给水处理滤池工艺的优化研究及问题分析

2023-08-19山东省丝路

区域治理 2023年17期

山东省丝路

聂荣飞

山东省丝路投资发展有限公司

引言

在传统的水处理过程中，过滤工艺是保证给水质量的关键。滤池的运行状况将会对悬浮固体、浊度、细菌、病毒等的去除效率产生影响，同时也决定着出水质量的好坏，这对于确保出厂水浊度以及下一步消毒工艺的消毒效果起着十分关键的作用。针对低浊度、高藻含量、高有机物、高NH3-N 等一些典型水源水质，如何避免水环境中特征污染物的干扰，实现对污染物的高效去除和高效除浊，是过滤工艺目前面临的新挑战。因此，为了最大限度地发挥滤池的功能，确保出水质量，有必要对滤池过滤工艺进行系统性的研究。

本文主要综述了有关给水滤池工艺的优化研究现状，对给水滤池目前存在的问题进行了系统分析，指出了未来研究的方向，以期为实现滤池的节能降耗和经济高效地运行提供参考。

一、给水处理过滤工艺的作用机理

过滤作为最常用的水处理工艺之一，有着广泛的应用。在给水处理中，过滤工艺的浊度适用范围广泛，较高或较低的原水浊度情况均可适用，该工艺能有效地滤除水中的浑浊物质，并能有效地杀灭水中的一些细菌、病毒，为消毒工艺的应用提供了有利的条件。在过滤工艺的快速过滤过程中，其去除的效率往往与过滤机理相关。大多数关于过滤机理的研究和理论认为滤池的过滤作用有两个过程：一是水中颗粒向滤料表面的迁移，二是颗粒吸附在颗粒表面，从而达到去除悬浮物，降低出水浊度[1]：

1.迁移机理

小颗粒通过流体的传输透过滤料的空隙到达砂粒的表面，其在过滤介质中的运动是由重力沉降、布朗运动、截留、水动力、扩散等因素共同作用而形成的。这种效应与滤料的粒径和形状，过滤速率，温度，悬浮粒子的密度，大小和形状有关。

2.粘附机理

所谓粘附指的是杂质颗粒被范德华力或者静电作用于滤料时会被某种特定的化学作用力吸附在过滤材料的表面。其吸附效果与过滤材料及水体中杂质粒子的表面理化特性密切相关。

二、给水处理滤池工艺的优化研究

（一）助滤剂对过滤性能的影响研究

助滤剂是影响絮凝过滤效果的重要影响因素之一，国内外的给水滤池进行过滤时常常为了增强过滤速率和降低过滤遇到的阻力加入助滤剂。助滤剂的使用最早可以追溯到1968 年，Tuepker 等人将助滤剂一定量的聚电解质投加在实验水中，发现滤池的滤速有明显提高，出水质量也得到了相应的提升。Cranston 的试验证实，将助滤剂以合适的量投加在过滤前的水中，可以在不考虑水头损失的高低的情况下有效地解决水中悬浮粒子的穿透问题，并且可以降低出水的浊度，同时还证实了聚合电解质助滤剂对出水水质有一定的改善效果，这一过程类似于絮凝的过程[2]。目前，国内的学者更倾向于选择高分子絮凝剂作为助滤剂。熊跃国[3]在实验过程中加入阳离子聚丙酰胺作为助滤剂，不仅浊度降低效果明显提升而且明显改变了过滤速率。许国仁、李圭白等对受有机物污染的松花江和黄河水库水进行了强化过滤的试验研究，结果表明，通过向滤前水中投加高锰酸钾复合药剂（CP)可以达到强化过滤的效果[4]。

目前我国应用聚丙烯酰胺和铝盐作为助滤剂较为广泛，成本低，处理效果好，主要应用于城镇供水。目前大多数人对此的看法是：在水溶液中，以高价聚合离子的形态存在的高分子聚合物比较多，并且未脱稳的胶体粒子主要是利用电性中和效应来实现在水溶液中的成功脱稳。同时，还可通过吸附架桥功能起到截留絮体的作用。助滤剂虽然能提高过滤性能，但也造成了滤料反冲洗困难，单水反冲很难冲洗干净，应当采用气、水联合反冲洗[5]。并且这些药剂应用于净水中会在水中有残余从而影响到身体健康，所以开发无毒无害的绿色助滤剂成为大家关注的重点。

（二）滤池滤料级配及厚度（L/d10）对过滤性能的影响研究

滤料在水处理过程中对滤池工艺的处理效果起到了重要作用，滤料颗粒直径（d10）与滤层厚度（L）的比值L/d10是影响过滤效果的关键因素，通常认为，当这个比率较大时，滤料表面积较大，其吸附容量较大，对应的过滤效果也较显著。在保证滤前水的水质不变的情况下，对滤后水的出水水质进行改善，可通过减少滤池滤料的粒径，或者增加滤池滤料的厚度来满足这一要求，然而，该方案会缩短滤池的过滤周期，同时，滤池出水的产量也会随之下降，所以，当前滤池设计的一个重要问题就是如何选择滤池滤料，并对滤层厚度进行设计。

早在1995 年，学者 Greeley和 Hansen 就控制过滤条件相等，调整L/d10的比值进行了不同的试验，同时，通过测定不同比值的过滤后的水的浑浊程度，得出L/d10比例越高的滤液的出水效果也越好。虽然增大L/d10的比值会使滤池出水的水质得到改善，但是一些问题也会相应出现，比如使工程的造价提高和使反冲洗的难度升高。据相关报道L/d10的比值至少要大于等于1000 才能保证滤池出水满足相关要求，所以如何选择合适L/d10比值至关重要。王群等通过改变双层滤料的L/d 值，对几种实验滤柱的排水效果进行比较，发现在L/d值为1400 的时候，试验滤柱具有良好的出水性能，并且抗冲击能力最优[6]。杨一在控制L/d 比值在 1300 ，随后，对不同滤料包括无烟煤和石英砂的过滤效果进行了研究，结果表明，粒径越小，出水的浊度越低，不可滤残渣以及藻类的含量越少。同时还表明，在不同的高度条件下，滤料表面积的大小除了与L/d 的比值有关外，还与滤层的孔隙结构、颗粒形状等因素密切相关。

（三）滤速对过滤性能的影响研究

有研究表明滤料层与滤速之间有一定的相对关系，应保持在一定水平，才能保障出水水质和处理效率。研究表明，在过滤过程中滤速的改变可能会使出水质量明显变差，因此，更好的控制滤速波动有助于提高滤后水质。20 世纪初期，这一概念首先在美国被提出来，并被当时的学者们所接受。Moran 等人相继在自己的实验中发现，滤池对水中悬浮杂质颗粒的去除效果与过滤速度的增加成反比。此外，还证实了采用添加助滤剂等辅助性措施，可以有效地减少因滤速提高而引起的出水水质恶化和颗粒增多等不良影响。目前，史永浩还对滤速波动对滤后水浊度的影响进行了研究，结果表明，4.0 米/小时的滤速波动对滤后水浊度的影响要比在过滤前期更大，并且与滤后水浊度之间存在着一定的相关关系。韦舒通过试验，研究了低浊度进水时，滤速对其过滤效果的影响。结果表明，滤池滤速较低情况下，过滤后出水的浊度、平均浊度均降低，滤池的过滤能力指数提高，滤池的稳定性及使用寿命也均有所改善。如果滤速过快，会造成滤层水头损失过大，从而缩短了过滤时间，使出水质量下降。结果表明，在较高的滤速条件下，由于流体中剪切力较大，絮体破碎较多，并且絮体与滤料接触不足或接触不充分等，均会产生较差的过滤效果。

（四）针对特殊水质的滤池优化研究

因为人类活动的影响，使得大量的含氮含磷物质进入到水中，从而导致了藻类与浮游生物的大量繁殖，破坏水生态环境，导致了生活饮用水水源水质的不断恶化。高藻水的处理研究也吸引了越来越多的学者关注。气浮技术是当前处理高藻水的主要方法之一。由于藻类通常密度很小，且其絮凝体很难沉淀，所以利用气浮处理可以获得很好的除藻效果。Maeng 对不同气浮工艺对藻类的去除效果进行对比，结果表明对于常规DAF，最佳浮选时间为4 min，去除率大于91%。对于含微珠的DAF，最佳浮选时间为2 min，去除率大于95.4%，均达到不错处理效果。气浮工艺如今在中国也已成熟应用于水厂改造，目前更多的工艺为新型气浮—沉淀工艺，珠海三灶水厂改造工程（日处理能力2×104 m3.d-1）是这一工程的一个技术实例，在实际运行中，采用气浮处理方式后，其平均除藻效率达到96.9%，除浊效率达到94.1%。在使用沉淀方式的情况下，去除率达到98.5%。

伴随着国家经济的快速发展，水资源的污染问题也在不断加剧，特别是在我国北方，冬天温度较低，许多江河湖泊被冻结，再加上地表径流的减少，造成了水质的严重污染，尤其是对低温低浊水的处理，如果采用传统的处理方法，难以满足国家生活饮用水卫生标准中的浊度要求，这将会对居民的饮水安全造成极大的威胁，给人们的生产带来极大的困难。当前的最佳处理方法是：微絮凝接触过滤。微絮凝接触过滤工艺是利用向水体中投加混凝剂与助凝剂，将其投入设备中后利用设备在正常运行的过滤期间发生的絮凝和过滤作用，在滤层滤料表面形成微小的絮凝物，随之通过滤料的截留与吸附作用去除，进而降低了出水水体的浊度。闫晓涛对微絮凝接触过滤工艺对冬季黄河兰州段低温低浊水中浊度、有机物、氨氮的最优去除效果进行探究。结果表明：在最佳工艺参数条件下，浊度去除率为77.95%；高锰酸盐指数去除率为55.22%；氨氮去除率为94.62%，均达到不错的效果。

三、我国给水处理滤池运行存在问题

给水处理中的过滤一般是指分离悬浮在液体中的固体物质颗粒的一种操作。按照滤池的结构形式，当前在大型水厂中使用最广泛的有：普通快滤池、V型滤池和翻板滤池，现就这三种滤池所存在的问题展开论述。

（一）普通快滤池

普通快滤池是水厂滤池最常见的应用类型，其主要工作阶段为过滤和反洗，滤料一般分为单层或双层，特别是单层滤料的普通快滤池在水厂的应用时间较长，有丰富的运行经验可以参考，并且单层滤料滤池的池深较浅，反冲洗较容易。双层滤料的普通快滤池的滤速更快，容纳污染物的能力更强，工作的时间更长。

即便普通快滤池的优势明显，出水的水质一般也能达到要求，但也会有一些问题的出现需要对滤池进行优化，像浙江某自来水厂在洪水季节的出水无法满足水质要求，反洗是容易跑料造成反冲洗效果不明显，滤池运行自控程度不完善，无法实现滤池的自动化运行，针对这些问题作出相应改造方案对水厂滤池进行优化。

（二）V 型滤池

V 型滤池是一种进水口有V型槽的高速过滤池，反冲洗采用气水方式，常被应用于大中型水厂。 V 型滤池在实际应用中也有许多优势，如气水反冲洗和表面清扫的联合使用，使反冲洗效果得到了提高，反冲洗时滤料略有膨胀，可以做到使滤池深度更浅，并且在生产中高度自动化，易于管理。虽然V 型滤池的优势明显，但在实际应用的过程中也暴露一些问题，像白洋湾水厂在实际应用过程中发现反冲洗受季节的影响并且冲洗时间长、过程复杂、耗能较高，针对上述问题进行滤池优化。

（三）翻板滤池

翻版型滤池是瑞士CTE 公司的研究成果，该装置的滤料选择多样，可选择单层、双层或多层，反冲洗分为气冲、气水混合冲、水冲三个阶段，翻板滤池的命名来由是因为其在反冲洗的过程中可翻转九十度，并在运行过程中阀门是关闭的。这种构造可以提高反冲洗强度，增强滤料碰撞的时间，避免滤料的大量流失，运行过程自动化程度较高，方便管理，在我国得到了广泛的应用。虽然翻板滤池的优势显而易见，但在实际应用过程中发现其反冲洗存在废水溢流，反冲洗水排放不完全，滤层扰动等问题，针对这些问题提出相应的解决措施并且翻板滤池进行优化，以此保证滤池的稳定运行。