均质滤料级配恢复在净水厂的应用

王志勇， 杜伊明， 周 娟， 卢 磊

(1.西安市自来水有限公司乐游原水厂，陕西西安710054；
2.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055)

西安市某净水厂于2001年建成投产，设计日供水50×104m3/d，是西安市主要供水厂之一。水厂主要处理工艺有混合、反应、沉淀、过滤等。过滤的目的是去除水中悬浮物及病原微生物，降低出水浊度，为后续的消毒创造有利条件，确保出水浊度符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求[1]。

水厂采用气水反冲洗Ⅴ型滤池，滤料为单层均质石英砂。2019年以来，滤后水频繁出现超内控要求的0.50 NTU。通过对滤砂级配、滤砂厚度、滤砂表面性质等进行监测，发现滤砂级配变化是造成滤池截污效果变差的主要因素。针对发现的问题，水厂应用有效粒径D10较小的滤砂对现用滤砂级配进行恢复，以实现提高滤砂整体截污能力，达到改善出水水质目的。

1.1 滤池

水厂设计2组滤池，每组12格，共24格，每格滤池面积为120 m2，分东西2个单元，滤池剖面见图1。滤料为均质石英砂，堆密度为1.65 t/m3，厚度为1.2 m，D10为0.95±0.05 mm。除2014年按设计参数对滤砂进行部分补砂外，大量滤料使用时间已达20余年。

图1 滤池剖面Fig.1 Section of the filter

1.2 存在问题

滤料的截污能力出现较大程度的下降，给水厂运行带来巨大挑战。特别是低温低浊期即使沉后浊度控制在1.0 NTU以下，滤池运行17 h，滤后水浊度随着出水阀的调节，会频繁出现超内控0.5 NTU要求的情况。针对滤池在运行过程中截污能力下降的原因，水厂采取的针对性措施及存在的问题见表1。

表1 滤砂存在问题与应对措施Tab.1 Problems and countermeasures of filter sand

2.1 原因分析

随着滤池使用时间的增长，滤料的截污能力会出现较大程度的下降。造成滤料过滤性能下降的原因有滤池的运行状况、滤料的表面性质、级配粒径变化等[2-4]。滤层对颗粒物的迁移效果受颗粒级配影响[5]，而反冲洗造成的“跑砂”可能改变滤料组成，使滤池截污能力下降[6-7]。

2.2 级配恢复方案

2.2.1恢复石英砂参数

根据对水厂滤池滤砂参数的测定，确定对4#(1组)和15#(2组)滤池现用滤砂按照原始设计滤砂级配进行级配恢复，滤砂参数如表2所示。

表2 滤砂现状和级配恢复用砂Tab.2 Status of filter sand and recovery sand for grading restoration

根据表2得出，4#、15#滤池滤砂与原砂主要区别是粒径在0.9～1.0 mm和<0.9 mm区间滤砂占比少，故选用采用d10=0.8 mm、d1.6=1.0 mm的均质滤料进行级配恢复。

2.2.2恢复石英砂用量

根据滤池设计滤砂厚度120 cm和4#、15#滤池滤砂级配缺失，4#滤池和15#滤池分别应补砂39.15和41.11 t。

2.2.3恢复方案

为避免反冲洗造成补砂的流失，且利用滤池反冲洗过程实现对补砂和现用滤砂的混匀。在补砂实施过程中，将现有滤砂抽出80 cm后，再将新砂均匀平铺在滤池中，最后将抽出去的砂回填至滤池，滤砂厚度为120 cm，并定期对滤池滤砂级配进行检测。

2.2.4对照组选择

根据滤池运行工况、滤砂特性、滤池分布等，选择10#滤池，按照滤砂设计级配进行全部换砂，进行对照实验。

3.1 4#滤池级配修复前后过滤效果

对4#滤池级配恢复前半年和级配恢复4个月后的滤池出水浊度进行检查，结果如图2所示。

图2 4#滤池级配恢复前后的出水浊度Fig.2 Turbidity of effluent before and after grading restoration of 4# filter

补砂前半年，沉后水保持在0.9 NTU左右，滤池出水浊度在0.4～0.8 NTU之间，十分不稳定，频繁超出自控线0.5 NTU，截污效果较差。

补砂运行4个月后，沉后水浊度提高至1.8 NTU左右，出水浊度稳定在0.1 NTU左右，截污能力有所提高。

3.2 10#滤池换砂前后过滤效果

对10#滤池换砂前半年和换砂4个月的滤池出水浊度进行检查，结果如图3所示。补砂前半年，沉后水浊度保持在0.9 NTU左右，滤池出水浊度在0.2～1.0 NTU，出水浊度不稳定，频繁超出0.5 NTU，波动大，运行效果较差。

图3 10#滤池级配恢复前后的出水浊度Fig.3 Turbidity of effluent before and after grading restoration of 10# filter

换砂运行4个月后，沉后水浊度提高至1.8 NTU左右，出水浊度保持在0.1 NTU左右，且在整个运行周期内非常稳定。

综上，在滤砂级配恢复投运4个月后，滤池已经恢复了除浊性能，即使提高沉后水浊度，与全部换砂的滤池出水浊度差别不大，出水浊度也保持在较低水平，除浊率高且稳定。

3.3 级配恢复与换砂过滤效果横向对比

对4#、10#、15#滤池级配恢复、换砂前及级配恢复、换砂后出水浊度进行监测，结果如图4所示。

补砂换砂前半年，4#、10#、15#滤池出水浊度不稳定，常超出0.5 NTU。补砂换砂前1月，这3个滤池出水浊度依旧非常不稳定，影响出水水质。补砂换砂后4周，4#、10#、15#滤池出水浊度均保持在0.5 NTU以下，且稳定性变强。补砂换砂后4个月，4#、10#与15#滤池出水浊度保持同一水平，稳定在0.1 NTU左右。

综上，补砂运行后，出水浊度在短期内会有波动，但经过长期的运行，4#、15#滤池已经恢复了除浊性能，即使提高沉后水浊度，出水浊度也保持在较低水平，除浊率高且稳定，与换新砂的15#滤池效果差别不大，出水浊度均很低且十分稳定。对滤沙进行级配恢复和换砂有着同样的过滤效果。

3.4 低温低浊处理效果

对两格滤池级配恢复和两格滤池补砂后，低温低浊期，2022年1月在沉后水浊度略高的情况下，出厂水浊度可控制在0.30 NTU以下，低于水厂内控指标，如图5所示。

图5 换砂和级配恢复前后出厂水浊度对比Fig.5 Comparison of turbidity of treated water before and after sand replacement and grading restoration

3.5 滤池不同深度滤料级配情况

级配恢复运行4个月以后，滤池出水浊度稳定，且符合水厂内控0.50 NTU的要求。4#滤池补砂运行4个月后，对其不同深度滤砂级配进行测定，如表3所示。

表3 级配恢复前后滤砂级配参数Tab.3 Grading parameters of filter sand before and after restoration

在生产补砂运行4个月后，4#滤池不同深度的滤料级配参数和细砂比例逐渐与新砂接近，其中80 cm深度的细砂比例最多，这是由于最初补充细砂是在80 cm深度进行。这说明，4#滤池滤料的级配逐渐恢复。

采用D10为0.8 mm的石英砂对现用滤砂进行级配恢复与换新砂，在沉后水相同的情况下，出水浊度相差不大。由图4可知，采用级配恢复方法比全部换砂单格滤池可节约成本29.542万元。

表4 实施项目经济效益对比Tab.4 Comparison of economic benefits of implementation projects

① 应用补细砂对净水厂长期运行均质石英砂滤料进行级配恢复，过滤效果与新换滤沙相当，提高了均质滤料的过滤效果，使滤池出水浊度得到保障，提高了水厂供水安全。按照级配缺失进行补砂，恢复滤料级配，可以有效恢复滤料的过滤性能，相对大规模换砂，极大地节约了费用。

② 由于恢复滤料使用时间较短，其使用寿命有待进一步检测，但在资金不足、无法大规模换砂的情况下，使用该方法进行恢复滤料，能够有效提升过滤效果，满足水厂日常生产，对水厂均质滤料性能的恢复具有实际指导意义。

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