提要：介绍了在不同条件下无烟煤单层滤料除铁、除锰、除浊的试验和生产实践，并与锰砂除铁、除锰、无烟煤-石英砂双层滤料处理进行了对比试验。结果表明无烟煤单层滤料的除铁、除锰、除浊效果均较好，且其含污能力强，密度较小，可节省反冲洗水量及电能。
前言
给水工程中，滤池的优化设计是以滤池运行处于较佳工作条件为原则。为此可调整各种工艺参数，使滤池的压力周期等于它的水质周期。以调整滤层厚度为例，增加滤层厚度会提高整个滤层的含污能力，延长水质周期。但滤层水头损失也相应增加，从而缩短了压力周期。如果通过试验做出水质周期和压力周期与滤层厚度的关系曲线（见图1），则两条曲线相交点便是滤池较佳工作条件，对应的滤层厚度就是较佳滤层厚度。实践中，常增加一定的厚度，避免出现水质周期小于压力周期的现象。
然而，由于滤池构造所限，滤层厚度增加也是有限的。实际情况要复杂得多，许多因素都影响着滤池的工作条件。所以，增加滤层厚度是否能保证整个滤层含污能力被充分利用，还要做具体分析。
1、石英砂单层滤料除铁滤柱[Fe]轴向分布
我院曾采用石英砂单层滤料做除铁试验，滤柱采用D=100mm透明有机玻璃管，石英砂滤料d=0.6-1.2mm，滤层厚度1000-1500mm，滤速8m/h，反冲洗强度12-14L/（s·m2）。原水含铁量10-12mg/L，滤后水含铁量＜0.3mg/L。测定滤柱铁离子浓度沿轴向分布并绘制曲线，见图2。由图2可知，铁离子主要是在上层约300mm范围内被去除的，相应工作周期只有8h。
可见，大部分滤层含污能力未被充分利用。试验中观察：每次反冲洗结束，回落到滤层较上部的是细小的颗粒和破碎的铁质氧化物，厚度约80-150mm，其比表面积大、孔隙率小、附着物镜检微生物十分活跃，具有较强的吸附氧化能力，致使大部分铁质在此层被去除。但滤层也因此很快被堵塞，到达期终水头损失值，迫使周期结束，不得不进行反冲洗。
据调查，在利用石英砂单层滤料进行地面水除浊时也有类似情况。可见，在滤层厚度确定以后，如何使整个滤层含污能力充分发挥作用至关重要。无烟煤-石英砂双层滤料滤池因其显而易见的优点—含污能力强，而广泛地应用于给水处理工艺中。现今甚至研制三层滤料滤池，以期更大程度地利用整个滤层的含污能力。这是石英砂单层滤料所无法比拟的。
但是，有利必有弊，双层滤料、三层滤料滤池也有其不足之处：
（1）滤层构造复杂。
（2）对各层滤料筛分要求准确，操作麻烦，如级配不当，投产后常有煤砂混杂现象发生。
（3）施工中，对垫层、各层滤料装填要求严格，操作也麻烦。使用中，滤层一旦翻混或定期更换滤料更是令人头疼。
（4）运行中要求更高的管理水平。如管理不当，反冲洗强度控制不好，会产生无烟煤严重流失现象。要经常补充新的滤料。
为此，人们又进行了新的探索和大胆的实践，以期寻求一种新的滤料，它既具有单层石英砂滤料和煤-砂双层滤料的优点，又避免了它们的不足，无烟煤单层滤料就是其中之一。
2、无烟煤单层滤料用于地下水除锰的试验研究
采用各种滤料进行地下水除铁除锰试验研究，以便为修订编制《城市给水设计规范》有关章节提供科学依据。
2.1 原水（深井）水质
[Mn2+]=9.3mg/L，[Fe]总=14mg/L，pH=6.5。
2.2 处理工艺流程
原水→表曝池→除铁滤柱→除锰滤柱→出水
2.3 工艺参数
采用表面曝气池，平板叶轮。
除铁滤柱共5个，分别装填滤料：马山锰砂（2个）、石英砂、锦西锰砂和无烟煤-石英砂双层滤料。滤层厚度1000mm。
除锰滤柱共8个，分别装填滤料：马山锰砂、乐平锰砂、湘潭锰砂、锦西锰砂、无烟煤（6#滤柱）、石英砂和石灰石等。滤层厚度1500mm左右。滤料粒径，无烟煤d=1.5-2.0mm，其余d=0.6-1.4mm。滤速7.5m/h，反冲洗强度：无烟煤、石英砂、石灰石为12-14L/（s·m2），锰砂为16-18L/（s·m2）。
2.4 试验结果
（1）曝气效果良好，曝气后溶解氧饱和度达60%-70%，CO2散除率达76%-87%，H2S散除率达76%-79%，pH由6.4-6.6提高到7.4-7.6。
（2）一次过滤除铁效果良好，出水总铁一直稳定在0.1mg/L以下。工作周期一般为24h，但无烟煤-石英砂双层滤料柱工作周期长达48h，较其他滤料工作周期延长了一倍。
（3）二级过滤，各种滤料均需经历一个成熟期，成熟期长短随滤料不同而异。乐平锰砂36d，马山锰砂51d，无烟煤为71d，石英砂和锦西锰砂为96d，成熟后的各种滤料均能稳定地将[Mn2+]降至0.1mg/L以下。这表明，在试验水质条件下，各种滤料在成熟后均起着锰质活性滤膜载体的作用。试验中观察到，无烟煤的工作周期长达6-8d，而其他滤料的工作周期只有4-6d。而且无烟煤的工作周期还可延长（水头损失增长较慢），试验中怕滤层板结，影响试验，故人为地提前结束过滤周期。
试验结果表明，无烟煤单层滤料作为除锰滤料具有以下优点。
（1）成熟期较短，成熟后除锰效果良好。
（2）粒径大d=1.5-2.0mm，孔隙率大，含污能力强。
（3）工作周期长达6-8d，表明整个滤层含污能力得到充分利用。
（4）无烟煤密度小，只需较小的反冲洗强度，节约反冲洗水量。
（5）易于筛分、易于装填、易于管理。
3、无烟煤单层滤料用于地下水除铁的生产实践
以佳木斯市自来水公司的一座地下水除铁除锰水厂（西郊水厂）为例。
3.1 原水水质
[Mn2+]=0.4-1.0mg/L，[Fe]＜10mg/L，pH=6.7。
3.2 处理能力
处理能力为8万m3/d。
3.3 处理工艺流程
原水→跌水曝气池→除铁滤池→曝气塔→除锰滤池→出水
3.4 生产性试验
为了选择滤料，1984年佳木斯自来水公司在该市四水厂进行了以无烟煤为滤料的除铁试验。滤池面积12.5m2，无烟煤滤料d=0.6-2.0mm，滤层厚度为1000mm，滤速7-10m/h，工作周期人为地控制在48h。试验运行一个月，滤后水[Fe]一直稳定在0.3mg/L以下，效果良好。试验结果见表1。
表1 佳木斯自来水公司试验结果
| 平均滤速/m/h | 原水［Fe］/mg/L | 滤后水［Fe］/mg/L | 反冲强度/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 |
试验期间，还与同期安装的成熟锰砂滤料滤池进行了各种滤速的稳定工作时间的对比测试，结果见图3。由图3可知，在相同滤速条件下，无烟煤滤料的稳定工作时间长于锰砂滤料，如滤速为10m/h时，无烟煤滤料的稳定工作时间为30h，而锰砂滤料只有20h。
4、无烟煤单层滤料用于地面水除浊的生产实践
美国洛杉矶水厂处理水量227万m3/d，是美国同类水厂中较大、较先进的设施之一。原水从内华达西拉山区经544km长距离输水管道引至洛杉矶。处理工艺流程见图4。由图4可知，LAAFP是一个直接过滤水厂。
LAAFP原水水质和出水水质见表2。由表2可知，原水水质较好，该水厂设计是以原水较高浊度15NTU为目标的。为了精心设计这个水厂，洛杉矶市水电局进行了大量的调查研究和生产测试，其中包括小试、中试和生产性试验，为选择处理工艺流程和工艺参数，确定预氧化药剂和混凝剂、助凝剂品种，选择构筑物型式和滤料等做了大量工作。但在此过程中原水浊度很少达到15NTU，常年原水浊度均在4NTU以下，出水浊度稳定在0.1NTU以下，处理效果良好。
表2 LAAFP原水水质和出水水质
| 参数 | 进水平均值 | 出水平均值 |
| 浊度/NTU | 2.6 | 0.1 |
| 水溶矿物质（TDS）/mg/L | 100 | 100 |
| 温度/℃ | 5-27 | |
| pH值 | 8.2 | 7.8 |
| 三卤甲烷较大可能形成值（THMFP）/μ/g/L | 90 | 60 |
| 总有机碳（TOC）/mg/L | 1.5 | 1.1 |
| 溶解氧/mg/L | 9.3 | 9.3 |
| 色度/度 | 4 | 1 |
| 总硬度/mg/L（以碳酸钙计） | 68 | 68 |
| 钙/mg/L | 21 | 21 |
| 镁/mg/L | 4.2 | 4.2 |
| 钠/mg/L | 29 | 29 |
| 钾/mg/L | 8.0 | 8.0 |
| 碱度/mg/L（以碳酸钙计） | 94 | 94 |
| 硫酸盐/mg/L | 20 | 20 |
| 氯化物/mg/L | 13 | 16 |
| 硝酸盐/mg/L | 0.44 | 0.44 |
| 二氧化硅/mg/L | 16 | 16 |
| 铁/mg/L | 0.01 | 0.01 |
| 硼/mg/L | 0.42 | 0.42 |
| 氟化物/mg/L | 0.56 | 0.56 |
在选择滤料试验中，曾做过无烟煤单层滤料与无烟煤-石英砂双层滤料处理效果的对比试验，发现两者的出水水质和过滤周期基本相同，但双层滤料总是首先发生浊度穿透，而且要求较高的反冲洗强度。因而在生产设备中将粗无烟煤单层滤料选为较佳滤料。
该厂有普通快滤池24格，单池面积131m2，粗无烟煤滤料有效粒径为1.5mm，不均匀系数1.5，滤层厚度1830mm，滤速33m/h。气水反冲洗，较大气洗强度和较大水洗强度均为73m3/（h·m2）（约为20L/（s·m2））。
LAAFP自1987年4月投产以来，运转稳定，处理效果良好，水厂管理水平很高。该水厂供水量占全洛杉矶市用水量的75%。是一个采用无烟煤单层滤料，直接过滤成功的典型。此外，该厂采用臭氧预氧化除嗅、除味、降低三卤甲烷基质（母体）也积累了不少值得借鉴的经验。
5、对无烟煤滤料的评价
无烟煤滤料一般由块状无烟煤破碎筛分而得，其性质因产地不同而各异。无烟煤与石英砂、锰砂主要特性对比见表3。
表3 无烟煤与石英砂、锰砂主要特性对比
| 滤料品种 | 密度/kg/m3 | 堆积密度/kg/m3 | 孔隙率/% |
| 无烟煤 | 1400-1900 | 700-1000 | 50-55 |
| 石英砂 | 2600-2650 | 1600 | 41 |
| 马山锰砂 | 3600 | 1800 | 50 |
| 湘潭锰砂 | 3400 | 1700 | 50 |
| 锦西锰砂 | 3200 | 1600 | 50 |
根据试验研究和生产实践，将无烟煤单层滤料的优点归纳如下：
（1）无烟煤滤料机械强度高，有良好的化学稳定性。表面粗糙，有良好的吸附能力。试验研究及生产实践表明，其除铁、除锰、除浊的效果均较好。
（2）无烟煤滤料颗粒较粗（d=0.8-1.8 mm），孔隙率大（＞50%），有较高的含污能力。
（3）无烟煤密度较小。由于滤料市售产品均以单重（吨）计，所以无烟煤单位体积价格较石英砂、锰砂为低。亦因质轻，所需反冲洗强度较低，一般为12-14L/（s·m2）。且易于清洗，反冲洗时间较短，一般为4-6min。因此可节省大量反冲洗水量及电能。
（4）由于滤层含污能力强，并能获得充分利用，可大大延长工作周期，不仅工作稳定，同时也是节省反冲洗水量的另一个原因。
（5）管理简单方便，在施工中滤料筛分、装填均较方便，大大缩短了工期，减轻了施工人员的劳动强度。
