普通快滤池的技术改造问题

(从杭州祥符桥水厂滤池改造谈起)
(焦点问题之一：滤床滤料组成选择的理论与实践)

张亚杰 　倪席平 丁云鹤

一、前言

　　建设部在2000年全国供水行此进步规划中提出一类水司出水指标应＜1NTU而现有老工艺难以满足。因此改造老工艺满足新水质指标，势在必行。
　　滤池的改造或新建，通常采取以下八种国内外比较流行的途径：
　　第一种是在水厂原有过滤站站址上改造或新建均质均粒滤床采用气、水反洗工艺的如法国的“Aquazor的V型”滤池并加建附属的反洗鼓风机，反洗泵及空气压缩机设备及机房与自控系统设备。
　　第二种是在原有滤站基础上，采用反粒度过滤的单层、双层或多层混合滤料，应用表面冲洗系统，加强原有反洗机制.使用有机或无机的助滤剂与自动控制设备系统.并佐以模型滤池为向导，观察、控制和调整过滤他的工作效能。
　　以上两种技术改造途径是当前欧美各国十分流行的方法，在一定程度上体现了现代过滤理沦的机制和设备。均需要大量的改造资金。
　　中昌公司结合当前国内水厂改造资金不足的现实条件，用少量资金完成老工艺的改造目标，按当前实际需求，针对普通快滤池和虹吸滤池工艺分别提出两种改造方案采用均质均粒浅层中粗粒石英砂滤料床单水反洗或浅深层中粗粒石英砂滤床气、水反洗系统。布水系统可采用滤头滤极或ABS滤砖以及高密度聚乙烯滤砖：可因地制宜任择其中一种，前者适合于一般普通快滤池、双阀滤池等；后者适合了虹吸滤池等改造。均以立足国内，运用科学的过滤理论与实践，具有现实意义。针对国内占绝大多数的城镇己建水厂在其原有设备，净水构筑物和管理条件下采取尽最少改动或不改动的方法步骤使原有滤池充分发挥其应有的过滤效能提高过滤水质，延长过滤周期、当沉淀水出水水质在5NTU浊度情况下，过滤水出水浊度可提高到≤0.5NTU，为国内过滤地改造创造了十分良好的条件。
　　杭州市自来水总公司祥桥净水厂建于1989年，原设计规模为145万m³/日。该净水厂主要工艺：折板反应、平流沉淀、普通快滤池。原设计过滤池为中阻力陶瓷砖配水系统的普通快滤池。过滤池出水浊度≤3度，由于陶瓷砖先天不足，孔眼不匀、易破碎，尤其是长期经受正反两面过滤和反冲负荷，隐性裂纹扩大，发生破裂，并导致过滤池漏砂、承托层紊乱、翻滚、堵塞，过滤及反洗功能失效、出水量骤减、水质变劣，严重影响了正常生产。1999年台州中昌公司承担了滤池的技术改造任务，需在不影响水厂高峰供水期前在工期极短的条件下，运用现代先进的过滤理论和经济有效的技术改造途径，在边生产边改造的情况下全部工程，并经过近二年运行实践证明取得成功。这一改造途径可为国内外现有各种普通快滤池、双阀滤池、虹吸滤池的改造成为开拓了一条科学、经济、安全、快捷的途径、出水水质提高，超过了国家现行一类水司的水质标准，达到优质高产效的目的。总改造费用为136万元，仅为新建普通滤池的20％。

二、技术改造的原则

　 对祥符桥水厂滤池改造的要求突出以下各点：
　　1、在滤池配水系统改造时，尽量做到少更动或不更动原则下进行，滤池结构与工艺均可维持不变，可以边生产边改造，达到施工简便、迅速、节省工时，有效达到经济效益为目的。
　　2、工艺方面采用小阻力配水系统，布水均匀，确保滤池进水池度5-6NTU下，滤后水浊度达到≤1NTU。
　　3、滤料采用浅层均质均粒级配、滤料组成石英砂粒径0.6—1.1，厚度850mm。承托层粗砂粒径2—4mm,厚度100mm，取消原承托层，增加清水区空间，提高反冲布水的均匀性。

三、滤池改造前后的有关主要技术参数比较

　　样符桥水厂滤站，每一滤站含有8个矩形滤池，滤池中间设有一条共用的清水出水渠和一条排水渠道相连。双层因此每二格滤池所组成的有效面积为7m×3.7m×2=51.8m²，8格滤池总面积达414.4m²。
　　现将各地改造前与改造后的有关参数分述于下：
　　1、滤床组成，过滤速率及反冲洗水强度情况
　　(a)滤床组成

　　　（b)滤池有效面积与所采用的滤速

　　(c)反冲洗方式与反冲洗强度及历时过程

　　*因受水塔容量限制，实际上达不到15L/m².s。

2、滤池底部配水系统
　　改造前的陶瓷滤砖系统，滤砖铺设沿池7m方向为23排，沿3.7m方向为每排6块组成，滤砖的开孔与总开孔比，参见下表：

3、滤层厚度及过滤性指标的参数
　　a、反映过滤性能的L/D指标与S/A指标

　　*从上述二项指标比较改造后滤池滤床的过滤性及截污能力有显著的提高。

四、改造前与改造后的效果比较

五、改造工作几点体会与收获

1、滤料级配组成的改革
　　滤料滤料层级配组成是过滤池的灵魂。过滤工艺的实施没有一种现存可取的滤料颗粒组成以资应用。滤池颗粒级配的设计一直被忽视，较长时期以来国内外净水工艺曾一直沿用经典的理论和实际方式即采取细粒度，高垫层、低滤速、低反洗强度来规范对滤料的选择和开拓应用的思想。
　　近30-40年来，随着科学技术的发展，给水过滤理论已有了长足的进步，从水中胶体颗粒双电层压缩、脱稳到吸附沉淀微絮过滤，上向流反粒度过滤工艺理论与方式取得了质的飞跃。现代快速过滤的科学概念已经不是依靠砂层表面，而是将凝聚的微小絮团输入滤层内部深处藉深部表面与微絮 团的凝集，吸附的絮团与后续絮团的相互粘附而进行除浊。过滤的截留机制包含悬浊液向滤料表面的 输送和吸附两个阶段。小颗粒(＜10μm)能被砂层间隙100μm级所截留，其机制已不同于过去以小截大的机制。这些微絮图在曲折间隙水中移动到滤料表面而进行吸附。悬浊物接触滤料表面依靠电位中和与架桥两个条件促成吸附而从水中脱离。因此快滤池的除浊类似无数微型絮凝沉淀池进行脱稳、沉淀的固液分离器相同。应用这些现代过滤滤床采用了粗粒度、厚滤层、高滤速、高反洗强度取代了 老的概念和方式。
　　但究竟哪种滤床能截留多少絮凝圈粒子呢?如进水水质与絮凝条件相同，则取决于所采用的滤床颗粒料的粒径，滤层深度、过滤速度和水温等因素。
　　《改善过滤池的效能》*较全面地总结了当代国内外，净水过滤工艺存在的主要问题，其中核心问题之一就在于要打破过去盲目选用滤料级配过细的偏见，而实现均质均粒或混合滤料反粒度过滤 的滤床以及滤料辅以气水反洗或表面冲洗以及应用助滤剂改变进水水体中悬浊物的性状的可行性。对于新建滤池固然是可行的，但对于在大批己建成水厂过滤地从事彻底的改建从环境场地投资经费作比较，是否可取尚须慎重从事。
　　但应当指出适合国内己建滤池构筑物现实存在的改造问题，可采用较薄层均质均粒中等粗粒度的滤料级配单水反洗既符合现代过滤理论的精粹所在，能大大提高过滤性而又能结合己建滤池的土建与 工艺结构现状，采用滤板滤头或高密度聚乙烯滤砖等方案达到布水均匀以及选择正确的反洗措施可大 大节省改建投资费用，同时水量及水质又可大大提高。
2、滤池的改造既要考虑到过滤性能好，又要达到经济简便的目的。
　　应用细颗粒料一殷比表面较粗颗粒为大，而单位体积中的空间(孔隙率)为却相对变小，这便不能提供更高的活性污泥容蓄量，反之粗颗粒滤层总的比表面虽较小，但能提供更大的污泥容蓄量空间， 因此如使用粗粒料时，其滤层厚度必须加高，一直到满足像细颗粒相仿的过滤比表面为度。这便需要增加很高的滤层，这对于新建滤池来说.应用很深或很高的滤池在基建投资上无疑将大大增高。如对于老池改造来说除了虹吸滤池具有较高的池身外，一殷普通快滤池来讲(3m±)就比较困难了。
　　所以改造工作既希望滤床有较好的过滤性能又使用滤料比表面大具有较高的污泥容蓄空间。采用中粕粒中等深度滤层的颗粒级配可以比粗颗粒厚滤层所取得相同的高过滤性能，而改造工程则大大的简化了。例如：它免去了鼓风机及压缩空气机的设施与机房；气反冲所需的输气管道，控制阀门系统，又免去了控制所需PLC系统和设施。改造中只需采用电动控制的各种叶阀，如原有水塔或水泵反洗水量，水压均能符合要求时，对反洗机泵与管系都可保持原有设施而加以利用，改造工作只局限在滤池内，如设置隔墙，承载梁使之维持一定的高度与隔墙间距，在其上安置滤板滤头或高密度聚乙烯滤砖后便能达到均匀配水的目的。而滤池本身的高度按普通滤池而言一般在3m左右，改造后的高度一般仍可维持原高。祥符桥水厂的滤池改造前后的高度情况如下图所示，实际砂面高度原池比较仅高出15cm。
3、采用深层超粒滤床还是采用薄层细粒滤床
　　这是欧洲与美国水处理界较长时期争论的焦点之一。以法国为代表认为应用气、水反洗微膨胀或 不膨胀深层粗粒料均质均粒石英砂(Φ0.95-1.35粒径，床深1200mm或Φ0.9—1.2粒径，床深1100mm) 滤床可获得高度优质的过滤水，而以美国等为代表采用的滤床为单层石英砂Φ0.5—1.2mm，厚度为600—700mm；并认为法国滤床虽采用气、水反洗，曾发现底部仍存在污泥淤积现象，过滤效果并不理想，还据理阐明应用薄层细颗粒滤料的除浊效果却比深层粗滤料为佳。原因有三：一是滤头分布不均 或开孔比过大；二是滤床很深不膨胀或微膨胀而反洗水度及时间不够富裕；三是进水如属真悬浮液的 除浊能力同平均粒径的次幂成反比导致过滤性能下降，此时采用细颗粒比粗颗粒的过滤性为佳。
　　实际上深床过滤的确存在值得注意改进的两项较重要问题才能使深度粗粒料发挥出蓄污能力高和 浊度不易穿透滤床的危险：用气冲洗再生，可剥离粒料上所粘附的胶体或污泥.但同时也须用相当强 度和时间的水反洗，迫使已剥离的污泥得从滤床深处向上通过滤层而排出，这是滤床再生的必要条件。否则纵使污泥或胶体物质已经剥离如仍不能排出滤床，岂非前功尽弃，而又滞留在池内加重了负担，形成恶化循环这是微膨胀或不膨胀滤层的弱点。因此反冲洗是否均匀还牵涉到滤头在滤板上的数量与分布均匀性，反洗强度与反洗的时间。
　　美国的做法一直强调使滤料层处于流化状态，水反洗强度一定要大于最小流化速度，如果采用较粗的颗粒则所需强度更须达到1.3Vmf。至此顶部过细的颗粒就有流失的可能，因此为减低底部反洗所付予的分外能量，表面冲洗装置就运用而生。但表面冲洗装置系统所需安设的管系与增压泵，却进 一步给滤池表面带来复杂化，在国内实用上受欢迎的不多。
　　反之法国的做法则过于强调气、水反冲的重要性.滤料层微膨胀或不膨胀或者反冲不均匀给剥离的污泥胶体带来层层阻碍，不易彻底排清，就会造成活泥淤积的主要弊端。
　　我们所采用的浅层中粗粒均粒滤料层一方面可取得较好的过滤性能，而在反洗问题上也同时达到一定的强度和膨胀度则对污泥的脱落和排除也达到了较好水平。
　　因此针对国内过去己建普通滤池，我们应用均质均粒薄层或浅深层的中粗粒均粒滤料作为重力式过滤工艺的改进，反冲洗采用单水反洗或气、水反洗系统，从根本上提高过滤效能与出水水质，又能达到耗费投资少的优点。
　　具体来说通过杭州水司改造实践证明，客观上可以选择两种滤床的组成：
　　（1）应用浅层中粗粒均粒石英砂滤料Φ0.6-1.10，层厚在850-900mm，以单水反洗滤床进行改造。
　　（2）应用较薄深层中粗粒石英砂滤Φ0.85-1.10，层厚在1000-1100mm，以气、水反洗滤床进行改造，两者均较适合我国水厂改造。
　　对于国内已建滤为普通快滤池、双阀滤池、无阀滤池，采用第（1）种方式对于适用于一般池身高度，对较高的虹吸滤池则可采用第（2）种方式。这样都能达到制因地制宜改造简易方便，提高过滤水量水质而又能降低投资的造价的多种目的。
4、比较各类滤池滤料组成考核其过滤性及比表面吸附能力大小。
　　A、分析比较三类滤料组成考察各类的过滤性（L/dm）：
　　（Ⅰ）类：欧洲类型Aquazor-V型滤池均质均粒石英砂滤率石英砂滤床；
　　（Ⅱ）类：美国类型即经曲普通滤池，祥符桥水厂滤池亦属此类，滤料为单层石英砂滤床。
　　（Ⅲ）类：中昌型浅层中粗粒均质均粒石英砂滤床。
　　三类滤料组成分析比较详见下表：

　　由表可知以L/dm代表过滤性之值或去除率的对数值Ri指出

　　R_ⅠAB＞R_Ⅱab≤R_{ⅢAB
　　Ri=ln(c/coi)=λ(L/dm)i=λ(fanθi)}

　　同时Pi=1/Ri表示滤料的通透性

　　Pi=f(dm/L)
　　P_Ⅰ＜P_Ⅱ≤P_Ⅲ

　　B、三类滤料滤床的比表面比较
　　由S／A代表单位面积的颗粒料的比表面，其表式为

　　S／A＝6（1-ε0）/φ×(L/dm)

　　其中ε0为颗粒度的空隙宰，φ为颗粒园粒度；L为滤床厚度，dm为滤料的几何中均粒度，由此应用于粗、细、中三类滤料则

　　[S/A]粗/[S/A]细=φ细/φ细=（1-ε0）粗/（1-ε01）细×L粗/L细×d粗/d粗

　　现就粗、细、中三类滤床作比较均同细粒度(即经典过滤)为基准其结果，己列于表中第9、10列。由此可见采用中昌型浅层中超粒滤层或浅深层中粗粒滤层的过滤性及单位面积的比表面吸附能力 均占相当优越性和合理性。
　　各类砂床组成的比较其基础是相同进水水质，过滤速率，水温及相同球体形砂粒条件进行的，并以其沿滤床深度(Li)，单位平均粒度为宽度的砂粒柱状体中所取得的空隙比，过滤率与通透性， 而加以比较的，根据各类砂床的球粒体积Vi＝π／6(dwi)³；球体砂粒的表面积Si＝π(dwi)²；假定 Li/dwi=（N）—为“平均粒度”球体的数量，于是可得到以下表所示的结果。

　　表列结果同图中所示表列数基本相同。
5、应用浅层中超粒及浅深层中超粒均粒滤料滤池的投资经济性较突出。
　　(一)普通快滤他的土建和设备(指包括阀门、管配件等)的基建费用按15万m³／日供水量的水厂包括安装(国产设备)其总费用为人民币600—700万元，合每1m³/日供水能力所需投资为40—47元，而局部改造如祥符桥水厂滤地总费用仅为136万元，仅占新建费用的20.9%（含9.1元／m³)。
　　如采用仿Aquazor V型滤池在相同供水量规模以40万m³／日滤站的基建同上海浦东某著名自动化控制现代化水厂投资总额分析比较如下；
　　1)滤站：a.主体土建及国产设施设备及安装费用为￥195.5万元
　　b、附属建筑鼓风机房(兼空压机房水泵房)的土建及安装费用为￥209万元
　　2)滤池设备；a国产设备及安装费用￥6.5万元
　　b.进口设备及安装费用(鼓风机、空压机、水泵等)￥1825万元
　　3)PLC系统为全厂子站之一约为￥97万元
　　合计40万m³／日滤站的投资总额为￥2，333万元
　　其中引进设备即第2)b占总额为￥l.825万元
　　合占 78.23%
　　合每1m3／日能力所需投资为￥58.33元。
　　(二)上述40万m³／日现代化水厂中如以国产设备代替进口设备。
　　则总投资费用大为减低，这样所需投资合每1m3／日能力费用为20元／m³，约800～1000万元。则改造费用与之比较则仅9.1元／m³合占15％。
　　由此得到几点启示：
　　1、为全部应用国产设备，如土建及安装，所需投资费用只需1000～1200万元，含每1m³／日能力 投资费为30元。
　　2、对15万m³／日水厂而言滤站基建投资以50～60元／m³计采用国产设备及单水反洗所需投资 费为750～900万元。
　　3、对15万m³／日老水厂滤池改造免去了鼓风机、空压机以及仍利用水塔反洗免去水泵房土建与设备安装，根据杭州自来水祥符桥水厂滤池改造经验只需136万元仅为总投资18～20%。
　　4、对改造老池的具体项目主要为改变原细颗粒、薄层滤料为浅层中粗粒滤料：滤板滤头布水系统，因而所需工期大为缩短和简化，改造期内可实行边生产边改造不影响水厂供应，达到多、快、 好、省的目的。

六、结论

　　1、应用中昌所创选的浅层中粗粒均质均粒石英砂单水反洗滤床或浅深层中粗粒均质均粒石英砂气、水反洗滤床，从理论上和实际生产运转上可获得比—般经典普通快滤池滤料滤床及欧洲类 型的V型气、水反洗滤池滤床具有更好的过滤性和出水水质。
　　2、应用中昌公司所创造的滤床还同时有其它的优点：可以对一般普通快滤池进行最简易的改造。它不需要将原有滤池——包括普通滤池、双阀滤池，以及虹吸滤池等，予以废弃或敲掉，改造工程只要在单个滤池内进行底部进行滤板滤头承托梁与隔墙小阻力单水或气水反洗或气水的反洗滤床的改造仍能达到充分利用普通滤池等原有土建与设备，完全免除了新建机房，管阀系统及PLC控制系统，达到经济有效的目的。而且可以边生产边改造的情况下逐只逐组地进行达到生产与改造两不误的优点。杭州祥符桥水厂两组滤池的改造在16只池在对外不断生产供水的情况下通过科学安排，仅用了160多天时间完成了即滤池的改造工作，改造费用仅为新建普通滤池的15-20%，为新建气、水反V型滤池的6％费用。
　　3、滤池经改造后经过190多天的运行测定在进水浊度5Ntu以下时出水浊度平均为0.37Ntu，平均浊度去除率为89.6%／(85.4～92.3％)改造前为77%；滤速平均为10～12m／时，出水量从11万m³／日提高到15.5万m³／日，出水量提高了40.9％或对原设计规模提高了7％。

主要参考资料：

　　1、J.Cleasby“Granular Bed and Precoat Filtration”from 《Water Quality and Treatment》 AWWA, 1999.
　　2、Kawamura:《Filtration》 from water supply Engineering Handbook Montgomery Co, 1989
　　3、杭州市自来水二公司《一厂滤池改造及运行情况》

　　 张亚杰　 教授级高工 中昌公司顾问总工程师
　　 倪席平 　 申昌公司总经理
　　 丁云鹤 　 高级工程师 中昌公司总工程师