炭砂濾池新舊濾料的對比分析

胡 芃，方榕華，王 鑫，龔曉曄

(杭州市水務集團有限公司，浙江杭州 310016)

1 項目背景

炭砂濾池分12格，雙排布置，兩側各6格，炭床吸附停留時間為10 min。濾料上層采用原煤破碎炭，濾料厚度為1.3 m，采用8×30粒度，下層采用細砂濾料，厚度為0.50 m，采用長柄濾頭方式配水，期終水頭損失為2.4 m。以單獨氣沖3 min加單獨水沖10 min方式進行反沖洗：氣沖強度為55 m3/(m2·h)，水沖強度為25 m3/(m2·h)，反沖周期約1～2 d。炭砂濾池相關技術參數如表1所示。

隨著2013年膜處理系統的運行，以及炭砂濾池存在跑炭現象，細顆粒比重由2013年5.5%增大到下一年的6.5%，2014年清泰水廠開始對炭砂濾池進行換炭。換炭主要從工藝、進出水濁度以及實際生產中的問題考慮，經技術委員會會審后決定選取8×20目的原煤柱狀炭。

2 水質去除率分析

2014年，清泰水廠首先選取6#池進行換炭，新活性炭較之前使用的舊活性炭具有粒徑大、強度高、亞甲藍及碘值略低等特點。作為深度處理工藝的重要一環，炭砂濾池吸附凈水工藝可以進一步降低濁度，有效去除有機物和氨氮等[1-2]。因此從2014年10月起，清泰水廠對新舊活性炭濾料濾池出水水質的濁度、氨氮、亞硝酸、耗氧量等指標進行分析，去除效果如下。

表1 清泰水廠30萬m3/d炭砂濾池參數Tab.1 Parameters of 300 000 m3/d Carbon Sand Filter in Qingtai Water Treatment Plant

2.1 濁度去除效果

統計濾池出水濁度平均值，結果如圖1所示。

圖1 濁度去除率Fig.1 Removal Rates of Turbidity

由圖1可知，試驗期間6#濾池出水和同側1#～5#濾池濾后總水的濁度相差不大，平均值為0.07 NTU，去除率平均值為 99.7%。結合混凝沉淀工藝，對濁度的去除率均達到99%以上。由此可知，相對于粒徑更小的8×30粒度的舊活性炭濾料，新活性炭濾料濁度的去除率相差不大。

2.2 氨氮去除效果

對氨氮檢測數據進行去除率統計，如圖2所示。

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

由圖2可知，6#濾池和同側1#～5#濾池濾后總水的出水氨氮均在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別為86%和85%，6號濾池的氨氮去除率大于濾后總水的氨氮去除率。因此，新活性炭濾料在一年的使用中去除氨氮的效果略強于使用近5年的舊活性炭濾料。

2.3 亞硝酸去除效果

統計亞硝酸檢測平均值，計算去除率，如圖3所示。

圖3 亞硝酸去除率Fig.3 Removal Rates of Nitrite

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

由圖3可知，6#濾池和同側1#～5#濾池對亞硝酸的去除效果都比較高，達到95%以上，且6#濾池的亞硝酸去除率均大于濾后總水的去除率。由此可知，新活性炭濾料在一年的使用中去除亞硝酸鹽的效果略強于使用近5年的舊活性炭濾料。

2.4 耗氧量去除效果

對化驗室水質日報耗氧量進行統計，耗氧量去除率如圖4所示。

由圖4可知，6#濾池對耗氧量的去除率為55%左右，同側1#～5#濾池濾后總水對耗氧量的去除率為50%左右，6#濾池的耗氧量去除率均高于濾后總水耗氧量的去除率。因此，新的活性炭濾料對耗氧量的去除效果也有提高。

通過換炭后為期一年的濾后水檢測，更新后的8×20目原煤柱狀炭可以滿足炭砂濾后的水質內控標準要求。氨氮、亞硝酸、耗氧量指標優于使用時間近5年的舊活性炭。

3 跑炭情況

2015年6月30日，分別對所有濾池濾料厚度進行了測定，與2014年9月29日測定的濾料厚度數據比較，如表2所示。

測定時每個濾池南北兩側分別取5個點取平均值。由表2可知，運行10個月后，濾池濾料厚度相差不大，除6#池外，濾料下降厚度約為2～4 cm。粒度為8×20目的新活性炭濾料的6#濾池下降厚度為1 cm，較其他濾池濾料降低得更少。

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

圖5 濾料厚度現場效果Fig.5 Field Rendering of Filter Material Thickness

由圖5可知，濾料厚度達到設計要求(即180 cm)時，剛好處于最底部瓷磚的中間部分，一塊瓷磚的高度為12 cm，同樣表3中的184、183 cm也處于最底部瓷磚中間靠上部分，177 cm則剛好處于瓷磚的底部。而瓷磚表面較光滑，與顆粒濾料結合處不夠緊密，過濾時易造成“短路”，而在瓷磚下部的毛池壁則不存在上述現象。又因6#濾池所在濾料厚度對水質去除效果不比其他厚度的濾池弱，出于減少成本和跑炭率的考慮，清泰水廠今后的炭砂濾池換炭及刮加炭時，活性炭料在175～177 cm即可。

4 濾池參數分析

4.1 濾料級配

2013年5月、2014年5月和2015年3月，對6#濾池分別取50 cm深濾料進行級配試驗，試驗選取No.8、No.12、No.30篩孔，測定結果如表3所示。

表3 級配測定表Tab.3 Carbon Grade Determination

由表3可知:2013年No.8～No.30的百分含量約為93.2%[(45.2+47.8)÷99.8≈93.2%]，小于No.30的百分含量約為5.5%；2014年No.8～No.30的百分含量約為92.2%，小于No.30的百分含量約為6.5%；2015年No.8～No.30的百分含量約為99.4%，小于No.30的百分含量約為0.4%。經過數據對比，可以發現更換成的粒徑更大、硬度更高的柱狀破碎炭在運行一定時間后，顆粒變細的趨勢明顯比原先粒度的活性炭濾料少。

4.2 吸附性指標

結合《生活飲用水凈水廠用煤質活性炭》(CJ/T 345—2010)實際情況，在選擇起始活性炭時要求碘吸附值≥950 mg/g，亞甲藍吸附值≥180 mg/g。在2015年2月，分別取6#濾池和10#濾池濾料，委托檢測碘吸附值及亞甲藍值，與6#濾池新濾料裝填時取樣的委托檢測報告數據制表，對比如表4所示。

表4 碘值、亞甲藍值測定Tab.4 Determination of Iodine Value and Methylene Blue Value

由表4可知，經過半年多的生產運行，活性炭微孔數量減少許多，吸附能力大幅降低。但在去除率的分析中，炭砂濾池仍具有良好的去除率。進一步說明，炭砂濾池主要依靠生物作用[3]。因此，在選擇活性炭指標時，可放松亞甲藍、碘值指標要求，重點考慮強度指標。強度和吸附性能相互制約，強度越高，活性炭的孔隙結構越不發達，吸附性能會有所下降。但炭砂濾池沖洗頻率高，故對活性炭強度要求較高。強度越高，活性炭抗磨損能力越強，使用周期越長。

5 混層現象

清泰水廠濾池的濾料厚度為1.8 m左右，上層活性炭濾料厚度為1.3 m左右，下層細砂濾料厚度約0.50 m。為做好濾池的工藝參數試驗，掌握濾料混層情況，通過購買如下的取砂器，可以在不翻池的情況下取到6#炭砂濾池深層濾料，如圖6所示。

圖6 取砂器Fig.6 Sand Lifter

待濾池濾干后，技術人員將取砂器使勁鉆入濾料層，最大深度約為140 cm。擰動內管進行取樣，取樣器內約五分之一部分有濾料。用此種取樣器可以取到較深層次的活性炭濾料，但一次取樣的取樣量不多，如圖7所示。

圖7 取砂器實際效果圖Fig.7 Actual Rendering of Sand Sampler

通過反復取樣，可以觀察到在深度約130 cm，基本為活性炭濾料和極少數石英砂，濾池混層比例較小，混層高度約5 cm，而原先6#濾池的混層部分達到20 cm。因此，運行一年多粒度為8×20目的原煤柱狀炭濾池混層現象比粒度為8×30目的顆粒炭濾池混層更弱。

6 結論

(1)對濾料更換為8×20目柱狀破碎炭的6#炭砂濾池，自2014年10月-2015年10月進行水質去除率分析，耗氧量約55.7%，濁度約99.7%，氨氮約86%，亞硝酸鹽約97%，新活性炭濾料水質去除率良好。

(2)通過濾料厚度測定及濾料級配試驗數據對比分析，粒度為8×20目的原煤柱狀炭比8×30目的顆粒炭跑炭更少，細顆粒所占比例也更少。

(3)經過半年多的運行，活性炭濾料亞甲藍值及碘值會大幅降低，說明活性炭物理吸附作用下降，炭砂濾池開始從物理吸附轉向生物降解，說明生物膜已形成。

(4)結合濾池水質指標去除分析、工藝參數試驗和跑炭情況，在今后的炭砂濾池換炭及刮加炭時，活性炭料可以不必達到設計要求的180 cm，在175～177 cm更為合理。使用取砂器可以取到更深層次的濾料，新活性炭的使用可減弱混層比例，混層現象良好。