均質(zhì)濾料級配恢復在凈水廠(chǎng)的應用

王志勇， 杜伊明， 周 娟， 盧 磊

(1.西安市自來(lái)水有限公司樂(lè )游原水廠(chǎng)，陜西西安710054；
2.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西西安710055)

西安市某凈水廠(chǎng)于2001年建成投產(chǎn)，設計日供水50×104m3/d，是西安市主要供水廠(chǎng)之一。水廠(chǎng)主要處理工藝有混合、反應、沉淀、過(guò)濾等。過(guò)濾的目的是去除水中懸浮物及病原微生物，降低出水濁度，為后續的消毒創(chuàng )造有利條件，確保出水濁度符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)要求[1]。

水廠(chǎng)采用氣水反沖洗Ⅴ型濾池，濾料為單層均質(zhì)石英砂。2019年以來(lái)，濾后水頻繁出現超內控要求的0.50 NTU。通過(guò)對濾砂級配、濾砂厚度、濾砂表面性質(zhì)等進(jìn)行監測，發(fā)現濾砂級配變化是造成濾池截污效果變差的主要因素。針對發(fā)現的問(wèn)題，水廠(chǎng)應用有效粒徑D10較小的濾砂對現用濾砂級配進(jìn)行恢復，以實(shí)現提高濾砂整體截污能力，達到改善出水水質(zhì)目的。

1.1 濾池

水廠(chǎng)設計2組濾池，每組12格，共24格，每格濾池面積為120 m2，分東西2個(gè)單元，濾池剖面見(jiàn)圖1。濾料為均質(zhì)石英砂，堆密度為1.65 t/m3，厚度為1.2 m，D10為0.95±0.05 mm。除2014年按設計參數對濾砂進(jìn)行部分補砂外，大量濾料使用時(shí)間已達20余年。

圖1 濾池剖面Fig.1 Section of the filter

1.2 存在問(wèn)題

濾料的截污能力出現較大程度的下降，給水廠(chǎng)運行帶來(lái)巨大挑戰。特別是低溫低濁期即使沉后濁度控制在1.0 NTU以下，濾池運行17 h，濾后水濁度隨著(zhù)出水閥的調節，會(huì )頻繁出現超內控0.5 NTU要求的情況。針對濾池在運行過(guò)程中截污能力下降的原因，水廠(chǎng)采取的針對性措施及存在的問(wèn)題見(jiàn)表1。

表1 濾砂存在問(wèn)題與應對措施Tab.1 Problems and countermeasures of filter sand

2.1 原因分析

隨著(zhù)濾池使用時(shí)間的增長(cháng)，濾料的截污能力會(huì )出現較大程度的下降。造成濾料過(guò)濾性能下降的原因有濾池的運行狀況、濾料的表面性質(zhì)、級配粒徑變化等[2-4]。濾層對顆粒物的遷移效果受顆粒級配影響[5]，而反沖洗造成的“跑砂”可能改變?yōu)V料組成，使濾池截污能力下降[6-7]。

2.2 級配恢復方案

2.2.1恢復石英砂參數

根據對水廠(chǎng)濾池濾砂參數的測定，確定對4#(1組)和15#(2組)濾池現用濾砂按照原始設計濾砂級配進(jìn)行級配恢復，濾砂參數如表2所示。

表2 濾砂現狀和級配恢復用砂Tab.2 Status of filter sand and recovery sand for grading restoration

根據表2得出，4#、15#濾池濾砂與原砂主要區別是粒徑在0.9～1.0 mm和<0.9 mm區間濾砂占比少，故選用采用d10=0.8 mm、d1.6=1.0 mm的均質(zhì)濾料進(jìn)行級配恢復。

2.2.2恢復石英砂用量

根據濾池設計濾砂厚度120 cm和4#、15#濾池濾砂級配缺失，4#濾池和15#濾池分別應補砂39.15和41.11 t。

2.2.3恢復方案

為避免反沖洗造成補砂的流失，且利用濾池反沖洗過(guò)程實(shí)現對補砂和現用濾砂的混勻。在補砂實(shí)施過(guò)程中，將現有濾砂抽出80 cm后，再將新砂均勻平鋪在濾池中，最后將抽出去的砂回填至濾池，濾砂厚度為120 cm，并定期對濾池濾砂級配進(jìn)行檢測。

2.2.4對照組選擇

根據濾池運行工況、濾砂特性、濾池分布等，選擇10#濾池，按照濾砂設計級配進(jìn)行全部換砂，進(jìn)行對照實(shí)驗。

3.1 4#濾池級配修復前后過(guò)濾效果

對4#濾池級配恢復前半年和級配恢復4個(gè)月后的濾池出水濁度進(jìn)行檢查，結果如圖2所示。

圖2 4#濾池級配恢復前后的出水濁度Fig.2 Turbidity of effluent before and after grading restoration of 4# filter

補砂前半年，沉后水保持在0.9 NTU左右，濾池出水濁度在0.4～0.8 NTU之間，十分不穩定，頻繁超出自控線(xiàn)0.5 NTU，截污效果較差。

補砂運行4個(gè)月后，沉后水濁度提高至1.8 NTU左右，出水濁度穩定在0.1 NTU左右，截污能力有所提高。

3.2 10#濾池換砂前后過(guò)濾效果

對10#濾池換砂前半年和換砂4個(gè)月的濾池出水濁度進(jìn)行檢查，結果如圖3所示。補砂前半年，沉后水濁度保持在0.9 NTU左右，濾池出水濁度在0.2～1.0 NTU，出水濁度不穩定，頻繁超出0.5 NTU，波動(dòng)大，運行效果較差。

圖3 10#濾池級配恢復前后的出水濁度Fig.3 Turbidity of effluent before and after grading restoration of 10# filter

換砂運行4個(gè)月后，沉后水濁度提高至1.8 NTU左右，出水濁度保持在0.1 NTU左右，且在整個(gè)運行周期內非常穩定。

綜上，在濾砂級配恢復投運4個(gè)月后，濾池已經(jīng)恢復了除濁性能，即使提高沉后水濁度，與全部換砂的濾池出水濁度差別不大，出水濁度也保持在較低水平，除濁率高且穩定。

3.3 級配恢復與換砂過(guò)濾效果橫向對比

對4#、10#、15#濾池級配恢復、換砂前及級配恢復、換砂后出水濁度進(jìn)行監測，結果如圖4所示。

補砂換砂前半年，4#、10#、15#濾池出水濁度不穩定，常超出0.5 NTU。補砂換砂前1月，這3個(gè)濾池出水濁度依舊非常不穩定，影響出水水質(zhì)。補砂換砂后4周，4#、10#、15#濾池出水濁度均保持在0.5 NTU以下，且穩定性變強。補砂換砂后4個(gè)月，4#、10#與15#濾池出水濁度保持同一水平，穩定在0.1 NTU左右。

綜上，補砂運行后，出水濁度在短期內會(huì )有波動(dòng)，但經(jīng)過(guò)長(cháng)期的運行，4#、15#濾池已經(jīng)恢復了除濁性能，即使提高沉后水濁度，出水濁度也保持在較低水平，除濁率高且穩定，與換新砂的15#濾池效果差別不大，出水濁度均很低且十分穩定。對濾沙進(jìn)行級配恢復和換砂有著(zhù)同樣的過(guò)濾效果。

3.4 低溫低濁處理效果

對兩格濾池級配恢復和兩格濾池補砂后，低溫低濁期，2022年1月在沉后水濁度略高的情況下，出廠(chǎng)水濁度可控制在0.30 NTU以下，低于水廠(chǎng)內控指標，如圖5所示。

圖5 換砂和級配恢復前后出廠(chǎng)水濁度對比Fig.5 Comparison of turbidity of treated water before and after sand replacement and grading restoration

3.5 濾池不同深度濾料級配情況

級配恢復運行4個(gè)月以后，濾池出水濁度穩定，且符合水廠(chǎng)內控0.50 NTU的要求。4#濾池補砂運行4個(gè)月后，對其不同深度濾砂級配進(jìn)行測定，如表3所示。

表3 級配恢復前后濾砂級配參數Tab.3 Grading parameters of filter sand before and after restoration

在生產(chǎn)補砂運行4個(gè)月后，4#濾池不同深度的濾料級配參數和細砂比例逐漸與新砂接近，其中80 cm深度的細砂比例最多，這是由于最初補充細砂是在80 cm深度進(jìn)行。這說(shuō)明，4#濾池濾料的級配逐漸恢復。

采用D10為0.8 mm的石英砂對現用濾砂進(jìn)行級配恢復與換新砂，在沉后水相同的情況下，出水濁度相差不大。由圖4可知，采用級配恢復方法比全部換砂單格濾池可節約成本29.542萬(wàn)元。

表4 實(shí)施項目經(jīng)濟效益對比Tab.4 Comparison of economic benefits of implementation projects

① 應用補細砂對凈水廠(chǎng)長(cháng)期運行均質(zhì)石英砂濾料進(jìn)行級配恢復，過(guò)濾效果與新?lián)Q濾沙相當，提高了均質(zhì)濾料的過(guò)濾效果，使濾池出水濁度得到保障，提高了水廠(chǎng)供水安全。按照級配缺失進(jìn)行補砂，恢復濾料級配，可以有效恢復濾料的過(guò)濾性能，相對大規模換砂，極大地節約了費用。

② 由于恢復濾料使用時(shí)間較短，其使用壽命有待進(jìn)一步檢測，但在資金不足、無(wú)法大規模換砂的情況下，使用該方法進(jìn)行恢復濾料，能夠有效提升過(guò)濾效果，滿(mǎn)足水廠(chǎng)日常生產(chǎn)，對水廠(chǎng)均質(zhì)濾料性能的恢復具有實(shí)際指導意義。