天津自來(lái)水公司
楊福才

　　提要：本文介紹了一種多用途哈伯瑞爾濾池，討論了其組成、構(gòu)造、濾料、生產(chǎn)情況等。這種濾池是一種可處理微量元素和有機(jī)污染物原水的多用途濾池。
　　關(guān)鍵詞：濾池　微量元素　有機(jī)污染　構(gòu)造　試驗(yàn)　生產(chǎn)運(yùn)行

　　1　概述

　　最近國(guó)外出現(xiàn)了一種新型高效的多種用途的上向流濾池。這種濾池有三種不同用途，即(1)新穎的上向流過(guò)濾作用的用途(Upflow filter)、(2)重過(guò)濾絮凝作用的用途(Refieloc Process)、(3)粉末活性炭(PAC)填入濾床吸附作用的用途(Pacefilt Precess)。這種濾池首先為德國(guó)給水工作者哈伯瑞爾(Klaus Haberer)提出和使用，為了有別于一般濾池，故稱為哈伯瑞爾濾池（下文簡(jiǎn)稱哈氏濾池）。
　　哈氏濾池能將必須用大量藥劑及特殊處理才能夠除掉的水中有機(jī)污染物和微量元素（包括鐵、錳）及藻類等物質(zhì)去除；占地空間很小；藥劑得到充分的發(fā)揮作用并節(jié)約大量藥劑，能耗減低；其處理構(gòu)筑物一般只有兩個(gè)園筒，一個(gè)是哈氏濾池，接續(xù)一個(gè)雙層濾池，并且在水質(zhì)不太惡劣時(shí)，可只用哈氏濾池就夠；不需要反應(yīng)絮凝設(shè)備，并能間斷使用，是一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)簡(jiǎn)易的可靠構(gòu)筑物；在不同情況下，還可以根據(jù)需要，用一種、兩種或綜合一起使用；哈氏濾池經(jīng)過(guò)模型濾池試驗(yàn)所得結(jié)果，一般可直接在生產(chǎn)濾池上應(yīng)用。

　　2　哈氏濾池構(gòu)成

　　哈氏濾池的三種不同用途的設(shè)施，根據(jù)各自情況，可以單獨(dú)使用，也可以合并一起使用，但必須有第一種過(guò)濾作用的設(shè)施。即可采用(1)、(1)+(2)、(1)+(3)和(1)+(2)+(3)設(shè)施。
　　2.1　采用(1)作用型式的上向過(guò)濾設(shè)施。
　　這種過(guò)濾設(shè)施為向上過(guò)濾、向下沖洗的上向流濾池，濾料采用比水比重輕而沒(méi)有毒性的堅(jiān)實(shí)的聚苯乙烯濾珠，這種濾珠可按要求制成均粒的最佳粒徑，它的好處是將壓實(shí)了的濾床變?yōu)橐夯癁V床，而不需要多耗能量。濾床上面設(shè)篩網(wǎng)，防止濾料流失。沖洗用濾床頂端上的噴咀板(nozzle plate)。由于向下沖洗去除濾料上雜物速度大，而不需要沖洗水泵或氣沖，沖洗時(shí)間只需5min以下（一般濾池沖洗時(shí)間要8min）。最引人注目的是在該濾池入口處的濾床底部設(shè)有進(jìn)口空間，其容積一般為濾床容積的30%，使重的絮凝體沉落在此處，減低了濾率過(guò)濾負(fù)擔(dān)，并節(jié)省了沖洗用水，由于濾料輕，比重25～100g/l，沖洗時(shí)可不設(shè)篩網(wǎng)，濾床下部也沒(méi)有支撐設(shè)施。該池濾床深度一般為1.0～1.5m，過(guò)濾速度10m/h，沖洗強(qiáng)度70-100m/h，濾珠粒徑1-2mm。
　　2.2　采用(1)+(2)作用型式的重過(guò)濾絮凝的過(guò)濾設(shè)施
　　具有這種工藝設(shè)施的上向流濾池主要使離開(kāi)濾床的一部分濾出水回到濾池重新過(guò)濾，使沒(méi)有活力的一部分懸浮絮體，回到原水中重復(fù)循環(huán)接觸過(guò)濾。重復(fù)循環(huán)比例一般為1.5-3，具有這種設(shè)施的濾池使用很成功，甚至必須用大量藥劑才能去除的濁度、藻類和有機(jī)物高度污染的水，也可用少量藥劑去除。一般為達(dá)到潔凈水的要求，還在此濾池后面，增加雙層濾池處理。當(dāng)然一般污染少的水也可不要雙層濾池設(shè)施。此池應(yīng)用時(shí)配以上向流濾池設(shè)施。該池濾料粒徑1.3-2.5mm、濾床高度1.5-2.0m、濾速6-16m/h。
　　2.3　采用(1)+(3)作用型式粉末活性炭(PAC)裝入濾床的過(guò)濾設(shè)施
　　這種濾池過(guò)濾方式是在上向流濾池濾床內(nèi)裝上PAC，以加強(qiáng)吸附雜物的作用。它是用再過(guò)濾水泵以高速度再循環(huán)的水，將PAC散于整個(gè)濾床上，接著在短期循環(huán)的階段，使PAC附著于聚苯乙烯濾珠的表面上。這個(gè)階段叫做調(diào)整狀態(tài)，也是PAC的一個(gè)極為有效的只附作用階段。所用PAC顆粒極小，僅為普通GAC顆粒的2%，約20um。PAC作用趨于飽和階段時(shí)就從濾珠脫離被帶來(lái)，而新投入的新鮮的PAC則不會(huì)帶走，這也是此種濾池的一大優(yōu)點(diǎn)。濾池基本參數(shù)為：濾珠粒徑1.0-2.0mm，濾床深度1.0m濾速5-20m/h，沒(méi)有重過(guò)濾設(shè)施。
　　此種過(guò)濾方式比GAC過(guò)濾的優(yōu)點(diǎn)是，它能以完全去除吸附性物質(zhì)包括吸附不良及游離性物質(zhì)；它能避免在進(jìn)水口中因雜物濃度降低或改變有機(jī)污染物成分的脫吸作用；它可與重過(guò)濾工藝在一起同時(shí)運(yùn)行，它能間斷運(yùn)轉(zhuǎn)；它比GAC過(guò)濾更有效或更經(jīng)濟(jì)；它的試驗(yàn)結(jié)果可直接在生產(chǎn)濾池使用。
　　2.4　采用(1)+(2)+(3)作用型式的哈式過(guò)濾設(shè)施
　　哈氏濾池是將三種工藝設(shè)施綜合到一個(gè)過(guò)濾構(gòu)筑物內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，使處理污染水達(dá)到最佳情況，這是哈伯瑞爾研究所得的關(guān)鍵所在。其優(yōu)點(diǎn)已在概述中提出。在此濾池中，PAC吸附能力不會(huì)受到濾池內(nèi)存在的絮體影響。然而也有一個(gè)問(wèn)題是濾池中存在絮體會(huì)縮短過(guò)濾周期，這時(shí)PAC仍有吸附能力，在此情況下就應(yīng)該讓PAC投入的量少一些。添加助濾劑可延長(zhǎng)過(guò)濾周期。具有8h的過(guò)濾周期，對(duì)PAC吸附和雜物分離很實(shí)用。該池基本數(shù)據(jù)為，濾珠徑1.0-2.0mm，濾床深度1.0-1.5m，濾速6.8m/h。

　　3　哈氏濾池的應(yīng)用

　　可根據(jù)不同用途采用。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，現(xiàn)按照濾池構(gòu)造、濾料等類別，綜合分述如下。
　　3.1　濾池構(gòu)造
　　一般都用園簡(jiǎn)式濾池。濾池頂端的噴咀板應(yīng)設(shè)計(jì)成保證能承受濾料的浮力和沖洗時(shí)有較小的水頭損失，噴咀板要有孔眼。反沖洗水要均勻分布，沖洗速度在70-100m/h之間。濾池高度至少為濾床深度的1.5倍。濾池進(jìn)口空間要有足夠使絮體形成的水流停留時(shí)間，空間進(jìn)口要設(shè)孔眼。絮凝劑借助靜力混合或水射器噴射使混合良好均勻。濾池下部做成錐形體，使沖洗時(shí)雜物容易除掉。由于濾珠有漂浮力，濾床下部不需設(shè)篩網(wǎng)。
　　3.2　濾料
　　聚苯乙烯濾珠比重為25-100g/l。濾珠的比重和等級(jí)決定濾珠漂浮程度。濾珠粒徑1-2mm、使用時(shí)堆比重40-50g/l。濾珠為一穩(wěn)定、密封細(xì)纖維的構(gòu)造，吸水作用極低。
　　用于填充PAC于上向流過(guò)濾的(1)+(3)pacefilt工藝的濾料粒徑在0.8-2.0mm之間，在(1)+(2)的Refifloc工藝中，當(dāng)大量懸浮顆粒再循環(huán)流動(dòng)時(shí)，粒徑為1.5-2.5mm之間，小顆粒濾料在濾料底層，所以底層作用范圍的顆粒組成，決定著過(guò)濾效果和需要的濾床深度。
　　3.3　運(yùn)轉(zhuǎn)
　　濾池過(guò)濾效率根據(jù)濾池構(gòu)造、過(guò)濾速度和重過(guò)濾比例而定。如果去除效率不夠好，就可以用重過(guò)濾方法改進(jìn)。
　　絮凝程序如不是優(yōu)選的，使重過(guò)濾比例在2-3之間，就可以幫助減少出水的濁度，還可以減少有機(jī)物質(zhì)。重過(guò)濾比例上限為水流速度決定，超過(guò)此限度，就會(huì)發(fā)生剪力，破壞絮體，造成濾池穿透。
　　在一些情況下，使用適當(dāng)?shù)闹齽┛梢院芎玫母纳菩躞w分離能力，提高過(guò)濾水質(zhì)且延長(zhǎng)過(guò)濾時(shí)間。濾池濾程是依據(jù)許多參數(shù)如濾珠顆粒直徑、原水水質(zhì)、混凝劑和絮體狀況而定，濾池過(guò)濾不要超過(guò)負(fù)荷，否則反沖洗比正常情況頻繁。
　　3.4　粉末活性炭
　　顆粒分布、比重和沉淀性質(zhì)、濕潤(rùn)度、吸附聚苯乙烯作用（表面性質(zhì)）和吸附能力等這些PAC性質(zhì)，對(duì)裝入PAC濾池特別重要。
　　粉末活性炭類型不同，深入濾床的深淺也不同，細(xì)小的PAC進(jìn)入濾床深，最適于應(yīng)用。PAC也有不適宜應(yīng)用的，這是因?yàn)檫@些PAC吸附性能差或是直沖洗不掉的困難。
　　濾池濾期長(zhǎng)短主要由炭的吸附性能決定，要緊的是用潔凈的水進(jìn)行試驗(yàn)，決定選用炭的特性和優(yōu)選的過(guò)濾速度。這種試驗(yàn)以小型的pacefilt設(shè)施，用較短的時(shí)間即運(yùn)轉(zhuǎn)到幾小時(shí)，最多兩天，得到有機(jī)微污染物的穿透曲線。試驗(yàn)得出PAC濾池的吸附能力、不同濾速的穿透狀態(tài)及除掉失效PAC的沖洗水強(qiáng)度等特性后，可將結(jié)果用于生產(chǎn)濾池。
　　3.5　調(diào)整
　　調(diào)整的意向是要向?yàn)V池裝入盡可能多的PAC數(shù)量，并為了補(bǔ)償那些失效的PAC，使裝入的PAC到濾池過(guò)濾達(dá)到極端水頭損失時(shí)，還能起到有效的吸附作用。由于大多數(shù)PAC在濾床底部最先部分吸附，故濾床深度選擇1.0m，足夠使用。
　　為了保證吸附能力達(dá)到最大利用的作用，裝入濾池的PAC在濾珠為1-2mm時(shí)，比重范圍在2.5-4.0g/l之間。足夠大的數(shù)量PAC對(duì)緩慢吸附腐殖酸最為重要。
　　在減少水頭損失上，應(yīng)使過(guò)濾速度盡可能的低。對(duì)于完全裝入濾床的PAC，必然會(huì)明顯的增加沉降速度無(wú)論如何再加大過(guò)濾速度是不能增加濾床深處的PAC分布或?yàn)V池吸附能力的，但延長(zhǎng)了調(diào)整時(shí)間。
　　第一階段或快速的最佳調(diào)整速度為30-35m/h，可有95-99%的PAC裝入濾床，隨后的慢速調(diào)整后，剩余的PAC也都裝入濾床。然后進(jìn)入運(yùn)行。
　　3.6　(1)+(2)Pacefilt工藝的特有情況
　　(1)+(2)工藝處理效率很大程度上是根據(jù)PAC附著的濾珠粒徑大小而定。特別是根據(jù)PAC吸附溶解有機(jī)物質(zhì)緩慢的情況而定。為了得到PAC吸附能力的全部發(fā)揮，濾青少年應(yīng)盡可能的小。最小粒徑取決于調(diào)整時(shí)期所引起的水頭損失而定。特別重要的是濾珠不應(yīng)有過(guò)小尺寸(<0.8mm)，否則堵塞濾池的危險(xiǎn)率極高。
　　濾池吸附床是由濾池中濾珠散布形成的，應(yīng)盡量使PAC裝入直徑為0.8-1.8mm(de=1.37)的濾珠濾床內(nèi)，可有60%的PAC都在濾床底部向上的第一個(gè)20cm濾支內(nèi)，濾床頂部大顆粒濾珠層僅含有相當(dāng)小的一部分PAC。
　　3.7　過(guò)濾速度
　　運(yùn)行時(shí)期，過(guò)濾速度需要調(diào)整到對(duì)于除掉雜物的PAC吸附能力要有很好的利用，這就必須做水處理流程試驗(yàn)，原因是吸附性物質(zhì)和活性炭類型變化很大。試驗(yàn)也用1.0m濾床進(jìn)行。對(duì)快速和易于吸附的化合物，濾速能夠增加到限定的最大速度，到達(dá)此速度(20m/h)，PAC顆粒開(kāi)始離開(kāi)濾池。
　　決定最佳濾速，需要把裝入濾池的PAC的炭量，特別是對(duì)有著吸附作用的PAC影響考慮上。
　　濾池反沖應(yīng)當(dāng)盡可能完全沖走失效的PAC，約有5個(gè)濾床體積的沖洗水就能沖走吸附達(dá)飽和的PAC。沖洗水頭在80-100m之間，沖洗時(shí)間3-5min，膨脹率25-30%，調(diào)整時(shí)間60min。

　　4　哈伯瑞爾生產(chǎn)濾池和模型濾池

　　4.1　生產(chǎn)濾池
　　德國(guó)威斯巴登市使用哈伯瑞爾濾池，以處理人工回灌地下水。德國(guó)Aachen地區(qū)也用以處理水庫(kù)水，兩個(gè)地方運(yùn)行的都很好。現(xiàn)著重的將威斯巴登建設(shè)的水廠予以介紹。
　　威斯巴登地區(qū)水廠建于1979年，日產(chǎn)水規(guī)模36000m3，處理工藝為哈伯瑞爾濾池（(1)+(2)+(3)工藝），目的為除鐵、錳、氨及有機(jī)污染物。濾池?cái)?shù)目6個(gè)，每個(gè)濾池直徑6m濾料為聚苯乙烯珠，濾珠粒徑1.0-2.0mm，濾床深度1.6-1.0m，濾速10m/h，重過(guò)濾比例最大1.6。沒(méi)有濾前處理設(shè)備。現(xiàn)仍在使用，效果很好。
　　該池使用就PAC作用來(lái)說(shuō)，就比GAC有著以下優(yōu)點(diǎn)。
　　(1)由于PAC的約兩倍吸附功能，PAC一聚苯乙烯珠濾池體積比GAC的可小一半。
　　(2)由于PAC失效排出，其儲(chǔ)量?jī)H為GAC儲(chǔ)量的1/10，并且還不需要再生設(shè)備。
　　(3)PAC能夠快速和多次替換，GAC不可能做到。另外不同類型的PAC可混在一處使用。
　　(4)失效的PAC可不長(zhǎng)期滯留在濾池內(nèi)，經(jīng)受脫吸作用，像GAC濾池有時(shí)發(fā)生的那樣。
　　(5)PAC根據(jù)意愿使用，GAC濾池在運(yùn)行當(dāng)中不打算用GAC時(shí)，不容易把GAC從濾池中拿掉不用。
　　4.2　模型濾池
　　世界各地為了使用這種多用途哈伯瑞爾濾池，有許多地方做了模型濾池試驗(yàn)，以期得到建設(shè)新廠的主要技術(shù)參數(shù)。其中美國(guó)對(duì)此種濾池甚感興趣，他們?cè)趲滋帍氖铝四Ｐ蜑V池試驗(yàn)。以設(shè)在希里夫港(shreveport.La)地方的模型濾池為例。
　　該模型濾池于1985年建立，提取Cross湖水，湖水天然有機(jī)物含量很高，采取了(1)+(2)+(3)的哈伯瑞爾過(guò)濾工藝處理，并加煤砂雙層濾池過(guò)濾。哈池濾柱及雙層濾池濾柱都為10.2cm直徑，哈池濾柱內(nèi)裝1.22m高、1-2mm粒徑的聚苯乙烯濾珠。（雙層濾池濾柱內(nèi)裝高30cm、d10=0.55mm砂粒及高61cm、d10=1.0mm無(wú)煙煤粒，下鋪石子墊層。模型濾柱過(guò)水量0.22l/s，兩個(gè)濾柱濾速都為10m/h，哈池濾柱空柱接觸時(shí)間7.5min）。哈池使用藥劑為硫酸鋁，劑量45-54mg/l，還有聚合物助濾劑，分別投加于哈池濾柱前，沒(méi)有在雙層濾池濾柱前投加過(guò)助濾劑。進(jìn)水流進(jìn)哈池濾柱底部空間有3.8min的停留時(shí)間，向哈池投入的PAC為25g，計(jì)算為每L濾料內(nèi)有2.5gPAC，PAC加到混合罐中成淤漿，被提升到哈池濾柱，以后再循環(huán)回到PAC罐中。在哈池濾柱試驗(yàn)中，PAC淤集以50-70m/h速度流動(dòng)約5min，再以10-20m/h速度流動(dòng)約另一個(gè)5min，于PAC附著于濾料以后，哈池濾柱開(kāi)始進(jìn)水運(yùn)轉(zhuǎn)。
　　哈池濾柱由高位水罐供給反沖洗水，水罐盛的是自來(lái)水，臨時(shí)接通送水至模型，沖洗沒(méi)有計(jì)量，但濾料膨脹率要25%，這種沖洗水強(qiáng)度至少有100m/h。雙層濾池濾柱也用自來(lái)水反沖，膨脹率50%。
　　試驗(yàn)得出，哈池濾柱內(nèi)裝有PAC，對(duì)濾柱中的水頭損失無(wú)甚影響。有個(gè)別裝有PAC的濾柱，水頭損失反小。哈池濾柱底部有約30%空間，絮體一直聚集到密度加大到上升流速勉強(qiáng)托起為止。結(jié)果是水流到達(dá)濾床前，就要通過(guò)相當(dāng)多的接觸絮體，其作用如同上升式淤漿接觸澄清池一樣。雖然這種接觸絮凝作用能與雜物絮凝得好些，特別是阻止雜物進(jìn)入濾床，并相應(yīng)地阻止濾柱水頭損失的快速增長(zhǎng)，但它不能抗擊濁度穿透濾床。
　　在試驗(yàn)中還得出，水流通過(guò)哈池有穿透現(xiàn)象，但經(jīng)過(guò)雙層濾池后，出水濁度不受影響。哈池濾床下面的絮體積累，顯示著哈池濾柱能有效處理高濁度水的重要機(jī)理。
　　試驗(yàn)得出，由于哈池濾柱的混凝作用，將原水含有THMFP（三鹵甲烷形成潛能）252與277ug/l減少為127與166ug/l，減低50與60%。而用同一原水的城市自來(lái)水，采用傳統(tǒng)處理方式，經(jīng)混凝沉淀處理后，水中的THMEP減少了64與17ug/l，減低了25與6.7%。城市自來(lái)水減低的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如哈池濾柱處理所減低的值，說(shuō)明用哈池混凝更有效果。模型濾池出水剩余鋁一般小于限定值0.05mg/l。在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)定的THMEP，在濾柱中使用26-29mg/l劑量的PAC，可得到7-31ugTHMFP的減少量，相當(dāng)于每gPAC有減少0.6-1.2ugTHMEP的效果。（模型試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖）

 

　　5　結(jié)　語(yǔ)

　　5.1　多種用途的哈伯瑞爾濾池認(rèn)為是目前國(guó)內(nèi)外使用的濾池中技術(shù)較高超，處理含有微量元素及有機(jī)污染物等難處理的原水較澈底的一種濾池，有著種種特點(diǎn)，為其他類型的濾池所無(wú)可比擬。在設(shè)備上，哈池一般只需要一個(gè)園筒構(gòu)筑物，必要時(shí)增加一個(gè)潔凈水的雙層濾池構(gòu)筑物等。
　　世界上在歐洲、非洲特別是德國(guó)用得較廣泛，美國(guó)也正在積極的進(jìn)行試驗(yàn)，以便在生產(chǎn)上使用。我國(guó)國(guó)內(nèi)工業(yè)發(fā)達(dá)的很快，城市人口越來(lái)越多，城市用水受化學(xué)物質(zhì)及有機(jī)物等污染也越來(lái)越嚴(yán)重，不是一般水處理設(shè)備所能解決的，特種處理方法也相當(dāng)麻煩，因此此種濾池應(yīng)予以重視。
　　5.2哈池所使用的高技術(shù)設(shè)施，可說(shuō)是在給水構(gòu)筑物應(yīng)用最多的一個(gè)。其有細(xì)小顆粒且粒徑一致的聚苯乙烯濾珠，有僅20um的PA，有過(guò)濾向上沖洗向下及在濾床下部空間絮凝的新型處理方法，有PAC附著濾料的吸附手段，還有循環(huán)接觸絮凝措施。這些都是很新穎的，也是在處理上有效率的。
　5.3　結(jié)合國(guó)內(nèi)情況，如果這種濾池得以應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)給水界應(yīng)是一個(gè)重大的發(fā)展。但要采用問(wèn)題還是很多的，如聚苯乙烯濾珠的制造，PAC的研究，哈池的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，由于哈池運(yùn)行設(shè)施，國(guó)內(nèi)還幾乎沒(méi)有，全靠自己制造、試驗(yàn)，也是不簡(jiǎn)單的。
　　5.4現(xiàn)在看來(lái)，哈池的采用應(yīng)是處理污染水的方向之一，認(rèn)為在深入了解后，確實(shí)能夠在給水發(fā)展上得到突破，應(yīng)該下一些力量，使此種濾池在國(guó)內(nèi)采用得以實(shí)現(xiàn)。

　　主要參考文獻(xiàn)
　　1　JAWWA　1991-9：“The Habererprocess;combining contact flocculation,filtration and PAC absorption”
　　2　JAWWA　1991-9：“Pilot testion the Haberer”