陳 虹，李 婷，林春敬，張 亮，陳海松

(深圳市深水龍崗水務(wù)集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518055)

深圳某水廠設(shè)計(jì)供水能力為6.0×104m3/d，原水取自本地水庫，水廠采用常規(guī)水處理工藝“水力混合-網(wǎng)格絮凝-斜管沉淀-雙閥濾池過濾-次氯酸鈉消毒”。因該水廠建設(shè)年代較早，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，其雙閥濾池存在過濾周期短、單水沖洗配水不均勻、反沖效果差等問題，導(dǎo)致濾池濾料堵塞。經(jīng)檢測，含泥率達(dá)1.83%，濾后水渾濁度為0.26 NTU，較常規(guī)升高23.1%。每年5月—10月，水庫原水鐵、溶解性錳含量較高，增加了濾池的運(yùn)行負(fù)荷，存在渾濁度、色度超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，給日常生產(chǎn)運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。

該水廠自運(yùn)行以來，多次出現(xiàn)上述情況。因此，該水廠采取提高濾池反沖洗頻次、增加曝氣沖洗、增補(bǔ)濾砂等一系列應(yīng)對措施，降低了濾池的運(yùn)行負(fù)荷，反沖強(qiáng)度提高了16.7%，過濾周期由措施前的12 h延長至16 h，有效改善了濾料堵塞的情況。濾料含泥量整體降低12.6%，出廠水渾濁度由0.27 NTU降低至0.19 NTU，其他出水指標(biāo)完全滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)限值要求，避免了因?yàn)V料堵塞帶來的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，保證了出水水質(zhì)，可為存在同類問題的水廠提供技術(shù)參考。

1 濾池濾料堵塞的原因分析

1.1 原水水質(zhì)

深圳某水廠原水取自本地水庫，其不同時期原水水質(zhì)對比如表1所示。該水廠在5月—10月時，水質(zhì)波動較大，其中，渾濁度最低值為0.81 NTU、最高值為386 NTU，鐵、錳含量最高值分別為1.89、0.94 mg/L。因渾濁度、鐵、錳含量波動較大，造成制水工藝無法穩(wěn)定運(yùn)行，容易引發(fā)潛在的水質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)。

表1 不同時期原水水質(zhì)對比Tab.1 Comparison of Raw Water Quality in Different Periods

1.2 濾池基本情況

該村級水廠濾池為雙閥濾池，采用真空系統(tǒng)控制虹吸進(jìn)水和虹吸排水，通過調(diào)節(jié)反沖洗水泵頻率，改變工作周期和反沖強(qiáng)度，保障濾池反沖效果。濾池實(shí)際運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

表2 濾池實(shí)際運(yùn)行參數(shù)Tab.2 Actual Operation Parameters of the Filter

1.3 濾料堵塞原因分析

濾池作為常規(guī)水處理過程最后的把關(guān)設(shè)備，因長時間運(yùn)行，在濾層的截留和吸附作用下形成濾料板結(jié)層是一種常見的現(xiàn)象，出現(xiàn)濾池濾料板結(jié)堵塞的原因主要有以下幾方面。

(1)運(yùn)行時間長，反沖不充分

該水廠濾池連續(xù)運(yùn)行時間長達(dá)20 a(水廠自投產(chǎn)以來，未停產(chǎn)更換過全部濾砂，單格補(bǔ)砂無需停產(chǎn))，不具備改造為氣水反沖洗濾池的條件，僅采用單一水沖反沖洗方式，濾池反沖洗不充分，濾料表面的雜質(zhì)黏附力增強(qiáng)，濾料空隙變小，濾池濾料板結(jié)嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致濾池過濾效果差[1]，出現(xiàn)過濾周期由24 h降低至12 h、濾后水渾濁度由0.18 NTU升高至0.26 NTU、出廠水渾濁度由0.20 NTU升高至0.27 NTU、出廠水余氯下降約0.4 mg/L的現(xiàn)象。

(2)設(shè)計(jì)參數(shù)不合理，過濾效果差

根據(jù)現(xiàn)行《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013—2018)要求，濾層厚度與有效粒徑之比(L/d10)：細(xì)砂及雙層濾料過濾應(yīng)大于1 000，粗砂濾料過濾應(yīng)大于1 250。該水廠目前仍采用原設(shè)計(jì)石英砂單層濾料過濾，粒徑為0.6～1.2 mm，有效粒徑d10=0.70 mm，層厚為700 mm，無法確保L/d10>1 000以滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求、保障過濾效果。研究表明，濾層厚度與濾料粒徑的關(guān)系對過濾性能的影響很大，濾料粒徑越小，對渾濁度的去除效果越好，L/d10越大，過濾周期越長，周期產(chǎn)水量越高[2-3]。

(3)沉淀效果差，濾池負(fù)荷增高

每年5月—10月，降雨量增多。一是進(jìn)水負(fù)荷增加，沉淀池停留時間不足，運(yùn)行效率降低，造成沉后水最高渾濁度為0.87 NTU，較常規(guī)上升33.3%，出廠水最高渾濁度為0.35 NTU，較常規(guī)升高29.6%；二是本地原水鐵、錳含量較高，采用投加高錳酸劑預(yù)處理，水中溶解錳離子不能在混凝沉淀過程中完全去除，造成錳離子被濾池截留，增加了濾池的運(yùn)行負(fù)荷。

2 應(yīng)對措施

為應(yīng)對濾池濾料堵塞、板結(jié)而造成出水渾濁度、色度不達(dá)標(biāo)帶來的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)過一段時間的摸索，該水廠采取多項(xiàng)應(yīng)對措施以確保出水水質(zhì)安全，具體如下。

(1)高錳酸鉀預(yù)氧化

針對原水每年(5月—10月)溶解性錳含量較高，采用0.3 mg/L高錳酸鉀進(jìn)行季節(jié)性投加，通過強(qiáng)氧化作用將水中溶解的二價(jià)錳氧化成四價(jià)錳沉淀[4]，去除部分錳，降低濾池運(yùn)行負(fù)荷。該水廠工藝流程如圖1所示，由高錳酸鉀投加位置約在配水井前5 m處。

圖1 深圳某水廠工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of a WTP in Shenzhen

(2)提高濾池反沖洗頻次

濾池反沖洗周期縮短，沉后水渾濁度與出廠水渾濁度變化不大，濾料成泥球狀，可初步判斷濾料板結(jié)堵塞。此時反沖濾層膨脹率降低，原水沖強(qiáng)度不能實(shí)現(xiàn)對濾層截留污染物的有效去除[5-6]，而提高濾池反沖洗頻次，加強(qiáng)反沖洗可改善濾層板結(jié)堵塞現(xiàn)象。濾料堵塞期間，將濾池反沖洗頻次由原來的24 h/次縮短至12 h/次，并對不同濾層濾料含泥量取樣檢測，加大反沖洗強(qiáng)度，保證濾砂清洗徹底，使濾料含泥量滿足正常濾層含量運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，保障出水水質(zhì)。

(3)采用弱酸清洗濾砂表層

過濾過程水中顆粒不斷聚集填充濾料空隙，使濾砂含泥量增多，濾池截污能力下降，在保障出水水質(zhì)的前提下，采用弱酸清洗濾砂可有效降低濾砂含泥量并減少濾池反沖洗次數(shù)，提高濾池效率，降低能耗[7]。保留濾砂上水位高度約20 cm，關(guān)閉濾池出水閥，對單格濾料酸洗，在濾格中加入濃度為5%的草酸，混合后濾池中溶液pH值控制在6.0左右，對濾砂表層(50 cm)清洗，浸泡30 min后，較常規(guī)增加一倍水沖強(qiáng)度，水洗10 min，清洗濾料表面弱酸，確保沖洗徹底。檢測清洗后濾料含泥量整體降低12.6%，濾池過濾性能恢復(fù)，該酸洗過程不影響濾池正常運(yùn)行且可提高出水水質(zhì)。

(4)人工曝氣增加沖洗強(qiáng)度

單水反沖耗水量高，各濾格進(jìn)水流量不一致導(dǎo)致配水不均勻，濾池局部易出現(xiàn)死水區(qū)，逐日累積導(dǎo)致濾料密實(shí)、板結(jié)、濾池堵塞[8]，反沖效果差。該水廠采取人工曝氣實(shí)現(xiàn)氣-水反沖，配置空氣壓縮機(jī)E790，功率為7.5匹(1匹=735 W)，接DN15鍍鋅管，管口出氣口共24個，分4列，每列6個，孔徑為3 mm，插入濾池進(jìn)行人工曝氣。水廠二期濾池共16小格，每格面積為12 m2，每格曝氣30 min，曝氣完畢后用水反沖洗10 min，連續(xù)3 d對濾池曝氣處理一次，以實(shí)現(xiàn)氣水反沖洗，增加濾料顆粒的相互碰撞摩擦和濾層中水流剪應(yīng)力，改善濾料再生效果，提高濾池運(yùn)行效果，保障出水水質(zhì)安全。強(qiáng)化沖洗強(qiáng)度參數(shù)如表3所示，第一階段為人工曝氣沖洗，第二階段為單水反沖洗，氣沖強(qiáng)度為2.5 L/(s·m2)，水沖強(qiáng)度為15 L/(s·m2)。

表3 強(qiáng)化沖洗參數(shù)Tab.3 Enhanced Backwash Parameters

(5)填補(bǔ)新砂增加濾層厚度

在其他條件相同時，L/d10越大，濾層濾料的比表面積越大，吸附截污能力越強(qiáng)[9]。適當(dāng)填補(bǔ)新砂，增加濾層厚度，可提高L/d10。該水廠發(fā)現(xiàn)濾池工況不穩(wěn)定，濾料嚴(yán)重板結(jié)時，更換部分濾砂，并將濾料厚度由原有的700 mm增加至1 000 mm。對比更換增補(bǔ)濾砂前后濾池運(yùn)行效果，該方法對濾池反沖洗參數(shù)未造成明顯影響，濾池未出現(xiàn)跑砂、漏砂等不良現(xiàn)象，且在不影響濾池運(yùn)行效果的前提下，強(qiáng)化了過濾效果。

3 實(shí)踐效果

采取應(yīng)對措施后，濾池的過濾周期由措施前的12 h提高至16 h，每年可減少反沖洗180次，濾砂含泥量和出水指標(biāo)均有明顯改善，具體如下。

3.1 濾砂含泥量

高溫高降雨季節(jié)，濾池濾料堵塞板結(jié)期間，該水廠將污砂置于105 ℃恒溫箱內(nèi)烘干至恒重，冷卻后用表面皿(質(zhì)量為m0)稱取10 g左右樣品m1，置于磁蒸發(fā)器內(nèi)，加10%的鹽酸50 ml，煮沸5 min，再將泥用蒸餾水漂凈至肉眼觀察不到，最后用蒸餾水沖洗，烘干冷卻后稱重m2的方法測試含泥率，其計(jì)算如式(1)。

(1)

其中：e——含泥率；

m0——表面皿質(zhì)量，g；

m1——污砂恒溫烘干后濾砂質(zhì)量，g；

m2——洗砂烘干后濾砂質(zhì)量，g。

措施前后不同濾層濾料含泥量對比如圖2所示。措施后，不同濾層的含泥量均有所下降，取樣10 cm濾料含泥量由1.83%降低至1.52%，取樣30 cm和50 cm濾料含泥量分別由1.51%和1.42%降低至1.32%和1.21%，濾料含泥量整體降低12.6%，濾砂較措施前蓬松且濾砂板結(jié)程度明顯下降，實(shí)踐證明采取的措施切實(shí)可行，可借鑒應(yīng)用。

圖2 措施前后濾層含泥量對比Fig.2 Comparison of Mud Content of Filter Layer before and after Measures

3.2 出水指標(biāo)

濾池濾料堵塞板結(jié)期間，措施前后出水指標(biāo)對比如表4所示。措施后，出水指標(biāo)均有改善，濾后水、出廠水渾濁度分別由0.26 NTU和0.27 NTU降低至0.15 NTU和0.19 NTU，濾后水渾濁度去除率由措施前的72.9%升高至76.6%，出廠水pH值由7.31降低至7.28，余氯由0.53 mg/L升高至0.57 mg/L，出廠水完全符合水廠內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)限值要求，實(shí)踐證明采取的一系列措施切實(shí)可行，可在濾池濾料堵塞，運(yùn)行效率低期間借鑒應(yīng)用。

表4 措施前后出水指標(biāo)Tab.4 Treated Water Index before and after Measures

3.3 其他出水指標(biāo)

高溫多降雨季節(jié)，濾池濾料堵塞板結(jié)期間，其他原水及出廠水水質(zhì)參數(shù)如表5所示。原水中CODMn、氨氮和色度指標(biāo)均良好，鐵、錳含量偏高，最高值分別為0.56 mg/L和0.24 mg/L。出廠水CODMn、氨氮和色度分別為0.70 mg/L、0.03 mg/L和<5度，鐵、錳含量均<0.05 mg/L，完全滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)限值要求。該結(jié)果說明水廠采取的應(yīng)對措施科學(xué)有效，可有效保障出水水質(zhì)安全。

表5 其他出水水質(zhì)指標(biāo)Tab.5 Other Water Quality Indicators

4 總結(jié)

本文分析了雙閥濾池濾料堵塞的原因，總結(jié)了面對濾池過濾效果差時水廠的應(yīng)對措施及成效，綜合評價(jià)措施后，得到的結(jié)論如下。

(1)高溫多雨季節(jié)，溶解性錳含量較高，采用0.3 mg/L高錳酸鉀進(jìn)行季節(jié)性投加，可有效去除水中溶解錳，減輕濾池運(yùn)行負(fù)荷。

(2)高溫多雨季節(jié)，進(jìn)水負(fù)荷增加，沉淀池出水不佳期間，應(yīng)加強(qiáng)對濾池濾料的沖洗頻次，補(bǔ)充曝氣沖洗，防止濾料板結(jié)，堵塞濾池。

(3)濾池板結(jié)、濾砂含泥量高時，可采用弱酸溶液對濾池濾料進(jìn)行清洗，降低含泥量。

(4)強(qiáng)化反沖洗強(qiáng)度，將單水反沖方式改為氣水反沖結(jié)合的方式，可有效解決老舊水廠單水反沖導(dǎo)致濾池過濾效果差、濾料板結(jié)堵塞的情況。

(5)水廠應(yīng)加強(qiáng)濾池過濾效果預(yù)警機(jī)制和過程水檢測，及時發(fā)現(xiàn)濾池工況不穩(wěn)定的情況，通過補(bǔ)增新砂的方式，增加濾層厚度與有效粒徑之比(L/d10)，增加濾池過濾效果，防止濾料堵塞板結(jié)影響出水水質(zhì)。