炭砂濾池直接過濾處理低溫低濁水的試驗研究

王琳，張克峰，王永磊，王安爽，賈偉健

（山東建筑大學市政與環境工程學院，山東濟南250101）

炭砂濾池直接過濾處理低溫低濁水的試驗研究

王琳，張克峰*，王永磊，王安爽，賈偉健

（山東建筑大學市政與環境工程學院，山東濟南250101）

直接過濾是首選的處理低溫低濁水的方式之一。文章以低溫低濁水為研究對象，運用炭砂雙層濾料濾池進行直接過濾試驗研究，以考察炭砂雙層濾料濾池微絮凝直接過濾工藝參數及適宜原水水質。結果表明：在原水低溫低濁條件下，工藝優選絮凝劑為PAFC（聚合氯化鋁鐵），投藥量為1.0mg／L，水力負荷為8m3／（m2·h），上層濾料顆粒活性炭適宜粒徑為1.6～2.3 mm，適合運行炭砂濾池直接過濾工藝濁度范圍為≤7 NTU；在最優參數下，工藝對濁度、CODMn（高錳酸鹽指數）、UV254、TOC（總有機碳）和氨氮平均去除率分別達到90%、43%、63%、55%和80%，凈水效果顯著，不同進水水質下過濾周期都能滿足≥12 h的試驗要求。

炭砂雙層濾池；直接過濾；低溫低濁；除濁

0 引言

北方冬季水體主要特點呈現低溫低濁，針對這種水質，水廠的處理方法大多是增加投藥量來強化混凝效果，這一方面加大了投藥成本，另一方面向水體中引入了大量的金屬離子，不利于人的身體健康［1-2］。針對低溫低濁水質國內水廠采用的是氣浮池替代沉淀池的處理方法，有研究者在引黃水處理中應用過浮濾一體的凈水工藝，在國內砂濾池以直接過濾的方式處理引黃水的研究證明了直接過濾工藝的可行性［3-4］。國外研究發現直接過濾工藝對低溫低濁水有較好的去除效果，并且美國給水協會在一份報告中指出適合直接過濾的理想水源水的水質是：色度＜40度，濁度＜5 NTU，鐵含量＜0.3 mg／L，錳含量＜0.05 mg／L，藻類含量小于105個／L［5-6］。對于冬季溫度較低，常年濁度處于10 NTU以下的原水，直接過濾工藝在混凝劑投藥量和人工操作方面具有較大的優勢，因此直接過濾是首選的處理低溫低濁水的方式之一［7-8］。現在的直接過濾大多指原水經過混合絮凝處理再進入砂濾池的處理水方式，是文章試驗所采用的微絮凝直接過濾方式［9］。

針對夏季高溫、高有機物、高氨氮的水源水，水廠改良砂濾池為活性炭炭砂濾池以提高凈水效果，而對于冬季水體呈現出了低溫低濁的水質，為了提高運行效果，減少運行成本，通過省略中間沉淀池強化混凝，炭砂濾池以直接過濾方式運行［10-11］。近幾年，國內外相繼開展了炭砂濾池前微絮凝混凝直接過濾處理冬季低溫低濁水的研究［11-12］。目前炭砂濾池以直接過濾方式處理低溫低濁水沒有明確的工況條件，并且炭砂濾池以直接過濾方式運行的適宜水質條件有待進一步研究。文章通過運行引黃水來確定微絮凝—炭砂雙層濾料濾池的各項影響工況，在變換進水水質的前提下通過對出水濁度和過濾周期的的論證總結出適合這種工藝的濁度區間。試驗期間以引黃水配水，通過投加高嶺土來改變原水濁度，配水濁度區間在1～10 NTU之間，主要以變化濁度區間為目的總結出適合活性炭雙層濾料以微絮凝直接過濾方式的運行水質。

1 試驗裝置及試驗方法

1.1 試驗裝置

本試驗的試驗裝置為兩組規格相同的活性炭石英砂雙層過濾柱，采用透明的有機玻璃制作而成，其直徑為200mm、高為2.8m，每隔200mm設有1個取樣口。濾柱采用活性炭石英砂雙層濾料，濾層厚度約為1000mm，其中上層的活性炭濾層厚為500 mm，下層石英砂厚為500mm。濾柱過濾采用下向流方式運行，水力負荷為8 m3／（m2·h），濾池反沖洗采用氣水反沖洗，反沖洗膨脹率為30%～40%。濾池前面設兩級絮凝池和混合池。炭砂濾柱試驗裝置圖如圖1所示。

圖1 炭砂濾柱試驗設備圖

濾柱前面設置兩級絮凝池，總絮凝時間為6 min，在燒杯實驗的基礎上，改變絮凝劑種類，絮凝劑的投藥量和活性炭種類三種參數來運行設備，通過檢測出水濁度指標和過濾周期來選用較優的絮凝劑種類，投藥量和活性炭的種類。

1.2 試驗方法

試驗期間引黃水（10月到次年3月）水質：原水水溫2.0～4.9℃，并且較大部分時間是在3.0℃以下；pH值為7.23～7.42；濁度為1.03～2.0 NTU；耗氧量為1.73～2.37mg／L；UV254為0.032～0.035／cm-1，TOC為2.33～3.20mg／L，氨氮在0.55mg／L左右，且藻類含量一直小于105個／L。前期是直接運行引黃水來優選絮凝劑種類、絮凝劑投藥量和活性炭種類，后期是在最優參數下再通過引黃水加入高嶺土配水為進水來運行設備，通過出水濁度指標和過濾周期等因素總結出適合炭砂濾池微絮凝直接過濾的濁度區間。

試驗所檢測的進出水指標為濁度、CODMn、UV254、TOC和氨氮，檢測方法依據GB／T 5750—2006《生活飲用水標準檢驗方法》［13］。檢測指標所使用的檢測儀器和方法見表1。

表1 檢測指標與相應檢測儀器

2 結果與分析

2.1 炭砂濾柱工藝參數影響因素

試驗原水采用引黃水，過濾出水控制指標為濁度和水頭損失。根據目前我國的GB／T 5749—2006《生活飲用水衛生標準》中對感官指標中的濁度提出了嚴格限值，其中規定了出廠水濁度1 NTU，為考慮過濾后的消毒處理［14］。本試驗規定當出水濁度大于0.3 NTU或過濾水頭損失大于0.55 m時，停止過濾，并且采用氣、水反沖洗的方式對濾柱進行反沖洗。試驗對絮凝劑種類、絮凝劑投藥量和活性炭種類進行了優選，并且在最優參數下，以改變進水濁度為進水水質研討適合活性炭雙層濾池直接過濾方式的進水水質。

2.1.1 絮凝劑種類

不同的絮凝劑種類和用量是決定絮凝效果好壞的關鍵，而絮凝效果是決定過濾效果的關鍵所在。首先試驗對絮凝劑的種類進行優選。絮凝劑種類的優選以引黃水為運行原水，四種絮凝劑種類為：聚合氯化鋁鐵（PAFC）、聚合氯化鋁（PAC）、硫酸鋁（AS）和氯化鐵（FC）。選用四種絮凝劑種類為變量因素，其他因素不變的條件下運行設備，參考其他試驗研究在水質低溫低濁條件下絮凝劑投藥量（以Al3+計）大約在4 mg／L以下為宜，本試驗選取絮凝劑的投藥量（以Al3+計，而FC以Fe3+計）統一為定量2 mg／L。不同絮凝劑種類下設備運行引黃水的出水濁度平均值變化曲線如圖2所示。

圖2 不同絮凝劑種類進出水濁度隨時間的變化圖

由圖2可以看出在相同的投藥量下，投加的絮凝劑為聚合氯化鋁鐵時的活性炭雙層濾池直接過濾出水濁度在0.15 NTU左右，濁度去除率高達90%，凈水效果遠比其他幾種絮凝劑好，并且由圖2可以看出，聚合混凝劑PAFC和PAC作為絮凝劑時的出水濁度要明顯低于無機絮凝劑AS和FC的出水濁度，因此也證實了聚合混凝劑的混凝效果要比無機混凝劑的混凝效果要好的多，且本實驗中對PAFC和PAC兩種聚合絮凝劑進行了對比，發現PAFC的效果要比PAC的效果要好，因此實驗確定選用的絮凝劑種類為PAFC。

2.1.2 PAFC的投加量

在最終選出PAFC作為絮凝效果最好的絮凝劑的前提下，控制濾柱水力負荷為8 m3／（m2·h），其他因素均相同的條件下進行絮凝劑投藥量的優化試驗。投藥量的優化是在濾柱①中進行的，濾柱①上層濾料為500 mm的A型活性炭濾料，下層為級配1.0～1.2的石英砂濾料。初步優選絮凝劑的投加量（以Al3+計）為1、3和6 mg／L。濾柱水力負荷為8 m3／（m2·h），試驗主要考察濁度指標。投藥量不同時出水濁度隨時間（t）的變化如圖3所示，由圖3可看出，當投藥量（以Al3+計）為6、3 mg／L時，開始幾個小時的出水水質均良好，但是分別到了3～4 h之后濁度突然增高到0.5 NTU，都大于0.3 NTU，均不能滿足濾池的出水水質，于是立即停止過濾，兩種投藥量下的濾柱的水頭損失均沒有達到0.55 m。投藥量為1 mg／L時，過濾初期濁度在0.2～0.25 NTU之間，但是也能滿足出水水質，隨著時間的變化濁度逐漸降低穩定在0.15 NTU左右，在24 h時水頭損失達到0.55 m，濾柱停止過濾，過濾周期達到了24 h（滿足試驗要求≥12 h）。于是確定本試驗炭砂濾池直接過濾工藝PAFC最佳投藥量為1 mg／L。從濾柱過濾周期考慮，在低溫低濁條件下，炭砂雙層濾池以直接過濾形式運行方式是可行的，并且工藝所優選的PAFC投藥量為1 mg／L。

圖3 不同投藥量下進出水濁度隨時間的變化圖

由混凝劑的投藥量優選試驗可看出，混凝效果對過濾效果有著直接的影響，在投藥量較大的情況下，形成的絮體較大，雖然在過濾的開始出水的效果較好，但是隨著過濾的進行，絮體在上層濾料中被大量吸附和截留，下層濾料發揮不到很好的過濾吸附作用，上層濾料被很快阻塞，水頭損失增長的很快，形成過濾中的濾餅過濾模式，但是隨著濾上水頭的增加，在較強的壓力下濾層很快被穿透，出水效果立刻變差，必須停止過濾。在較小的投藥量下，形成的絮體適中，絮體大小小于40μm，顆粒經過微絮凝其體積和表面電性發生了巨大的改變，進而也影響到了濾層對顆粒物的粘附和截留，所以絮凝效果的好壞對過濾有著至關重要的作用。

2.1.3 活性炭濾料類型

在優選出的PAFC的投藥量為1 mg／L的投藥量下，分別在兩種規格相同的濾柱中進行濾料的優選，考察不同活性炭濾料對炭砂濾池直接過濾的影響，因為濾料是決定過濾凈水效果的關鍵所在［15］。本試驗兩個濾柱上層濾料分別為兩種不同的顆粒活性炭GAC（granular activated carbon），編號為A型和B型，濾料厚度為500 mm，下層填充500 mm的相同材質的石英砂，級配為1.0～1.2。兩種活性炭的性質見表2。

表2 兩種活性炭的性質

濾柱水力負荷一律為8 m3／（m2·h），此水力負荷也是以微絮凝直接過濾工藝處理引黃水的基礎上進行參考運行的［4］。在優選出的PAFC投藥量（1 mg／L）的條件下進行濾料的優選。試驗期間以出水濁度為控制指標，出水濁度大于0.3 NTU，或者A型GAC濾柱是過濾水頭損失大于0.55 m時，B型GAC濾柱是過濾水頭損失大于0.65 m時達到各自的過濾周期從而停止過濾。

兩種濾料出水濁度均能滿足出水要求，出水水質保持在0.3 NTU以下，過濾周期都均滿足試驗過濾控制要求（大于12 h），B型GAC出水的濁度比A型GAC稍好一些，但是過濾周期卻較短。兩種濾料濾柱出水濁度如圖4所示，兩種濾料濾柱水頭損失增長情況如圖5所示。A型GAC濾料濾柱的過濾周期可以達到24 h，B型GAC濾料濾柱的過濾周期只有15 h，遠遠小于A型GAC濾料濾柱的過濾周期，結合出水濁度指標綜合考慮選用A型GAC濾料作為小試試驗濾柱的的上層活性炭濾料。

圖4 兩種濾料濾柱出水濁度隨時間的變化圖

圖5 兩種濾料濾柱水頭損失增長情況圖

2.2 不同濁度水質下炭砂濾池的運行情況

在優選出的1 mg／L投藥量下，在濾柱①中進行直接過濾的試驗，優選出適合直接過濾工藝的濁度區間。試驗用水為引黃水，投加高嶺土以改變微絮凝直接過濾工藝的進水的濁度，配置原水的濁度區間分為五個，分別為1～2、3～4、4～5、6～7和8～ 9 NTU。

試驗期間投加1 mg／L的PAFC，絮凝方式采用兩級絮凝，連續運行小試裝置，直到水頭損失達到0.55 m或者是出水的濁度高于0.3 NTU即刻停止過濾。

在配水濁度1～2、3～4、4～5、6～7和8～9 NTU不同濁度區間炭砂濾池以直接過濾方式運行對濁度的平均去除效果和過濾周期圖如圖6所示。試驗過程中在進水濁度為1～2 NTU，3～4 NTU，4～ 5 NTU的區間進行直接過濾的過程中，過濾開始的1 h出水濁度都較高但是還是保持在0.3 NTU以下，隨著過濾的進行，出水濁度逐漸降低并且穩定在0.15 NTU左右，在進水濁度區間6～7進行直接過濾的過程中，出水濁度已經開始了不穩定的現象，但是還是能穩定在0.3個NTU以下，其過濾周期是14 h，能夠滿足試驗過濾要求。并且由圖6可看出，進水濁度越高，過濾周期越短。

在進水濁度8～9 NTU區間進行直接過濾的過程中，4 h時的出水濁度可直接達到0.5 NTU，已經不能滿足出水水質要求，所以直接停止了過濾的進行，此時濾池的截污能力已經達到了極限，表層濾料間空隙被堵塞，可能在高濁度的進水條件下，濾層產生刷濾作用而產生泥膜，過濾的阻力也增加了，在濾層受力不均勻的情況下泥膜產生裂縫，從而大量進水從裂縫中流出，從而導致了懸浮雜質穿過濾層使出水水質惡化。這種情況濾柱并沒有達到濾池的水頭損失而被迫停止過濾。由上述試驗結果討論可得，性炭雙層濾池處理進水濁度8～9 NTU及以上的進水時能力有限，針對進水濁度高于8～9 NTU及以上的原水，應考慮炭砂濾池與其他工藝聯用處理進水。各個區間的水頭損失隨時間的變化如圖7所示。

圖6 不同濁度區間出水平均濁度和過濾周期圖

圖7 不同濁度區間的水頭損失隨運行時間的增長情況圖

文中工藝以微絮凝直接過濾方式運行處理不同濁度區間的原水綜合考慮來說，適合直接過濾的濁度區間是小于8 NTU的，建議在進水濁度高于7 NTU左右時與其他工藝結合進行協同凈水。

2.3 有機物氨氮指標去除情況

為了清楚的了解炭砂濾池直接過濾方式運行情況下對有機物和氨氮指標的去處情況，在改變濁度但是沒有改變其他進水指標的前提下，每日檢測濾柱進出水各種有機物指標和氨氮指標，并求平均值得出以下結果。濾柱對于有機物和氨氮的去除情況基本穩定，出水的CODMn、UV254、TOC和氨氮分別約為0.8 mg／L、0.020／cm、1.52 mg／L和0.10 mg／L。具體進出水去處指標見表3。CODMn的平均去除率為43%；UV254的去除率為63%；TOC的去除率為55%；氨氮的去除率為80%。炭砂雙層濾池在運行三個月的情況下，活性炭已經初步形成為生物活性炭，利用活性炭上各種菌體的硝化反硝化作用，對有機物和氨氮均有較好的去處效果，且炭砂濾池為各種不同形態有機物提供了豐富的生長條件，使一些嗜低溫的種群也能夠在溫度較低的條件下充分發揮作用，也在一定條件下保證了生物活性炭濾池在較低溫度條件下對有機污染物的處理能力?？傮w來說，在進水氨氮和有機物含量不高的良好水源下，炭砂濾池以直接過濾工藝方式運行時有機物和氨氮的去除情況比較良好。

表3 進出水水質分析

3 結論

通過本研究可知：

（1）對于本試驗炭砂濾柱裝置處理溫度低于3℃，濁度在1～2 NTU的水源，以微絮凝直接過濾工藝運行，較適合的混凝劑種類為聚合氯化鋁鐵PAFC，PAFC的投藥量為1 mg／L。且在低溫低濁條件下以微絮凝直接過濾的運行方式是具有可行性的。活性炭濾料滿足出水濁度、有機物、氨氮指標及過濾周期的活性炭為粒徑（1.6～2.3mm）的A型活性炭。

（2）在變濁度區間炭砂濾池以微絮凝直接過濾工藝運行試驗研究中，進水濁度為7 NTU以下是可以進行直接過濾的。建議在進水濁度高于7 NTU時與其他工藝結合進行協同凈水。

（3）炭砂濾池運行微絮凝直接過濾工藝，去除有機物、氨氮效果良好，對CODMn的平均去除率為43%；UV254的去除率為63%；TOC的去除率為55%；氨氮的去除率為80%，出水均能夠滿足生活飲用水衛生標準中的限值。

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（學科責編：吳芹）

Treatment of low tem perature and low turbidity raw water w ith
sand carbon filter by direct filtration

Wang Lin，Zhang Kefeng*，Wang Yonglei，et al.

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

Direct filtration is one of the preferred way of dealing with low temperature and low water.With the low temperature and low turbidity water as the research object，direct filtration experiment research was conducted by using sand carbon double-layer filter，and process parameters and suitable raw water quality of sand carbon double-layer filter was investigated.The results show，under the condition of low temperature and low turbidity raw water，the process preferred PAFC（Polyaluminum ferric chloride）as the flocculant，the flocculant drug dosage is 1.0mg／L，the hydraulic loading is 8 m3／（m2·h），the suitable GAC size of upper filter material is 1.6-2.3 mm，and the suitable turbidity range is≤7NTU.Under the optimal parameters，the removal of turbidity，CODMn（Chemical Oxygen Demand），UV254and TOC（Total Organic Carbon）by process reached respectively an average of 90%，43%，63%，55%，80%，and effect is remarkable，under different inletwater quality，the filtration cycle can meet the testing requirements（≥12h）.

sand carbon double filter；direct filtration；low temperature and turbidity；turbidity removal

TQ424.1；TQ028.53

A

1673-7644（2015）02-0135-06

2014-06-19

國家水體污染控制與治理科技重大專項項目（2012ZX07404-013-006）；住房和城鄉建設部科學技術計劃項目（2014-K5-026）；山東省住房和城鄉建設廳科技計劃項目（KY022）；2014年度山東省科技發展計劃項目（2014GSF120003）

王琳（1988-），女，在讀碩士，主要從事水處理理論與技術等方面的研究.E-mail：250641608＠qq.com

*：張克峰（1964-），男，教授，博士，主要從事水處理理論與技術等方面的研究.E-mail：kfz＠sdjzu.edu.cn