王志勇， 杜伊明， 周 娟， 盧 磊

(1.西安市自來水有限公司樂游原水廠，陜西西安710054；2.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西西安710055)

西安市某凈水廠于2001年建成投產(chǎn)，設(shè)計日供水50×104m3/d，是西安市主要供水廠之一。水廠主要處理工藝有混合、反應(yīng)、沉淀、過濾等。過濾的目的是去除水中懸浮物及病原微生物，降低出水濁度，為后續(xù)的消毒創(chuàng)造有利條件，確保出水濁度符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求[1]。

水廠采用氣水反沖洗Ⅴ型濾池，濾料為單層均質(zhì)石英砂。2019年以來，濾后水頻繁出現(xiàn)超內(nèi)控要求的0.50 NTU。通過對濾砂級配、濾砂厚度、濾砂表面性質(zhì)等進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)濾砂級配變化是造成濾池截污效果變差的主要因素。針對發(fā)現(xiàn)的問題，水廠應(yīng)用有效粒徑D10較小的濾砂對現(xiàn)用濾砂級配進(jìn)行恢復(fù)，以實現(xiàn)提高濾砂整體截污能力，達(dá)到改善出水水質(zhì)目的。

1 濾池概況

1.1 濾池

水廠設(shè)計2組濾池，每組12格，共24格，每格濾池面積為120 m2，分東西2個單元，濾池剖面見圖1。濾料為均質(zhì)石英砂，堆密度為1.65 t/m3，厚度為1.2 m，D10為0.95±0.05 mm。除2014年按設(shè)計參數(shù)對濾砂進(jìn)行部分補砂外，大量濾料使用時間已達(dá)20余年。

圖1 濾池剖面Fig.1 Section of the filter

1.2 存在問題

濾料的截污能力出現(xiàn)較大程度的下降，給水廠運行帶來巨大挑戰(zhàn)。特別是低溫低濁期即使沉后濁度控制在1.0 NTU以下，濾池運行17 h，濾后水濁度隨著出水閥的調(diào)節(jié)，會頻繁出現(xiàn)超內(nèi)控0.5 NTU要求的情況。針對濾池在運行過程中截污能力下降的原因，水廠采取的針對性措施及存在的問題見表1。

表1 濾砂存在問題與應(yīng)對措施Tab.1 Problems and countermeasures of filter sand

2 級配恢復(fù)應(yīng)用

2.1 原因分析

隨著濾池使用時間的增長，濾料的截污能力會出現(xiàn)較大程度的下降。造成濾料過濾性能下降的原因有濾池的運行狀況、濾料的表面性質(zhì)、級配粒徑變化等[2-4]。濾層對顆粒物的遷移效果受顆粒級配影響[5]，而反沖洗造成的“跑砂”可能改變?yōu)V料組成，使濾池截污能力下降[6-7]。

2.2 級配恢復(fù)方案

2.2.1恢復(fù)石英砂參數(shù)

根據(jù)對水廠濾池濾砂參數(shù)的測定，確定對4#(1組)和15#(2組)濾池現(xiàn)用濾砂按照原始設(shè)計濾砂級配進(jìn)行級配恢復(fù)，濾砂參數(shù)如表2所示。

表2 濾砂現(xiàn)狀和級配恢復(fù)用砂Tab.2 Status of filter sand and recovery sand for grading restoration

根據(jù)表2得出，4#、15#濾池濾砂與原砂主要區(qū)別是粒徑在0.9～1.0 mm和<0.9 mm區(qū)間濾砂占比少，故選用采用d10=0.8 mm、d1.6=1.0 mm的均質(zhì)濾料進(jìn)行級配恢復(fù)。

2.2.2恢復(fù)石英砂用量

根據(jù)濾池設(shè)計濾砂厚度120 cm和4#、15#濾池濾砂級配缺失，4#濾池和15#濾池分別應(yīng)補砂39.15和41.11 t。

2.2.3恢復(fù)方案

為避免反沖洗造成補砂的流失，且利用濾池反沖洗過程實現(xiàn)對補砂和現(xiàn)用濾砂的混勻。在補砂實施過程中，將現(xiàn)有濾砂抽出80 cm后，再將新砂均勻平鋪在濾池中，最后將抽出去的砂回填至濾池，濾砂厚度為120 cm，并定期對濾池濾砂級配進(jìn)行檢測。

2.2.4對照組選擇

根據(jù)濾池運行工況、濾砂特性、濾池分布等，選擇10#濾池，按照濾砂設(shè)計級配進(jìn)行全部換砂，進(jìn)行對照實驗。

3 級配恢復(fù)后處理效果

3.1 4#濾池級配修復(fù)前后過濾效果

對4#濾池級配恢復(fù)前半年和級配恢復(fù)4個月后的濾池出水濁度進(jìn)行檢查，結(jié)果如圖2所示。

圖2 4#濾池級配恢復(fù)前后的出水濁度Fig.2 Turbidity of effluent before and after grading restoration of 4# filter

補砂前半年，沉后水保持在0.9 NTU左右，濾池出水濁度在0.4～0.8 NTU之間，十分不穩(wěn)定，頻繁超出自控線0.5 NTU，截污效果較差。

補砂運行4個月后，沉后水濁度提高至1.8 NTU左右，出水濁度穩(wěn)定在0.1 NTU左右，截污能力有所提高。

3.2 10#濾池?fù)Q砂前后過濾效果

對10#濾池?fù)Q砂前半年和換砂4個月的濾池出水濁度進(jìn)行檢查，結(jié)果如圖3所示。補砂前半年，沉后水濁度保持在0.9 NTU左右，濾池出水濁度在0.2～1.0 NTU，出水濁度不穩(wěn)定，頻繁超出0.5 NTU，波動大，運行效果較差。

圖3 10#濾池級配恢復(fù)前后的出水濁度Fig.3 Turbidity of effluent before and after grading restoration of 10# filter

換砂運行4個月后，沉后水濁度提高至1.8 NTU左右，出水濁度保持在0.1 NTU左右，且在整個運行周期內(nèi)非常穩(wěn)定。

綜上，在濾砂級配恢復(fù)投運4個月后，濾池已經(jīng)恢復(fù)了除濁性能，即使提高沉后水濁度，與全部換砂的濾池出水濁度差別不大，出水濁度也保持在較低水平，除濁率高且穩(wěn)定。

3.3 級配恢復(fù)與換砂過濾效果橫向?qū)Ρ?/h3>

對4#、10#、15#濾池級配恢復(fù)、換砂前及級配恢復(fù)、換砂后出水濁度進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖4所示。

補砂換砂前半年，4#、10#、15#濾池出水濁度不穩(wěn)定，常超出0.5 NTU。補砂換砂前1月，這3個濾池出水濁度依舊非常不穩(wěn)定，影響出水水質(zhì)。補砂換砂后4周，4#、10#、15#濾池出水濁度均保持在0.5 NTU以下，且穩(wěn)定性變強。補砂換砂后4個月，4#、10#與15#濾池出水濁度保持同一水平，穩(wěn)定在0.1 NTU左右。

綜上，補砂運行后，出水濁度在短期內(nèi)會有波動，但經(jīng)過長期的運行，4#、15#濾池已經(jīng)恢復(fù)了除濁性能，即使提高沉后水濁度，出水濁度也保持在較低水平，除濁率高且穩(wěn)定，與換新砂的15#濾池效果差別不大，出水濁度均很低且十分穩(wěn)定。對濾沙進(jìn)行級配恢復(fù)和換砂有著同樣的過濾效果。

3.4 低溫低濁處理效果

對兩格濾池級配恢復(fù)和兩格濾池補砂后，低溫低濁期，2022年1月在沉后水濁度略高的情況下，出廠水濁度可控制在0.30 NTU以下，低于水廠內(nèi)控指標(biāo)，如圖5所示。

圖5 換砂和級配恢復(fù)前后出廠水濁度對比Fig.5 Comparison of turbidity of treated water before and after sand replacement and grading restoration

3.5 濾池不同深度濾料級配情況

級配恢復(fù)運行4個月以后，濾池出水濁度穩(wěn)定，且符合水廠內(nèi)控0.50 NTU的要求。4#濾池補砂運行4個月后，對其不同深度濾砂級配進(jìn)行測定，如表3所示。

表3 級配恢復(fù)前后濾砂級配參數(shù)Tab.3 Grading parameters of filter sand before and after restoration

在生產(chǎn)補砂運行4個月后，4#濾池不同深度的濾料級配參數(shù)和細(xì)砂比例逐漸與新砂接近，其中80 cm深度的細(xì)砂比例最多，這是由于最初補充細(xì)砂是在80 cm深度進(jìn)行。這說明，4#濾池濾料的級配逐漸恢復(fù)。

4 濾砂級配修復(fù)濟效益評價

采用D10為0.8 mm的石英砂對現(xiàn)用濾砂進(jìn)行級配恢復(fù)與換新砂，在沉后水相同的情況下，出水濁度相差不大。由圖4可知，采用級配恢復(fù)方法比全部換砂單格濾池可節(jié)約成本29.542萬元。

表4 實施項目經(jīng)濟效益對比Tab.4 Comparison of economic benefits of implementation projects

5 結(jié)論

① 應(yīng)用補細(xì)砂對凈水廠長期運行均質(zhì)石英砂濾料進(jìn)行級配恢復(fù)，過濾效果與新?lián)Q濾沙相當(dāng)，提高了均質(zhì)濾料的過濾效果，使濾池出水濁度得到保障，提高了水廠供水安全。按照級配缺失進(jìn)行補砂，恢復(fù)濾料級配，可以有效恢復(fù)濾料的過濾性能，相對大規(guī)模換砂，極大地節(jié)約了費用。

② 由于恢復(fù)濾料使用時間較短，其使用壽命有待進(jìn)一步檢測，但在資金不足、無法大規(guī)模換砂的情況下，使用該方法進(jìn)行恢復(fù)濾料，能夠有效提升過濾效果，滿足水廠日常生產(chǎn)，對水廠均質(zhì)濾料性能的恢復(fù)具有實際指導(dǎo)意義。