摘要：介绍均粒石英砂滤料快滤池的生产性试验与应用，在不改变滤池结构、反冲洗方法和操作习惯的条件下，仅将快滤池的传统滤层改为均粒石英砂滤层，产水量提高15%，而滤料层的费用仅增加7%。
过滤是净水工艺中较重要的处理单元之一，快滤池是过滤常用的过滤构筑物，至今己有100多年历史。提高滤池含污能力，即增加单位体积内滤料截留杂质（絮粒、粘土、藻类、细菌、病毒及其它胶体颗粒）的含量是快滤技术中的技术关键，也是水处理专家研究的热点之一。增加滤池含污能力主要有三个途径：①改变过滤水流方向，采用上向流过滤、双内流过滤，辐射流过滤以及连续过滤等方式；②改变过滤操作方法，采用微絮凝过滤，调整混凝剂品种及投加量、投加助滤剂等；③改变滤料成分及组成，采用不同容重滤料的双层及多层滤料过滤。如混合滤料、煤铝滤料、活性炭滤料、塑料滤料、陶粒滤料、粗砂滤料及均粒石英砂滤料等。
某自来水公司在净水厂试用均粒石英砂滤料，在不改变滤池结构、反冲洗方法和操作习惯的条件下，仅将快滤池的传统滤层改为均粒石英砂滤层，产水量提高了15%，而滤层的费用仅增加7%，获得显著的经济效益。均粒石英砂滤料颗粒粒径比较均匀，能较好克服表面堵塞的缺点，整个滤床共同承担截污作用，在保证水质条件下，具有滤速快、过滤周期长、水头损失增加慢等优点。用均粒石英砂滤料代替常规砂滤料，不需要改动滤池原有设备，也不需要改变原来操作习惯，仅需要改变砂滤料组成即可，因而较易推广。本文简要介绍了自来水公司在净水厂使用均粒石英砂滤料的试验及其应用情况。
1、常规滤料、均粒滤料及粗滤料
常规砂滤料是指现在大多数滤池所普遍采用的石英砂滤料，较小直径为0.45-0.5mm，较大直径为1.0-1.2mm；平均粒径de约为0.75mm，d10=0.5-0.55mm，d80=0.9-l.0mm，K80=1.5-2.0。
均粒滤料是指滤料粒径比较均匀，即滤料粒径不均匀系数以K80表示的数值比较小。但是究竟K80为多大即可称为均粒滤料，现在没有统一规定。从净水厂使用而言，K80越接近于1，过滤效能越好；从滤料厂加工而言，K80越接近于1，加工难度越大。笔者认为在K80＜1.4时，在滤池应用上才有实际效果。实际上加工到K80=1.3以下，加工费用并不需要增加很多。
粗砂滤料是指平均粒径比较大的石英砂滤料，平均粒径de至少应大于0.85mm。粗砂滤料可能是均粒滤料，也可能不是均粒滤料。采用粗砂滤料的滤池因为平均粒径de加大，往往有效粒径d10也随之加大，虽然滤池效能同样可以提高，但是它只能称为均质滤料，与均粒滤料概念不同。
2、生产性试验概况
某净水厂取河水，由DN600mm，DN500mm两条输水管线经泵站提升到净水厂。原水受污染较轻，浊度一般小于50度，冬季更低，仅有4-8度。净化混凝剂采用碱式氯化铝，消毒用液氯。
采用均粒石英砂滤料，粗粒石英砂滤料及常规石英砂滤料在净水厂进行了生产对比试验。
净水厂工艺流程见图1。
试验是在1号、2号及3号三组滤池同时进行的，滤池面积29m2。由于1号池是高位排水槽，更换为比较粗的均粒砂滤料；2号池是比较细的均粒砂滤料；3号池是常规砂滤料，粒径选择为d较小=0.5mm，d较大=1.1mm。全部滤料均采用石英滤料厂产品，具体情况见表1。
表1 试验滤池滤料情况
| 滤池号 | 滤层厚度/mm | d10/mm | d80/mm | K80 | 孔隙率/% | de/mm |
| 1 | 800 | 0.73 | 0.98 | 1.36 | 0.438 | 0.86 |
| 2 | 700 | 0.68 | 0.88 | 1.29 | 0.436 | 0.77 |
| 3 | 700 | 0.57 | 0.97 | 1.70 | 0.421 | 0.76 |
3、试验结果及讨论
在生产性试验中， 滤池运行均按照滤后水浊度低于1.5度调整滤速（一般滤后均为l度），并按照滤前浊度小于5度确定混凝剂投加量，三种滤池滤前水水质相同。试验数据见表2。
表2 滤池运行测定数据
| 原水温度/℃ | 原水平均温度/℃ | 滤池号 | 滤前水平均浊度/度 | 滤后水平均浊度/度 | 平均滤速/（m·h-1) | 起始水头损失/m | 期终水头损失/m | 过滤周期/h | 水头损失增长率/（m·h-1) |
| 4 | 4.5 | 1 | 3.4 | 1.02 | 12.17 | 1.00 | 2.50 | 20 | 0.075 |
| 2 | 4.0 | 0.96 | 11.39 | 0.90 | 2.40 | 15 | 0.100 | ||
| 3 | 4.0 | 0.97 | 9.90 | 0.92 | 2.54 | 13 | 0.124 | ||
| 22 | 18.0 | 1 | 3.5 | 0.57 | 12.29 | 0.60 | 2.60 | 50 | 0.040 |
| 2 | 3.4 | 0.63 | 11.89 | 0.80 | 2.76 | 25 | 0.079 | ||
| 3 | 3.6 | 0.58 | 9.82 | 0.78 | 2.50 | 21 | 0.082 | ||
| 24 | 21.0 | 1 | 4.7 | 0.61 | 11.62 | 0.90 | 2.72 | 44 | 0.041 |
| 2 | 4.6 | 0.44 | 11.42 | 0.96 | 2.50 | 29 | 0.053 | ||
| 3 | 4.6 | 0.68 | 9.95 | 0.60 | 2.58 | 22 | 0.090 |
3.1 粒径与过滤周期及滤速关系
3.1.1 水头损失
从表2可以看出，三个试验滤池水头损失增长率的顺序为：1号滤池＜2号滤池＜3号滤池。这说明无论是否采用均粒滤料，只需加大滤料粒径，水头损失增长速度就会减慢。在本次试验中1号滤池和2号滤池同为均粒滤料，由于1号滤池平均粒径大于2号滤池，因而1号滤池水头损失增长率减缓了很多。另外，表2的数据还可以看出，2号滤池与3号滤池平均粒径基本相同，但由于2号滤池d10＞3号滤池d10，所以3号滤池水头损失增长率低于3号滤池。这说明过滤水头损失受有效粒径d10影响很大，而且当d10相同时，水头损失也大致不变。
3.1.2 滤速
表2中各种滤池滤速的顺序为：1号滤池＞2号滤池＞3号滤池，而且1号滤池和2号滤池的滤速明显高于3号滤池。这说明滤料粒径越大，滤速也越大，均粒石英砂滤料滤池的滤速明显高于非均粒滤料滤池的滤速。试验结果表明，采用均粒滤料滤池的滤速可比非均粒滤料滤池滤速提高15%以上。另外还可以看出，2号池与3号池虽然平均粒径接近，但因为有效粒径不同，滤速有明显差异。当滤床厚度L及平均粒径de相同时，均粒滤料dl0越大，滤速也较大。
3.1.3 过滤周期
为了对比均粒滤料与非均粒滤料的滤速，在实验室进行了滤柱对比试验。滤柱直径135mm，滤料情况见表3。滤前水为澄清后的水，滤速由人工控制，过滤周期终止不是因为滤后水头损失达到上限，而是砂层穿透致使浊度超标（2度）而终止。试验结果见表4。
表3滤柱滤料粒径
| 滤柱号 | d10/mm | d80/mm | K80 |
| 1 | 0.661 | 1.018 | 1.54 |
| 2 | 0.809 | 0.967 | 1.20 |
表4滤柱过滤周期对比表
| 水温/℃ | 滤速/(m·h-1) | 滤柱号 | 过滤周期/h | 滤前水平均浊度/度 | 滤后水平均浊度/度 |
| 20 | 6 | 1 | 52 | 3.33 | 1.03 |
| 2 | 80 | 3.33 | 1.07 | ||
| 21 | 7 | 1 | 48 | 4.35 | 1.23 |
| 2 | 71 | 4.35 | 1.32 | ||
| 23 | 8 | 1 | 46 | 4.13 | 1.46 |
| 2 | 70 | 4.13 | 1.37 |
从试验结果看，均粒滤料的过滤周期明显高于非均粒滤料的过滤周期。这主要是由于均粒滤料下层粒径与上层滤料粒径接近，有利于截留悬浮物继续往下渗透，而非均粒滤料下层滤料粒径相对较大，表面滤料粒径较小，表层滤料截留后，下层滤料难以发挥作用。
3.2 粒径与反冲洗关系
3.2.1 冲洗强度
冲洗的关键是将滤料悬浮起来。因此，冲洗强度应以滤料中较大粒径的较小流态化流速为依据，才能保证滤层得到均匀冲洗。
只要底层滤料粒径不加大，无论是按不超过常规滤料较大粒径配成的均粒滤料（滤层平均粒径相应加大），还是按平均粒径配成均粒滤料，滤料中较大粒径全部小于或等于常规滤料较大粒径。这种滤池冲洗时，都不需要加大冲洗强度，可以按常规滤料滤池一样来确定冲洗强度。
均粒滤料全部滤层中粒径接近，不会发生为满足粗粒径滤料冲洗强度要求而造成细粒径滤料冲出滤池；也不会发生为避免细粒径滤料流失而减小冲洗强度，造成粗粒滤料不能完全流态化。
3.2.2 冲洗时间
均粒砂滤料滤池和平均粒径加大不多的粗滤料滤池的冲洗时间均没有特殊要求，与常规砂滤料滤池相比，仅冲洗时间由5-6min延长到6-8min。冲洗后滤池池面水浊度与常规砂滤池接近。
3.3 孔隙率和截泥量
3.3.1 孔隙率
各地石英砂的孔隙率不完全相同，它与滤料颗粒排列状况关系密切。均匀球状颗粒，因排列不同孔隙率在0.260-0.476之间变化。孔隙率与颗粒球状度关系也很大。实测的结果表明，对于同一厂家生产的滤料，均粒滤料与非均粒滤料孔隙率变化不是很大。我们采用的晋江石英砂滤料厂生产的石英砂，由福建省地方砂产建材检验所检验，粒径0.5-1.0mm，砂滤料孔隙率为0.421；均粒径砂滤料孔隙率为0.436-0.438。
3.3.2 截泥量
均粒滤料滤池的杂质能渗入砂层深处，杂质分布趋于均匀，不象在非均粒滤料滤层那样，只堵塞在滤床表面，因而均粒滤料在整个过滤周期中截泥量加大。对比实验的截泥量测定见表5，表中所列含泥量是砂层单位面积竖向含泥量的平均值。
表5 滤池截泥量
| 滤池号 | 含泥量/g·L-1 |
| 2 | 8.53 |
| 3 | 5.16 |
4、技术经济效益分析
4.1 均粒滤料产水量增长率
几年生产实践表明，采用均粒滤料可以提高滤池出水量，一般可提高滤池出水量15%以上，见表6。
表6均粒滤料产水量增加表
| 滤池号 | 过滤周期/h | 平均滤速/（m·h-1） | 过滤周期总滤水量/（m3·m-2） | 冲洗时间/min | 冲洗水量/（m3·m-2） | 制水量/（m3·（m-2·h-1）） | 增长率/% |
| 2 | 15 | 11.39 | 170.85 | 5.3 | 4.77 | 11.07 | 16 |
| 3 | 13 | 9.90 | 128.70 | 5.0 | 4.50 | 9.55 | |
| 2 | 25 | 11.89 | 297.25 | 7.0 | 7.02 | 11.61 | 18 |
| 3 | 21 | 9.82 | 206.22 | 6.1 | 5.01 | 9.58 | |
| 2 | 29 | 11.42 | 331.18 | 7.2 | 7.21 | 11.17 | 15 |
| 3 | 22 | 9.95 | 218.90 | 6.1 | 5.56 | 9.7 |
4.2 经济效益分析
滤砂费用大致由下列几项构成： 即滤料加工（筛砂）费、包装费、产地短途运费、火车运费、净水厂短途运费、滤池铺砂费用等。其中滤料厂加工筛砂费用约为总费用的20%，在滤料厂将石英砂加工为均粒滤料与加工为常规滤料加工费（劳务支出）增加有限。若以全部费用相比，两种滤料支付费用相差不足7%，水量则可增加15%。投入与产出相比，采用均粒滤料经济效益明显。若条件许可，采用粗砂均粒滤料，其经济效益更为可观。如果以滤池全部基本建设费用为基数，采用均粒滤料增加的费用不足l%。而水量则是以两位数的比例增加，经济效益更为显著。
5、结论
①滤料的有效粒径d10是影响过滤的主要因素之一。均粒滤料的d10大于平均粒径相同的非均粒滤料，因而滤池效率高。将常规砂滤料更换为平均粒径相同的均粒石英砂滤料，滤水能力可增加15%以上。
②均粒石英砂滤料不需变动滤池原有设备、冲洗方式、管理水平、技术水平和操作习惯等，因而较易推广，投入与产出相比，经济效益明显。
③如果条件允许，采用粗砂均粒滤料，d10增加，滤池效益将更显著。
