炭砂滤池新旧滤料的对比分析

胡 芃，方榕华，王 鑫，龚晓晔

(杭州市水务集团有限公司，浙江杭州 310016)

1 项目背景

炭砂滤池分12格，双排布置，两侧各6格，炭床吸附停留时间为10 min。滤料上层采用原煤破碎炭，滤料厚度为1.3 m，采用8×30粒度，下层采用细砂滤料，厚度为0.50 m，采用长柄滤头方式配水，期终水头损失为2.4 m。以单独气冲3 min加单独水冲10 min方式进行反冲洗：气冲强度为55 m3/(m2·h)，水冲强度为25 m3/(m2·h)，反冲周期约1～2 d。炭砂滤池相关技术参数如表1所示。

随着2013年膜处理系统的运行，以及炭砂滤池存在跑炭现象，细颗粒比重由2013年5.5%增大到下一年的6.5%，2014年清泰水厂开始对炭砂滤池进行换炭。换炭主要从工艺、进出水浊度以及实际生产中的问题考虑，经技术委员会会审后决定选取8×20目的原煤柱状炭。

2 水质去除率分析

2014年，清泰水厂首先选取6#池进行换炭，新活性炭较之前使用的旧活性炭具有粒径大、强度高、亚甲蓝及碘值略低等特点。作为深度处理工艺的重要一环，炭砂滤池吸附净水工艺可以进一步降低浊度，有效去除有机物和氨氮等[1-2]。因此从2014年10月起，清泰水厂对新旧活性炭滤料滤池出水水质的浊度、氨氮、亚硝酸、耗氧量等指标进行分析，去除效果如下。

表1 清泰水厂30万m3/d炭砂滤池参数Tab.1 Parameters of 300 000 m3/d Carbon Sand Filter in Qingtai Water Treatment Plant

2.1 浊度去除效果

统计滤池出水浊度平均值，结果如图1所示。

图1 浊度去除率Fig.1 Removal Rates of Turbidity

由图1可知，试验期间6#滤池出水和同侧1#～5#滤池滤后总水的浊度相差不大，平均值为0.07 NTU，去除率平均值为 99.7%。结合混凝沉淀工艺，对浊度的去除率均达到99%以上。由此可知，相对于粒径更小的8×30粒度的旧活性炭滤料，新活性炭滤料浊度的去除率相差不大。

2.2 氨氮去除效果

对氨氮检测数据进行去除率统计，如图2所示。

图2 氨氮去除率Fig.2 Removal Rates of Ammonia Nitrogen

由图2可知，6#滤池和同侧1#～5#滤池滤后总水的出水氨氮均在0.03 mg/L以下，去除率基本在85%以上。出水氨氮的去除率平均值分别为86%和85%，6号滤池的氨氮去除率大于滤后总水的氨氮去除率。因此，新活性炭滤料在一年的使用中去除氨氮的效果略强于使用近5年的旧活性炭滤料。

2.3 亚硝酸去除效果

统计亚硝酸检测平均值，计算去除率，如图3所示。

图3 亚硝酸去除率Fig.3 Removal Rates of Nitrite

图4 耗氧量去除率Fig.4 Removal Rates of Oxygen Consumption

由图3可知，6#滤池和同侧1#～5#滤池对亚硝酸的去除效果都比较高，达到95%以上，且6#滤池的亚硝酸去除率均大于滤后总水的去除率。由此可知，新活性炭滤料在一年的使用中去除亚硝酸盐的效果略强于使用近5年的旧活性炭滤料。

2.4 耗氧量去除效果

对化验室水质日报耗氧量进行统计，耗氧量去除率如图4所示。

由图4可知，6#滤池对耗氧量的去除率为55%左右，同侧1#～5#滤池滤后总水对耗氧量的去除率为50%左右，6#滤池的耗氧量去除率均高于滤后总水耗氧量的去除率。因此，新的活性炭滤料对耗氧量的去除效果也有提高。

通过换炭后为期一年的滤后水检测，更新后的8×20目原煤柱状炭可以满足炭砂滤后的水质内控标准要求。氨氮、亚硝酸、耗氧量指标优于使用时间近5年的旧活性炭。

3 跑炭情况

2015年6月30日，分别对所有滤池滤料厚度进行了测定，与2014年9月29日测定的滤料厚度数据比较，如表2所示。

测定时每个滤池南北两侧分别取5个点取平均值。由表2可知，运行10个月后，滤池滤料厚度相差不大，除6#池外，滤料下降厚度约为2～4 cm。粒度为8×20目的新活性炭滤料的6#滤池下降厚度为1 cm，较其他滤池滤料降低得更少。

表2 滤料厚度Tab.2 Thickness of Filter Material

图5 滤料厚度现场效果Fig.5 Field Rendering of Filter Material Thickness

由图5可知，滤料厚度达到设计要求(即180 cm)时，刚好处于最底部瓷砖的中间部分，一块瓷砖的高度为12 cm，同样表3中的184、183 cm也处于最底部瓷砖中间靠上部分，177 cm则刚好处于瓷砖的底部。而瓷砖表面较光滑，与颗粒滤料结合处不够紧密，过滤时易造成“短路”，而在瓷砖下部的毛池壁则不存在上述现象。又因6#滤池所在滤料厚度对水质去除效果不比其他厚度的滤池弱，出于减少成本和跑炭率的考虑，清泰水厂今后的炭砂滤池换炭及刮加炭时，活性炭料在175～177 cm即可。

4 滤池参数分析

4.1 滤料级配

2013年5月、2014年5月和2015年3月，对6#滤池分别取50 cm深滤料进行级配试验，试验选取No.8、No.12、No.30筛孔，测定结果如表3所示。

表3 级配测定表Tab.3 Carbon Grade Determination

由表3可知:2013年No.8～No.30的百分含量约为93.2%[(45.2+47.8)÷99.8≈93.2%]，小于No.30的百分含量约为5.5%；2014年No.8～No.30的百分含量约为92.2%，小于No.30的百分含量约为6.5%；2015年No.8～No.30的百分含量约为99.4%，小于No.30的百分含量约为0.4%。经过数据对比，可以发现更换成的粒径更大、硬度更高的柱状破碎炭在运行一定时间后，颗粒变细的趋势明显比原先粒度的活性炭滤料少。

4.2 吸附性指标

结合《生活饮用水净水厂用煤质活性炭》(CJ/T 345—2010)实际情况，在选择起始活性炭时要求碘吸附值≥950 mg/g，亚甲蓝吸附值≥180 mg/g。在2015年2月，分别取6#滤池和10#滤池滤料，委托检测碘吸附值及亚甲蓝值，与6#滤池新滤料装填时取样的委托检测报告数据制表，对比如表4所示。

表4 碘值、亚甲蓝值测定Tab.4 Determination of Iodine Value and Methylene Blue Value

由表4可知，经过半年多的生产运行，活性炭微孔数量减少许多，吸附能力大幅降低。但在去除率的分析中，炭砂滤池仍具有良好的去除率。进一步说明，炭砂滤池主要依靠生物作用[3]。因此，在选择活性炭指标时，可放松亚甲蓝、碘值指标要求，重点考虑强度指标。强度和吸附性能相互制约，强度越高，活性炭的孔隙结构越不发达，吸附性能会有所下降。但炭砂滤池冲洗频率高，故对活性炭强度要求较高。强度越高，活性炭抗磨损能力越强，使用周期越长。

5 混层现象

清泰水厂滤池的滤料厚度为1.8 m左右，上层活性炭滤料厚度为1.3 m左右，下层细砂滤料厚度约0.50 m。为做好滤池的工艺参数试验，掌握滤料混层情况，通过购买如下的取砂器，可以在不翻池的情况下取到6#炭砂滤池深层滤料，如图6所示。

图6 取砂器Fig.6 Sand Lifter

待滤池滤干后，技术人员将取砂器使劲钻入滤料层，最大深度约为140 cm。拧动内管进行取样，取样器内约五分之一部分有滤料。用此种取样器可以取到较深层次的活性炭滤料，但一次取样的取样量不多，如图7所示。

图7 取砂器实际效果图Fig.7 Actual Rendering of Sand Sampler

通过反复取样，可以观察到在深度约130 cm，基本为活性炭滤料和极少数石英砂，滤池混层比例较小，混层高度约5 cm，而原先6#滤池的混层部分达到20 cm。因此，运行一年多粒度为8×20目的原煤柱状炭滤池混层现象比粒度为8×30目的颗粒炭滤池混层更弱。

6 结论

(1)对滤料更换为8×20目柱状破碎炭的6#炭砂滤池，自2014年10月-2015年10月进行水质去除率分析，耗氧量约55.7%，浊度约99.7%，氨氮约86%，亚硝酸盐约97%，新活性炭滤料水质去除率良好。

(2)通过滤料厚度测定及滤料级配试验数据对比分析，粒度为8×20目的原煤柱状炭比8×30目的颗粒炭跑炭更少，细颗粒所占比例也更少。

(3)经过半年多的运行，活性炭滤料亚甲蓝值及碘值会大幅降低，说明活性炭物理吸附作用下降，炭砂滤池开始从物理吸附转向生物降解，说明生物膜已形成。

(4)结合滤池水质指标去除分析、工艺参数试验和跑炭情况，在今后的炭砂滤池换炭及刮加炭时，活性炭料可以不必达到设计要求的180 cm，在175～177 cm更为合理。使用取砂器可以取到更深层次的滤料，新活性炭的使用可减弱混层比例，混层现象良好。