《給水排水》雜志社聯合bevictor伟德官网開展水質指标和處理技術科普專題，今天推出“濾池的優化運行”。

本文作者：王小𠇔（bevictor伟德官网），李露（中國市政工程中南設計研究總院有限公司），劉書明（bevictor伟德官网）

本文合作單位：bevictor伟德官网飲用水安全保障研究團隊、建設部水處理濾料質量監督檢測中心（中國市政工程中南設計研究總院有限公司）

bevictor伟德官网飲用水安全保障研究團隊：研究團隊争創世界一流，定位為識别飲用水安全面臨的新問題，提出飲用水處理方面的新理論，研發飲用水安全保障新技術，開發保障飲用水安全的新材料，推動飲用水相關領域的深入交叉和融合，為國家飲用水安全重大需求和戰略決策提供技術支持。

甲：兩座水廠，同一個水源，都采用常規水處理工藝，出廠水的濁度卻差别很大，一座能實現優質供水，另一座卻為達标而發愁，這是什麼原因呢？

乙：出廠水濁度偏高，一般是因為濾池對濁度的去除效果較差。

對于水廠來說，濾池的優化運行尤為重要，将通過以下三部分進行講述：

1、良好的混凝預處理是保障

濾池中的濾料，無論是石英砂還是無煙煤，大小都是在毫米量級，濾料之間的縫隙通常在100微米（0.1毫米）上下，而水中需要通過過濾去除的顆粒物質粒徑可小至數微米及以下，因此濾料不是（像篩米糠那樣留米去糠）以篩分作用為濁度去除的主要機理。濾池進水中的顆粒物質，絕大部分是被粘附到濾料表面而去除的。這裡的濾料表面，不僅指幹淨的表面，還包括已經粘附了水中顆粒物質的表面。因此，水中顆粒物質與濾料之間的粘附力非常重要。粘附力越大，顆粒物被濾料表面粘附的概率越大，我們稱之為粘附系數越高。最好的情況是粘附系數值為100%。那怎樣才能使粘附系數接近100%呢？答案是做好混凝。上一篇我們提到，混凝是過濾的前處理。混凝的主要作用是使水中的顆粒物脫穩。脫穩的顆粒物非常容易在濾料表面粘附。（點擊閱讀相關内容）

2、合理的濾料級配和足夠的濾床厚度是基礎

當粘附系數值接近100%時，決定顆粒物是否被去除的因素則是該顆粒物能否到達濾料表面（圖1）。對任一個顆粒物而言，這是個概率問題。這個概率稱為遷移系數，其值通常不大，一般不超過千分之幾。這可以理解為，濾料周圍的衆多顆粒物中絕大部分是與該濾料“擦肩而過”的。由于水中顆粒物的遷移系數值都很低，尤其是對粒徑在1~2微米範圍的顆粒物（其中包括很多種類的微生物）來說更低，因此需要較厚的濾層厚度來提高水中顆粒物與濾料間的碰撞機會，從而提高顆粒物的總體去除率。濾池對水中顆粒物的去除機理也因此稱為“深床過濾機理”，即濾床從上到下都能通過捕獲和粘附作用去除水中的顆粒物。工程上一般要求濾層厚度（L）與濾料大小（d10，即有效粒徑）的比值（L/d10值）大于1,000。在混凝預處理适當的前提下，L/d10值越大，濾後水中的顆粒物濃度和濁度值一般越低。

圖1 濾料去除水中顆粒物的機理圖（圖片來源：Lawler and Benjamin, Fundamentals of Granular Media Filtration, 2006）

受限于原材料特性及成本等因素，濾池中每種濾料的粒徑是不均勻的，既有較大粒徑的、也有較小粒徑的濾料，我們稱濾料具有一定的級配（一般用有效粒徑d10和均勻系數K80表征）。濾料的級配可通過篩分試驗測得。以篩網孔徑為橫坐标，以過篩濾料的重量含量為縱坐标，繪制篩分曲線（圖2），得到有效粒徑值（d10）及80%過篩粒徑值（d80）。均勻系數K80為d80與d10的比值。理想狀态下，濾料粒徑符合對數正态分布（圖2）。

圖2 通過篩分試驗并作對數正态分布圖獲得典型石英砂濾料的級配，并與天然石英砂進行比較。石英砂濾料在大小上更均勻。(圖片來源：Crittenden et al., MWH’s Water Treatment, 2012)

為了保證過濾性能，每一種濾料的粒徑應盡可能均勻。如果濾料級配過于不均勻，那麼在濾池清洗時，要麼大粒徑的濾料無法懸浮，清洗效果差，要麼會将小粒徑的濾料沖出濾池，導緻濾池跑料，L/d10值下降，影響濁度去除效果。此外，在清洗結束時，由于大粒徑的濾料沉降速度快，更容易聚集在濾床底部，而小粒徑的濾料則相反，傾向于聚集在濾床上部。這樣的濾床濾料由下至上越來越小，會使得濾池進水中更多的顆粒物被捕獲和粘附在濾床上部，導緻過濾阻力增長較快，縮短過濾水力周期。最理想的濾床濾料是由下至上逐漸變大。但由于濾池必須進行反沖洗等原因，若使用單一種類的濾料，這種理想的濾床濾料分布是無法實現的。為此，水處理工程師們發明了雙層濾料濾池，即濾床上部使用較大但密度較小的一種濾料（如無煙煤或活性炭），而下部使用較小但密度較大的另一種濾料（如石英砂）。在西方發達國家，煤砂和炭砂雙層濾料濾池應用非常普遍。

3、濾池清洗

随着過濾時間的延長，濾床不同深度的濾料表面粘附的顆粒物越來越多。這一方面導緻過濾阻力越來越大，直至超過濾池的水頭極限，稱為濾池的水力周期；另一方面使得濾床内水流的微小變化都會使部分已粘附的顆粒物脫落，導緻濾後水濁度上升，稱為濾池的水質周期。無論是上述哪種情況先發生，都需要對濾池進行清洗，以恢複濾料的潔淨度。兩次清洗之間的時間間隔稱為過濾周期，取水力周期和水質周期兩者中的較小值。最理想的情形是濾池的水力周期和水質周期基本相等，這樣可以最大限度地發揮濾池的濁度去除作用，同時降低清洗時的能耗和水耗。當濾前水的濁度值較低時（如<1 NTU），應選用有效粒徑較小的細濾料；反之則應選用有效粒徑較大的粗濾料。

最常用的濾池清洗方式是用濾後水（或其它低濁度的水）以一個較大的速度從濾池底部穿透濾床到達頂部，通過水力摩擦作用剝落濾料表面粘附的顆粒物并帶出濾池。因為濾池清洗時的水流方向與過濾方向相反，因此稱為濾池的“反沖洗”。很多情況下，為了提高清洗效果并節約反沖洗的水耗，在濾池清洗的某個階段，會配合以空氣擦洗。這種濾池清洗方式稱為氣/水聯合反沖洗。反沖洗時，水的流速一般較大，濾床中的濾料通常處于膨脹和懸浮狀态。當沖洗結束時，這些原處于膨脹狀态的濾料會因為重力作用回落到反沖洗前的位置。

若濾池清洗效果不理想，濾池的運行一般也不好。一個很好的判斷方法是定期（如每半年）對濾池濾料在清洗後的含泥量進行測定。所謂含泥量就是濾料表面粘附的顆粒物幹重量與濾料總幹重量的比值。一般要求濾料的含泥量在0.2%以下。但一些運行很差的濾池，含泥量可達10%以上，超過建議值50倍以上。由于濾床中不同深度濾料的含泥量通常會不同，因此需要在濾床各個深度對濾料進行取樣分析。一般情況下，采用氣/水聯合反沖洗較單獨水流反沖洗對濾池濾料含泥量的控制效果更好。濾池在清洗後重新投入運行時，濾後水濁度會在一段時間内（通常短于半小時）居高不下，這個時間段的濾後水稱為初濾水。由于初濾水濁度較高，微生物風險較大，不應進入後續消毒單元，這稱為初濾水排放。也正是這個原因，濾池清洗時應避免清洗時間過長，否則濾料表面太過潔淨，對水中脫穩顆粒的粘附力不足，導緻初濾水排放量過大。工程實踐表明，對每格濾池的濾後水濁度進行連續監測，是判斷濾池運行是否良好的有效方法。濾後水濁度随過濾時間的變化曲線，好比指紋，具有非常豐富而有用的信息（圖3）。

圖3 某格濾池的濾後水濁度随過濾時長的變化情況，其中含有豐富的“指紋”信息

綜上可知，一座過濾效果優良的濾池，至少應具備三個條件：一是合理的濾料級配和足夠的濾床厚度；

二是濾池進水需經過良好的混凝預處理，顆粒物已完全脫穩；三是需要對濾池進行定期或不定期的清洗，使濾池濾料在每個過濾周期開始時保持相對潔淨的狀态。

這就是濾池的健康三要素（圖4）。對濾池的運行管理就好比我們對自己的健康管理，要保持健康，除了先天健康的基因以外，需要長期健康的作息和飲食，還需要經常鍛煉。

圖4 濾池的健康三要素

來源：給水排水