当前国内外滤池的应用和初步看法
一、滤池类型及应用
在给水处理技术上，当前还是以常规水处理即混凝——沉淀——过滤处理为主，滤池是给水处理最后的一个程序（不包括消毒），尤其是处理饮用水更是最重要的一个关键环节，因此滤池处理始终是放在一个核心位置上。自应用快滤池以来，到现在已经100多年，用慢滤池的时间更长，在宏观上还是在用着滤料过滤没有变化。但在微观上则改进很多，不论是在类型上或是在运行方式上都有着很大的变化。为便于叙述起见，本文仅限于谈论滤池本身类型这个话题。
（一）滤池类型
在类型上滤池大体分为两大类，即自上向下流动的重力式过滤池和自下向上流动的上向式过滤池，及另外一些其他类型的过滤池。
1、重力式滤池：
(1)单层滤池 包括砂滤池、深床滤池、均质滤池、煤滤池、硅藻土滤池、低水头滤多、移动罩滤池、无阀滤池、虹吸滤池、连续过滤滤池等。
(2)多层滤池 包括双层滤池、三层滤池、混合滤池、臭氧—活性炭生物滤池、陶粒滤池、煤铝滤池等。
单层滤池或多层滤池都可应用的有两级过滤滤池、直接过滤滤池、压力滤池等。
2、上向流滤池 有反粒度滤池（接触滤池）、双向滤池、哈伯瑞尔滤池等。
3、其它类型滤池 有水平式过滤式的幅射式滤池、磁力分离过滤器等。
4、膜过滤滤池 最近膜过滤滤池是当前过滤最新的型式，有微滤(MF)、超滤(UF)和纳诺过滤(NF)。
（二）重力式滤池的应用
国内外尤其是国内绝大部分水厂应用的还是重力式滤池。为了结合生产实际情况，便于说明问题，现仅就几种主要常用的重力式滤池加以叙述。膜过滤滤池有着重要发展的前途，但国外用的不太多，用的也都是小规模的设施(<20000m3/d)，国内尚在探寻阶段。上向流滤池虽有研究和应用的，但也只限于极小范围采用，故都另作讨论，不在本文谈论内容。
1、单层重力式滤池
(1)普通快砂滤池 这是国内外最普遍使用的一种滤池，也是开始有快滤池以来最先使用的滤池。这种滤池滤层(L)一般为70—90cm，粒径(d)0.45—1.0mm，有效粒径(de)约为0.5—0.55mm，均匀系数(UC)约为1.3—1.4，滤速标准为5m/h。国内曾用过较大的滤速(8—10m/h)，目前为保证水质仍以用标准滤速或稍大滤速为宜。滤池设计以L/de控制，L/de≥1000，也有用L/d控制的，L/d≥800，这样比例最为洽当。其中d=滤粒的平均粒径。
(2)深床滤池 该滤池构造与普遍快滤池相同，但只颗粒粗，滤层厚，认为滤层厚度最低应超过1.0M，其主要优点为过滤速度快、水头损失慢、过滤周期长。但由于颗粒粗，可能发生浊质漏泄的危险性大。颗粒粒径以L/d或L/de获得。L/d或L/de参数目前应用的与普通快滤池相等。认为国内提出的粗滤料滤池、均粒、均匀滤料滤池，只要是滤池在冲洗时处于流动状态的，实际上都属于深床滤池范畴。
(3)均质滤池
这种滤池的滤床从上到下，个个剖面都有大、中、小粒径的颗粒，它们各自的量相等或接近，这样它们滤床上下方向的滤料孔隙率相同，而使滤床水的流态也相同，使滤池能更好地克服表面阻塞，絮体深入滤床，以达到滤出水量多、水质的效果，为了达到上述目的，最主要的一个因素是滤床不允许膨胀或是稍有微膨胀，使其始终保持原有填料时滤床滤池的原有状态。这种滤池采用砂滤料，de=0.95－1.35mm，粒径范围0.7－2.0mm，均匀系数1.2－1.6或1.8，滤层厚度0.95－1.5m，也可再厚一些，滤速一般为8－10m/h。L/de或L/d与深床滤池相同。当前国内已有部分水厂使用，主要是由法国引入。
(4)煤滤池 这种滤池由于煤颗粒棱角多且吸附性强，所以过滤效果好，一般滤层1.8m，de=1.3mm，UC=1.5。这种滤池按道理讲也应属于粗滤料厚滤层范畴。这种滤池在美国洛杉矶已应用，其滤床深度1.8m，de=1.5mm，采用臭氧化和三氯化铁、阳离子凝聚，直接过滤，正常滤速32.5m/h，过滤周期>30h（滤前水浊度低）。
(5)陶粒滤池 这种滤池是由俄国引入到国内的。它使用的陶粒为一种多孔材料，由熔化的粘土在快速培烧时膨胀制得，一般制成5－40mm径炔状物质，然后将以上块状物加以辗碎、筛选而得。它富有棱角表面积大，及机械强度和化学稳定性都合乎标准的特性，滤池的各种指标都与一般快滤池相同，滤速可达10－40m/h。
2、双层重力式滤池
(1)双层滤料滤池 主要是煤砂双层滤料滤池，现国内外还是多数水厂应用。一般是砂粒径0.5－1.0mm，de=0.55mm，UC=1.3－1.4，滤层厚30－40cm，煤粒径1.0－2.0mm，de=1.1-1.2mm，UC=1.3－1.4，滤层厚30－40cm，总滤层厚70－90cm，滤速一般为10－12m/h，过滤周期不超过36h。L/de≥1000或L/d≥800，效率基本是砂滤池效率的一倍，水头损失也小，过滤周期也比较小。该滤池煤滤料货源易得，控制方便，国内个别地方有煤滤料流失较多现象。2000年技术进步发展规划推荐为首先考虑使用的滤池之一。
(2)三层滤池 滤料为煤、砂、石榴石，粒径分别为0.8－2.0，0.5－0.8，0.25－0.5mm，总厚度为75cm，三者厚度分别占60－65%、25－45%、5－10%，为42、23.7cm，滤速在初滤时可为一般快滤池的3倍，煤砂双层滤池的2倍。但随后滤速降低，此种滤池过滤周期较短。根据有关资料称，其总滤出水量不及双层滤池，且滤层有阻塞现象，石榴石价格高，也有流失情况。
(3)混合滤料滤池 这种形式的滤池是由混合在一起的滤料组成。滤料亦为煤、砂、石榴石，所占滤层比例为60%、30%、10%，配比为煤1－2mm，60cm砂0.6－0.8m/m，22.5cm；石榴石0.4－0.8mm，7.5cm，总厚度90cm，三种滤料掺合在一起，但上层煤粒多、中层砂粒多、下层石榴石多，其L/d或L/de与双层滤池相同。这种类型不是三层滤池。据报告称它截污强，效果比三层滤池好，曾与双层滤池做过对比试验，在效果上各有优点，实际上相差无几。
(4)两级滤池 这种处理方式为只用滤池，而不需要正式沉淀池，第一组为粗滤池，第二级为煤砂双层滤池。两级滤池分为两种类型。第一种类型为处理浊度大、水质不好的原水的，流程为原水一闪烁混合－絮凝－短时简易沉淀－第一级过滤－第二级过滤。这种类型的第一级滤池滤料de=6－20mm、厚度550－750mm。第二种类型为处理一般水质浊度不大的原水的，流程为原水－闪烁混合－第一级过滤－第二级过滤，这种类型的第一级滤池滤料为3－5mm，厚度1500－2500mm。两者的第一级滤池滤速皆可达到25－40m/h。这两种滤池的第一级滤池因所用滤料直径不易反冲，通常用气水冲洗。第二级滤池因为是煤－砂双层滤池，滤速通常为8m/h或多些。现在这种滤池在国外引起使用兴趣，国内还不多见。
(5)臭氧－生物活性炭滤池(O3+BAC)此种滤池是利用活性炭的吸附量并采用臭氧消毒的技术。试验表明如果水中含有充分的溶解氧，活性炭滤床有细菌孽生，产生生物活性，使得以去除水中有机物。在活性炭前加臭氧，增加生物活性炭活性。O3+BAC有着大量去除合成和天然有机物、溶解无机物及铁、锰、味、嗅的效果。生物活性炭滤池比活性炭滤池使用寿命增加2－9倍，O3+BAC滤池使用寿命更长，一般一次可使用5年。O3+BAC受活性炭滤层厚度、温度及去除氨氮的影响。不足处是生物膜由滤料中脱落，有进入清水库中的可能性，对水质有损害。O3+BAC煤一砂双层滤池的滤层、滤料尺寸等都与双层煤－砂滤池相符。
二、滤池应用的几个问题
1、滤床厚度与粒径比例
曾在世界各地一些水厂做过调查，无论单层、多层滤池，L/d都在800左右，同时根据各水厂生产所得运行数据，得出L/de在1000左右。这两个数据对于控制滤床厚度有决定性的意义。现在国内从事给水工作者都已开始注意。2000年技术进步发展规划提出改善过滤效果关键之一是L/d等于或稍大于800，这是很及时的。最近国外有关给水专家提出新的建议，认为用于快砂滤池或标准双层滤池滤床L/de≥1000，用于粗滤料深滤床的滤床L/de≥1300，用于三层滤池的滤床L/de≥1300，这是多层滤池和粗滤料深滤床滤池一般都加少量聚合物助滤剂的要求。如果不加助滤剂，L/de比例至少再增加25%。从此意见看，滤床厚度比以前要求加大了，这恐怕由于目前原水有机物、微生物等都比以前种类及数量加多，更不容易处理的原故。国内绝大多数滤池不加助滤剂，因此为控制滤出水水质，L/de或L/d数据更需加大，以保证滤出水水质。
2、冲洗压力与冲洗强度
冲洗压力大小对于洁净滤料有很大的关系，冲洗压力变化极为影响冲洗强度。以天津某水厂为例。该水厂使用双层滤池，曾做过计算，当水温为20°时，冲洗强度Um=0.76m/min，冲洗水塔水位一般下降2m，此时U下降到0.62m/min，变化率为18.4%，当Um=0.76m/min时，膨胀率e=34%；而U=0.62m/min时，e=23%，两者的e相差50%。如果水位下降1m，U下降为0.69m/min，变化率为9%，e=28.5%，两者相差为19.2%。这是对外部冲洗管长度长及大阻力冲洗系统而言。如外部管道长度短又是小阻力系统，可以想到冲洗强度差距更大，冲洗膨胀率变化也更巨。日本设施设计指南提出滤池冲洗水塔要浅，表面积要大是有道理的，这样在冲洗时水位变化小，冲洗强度降低也少，以保持冲洗效果，节省冲洗大量。目前大多数水厂不注意此问题，而致造成冲洗效果不合理想，而致浪费水量是不值得的。
3、多层滤池冲洗与滤料临界流速
多层滤池在冲洗时应该保持各滤料冲起膨胀率的一致性。所以滤池的各滤粒颗粒粒径和比重要互相匹配及保持相同的临界流速。如果不这样，会引起冲洗不彻底、滤层混杂及滤料流失，这是应该极端注意的问题。以双层滤池为例，可用铃间川村提出公式求得以上关系。
d1/d2=(p2-p)/(p1-p)0.667
式中 d1、d2：分别为煤、砂的有效粒径；
p1、p2：分别为煤、砂比重；
p=水的比重为1
并根据下式求得Vs、Va(Vs=Va)
Vs=10ds
Va=4.7ds
式中 Vs、Va：分别为煤、砂冲洗强度(m/min)
da、ds：分别为煤、砂的d60(mm)
天津曾以此公式试验所得数据和其他设定数值试验所得数据比较，以上述公式所得结果最佳。这个公式很重要，水厂采用双层滤池时则往往忽略，应引起特别注意，不然会使过滤效果不好。三层滤池所需数据也应同样用此办法。
4、垫层均匀性
滤池中的垫层问题，往往为给水工作者所忽略，尤其是目前为了减低滤池高度，常常把垫层高度、垫层砾石级配及砾石大小减低或减小，这是不合理的。要知道垫层主要作用为削减冲洗水的不均匀性。举例说60cm石英砂滤层反冲时，如果冲洗水在滤池底部不能全部均匀分配，则通过这60cm厚滤料的水头阻力时，就在垫层中成横向推力，力图使上升流趋于平衡。如果这个60砂层的水头阻力成为一个流速水头潜力，它就能在滤床的某一点上，造成一个超过3.5m/s的向上流速，这个流速通常是液化滤床的60cm/min上向流速的350倍。如果上向流通过滤化床流动不均匀，就会有扰动垫层潜在危险。在砂石交界处造成射流作用的另一个因素是加大了在液化床中冲起砾石的可能性。例如液化床砂的膨胀率为20%，膨胀前空隙率为43%，既原有滤床有57%砂子。当膨胀到原体积的120%时，砂子体积比变成47.5%，水为52.5%，液化床平均密度为1.784，同时淹没的砾石密度减到2.65－1.00=1.65，砾石比重小于液化床平均比重，砾石会有所移动。
垫层要有一定的高度，一定的分级级配及砾石要有一定的大小，主要为了保持冲洗水流的均匀性，硬性改变是不洽当的。要想改变滤层，必须有相应的措施，不然会造成冲洗不良效果。最近很多水厂采用小阻力系统，减薄垫层，但必须使上流水均匀，否则会使冲洗效果变坏，以致造成滤池不能使用的后果。
5、冲洗和辅助冲洗
在国外一般印象是，通常情况下如果滤池滤床没有表面冲洗和／或空气搓洗等辅助设施，不能有效的将滤池冲洗干净。他们认定近些年来出版的刊物给人这样一个印象，即空气搓洗是唯一洗净滤池的方法。但事实不是这样，在美国就有少数的例子，于滤池使用聚合助滤剂情况下，尽管有空气搓洗措施，在滤床中部和底部还是有显著的泥球形成。他们建议在应用滤池时，其水头损失超过1.8m或过滤周期大于48h的情况，无论何时都要空气搓洗与表面冲洗合用，以打碎滤床顶部5－10cm的压实滤料，不使结成泥块。从国外实际生产的例子看，表面冲洗比空气搓洗，造成滤床积泥少，因此应当重视表面冲洗。
在冲洗表面，国内外文章很多讨论此问题。国内由用大量水冲洗逐渐改用气、水冲洗，效果是可以的，法国提出滤层不膨胀气、水冲洗，虽然在法国使用已有多年经验，现在国内也在兴起采用此种方法，但认为需待进一步使用后做评定。
6、过滤周期
滤池一般要求过滤周期长，以使多滤出水量。但过滤周期过长，会引起滤层内有机物积累和菌类群增长，导致出水出现嗅味，以及滤池有难以除掉的粘滞物增长，并还导致滤层挤压，增加冲洗麻烦。通过实践，认为过滤周期以不大于24h为宜，最多不超过36h。且滤速超过24h，滤出水也增加不多。增加滤出水量要增加滤速，这就需主要是降低滤前水浊度，据有关资料称，滤前水浊度降低20%，滤速就能增长1倍。
7、间歇过滤
有一些水厂操作人员采用间歇过滤方法，而不用连续过滤方法。国外有资料称，间歇过滤方法对所有滤池处理包括起始过滤，都会产生重大的水力冲击，还会促进微生物生长。如果有这种情况发生，须停止此种运行方式，采取重新循环过滤方法解决。国内在供水量过大的情况下，一般常使用间歇过滤方法，应当注意这个问题。
8、三层滤池使用
三层滤池运行初期过滤速度高于单层滤池及双层滤池，但从所得资料得知，三层滤池有三个明显的缺点，即(1)起始过滤水头损失大，过滤周期短；(2)多数生产例子指出石榴石会丢失；(3)石榴石比之煤滤料价格要高很多。另外三层滤池周期总滤水量不如双层煤砂滤池，且易堵塞滤池。国内一度推行三层滤池，但由于以上所谈的不足，在应用上很有再探讨的必要。实际上三层滤池只是在底层多加了一层细的石榴石，对滤出水浊度改善不多，却显著地增加了水头损失，在造价上和管理维护上不如双层滤池，因此考虑采用此种滤种时应用慎重。
9、滤池滤料有效直径和均匀系数
滤池滤料两个主要参数是有效直径(d10)和均匀系数(UC)。d10指的是滤床滤料10%重的粒径，其过水阻力比之其他百分数重的粒径起的作用大。d60指的是60%粒径重的滤料，它在实用观点上似乎是滤料最合乎逻辑的代表直径，不仅d60是颗粒数量级配的模式，而从UC来看d60对多数滤料都是相当合适的。所以一般UC用d60/ d10来控制。在理论上UC小一些好。日本水道设施指南、解说要求砂滤料UC为1.3，认为再小筛分不易。煤滤料系无烟煤磨碎筛分而成，也不容易筛分的太细，且筛分的过细损失煤料太多（陶粒滤料也是如此）。所以这些滤料UC也只能最大限度到1.3。要想使UC再减少，甚至到达1.0，可用塑料制造，目前国外已有应用。但如果滤料粒径都成为一样，对拦阻浊质上可能有影响，浊质易于穿透，这也是应当注意的。
有主张以占90%滤料重颗粒粒径来代替60%的。这样UCd90/ d10=1.7，因为d90粒径比之d60的大40－50%。但合理设计标准是UC低（即1.3－1.4），这样会使滤池运行相宜，比液化粗滤料要求的冲洗强度低，且可减少混杂。UC=1.4时，d90的仅比d60的大25%；UC=1.2时，d90的比之d60的，只相差10－15%。一般认为采用d60，有以下三个原因：(1)滤料规定采用d60和d10，UC容易计算，(2)UC用低指标，d60和d90相差不显著，(3)50年来一直用d60这个指标。从以上议论来看，苏联规定的( d80/ d10)指标，似乎不如d60/ d10更为合理和实用。
10、多层滤池轻质滤料流失
多层滤池的优点很多，但唯一遗憾的是大量丢失滤料。事实上并非如此，笔者曾于60年代在天津从事煤一砂双层滤料池科研项目工作两年之久。在模型试验中，观察到冲洗煤滤料刚一越过排水槽底，因过水断面突然缩小，即有煤粒上跃。冲洗高度加大跳动煤粒加多，可以看到煤粒顺着排水槽两侧个别流失；再稍加高一些，煤粒突然大量跳出流到排水槽。从本试验看到，膨胀面超过槽底一定距离（在本试验中超过槽底17cm），即膨胀面距模型排水槽顶30－40cm可以不跑滤料。根据本试验，在生产实践当中，采取了一些解决办法，即在冲洗前将滤池水位降到距滤层顶部15cm。冲洗时先缓开冲洗闸徐徐将水托起，注意此时一定要将滤池内气体全部托出，当冲洗水流到排水槽内时，就不要再跑出气体，只有黄泥汤。这时再用设计的冲洗强度冲洗，这种方法收到了效果。特别注意冲洗待洗的第一个滤池，一定在冲洗水流入排入槽以前，要将池内气体彻底排净。笔者实验所用生产滤池排水槽距滤层顶部距离较短，特别易于跑煤，但笔者试验了一年，只有极少煤料丢失。从研究当中可以肯定，多层滤池轻质滤料跑失现象是可以避免的，跑煤问题在于管理不认真所致，个别的由于设计考虑不周而成。在生产中操作人不是由习惯操作不当或就是图省事不按操作要求办事，只降水到排水槽顶，在反冲时不先将池内气体，于冲洗水流到排水槽顶时排净，而致流失大量滤料。当然单层滤池操作不当也会产生滤料流失结果。
11、运行评估
一般由滤出水水质（浊度、颗粒计数）和运转周期对运行评估。目前还是用砂芯取样检验方法作为主要评估手段。砂芯所取砂样提供给操作人员滤池冲洗前后沉积砂上絮体分布和滤床纵断滤料粒径和均匀情况。聚集在滤床顶部细小杂质，能很容易地从所得数据图表和记录仪表上得知，进而决定是否应当冲洗。滤池冲洗效果的真正读数，幅射的浊度不能提出。然而对滤出水所含杂质粒径范围的分析方法，则是对滤出水水质控制的可贵监测手段，因为它给予操作人员察觉滤池浊度穿透的一个警告。
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