复合变速滤池处理低浊度水试验研究

　　ZHANG Zhi， ZHOU Jian-zhong， ZHANG Qin

　　（Key Laboratory of Entironment in the Three-Gorge Reservoir Area，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400045，China）

　　onclick="g('Abs');">Abstract: A kind of combined speed-changed filter was developed to enhance filtration in conventional filter. The results showed that the filter can effectively remove turbidity and nitrite nitrogen with removal rate of 58.82%~86.96% for the former and 33.33%~39.51% for the latter，and the effluent quality can be ensured. The filter operates with speed-changed flow，so the function of the deep-seated monclick="g('edi');">edium can be developed sufficiently.

　　Keywords: low turbidity water；speed-changed filter；enhanced filtration；enzymatic monclick="g('edi');">edium；water treatment

　　水是人类生存和发展不可缺少的重要物质，水源问题是关系到国民经济发展的重要问题之一。但是，随着经济的不断发展和人民生活水平的提高，以及水源水质污染成因日益复杂和水质检测水平的提高，我国目前绝大多数自来水厂采用的常规净水处理工艺已不能与现有的饮用水标准和水源水质相适应，其处理局限性日益显著^[1～3]。在水源污染较为严重的地区，相应矛盾更为突出。对受污染原水的处理，目前国内外研究最多的是对原水进行预处理、出水深度处理和强化混凝等。这些方法在给水水质处理中起到了一定作用，但它要求在原处理工艺的基础上增加新设施，或对原设施进行一定的改造，因此增加了一次性投资和运行成本。本试验研究依据经济有效、简单实用的原则，设计出复合变速滤池过滤的新型净水工艺，提出了强化过滤（enhanced filtration）的新概念。

　　1 试验条件与方法

　　1.1 试验水源及装置

　　本试验在重庆市某水厂进行，以低浊度、具有一定有机污染的湾塘河水及东方红水库水为水源，原水从水厂进水渠以重力流方式进入试验装置。试验期间原水水质见表1。

　　表1 试验期间原水水质

　　该试验装置是为国家“十五”攻关课题《饮用水水质保障关键技术及装置研究》的子专题《三峡库区山地城镇小型饮用水处理集成化设备》设计研制的，其具体外观和内部构造如图1和图2所示。

　　图1 试验装置外观图 图2 试验装置内部构造图

　　试验装置全部采用不锈钢材料制成。装置外形为一直径1.5m，高1.9m的圆柱体，内筒为一倒置的圆台，整个装置由生物预处理区、混凝区、沉淀区、变速过滤区等四部分组成。其中：混凝区为锥台体，生物预处理区、沉淀区和变速过滤区均为扇形锥台体。本试验取设计流量40m³/d，在该条件下，滤池进口水力负荷为3.51 m³/(m²·h)，出口水力负荷为3.00 m³/(m²·h)。

　　滤池中的填料选用酶促填料。它是以采用黏土为骨料，粉煤灰为掺和料，煤粉为发泡剂并加入适量的微生物生长促进剂经高温烧结而成。该填料表面具有大量的微孔。本试验装置中，滤料粒径为1.18～2.36mm，均匀系数为1.3～1.5，孔隙率为0.46。滤料层高度：1050mm，承托层采用卵石，高度210mm，分三层。由下至上各层粒径分别为2.36～4.75mm，4.75～9.5mm，9.5～13.5mm，各层高度均为70mm。

　　1.2 分析指标及测定方法

　　试验以浊度、高锰酸钾耗氧量（onclick="g('COD');">COD_Mn）、硝酸盐氮（NO₃^―-N）、亚硝酸盐氮（NO₂^―-N）和金属及重金属离子等参数作为过滤效果评价指标。浊度采用HACH2100P浊度仪测定，NO₃^―-N和NO₂^―-N采用HCAH标准方法测定，onclick="g('COD');">COD_Mn采用酸式高锰酸钾滴定法测定，金属及重金属离子委托国家城市供水水质监测网重庆监测站检测。

　　2 试验结果与讨论

　　2.1 处理效果

　　2.1.1 滤池对浊度的去除效果

　　饮用水水质一般值得考虑提高的是浊度和细菌学指标，一般情况主要风险尚存在这些指标上^[4]，故浊度指标必须严格加以控制。该滤池对浊度的去除效果见图3。

　　图3 浊度的去除效果

　　滤前水浊度为0.67~1.49NTU，出水浊度在0.12~0.44NTU之间，过滤去除率为58.82%~86.96%，平均过滤去除率达75%左右。

　　因设计时所选用的滤料粒径较大（1.20～2.40mm），为了保证滤池的功效以及出水的水质，滤池的设计滤速比较小。在设计流量40m³/d下，滤池进出口的流速分别为3.50m/h和3.00 m/h，这比一般单层滤料滤池所采用的滤速8～10m/h要小。实践证明，这种办法是可行的。在试验过程中，除了滤池反冲洗后很短的一段时间内，出水浊度稍高外，大部分时间内，滤池出水均满足国家饮用水质标准所规定的小于1NTU的要求，而且绝大部分在0.5NTU以下，水质较好。

　　2.1.2 滤池对onclick="g('COD');">COD_Mn的去除效果

　　滤池对onclick="g('COD');">COD_Mn的去除效果见图4。

　　图4 onclick="g('COD');">COD_Mn的去除效果

　　由图4可知，滤前水onclick="g('COD');">COD_Mn为2.09 ~2.59 mg/L，出水onclick="g('COD');">COD_Mn为1.82 ~2.50 mg/L，过滤去除率为3.47%～16.60%，去除率较低。

　　在常规工艺中过滤单元对onclick="g('COD');">COD_Mn的去除率较低的主要原因是常规工艺对于有机物的去除以悬浮物质和胶态物质为主，而对溶解性有机物去除率很低。由于大部分悬浮物、胶态物在混凝沉淀过程中已被去除，过滤过程对有机物的去除率也就相对低了。换言之，混凝沉淀环节在去除onclick="g('COD');">COD_Mn方面起着主要作用。另外，随着工作时间的逐渐增长，滤池截污能力有所下降。滤池对onclick="g('COD');">COD_Mn的去除率在过滤周期后期也有所降低。

　　2.1.3 滤池对NO₃^―-N和NO₂^―-N的去除效果

　　滤池对NO₃^―-N和NO₂^―-N的去除效果分别见图5和图6。

　　图5 NO₃^―-N的去除效果

　　图6 NO₂^―-N的去除效果

　　由图5和图6可知，滤池对NO₃^―-N的去除率为0~11.43%，而对NO₂^―-N的去除率为33.33%~39.51%。由此可知，滤池对于这两类含氮化合物都有一定的去除能力，但去除率差异较大。

　　究其原因：首先，这两类物质均有一部分吸附于水中固体颗粒或胶体杂质上，故试验过程中，滤池在去除水中固体颗粒或胶体杂质的同时也就去除了一部分的NO₃^―-N和NO₂^―-N；其次，在处理过程中，存在一定的氧化作用，使得部分NO₂^―-N被氧化成NO₃^―-N，从而NO₂^―-N得到一定程度的去除，同时也增加了水中NO₃^―-N的量，导致了NO₃^―-N去除率的有所降低。

　　2.1.4 滤池对金属及重金属离子的去除效果

　　该项目的检测是委托国家城市供水水质监测网重庆监测站进行的，具体检测结果见表2。从表2可知，该滤池对金属铝有很好的去除效果，而其它金属或金属离子因滤前水中含量很低，其去除效果不明显。

　　表2 金属及重金属离子的去除效果（mg/L）

　　2.2 滤池水头损失

　　过滤开始时，滤层是干净的。水流通过干净滤层的水头损失称“清洁滤层水头损失”或称“起始水头损失”^[5]。因本试验装置滤池单元的过滤速度很小，起始水头损失很小，故可以忽略不计。

　　随着过滤时间的延长，滤层中截留的悬浮物量逐渐增多，滤层孔隙率逐渐减小。在滤料粒径、形状、滤层级配和厚度以及水温等相关条件已定的情况下，孔隙率的减小势必会引起相同过滤速度下滤池水头损失的增加。本试验对水头损失的研究是在一定流量下，研究滤池的水头损失变化情况，故滤池各断面的过滤速度是保持不变的，即实行的是“断面等速过滤”。在这种状态下，滤池的水头损失随时间而逐渐增加。各滤层水头损失的变化情况见图7。

　　图7 滤池各滤层水头损失的变化情况

　　由图7可知，在同一过滤时间，水头损失随滤层深度增加而减少，水头损失主要集中在0.40m滤层深度内，且随着时间的推移深层截污比例逐渐加大，深层水头损失也加大。在0.9m滤层深度的水头损失由过滤时间1小时的0cm增加到过滤时间71小时的2.4cm，而在0.15m滤层深度的水头损失由过滤时间1小时的0cm增加到过滤时间71小时的36.3cm。

　　从图7还可以看出，滤池的水头损失在随时间而逐渐增大，这种增加的趋势在一周期的开始阶段比较缓慢，而在周期的后期则幅度较大。这是由于滤池截留了一定数量的固体颗粒，滤池的孔隙率减小，从而使固体颗粒能够通过滤料孔隙的几率减小，滤池的截污能力有一定程度的加强，滤池孔隙率减小的速度越来越快，滤池水头损失增长的幅度也就越来越大。

　　3 结论

　　（1）本装置采用复合变速滤池对滤前水进行过滤，结果表明：该滤池可有效地去除原水中的浊度和NO₂^―-N，其中浊度去除率为58.82%~86.96%，NO₂^―-N去除率为33.33%~39.51%。

　　（2）在同一过滤时间，水头损失随滤层深度增加而减少，水头损失主要集中在0.40m滤层深度内，且随着时间的推移深层截污比例逐渐加大，深层水头损失也加大。

　　（3）滤池并采用变速流的形式。这种形式的滤池更能充分发挥深层滤料的作用，保证了出水水质。

　　参考文献：

　　1 查人光，仲建锋．生物滤池在净水生产中的应用[J]．给水排水，2003，29（12）：4～6.

　　2 王琳，王宝贞．优质饮用水净化技术[M]．北京：科学出版社，2000，7.

　　3 黄晓东等．生物活性滤池的强化过滤研究[M]．中国给水排水，2001，17（8）：10～13.

　　4 肖羽堂等. 我国水资源污染与饮用水安全性研究．长江流域资源与环境[J]，2001，10（1）：50～59.

　　5 严熙世，范谨初主编. 给水工程（第四版）[M]．北京：中国建筑工业出版社，1999，12.

　　☆ 国家“十五”重点科技攻关课题（2001BA604A01-05-01）