美国的滤池设计

张宛梅
浙江省城市乡规划设计研究院　杭州市保俶路238号　　邮编310007

　　过滤是水厂净水工艺的主要关键环节，滤池运行状态的好坏将直接影响悬浮固体、浊度、细菌、病毒等的去除率，也直接影响出水水质的提高。
　　本文是根据Susumu Kawamura对美国高速过滤设计的综合资料及美国最近版AWWA净水厂设计手册的内容，按滤池设计的各个环节予以归纳。其中除滤速有高速过滤特点外，其他部分与常规滤池设计基本相同，但不少美国有关滤池的设计观点值得参考和借鉴。

1.滤池型式和出水浊度要求

1.1 滤他型式
　　美国的滤池型式基本以滤料的配置分类。有单层滤料、双层滤料、三层滤料滤池和粗粒深层滤料滤池。
　　在美国，滤池型式主要根据原水水质、出厂水水质要求、资金来源、水厂规模、前道处理构筑物的类型和当地技术管理力量等因素，由设计部门确定。在原水水质条件较好时，也采用直接过滤的方法。但采用直接过滤时，原水水质必须受到下列条件的限制。
　　可采用直接过滤的原水要求：
　　浊度＜SNTU（低藻期可放宽至12NTU）；
　　色度＜40度；
　　藻类＜2000个／ml；
　　铁＜0.3mg／l。
　　锰＜0.05mg/l。
　　直接过滤的滤池速控制在12m/h以下，加药量一般为12mg／l。
1.2 出水浊度要求
　　美国对地面水处理厂出水法度要求和对病毒的控制见表1－1。

表1-1 美国地面水处理规定出水去除对数级和对浊度的要求 过滤处理型式 去除对数级 对浊度要求 贾弟虫 病毒 常规过滤 2.5 2.0 每月水样95%≤0.5NTU，绝对不能＞5NTU 直接过滤 2.0 1.0 每月水样95%≤0.5NTU，绝对不能＞5NTU 慢滤 2.0 2.0 每月水样95%≤1NTU，绝对不能＞5NTU 硅藻 2.0 1.0 每月水样95%≤1NTU，绝对不能＞5NTU

2.滤池分格

　　滤池分格数量一般按水厂规模大小而定，但滤池分格数不宜过少，以免在反冲洗时不能满足冲洗水量的补给。
　　根据文献资料认为滤池格数用下列方式计算确定较为恰当：

　　N＝1.95（Q）^0.5

　　式中：N——滤池格数
　　　　　Q——过滤水量，单位为万吨/日。
　　一般而言当水厂规模为4--11万m³／d时，滤池格数不宜小于4格 当滤池为自动冲洗时，滤格数宜为4-6格；考虑反冲洗设备的功率，滤池最大面积宜为90m²；当每格滤池设中央集水渠且以半格作为一个反冲洗单元时，滤格的最大面积可达225m²。

3. 滤池的滤层

3.1 滤料
　　美国的滤池常用的滤料为石英砂、无烟煤、柘榴厂（钛铁石）等，此外还有浮石、合成材料等用作滤料的实例。
　　采用标准的双层滤料或粗粒深层滤料的滤池可适应高速过滤、美国有一些滤池采用直径为2.5mm的合成纤维球作滤料，价格不贵，过滤效果较好，最高滤速可达50m／h。
　　图3－1为美国两种滤料的典型筛分析。

3.2 滤层厚度
　　美国通过对200个滤层的试验，认为滤层厚度（L）与滤料有效粒径（d）的变化休戚相关，在美国以L／d为设计滤层的重要控制性指标。具体见表3-1。

表3-1　 各种滤料层的L/d比值表 滤料类型 L/d值 单层砂滤料 ＞1000 标准双层滤料 ＞1000 三层滤料 ＞1250 粗粒砂滤料（1.2＜d＜1.4mm) ＞1300 粗粒砂滤料（d≥1.5mm) ＞1500

　　表3-2为美国文献推荐的各种滤料、滤层厚度及滤料尺寸等滤池特征表。

表3-2 滤池特性表 滤层类型 滤层总厚度（mm） 滤料 名称 厚度（mm） 有效粒径（mm） 均匀系数 双层滤料 750 无烟煤 500 1.0 1.4 石英砂 250 0.55 1.4 三层滤料 852 无烟煤 450 1.0 1.5 石英砂 300 0.55 1.5 柘榴石 75 0.3 1.5 粗粒深床单层滤料 1800 无烟煤 1800 11.4 1.4 粗粒深床双层滤料 1800 无烟煤 1500 1.4 1.4 石英砂 300 0.73 1.4

　　1995美国南方水厂对不同L/d比的滤池进行了常规水处理工艺的特性试验，图3－2为滤速为17.5m/h时，4种L／d比的滤池特性试验曲线图。

　　从图3－1清楚地表明当L/d＞1000时，过滤质量大大改善，出水水质明显提高，显然，更高的L／d比将取得更好的过滤质量。
3.3 滤池滤层设计时强调的几个观点
　　（1）助滤剂的使用
　　近年来美国滤池设计的出水水质指标为浊度≤0.1NTU。双层滤料或粗粒深层滤料的滤池在高滤速过滤时，都采用投加极少量助滤剂（高分子聚合物）来保证滤池的出水水质。经常被应用的助滤剂为非离子型高分子聚合物，投加量为15～25ug/l。若不采用助滤剂，则L／d比应增加20％。
　　（2）活性碳滤池
　　当采用GAC活性碳作为滤池的吸附滤料时，滤层厚度山空床接触时间控制。若滤池为过滤和吸附双重作用时，空床接触时间和L/d比要求同时作为设计的控制参数。
　　（3）絮粒的沉降速度
　　在双层和三层滤料滤池中，滤料的尺寸必须仔细地选定。以达到相同的沉降速度。每一层滤料的粒径和比重将由于反冲洗时滤料的损失或在过滤时絮粒和泥粒的严重积累而极大地影响滤池的冲洗效果。不适当的滤料组合将使部分滤料得到彻底的冲洗，其余滤料可能不能充分冲洗而存积污泥或冲洗强度太大而大量跑逸，特别在无烟煤和石英砂组合的双层滤料中表现得较为明显。
　　为了保证在两种滤料层中获得相同的沉降速度，可应用下列公式进行核算。
　　　　　d₁/d₂=[(ρ₂-ρ）/（ρ₁-ρ）]^0.67
　　式中：d₁、d₂分别为两种滤料的粒径；
　　　　　ρ为水的比重，ρ=1。
　　　　　ρ₁、ρ₂分别为两种滤料的比重。
　　当采用三层滤料时，同样可利用上述公式。为降低相邻二层滤料间的混层，从顶到底各滤料的粒径在公式计算值的基础上宜放大5-7％。
　　（4）均匀系数
　　较小的均匀系数可获得良好的出水水质和较长的过滤周期。美国多年的运行实践证明，任何滤层的均匀系数宜＜1.4，最佳为1.3。

4.过滤速度

　　美国的滤池设计---贯较为严密，尤其是对滤池滤速的选择以稳妥可靠为原则。美国所有的州都限止了最大滤速。大部分州规定当一池停用或反冲洗时，单层砂滤池滤速为7.5m/h，双层滤料滤池为10～12m/h：美国西海岸的城市规定双层滤滤料及粗粒深层滤料滤池的最高滤速为15m/h。
　　近年来，资料反映美国西海岸一带有逐渐提高滤速的趋势。设计人员的中间试验和验证表明可允许提高滤速，并突破最大滤速的规定。如双层滤料滤池最高滤速可达20m/h；粗粒深层滤料当均匀系数为1.4，滤层厚度为2.0m时，最高滤速可达32.5m/h。但必须提出：上述试验的原水取自有很好防护的水源，并在原水中加过臭氧。通过试验，美国滤地设计人员得出与目前认识相左的概念：只要有很好的前期处理出水水质。过滤质量与滤速没有实质性关系；同时还认为双层滤料、三层滤料和粗粒深层滤料的滤池适宜采用较高的滤速。
　　美国的滤池运行实践表明，当水温低于8℃时，滤池的出水水质将会变差，很难做到出水浊度＜0.1NTU；同时，美国采用投加铁盐混凝剂和阳离子型高分子絮凝剂的方法来保证过滤质量，也可采用投加聚合氯化铝（碱式氯化铝）来改善过滤状况。但滤速应控制在15m/h以内。过滤速度可控制为恒速或渐降速，美国现行标准为恒速，因采用恒速可对过滤过程进行更良好的控制。

5.滤池冲洗

5.1 冲洗型式
　　美国滤池的冲洗基本上为两种型式，一种是流化床冲洗，带或个带表面冲洗；另一种是空气冲洗，带或不带少量水反冲洗。
　　流化床反冲洗：
　　在50年代初美国广泛采用流化床反冲洗。但五十多年来，滤池的操作实践证明：单靠反冲洗不能维持滤层处于清洁状态，即使使用了最佳的冲洗强度也如此。也即光靠正确的滤池设计并不能保证高质量的过滤出水。因此认为不论前道处理过程中是否加了混凝剂，增加一个附加的冲洗系统是必要的。
　　表面冲洗系统有二种型式：固定喷咀和旋转臂带喷咀。表5-1 为流化床冲洗时，表面冲洗的设计数据，图5-1是流化床冲洗和表面冲洗的冲洗的时间关系图。

表5-1 型式 冲洗强度（m²/s） 驱动压力（Kpa） 支管间距（m） 喷咀与砂石夹角（度） 喷咀与砂石距离（m） 固定喷咀 0.12-0.16 140-170 0.9 27-35 　 旋转臂 0.02-0.03 480-690 最大旋转直径4.3 15 0.05

　　从表5－1中可见，两种表面冲洗虽均有效但美国采用固定式喷咀的较多。因固定喷咀没有动部件，而且即使滤料损失了几英寸（0.15-0.2m)时仍然有效。固定式喷咀系统的喷水速度25fps(7.5m／s），喷咀与砂面的夹角成27-35，因此可冲洗到一般滤层一半以上的深度。旋转臂系统当喷咀被堵塞、转臂转动过慢以及停转或喷头和滤层距离不当时均会造成冲洗不力，使滤层达不到洁
净的目的。
　　美国的滤池设计采用气冲时，认为气冲可有效地冲洗滤层。但他们的结论是：气冲系统只能很好地冲洗滤层上层约0.15-0.2m的部分。虽然气冲时表面的翻腾使滤层看上去是整个被搅动了，然而实际上一些泥团被翻腾到表层之下，并设被洗掉。气冲时从气管喷咀出来的蘑菇状气泡基本上是呈直线上升的，气冲压力越高气泡上升就越垂直。在向上的气流中，上层滤料将拉至下层。为此气冲一定要辅以水冲洗。
　　美国推荐的空气冲洗和国内一样，一般宜与水相结合，分先气冲，再气水混合冲，最后水漂洗三阶段，可达到洁净整个滤床的目的。
5.2 配水系统
　　美国滤池的配水系统形式多样。有采用配气、配水各一套管道的，也采用长柄滤头、滤砖、可调型滤头等。美国滤池设计的观点是：达到配气和配水均匀除管道、滤头、滤砖的开孔比外，砾石层的厚度和级配也至关重要，从管道、滤头、滤砖出来的冲洗气、水，经过砾石层的切割，可改善气泡、水流的分布均匀性，因此配水系统采用滤头时，减少砾石层厚度或不设砾石层是不合适的。目前美国采用较多的还是两套管道的配气、水系统。
　　（1）长柄滤头
　　长柄滤头的安装示意见图5-2。

　　长柄滤头布气布水的均匀性靠滤头安装的平整度，而长柄滤头安装在滤板中是不可调节的，因此安装的关键就是滤板的安装质量。一般每格滤池滤板的安装误差应小于3mm，整座滤地的安装误差应小于5mm，实际上是对土建安装采用了机械设备安装的要求。再一个要注意的问题是滤板安装的牢固性和滤板接缝处不应产生漏水、漏气。
　　（2）滤砖
　　美国应用滤砖的配水系统也较多，滤砖的安装示意见图5－3.1。反冲洗时气水分配状况见图5-3.2。

　　滤砖同样可适应气水反冲洗的要求，美国采用一层塑料制作的滤毯替代砾石层，滤毯厚度薄，十分轻巧，空隙均匀，布气、布水效果好。滤砖配水系统的安装高度低，因此可降低滤池的总高度，也适用于水反冲洗的普通快滤池改造成气水反冲洗。但是在我国由于对滤毯的制造技术尚未过关，采用级配砾石层时，效果没有滤毯好，且增加了滤砖的重量负荷。
　　（3）可调型长柄滤头
　　可调型长柄滤头是近年来刚出现的适用于气水反冲洗的配冰系统，安装示意见图5-4。

　　可调型长柄滤头与普通长柄滤头的区别在于可调，其高度调节幅度可达50mm，同时长柄和滤头的直径比普通型大，因此每平方米滤头安装数量只需30-40个。另一个区别是可调型长柄滤头采用专用模板做底模的现浇混凝土滤板，整体性好，结构强度高，由于滤头高度可调，滤板的浇注要求比普通型采用的预制滤板安装要求低，模板为可调型长柄滤头专用，按每平方米设计要求的滤头安装数量制作滤头预埋件卡座，保证滤头的布置尺寸。采用的材料为食品级ABS。
　　5.3 冲洗强度
　　美国认为冲洗强度与滤料尺寸、滤料比重、最高、最低水温有关。
　　（1）不同滤料的冲洗强度
　　图5-5为水温20°时各类滤料（d60）的冲洗强度要求。
　　表5-2为不同滤料典型的冲洗气、水强度。

表5-2 不同滤料典型的冲洗气、水强度 滤料 冲洗程序 气冲强度（m/h） 水冲强度 细砂（0.5mmES) 先空气 37-55 　 后水 　 37 双层或三层无烟煤（1.0mmES) 先空气 55-73 　 后水 　 37-49 双层滤料（无烟煤1.5mmES) 先空气 73-91 　 后水 73-91 24 后水 　 61 粗砂（1.0mmES) 先气+水同冲 55-73 15-17 后水 　 15-17 粗砂（2mmES) 先气+水同冲 110-146 24-29 后水 　 24-29 粗无烟煤（1.5mmES) 先气+水同冲 55-91 20-24 后水 　 20-24

　　（2）冲洗强度随水温变化
　　水温的高低对冲洗强度有影响，可采用下式进行调整：

　　　　　　 V_b-t-t=V_b-20ut^(-t/3)

　　式中：
　　　　 t——水温，以℃计；
　　　　　V_b-t—水温为t℃时的冲洗强度；
　　　　　V_b-20——水温为20℃时的冲洗强度；
　　　　　u——水温为t℃时水的粘滞系数；
　　若粗粒深层滤池先采用空气冲洗，当u.c.≤1.5时，后继水冲洗的强度应≥45m/h，以便漂洗粗粒深层滤床中的空气气泡。
　　冲洗时控制的膨胀率=(0.6-f)/0.4
　　式中f为滤料的孔隙率。
　　值得一提的是，目前美国设计的滤地反冲洗仍倾向于滤料是膨胀的。

6、出水槽

　　美国滤池出水槽形式多样，材质也多样，见图6-1所示为常见的几种出水槽形式和材质。
　　由图6-1可见，均带有挡板或翼板等附属物，以防止短流和反冲洗时滤料逸出。
　　图6-2为A型塑料排水槽的计算曲线。
　　排水槽顶距滤层面的高度可用下式计算求得：

　　　　　　H＝0.345

　　式中：H——槽顶距反冲洗时膨胀后滤层面高度（m）；
　　　　　S——槽与槽之间中心距（m）。

7.初滤水回用系统

　　滤池有种原因和因素影响滤后水的水质，但初滤水对滤后水水质的影响是较大的。图7－1为三个水厂几个滤池冲洗后初滤水的浊度。从图中可见初滤水的浊度较高，不予排除将在一定的时段内影响滤后水水质。为此，美国卫生署及各州均规定初滤水或滤后水浊度＞0.25NTU时应予以排除。
　　由于初滤水排出的水量较大，因此美国的水厂均建立初滤水田用系统。图7－2为初滤水回用系统常用的流程。

8.其他控制要求和措施

　　（1）法度控制
　　美国一些管理部门规定：滤池的进水浊度＜2NTU，有的甚至要求＜1NTU，以保证滤后水浊度＜0.1NTU。
　　（2）滤层上水深
　　美国的滤池设计要求滤层上水深至少为2.4m，这样的水深可保证滤层上水位大于可能达到的滤层的水头损失值，以减少空气阻塞现象的产生。
　　（3）冲洗水回用
　　因沉淀池排泥水会含有重金属离子、有机物和其他杂质，因此美国不允许沉淀池排泥水与滤池冲洗水混合后回用，以免影响原水水质。同时还认为滤池冲洗水不经处理直接回用也产生使有机物和杂质重新进入原水的可能。为此，滤池冲洗水要回用必须建回用水池，池容积为2-3倍的冲洗水量体积，使滤池冲洗水有一段沉淀时间，减少回用水中有机物和杂质含量。
　　（4）操作人员监管
　　滤池必须配有完善的监控仪表以保证出水水质和正常运行。然而水厂操作人员坚持一贯的观察是系统正常运行的关键。水厂操作人员一定要在过滤和反冲洗过程中定期检查滤层，特别是滤层的上层。滤层上有大的裂缝或沿边墙上形成沟槽就表示滤层脏了；在反冲洗时滤料翻腾不均匀可能预示滤料流化或排水失效；若滤层顶部有下四的点。即可肯定发生了排水失效。一旦发生异常情况，操作人员应反时记录并迅速修复。

9.结语

　　（1）过滤是水处理工艺中去除水中悬浮固体和有机物质的最主要一环，前道混凝沉淀工序的出水水质与滤池的去除效果密切相关，是过滤设计的基础。
　　（2）滤池采用高滤速将缩小过滤面积，降低滤池的基建投资和反冲洗能耗，因此适当提高滤速将有很现实的意义。
　　适应高滤速过滤的滤池宜为双层滤料滤池和粗粒深层滤池（我国的均粒滤料滤池），但滤速不应超过30m/h。采用高滤速的滤层底部宜增加250mm厚的砂层，作为最后一道防线，同时滤料的均匀系数（u.c.）应＜1.4。
　　（4）根据美国滤池的运行经验，反冲洗时滤层的膨胀率宜为25％而不是50％，并建议增加滤池反冲洗辅助设施。
　　（5）滤池的出水水质目标应参照美国地面水处理出水水质的规定，滤后水浊度应≤0.1NTU。为此，其L／d比至少为1000以上。
　　（6）脱离了水厂管理部门对滤池运行和滤层情况的监督和分析，再正确的滤池设计也不能保证滤池的出水水质，因此设计部门和水厂管理部门必须密切合作，为保证出水水质而共同努力。