摘 要：濾料的作用在于具有吸附懸浮物的表面積。粒狀濾料的粒徑都是mm級，比表面積小，其吸附懸浮顆粒濁質(zhì)和膠體雜質(zhì)的性能弱，再進(jìn)下提高濾后水質(zhì)比較難。濾料層的孔隙度是表征其儲存所截留懸浮固體能力的。目前濾池常用的石英砂濾料的孔隙度為0.43，無煙煤為0.5。因受粒狀濾料形狀的限制也有困難。纖維球的比表面積及隙度度比較大，脫離了傳統(tǒng)粒狀濾料的束縛，為改變天然濾料的形狀和特性邁出了第一步。但由于它有一個密實(shí)的纖維球心，故其仍屬于粒狀濾料的范圍。 

　　0　引言

　　自1804年英國首次記載了慢濾池和1870年在美國現(xiàn)出了第一座普通快濾池后，過濾技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展廣泛應(yīng)用。而粒狀濾料作為水處理中過濾介質(zhì)的核心，一百多年來一直在水處理中發(fā)揮著重要作用。

　　濾料的作用在于具有吸附懸浮物的表面積。粒狀濾料的粒徑都是mm級，比表面積小，其吸附懸浮顆粒濁質(zhì)和膠體雜質(zhì)的性能弱，再進(jìn)下提高濾后水質(zhì)比較難。濾料層的孔隙度是表征其儲存所截留懸浮固體能力的。目前濾池常用的石英砂濾料的孔隙度為0.43，無煙煤為0.5。因受粒狀濾料形狀的限制也有困難。纖維球的比表面積及隙度度比較大，脫離了傳統(tǒng)粒狀濾料的束縛，為改變天然濾料的形狀和特性邁出了第一步。但由于它有一個密實(shí)的纖維球心，故其仍屬于粒狀濾料的范圍。

　　1996年二水廠進(jìn)行改選，我們將4個普通快濾池反洗方式改為氣水沖洗，3個濾池的過濾介質(zhì)由普通海砂改為均粒濾料，其余1個濾池改為丙綸纖維束濾料，將兩種濾料作對比性平行生產(chǎn)試驗。現(xiàn)將試驗情況介紹如下：

　　 1 普通快濾池改造概況

　　普通快濾池兩組4格，單池面積9m2。濾池深度4.2m，濾池與清水池最高水位高差2.6m，濾池最高水面與水力循環(huán)(加斜管)澄清池水面落差3.4m。

　　96年改造，在原濾池主體結(jié)構(gòu)、水沖洗管道系統(tǒng)和清水系統(tǒng)不變的基礎(chǔ)上，改進(jìn)濾層，增加氣洗系統(tǒng)。普通海砂濾料改為均粒濾料。

　　d=0.8=1.0mm,k80=1.3,濾層厚度1.0m。承托層厚度450mm。

　　1.1設(shè)計參數(shù)

　　濾池改造設(shè)計參數(shù)：濾速10m/h，單池產(chǎn)水能力2160m3/d，過濾周期24--48h，濾前濁度小于10度。氣洗強(qiáng)度15--20l/(s.m2)，氣洗時間3--5min。水沖強(qiáng)度10--151(s.m2)，水洗時間5-7min。4池處理水量8460m3。

　　1.2風(fēng)路系統(tǒng)

　　貼靠原有大阻力穿孔管配水系統(tǒng)上部，設(shè)豐型管路穿孔配氣系統(tǒng)。主管DN150mm，氣流速10--15m/s；支管DN25mm，孔口氣流速20-30m/s。設(shè)R223F-14.3/49型羅茨風(fēng)機(jī)2臺，一用一備。單臺供氣量14.3m3/min，氣壓49kpa，配套電機(jī)22kw。

　　2 策略式纖維束濾池

　　重力式纖維束濾池利用普通快濾池改造而成。

　　利用普通快濾池濾床空間，把束狀纖維懸掛在上下兩塊孔板中間。底部孔固定，上部孔板有機(jī)械調(diào)節(jié)裝置。過濾時，利用濾池中的水位由上而下的重力使濾層壓縮，纖維束濾料處于密實(shí)狀態(tài)，提高了濾層截留雜質(zhì)的效能，保證了濾后水質(zhì)。沖洗時，氣水由下而上地沖擊擾動，使束狀濾料處于懸浮松狀態(tài)，濾層中的吸附截留物得到洗脫。從而實(shí)現(xiàn)了束狀纖維濾料無序裝填過濾和有序裝填反洗的最佳狀態(tài)。

　　機(jī)械調(diào)節(jié)裝置可根據(jù)出水水質(zhì)和濾速的要求，迅速調(diào)節(jié)束狀濾料的堆積密度。

　　2.1聚丙烯纖維

　　丙綸纖維絲的學(xué)名為聚丙烯，化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：

　　它是不帶任何功能基團(tuán)的高分子纖維材料。丙綸纖維絲的直徑為um級，其表面積遠(yuǎn)比粒料大，易于吸附水中懸浮濁質(zhì)和膠體雜質(zhì)。其吸附能弱，纖維表面吸附水中懸浮濁質(zhì)和膠體雜質(zhì)。其吸附能弱，纖維表面吸附截留的泥渣等可用氣水洗脫掉。

　　聚丙烯纖維的生產(chǎn)原料是聚丙烯樹脂，聚丙烯樹脂屬于高分子聚合物。聚丙烯纖維生產(chǎn)過程是高分子物理變化過程，其化學(xué)成份不發(fā)生變化。經(jīng)中國預(yù)防醫(yī)學(xué)科學(xué)院環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測所對聚丙烯樹脂進(jìn)行急性經(jīng)口毒性試驗、蓄積性毒性試驗、Ames試驗、CHL細(xì)胞染色體畸變試驗和有害物含量檢測，結(jié)果為無毒、無明顯蓄積性、無致突變性，符合我國有關(guān)食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

　　聚丙烯纖維絲性能質(zhì)地輕、強(qiáng)度高、彈性好、耐磨損、耐腐蝕、不吸水。做為濾水材料：

　?、啪哂凶銐虻幕瘜W(xué)穩(wěn)定性，濾水過程中無有害成分溶出；

　?、品促馑邚?qiáng)度的摩擦、碰撞、剪切力不會發(fā)生破損和流失跑料；

　　⑶多年浸泡在水中耐久不腐。

　　2.2 氣水沖洗系統(tǒng)

　　為充分利用原普通快濾池的過濾空間，保證一定的過濾深度，纖維束濾池氣路系統(tǒng)不另設(shè)豐型配氣管路，在池內(nèi)原DN400mm的大阻力配水干管上開孔，直接與進(jìn)池的DN150mm配氣干管焊接，使配氣管路系統(tǒng)與配水管路系統(tǒng)合二之一，既能氣水單洗，又能氣水混洗。

　　2.3 參數(shù)

　　孔板選用厚度20mm鋼板，開孔率10%，孔徑10mm。

　　根據(jù)濾池內(nèi)配水干管與排水槽下緣空間深度，丙綸纖維束凈長度取1.35m。

　　丙綸絲重量與濾池內(nèi)纖維束濾料體積比為160kg/m3。

　　氣水沖洗強(qiáng)度和沖洗歷時，同改為均粒濾料的普通快濾池。

　　2.4 安裝

　　鋼板切割分塊鉆孔后，底層孔板緊貼池底配水干管上面，水平焊接為一整塊，水平誤差小于±5mm?？装迮c池底、池壁固定牢靠，以防沖洗時松動上浮?？装迮c四周池壁縫隙，擠壓木條后用水泥砂漿抹嚴(yán)。

　　上層孔板預(yù)留人孔。吊入池內(nèi)焊接成一整塊后，吊起暫作固定，由人孔進(jìn)入，按序懸掛束狀纖維濾料，完畢封閉人孔。最后在池上安裝機(jī)械調(diào)節(jié)裝置，用以調(diào)節(jié)上層孔板。

　　3 效果分析

　　3.1 水質(zhì)

　　經(jīng)分別試驗，纖維束濾池上部設(shè)機(jī)械調(diào)整裝置和孔板，不設(shè)機(jī)械調(diào)整裝置只設(shè)孔板，不設(shè)調(diào)整裝置和孔板，三種型式的濾后水質(zhì)沒有明顯區(qū)別。

　　3.1.1 渾濁度

　　1996年～1999年，濾前水、均粒濾池和纖維束濾池濾后水濁度指標(biāo)的檢測統(tǒng)計，冬季1～3月和11月、12月5個月冰封期間，水庫存原水濁度7--9度，經(jīng)過澄清池自然沉淀，濁度降至5～7度，均粒濾池的去濁率為36～53%，纖維束濾池的去濁率為68～78%，纖維束濾料比均粒濾料的去濁率高47～54%。投絮凝劑期間，均粒濾池的去濁率為66～75%，纖維束濾池的去濁率為78～87%，纖維束濾料比較粒濾料的去濁率高47～52%。

　　見表1：96～99年濾池除濁對比性平行生產(chǎn)試驗統(tǒng)計表。

　　濁度儀為無錫市光明濁度儀廠產(chǎn)STE-A12型濁度儀，濁度標(biāo)準(zhǔn)液為硅藻土配制

96～99年濾池除濁對比性平行生產(chǎn)試驗統(tǒng)計表表1

月份 濾前水(水) 均料濾后水(度) 均料除濁率(%) 纖料濾后水(度) 纖料除濁率(%) 纖料比均料提高率(%) 1 3.2 1.7 47 0.8 75 53 2 3.0 1.6 47 0.8 73 50 3 3.1 2.0 36 1.0 68 50 4 9.0 3.1 66 1.6 82 48 5 8.2 2.1 75 1.1 87 48 6 8.7 2.9 67 1.4 84 52 7 7.1 3.0 58 1.6 78 47 8 8.6 2.4 72 1.2 86 50 9 7.4 2.1 72 1.1 85 48 10 6.9 2.6 62 1.3 82 50 11 6.1 3.2 53 1.7 72 47 12 5.4 2.6 52 1.2 78 54 累計平均 6.73 2.44 64 1.23 82 50

3.1.2 水質(zhì)其它指標(biāo)

　　由于纖維束濾料除濁率高于均粒濾料，經(jīng)對纖維束濾池的濾后水作常規(guī)化驗，氨氮、亞硝酸鹽氮含量比均粒濾料低20——25%，鐵、錳低20——30%。耗氧量和微生物等指標(biāo)，也均有降低。

　　見表2：濾池水質(zhì)常規(guī)檢測數(shù)據(jù)。

濾池水質(zhì)常規(guī)檢測數(shù)據(jù) 表2

日期 濾池 濁度(度) PH值 氨氮 (mg/l) 亞硝酸鹽氮 (mg/l) 耗氧量 (mg/l) 總硬度 (mg/l) 鐵 (mg/l) 錳 (mg/l) 細(xì)菌總數(shù) (個/ml) 大腸菌群 (個/1) 2000年4月3日 均粒 2.6 6.5 0.89 0.13 1.64 64 0.15 0.06 21 <3 纖維 1.4 6.5 0.70 0.10 1.44 50 0.13 0.04 15 <3   2000年5月8日 均粒 3.0 6.4 0.56 0.09 1.60 56 0.18 0.05 10 <3 纖維 1.5 6.4 0.42 0.07 1.28 48 0.15 0.04 6 <3   2000年6月5日 均粒 2.9 6.3 0.38 0.10 1.76 45 0.21 0.07 7 <3 纖維 1.5 6.3 0.31 0.85 1.52 38 0.17 0.05 2 <3   2000年7月3日 均粒 2.4 6.4 0.28 0.12 1.84 52 0.16 0.06 11 <3 纖維 1.1 6.4 0.21 0.10 1.60 46 0.13 0.04 6 <3

3.2 濾速、過濾周期、濾水量、水頭損失

　　在相同工況下，纖維濾料和均粒濾料濾池歷經(jīng)4年雨季高濁期和冬季低溫低濁期的生產(chǎn)運(yùn)行，纖維束濾池的濾速、過濾周期、濾水量和水頭損失等運(yùn)行參數(shù)，均優(yōu)于均粒濾料濾池。

　　詳見表3：濾池運(yùn)行參數(shù)測定數(shù)據(jù)。

濾池運(yùn)行參數(shù)測定數(shù)據(jù) 表3

均粒濾池 纖維濾池 纖維與均粒比較率(%) 濾前平均濁度(度) 6.7 6.7   濾后平均濁度(度) 2.4 1.2 降低50% 平均濾速(m/h) 8.5 11.5 提高35% 過濾周期(h) 26 32 延長123% 周期產(chǎn)水量(m3/m2) 221 368 提高67% 初始水頭(mH2O) 0.9 0.6 降低33% 期終水頭(mH2O) 2.0 1.6 降低20% 單池水洗歷時(min) 5 8 增加60% 單池水洗耗量(m3/次) 33.8 54 增加60% 均時濾水量(m3/m2) 8.3 11.3 提高36% 單池氣洗歷時(min) 3 5 提高67% 單池氣洗耗量(m3/次) 28.4 47.3 增長67 沖洗耗水率(%) 1.43 1.43 相等

3.3 過濾性能

　　過濾性能指數(shù)(MSC)是綜合評價濾池過濾性能的指標(biāo)。

　　MSC=(Co-C)VT/△H

　　式中：Co-過濾周期內(nèi)平均進(jìn)水濁度(mg/l);

　　C--過濾周期內(nèi)平均出水濁度(mg/l)；

　　V--過濾周期內(nèi)平均濾速(m/h)；

　　T--用水質(zhì)指標(biāo)控制的過濾周期(h)

　　△H--過濾周期內(nèi)水頭損失增量；

　　H--濾床期終水頭損失(m)

　　Ho--濾床初始水頭損失(m)。

　　經(jīng)計算，均粒濾料MSC為664kg/m，纖維濾料的MSC為2024kg/m3，纖維濾料池比均粒濾料池高3倍，說明纖維束濾料的過濾性能優(yōu)于均粒濾料。
4、效益分析

　　4.1 經(jīng)濟(jì)效益

　　4.1.1 冬季低溫低濁期間

　　樺甸市地處吉林東南高寒山區(qū)，年平均氣溫3.9℃，最低氣溫-45℃。冬季水溫0--2℃，水庫原水濁度7--9度，低溫低濁期達(dá)5個月之久。在此期間，原水經(jīng)澄清池自然沉淀后，濾前濁度5——7度，均粒濾池去濁率36--53%，不加絮凝劑濾后濁度難以達(dá)到3度以下。纖維濾池去濁率68--78%，不加絮凝劑濾后濁度可達(dá)3度以下。

　　冬季低溫低濁期間，二廠絮凝劑液體聚和鋁投量需要15mg/l，液體聚和鋁含運(yùn)費(fèi)單價1400元/t，每m3水費(fèi)用0.021元，5個月藥劑費(fèi)為4.725萬元。

　　加藥泵功率0.75kw，動力費(fèi)0.34元/(kw.h)，5個月為918元。

　　按三班8小時，每周5天工作制計算，含串休三班需要5人，月人均工資按600元計，5個月為1.5萬元。

　　以上三項費(fèi)用6.3168萬元，采用纖維濾料可減少這筆費(fèi)用。

　　4.1.2 產(chǎn)量和收入

　　纖維濾池速較均粒濾池提高35%，過濾周期延123%，濾水量增加36%，每年可增加水量192萬m3。按樺甸城區(qū)目前綜合水價并剔出35%的產(chǎn)銷差，每年水費(fèi)收入增249.6萬元。

　　4.1.3 均粒濾料直接費(fèi)

　　濾料按福建晉江購貨，濾料銷售費(fèi)、包裝費(fèi)、產(chǎn)地短途運(yùn)費(fèi)、鐵路運(yùn)費(fèi)和水廠短途運(yùn)費(fèi)，每m3均粒濾料928.7元，每m3卵石1130.3元。濾床承托層厚度0.45m，濾料濾層厚度1.0m，折算承托層用量0.45m3/m2，濾層用量1.68m3/m2，含濾池出砂和鋪砂人工費(fèi)，普通快濾池更換一次每m2濾池直接費(fèi)為1524元。

　　4.1.4 纖維濾料直接費(fèi)

　　按只裝底部孔板，上部為無調(diào)節(jié)裝置與孔板的堆積式纖維濾池計算，聚丙烯材料費(fèi)、汽車運(yùn)輸費(fèi)、纖維加工費(fèi)、孔板材料費(fèi)、孔板切割鉆孔費(fèi)、零星購件費(fèi)、短途裝運(yùn)和安裝費(fèi)，每m2纖維束濾料濾池直接費(fèi)為5419元。

　　4.1.5 費(fèi)用比較

　　聚丙烯纖維濾料使用年限可達(dá)15年，按使用周期10年計算。10年均粒濾料需要更換3次，每m2直接費(fèi)為4572元，比纖維濾料低847元。按二廠目前生產(chǎn)規(guī)模計算，10年纖維濾池冬季減少支出63.168萬元。上兩項費(fèi)用比較，纖維濾池節(jié)節(jié)省資金63.833萬元。按水費(fèi)價格不上調(diào)考慮，10年增加消費(fèi)收入2496萬元。此三項費(fèi)用為2182萬元，即纖維濾池10年可獲得經(jīng)濟(jì)效益2559萬元。

　　4.2 社會效益

　　束狀纖維軟性濾料代替粒狀濾料應(yīng)用于普通濾池，突破了重力式濾池一直用粒狀濾料的傳統(tǒng)觀念，開創(chuàng)了城市給水濾池使用束狀濾料的先例，生產(chǎn)試驗4年之久，效果顯著，并已取得了國家專利權(quán)。

纖維束濾料避免了粒狀濾料的粒徑不能進(jìn)下縮小的限制，使濾料的直徑達(dá)到了μm級，大大增加了濾料的比表面積，使其達(dá)到了3000m2/m3，增加了水中懸浮固體與濾料的接觸機(jī)會和濾料的吸附能力，從而提高了濾后水質(zhì)，束狀纖維濾料的孔隙度大于0.9，不增加過濾阻力就能增加截污容量，而且濾速高，過濾周期長，為老廠濾池的挖潛改造和新廠濾池的經(jīng)濟(jì)設(shè)計，提供了可推廣和借鑒的經(jīng)驗。

　　纖維濾料使用周期10年以上，避免了海砂濾料經(jīng)常填補(bǔ)和定期更換的麻煩，減少了工人勞動強(qiáng)度和停水檢修的時間。

　　5 結(jié)語

　　采用氣水沖洗的均粒濾池由于吸取了法國V型濾池的優(yōu)點(diǎn)，目前已為國內(nèi)許多水廠所采用。運(yùn)行證明，效果甚佳。但氣水沖洗的纖維束濾池的過濾指數(shù)尚優(yōu)于均粒濾濾池。如能采用纖束濾池過濾技術(shù)，可獲得更加顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

　　江河湖泊水庫存水低溫低濁的凈化處理目前仍是一個難題。4年之久的生產(chǎn)試驗證明，氣水沖洗纖維束濾池對東北低濁水的處理，不失為一種有效、經(jīng)濟(jì)、可行的方法，值得進(jìn)一步研究和推廣。

　　重力式纖維束濾池由于濾后水質(zhì)好，有利于提高人民生活質(zhì)量和工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量，有利用于實(shí)現(xiàn)我國城鎮(zhèn)供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步規(guī)劃。由于濾速快，可減少水廠的占地面積，降低濾池單體構(gòu)筑物的建設(shè)投資。纖維濾料使用周期長，可降低濾料更換費(fèi)用，又由于重力式纖維束濾池便于自動控制，有利于實(shí)現(xiàn)計算機(jī)集散型生產(chǎn)自動化管理。

　　經(jīng)過4年多的生產(chǎn)試驗，我們在纖維束濾料重力式給水濾池應(yīng)用方面，初步做了一些有益的嘗試，取得了某些成功經(jīng)驗。纖維濾池的濾速高，過濾周期長，但其中洗歷時也相對增加。由于纖維濾料的截污速高，過濾周期長，但其沖洗歷時也相對增加。由于纖維過濾機(jī)理，濾池運(yùn)行能力強(qiáng)，必須要用氣水予以反沖洗。此外，在纖維過濾機(jī)理，濾池運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化控制和用于低溫濁水處理方面，尚需深層次研究和進(jìn)一步探索。