炭砂濾池新舊濾料的對(duì)比分析

胡 芃，方榕華，王 鑫，龔曉曄

(杭州市水務(wù)集團(tuán)有限公司，浙江杭州 310016)

1 項(xiàng)目背景

炭砂濾池分12格，雙排布置，兩側(cè)各6格，炭床吸附停留時(shí)間為10 min。濾料上層采用原煤破碎炭，濾料厚度為1.3 m，采用8×30粒度，下層采用細(xì)砂濾料，厚度為0.50 m，采用長(zhǎng)柄濾頭方式配水，期終水頭損失為2.4 m。以單獨(dú)氣沖3 min加單獨(dú)水沖10 min方式進(jìn)行反沖洗：氣沖強(qiáng)度為55 m3/(m2·h)，水沖強(qiáng)度為25 m3/(m2·h)，反沖周期約1～2 d。炭砂濾池相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

隨著2013年膜處理系統(tǒng)的運(yùn)行，以及炭砂濾池存在跑炭現(xiàn)象，細(xì)顆粒比重由2013年5.5%增大到下一年的6.5%，2014年清泰水廠開始對(duì)炭砂濾池進(jìn)行換炭。換炭主要從工藝、進(jìn)出水濁度以及實(shí)際生產(chǎn)中的問題考慮，經(jīng)技術(shù)委員會(huì)會(huì)審后決定選取8×20目的原煤柱狀炭。

2 水質(zhì)去除率分析

2014年，清泰水廠首先選取6#池進(jìn)行換炭，新活性炭較之前使用的舊活性炭具有粒徑大、強(qiáng)度高、亞甲藍(lán)及碘值略低等特點(diǎn)。作為深度處理工藝的重要一環(huán)，炭砂濾池吸附凈水工藝可以進(jìn)一步降低濁度，有效去除有機(jī)物和氨氮等[1-2]。因此從2014年10月起，清泰水廠對(duì)新舊活性炭濾料濾池出水水質(zhì)的濁度、氨氮、亞硝酸、耗氧量等指標(biāo)進(jìn)行分析，去除效果如下。

表1 清泰水廠30萬m3/d炭砂濾池參數(shù)Tab.1 Parameters of 300 000 m3/d Carbon Sand Filter in Qingtai Water Treatment Plant

2.1 濁度去除效果

統(tǒng)計(jì)濾池出水濁度平均值，結(jié)果如圖1所示。

圖1 濁度去除率Fig.1 Removal Rates of Turbidity

由圖1可知，試驗(yàn)期間6#濾池出水和同側(cè)1#～5#濾池濾后總水的濁度相差不大，平均值為0.07 NTU，去除率平均值為 99.7%。結(jié)合混凝沉淀工藝，對(duì)濁度的去除率均達(dá)到99%以上。由此可知，相對(duì)于粒徑更小的8×30粒度的舊活性炭濾料，新活性炭濾料濁度的去除率相差不大。

2.2 氨氮去除效果

對(duì)氨氮檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行去除率統(tǒng)計(jì)，如圖2所示。

圖2 氨氮去除率Fig.2 Removal Rates of Ammonia Nitrogen

由圖2可知，6#濾池和同側(cè)1#～5#濾池濾后總水的出水氨氮均在0.03 mg/L以下，去除率基本在85%以上。出水氨氮的去除率平均值分別為86%和85%，6號(hào)濾池的氨氮去除率大于濾后總水的氨氮去除率。因此，新活性炭濾料在一年的使用中去除氨氮的效果略強(qiáng)于使用近5年的舊活性炭濾料。

2.3 亞硝酸去除效果

統(tǒng)計(jì)亞硝酸檢測(cè)平均值，計(jì)算去除率，如圖3所示。

圖3 亞硝酸去除率Fig.3 Removal Rates of Nitrite

圖4 耗氧量去除率Fig.4 Removal Rates of Oxygen Consumption

由圖3可知，6#濾池和同側(cè)1#～5#濾池對(duì)亞硝酸的去除效果都比較高，達(dá)到95%以上，且6#濾池的亞硝酸去除率均大于濾后總水的去除率。由此可知，新活性炭濾料在一年的使用中去除亞硝酸鹽的效果略強(qiáng)于使用近5年的舊活性炭濾料。

2.4 耗氧量去除效果

對(duì)化驗(yàn)室水質(zhì)日?qǐng)?bào)耗氧量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，耗氧量去除率如圖4所示。

由圖4可知，6#濾池對(duì)耗氧量的去除率為55%左右，同側(cè)1#～5#濾池濾后總水對(duì)耗氧量的去除率為50%左右，6#濾池的耗氧量去除率均高于濾后總水耗氧量的去除率。因此，新的活性炭濾料對(duì)耗氧量的去除效果也有提高。

通過換炭后為期一年的濾后水檢測(cè)，更新后的8×20目原煤柱狀炭可以滿足炭砂濾后的水質(zhì)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求。氨氮、亞硝酸、耗氧量指標(biāo)優(yōu)于使用時(shí)間近5年的舊活性炭。

3 跑炭情況

2015年6月30日，分別對(duì)所有濾池濾料厚度進(jìn)行了測(cè)定，與2014年9月29日測(cè)定的濾料厚度數(shù)據(jù)比較，如表2所示。

測(cè)定時(shí)每個(gè)濾池南北兩側(cè)分別取5個(gè)點(diǎn)取平均值。由表2可知，運(yùn)行10個(gè)月后，濾池濾料厚度相差不大，除6#池外，濾料下降厚度約為2～4 cm。粒度為8×20目的新活性炭濾料的6#濾池下降厚度為1 cm，較其他濾池濾料降低得更少。

表2 濾料厚度Tab.2 Thickness of Filter Material

圖5 濾料厚度現(xiàn)場(chǎng)效果Fig.5 Field Rendering of Filter Material Thickness

由圖5可知，濾料厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求(即180 cm)時(shí)，剛好處于最底部瓷磚的中間部分，一塊瓷磚的高度為12 cm，同樣表3中的184、183 cm也處于最底部瓷磚中間靠上部分，177 cm則剛好處于瓷磚的底部。而瓷磚表面較光滑，與顆粒濾料結(jié)合處不夠緊密，過濾時(shí)易造成“短路”，而在瓷磚下部的毛池壁則不存在上述現(xiàn)象。又因6#濾池所在濾料厚度對(duì)水質(zhì)去除效果不比其他厚度的濾池弱，出于減少成本和跑炭率的考慮，清泰水廠今后的炭砂濾池?fù)Q炭及刮加炭時(shí)，活性炭料在175～177 cm即可。

4 濾池參數(shù)分析

4.1 濾料級(jí)配

2013年5月、2014年5月和2015年3月，對(duì)6#濾池分別取50 cm深濾料進(jìn)行級(jí)配試驗(yàn)，試驗(yàn)選取No.8、No.12、No.30篩孔，測(cè)定結(jié)果如表3所示。

表3 級(jí)配測(cè)定表Tab.3 Carbon Grade Determination

由表3可知:2013年No.8～No.30的百分含量約為93.2%[(45.2+47.8)÷99.8≈93.2%]，小于No.30的百分含量約為5.5%；2014年No.8～No.30的百分含量約為92.2%，小于No.30的百分含量約為6.5%；2015年No.8～No.30的百分含量約為99.4%，小于No.30的百分含量約為0.4%。經(jīng)過數(shù)據(jù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)更換成的粒徑更大、硬度更高的柱狀破碎炭在運(yùn)行一定時(shí)間后，顆粒變細(xì)的趨勢(shì)明顯比原先粒度的活性炭濾料少。

4.2 吸附性指標(biāo)

結(jié)合《生活飲用水凈水廠用煤質(zhì)活性炭》(CJ/T 345—2010)實(shí)際情況，在選擇起始活性炭時(shí)要求碘吸附值≥950 mg/g，亞甲藍(lán)吸附值≥180 mg/g。在2015年2月，分別取6#濾池和10#濾池濾料，委托檢測(cè)碘吸附值及亞甲藍(lán)值，與6#濾池新濾料裝填時(shí)取樣的委托檢測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)制表，對(duì)比如表4所示。

表4 碘值、亞甲藍(lán)值測(cè)定Tab.4 Determination of Iodine Value and Methylene Blue Value

由表4可知，經(jīng)過半年多的生產(chǎn)運(yùn)行，活性炭微孔數(shù)量減少許多，吸附能力大幅降低。但在去除率的分析中，炭砂濾池仍具有良好的去除率。進(jìn)一步說明，炭砂濾池主要依靠生物作用[3]。因此，在選擇活性炭指標(biāo)時(shí)，可放松亞甲藍(lán)、碘值指標(biāo)要求，重點(diǎn)考慮強(qiáng)度指標(biāo)。強(qiáng)度和吸附性能相互制約，強(qiáng)度越高，活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)越不發(fā)達(dá)，吸附性能會(huì)有所下降。但炭砂濾池沖洗頻率高，故對(duì)活性炭強(qiáng)度要求較高。強(qiáng)度越高，活性炭抗磨損能力越強(qiáng)，使用周期越長(zhǎng)。

5 混層現(xiàn)象

清泰水廠濾池的濾料厚度為1.8 m左右，上層活性炭濾料厚度為1.3 m左右，下層細(xì)砂濾料厚度約0.50 m。為做好濾池的工藝參數(shù)試驗(yàn)，掌握濾料混層情況，通過購買如下的取砂器，可以在不翻池的情況下取到6#炭砂濾池深層濾料，如圖6所示。

圖6 取砂器Fig.6 Sand Lifter

待濾池濾干后，技術(shù)人員將取砂器使勁鉆入濾料層，最大深度約為140 cm。擰動(dòng)內(nèi)管進(jìn)行取樣，取樣器內(nèi)約五分之一部分有濾料。用此種取樣器可以取到較深層次的活性炭濾料，但一次取樣的取樣量不多，如圖7所示。

圖7 取砂器實(shí)際效果圖Fig.7 Actual Rendering of Sand Sampler

通過反復(fù)取樣，可以觀察到在深度約130 cm，基本為活性炭濾料和極少數(shù)石英砂，濾池混層比例較小，混層高度約5 cm，而原先6#濾池的混層部分達(dá)到20 cm。因此，運(yùn)行一年多粒度為8×20目的原煤柱狀炭濾池混層現(xiàn)象比粒度為8×30目的顆粒炭濾池混層更弱。

6 結(jié)論

(1)對(duì)濾料更換為8×20目柱狀破碎炭的6#炭砂濾池，自2014年10月-2015年10月進(jìn)行水質(zhì)去除率分析，耗氧量約55.7%，濁度約99.7%，氨氮約86%，亞硝酸鹽約97%，新活性炭濾料水質(zhì)去除率良好。

(2)通過濾料厚度測(cè)定及濾料級(jí)配試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，粒度為8×20目的原煤柱狀炭比8×30目的顆粒炭跑炭更少，細(xì)顆粒所占比例也更少。

(3)經(jīng)過半年多的運(yùn)行，活性炭濾料亞甲藍(lán)值及碘值會(huì)大幅降低，說明活性炭物理吸附作用下降，炭砂濾池開始從物理吸附轉(zhuǎn)向生物降解，說明生物膜已形成。

(4)結(jié)合濾池水質(zhì)指標(biāo)去除分析、工藝參數(shù)試驗(yàn)和跑炭情況，在今后的炭砂濾池?fù)Q炭及刮加炭時(shí)，活性炭料可以不必達(dá)到設(shè)計(jì)要求的180 cm，在175～177 cm更為合理。使用取砂器可以取到更深層次的濾料，新活性炭的使用可減弱混層比例，混層現(xiàn)象良好。