張宛梅
浙江省城市鄉規劃設計研究院　杭州市保俶路238號　　郵編310007

　　過濾是水廠凈水工藝的主要關鍵環節，濾池運行狀態的好壞將直接影響懸浮固體、濁度、細菌、病毒等的去除率，也直接影響出水水質的提高。
　　本文是根據Susumu Kawamura對美國高速過濾設計的綜合資料及美國最近版AWWA凈水廠設計手冊的內容，按濾池設計的各個環節予以歸納。其中除濾速有高速過濾特點外，其他部分與常規濾池設計基本相同，但不少美國有關濾池的設計觀點值得參考和借鑒。

1.濾池型式和出水濁度要求

1.1 濾他型式
　　美國的濾池型式基本以濾料的配置分類。有單層濾料、雙層濾料、三層濾料濾池和粗粒深層濾料濾池。
　　在美國，濾池型式主要根據原水水質、出廠水水質要求、資金來源、水廠規模、前道處理構筑物的類型和當地技術管理力量等因素，由設計部門確定。在原水水質條件較好時，也采用直接過濾的方法。但采用直接過濾時，原水水質必須受到下列條件的限制。
　　可采用直接過濾的原水要求：
　　濁度＜SNTU（低藻期可放寬至12NTU）；
　　色度＜40度；
　　藻類＜2000個／ml；
　　鐵＜0.3mg／l。
　　錳＜0.05mg/l。
　　直接過濾的濾池速控制在12m/h以下，加藥量一般為12mg／l。
1.2 出水濁度要求
　　美國對地面水處理廠出水法度要求和對病毒的控制見表1－1。

表1-1 美國地面水處理規定出水去除對數級和對濁度的要求 過濾處理型式 去除對數級 對濁度要求 賈弟蟲 病毒 常規過濾 2.5 2.0 每月水樣95%≤0.5NTU，絕對不能＞5NTU 直接過濾 2.0 1.0 每月水樣95%≤0.5NTU，絕對不能＞5NTU 慢濾 2.0 2.0 每月水樣95%≤1NTU，絕對不能＞5NTU 硅藻 2.0 1.0 每月水樣95%≤1NTU，絕對不能＞5NTU

2.濾池分格

　　濾池分格數量一般按水廠規模大小而定，但濾池分格數不宜過少，以免在反沖洗時不能滿足沖洗水量的補給。
　　根據文獻資料認為濾池格數用下列方式計算確定較為恰當：

　　N＝1.95（Q）^0.5

　　式中：N——濾池格數
　　　　　Q——過濾水量，單位為萬噸/日。
　　一般而言當水廠規模為4--11萬m³／d時，濾池格數不宜小于4格 當濾池為自動沖洗時，濾格數宜為4-6格；考慮反沖洗設備的功率，濾池最大面積宜為90m²；當每格濾池設中央集水渠且以半格作為一個反沖洗單元時，濾格的最大面積可達225m²。

3. 濾池的濾層

3.1 濾料
　　美國的濾池常用的濾料為石英砂、無煙煤、柘榴廠（鈦鐵石）等，此外還有浮石、合成材料等用作濾料的實例。
　　采用標準的雙層濾料或粗粒深層濾料的濾池可適應高速過濾、美國有一些濾池采用直徑為2.5mm的合成纖維球作濾料，價格不貴，過濾效果較好，最高濾速可達50m／h。
　　圖3－1為美國兩種濾料的典型篩分析。

3.2 濾層厚度
　　美國通過對200個濾層的試驗，認為濾層厚度（L）與濾料有效粒徑（d）的變化休戚相關，在美國以L／d為設計濾層的重要控制性指標。具體見表3-1。

表3-1　 各種濾料層的L/d比值表 濾料類型 L/d值 單層砂濾料 ＞1000 標準雙層濾料 ＞1000 三層濾料 ＞1250 粗粒砂濾料（1.2＜d＜1.4mm) ＞1300 粗粒砂濾料（d≥1.5mm) ＞1500

　　表3-2為美國文獻推薦的各種濾料、濾層厚度及濾料尺寸等濾池特征表。

表3-2 濾池特性表 濾層類型 濾層總厚度（mm） 濾料 名稱 厚度（mm） 有效粒徑（mm） 均勻系數 雙層濾料 750 無煙煤 500 1.0 1.4 石英砂 250 0.55 1.4 三層濾料 852 無煙煤 450 1.0 1.5 石英砂 300 0.55 1.5 柘榴石 75 0.3 1.5 粗粒深床單層濾料 1800 無煙煤 1800 11.4 1.4 粗粒深床雙層濾料 1800 無煙煤 1500 1.4 1.4 石英砂 300 0.73 1.4

　　1995美國南方水廠對不同L/d比的濾池進行了常規水處理工藝的特性試驗，圖3－2為濾速為17.5m/h時，4種L／d比的濾池特性試驗曲線圖。

　　從圖3－1清楚地表明當L/d＞1000時，過濾質量大大改善，出水水質明顯提高，顯然，更高的L／d比將取得更好的過濾質量。
3.3 濾池濾層設計時強調的幾個觀點
　　（1）助濾劑的使用
　　近年來美國濾池設計的出水水質指標為濁度≤0.1NTU。雙層濾料或粗粒深層濾料的濾池在高濾速過濾時，都采用投加極少量助濾劑（高分子聚合物）來保證濾池的出水水質。經常被應用的助濾劑為非離子型高分子聚合物，投加量為15～25ug/l。若不采用助濾劑，則L／d比應增加20％。
　　（2）活性碳濾池
　　當采用GAC活性碳作為濾池的吸附濾料時，濾層厚度山空床接觸時間控制。若濾池為過濾和吸附雙重作用時，空床接觸時間和L/d比要求同時作為設計的控制參數。
　　（3）絮粒的沉降速度
　　在雙層和三層濾料濾池中，濾料的尺寸必須仔細地選定。以達到相同的沉降速度。每一層濾料的粒徑和比重將由于反沖洗時濾料的損失或在過濾時絮粒和泥粒的嚴重積累而極大地影響濾池的沖洗效果。不適當的濾料組合將使部分濾料得到徹底的沖洗，其余濾料可能不能充分沖洗而存積污泥或沖洗強度太大而大量跑逸，特別在無煙煤和石英砂組合的雙層濾料中表現得較為明顯。
　　為了保證在兩種濾料層中獲得相同的沉降速度，可應用下列公式進行核算。
　　　　　d₁/d₂=[(ρ₂-ρ）/（ρ₁-ρ）]^0.67
　　式中：d₁、d₂分別為兩種濾料的粒徑；
　　　　　ρ為水的比重，ρ=1。
　　　　　ρ₁、ρ₂分別為兩種濾料的比重。
　　當采用三層濾料時，同樣可利用上述公式。為降低相鄰二層濾料間的混層，從頂到底各濾料的粒徑在公式計算值的基礎上宜放大5-7％。
　　（4）均勻系數
　　較小的均勻系數可獲得良好的出水水質和較長的過濾周期。美國多年的運行實踐證明，任何濾層的均勻系數宜＜1.4，最佳為1.3。

4.過濾速度

　　美國的濾池設計---貫較為嚴密，尤其是對濾池濾速的選擇以穩妥可靠為原則。美國所有的州都限止了最大濾速。大部分州規定當一池停用或反沖洗時，單層砂濾池濾速為7.5m/h，雙層濾料濾池為10～12m/h：美國西海岸的城市規定雙層濾濾料及粗粒深層濾料濾池的最高濾速為15m/h。
　　近年來，資料反映美國西海岸一帶有逐漸提高濾速的趨勢。設計人員的中間試驗和驗證表明可允許提高濾速，并突破最大濾速的規定。如雙層濾料濾池最高濾速可達20m/h；粗粒深層濾料當均勻系數為1.4，濾層厚度為2.0m時，最高濾速可達32.5m/h。但必須提出：上述試驗的原水取自有很好防護的水源，并在原水中加過臭氧。通過試驗，美國濾地設計人員得出與目前認識相左的概念：只要有很好的前期處理出水水質。過濾質量與濾速沒有實質性關系；同時還認為雙層濾料、三層濾料和粗粒深層濾料的濾池適宜采用較高的濾速。
　　美國的濾池運行實踐表明，當水溫低于8℃時，濾池的出水水質將會變差，很難做到出水濁度＜0.1NTU；同時，美國采用投加鐵鹽混凝劑和陽離子型高分子絮凝劑的方法來保證過濾質量，也可采用投加聚合氯化鋁（堿式氯化鋁）來改善過濾狀況。但濾速應控制在15m/h以內。過濾速度可控制為恒速或漸降速，美國現行標準為恒速，因采用恒速可對過濾過程進行更良好的控制。

5.濾池沖洗

5.1 沖洗型式
　　美國濾池的沖洗基本上為兩種型式，一種是流化床沖洗，帶或個帶表面沖洗；另一種是空氣沖洗，帶或不帶少量水反沖洗。
　　流化床反沖洗：
　　在50年代初美國廣泛采用流化床反沖洗。但五十多年來，濾池的操作實踐證明：單靠反沖洗不能維持濾層處于清潔狀態，即使使用了最佳的沖洗強度也如此。也即光靠正確的濾池設計并不能保證高質量的過濾出水。因此認為不論前道處理過程中是否加了混凝劑，增加一個附加的沖洗系統是必要的。
　　表面沖洗系統有二種型式：固定噴咀和旋轉臂帶噴咀。表5-1 為流化床沖洗時，表面沖洗的設計數據，圖5-1是流化床沖洗和表面沖洗的沖洗的時間關系圖。

表5-1 型式 沖洗強度（m²/s） 驅動壓力（Kpa） 支管間距（m） 噴咀與砂石夾角（度） 噴咀與砂石距離（m） 固定噴咀 0.12-0.16 140-170 0.9 27-35 　 旋轉臂 0.02-0.03 480-690 最大旋轉直徑4.3 15 0.05

　　從表5－1中可見，兩種表面沖洗雖均有效但美國采用固定式噴咀的較多。因固定噴咀沒有動部件，而且即使濾料損失了幾英寸（0.15-0.2m)時仍然有效。固定式噴咀系統的噴水速度25fps(7.5m／s），噴咀與砂面的夾角成27-35，因此可沖洗到一般濾層一半以上的深度。旋轉臂系統當噴咀被堵塞、轉臂轉動過慢以及停轉或噴頭和濾層距離不當時均會造成沖洗不力，使濾層達不到潔
凈的目的。
　　美國的濾池設計采用氣沖時，認為氣沖可有效地沖洗濾層。但他們的結論是：氣沖系統只能很好地沖洗濾層上層約0.15-0.2m的部分。雖然氣沖時表面的翻騰使濾層看上去是整個被攪動了，然而實際上一些泥團被翻騰到表層之下，并設被洗掉。氣沖時從氣管噴咀出來的蘑菇狀氣泡基本上是呈直線上升的，氣沖壓力越高氣泡上升就越垂直。在向上的氣流中，上層濾料將拉至下層。為此氣沖一定要輔以水沖洗。
　　美國推薦的空氣沖洗和國內一樣，一般宜與水相結合，分先氣沖，再氣水混合沖，最后水漂洗三階段，可達到潔凈整個濾床的目的。
5.2 配水系統
　　美國濾池的配水系統形式多樣。有采用配氣、配水各一套管道的，也采用長柄濾頭、濾磚、可調型濾頭等。美國濾池設計的觀點是：達到配氣和配水均勻除管道、濾頭、濾磚的開孔比外，礫石層的厚度和級配也至關重要，從管道、濾頭、濾磚出來的沖洗氣、水，經過礫石層的切割，可改善氣泡、水流的分布均勻性，因此配水系統采用濾頭時，減少礫石層厚度或不設礫石層是不合適的。目前美國采用較多的還是兩套管道的配氣、水系統。
　　（1）長柄濾頭
　　長柄濾頭的安裝示意見圖5-2。

　　長柄濾頭布氣布水的均勻性靠濾頭安裝的平整度，而長柄濾頭安裝在濾板中是不可調節的，因此安裝的關鍵就是濾板的安裝質量。一般每格濾池濾板的安裝誤差應小于3mm，整座濾地的安裝誤差應小于5mm，實際上是對土建安裝采用了機械設備安裝的要求。再一個要注意的問題是濾板安裝的牢固性和濾板接縫處不應產生漏水、漏氣。
　　（2）濾磚
　　美國應用濾磚的配水系統也較多，濾磚的安裝示意見圖5－3.1。反沖洗時氣水分配狀況見圖5-3.2。

　　濾磚同樣可適應氣水反沖洗的要求，美國采用一層塑料制作的濾毯替代礫石層，濾毯厚度薄，十分輕巧，空隙均勻，布氣、布水效果好。濾磚配水系統的安裝高度低，因此可降低濾池的總高度，也適用于水反沖洗的普通快濾池改造成氣水反沖洗。但是在我國由于對濾毯的制造技術尚未過關，采用級配礫石層時，效果沒有濾毯好，且增加了濾磚的重量負荷。
　　（3）可調型長柄濾頭
　　可調型長柄濾頭是近年來剛出現的適用于氣水反沖洗的配冰系統，安裝示意見圖5-4。

　　可調型長柄濾頭與普通長柄濾頭的區別在于可調，其高度調節幅度可達50mm，同時長柄和濾頭的直徑比普通型大，因此每平方米濾頭安裝數量只需30-40個。另一個區別是可調型長柄濾頭采用專用模板做底模的現澆混凝土濾板，整體性好，結構強度高，由于濾頭高度可調，濾板的澆注要求比普通型采用的預制濾板安裝要求低，模板為可調型長柄濾頭專用，按每平方米設計要求的濾頭安裝數量制作濾頭預埋件卡座，保證濾頭的布置尺寸。采用的材料為食品級ABS。
　　5.3 沖洗強度
　　美國認為沖洗強度與濾料尺寸、濾料比重、最高、最低水溫有關。
　　（1）不同濾料的沖洗強度
　　圖5-5為水溫20°時各類濾料（d60）的沖洗強度要求。
　　表5-2為不同濾料典型的沖洗氣、水強度。

表5-2 不同濾料典型的沖洗氣、水強度 濾料 沖洗程序 氣沖強度（m/h） 水沖強度 細砂（0.5mmES) 先空氣 37-55 　 后水 　 37 雙層或三層無煙煤（1.0mmES) 先空氣 55-73 　 后水 　 37-49 雙層濾料（無煙煤1.5mmES) 先空氣 73-91 　 后水 73-91 24 后水 　 61 粗砂（1.0mmES) 先氣+水同沖 55-73 15-17 后水 　 15-17 粗砂（2mmES) 先氣+水同沖 110-146 24-29 后水 　 24-29 粗無煙煤（1.5mmES) 先氣+水同沖 55-91 20-24 后水 　 20-24

　　（2）沖洗強度隨水溫變化
　　水溫的高低對沖洗強度有影響，可采用下式進行調整：

　　　　　　 V_b-t-t=V_b-20ut^(-t/3)

　　式中：
　　　　 t——水溫，以℃計；
　　　　　V_b-t—水溫為t℃時的沖洗強度；
　　　　　V_b-20——水溫為20℃時的沖洗強度；
　　　　　u——水溫為t℃時水的粘滯系數；
　　若粗粒深層濾池先采用空氣沖洗，當u.c.≤1.5時，后繼水沖洗的強度應≥45m/h，以便漂洗粗粒深層濾床中的空氣氣泡。
　　沖洗時控制的膨脹率=(0.6-f)/0.4
　　式中f為濾料的孔隙率。
　　值得一提的是，目前美國設計的濾地反沖洗仍傾向于濾料是膨脹的。

6、出水槽

　　美國濾池出水槽形式多樣，材質也多樣，見圖6-1所示為常見的幾種出水槽形式和材質。
　　由圖6-1可見，均帶有擋板或翼板等附屬物，以防止短流和反沖洗時濾料逸出。
　　圖6-2為A型塑料排水槽的計算曲線。
　　排水槽頂距濾層面的高度可用下式計算求得：

　　　　　　H＝0.345

　　式中：H——槽頂距反沖洗時膨脹后濾層面高度（m）；
　　　　　S——槽與槽之間中心距（m）。

7.初濾水回用系統

　　濾池有種原因和因素影響濾后水的水質，但初濾水對濾后水水質的影響是較大的。圖7－1為三個水廠幾個濾池沖洗后初濾水的濁度。從圖中可見初濾水的濁度較高，不予排除將在一定的時段內影響濾后水水質。為此，美國衛生署及各州均規定初濾水或濾后水濁度＞0.25NTU時應予以排除。
　　由于初濾水排出的水量較大，因此美國的水廠均建立初濾水田用系統。圖7－2為初濾水回用系統常用的流程。

8.其他控制要求和措施

　　（1）法度控制
　　美國一些管理部門規定：濾池的進水濁度＜2NTU，有的甚至要求＜1NTU，以保證濾后水濁度＜0.1NTU。
　　（2）濾層上水深
　　美國的濾池設計要求濾層上水深至少為2.4m，這樣的水深可保證濾層上水位大于可能達到的濾層的水頭損失值，以減少空氣阻塞現象的產生。
　　（3）沖洗水回用
　　因沉淀池排泥水會含有重金屬離子、有機物和其他雜質，因此美國不允許沉淀池排泥水與濾池沖洗水混合后回用，以免影響原水水質。同時還認為濾池沖洗水不經處理直接回用也產生使有機物和雜質重新進入原水的可能。為此，濾池沖洗水要回用必須建回用水池，池容積為2-3倍的沖洗水量體積，使濾池沖洗水有一段沉淀時間，減少回用水中有機物和雜質含量。
　　（4）操作人員監管
　　濾池必須配有完善的監控儀表以保證出水水質和正常運行。然而水廠操作人員堅持一貫的觀察是系統正常運行的關鍵。水廠操作人員一定要在過濾和反沖洗過程中定期檢查濾層，特別是濾層的上層。濾層上有大的裂縫或沿邊墻上形成溝槽就表示濾層臟了；在反沖洗時濾料翻騰不均勻可能預示濾料流化或排水失效；若濾層頂部有下四的點。即可肯定發生了排水失效。一旦發生異常情況，操作人員應反時記錄并迅速修復。

9.結語

　　（1）過濾是水處理工藝中去除水中懸浮固體和有機物質的最主要一環，前道混凝沉淀工序的出水水質與濾池的去除效果密切相關，是過濾設計的基礎。
　　（2）濾池采用高濾速將縮小過濾面積，降低濾池的基建投資和反沖洗能耗，因此適當提高濾速將有很現實的意義。
　　適應高濾速過濾的濾池宜為雙層濾料濾池和粗粒深層濾池（我國的均粒濾料濾池），但濾速不應超過30m/h。采用高濾速的濾層底部宜增加250mm厚的砂層，作為最后一道防線，同時濾料的均勻系數（u.c.）應＜1.4。
　　（4）根據美國濾池的運行經驗，反沖洗時濾層的膨脹率宜為25％而不是50％，并建議增加濾池反沖洗輔助設施。
　　（5）濾池的出水水質目標應參照美國地面水處理出水水質的規定，濾后水濁度應≤0.1NTU。為此，其L／d比至少為1000以上。
　　（6）脫離了水廠管理部門對濾池運行和濾層情況的監督和分析，再正確的濾池設計也不能保證濾池的出水水質，因此設計部門和水廠管理部門必須密切合作，為保證出水水質而共同努力。