无烟煤单层滤料的应用

刘铮诗
中国市政工程东北设计研究院

前言

　　给水工程中，滤池的优化设计是以滤池运行处于最佳工作条件为原则。为此可调整各种工艺参数，使滤池的压力周期等于它的水质周期。以调整滤层厚度为例，增加滤层厚度会提高整个滤层的含污能力，延长水质周期。但滤层水头损大也相应增大，从而缩短了压力周期。如果通过试验做出水质周期和压力周期与滤层厚度的关系曲线(见图1)。则两条曲线相交点便是滤池最佳工作条件，对应的滤层厚度就是最佳滤层厚度。实践中，为安全起见，常增加一定的安全厚度，避免出现水质周期小于压力周期的现象(见图1)。

　　然而，由于滤池构造所限，滤层厚度增加也是有限的。实际情况要复杂得多，许多因素都影响着滤池的工作条件。所以，增加滤层厚是否能保证整个滤层含污能力被充分利用，还要做全方位的分析。

一、石英砂单层滤料除铁滤柱[Fe]轴向分布

　　我院曾采用石英砂单层滤料做除铁试验，滤柱采用D＝100mm透明有机玻璃管，石砂滤料d＝0.6～1.2mm，滤层厚度1000～1500mm不等，滤速8m/h，反冲洗强度12～14L／s.m2，原水含铁量10～12mg／L。滤后水含铁量＜0.3mg／L。测定滤柱铁离子浓度沿轴向分布并绘制曲线如图2所示。由图2可见，铁高于主要是在上层约300mm范围内被去除的，相应工作周期只有8小时。

　　可见，大部分滤层含污能力未被充分利用。实验中观察：每次反冲洗结束，回落到滤层最上部的是细小的颗粒和破碎的铁质氧化物，厚度约80～150mm，其比表面积大、孔隙率小、附着物镜检微生物十分活跃，具有极强的吸附氧化能力，致使大部分铁质在此层被去除。但滤层也因此很快被堵塞，很快到达期终水头损失值，迫使周期结束，不得不进行反冲洗。
　　据调查，在利用石英砂单层滤料进行地面水除浊也有类似情况。可见。在滤层厚度确定以后如何使整个滤层含污能力充分发挥作用至关重要。无烟煤一石英砂双层滤料滤池因其显而易见的优点——含污能力强，而广泛地应用于给水处理工艺。现今，甚至研制三层滤料滤池，以期更大程度地利用整个滤层的含污能力。这是石英砂单层滤料所无法比拟的。
　　但是，有一利必有一弊，双层滤料、三层滤料滤池也有其不足之处：
　　1、滤层构造复杂
　　2、对各层滤料筛分要求精确，操作麻烦，如级配不当，投产后常有煤砂混杂现象发生。
　　3、施工中，对垫层、各层滤料装填要求严格，操作也麻烦。使用中，滤层一旦翻混或定期更换滤料更是令人头疼。
　　4、运行中要求更高的管理水平。如管理不当，反冲洗强度控制不好，会产生无烟煤严重流失现象。要经常补充新的滤料。
　　为此，人们又进行了新的探索和大胆的实践，以期寻求一种新的滤料，它既具有单层石英砂滤料和煤一砂双层滤料的优点，又避免了它们的不足，无烟煤单层滤料就是其中的姣姣者。

二、无烟煤单层滤料用于地下水除锰的实验研究

　　我院曾在吉林省九台市采用各种滤料进行地下水除铁除锰实验研究，以便为修订编制《城市给水设计规范》有关章书提供科学依据。
　　1、原水(深井)水质
　　[Mn²⁺]＝9.3mg／L 　［Fe总］=14mg／L　　 PH=6.5
　　2、处理工艺流程

　　3、工艺参数
　　曝气设备采用表面曝气池，平板叶轮。
　　除铁滤柱共5个，分别装填滤料：马山锰砂(2个)、石英砂、锦西锰砂和无烟煤—石英砂双层滤料。滤层厚度1000mm。
　　除锰滤柱共8个，分别装填滤料：马山锰砂、乐平锰砂、湘潭锰砂、锦西锰砂、无烟煤(6＃滤柱)石英砂和石灰石等。滤层厚度1500mm左右。滤料粒径，无烟煤d=1.5～2.0mm，其余d＝0.6～1.4mm。滤速7.5m／h，反冲洗强度：无烟煤、石英砂、石灰
石为12～14L／s·m2，锰砂为16～18L／s.m2。
　　4、实验结果
　　a、曝气效果良好，曝气后溶解氧饱和度达60～70％，CO2散除率达76～87％，H2S散除率达76～79％，PH由6.4～6.6提高到7.4—7.6。
　　b、一级过滤除铁效果良好，出水总铁一直稳定在0.1mg／L以下。工作周期一般为24小时，但无烟煤——石英砂双层滤料柱工作周期长达48小时，较其他滤料工作周期延长了一倍。
　　C、二级过滤，各种滤料均需经历一个成熟期，成熟期长短随滤料不同而各异。乐平锰砂36天，马山锰砂51天，无烟煤为71大，石英砂和锦西锰砂为96天，成熟后的各种滤料均能稳定地将［Mn2+］降0.1mg／L以下。这表明，在实验水质条件下，各种滤料在成熟后均起着锰质活性滤膜载体的作用。实验中观察到，无烟煤的工作周期长达6～8天，而其他滤料的工作周期只有4—6天。而且无烟煤的工作周期还可延长(水头损失增长较慢)，实验中怕滤层板结，影响实验，故人为地提前结束过滤周期。
　　九台市实验结果表明，无烟煤单层滤料作为除锰滤料具有以下优点：
　　a、成熟期较短，成熟后除锰效果良好。
　　b、粒径大d=1.5—2.0mm，孔隙率大，含污能力强。
　　c、工作周期长达6—8天，表明整个滤层含污能力得到充分利用。
　　d、无烟煤密度较小，需较小的反冲洗强度，节约反冲洗水量。
　　E、易于筛分、易于装填、易于管理。

三、无烟煤单层滤料用于地下水除铁的生产实践

　　我院曾为佳木斯市自来水公司设计了一座地下水除铁除锰水厂(西郊水厂)。
　　1、原水水质
　　　　　　[Mn²⁺]0.4—1.0mg／L ［Fel＜10mg／L PH6.7
　　2、处理能力8万m³／d
　　3、处理工艺流程

　　4、生产性实验
　　为了选择滤料，84年佳木斯自来水公司在该市四水厂进行了以无烟煤为滤料的除铁实验。滤池面积12.5m2，无烟煤滤料d=0.6～2.0mm，滤层厚度为1000mm，滤速7～10m/h，工作周期人为地控制在48小时。实验运行一个月，滤后水［Fe］一直稳定在0.3mg／L以下，效果良好。实验结果如表1所示。

佳木斯自来水公司实验结果 平均滤速(m/h) 原水[Fe](mg/L) 滤后水[Fe](mg/L) 反冲强度(L/sm²) 工作周期(h) 11 12-14 0.3 12 36 10 12-14 0.2 12 40 9 12-14 ＜0.2 12 48 8 12-14 ＜0.1 12 ＞50 7 12-14 0.05 12 ＞50

　　实验期间，还与同期安装的成熟锰砂滤料滤池进行了各种滤速的稳定工作时间的对比测试，结果如图3所示。由图3可见，在相同滤速条件下，无烟煤滤料的稳定工作时间长于锰砂，如滤速为10m／h时，无烟煤滤料的稳定工作时间为30小时，而锰砂只有20小时。

　　5、生产实践
　　四水厂的实验为新建西郊水厂除铁滤料选择提供了可靠依据，西郊水厂除铁双阀虹吸滤池共12格，双排布置，每排6格，单池面积为50m²。滤料决定采用无烟煤单层滤料。粒径d=0.8～1.8，K₈₀≤2，滤层厚度1000mm。滤速7mh/h，反冲洗强度12～14L/sm²，反冲洗时间4～6分钟。投产后，经长期观测除铁效果良好，出水[Fe]一直稳定在0.2ng/L以下，工作周期稳定在48小时左右。

四、无烟煤单层滤料用于地面水除浊的生产实践

　　美国洛杉矾水厂(The Los ngeles Aqueduct RiLtration Plant－LAAFP)、处理水量227万m³／d，是美国同类水厂中最大、最先进的设施之一。原水从内华达西拉山区经544km长距离输水管道引至洛杉矾。处理工艺流程如图--4所示。由图--4可见，LAAFP是一个直接过滤水厂。
　　LAAFP原水水质和出水水质如表2所示。
　　由表-2可见，原水水质较好，该水厂设计是以原水最高浊度15NTU为目标的。为了精心设计这个水厂，洛杉矾市水电局(LosAngles Department of Water and Power)进行了大量的调查研究和生产测试，其中包括小试。中试和生产性试验，为选择处理工艺流程和工艺参数，确定预氧化药剂和混凝剂、助凝剂品种，选择构筑物型式和滤料品类等做了大量工作。但在此过程中原水浊度很少达到15NTU，常年原水浊度均在4NTU以下，出水浊度稳定在0.1NTU以下，处理效果良好。

　　在选择滤料实验中，曾做过无烟煤单层滤料与无烟煤--石英砂双层滤料处理效果的对比实验，发现两者的出水水质和过滤周期基本相同，但双层滤料总是首先发生浊度穿透，而且要求较高的反冲洗强度。因而生产设备中将粗无烟煤单层滤料选为最佳滤料。
　　该厂有普通快滤池24格，单池面积131m2，粗无烟煤滤料有效粒径为1.5mm，不均匀系数1.5，滤层厚度1830mm，滤速33m／h。气水反冲洗，最大气洗强度和最大水洗强度均为73m／h(约为20L／s.m)。
　　LAAFP自1987年4月投产以来，运转稳定，处理效果良好，水厂管理水平很高。该水厂供水量占全洛杉矶市用水量的75％，是一个采用无烟煤 单层滤料，直接过滤成功的典型。此外，该厂采用臭氧预氧化除嗅。除味、降低三卤甲烷基质(母体)也积累了不少值得借鉴的经验。

五、对无烟煤滤料的评价

　　无烟煤滤料一般由块状无烟煤破碎筛分而得，其性质因产地不同而各异。无烟煤与石英砂、锰砂主要特性对比如表—3所示。我国部分地区无烟煤密度如表—4所示。

LAAFP原水水质和出水水质表 参数 单位 进水平均值 出水平均值 混浊度 NTU*(浊度测定单位) 2.6 0.1 电导率 Umho/cm**(微姆/厘米) 272 272 水溶矿物质(TDS) mg/L***(毫克/升) 100 100 温度范围 ℃ 5-27 - PH值 8.5 7.8 三四角甲烷最大可能形成值(THMFP) Ug/L(微克/升) 90 60 总有机碳(TOC) mg/L(毫克/升) 1.5 1.1 溶解氧 mg/L(毫克/升) 9.3 9.3 表观颜色 4 1 总硬度 mg/L碳酸钙 68 68 钙 mg/L(毫克/升) 21 21 镁 mg/L(毫克/升) 4.2 4.2 钠 mg/L(毫克/升) 29 29 钾 mg/L(毫克/升) 8.0 8.0 碱度 mg/L(毫克/升) 94 94 硫酸盐 mg/L(毫克/升) 20 20 氯化物 mg/L(毫克/升) 13 16 硝酸盐 mg/L(毫克/升) 0.44 0.44 二氧化硅 mg/L(毫克/升) 16 16 铁 mg/L(毫克/升) 0.01 0.01 硼 mg/L(毫克/升) 0.42 0.42 氟化物 mg/L(毫克/升) 0.56 0.56

　 注：*浊度测定单位
　　　 **微姆/厘米
　　　 ***毫克/升(百万分数，即10^-6)

无烟煤与石英砂、锰砂主要特性对比表 滤料品种 密度(kg/m³) 堆积密度(kg/m³) 孔隙率(%) 无烟煤 1400-1900 700-1000 50-55 无英砂 2600-2650 1600 41 马山锰砂 3600 1800 50 湘潭锰砂 3400 1700 50 锦西锰砂 3200 1600 50

我国部分地区无烟煤耗密度表 产地 密度(kg/m³) 北京门头沟 1880 四川荣径 1610 山西晋城 1600 河南巩县 1560 河南焦作 1550 云南昭通 1550 黑龙江双鸭山 1500 四川宜宾 1480 山西阳泉 1470

　　 某厂家生产的无烟煤滤料规格及物理化学性能如表5所示。

某厂家生产的无烟煤耗滤料规格及物理化学性能表 粒径(mm) K80 K60 磨损率
(%) 碳损率
(%) 酸可溶率
(%) 灼烧减重
(%) 密度
(g/cm) 含泥量
(%) G≤1.8
(%) 孔隙率
(%) 2.5-4.0 　 ＜1.5 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 49.75 2.0-3.0 　 ＜1.5 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 49.75 1.11-1.76 ＜2 　 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 49.75 1.0-1.0 ＜2 　 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 51.37 1.0-2.0 ＜2 　 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 51.37 0.8-1.8 ＜2 　 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 51.37 0.8-2.0 ＜2 　 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 50.09 1.2-1.6 ＜2 　 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 50.09 0.8-1.25 ＜2 　 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜6 ≤6 50.09 有效粒径4 　 ＜1.4 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜7 ≤6 52.65 有效粒径1.57 　 ＜1.4 ＜0.35 ＜0.70 ＜0.98 ≥98 1.45-1.60 ＜8 ≤6 52.65

　　试验研究和生产实践表明，无烟煤单层滤料具有很多无可比拟的优点，归纳如一：
　　1、无烟煤滤料机械强度高，有良好的化学稳定性。表面粗糙，有良好的吸附能力。试验研究及生产实践表明，其除铁、除锰、除浊的效果均较好。
　　2、无烟煤滤料颗粒较粗(d＝0.8～1.8mm)，孔隙率大(＞50％)，有较高的合污能力。
　　3、无烟煤密度较小。由于滤料市售产品均以单重(吨)计，所以无烟煤单位体积价格较石英砂、锰砂为低。亦因质轻，所需反冲洗强度较低，一般为12～14L／sm²、且易于清洗，反冲洗时间较短，一般为4～6分钟。因此可节省大量反冲洗水量及电能。
　　4、由于滤层含污能力强，并能获得充分利用，可大大延长工作周期，不仅工作稳定，同时也是节省反冲洗水量的另一个原因。
　　5、管理简单方便，大大减轻了操作人员的劳动强度。
　　6、施工中，滤料筛分、装填均较方便，大大缩短了工期，减轻了施工厂人员的劳动强度。
　　综上所述，无烟煤单层滤料是一种值得推荐的滤料。

结束语

　　无烟煤滤料广泛地用在煤一砂双层滤料或三层滤料滤池中，是众所周知的，无煤作为单层滤料在生产实践中应用也有先例，算不上新技术。但是，无烟煤单层滤料的优势尚未被广大给排水工作者所熟知、所认同，尚未被广大用户所接受，生产实践中采用还很少。笔者撰写本文就是为了加大宣传力度，旨在让更多的读者了解无烟单层滤料的优点，与同行交流经验，以便促进它的推广使用，在实践中再总结、再提高。

参考文献

　　1、李圭白 刘超 范懋功《地下水除锰技术》1982年12月
　　2、李圭白 刘超《地下水除铁除锰》1989年2月
　　3、徐英光 庞马可 彭志强《无烟煤滤料地下水中除铁的应用》1990年全国地下水除铁除锰学术研讨会年会；
　　4、孙永海 刁乃维《无烟煤做为地下水除铁滤料的总结》1990年全国地下水除锰学术研究会年会。
　　5、LAAFP，《The Los Angeles Aqueduct Filtration Plant》,1987。
　　6、Duane L.Jeorgeson, William O.Straub,《Interpretation of Turbidity and Trihalomethane Data at the Los ,Angeles Aqueduct Filtration》，AWWA Water Quality Conference, Baltimore Maryland November17,1988