提要：介紹了在不同條件下無煙煤單層濾料除鐵、除錳、除濁的試驗和生產實踐，并與錳砂除(chu)鐵、除(chu)錳、無(wu)煙煤-石(shi)英砂(sha)雙層(ceng)濾料(liao)處理(li)進行了對比試驗。結(jie)果(guo)表明(ming)無(wu)煙煤單層(ceng)濾料(liao)的除(chu)鐵、除(chu)錳、除(chu)濁效果(guo)均較好，且其含污能力強，密度較小，可(ke)節省反沖洗水量及電能。

前言

給水工程中，濾池的(de)優化(hua)設計是以濾池運行處于(yu)(yu)較(jiao)佳工作條(tiao)(tiao)件為原則。為此可(ke)調整各種工藝參數，使濾池的(de)壓(ya)(ya)力周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)等于(yu)(yu)它的(de)水質周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。以調整濾層(ceng)(ceng)厚(hou)(hou)度為例，增加濾層(ceng)(ceng)厚(hou)(hou)度會提高(gao)整個濾層(ceng)(ceng)的(de)含污能力，延長水質周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。但濾層(ceng)(ceng)水頭損失也相應增加，從而縮短了壓(ya)(ya)力周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。如(ru)果通過試驗做出(chu)(chu)水質周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)和(he)壓(ya)(ya)力周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)與濾層(ceng)(ceng)厚(hou)(hou)度的(de)關(guan)系曲線(xian)（見圖1），則兩條(tiao)(tiao)曲線(xian)相交點便(bian)是濾池較(jiao)佳工作條(tiao)(tiao)件，對應的(de)濾層(ceng)(ceng)厚(hou)(hou)度就(jiu)是較(jiao)佳濾層(ceng)(ceng)厚(hou)(hou)度。實踐中，常增加一(yi)定的(de)厚(hou)(hou)度，避免出(chu)(chu)現水質周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)小(xiao)于(yu)(yu)壓(ya)(ya)力周(zhou)(zhou)(zhou)期(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)現象。

然而，由于濾(lv)池構(gou)造所限，濾(lv)層厚(hou)(hou)度增加(jia)也是有限的(de)。實際情況要復雜得多(duo)，許(xu)多(duo)因素都影響著(zhu)濾(lv)池的(de)工作條件。所以，增加(jia)濾(lv)層厚(hou)(hou)度是否能保證整個濾(lv)層含(han)污能力被充分利(li)用(yong)，還要做具(ju)體分析。

1、石英砂單層濾料除鐵濾柱[Fe]軸向分布

我院曾采用石英砂單層濾料做除鐵試驗，濾柱采用D=100mm透明有機玻璃管，石英砂濾料d=0.6-1.2mm，濾層厚度1000-1500mm，濾速8m/h，反沖洗強度12-14L/（s·m²）。原水(shui)含鐵(tie)(tie)(tie)量10-12mg/L，濾(lv)后水(shui)含鐵(tie)(tie)(tie)量＜0.3mg/L。測定濾(lv)柱(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)離(li)(li)子(zi)濃度沿軸向分(fen)布并繪(hui)制曲線，見(jian)圖2。由圖2可知，鐵(tie)(tie)(tie)離(li)(li)子(zi)主(zhu)要是在上層約300mm范(fan)圍內被去除的(de)，相應(ying)工作(zuo)周期只(zhi)有8h。

可見，大(da)部(bu)分(fen)濾層(ceng)含污能(neng)力未被充(chong)分(fen)利用。試驗中觀察：每次(ci)反沖(chong)洗結束(shu)，回落到濾層(ceng)較上部(bu)的(de)是細小的(de)顆粒和破碎的(de)鐵質氧化物(wu)，厚度約80-150mm，其(qi)比(bi)表面積(ji)大(da)、孔隙(xi)率小、附(fu)著物(wu)鏡檢(jian)微生物(wu)十分(fen)活躍(yue)，具有較強的(de)吸(xi)附(fu)氧化能(neng)力，致使(shi)大(da)部(bu)分(fen)鐵質在此層(ceng)被去(qu)除。但濾層(ceng)也因此很快被堵塞，到達期(qi)終水頭損(sun)失值，迫(po)使(shi)周(zhou)期(qi)結束(shu)，不(bu)得不(bu)進行反沖(chong)洗。

據調查，在利用石英砂單(dan)層(ceng)(ceng)(ceng)濾(lv)(lv)料(liao)進行(xing)地(di)面水(shui)除濁時也有類似情況。可見(jian)，在濾(lv)(lv)層(ceng)(ceng)(ceng)厚度確定(ding)以后，如何(he)使整(zheng)個濾(lv)(lv)層(ceng)(ceng)(ceng)含污(wu)(wu)(wu)能力(li)(li)充分發揮作用至(zhi)關重要。無煙煤-石英砂雙層(ceng)(ceng)(ceng)濾(lv)(lv)料(liao)濾(lv)(lv)池因其顯而易見(jian)的優點—含污(wu)(wu)(wu)能力(li)(li)強(qiang)，而廣泛地(di)應用于(yu)給水(shui)處理工藝中。現(xian)今甚至(zhi)研(yan)制三(san)層(ceng)(ceng)(ceng)濾(lv)(lv)料(liao)濾(lv)(lv)池，以期更大(da)程(cheng)度地(di)利用整(zheng)個濾(lv)(lv)層(ceng)(ceng)(ceng)的含污(wu)(wu)(wu)能力(li)(li)。這是石英砂單(dan)層(ceng)(ceng)(ceng)濾(lv)(lv)料(liao)所無法比擬(ni)的。

但是，有利必有弊(bi)，雙層濾(lv)料、三層濾(lv)料濾(lv)池也有其不足之處：

（1）濾(lv)層構造(zao)復雜。

（2）對各層濾料篩分要求準確，操作麻煩，如級配不(bu)當，投產(chan)后常有煤砂混(hun)雜現象發生(sheng)。

 （3）施工中，對墊層(ceng)、各(ge)層(ceng)濾料(liao)裝填要求嚴(yan)格，操(cao)作也麻(ma)煩(fan)。使用中，濾層(ceng)一旦翻混或定期更換濾料(liao)更是令(ling)人頭(tou)疼。

（4）運行中要(yao)求更高的(de)管(guan)理水平(ping)。如管(guan)理不當，反沖洗強(qiang)度控制不好，會產生無煙煤嚴重流失現象。要(yao)經常補充新的(de)濾料(liao)。

為此，人們又進行了(le)新的(de)探(tan)索和大膽的(de)實踐，以(yi)期尋求(qiu)一種新的(de)濾料，它(ta)既具有單(dan)層(ceng)石(shi)英砂濾料和煤(mei)-砂雙(shuang)層(ceng)濾料的(de)優點(dian)，又避免了(le)它(ta)們的(de)不(bu)足，無煙煤(mei)單(dan)層(ceng)濾料就是(shi)其中之一。

2、無煙煤單層濾料用于地下水(shui)除(chu)錳的試驗研究

采用各(ge)種濾料進行地下(xia)水(shui)除(chu)鐵(tie)除(chu)錳試驗研究，以便(bian)為修訂編制《城市給水(shui)設計規(gui)范》有關章節(jie)提供科學(xue)依據。

2.1 原水（深井）水質

[Mn²⁺]=9.3mg/L，[Fe]總(zong)=14mg/L，pH=6.5。

2.2 處(chu)理工藝流程

原水(shui)→表曝池→除鐵濾(lv)柱→除錳濾(lv)柱→出水(shui)

2.3 工(gong)藝參(can)數

采用表面(mian)曝氣池，平板葉輪。

除鐵(tie)濾(lv)(lv)柱共5個，分別(bie)裝填濾(lv)(lv)料：馬山(shan)錳(meng)砂(sha)(sha)（2個）、石(shi)英(ying)砂(sha)(sha)、錦西錳(meng)砂(sha)(sha)和無煙(yan)煤-石(shi)英(ying)砂(sha)(sha)雙層濾(lv)(lv)料。濾(lv)(lv)層厚度1000mm。

除錳濾柱共8個，分別裝填濾料：馬山錳砂、樂平錳砂、湘潭錳砂、錦西錳砂、無煙煤（6#濾柱）、石英砂和石灰石等。濾層厚度1500mm左右。濾料粒徑，無煙煤d=1.5-2.0mm，其余d=0.6-1.4mm。濾速7.5m/h，反沖洗強度：無煙煤、石英砂、石灰石為12-14L/（s·m²），錳砂為16-18L/（s·m²）。

2.4 試驗結(jie)果

（1）曝氣效果良好，曝氣后溶解氧飽和度達60%-70%，CO₂散除率達76%-87%，H₂S散除率(lv)達76%-79%，pH由6.4-6.6提高到7.4-7.6。

（2）一次過濾除鐵效(xiao)果良好，出水總鐵一直(zhi)穩定在(zai)0.1mg/L以下。工(gong)作(zuo)(zuo)周期(qi)一般為24h，但(dan)無煙煤-石英(ying)砂雙層(ceng)濾料(liao)柱工(gong)作(zuo)(zuo)周期(qi)長(chang)達48h，較其他(ta)濾料(liao)工(gong)作(zuo)(zuo)周期(qi)延長(chang)了一倍。

（3）二級過濾，各種濾料均需經歷一個成熟期，成熟期長短隨濾料不同而異。樂平錳砂36d，馬山錳砂51d，無煙煤為71d，石英砂和錦西錳砂為96d，成熟后的各種濾料均能穩定地將[Mn²⁺]降至0.1mg/L以下。這表明，在試(shi)驗(yan)水(shui)質(zhi)條件下，各種濾(lv)(lv)料在成熟后均起著錳(meng)質(zhi)活性濾(lv)(lv)膜載(zai)體的作(zuo)用(yong)。試(shi)驗(yan)中(zhong)觀察到，無煙(yan)煤的工(gong)作(zuo)周期(qi)長達6-8d，而其(qi)他(ta)濾(lv)(lv)料的工(gong)作(zuo)周期(qi)只有(you)4-6d。而且無煙(yan)煤的工(gong)作(zuo)周期(qi)還可延長（水(shui)頭損失(shi)增長較(jiao)慢），試(shi)驗(yan)中(zhong)怕濾(lv)(lv)層板結，影響試(shi)驗(yan)，故人為地提前(qian)結束過濾(lv)(lv)周期(qi)。

試驗結果表明，無煙煤單層濾料作為除錳濾料具(ju)有以(yi)下優點。

（1）成(cheng)熟期(qi)較短，成(cheng)熟后除錳效果良(liang)好。

（2）粒(li)徑(jing)大d=1.5-2.0mm，孔隙率大，含(han)污能力(li)強。

（3）工作周期長達6-8d，表明(ming)整個(ge)濾層含(han)污能(neng)力(li)得(de)到充(chong)分利用。

（4）無煙煤(mei)密度小，只(zhi)需較小的(de)反(fan)沖(chong)洗(xi)強度，節(jie)約反(fan)沖(chong)洗(xi)水量。

（5）易于篩(shai)分(fen)、易于裝填、易于管理。

3、無煙煤單層濾料用于地下水除鐵的生產實踐(jian)

以佳木斯市(shi)自來(lai)水公司的一座地下水除(chu)鐵除(chu)錳水廠（西郊水廠）為(wei)例。 

3.1 原水水質

[Mn²⁺]=0.4-1.0mg/L，[Fe]＜10mg/L，pH=6.7。

3.2 處理(li)能力

處理能力為8萬m³/d。

3.3 處理工(gong)藝(yi)流程

原水→跌水曝氣池→除(chu)鐵濾(lv)池→曝氣塔→除(chu)錳濾(lv)池→出(chu)水

3.4 生產(chan)性試驗

為了選擇濾料，1984年佳木斯自來水公司在該市四水廠進行了以無煙煤為濾料的除鐵試驗。濾池面積12.5m²，無煙煤(mei)濾(lv)料d=0.6-2.0mm，濾(lv)層厚度為(wei)1000mm，濾(lv)速(su)7-10m/h，工(gong)作周期人(ren)為(wei)地(di)控制在48h。試(shi)(shi)驗運行(xing)一個月，濾(lv)后水[Fe]一直穩定在0.3mg/L以下，效果良好。試(shi)(shi)驗結果見表1。

表1 佳木(mu)斯(si)自來水公司試驗(yan)結果

平均濾速/m/h	原水［Fe］/mg/L	濾后水［Fe］/mg/L	反沖強度/L（s·m2）	工作周期/h
11	12-14	0.3	12	36
10	12-14	0.2	12	40
9	12-14	＜0.2	12	48
8	12-14	＜0.1	12	＞50
7	12-14	0.05	12	＞50

試驗期間(jian)，還與同期安裝的成熟錳(meng)砂(sha)(sha)濾(lv)(lv)(lv)(lv)料濾(lv)(lv)(lv)(lv)池進行了各種濾(lv)(lv)(lv)(lv)速(su)的穩(wen)定工作時間(jian)的對(dui)比(bi)測試，結果見圖3。由圖3可知，在相同濾(lv)(lv)(lv)(lv)速(su)條件下，無煙(yan)煤(mei)濾(lv)(lv)(lv)(lv)料的穩(wen)定工作時間(jian)長于錳(meng)砂(sha)(sha)濾(lv)(lv)(lv)(lv)料，如濾(lv)(lv)(lv)(lv)速(su)為(wei)10m/h時，無煙(yan)煤(mei)濾(lv)(lv)(lv)(lv)料的穩(wen)定工作時間(jian)為(wei)30h，而錳(meng)砂(sha)(sha)濾(lv)(lv)(lv)(lv)料只有(you)20h。

4、無(wu)煙煤單層濾料用于地面水(shui)除濁的生(sheng)產(chan)實踐

美國洛杉磯水廠處理水量227萬m³/d，是(shi)美國同(tong)類水(shui)(shui)(shui)廠(chang)(chang)中較大(da)、較先進的設施之一。原水(shui)(shui)(shui)從(cong)內華達西拉山區(qu)經(jing)544km長(chang)距(ju)離輸水(shui)(shui)(shui)管(guan)道引至洛杉磯。處理(li)工藝(yi)流程見(jian)圖4。由圖4可知，LAAFP是(shi)一個直接過(guo)濾水(shui)(shui)(shui)廠(chang)(chang)。

LAAFP原水(shui)(shui)(shui)水(shui)(shui)(shui)質和(he)出水(shui)(shui)(shui)水(shui)(shui)(shui)質見(jian)表2。由表2可(ke)知，原水(shui)(shui)(shui)水(shui)(shui)(shui)質較(jiao)好(hao)，該水(shui)(shui)(shui)廠(chang)設(she)計是以(yi)原水(shui)(shui)(shui)較(jiao)高(gao)濁(zhuo)(zhuo)(zhuo)度(du)15NTU為目標的(de)。為了精(jing)心設(she)計這個水(shui)(shui)(shui)廠(chang)，洛(luo)杉(shan)磯(ji)市水(shui)(shui)(shui)電(dian)局進(jin)行了大量的(de)調查研究(jiu)和(he)生(sheng)產測試(shi)，其(qi)中(zhong)包括(kuo)小試(shi)、中(zhong)試(shi)和(he)生(sheng)產性試(shi)驗，為選(xuan)擇處理工(gong)藝(yi)流程和(he)工(gong)藝(yi)參數，確(que)定預氧(yang)化藥(yao)劑和(he)混凝劑、助凝劑品(pin)種，選(xuan)擇構(gou)筑物型式和(he)濾料等做了大量工(gong)作。但在(zai)此(ci)過(guo)程中(zhong)原水(shui)(shui)(shui)濁(zhuo)(zhuo)(zhuo)度(du)很(hen)少達到15NTU，常(chang)年原水(shui)(shui)(shui)濁(zhuo)(zhuo)(zhuo)度(du)均在(zai)4NTU以(yi)下，出水(shui)(shui)(shui)濁(zhuo)(zhuo)(zhuo)度(du)穩定在(zai)0.1NTU以(yi)下，處理效(xiao)果(guo)良好(hao)。

表2 LAAFP原(yuan)水水質和出水水質

參數	進水平均值	出水平均值
濁度/NTU	2.6	0.1
水溶礦物質（TDS）/mg/L	100	100
溫度/℃	5-27
pH值	8.2	7.8
三鹵甲烷較大可能形成值（THMFP）/μ/g/L	90	60
總有機碳（TOC）/mg/L	1.5	1.1
溶解氧/mg/L	9.3	9.3
色度/度	4	1
總硬度/mg/L（以碳酸鈣計）	68	68
鈣/mg/L	21	21
鎂/mg/L	4.2	4.2
鈉/mg/L	29	29
鉀/mg/L	8.0	8.0
堿度/mg/L（以碳酸鈣計）	94	94
硫酸鹽/mg/L	20	20
氯化物/mg/L	13	16
硝酸鹽/mg/L	0.44	0.44
二氧化硅/mg/L	16	16
鐵/mg/L	0.01	0.01
硼/mg/L	0.42	0.42
氟化物/mg/L	0.56	0.56

在選(xuan)擇濾(lv)(lv)(lv)料(liao)試驗(yan)中，曾做過(guo)無(wu)煙(yan)煤單(dan)層(ceng)濾(lv)(lv)(lv)料(liao)與(yu)無(wu)煙(yan)煤-石英砂雙(shuang)層(ceng)濾(lv)(lv)(lv)料(liao)處理效果(guo)的(de)對比試驗(yan)，發(fa)現兩者(zhe)的(de)出水水質和(he)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)周期基(ji)本(ben)相同，但(dan)雙(shuang)層(ceng)濾(lv)(lv)(lv)料(liao)總是首先發(fa)生(sheng)濁度(du)穿(chuan)透，而且要求較高的(de)反沖洗強(qiang)度(du)。因而在生(sheng)產設備中將粗無(wu)煙(yan)煤單(dan)層(ceng)濾(lv)(lv)(lv)料(liao)選(xuan)為(wei)較佳濾(lv)(lv)(lv)料(liao)。

該廠有普通快濾池24格，單池面積131m²，粗無煙煤濾料有效粒徑為1.5mm，不均勻系數1.5，濾層厚度1830mm，濾速33m/h。氣水反沖洗，較大氣洗強度和較大水洗強度均為73m³/（h·m²）（約為20L/（s·m²））。

LAAFP自(zi)1987年4月(yue)投產以來(lai)，運轉穩定，處理效(xiao)果(guo)良好，水(shui)廠管理水(shui)平很高。該(gai)水(shui)廠供水(shui)量(liang)占全洛杉磯(ji)市用水(shui)量(liang)的(de)(de)75%。是一個采用無煙煤(mei)單層濾料，直接過濾成(cheng)功的(de)(de)典型。此外，該(gai)廠采用臭氧預氧化除嗅(xiu)、除味、降(jiang)低三鹵甲烷基質（母體(ti)）也積累了(le)不少值得借鑒的(de)(de)經(jing)驗。

5、對無煙煤(mei)濾料(liao)的(de)評(ping)價

無煙煤(mei)濾料一般由(you)塊狀無煙煤(mei)破碎(sui)篩分(fen)而得，其性(xing)質因產地不同而各異。無煙煤(mei)與石(shi)英砂、錳砂主要特性(xing)對(dui)比(bi)見表3。

表3 無煙煤與(yu)石英砂(sha)、錳砂(sha)主要特(te)性對比

濾料品種	密度/kg/m3	堆積密度/kg/m3	孔隙率/%
無煙煤	1400-1900	700-1000	50-55
石英砂	2600-2650	1600	41
馬山錳砂	3600	1800	50
湘潭錳砂	3400	1700	50
錦西錳砂	3200	1600	50

 根據(ju)試驗(yan)研究和生產實踐，將無煙(yan)煤單(dan)層(ceng)濾料的優點歸納(na)如下(xia)：

（1）無煙煤濾料(liao)機械強度高，有(you)良好(hao)的(de)化學穩定(ding)性。表(biao)面粗糙(cao)，有(you)良好(hao)的(de)吸附能(neng)力。試驗研究及生產實踐表(biao)明(ming)，其(qi)除(chu)鐵、除(chu)錳(meng)、除(chu)濁的(de)效果均較(jiao)好(hao)。

（2）無煙煤濾料顆(ke)粒較粗（d=0.8-1.8 mm），孔隙率大（＞50%），有較高的含污(wu)能(neng)力。

（3）無煙煤密度較小。由于濾料市售產品均以單重（噸）計，所以無煙煤單位體積價格較石英砂、錳砂為低。亦因質輕，所需反沖洗強度較低，一般為12-14L/（s·m²）。且易(yi)于(yu)清(qing)洗，反沖洗時間(jian)較短，一般(ban)為4-6min。因(yin)此(ci)可(ke)節省大量反沖洗水量及電能。

（4）由(you)于濾(lv)層含污(wu)能(neng)力強，并(bing)能(neng)獲(huo)得充(chong)分利用，可(ke)大大延長工作周(zhou)期(qi)，不僅工作穩定，同(tong)時也(ye)是節省反沖(chong)洗水量的另一個原因。

（5）管理簡單方便，在(zai)施工(gong)中濾(lv)料篩分、裝填均較方便，大大縮短了工(gong)期，減輕了施工(gong)人員的(de)勞(lao)動強度。