老旧水厂滤池滤料堵塞问题的处理对策

陈 虹，李 婷，林春敬，张 亮，陈海松

(深圳市深水龙岗水务集团有限公司，广东深圳 518055)

深圳某水厂设计供水能力为6.0×104m3/d，原水取自本地水库，水厂采用常规水处理工艺“水力混合-网格絮凝-斜管沉淀-双阀滤池过滤-次氯酸钠消毒”。因该水厂建设年代较早，建设标准较低，其双阀滤池存在过滤周期短、单水冲洗配水不均匀、反冲效果差等问题，导致滤池滤料堵塞。经检测，含泥率达1.83%，滤后水浑浊度为0.26 NTU，较常规升高23.1%。每年5月—10月，水库原水铁、溶解性锰含量较高，增加了滤池的运行负荷，存在浑浊度、色度超标的风险，给日常生产运行带来挑战。

该水厂自运行以来，多次出现上述情况。因此，该水厂采取提高滤池反冲洗频次、增加曝气冲洗、增补滤砂等一系列应对措施，降低了滤池的运行负荷，反冲强度提高了16.7%，过滤周期由措施前的12 h延长至16 h，有效改善了滤料堵塞的情况。滤料含泥量整体降低12.6%，出厂水浑浊度由0.27 NTU降低至0.19 NTU，其他出水指标完全满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)限值要求，避免了因滤料堵塞带来的水质风险，保证了出水水质，可为存在同类问题的水厂提供技术参考。

1 滤池滤料堵塞的原因分析

1.1 原水水质

深圳某水厂原水取自本地水库，其不同时期原水水质对比如表1所示。该水厂在5月—10月时，水质波动较大，其中，浑浊度最低值为0.81 NTU、最高值为386 NTU，铁、锰含量最高值分别为1.89、0.94 mg/L。因浑浊度、铁、锰含量波动较大，造成制水工艺无法稳定运行，容易引发潜在的水质安全风险。

表1 不同时期原水水质对比Tab.1 Comparison of Raw Water Quality in Different Periods

1.2 滤池基本情况

该村级水厂滤池为双阀滤池，采用真空系统控制虹吸进水和虹吸排水，通过调节反冲洗水泵频率，改变工作周期和反冲强度，保障滤池反冲效果。滤池实际运行参数如表2所示。

表2 滤池实际运行参数Tab.2 Actual Operation Parameters of the Filter

1.3 滤料堵塞原因分析

滤池作为常规水处理过程最后的把关设备，因长时间运行，在滤层的截留和吸附作用下形成滤料板结层是一种常见的现象，出现滤池滤料板结堵塞的原因主要有以下几方面。

(1)运行时间长，反冲不充分

该水厂滤池连续运行时间长达20 a(水厂自投产以来，未停产更换过全部滤砂，单格补砂无需停产)，不具备改造为气水反冲洗滤池的条件，仅采用单一水冲反冲洗方式，滤池反冲洗不充分，滤料表面的杂质黏附力增强，滤料空隙变小，滤池滤料板结严重，进而导致滤池过滤效果差[1]，出现过滤周期由24 h降低至12 h、滤后水浑浊度由0.18 NTU升高至0.26 NTU、出厂水浑浊度由0.20 NTU升高至0.27 NTU、出厂水余氯下降约0.4 mg/L的现象。

(2)设计参数不合理，过滤效果差

根据现行《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)要求，滤层厚度与有效粒径之比(L/d10)：细砂及双层滤料过滤应大于1 000，粗砂滤料过滤应大于1 250。该水厂目前仍采用原设计石英砂单层滤料过滤，粒径为0.6～1.2 mm，有效粒径d10=0.70 mm，层厚为700 mm，无法确保L/d10>1 000以满足现行标准要求、保障过滤效果。研究表明，滤层厚度与滤料粒径的关系对过滤性能的影响很大，滤料粒径越小，对浑浊度的去除效果越好，L/d10越大，过滤周期越长，周期产水量越高[2-3]。

(3)沉淀效果差，滤池负荷增高

每年5月—10月，降雨量增多。一是进水负荷增加，沉淀池停留时间不足，运行效率降低，造成沉后水最高浑浊度为0.87 NTU，较常规上升33.3%，出厂水最高浑浊度为0.35 NTU，较常规升高29.6%；二是本地原水铁、锰含量较高，采用投加高锰酸剂预处理，水中溶解锰离子不能在混凝沉淀过程中完全去除，造成锰离子被滤池截留，增加了滤池的运行负荷。

2 应对措施

为应对滤池滤料堵塞、板结而造成出水浑浊度、色度不达标带来的风险，经过一段时间的摸索，该水厂采取多项应对措施以确保出水水质安全，具体如下。

(1)高锰酸钾预氧化

针对原水每年(5月—10月)溶解性锰含量较高，采用0.3 mg/L高锰酸钾进行季节性投加，通过强氧化作用将水中溶解的二价锰氧化成四价锰沉淀[4]，去除部分锰，降低滤池运行负荷。该水厂工艺流程如图1所示，由高锰酸钾投加位置约在配水井前5 m处。

图1 深圳某水厂工艺流程图Fig.1 Process Flow Chart of a WTP in Shenzhen

(2)提高滤池反冲洗频次

滤池反冲洗周期缩短，沉后水浑浊度与出厂水浑浊度变化不大，滤料成泥球状，可初步判断滤料板结堵塞。此时反冲滤层膨胀率降低，原水冲强度不能实现对滤层截留污染物的有效去除[5-6]，而提高滤池反冲洗频次，加强反冲洗可改善滤层板结堵塞现象。滤料堵塞期间，将滤池反冲洗频次由原来的24 h/次缩短至12 h/次，并对不同滤层滤料含泥量取样检测，加大反冲洗强度，保证滤砂清洗彻底，使滤料含泥量满足正常滤层含量运行标准，保障出水水质。

(3)采用弱酸清洗滤砂表层

过滤过程水中颗粒不断聚集填充滤料空隙，使滤砂含泥量增多，滤池截污能力下降，在保障出水水质的前提下，采用弱酸清洗滤砂可有效降低滤砂含泥量并减少滤池反冲洗次数，提高滤池效率，降低能耗[7]。保留滤砂上水位高度约20 cm，关闭滤池出水阀，对单格滤料酸洗，在滤格中加入浓度为5%的草酸，混合后滤池中溶液pH值控制在6.0左右，对滤砂表层(50 cm)清洗，浸泡30 min后，较常规增加一倍水冲强度，水洗10 min，清洗滤料表面弱酸，确保冲洗彻底。检测清洗后滤料含泥量整体降低12.6%，滤池过滤性能恢复，该酸洗过程不影响滤池正常运行且可提高出水水质。

(4)人工曝气增加冲洗强度

单水反冲耗水量高，各滤格进水流量不一致导致配水不均匀，滤池局部易出现死水区，逐日累积导致滤料密实、板结、滤池堵塞[8]，反冲效果差。该水厂采取人工曝气实现气-水反冲，配置空气压缩机E790，功率为7.5匹(1匹=735 W)，接DN15镀锌管，管口出气口共24个，分4列，每列6个，孔径为3 mm，插入滤池进行人工曝气。水厂二期滤池共16小格，每格面积为12 m2，每格曝气30 min，曝气完毕后用水反冲洗10 min，连续3 d对滤池曝气处理一次，以实现气水反冲洗，增加滤料颗粒的相互碰撞摩擦和滤层中水流剪应力，改善滤料再生效果，提高滤池运行效果，保障出水水质安全。强化冲洗强度参数如表3所示，第一阶段为人工曝气冲洗，第二阶段为单水反冲洗，气冲强度为2.5 L/(s·m2)，水冲强度为15 L/(s·m2)。

表3 强化冲洗参数Tab.3 Enhanced Backwash Parameters

(5)填补新砂增加滤层厚度

在其他条件相同时，L/d10越大，滤层滤料的比表面积越大，吸附截污能力越强[9]。适当填补新砂，增加滤层厚度，可提高L/d10。该水厂发现滤池工况不稳定，滤料严重板结时，更换部分滤砂，并将滤料厚度由原有的700 mm增加至1 000 mm。对比更换增补滤砂前后滤池运行效果，该方法对滤池反冲洗参数未造成明显影响，滤池未出现跑砂、漏砂等不良现象，且在不影响滤池运行效果的前提下，强化了过滤效果。

3 实践效果

采取应对措施后，滤池的过滤周期由措施前的12 h提高至16 h，每年可减少反冲洗180次，滤砂含泥量和出水指标均有明显改善，具体如下。

3.1 滤砂含泥量

高温高降雨季节，滤池滤料堵塞板结期间，该水厂将污砂置于105 ℃恒温箱内烘干至恒重，冷却后用表面皿(质量为m0)称取10 g左右样品m1，置于磁蒸发器内，加10%的盐酸50 ml，煮沸5 min，再将泥用蒸馏水漂净至肉眼观察不到，最后用蒸馏水冲洗，烘干冷却后称重m2的方法测试含泥率，其计算如式(1)。

(1)

其中：e——含泥率；

m0——表面皿质量，g；

m1——污砂恒温烘干后滤砂质量，g；

m2——洗砂烘干后滤砂质量，g。

措施前后不同滤层滤料含泥量对比如图2所示。措施后，不同滤层的含泥量均有所下降，取样10 cm滤料含泥量由1.83%降低至1.52%，取样30 cm和50 cm滤料含泥量分别由1.51%和1.42%降低至1.32%和1.21%，滤料含泥量整体降低12.6%，滤砂较措施前蓬松且滤砂板结程度明显下降，实践证明采取的措施切实可行，可借鉴应用。

图2 措施前后滤层含泥量对比Fig.2 Comparison of Mud Content of Filter Layer before and after Measures

3.2 出水指标

滤池滤料堵塞板结期间，措施前后出水指标对比如表4所示。措施后，出水指标均有改善，滤后水、出厂水浑浊度分别由0.26 NTU和0.27 NTU降低至0.15 NTU和0.19 NTU，滤后水浑浊度去除率由措施前的72.9%升高至76.6%，出厂水pH值由7.31降低至7.28，余氯由0.53 mg/L升高至0.57 mg/L，出厂水完全符合水厂内控标准和《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)限值要求，实践证明采取的一系列措施切实可行，可在滤池滤料堵塞，运行效率低期间借鉴应用。

表4 措施前后出水指标Tab.4 Treated Water Index before and after Measures

3.3 其他出水指标

高温多降雨季节，滤池滤料堵塞板结期间，其他原水及出厂水水质参数如表5所示。原水中CODMn、氨氮和色度指标均良好，铁、锰含量偏高，最高值分别为0.56 mg/L和0.24 mg/L。出厂水CODMn、氨氮和色度分别为0.70 mg/L、0.03 mg/L和<5度，铁、锰含量均<0.05 mg/L，完全满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)限值要求。该结果说明水厂采取的应对措施科学有效，可有效保障出水水质安全。

表5 其他出水水质指标Tab.5 Other Water Quality Indicators

4 总结

本文分析了双阀滤池滤料堵塞的原因，总结了面对滤池过滤效果差时水厂的应对措施及成效，综合评价措施后，得到的结论如下。

(1)高温多雨季节，溶解性锰含量较高，采用0.3 mg/L高锰酸钾进行季节性投加，可有效去除水中溶解锰，减轻滤池运行负荷。

(2)高温多雨季节，进水负荷增加，沉淀池出水不佳期间，应加强对滤池滤料的冲洗频次，补充曝气冲洗，防止滤料板结，堵塞滤池。

(3)滤池板结、滤砂含泥量高时，可采用弱酸溶液对滤池滤料进行清洗，降低含泥量。

(4)强化反冲洗强度，将单水反冲方式改为气水反冲结合的方式，可有效解决老旧水厂单水反冲导致滤池过滤效果差、滤料板结堵塞的情况。

(5)水厂应加强滤池过滤效果预警机制和过程水检测，及时发现滤池工况不稳定的情况，通过补增新砂的方式，增加滤层厚度与有效粒径之比(L/d10)，增加滤池过滤效果，防止滤料堵塞板结影响出水水质。