和级配，对四种常见的滤池进行试验模拟，试验滤柱设计参数见表2。

图1 滤柱装置示意图

表1 滤前水主要水质指标

表2 试验滤柱设计参数表

1.3 试验滤柱反冲洗参数

在实际运行中不同类型的滤池对应不同的反冲洗方式和反冲洗强度（滤柱C和滤柱D反冲洗参数相同），参照水厂实际反冲洗运行参数，确定不同类型滤柱反冲洗参数见表3。

1.4 试剂与仪器

浊度仪为美国哈希sc100TM1720E低量程在线浊度仪；水中颗粒数仪为美国哈希pcx2200在线颗粒计数器；水头损失通过测压板测量。

1.5 试验滤柱滤程

试验滤柱运行滤速为10 m/h等速过滤。当滤池水头损失达到1.5 m时，一个过滤周期结束停止过滤进行反冲洗。

表3 三种不同反冲洗方式运行参数

2 结果与分析

从出水浊度、出水中不同粒径颗粒物数量、滤程水头损失、藻类数量四个方面分析不同类型滤柱的过滤性能和抗高藻水冲击负荷能力，试验结果分析如下。

2.1 不同类型滤柱出水浊度变化情况

图2所示为在整个过滤周期内不同试验滤柱出水浊度的变化情况。从实验结果看，高藻进水条件下，滤柱的出水浊度普遍偏高一般都大于0.3 NTU，最大可达0.8 NTU，这应是由于在高藻进水条件下，藻细胞胞外分泌物与混凝剂的水解产物发生反应，生成的表面络合物附着在絮体颗粒表面，使得絮体难以在滤料表面粘附，滤床主要依靠截阻和沉淀作用实现悬浮颗粒（特别是藻类）去除，造成出水浊度偏高［11］。

在整个过滤周期内随着过滤的进行，滤柱出水浊度随运行时间的增加呈现明显降低的趋势。级配滤料滤柱A在过滤初期出水浊度为0.7 NTU左右，到过滤末期出水浊度为0.2 NTU左右；均质滤料滤柱B在过滤初期出水浊度为0.8 NTU左右，到过滤末期出水浊度为0.4 NTU左右；煤砂滤柱C在过滤初期出水浊度为0.8 NTU左右，到过滤末期出水浊度为0.3 NTU左右；炭砂滤柱D在过滤初期出水浊度为0.5 NTU左右，到过滤末期出水浊度为0.1 NTU左右。这可能是因为在过滤初期，因高藻水絮凝效果不好，悬浮颗粒难以在滤料表面粘附，随着过滤的进行滤料表面沉积和粘附了大量悬浮物，滤料间的孔隙逐渐减少，更有利于大颗粒悬浮浊质在滤料上的截阻和沉淀，因此，出水浊度明显降低［12］。

对比四个滤柱出水浊度发现，炭砂滤柱D的出水浊度最小，其次是级配石英砂滤柱A和煤砂滤柱C，均质滤料滤柱B出水浊度最差。这主要是因为炭砂滤柱上层活性炭具有较大的比表面和大量的微孔隙结构，有利于小颗粒悬浮物的吸附和悬浮物的粘附。同时，滤料的有效粒径和出水浊度存在一定的相关性，底层滤料粒径越小出水浊度越小。试验中均质滤料有效粒径最大，其出水浊度最大，滤后出水水质最差。

2.2 不同类型滤柱出水颗粒物变化情况

图3所示为不同滤柱A、B、C、D在高藻水进水条件下，整个过滤周期内试验滤柱出水颗粒数变化情况，在高藻进水条件下，滤柱D出水中颗粒物最少，其次是滤柱C，再次是滤柱A，滤柱B出水颗粒最多，这与相应滤柱出水浊度变化情况相应一致，与出水浊度呈正相关性。

图2 试验滤柱出水浊度图

图3 不同试验滤柱出水颗粒数图

除滤柱A外，在整个过滤周期内滤柱出水颗粒物呈明显的下降趋势，且在下降过程中都会出现一个拐点（一般在过滤中后期）。从过滤出水不同粒径颗粒物浓度来看，过滤过程中主要去除粒径大于5μm的颗粒，对粒径小于5μm的颗粒去除有限，因此，滤柱出水中颗粒物粒径小于5μm，其中级配滤料滤柱A过滤末期出水中粒径在2～5μm之间的颗粒物总数降至3000左右；均质滤料滤柱B过滤末期出水中粒径在2～5μm之间的颗粒物总数降至4000左右；煤砂滤柱C过滤末期出水中粒径在2～5μm之间的颗粒物总数降至3500左右；炭砂滤柱D出水中粒径在2～5μm之间的颗粒物总数降至2000左右，这主要是由于高藻进水条件下，过滤水中悬浮物以藻细胞为主，过滤过程中滤层主要依靠截阻和沉淀作用实现悬浮颗粒（特别是藻类）去除，小粒径的悬浮物不易被截阻粘附。

2.3 不同类型滤柱出水中藻类变化情况

在整个试验期间，原水藻类数量在8000～12000万个/L之间，运行期间通过投加高锰酸钾和二氧化氯进行预处理以及加大混凝剂投加量的方式来增强水中悬浮物的絮凝效果，但是效果并不明显，沉淀池出水的藻类仍然保持在2000万个/L左右，因此，大量藻类会进入滤池。图4所示为不同试验滤柱在不同过滤阶段出水中藻类含量变化情况。

图4 试验滤柱出水藻类含量图

由图4中我们可以看出，四个滤柱在整个过滤周期中滤后出水中藻类变化情况与浊度变化相一致，即过滤初期藻类数量最多，中期藻类水量明显减少，过滤后期藻类最少。因此，在整个过滤过程中不会出现藻类穿透滤层的现象。这可能是由于过滤初期藻细胞及其胞外分泌物难以在滤料表面粘附，但当滤料表面粘附一定沉积物后，水中悬浮物更易粘附在滤料的这些沉积物上，但其粘附机理尚需进一步研究［13］。

对比四个滤柱出水情况发现，炭砂滤柱D出水藻类数量最少，其次是级配滤料滤柱A，均质滤料滤柱B在过滤初期滤后水中藻类数量达200万个/L左右，出水效果极差。但从总体来看，滤柱对藻类的去除率可达90%以上，过滤末期炭砂和级配滤柱对藻类的去除率可达98%。但由于进水藻类基数大，滤池出水中藻类数量依然偏高。

2.4 不同类型滤柱水头损失变化情况

随着过滤的进行滤料表层会粘附大量悬浮物，滤层的水头损失会随过滤的进行不断增加。图5所示为不同试验滤柱在整个过滤周期内沿程水头损失变化情况。试验以滤层水头损失达到1.5 m作为一个过滤周期，对比不同滤柱过滤周期发现：煤砂滤柱C的过滤周期最长，可达20 h左右；炭砂滤柱D过滤周期最短仅为仅10 h左右；均质砂滤柱B过滤周期为11 h左右；级配砂滤柱A的过滤周期为12 h左右。这主要是由于高藻进水条件下，滤柱进水中悬浮物浓度较高，且悬浮物絮凝效果差，上层滤料粒径较小，导致大粒径悬浮物被大量截阻粘附，上层滤料会在短时间达到饱和，且过滤锋难以向下层滤料移动，因此，上层滤层被藻细胞堵塞后水头损失会急剧增加，过滤周期会明显的缩短［14-15］。

图5 不同试验滤柱沿程损失图

双层煤砂滤池过滤周期是炭砂滤池过滤周期的两倍，这主要是因为试验所用无烟煤有效粒径较大，而活性炭有效粒径较小，且活性炭具有较大的比表面积和微孔结构使得它上层滤料在短时间内大量吸附和粘附悬浮物达到饱和，下层石英砂滤料的作用不能得到很好的发挥。

对比不同滤池在整个过滤周期上的水头损失变化情况，级配砂滤柱A在过滤8 h后水头损失增加率明显增加；均质砂滤柱B在过滤6 h后水头损失增加率明显增加；煤砂滤柱C和炭砂滤柱D在过滤4 h后水头损失增加率明显增加。这可能是因为四个不同滤柱表层滤料在相应时间内含污能力已经达到饱和状态，达到饱和状态的滤层表面在后期过滤过程中仍然可以粘附少量悬浮颗粒，但是，表层滤料水头损失会急剧增加，且主要是表层以下10 cm滤料。

综上试验数据分析可知，在高藻进水条件下，对原水进行预氧化处理，增加絮凝剂投加量等方式并不能有效提高藻类在传统絮凝沉淀工艺中的去除率，因此，大量藻类会随沉后出水进入滤池中，影响滤池的正常运行，尤其是对均质滤料滤池，出水浊度和颗粒数明显增加，过滤周期急剧缩短，滤池出水水质和过滤周期较级配滤料滤池没有明显差别，均质滤料滤池的优势得不到发挥。就双层滤料滤池而言，炭砂滤池的出水水质要明显优于煤砂滤池，文中试验煤砂滤池的过滤周期炭砂滤池过滤周期的两倍，但试验选取的无烟煤有效粒径为1.2 mm，活性炭有效粒径为0.85 mm，无烟煤有效粒径远大于活性炭有效粒径。

总的来看，在高藻水水质条件下，滤池不能充分发挥自己的截污能力，浊度不能得到有效去除，在一定粒径范围内，粒径的大小决定了滤池出水的浊度，颗粒和絮体的去除更依赖于滤料的截阻和沉淀，扩散和动力效应不能得到发挥。高藻水的水质特点及对滤池除浊能力的影响因素仍然需要进一步的试验研究。

2.5 藻类在滤料层内的分布规律

为了进一步研究藻细胞在滤料层中的迁移分布规律，对第一水厂正在运行的V型滤池滤料层中藻细胞数量进行取样检测。试验沿整个过滤周期进行分别对过滤开始前、过滤初期、过滤中期、过滤后期四个阶段，以及不同深度滤层（滤层表面、滤层表面下10 cm、滤层表面下20 cm、滤层表面下30 cm、滤层表面下40 cm）进行检测。

图6所示为藻类含量在不同过滤阶段不同深度滤层中分布情况，发现藻类在均质滤料V型滤池滤层中的分布呈现明显规律，在整个过滤周期内滤层表面下10 cm处藻细胞数量最少；滤层表面下20～40 cm处藻细胞较10 cm处增多，但是，增加幅度不大；滤层表面藻类数量最多。同时，滤层内藻类细胞数随过滤的进行逐渐增加，过滤开始前反冲洗后滤层表面藻细胞最少，随过滤进行表层滤料黏附藻类逐渐增加，中后期表面藻类迅速增加，导致上层滤料堵塞，过滤周期结束。这可能是因为反冲洗后的表层滤料容易黏附藻类细胞，滤峰难以向下移动，大量藻细胞在上层滤料大量富集。但滤层表面下10 cm处藻细胞数量最少的原因尚需进一步研究。

图7所示为第一水厂均质滤料V型滤池气水反冲洗前后滤层内藻类数量分布情况，对比发现气水反冲洗后滤层各深度处藻细胞数量均有不同程度减少。其中，滤料表层藻细胞去除率最大高达97%以上，其他滤层藻类也明显减少。因此，气水反冲洗可有效清洗黏附于滤料表面的藻类使滤料得以清洁再生。

图6 水厂V型滤池滤层藻类分布图

图7 水厂V型滤池反冲洗前后滤层藻类分布图

3 结论

针对高藻水水质条件下，对四种常见滤池滤柱模拟试验研究得出以下结论：

（1）原水预氧化、增加絮凝剂投加量方式不能使藻类在絮凝沉淀过程中得到有效去除，藻类随沉后水进入滤池后会堵塞滤池，大幅度的缩短滤池的过滤周期，增加反冲洗次数，影响滤池产水量，且滤池出水浊度升高，出水水质变差。

（2）煤砂双层滤料滤池对高藻水的抗负荷冲击能力较强，过滤周期在20 h左右。炭砂滤池、级配和均质砂滤池对高藻水的抗负荷冲击能力较弱，过滤周期缩短到10 h左右。

（3）在整个过滤周期内，过滤初期滤后水质较差，出水水质会随过滤时间的增加提高，且中后期会出现一个出水浊度降低和颗粒数明显降低的拐点。

（4）藻细胞进入均质砂滤料滤池后，主要被滤料表面以下40 cm的滤料截留粘附，且表层滤料对藻细胞的去除率高达97%，其分布规律为表面最多，表层下10 cm处最少。

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（校庆约稿）

山东建筑大学环境科学与工程学科——张克峰教授

张克峰教授现任山东建筑大学市政与环境工程学院党委书记。现为二级教授、博士研究生导师，山东建筑大学环境科学与工程学科首席岗教授，山东省有突出贡献的中青年专家，环境科学与工程学科带头人，济南市政协委员。

张克峰教授博士毕业于西安建筑科技大学，长安大学和新疆天业集团股份有限公司博士后。现兼任：国家高等学校给水排水工程学科专业指导委员会委员、中国建筑学会建筑给水排水研究分会常务理事、中国土木工程学会水工业分会理事、山东省城市建设管理协会城镇供排水分会副会长、山东省土木建筑学会城市给水排水专业委员会主任委员、济南市饮用水安全研究会理事长等。

多年来从事于水处理理论与技术和非常规水资源化理论与技术等方面研究，在雨水控制与利用、气浮无破坏除藻、原位生态控制水库水质、湖区水环境安全控制等方面形成了独特的研究领域，取得了系列创新性研究成果。

近年来，张克峰教授主持国家重大科技水专项、建设部、山东省科技厅、山东省环保厅等科研课题30余项；授权专利5项；2000年以来发表学术论文50余篇。曾获山东省科技进步奖一等奖、济南市科技进步奖一等奖等。

Study on the performance of different typical filters under the influent of high algae-laden water

Zhang Kefeng，Wang Shan，Nie Rongfei，et al．

（School of Municipal and Environmental Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The study on the performance of different typical filters under the influent of high algaeladen watermay providemany basic theories and technical supports for the drinking water treatment plants’operation and design under the influent of high algae-laden water.In surfaced water treatment plant，a large number of algal cells flow into the filter，which can easily block the surface filtration media，cause dramatically increase water head loss and shorten the period of filter.Through simulation experiment of the different typical filter columns，the resistance load capacities of high algae water between the different typical filterswere researched.This study comparatively analyzed the change in effluentwater，such as the turbidity，distribution of particle number，the amount of algae，the time of filtration cycle，head loss and so on.The results indicate that coal-sand filter has strong ability to resist impact load for high algae water，and that filtering cycle hour ismuch longer which can amount to about20 h；GAC filter，gradatingmaterial filter and homogeneous sand filter haveweak ability to resist impact load for high algaewaterwith filter cycle shortened half.The initial filterwater quality is poorer，but improving over time；Algal cells are mainly adhered and intercepted by the surface filtermaterial which removed 97%algal cells.

high algae-laden water；typical filters；filtration performance