提要：介紹了在不同條件下無煙煤單層濾料除鐵、除錳、除濁的試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，并與錳砂除鐵、除錳、無煙煤-石英砂雙層濾料處理進(jìn)行了對比試驗(yàn)。結(jié)果表明無煙煤單層濾料的除鐵、除錳、除濁效果均較好，且其含污能力強(qiáng)，密度較小，可節(jié)省反沖洗水量及電能。

前言

給水工程中，濾池的優(yōu)化設(shè)計(jì)是以濾池運(yùn)行處于較佳工作條件為原則。為此可調(diào)整各種工藝參數(shù)，使濾池的壓力周期等于它的水質(zhì)周期。以調(diào)整濾層厚度為例，增加濾層厚度會提高整個濾層的含污能力，延長水質(zhì)周期。但濾層水頭損失也相應(yīng)增加，從而縮短了壓力周期。如果通過試驗(yàn)做出水質(zhì)周期和壓力周期與濾層厚度的關(guān)系曲線（見圖1），則兩條曲線相交點(diǎn)便是濾池較佳工作條件，對應(yīng)的濾層厚度就是較佳濾層厚度。實(shí)踐中，常增加一定的厚度，避免出現(xiàn)水質(zhì)周期小于壓力周期的現(xiàn)象。

然而，由于濾池構(gòu)造所限，濾層厚度增加也是有限的。實(shí)際情況要復(fù)雜得多，許多因素都影響著濾池的工作條件。所以，增加濾層厚度是否能保證整個濾層含污能力被充分利用，還要做具體分析。

1、石英砂單層濾料除鐵濾柱[Fe]軸向分布

我院曾采用石英砂單層濾料做除鐵試驗(yàn)，濾柱采用D=100mm透明有機(jī)玻璃管，石英砂濾料d=0.6-1.2mm，濾層厚度1000-1500mm，濾速8m/h，反沖洗強(qiáng)度12-14L/（s·m²）。原水含鐵量10-12mg/L，濾后水含鐵量＜0.3mg/L。測定濾柱鐵離子濃度沿軸向分布并繪制曲線，見圖2。由圖2可知，鐵離子主要是在上層約300mm范圍內(nèi)被去除的，相應(yīng)工作周期只有8h。

可見，大部分濾層含污能力未被充分利用。試驗(yàn)中觀察：每次反沖洗結(jié)束，回落到濾層較上部的是細(xì)小的顆粒和破碎的鐵質(zhì)氧化物，厚度約80-150mm，其比表面積大、孔隙率小、附著物鏡檢微生物十分活躍，具有較強(qiáng)的吸附氧化能力，致使大部分鐵質(zhì)在此層被去除。但濾層也因此很快被堵塞，到達(dá)期終水頭損失值，迫使周期結(jié)束，不得不進(jìn)行反沖洗。

據(jù)調(diào)查，在利用石英砂單層濾料進(jìn)行地面水除濁時也有類似情況�？梢姡�在濾層厚度確定以后，如何使整個濾層含污能力充分發(fā)揮作用至關(guān)重要。無煙煤-石英砂雙層濾料濾池因其顯而易見的優(yōu)點(diǎn)—含污能力強(qiáng)，而廣泛地應(yīng)用于給水處理工藝中�，F(xiàn)今甚至研制三層濾料濾池，以期更大程度地利用整個濾層的含污能力。這是石英砂單層濾料所無法比擬的。

但是，有利必有弊，雙層濾料、三層濾料濾池也有其不足之處：

（1）濾層構(gòu)造復(fù)雜。

（2）對各層濾料篩分要求準(zhǔn)確，操作麻煩，如級配不當(dāng)，投產(chǎn)后常有煤砂混雜現(xiàn)象發(fā)生。

（3）施工中，對墊層、各層濾料裝填要求嚴(yán)格，操作也麻煩。使用中，濾層一旦翻混或定期更換濾料更是令人頭疼。

（4）運(yùn)行中要求更高的管理水平。如管理不當(dāng)，反沖洗強(qiáng)度控制不好，會產(chǎn)生無煙煤嚴(yán)重流失現(xiàn)象。要經(jīng)常補(bǔ)充新的濾料。

為此，人們又進(jìn)行了新的探索和大膽的實(shí)踐，以期尋求一種新的濾料，它既具有單層石英砂濾料和煤-砂雙層濾料的優(yōu)點(diǎn)，又避免了它們的不足，無煙煤單層濾料就是其中之一。

2、無煙煤單層濾料用于地下水除錳的試驗(yàn)研究

采用各種濾料進(jìn)行地下水除鐵除錳試驗(yàn)研究，以便為修訂編制《城市給水設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)章節(jié)提供科學(xué)依據(jù)。

2.1 原水（深井）水質(zhì)

[Mn²⁺]=9.3mg/L，[Fe]總=14mg/L，pH=6.5。

2.2 處理工藝流程

原水→表曝池→除鐵濾柱→除錳濾柱→出水

2.3 工藝參數(shù)

采用表面曝氣池，平板葉輪。

除鐵濾柱共5個，分別裝填濾料：馬山錳砂（2個）、石英砂、錦西錳砂和無煙煤-石英砂雙層濾料。濾層厚度1000mm。

除錳濾柱共8個，分別裝填濾料：馬山錳砂、樂平錳砂、湘潭錳砂、錦西錳砂、無煙煤（6#濾柱）、石英砂和石灰石等。濾層厚度1500mm左右。濾料粒徑，無煙煤d=1.5-2.0mm，其余d=0.6-1.4mm。濾速7.5m/h，反沖洗強(qiáng)度：無煙煤、石英砂、石灰石為12-14L/（s·m²），錳砂為16-18L/（s·m²）。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

（1）曝氣效果良好，曝氣后溶解氧飽和度達(dá)60%-70%，CO₂散除率達(dá)76%-87%，H₂S散除率達(dá)76%-79%，pH由6.4-6.6提高到7.4-7.6。

（2）一次過濾除鐵效果良好，出水總鐵一直穩(wěn)定在0.1mg/L以下。工作周期一般為24h，但無煙煤-石英砂雙層濾料柱工作周期長達(dá)48h，較其他濾料工作周期延長了一倍。

（3）二級過濾，各種濾料均需經(jīng)歷一個成熟期，成熟期長短隨濾料不同而異。樂平錳砂36d，馬山錳砂51d，無煙煤為71d，石英砂和錦西錳砂為96d，成熟后的各種濾料均能穩(wěn)定地將[Mn²⁺]降至0.1mg/L以下。這表明，在試驗(yàn)水質(zhì)條件下，各種濾料在成熟后均起著錳質(zhì)活性濾膜載體的作用。試驗(yàn)中觀察到，無煙煤的工作周期長達(dá)6-8d，而其他濾料的工作周期只有4-6d。而且無煙煤的工作周期還可延長（水頭損失增長較慢），試驗(yàn)中怕濾層板結(jié)，影響試驗(yàn)，故人為地提前結(jié)束過濾周期。

試驗(yàn)結(jié)果表明，無煙煤單層濾料作為除錳濾料具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）成熟期較短，成熟后除錳效果良好。

（2）粒徑大d=1.5-2.0mm，孔隙率大，含污能力強(qiáng)。

（3）工作周期長達(dá)6-8d，表明整個濾層含污能力得到充分利用。

（4）無煙煤密度小，只需較小的反沖洗強(qiáng)度，節(jié)約反沖洗水量。

（5）易于篩分、易于裝填、易于管理。

3、無煙煤單層濾料用于地下水除鐵的生產(chǎn)實(shí)踐

以佳木斯市自來水公司的一座地下水除鐵除錳水廠（西郊水廠）為例。

3.1 原水水質(zhì)

[Mn²⁺]=0.4-1.0mg/L，[Fe]＜10mg/L，pH=6.7。

3.2 處理能力

處理能力為8萬m³/d。

3.3 處理工藝流程

原水→跌水曝氣池→除鐵濾池→曝氣塔→除錳濾池→出水

3.4 生產(chǎn)性試驗(yàn)

為了選擇濾料，1984年佳木斯自來水公司在該市四水廠進(jìn)行了以無煙煤為濾料的除鐵試驗(yàn)。濾池面積12.5m²，無煙煤濾料d=0.6-2.0mm，濾層厚度為1000mm，濾速7-10m/h，工作周期人為地控制在48h。試驗(yàn)運(yùn)行一個月，濾后水[Fe]一直穩(wěn)定在0.3mg/L以下，效果良好。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 佳木斯自來水公司試驗(yàn)結(jié)果

平均濾速/m/h	原水［Fe］/mg/L	濾后水［Fe］/mg/L	反沖強(qiáng)度/L（s·m2）	工作周期/h
11	12-14	0.3	12	36
10	12-14	0.2	12	40
9	12-14	＜0.2	12	48
8	12-14	＜0.1	12	＞50
7	12-14	0.05	12	＞50

試驗(yàn)期間，還與同期安裝的成熟錳砂濾料濾池進(jìn)行了各種濾速的穩(wěn)定工作時間的對比測試，結(jié)果見圖3。由圖3可知，在相同濾速條件下，無煙煤濾料的穩(wěn)定工作時間長于錳砂濾料，如濾速為10m/h時，無煙煤濾料的穩(wěn)定工作時間為30h，而錳砂濾料只有20h。

4、無煙煤單層濾料用于地面水除濁的生產(chǎn)實(shí)踐

美國洛杉磯水廠處理水量227萬m³/d，是美國同類水廠中較大、較先進(jìn)的設(shè)施之一。原水從內(nèi)華達(dá)西拉山區(qū)經(jīng)544km長距離輸水管道引至洛杉磯。處理工藝流程見圖4。由圖4可知，LAAFP是一個直接過濾水廠。

LAAFP原水水質(zhì)和出水水質(zhì)見表2。由表2可知，原水水質(zhì)較好，該水廠設(shè)計(jì)是以原水較高濁度15NTU為目標(biāo)的。為了精心設(shè)計(jì)這個水廠，洛杉磯市水電局進(jìn)行了大量的調(diào)查研究和生產(chǎn)測試，其中包括小試、中試和生產(chǎn)性試驗(yàn)，為選擇處理工藝流程和工藝參數(shù)，確定預(yù)氧化藥劑和混凝劑、助凝劑品種，選擇構(gòu)筑物型式和濾料等做了大量工作。但在此過程中原水濁度很少達(dá)到15NTU，常年原水濁度均在4NTU以下，出水濁度穩(wěn)定在0.1NTU以下，處理效果良好。

表2 LAAFP原水水質(zhì)和出水水質(zhì)

參數(shù)	進(jìn)水平均值	出水平均值
濁度/NTU	2.6	0.1
水溶礦物質(zhì)（TDS）/mg/L	100	100
溫度/℃	5-27
pH值	8.2	7.8
三鹵甲烷較大可能形成值（THMFP）/μ/g/L	90	60
總有機(jī)碳（TOC）/mg/L	1.5	1.1
溶解氧/mg/L	9.3	9.3
色度/度	4	1
總硬度/mg/L（以碳酸鈣計(jì)）	68	68
鈣/mg/L	21	21
鎂/mg/L	4.2	4.2
鈉/mg/L	29	29
鉀/mg/L	8.0	8.0
堿度/mg/L（以碳酸鈣計(jì)）	94	94
硫酸鹽/mg/L	20	20
氯化物/mg/L	13	16
硝酸鹽/mg/L	0.44	0.44
二氧化硅/mg/L	16	16
鐵/mg/L	0.01	0.01
硼/mg/L	0.42	0.42
氟化物/mg/L	0.56	0.56

在選擇濾料試驗(yàn)中，曾做過無煙煤單層濾料與無煙煤-石英砂雙層濾料處理效果的對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩者的出水水質(zhì)和過濾周期基本相同，但雙層濾料總是首先發(fā)生濁度穿透，而且要求較高的反沖洗強(qiáng)度。因而在生產(chǎn)設(shè)備中將粗無煙煤單層濾料選為較佳濾料。

該廠有普通快濾池24格，單池面積131m²，粗無煙煤濾料有效粒徑為1.5mm，不均勻系數(shù)1.5，濾層厚度1830mm，濾速33m/h。氣水反沖洗，較大氣洗強(qiáng)度和較大水洗強(qiáng)度均為73m³/（h·m²）（約為20L/（s·m²））。

LAAFP自1987年4月投產(chǎn)以來，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，處理效果良好，水廠管理水平很高。該水廠供水量占全洛杉磯市用水量的75%。是一個采用無煙煤單層濾料，直接過濾成功的典型。此外，該廠采用臭氧預(yù)氧化除嗅、除味、降低三鹵甲烷基質(zhì)（母體）也積累了不少值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

5、對無煙煤濾料的評價

無煙煤濾料一般由塊狀無煙煤破碎篩分而得，其性質(zhì)因產(chǎn)地不同而各異。無煙煤與石英砂、錳砂主要特性對比見表3。

表3 無煙煤與石英砂、錳砂主要特性對比

濾料品種	密度/kg/m3	堆積密度/kg/m3	孔隙率/%
無煙煤	1400-1900	700-1000	50-55
石英砂	2600-2650	1600	41
馬山錳砂	3600	1800	50
湘潭錳砂	3400	1700	50
錦西錳砂	3200	1600	50

根據(jù)試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐，將無煙煤單層濾料的優(yōu)點(diǎn)歸納如下：

（1）無煙煤濾料機(jī)械強(qiáng)度高，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。表面粗糙，有良好的吸附能力。試驗(yàn)研究及生產(chǎn)實(shí)踐表明，其除鐵、除錳、除濁的效果均較好。

（2）無煙煤濾料顆粒較粗（d=0.8-1.8 mm），孔隙率大（＞50%），有較高的含污能力。

（3）無煙煤密度較小。由于濾料市售產(chǎn)品均以單重（噸）計(jì)，所以無煙煤單位體積價格較石英砂、錳砂為低。亦因質(zhì)輕，所需反沖洗強(qiáng)度較低，一般為12-14L/（s·m²）。且易于清洗，反沖洗時間較短，一般為4-6min。因此可節(jié)省大量反沖洗水量及電能。

（4）由于濾層含污能力強(qiáng)，并能獲得充分利用，可大大延長工作周期，不僅工作穩(wěn)定，同時也是節(jié)省反沖洗水量的另一個原因。

（5）管理簡單方便，在施工中濾料篩分、裝填均較方便，大大縮短了工期，減輕了施工人員的勞動強(qiáng)度。