一、濾池類型及應用

在給水處理技術上，當前還是以常規水處理即混凝——沉淀——過濾處理為主，濾池是給水處理最后的一個程序（不包括消毒），尤其是處理飲用水更是最重要的一個關鍵環節，因此濾池處理始終是放在一個核心位置上。自應用快濾池以來，到現在已經100多年，用慢濾池的時間更長，在宏觀上還是在用著濾料過濾沒有變化。但在微觀上則改進很多，不論是在類型上或是在運行方式上都有著很大的變化。為便于敘述起見，本文僅限于談論濾池本身類型這個話題。

（一）濾池類型

在類型上濾池大體分為兩大類，即自上向下流動的重力式過濾池和自下向上流動的上向式過濾池，及另外一些其他類型的過濾池。

1、重力式濾池：
(1)單層濾池　包括砂濾池、深床濾池、均質濾池、煤濾池、硅藻土濾池、低水頭濾多、移動罩濾池、無閥濾池、虹吸濾池、連續過濾濾池等。
(2)多層濾池　包括雙層濾池、三層濾池、混合濾池、臭氧—活性炭生物濾池、陶粒濾池、煤鋁濾池等。
單層濾池或多層濾池都可應用的有兩級過濾濾池、直接過濾濾池、壓力濾池等。

2、上向流濾池　有反粒度濾池（接觸濾池）、雙向濾池、哈伯瑞爾濾池等。

3、其它類型濾池　有水平式過濾式的幅射式濾池、磁力分離過濾器等。

4、膜過濾濾池　最近膜過濾濾池是當前過濾最新的型式，有微濾(MF)、超濾(UF)和納諾過濾(NF)。

（二）重力式濾池的應用

國內外尤其是國內絕大部分水廠應用的還是重力式濾池。為了結合生產實際情況，便于說明問題，現僅就幾種主要常用的重力式濾池加以敘述。膜過濾濾池有著重要發展的前途，但國外用的不太多，用的也都是小規模的設施(<20000m3/d)，國內尚在探尋階段。上向流濾池雖有研究和應用的，但也只限于極小范圍采用，故都另作討論，不在本文談論內容。

1、單層重力式濾池

(1)普通快砂濾池　這是國內外最普遍使用的一種濾池，也是開始有快濾池以來最先使用的濾池。這種濾池濾層(L)一般為70—90cm，粒徑(d)0.45—1.0mm，有效粒徑(de)約為0.5—0.55mm，均勻系數(UC)約為1.3—1.4，濾速標準為5m/h。國內曾用過較大的濾速(8—10m/h)，目前為保證水質仍以用標準濾速或稍大濾速為宜。濾池設計以L/de控制，L/de≥1000，也有用L/d控制的，L/d≥800，這樣比例最為洽當。其中d=濾粒的平均粒徑。

(2)深床濾池　該濾池構造與普遍快濾池相同，但只顆粒粗，濾層厚，認為濾層厚度最低應超過1.0M，其主要優點為過濾速度快、水頭損失慢、過濾周期長。但由于顆粒粗，可能發生濁質漏泄的危險性大。顆粒粒徑以L/d或L/de獲得。L/d或L/de參數目前應用的與普通快濾池相等。認為國內提出的粗濾料濾池、均粒、均勻濾料濾池，只要是濾池在沖洗時處于流動狀態的，實際上都屬于深床濾池范疇。

(3)均質濾池
 這種濾池的濾床從上到下，個個剖面都有大、中、小粒徑的顆粒，它們各自的量相等或接近，這樣它們濾床上下方向的濾料孔隙率相同，而使濾床水的流態也相同，使濾池能更好地克服表面阻塞，絮體深入濾床，以達到濾出水量多、水質的效果，為了達到上述目的，最主要的一個因素是濾床不允許膨脹或是稍有微膨脹，使其始終保持原有填料時濾床濾池的原有狀態。這種濾池采用砂濾料，de=0.95－1.35mm，粒徑范圍0.7－2.0mm，均勻系數1.2－1.6或1.8，濾層厚度0.95－1.5m，也可再厚一些，濾速一般為8－10m/h。L/de或L/d與深床濾池相同。當前國內已有部分水廠使用，主要是由法國引入。

(4)煤濾池　這種濾池由于煤顆粒棱角多且吸附性強，所以過濾效果好，一般濾層1.8m，de=1.3mm，UC=1.5。這種濾池按道理講也應屬于粗濾料厚濾層范疇。這種濾池在美國洛杉磯已應用，其濾床深度1.8m，de=1.5mm，采用臭氧化和三氯化鐵、陽離子凝聚，直接過濾，正常濾速32.5m/h，過濾周期>30h（濾前水濁度低）。

(5)陶粒濾池　這種濾池是由俄國引入到國內的。它使用的陶粒為一種多孔材料，由熔化的粘土在快速培燒時膨脹制得，一般制成5－40mm徑炔狀物質，然后將以上塊狀物加以輾碎、篩選而得。它富有棱角表面積大，及機械強度和化學穩定性都合乎標準的特性，濾池的各種指標都與一般快濾池相同，濾速可達10－40m/h。

2、雙層重力式濾池

(1)雙層濾料濾池　主要是煤砂雙層濾料濾池，現國內外還是多數水廠應用。一般是砂粒徑0.5－1.0mm，de=0.55mm，UC=1.3－1.4，濾層厚30－40cm，煤粒徑1.0－2.0mm，de=1.1-1.2mm，UC=1.3－1.4，濾層厚30－40cm，總濾層厚70－90cm，濾速一般為10－12m/h，過濾周期不超過36h。L/de≥1000或L/d≥800，效率基本是砂濾池效率的一倍，水頭損失也小，過濾周期也比較小。該濾池煤濾料貨源易得，控制方便，國內個別地方有煤濾料流失較多現象。2000年技術進步發展規劃推薦為首先考慮使用的濾池之一。

(2)三層濾池　濾料為煤、砂、石榴石，粒徑分別為0.8－2.0，0.5－0.8，0.25－0.5mm，總厚度為75cm，三者厚度分別占60－65%、25－45%、5－10%，為42、23.7cm，濾速在初濾時可為一般快濾池的3倍，煤砂雙層濾池的2倍。但隨后濾速降低，此種濾池過濾周期較短。根據有關資料稱，其總濾出水量不及雙層濾池，且濾層有阻塞現象，石榴石價格高，也有流失情況。

(3)混合濾料濾池　這種形式的濾池是由混合在一起的濾料組成。濾料亦為煤、砂、石榴石，所占濾層比例為60%、30%、10%，配比為煤1－2mm，60cm砂0.6－0.8m/m，22.5cm；石榴石0.4－0.8mm，7.5cm，總厚度90cm，三種濾料摻合在一起，但上層煤粒多、中層砂粒多、下層石榴石多，其L/d或L/de與雙層濾池相同。這種類型不是三層濾池。據報告稱它截污強，效果比三層濾池好，曾與雙層濾池做過對比試驗，在效果上各有優點，實際上相差無幾。

(4)兩級濾池　這種處理方式為只用濾池，而不需要正式沉淀池，第一組為粗濾池，第二級為煤砂雙層濾池。兩級濾池分為兩種類型。第一種類型為處理濁度大、水質不好的原水的，流程為原水一閃爍混合－絮凝－短時簡易沉淀－第一級過濾－第二級過濾。這種類型的第一級濾池濾料de=6－20mm、厚度550－750mm。第二種類型為處理一般水質濁度不大的原水的，流程為原水－閃爍混合－第一級過濾－第二級過濾，這種類型的第一級濾池濾料為3－5mm，厚度1500－2500mm。兩者的第一級濾池濾速皆可達到25－40m/h。這兩種濾池的第一級濾池因所用濾料直徑不易反沖，通常用氣水沖洗。第二級濾池因為是煤－砂雙層濾池，濾速通常為8m/h或多些。現在這種濾池在國外引起使用興趣，國內還不多見。

(5)臭氧－生物活性炭濾池(O3+BAC)此種濾池是利用活性炭的吸附量并采用臭氧消毒的技術。試驗表明如果水中含有充分的溶解氧，活性炭濾床有細菌孽生，產生生物活性，使得以去除水中有機物。在活性炭前加臭氧，增加生物活性炭活性。O3+BAC有著大量去除合成和天然有機物、溶解無機物及鐵、錳、味、嗅的效果。生物活性炭濾池比活性炭濾池使用壽命增加2－9倍，O3+BAC濾池使用壽命更長，一般一次可使用5年。O3+BAC受活性炭濾層厚度、溫度及去除氨氮的影響。不足處是生物膜由濾料中脫落，有進入清水庫中的可能性，對水質有損害。O3+BAC煤一砂雙層濾池的濾層、濾料尺寸等都與雙層煤－砂濾池相符。

二、濾池應用的幾個問題

1、濾床厚度與粒徑比例

曾在世界各地一些水廠做過調查，無論單層、多層濾池，L/d都在800左右，同時根據各水廠生產所得運行數據，得出L/de在1000左右。這兩個數據對于控制濾床厚度有決定性的意義。現在國內從事給水工作者都已開始注意。2000年技術進步發展規劃提出改善過濾效果關鍵之一是L/d等于或稍大于800，這是很及時的。最近國外有關給水專家提出新的建議，認為用于快砂濾池或標準雙層濾池濾床L/de≥1000，用于粗濾料深濾床的濾床L/de≥1300，用于三層濾池的濾床L/de≥1300，這是多層濾池和粗濾料深濾床濾池一般都加少量聚合物助濾劑的要求。如果不加助濾劑，L/de比例至少再增加25%。從此意見看，濾床厚度比以前要求加大了，這恐怕由于目前原水有機物、微生物等都比以前種類及數量加多，更不容易處理的原故。國內絕大多數濾池不加助濾劑，因此為控制濾出水水質，L/de或L/d數據更需加大，以保證濾出水水質。

2、沖洗壓力與沖洗強度

沖洗壓力大小對于潔凈濾料有很大的關系，沖洗壓力變化極為影響沖洗強度。以天津某水廠為例。該水廠使用雙層濾池，曾做過計算，當水溫為20°時，沖洗強度Um=0.76m/min，沖洗水塔水位一般下降2m，此時U下降到0.62m/min，變化率為18.4%，當Um=0.76m/min時，膨脹率e=34%；而U=0.62m/min時，e=23%，兩者的e相差50%。如果水位下降1m，U下降為0.69m/min，變化率為9%，e=28.5%，兩者相差為19.2%。這是對外部沖洗管長度長及大阻力沖洗系統而言。如外部管道長度短又是小阻力系統，可以想到沖洗強度差距更大，沖洗膨脹率變化也更巨。日本設施設計指南提出濾池沖洗水塔要淺，表面積要大是有道理的，這樣在沖洗時水位變化小，沖洗強度降低也少，以保持沖洗效果，節省沖洗大量。目前大多數水廠不注意此問題，而致造成沖洗效果不合理想，而致浪費水量是不值得的。

3、多層濾池沖洗與濾料臨界流速

多層濾池在沖洗時應該保持各濾料沖起膨脹率的一致性。所以濾池的各濾粒顆粒粒徑和比重要互相匹配及保持相同的臨界流速。如果不這樣，會引起沖洗不徹底、濾層混雜及濾料流失，這是應該極端注意的問題。以雙層濾池為例，可用鈴間川村提出公式求得以上關系。

d1/d2=(p2-p)/(p1-p)0.667

式中　d1、d2：分別為煤、砂的有效粒徑；
　　　　　p1、p2：分別為煤、砂比重；
　　　　　p=水的比重為1
　　并根據下式求得Vs、Va(Vs=Va)
　　　　Vs=10ds
　　　　Va=4.7ds
　　式中　Vs、Va：分別為煤、砂沖洗強度(m/min)
　　　　　da、ds：分別為煤、砂的d60(mm)

天津曾以此公式試驗所得數據和其他設定數值試驗所得數據比較，以上述公式所得結果最佳。這個公式很重要，水廠采用雙層濾池時則往往忽略，應引起特別注意，不然會使過濾效果不好。三層濾池所需數據也應同樣用此辦法。

4、墊層均勻性

濾池中的墊層問題，往往為給水工作者所忽略，尤其是目前為了減低濾池高度，常常把墊層高度、墊層礫石級配及礫石大小減低或減小，這是不合理的。要知道墊層主要作用為削減沖洗水的不均勻性。舉例說60cm石英砂濾層反沖時，如果沖洗水在濾池底部不能全部均勻分配，則通過這60cm厚濾料的水頭阻力時，就在墊層中成橫向推力，力圖使上升流趨于平衡。如果這個60砂層的水頭阻力成為一個流速水頭潛力，它就能在濾床的某一點上，造成一個超過3.5m/s的向上流速，這個流速通常是液化濾床的60cm/min上向流速的350倍。如果上向流通過濾化床流動不均勻，就會有擾動墊層潛在危險。在砂石交界處造成射流作用的另一個因素是加大了在液化床中沖起礫石的可能性。例如液化床砂的膨脹率為20%，膨脹前空隙率為43%，既原有濾床有57%砂子。當膨脹到原體積的120%時，砂子體積比變成47.5%，水為52.5%，液化床平均密度為1.784，同時淹沒的礫石密度減到2.65－1.00=1.65，礫石比重小于液化床平均比重，礫石會有所移動。

墊層要有一定的高度，一定的分級級配及礫石要有一定的大小，主要為了保持沖洗水流的均勻性，硬性改變是不洽當的。要想改變濾層，必須有相應的措施，不然會造成沖洗不良效果。最近很多水廠采用小阻力系統，減薄墊層，但必須使上流水均勻，否則會使沖洗效果變壞，以致造成濾池不能使用的后果。

5、沖洗和輔助沖洗

在國外一般印象是，通常情況下如果濾池濾床沒有表面沖洗和／或空氣搓洗等輔助設施，不能有效的將濾池沖洗干凈。他們認定近些年來出版的刊物給人這樣一個印象，即空氣搓洗是唯一洗凈濾池的方法。但事實不是這樣，在美國就有少數的例子，于濾池使用聚合助濾劑情況下，盡管有空氣搓洗措施，在濾床中部和底部還是有顯著的泥球形成。他們建議在應用濾池時，其水頭損失超過1.8m或過濾周期大于48h的情況，無論何時都要空氣搓洗與表面沖洗合用，以打碎濾床頂部5－10cm的壓實濾料，不使結成泥塊。從國外實際生產的例子看，表面沖洗比空氣搓洗，造成濾床積泥少，因此應當重視表面沖洗。

在沖洗表面，國內外文章很多討論此問題。國內由用大量水沖洗逐漸改用氣、水沖洗，效果是可以的，法國提出濾層不膨脹氣、水沖洗，雖然在法國使用已有多年經驗，現在國內也在興起采用此種方法，但認為需待進一步使用后做評定。

6、過濾周期

濾池一般要求過濾周期長，以使多濾出水量。但過濾周期過長，會引起濾層內有機物積累和菌類群增長，導致出水出現嗅味，以及濾池有難以除掉的粘滯物增長，并還導致濾層擠壓，增加沖洗麻煩。通過實踐，認為過濾周期以不大于24h為宜，最多不超過36h。且濾速超過24h，濾出水也增加不多。增加濾出水量要增加濾速，這就需主要是降低濾前水濁度，據有關資料稱，濾前水濁度降低20%，濾速就能增長1倍。

7、間歇過濾

有一些水廠操作人員采用間歇過濾方法，而不用連續過濾方法。國外有資料稱，間歇過濾方法對所有濾池處理包括起始過濾，都會產生重大的水力沖擊，還會促進微生物生長。如果有這種情況發生，須停止此種運行方式，采取重新循環過濾方法解決。國內在供水量過大的情況下，一般常使用間歇過濾方法，應當注意這個問題。

8、三層濾池使用

三層濾池運行初期過濾速度高于單層濾池及雙層濾池，但從所得資料得知，三層濾池有三個明顯的缺點，即(1)起始過濾水頭損失大，過濾周期短；(2)多數生產例子指出石榴石會丟失；(3)石榴石比之煤濾料價格要高很多。另外三層濾池周期總濾水量不如雙層煤砂濾池，且易堵塞濾池。國內一度推行三層濾池，但由于以上所談的不足，在應用上很有再探討的必要。實際上三層濾池只是在底層多加了一層細的石榴石，對濾出水濁度改善不多，卻顯著地增加了水頭損失，在造價上和管理維護上不如雙層濾池，因此考慮采用此種濾種時應用慎重。

9、濾池濾料有效直徑和均勻系數

濾池濾料兩個主要參數是有效直徑(d10)和均勻系數(UC)。d10指的是濾床濾料10%重的粒徑，其過水阻力比之其他百分數重的粒徑起的作用大。d60指的是60%粒徑重的濾料，它在實用觀點上似乎是濾料最合乎邏輯的代表直徑，不僅d60是顆粒數量級配的模式，而從UC來看d60對多數濾料都是相當合適的。所以一般UC用d60/ d10來控制。在理論上UC小一些好。日本水道設施指南、解說要求砂濾料UC為1.3，認為再小篩分不易。煤濾料系無煙煤磨碎篩分而成，也不容易篩分的太細，且篩分的過細損失煤料太多（陶粒濾料也是如此）。所以這些濾料UC也只能最大限度到1.3。要想使UC再減少，甚至到達1.0，可用塑料制造，目前國外已有應用。但如果濾料粒徑都成為一樣，對攔阻濁質上可能有影響，濁質易于穿透，這也是應當注意的。

有主張以占90%濾料重顆粒粒徑來代替60%的。這樣UCd90/ d10=1.7，因為d90粒徑比之d60的大40－50%。但合理設計標準是UC低（即1.3－1.4），這樣會使濾池運行相宜，比液化粗濾料要求的沖洗強度低，且可減少混雜。UC=1.4時，d90的僅比d60的大25%；UC=1.2時，d90的比之d60的，只相差10－15%。一般認為采用d60，有以下三個原因：(1)濾料規定采用d60和d10，UC容易計算，(2)UC用低指標，d60和d90相差不顯著，(3)50年來一直用d60這個指標。從以上議論來看，蘇聯規定的( d80/ d10)指標，似乎不如d60/ d10更為合理和實用。

10、多層濾池輕質濾料流失

多層濾池的優點很多，但唯一遺憾的是大量丟失濾料。事實上并非如此，筆者曾于60年代在天津從事煤一砂雙層濾料池科研項目工作兩年之久。在模型試驗中，觀察到沖洗煤濾料剛一越過排水槽底，因過水斷面突然縮小，即有煤粒上躍。沖洗高度加大跳動煤粒加多，可以看到煤粒順著排水槽兩側個別流失；再稍加高一些，煤粒突然大量跳出流到排水槽。從本試驗看到，膨脹面超過槽底一定距離（在本試驗中超過槽底17cm），即膨脹面距模型排水槽頂30－40cm可以不跑濾料。根據本試驗，在生產實踐當中，采取了一些解決辦法，即在沖洗前將濾池水位降到距濾層頂部15cm。沖洗時先緩開沖洗閘徐徐將水托起，注意此時一定要將濾池內氣體全部托出，當沖洗水流到排水槽內時，就不要再跑出氣體，只有黃泥湯。這時再用設計的沖洗強度沖洗，這種方法收到了效果。特別注意沖洗待洗的第一個濾池，一定在沖洗水流入排入槽以前，要將池內氣體徹底排凈。筆者實驗所用生產濾池排水槽距濾層頂部距離較短，特別易于跑煤，但筆者試驗了一年，只有極少煤料丟失。從研究當中可以肯定，多層濾池輕質濾料跑失現象是可以避免的，跑煤問題在于管理不認真所致，個別的由于設計考慮不周而成。在生產中操作人不是由習慣操作不當或就是圖省事不按操作要求辦事，只降水到排水槽頂，在反沖時不先將池內氣體，于沖洗水流到排水槽頂時排凈，而致流失大量濾料。當然單層濾池操作不當也會產生濾料流失結果。

11、運行評估

一般由濾出水水質（濁度、顆粒計數）和運轉周期對運行評估。目前還是用砂芯取樣檢驗方法作為主要評估手段。砂芯所取砂樣提供給操作人員濾池沖洗前后沉積砂上絮體分布和濾床縱斷濾料粒徑和均勻情況。聚集在濾床頂部細小雜質，能很容易地從所得數據圖表和記錄儀表上得知，進而決定是否應當沖洗。濾池沖洗效果的真正讀數，幅射的濁度不能提出。然而對濾出水所含雜質粒徑范圍的分析方法，則是對濾出水水質控制的可貴監測手段，因為它給予操作人員察覺濾池濁度穿透的一個警告。

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