给水处理滤池工艺的问题分析及优化研究

给水处理滤池工艺的问题分析及优化研究

张冬1吴昊2张鹏3

江苏凌志环保工程有限公司 凌志装备股份有限公司 江苏 宜兴 214200

摘要：给水处理滤池是确保水质安全的关键环节，其运行状况直接影响到悬浮固体、浊度、细菌、病毒等污染物的去除效率。本文对给水处理过滤工艺的作用机理进行了阐述，对当前我国给水处理的三种常见滤池存在的问题进行了分析，并从助滤剂、滤池构建参数、特殊水质的滤池、滤池运行以及“常规+超滤”工艺等方面的优化进行了研究。希望能够为改善滤后水质提供有效参考

关键词：给水处理；滤池工艺；分析优化

给水处理滤池是确保饮用水安全的关键工艺环节，其性能直接影响到出水的质量。随着水源水质的变化和对饮用水安全要求的提高，传统的滤池工艺面临着新的挑战，如低浊度、高藻含量、高有机物、高NH3-N等水质问题。这些问题的存在要求对滤池工艺进行系统性的研究和优化，以提高滤池的处理效率和出水水质，确保供水安全

1 给水处理过滤工艺的作用机理

1.1迁移机理

迁移是指水流夹带的颗粒脱离水流流线，向滤料颗粒表面靠近的过程。这个过程受到滤料粒径和形状、过滤速率、温度、悬浮粒子的密度、大小和形状等因素的共同作用。粘附则是当杂质颗粒与滤料颗粒表面接近时，依靠物理化学作用力吸附在滤料颗粒表面的过程，其吸附效果与滤料及水体中杂质粒子的表面理化特性密切相关。使用聚苯乙烯微球来模拟胶体态污染物，研究表明胶体颗粒在滤料中的迁移行为和沉积机理受到胶体特性、滤料特性及溶液特性的影响。滤料粗糙度以非线性非单调的方式影响胶体沉积，且存在与理论最小DLVO相互作用能相关的临界粗糙度。此外，共存溶质如四环素对胶体颗粒的迁移有影响，改变了颗粒的移动性和沉积速率。

1.2粘附机理

水处理过滤工艺中的粘附机理主要涉及到水中颗粒向滤料表面的迁移和颗粒在滤料表面的吸附。颗粒的迁移是由重力沉降、布朗运动、截留、水动力、扩散等因素共同作用的结果，而粘附则是由于颗粒与滤料之间的范德华力、静电作用以及某些化学键和化学吸附力的相互作用。粘附效果与滤料及水体中杂质粒子的表面理化特性密切相关。在过滤过程中，滤料的表面不仅包括干净的表面，还包括已经粘附了水中颗粒物质的表面，因此，水中颗粒物质与滤料之间的粘附力非常重要。

2 给水处理滤池工艺存在的问题

按照滤池的结构形式，当前在大型水厂中使用最广泛的有：普通快滤池、V型滤池和翻板滤池，现就这三种滤池所存在的问题进行分析。

2.1普通快滤池

滤池进水带气、水中溶解的气体逸出或“负水头”产生会导致滤层气阻，影响过滤效果和产水量。长期反冲洗不干净或承托层及配水系统堵塞可能导致滤层结泥球，恶化水质。冲洗强度过大、滤料级配不当、冲洗水不均匀或承托层移位可能导致跑砂、漏砂，影响水质和滤料的完整性。进水中的藻类和水生生物在滤层中滋长繁殖，尤其在高温条件下，会使水质变差并影响卫生标准。滤速与滤料级配之间的关系需要恰当控制，以保证出水水质和处理效率。滤速过快可能导致滤层水头损失过大，缩短过滤时间，影响出水质量。可能导致滤池运行不自动化，需要人工干预，影响运行效率。反洗时可能出现跑料问题，影响反冲洗效果。现有的设计参数和运行工况可能需要进一步优化以提高处理效果和稳定性。

2.2 V型滤池

V 型滤池是一种进水口有V型槽的高速过滤池，其常见问题包括反冲洗采用气水方式，常被应用于大中型水厂。反冲洗不均匀可能导致滤料清洗效果不佳，影响过滤效率。短流现象既在反冲洗过程中，水流可能不均匀，造成部分滤料未得到充分清洗。滤料层可能会因为各种原因出现跑砂现象，影响滤池的正常运行。滤板接缝不平或滤头套管密封不严可能导致滤头堵塞甚至开裂，影响滤池的密封性和稳定性。阀门启闭不畅可能会影响滤池的正常操作和维护。滤料填充不均匀可能导致滤料厚度不一致，影响过滤效果。不合适的滤料可能会降低处理效果。不彻底的洗涤会带入杂质，影响后续的过滤效果。

2.3翻板滤池

在实际运行中，翻板滤池可能会出现滤料比预期多流失的情况，这可能是由于滤料强度不足或反冲洗程序设置不当导致的。部分翻板滤池在运行过程中出现了滤料混层现象，即下层石英砂与上层陶粒混杂，这可能影响过滤效果。虽然翻板滤池设计有上下两个气垫层以提高布水布气的均匀性，但在某些情况下仍可能出现不均匀现象。运行中可能会出现出水阀频繁动作的问题，这可能是由于控制系统设计不够精细导致的。滤池进水阀如果仅采用气动控制而没有设置应急手动启闭装置，在气源系统出现故障时可能会导致处理不及时，增加事故风险。翻板滤池在反冲洗时可能会出现废水溢流、反冲洗废水排放不完全、滤层扰动等问题，这些问题需要通过优化滤池构造、反冲洗泵配置及运行参数调整等措施来解决。在使用过程中，U型滤管可能因为局部不均匀打磨或安装过程中的磕碰而开裂，导致滤料进入布水布气渠道，影响过滤效果。

3 给水处理滤池工艺的优化研究

3.1新型助滤剂的优化

新型助滤剂的优化研究应集中在选择合适的助滤剂种类、确定最佳投加量以及优化滤池的构建参数上，以实现给水处理滤池工艺的高效运行和水质的显著改善。在给水处理滤池工艺中，新型助滤剂的优化对于提高过滤效率和水质有着重要作用。根据最新的研究，次氯酸钠作为新型助滤剂，能够有效降低滤池出水的浊度和颗粒数，强化滤池的过滤性能，并改善出水水质。在2毫克/升的次氯酸钠投加量下，滤柱的过滤周期可以延长8小时，滤柱出水浊度和颗粒数较未投加之前分别降低了60%和76%。此外，滤池构建参数的优化也是提高过滤性能的关键。研究发现，无烟煤-石英砂双层滤料滤池具有截污能力强、水头损失增长慢的优势。通过对比试验，确定了石英砂层厚300毫米、有效粒径0.5毫米，无烟煤层厚600毫米、有效粒径为1.0毫米的配置下具有较好的过滤性能。针对高藻水水质的滤池优化研究表明，高藻水水质能够造成滤池过滤周期大幅缩短、出水水质变差等问题。研究发现，砂滤池在高藻水水质条件下过滤性能会受到较大影响，而无烟煤-石英砂双层滤料滤池过滤周期可达20小时左右，显示出明显的优势。在高藻水水质下，滤前投加4毫克/升次氯酸钠能够将砂滤池的过滤周期延长1倍以上，同时有效降低滤池的出水颗粒数。

3.2滤池构建参数的优化

在优化给水处理滤池工艺中，滤池构建参数的优化是提高过滤效率和水质的关键。无烟煤-石英砂双层滤料滤池具有截污能力强、水头损失增长慢的优势。优化滤料组合，如调整煤砂双层滤料滤池无烟煤/石英砂厚度配比、石英砂有效粒径，可以提升滤池的截留效果。底层石英砂厚度是影响双层滤料滤池浊度和颗粒穿透的关键因素。降低砂层有效粒径至0.5mm可以有效地解决浊度和颗粒穿透问题。 降低滤速和增加石英砂滤层的厚度可以使颗粒和浊度的穿透时间后移，但可能不能完全解决问题。因此，需要综合考虑滤速和滤层厚度的优化。滤前投加次氯酸钠可以有效降低滤池出水的浊度和颗粒数，强化过滤性能，改善出水水质。在适当的投加量下，可以延长滤池的过滤周期并降低颗粒穿透。单独水流冲洗可能无法对过滤高藻水后的滤池进行有效的反冲洗，气水联合反冲是保证反冲效果的重要方式。双层滤料滤池与纳滤组合工艺可以保证产水水质，通过纳滤过程添加阻垢剂和生物抑制剂可以优化组合工艺，减少膜污染，延长膜运行时间。优化混凝过程的混凝剂种类、投加量、混凝pH、混凝温度等参数对于控制残余铝的产生和缓解膜污染有重要作用。通过优化措施，可以有效提升给水处理滤池的性能，确保水质安全和处理效率。在实际应用中，应根据具体水质条件和滤池运行数据进行详细的参数调整和优化。

3.3滤池优化

3.3.1常规滤池

良好的混凝预处理可以提高滤料表面的粘附系数，使得颗粒物更容易被滤料表面粘附，从而提高滤池的去除效果。合理的滤料级配和足够的滤床厚度是确保高效过滤的基础。滤料的级配应尽可能均匀，滤床厚度与滤料粒径的比值（L/d10值）应大于1000，以提高颗粒物的去除率。定期对滤池进行清洗是恢复滤料洁净度、维持滤池高效运行的必要措施。气/水联合反冲洗通常比单独水流反冲洗更有效，可以更好地控制滤料的含泥量。滤速的选择对滤池的过滤性能有显著影响。保持适宜的滤速可以保障出水水质和处理效率，过快的滤速可能会导致出水质量下降。对于高藻水等特殊水质，需要采取特定的优化措施，如滤前投加次氯酸钠等新型助滤剂，以及优化滤池构建参数，以提高滤池对这些水质的适应能力和处理效果。通过时间周期控制、水头损失控制和滤后水浊度控制等多个方面共同控制滤池运行，可以实现滤池的优化运行，提高过滤能力和经济价值。通过综合考虑上述因素，并结合实际运行数据和模型分析，可以有效地优化滤池的运行，提高给水处理的整体效率和水质。

3.3.2特殊水质滤池

针对特殊水质的给水处理滤池，滤料的颗粒直径与滤层厚度的比值（L/d10）是影响过滤效果的关键因素。通过调整滤料级配和厚度，可以改善过滤效果，但同时也要考虑到工程造价和反冲洗难度的增加。滤速对过滤性能有显著影响。保持滤速在一定水平可以保障出水水质和处理效率。采用添加助滤剂等辅助性措施可以有效减少因滤速提高而引起的出水水质恶化和颗粒增多等问题。对于高藻水等特殊水质，可以通过滤前投加次氯酸钠等助滤剂来强化过滤效果，延长过滤周期，并改善出水水质。此外，调整滤池构建参数，如滤料层厚度和粒径，也是提高滤池处理特殊水质能力的有效方法。特殊水质可能导致滤层堵塞严重，反冲洗困难。因此，优化反冲洗方式，如采用气水联合反冲洗，对于保证滤池的有效运行至关重要。建立完善的监控系统可以实时监测处理效果，确保水质稳定。定期清洗和保养系统组件，尤其是膜元件，对维持系统性能和延长操作寿命都至关重要。通过优化措施有效提升滤池对特殊水质的处理能力，确保出水水质符合标准，同时提高系统的稳定性和经济性。在设计和运行特殊水质滤池时，应综合考虑水质特性、滤池类型、操作条件等因素，采取相应的优化策略。

3.3.2“常规+超滤”工艺优化

常规+超滤（UF）工艺是一种结合了传统给水处理技术和现代膜分离技术的水处理流程。常规处理通常包括混凝、沉淀、砂滤等步骤，而超滤则作为深度处理技术，用于进一步去除水中的悬浮物、细菌、病毒和某些溶解性有机物。这种组合工艺能够有效提升出水水质，满足更严格的饮用水标准。在常规+超滤工艺的优化方面，研究表明，通过调整运行参数可以有效减缓超滤膜的污染速率。例如，适宜的超滤膜通量、运行压力、过滤时间、曝气强度和气水反洗时间对于保持膜的高效运行至关重要。此外，定时的化学清洗可以提高膜的渗透性能，延长膜的使用寿命，从而在一定程度上节省制水成本。在实际工程应用中，例如上海罗泾水厂，超滤膜工艺被用于深度处理，以确保出水不含病菌和细菌，并能够有效应对原水水质波动的情况。

结语：通过对给水处理滤池工艺的问题分析及优化研究，可以为实际水厂过滤工段的优化提供理论基础和技术支持，提高滤池的处理效率和出水水质，确保饮用水安全。未来的研究方向可能包括开发无毒无害的绿色助滤剂、进一步优化滤料级配和滤速控制，以及探索更多针对特殊水质的处理技术。

参考文献

[1] 陈燕波,张锋,淦方茂.高效沉淀池在污水深度处理工程的应用优化[J].给水排水, 2022, 48(7):6.

[2] 郭庆龄,吴锦谢.自来水厂深度处理工艺运行优化研究[J].给水排水, 2023(S1):44-48,53.

[3] 靳少培,侯钰阔,李露,等.膜过程与V型滤池在给水处理中的对比分析[J].盐科学与化工, 2023, 52(5):11-13.