摘要：介紹均粒石英砂濾料快濾池的生產(chǎn)性試驗與應用，在不改變?yōu)V池結構、反沖洗方法和操作習慣的條件下，僅將快濾池的傳統(tǒng)濾層改為均粒石英砂濾層，產(chǎn)水量提高15%，而濾料層的費用僅增加7%。
過濾是凈水工藝中較重要的處理單元之一，快濾池是過濾常用的過濾構筑物，至今己有100多年歷史。提高濾池含污能力，即增加單位體積內濾料截留雜質（絮粒、粘土、藻類、細菌、病毒及其它膠體顆粒）的含量是快濾技術中的技術關鍵，也是水處理專家研究的熱點之一。增加濾池含污能力主要有三個途徑：①改變過濾水流方向，采用上向流過濾、雙內流過濾，輻射流過濾以及連續(xù)過濾等方式；②改變過濾操作方法，采用微絮凝過濾，調整混凝劑品種及投加量、投加助濾劑等；③改變?yōu)V料成分及組成，采用不同容重濾料的雙層及多層濾料過濾。如混合濾料、煤鋁濾料、活性炭濾料、塑料濾料、陶粒濾料、粗砂濾料及均粒石英砂濾料等。
某自來水公司在凈水廠試用均粒石英砂濾料，在不改變?yōu)V池結構、反沖洗方法和操作習慣的條件下，僅將快濾池的傳統(tǒng)濾層改為均粒石英砂濾層，產(chǎn)水量提高了15%，而濾層的費用僅增加7%，獲得顯著的經(jīng)濟效益。均粒石英砂濾料顆粒粒徑比較均勻，能較好克服表面堵塞的缺點，整個濾床共同承擔截污作用，在保證水質條件下，具有濾速快、過濾周期長、水頭損失增加慢等優(yōu)點。用均粒石英砂濾料代替常規(guī)砂濾料，不需要改動濾池原有設備，也不需要改變原來操作習慣，僅需要改變砂濾料組成即可，因而較易推廣。本文簡要介紹了自來水公司在凈水廠使用均粒石英砂濾料的試驗及其應用情況。
1、常規(guī)濾料、均粒濾料及粗濾料
常規(guī)砂濾料是指現(xiàn)在大多數(shù)濾池所普遍采用的石英砂濾料，較小直徑為0.45-0.5mm，較大直徑為1.0-1.2mm；平均粒徑de約為0.75mm，d10=0.5-0.55mm，d80=0.9-l.0mm，K80=1.5-2.0。
均粒濾料是指濾料粒徑比較均勻，即濾料粒徑不均勻系數(shù)以K80表示的數(shù)值比較小。但是究竟K80為多大即可稱為均粒濾料，現(xiàn)在沒有統(tǒng)一規(guī)定。從凈水廠使用而言，K80越接近于1，過濾效能越好；從濾料廠加工而言，K80越接近于1，加工難度越大。筆者認為在K80＜1.4時，在濾池應用上才有實際效果。實際上加工到K80=1.3以下，加工費用并不需要增加很多。
粗砂濾料是指平均粒徑比較大的石英砂濾料，平均粒徑de至少應大于0.85mm。粗砂濾料可能是均粒濾料，也可能不是均粒濾料。采用粗砂濾料的濾池因為平均粒徑de加大，往往有效粒徑d10也隨之加大，雖然濾池效能同樣可以提高，但是它只能稱為均質濾料，與均粒濾料概念不同。
2、生產(chǎn)性試驗概況
某凈水廠取河水，由DN600mm，DN500mm兩條輸水管線經(jīng)泵站提升到凈水廠。原水受污染較輕，濁度一般小于50度，冬季更低，僅有4-8度。凈化混凝劑采用堿式氯化鋁，消毒用液氯。
采用均粒石英砂濾料，粗粒石英砂濾料及常規(guī)石英砂濾料在凈水廠進行了生產(chǎn)對比試驗。
凈水廠工藝流程見圖1。
試驗是在1號、2號及3號三組濾池同時進行的，濾池面積29m2。由于1號池是高位排水槽，更換為比較粗的均粒砂濾料；2號池是比較細的均粒砂濾料；3號池是常規(guī)砂濾料，粒徑選擇為d較小=0.5mm，d較大=1.1mm。全部濾料均采用石英濾料廠產(chǎn)品，具體情況見表1。
表1 試驗濾池濾料情況
| 濾池號 | 濾層厚度/mm | d10/mm | d80/mm | K80 | 孔隙率/% | de/mm |
| 1 | 800 | 0.73 | 0.98 | 1.36 | 0.438 | 0.86 |
| 2 | 700 | 0.68 | 0.88 | 1.29 | 0.436 | 0.77 |
| 3 | 700 | 0.57 | 0.97 | 1.70 | 0.421 | 0.76 |
3、試驗結果及討論
在生產(chǎn)性試驗中， 濾池運行均按照濾后水濁度低于1.5度調整濾速（一般濾后均為l度），并按照濾前濁度小于5度確定混凝劑投加量，三種濾池濾前水水質相同。試驗數(shù)據(jù)見表2。
表2 濾池運行測定數(shù)據(jù)
| 原水溫度/℃ | 原水平均溫度/℃ | 濾池號 | 濾前水平均濁度/度 | 濾后水平均濁度/度 | 平均濾速/（m·h-1) | 起始水頭損失/m | 期終水頭損失/m | 過濾周期/h | 水頭損失增長率/（m·h-1) |
| 4 | 4.5 | 1 | 3.4 | 1.02 | 12.17 | 1.00 | 2.50 | 20 | 0.075 |
| 2 | 4.0 | 0.96 | 11.39 | 0.90 | 2.40 | 15 | 0.100 | ||
| 3 | 4.0 | 0.97 | 9.90 | 0.92 | 2.54 | 13 | 0.124 | ||
| 22 | 18.0 | 1 | 3.5 | 0.57 | 12.29 | 0.60 | 2.60 | 50 | 0.040 |
| 2 | 3.4 | 0.63 | 11.89 | 0.80 | 2.76 | 25 | 0.079 | ||
| 3 | 3.6 | 0.58 | 9.82 | 0.78 | 2.50 | 21 | 0.082 | ||
| 24 | 21.0 | 1 | 4.7 | 0.61 | 11.62 | 0.90 | 2.72 | 44 | 0.041 |
| 2 | 4.6 | 0.44 | 11.42 | 0.96 | 2.50 | 29 | 0.053 | ||
| 3 | 4.6 | 0.68 | 9.95 | 0.60 | 2.58 | 22 | 0.090 |
3.1 粒徑與過濾周期及濾速關系
3.1.1 水頭損失
從表2可以看出，三個試驗濾池水頭損失增長率的順序為：1號濾池＜2號濾池＜3號濾池。這說明無論是否采用均粒濾料，只需加大濾料粒徑，水頭損失增長速度就會減慢。在本次試驗中1號濾池和2號濾池同為均粒濾料，由于1號濾池平均粒徑大于2號濾池，因而1號濾池水頭損失增長率減緩了很多。另外，表2的數(shù)據(jù)還可以看出，2號濾池與3號濾池平均粒徑基本相同，但由于2號濾池d10＞3號濾池d10，所以3號濾池水頭損失增長率低于3號濾池。這說明過濾水頭損失受有效粒徑d10影響很大，而且當d10相同時，水頭損失也大致不變。
3.1.2 濾速
表2中各種濾池濾速的順序為：1號濾池＞2號濾池＞3號濾池，而且1號濾池和2號濾池的濾速明顯高于3號濾池。這說明濾料粒徑越大，濾速也越大，均粒石英砂濾料濾池的濾速明顯高于非均粒濾料濾池的濾速。試驗結果表明，采用均粒濾料濾池的濾速可比非均粒濾料濾池濾速提高15%以上。另外還可以看出，2號池與3號池雖然平均粒徑接近，但因為有效粒徑不同，濾速有明顯差異。當濾床厚度L及平均粒徑de相同時，均粒濾料dl0越大，濾速也較大。
3.1.3 過濾周期
為了對比均粒濾料與非均粒濾料的濾速，在實驗室進行了濾柱對比試驗。濾柱直徑135mm，濾料情況見表3。濾前水為澄清后的水，濾速由人工控制，過濾周期終止不是因為濾后水頭損失達到上限，而是砂層穿透致使?jié)岫瘸瑯耍?度）而終止。試驗結果見表4。
表3濾柱濾料粒徑
| 濾柱號 | d10/mm | d80/mm | K80 |
| 1 | 0.661 | 1.018 | 1.54 |
| 2 | 0.809 | 0.967 | 1.20 |
表4濾柱過濾周期對比表
| 水溫/℃ | 濾速/(m·h-1) | 濾柱號 | 過濾周期/h | 濾前水平均濁度/度 | 濾后水平均濁度/度 |
| 20 | 6 | 1 | 52 | 3.33 | 1.03 |
| 2 | 80 | 3.33 | 1.07 | ||
| 21 | 7 | 1 | 48 | 4.35 | 1.23 |
| 2 | 71 | 4.35 | 1.32 | ||
| 23 | 8 | 1 | 46 | 4.13 | 1.46 |
| 2 | 70 | 4.13 | 1.37 |
從試驗結果看，均粒濾料的過濾周期明顯高于非均粒濾料的過濾周期。這主要是由于均粒濾料下層粒徑與上層濾料粒徑接近，有利于截留懸浮物繼續(xù)往下滲透，而非均粒濾料下層濾料粒徑相對較大，表面濾料粒徑較小，表層濾料截留后，下層濾料難以發(fā)揮作用。
3.2 粒徑與反沖洗關系
3.2.1 沖洗強度
沖洗的關鍵是將濾料懸浮起來。因此，沖洗強度應以濾料中較大粒徑的較小流態(tài)化流速為依據(jù)，才能保證濾層得到均勻沖洗。
只要底層濾料粒徑不加大，無論是按不超過常規(guī)濾料較大粒徑配成的均粒濾料（濾層平均粒徑相應加大），還是按平均粒徑配成均粒濾料，濾料中較大粒徑全部小于或等于常規(guī)濾料較大粒徑。這種濾池沖洗時，都不需要加大沖洗強度，可以按常規(guī)濾料濾池一樣來確定沖洗強度。
均粒濾料全部濾層中粒徑接近，不會發(fā)生為滿足粗粒徑濾料沖洗強度要求而造成細粒徑濾料沖出濾池；也不會發(fā)生為避免細粒徑濾料流失而減小沖洗強度，造成粗粒濾料不能完全流態(tài)化。
3.2.2 沖洗時間
均粒砂濾料濾池和平均粒徑加大不多的粗濾料濾池的沖洗時間均沒有特殊要求，與常規(guī)砂濾料濾池相比，僅沖洗時間由5-6min延長到6-8min。沖洗后濾池池面水濁度與常規(guī)砂濾池接近。
3.3 孔隙率和截泥量
3.3.1 孔隙率
各地石英砂的孔隙率不完全相同，它與濾料顆粒排列狀況關系密切。均勻球狀顆粒，因排列不同孔隙率在0.260-0.476之間變化�？紫堵逝c顆粒球狀度關系也很大。實測的結果表明，對于同一廠家生產(chǎn)的濾料，均粒濾料與非均粒濾料孔隙率變化不是很大。我們采用的晉江石英砂濾料廠生產(chǎn)的石英砂，由福建省地方砂產(chǎn)建材檢驗所檢驗，粒徑0.5-1.0mm，砂濾料孔隙率為0.421；均粒徑砂濾料孔隙率為0.436-0.438。
3.3.2 截泥量
均粒濾料濾池的雜質能滲入砂層深處，雜質分布趨于均勻，不象在非均粒濾料濾層那樣，只堵塞在濾床表面，因而均粒濾料在整個過濾周期中截泥量加大。對比實驗的截泥量測定見表5，表中所列含泥量是砂層單位面積豎向含泥量的平均值。
表5 濾池截泥量
| 濾池號 | 含泥量/g·L-1 |
| 2 | 8.53 |
| 3 | 5.16 |
4、技術經(jīng)濟效益分析
4.1 均粒濾料產(chǎn)水量增長率
幾年生產(chǎn)實踐表明，采用均粒濾料可以提高濾池出水量，一般可提高濾池出水量15%以上，見表6。
表6均粒濾料產(chǎn)水量增加表
| 濾池號 | 過濾周期/h | 平均濾速/（m·h-1） | 過濾周期總濾水量/（m3·m-2） | 沖洗時間/min | 沖洗水量/（m3·m-2） | 制水量/（m3·（m-2·h-1）） | 增長率/% |
| 2 | 15 | 11.39 | 170.85 | 5.3 | 4.77 | 11.07 | 16 |
| 3 | 13 | 9.90 | 128.70 | 5.0 | 4.50 | 9.55 | |
| 2 | 25 | 11.89 | 297.25 | 7.0 | 7.02 | 11.61 | 18 |
| 3 | 21 | 9.82 | 206.22 | 6.1 | 5.01 | 9.58 | |
| 2 | 29 | 11.42 | 331.18 | 7.2 | 7.21 | 11.17 | 15 |
| 3 | 22 | 9.95 | 218.90 | 6.1 | 5.56 | 9.7 |
4.2 經(jīng)濟效益分析
濾砂費用大致由下列幾項構成： 即濾料加工（篩砂）費、包裝費、產(chǎn)地短途運費、火車運費、凈水廠短途運費、濾池鋪砂費用等。其中濾料廠加工篩砂費用約為總費用的20%，在濾料廠將石英砂加工為均粒濾料與加工為常規(guī)濾料加工費（勞務支出）增加有限。若以全部費用相比，兩種濾料支付費用相差不足7%，水量則可增加15%。投入與產(chǎn)出相比，采用均粒濾料經(jīng)濟效益明顯。若條件許可，采用粗砂均粒濾料，其經(jīng)濟效益更為可觀。如果以濾池全部基本建設費用為基數(shù)，采用均粒濾料增加的費用不足l%。而水量則是以兩位數(shù)的比例增加，經(jīng)濟效益更為顯著。
5、結論
①濾料的有效粒徑d10是影響過濾的主要因素之一。均粒濾料的d10大于平均粒徑相同的非均粒濾料，因而濾池效率高。將常規(guī)砂濾料更換為平均粒徑相同的均粒石英砂濾料，濾水能力可增加15%以上。
②均粒石英砂濾料不需變動濾池原有設備、沖洗方式、管理水平、技術水平和操作習慣等，因而較易推廣，投入與產(chǎn)出相比，經(jīng)濟效益明顯。
③如果條件允許，采用粗砂均粒濾料，d10增加，濾池效益將更顯著。
