摘要：采用“石英砂-錳砂”雙層濾料去除水中含鐵及雜質(zhì)，降低渾濁度，保證出水水質(zhì)符合國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，水處理能力提高一倍，節(jié)省投資，便于管理，具有較明顯的經(jīng)濟(jì)效益，本文針對無閥濾池雙層濾料研制與應(yīng)用進(jìn)行了探討。
1、問題提出
雙層濾料與單層濾料相比，雙層濾料能增加表層濾料的平均粒徑，提高孔隙率，從而具有截污能力強(qiáng)、出水水質(zhì)穩(wěn)定、濾速快、過濾周期長等特點。目前，標(biāo)準(zhǔn)圖集僅介紹了采用無煙煤濾料與石英砂濾料，雙層濾料的技術(shù)，這種雙層濾料雖能提高凈水能力但由于無煙煤濾料易破碎，在反沖洗時，容易造成濾料流失，經(jīng)過一段時間運(yùn)行后，逐漸會造成濾后水質(zhì)不合格，況且也不能達(dá)到去除水中的鐵離子之目的。
某給水站的水源取自九龍江，因受上游廠礦污染，原水水質(zhì)濁度變化大，且含鐵量高達(dá)1.6mg/l，站內(nèi)水處理設(shè)備原采用曝氣反應(yīng)池與無閥濾池（采用單層錳砂濾料）配套使用。該套設(shè)備建造于1972年，由于長期失修嚴(yán)重，其實際水處理能力僅為120m3/h，為了提高供水能力，90年初對水源進(jìn)行了改造，投產(chǎn)后，泵房揚(yáng)水能力達(dá)到150m3/h，致使濾池處于超負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，曝氣反應(yīng)池經(jīng)常溢水，出水水質(zhì)無法達(dá)標(biāo)，加上無備用水處理設(shè)備，遇上濾池周期性檢修時，經(jīng)常只能供給未經(jīng)凈化的渾水。
針對以上問題，要達(dá)到既能去除鐵離子，保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，又能提高凈化能力，結(jié)合大修進(jìn)行技術(shù)改造。1991年9月，對無閥濾池采用石英砂濾料和錳砂濾料，雙層濾料的研制應(yīng)用，開展技術(shù)攻關(guān)。
2、理論依據(jù)
2.1、可行性分析
錳砂濾料含有高價錳的氧化物，在濾池運(yùn)行過程中，表面會逐漸產(chǎn)生一種有催化作用的鐵質(zhì)活性“濾膜”，有較好的除鐵效果，而且石英砂濾料和錳砂濾料二者都具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，可以防止在反沖洗時，濾料產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，破碎和流失現(xiàn)象，保證濾料穩(wěn)定性。二者化學(xué)性質(zhì)也很穩(wěn)定，可以避免濾料與水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而惡化水質(zhì)。因此，若采用石英砂濾料和錳砂濾料作為雙層濾料，不僅能去除水中雜質(zhì)，降低鐵離子含量，而且還能提高過濾速度，提高原有構(gòu)筑物的凈化能力。
2.2、工藝說明
原水通過水射器吸入大量空氣進(jìn)行氧化后，進(jìn)入反應(yīng)池使水氣進(jìn)一步充分混合，經(jīng)過分配水箱、進(jìn)水管、流入無閥濾池。當(dāng)溶解了大量氧氣的水經(jīng)過石英砂濾料和錳砂濾料，雙層濾料過濾時，水中二價鐵被濾料吸附，進(jìn)而氧化水解逐漸生成具有催化作用的鐵質(zhì)活性“濾膜”，方程式為：3MnO2+O2=MnOMn2O7：MnOMn2O7+4Fe2++2H2O=3MnO2+4Fe3++4OH。
使二價鐵（Fe2+）的氧化和三價鐵（Fe3+）的混凝沉淀過程基本上在濾層中完成，無閥濾池出水濁度和含鐵量達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
3、模擬試驗及組織實施
首先，模擬無閥濾池制作了有機(jī)玻璃模型，通過對石英砂濾料和錳砂濾料的級配、孔隙率、不均勻系數(shù)等物理化學(xué)特性分析,，在現(xiàn)場對不同級配的濾料進(jìn)行分組模擬試驗（見表1）。
表1模擬試驗濾料組成及化驗的數(shù)據(jù)
| 項目 | 濾速m/h | 石英砂 | 錳砂 | 濁度mg/L | 含鐵量mg/L | ||||
| 粒徑mm | 厚度mm | 粒徑mm | 厚度mm | 進(jìn)水 | 出水 | 進(jìn)水 | 出水 | ||
| 試驗A | 16 | 0.995-1.27 | 400 | 0.803-1.27 | 300 | 22 | <3.0 | 1.6 | <0.2 |
| 試驗B | 16 | 0.995-1.27 | 300 | 0.803-1.27 | 400 | 20 | <3.0 | 1.6 | <0.2 |
| 試驗C | 12 | 0.803-1.27 | 300 | 0.533-1.27 | 500 | 20 | <3.0 | 1.6 | <0.2 |
通過十幾次反復(fù)的模擬試驗，對模擬試驗得出的結(jié)果進(jìn)行認(rèn)真分析、較對，然后確認(rèn)了濾料的合理級配。既石英砂濾料粒徑0.995-1.27mm，鋪設(shè)厚度400mm。錳砂濾料粒徑0.803-1.27mm,，鋪設(shè)厚度300mm，并組織實施。
首先，按設(shè)計所提高的凈化能力300m3/h，對水處理構(gòu)筑物的配套管網(wǎng)進(jìn)行改造。然后，在原濾池的左格進(jìn)行濾料安裝，先強(qiáng)制反沖洗兩次后，停止進(jìn)水，將池水放干，池內(nèi)錳砂承托層按粗到細(xì)分別逐級鋪裝。錳砂濾料承托層鋪裝340mm后，封蓋進(jìn)行強(qiáng)制反沖洗，并刮除表層15mm左右的雜質(zhì)，然后再鋪裝石英砂濾料420mm，同樣封蓋進(jìn)行強(qiáng)制反沖洗刮除表層10mm左右雜質(zhì)。鋪裝過程中我們嚴(yán)格掌握石英砂濾料和錳砂濾料的高度和厚薄均勻，每層投料完畢后，都利用水面進(jìn)行找平并校正高度，全部安裝完畢后，即進(jìn)水浸泡，于92年1月12日開始投用，經(jīng)調(diào)試后，運(yùn)行效果良好，水質(zhì)、凈化能力均達(dá)到設(shè)計要求，單格濾池凈化能力150m3/h。
表2無閥濾池更換雙層濾料前后主要運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)（水溫15℃）
| 項目 | 流量m3/h | 濾速m/h | 過濾周期h | 反沖洗強(qiáng)度l/m2s | 反沖洗時間min | 濁度mg/l | 含鐵量mg/l | ||
| 進(jìn)水 | 出水 | 進(jìn)水 | 出水 | ||||||
| 更換前 | 150 | 8 | 21 | 22 | 5 | 23 | >5.0 | 1.2 | 0.3-0.5 |
| 更換后 | 300 | 16 | 18 | 21 | 5 | 25 | <2.5 | 1.6 | <0.15 |
| 更換后 | 150 | 8 | 35 | 22 | 5 | 26 | <2.0 | 1.5 | <0.10 |
4、注意事項
（1）雙層濾料對反沖洗強(qiáng)度要求較高，水溫每增減1℃反沖洗強(qiáng)度要相應(yīng)增減1%，以避免石英砂濾料、錳砂濾料混層，影響過濾效果。
（2）雙層濾料的無閥濾池沖洗前的水頭損失較大值可以采用2.5m，但由于受即有構(gòu)筑物工藝流程的限制，未對無閥濾池原虹吸系統(tǒng)進(jìn)行改造，其沖洗前的水頭損失較大值僅為1.7m，因此，運(yùn)行時會縮短過濾周期，未能充分發(fā)揮雙層濾料的截污能力。
5、結(jié)束語
無閥濾池采用石英砂濾料和錳砂濾料，雙層濾料后，經(jīng)過14年的運(yùn)行，充分證明此項科研成果達(dá)到了預(yù)期的目的，產(chǎn)生了很好的效果和意義。
（1）采用雙層濾料后，無閥濾池出水濁度均在2~3mg/l，含鐵量在0.10~0.15mg/l之間，能達(dá)到了國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用石英砂濾料和錳砂濾料，經(jīng)受了多次雨季原水高濁度的考驗，例92年3月27日，九龍江水面淹沒水源井，原水濁度超過1000mg/l，在無閥濾池出水濁度實測僅為3.0~3.5mg/l，證明了雙層濾料研制應(yīng)用的成功。
（2）采用石英砂濾料和錳砂濾料，改變了原構(gòu)筑物能力不足的狀況，使無閥濾池的凈水能力增加了一倍，由原來的150m3/h，提高到300m3/h，遇到周期性檢修時，原水可進(jìn)行單格過濾，以便輪換檢修，保證不間斷供給合格的水質(zhì)。
（3）石英砂濾料和錳砂濾料，雙層濾料與單層錳砂濾料相比，其濾層截污能力提高93%，當(dāng)水處理能力為150m3/h，單層錳砂濾料的濾池，過濾周期為21小時，而雙層濾料過濾周期為35小時，過濾周期延長67%，僅這一項，按每天濾池運(yùn)行21小時，每次反沖洗水量60m3計，每年可節(jié)約反沖洗水量為17520m3。
（4）采用石英砂濾料和錳砂濾料不但能提高水處理能力，保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，而且與投資興建一套水處理構(gòu)筑物相比，可減少土建投資，還節(jié)約了土地，同時便于運(yùn)營管理，具有較明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
（5）該雙層濾料的研制與應(yīng)用為其他濾池的改造、挖潛、提高凈水能力提供了實踐經(jīng)驗，填補(bǔ)了含鐵原水處理系統(tǒng)雙層濾料應(yīng)用的空白，具有推廣價值。
