滤池
滤 池
一、过滤机理
滤池中悬浮颗粒的去除机理比较复杂，并且受到很多因素的影响，比如:悬浮颗粒以及滤料颗粒的物理化学性质、过滤速度、水的化学性质以及滤池的运行方式等等。在过去的几十年中，有关过滤机理的研究一直没有中断过，但是其中的很多问题还没有得到解决。
*初的看法，认为水流通过多孔介质的滤床去除悬浮颗粒式的方式，似乎容易解释为筛滤作用。很清楚，好比筛网阻挡了比网眼尺寸大的颗粒一样，如果悬浮颗粒尺寸比滤料的空隙大，那么将被去除。这样一种机械筛滤意味着固体物质不可能穿透到滤料层中，因此不需要深的滤料床。然而，检查粒状滤料去除固体物的性能时表明，颗粒尺寸较滤料孔隙小很多的也被有效去除了。所以很明显，在粒状滤料的滤床中，筛滤不是**机理。实际上大多数场合下，在浊度的整个去除过程中，筛滤相对不是主要的，悬浮颗粒的去除受到大量传递和吸附机制的控制。另外，Mintz还首先提出了“剥离机理”，在颗粒吸附的同时，已经吸附于滤料上的颗粒还有剥离的趋势。
1、传递机理
大多数滤池中，层流占优势。因此在滤床某个空隙中，水流速度由颗粒表面零变到空隙中心的*大值，于是传递机制必然使悬浮颗粒脱离水流流线，转入到近滤床颗粒成为较低速度。传递过程实际上是一个物理一水动力作用的过程，目前只能进行定性描述，无法定量计算，悬浮颗粒脱离流线可能是几种作用同时存在，也可能是其中某些作用占主导地位。
水过滤传递机理的主要作用有：
(1)截留作用:当流线距滤料表面距离小于悬浮颗粒半径时，处于该流线上的颗粒会直接触及滤料而被滤料截留。
(2)扩散作用:当悬浮颗粒尺寸很小时，颗粒会受到周围水分子的随机热运动而呈现出布朗运动，从而会使颗粒向滤料表面迁移。一般认为，直径小于1微米的颗粒其扩散作用是明显的，当颗粒直径较大时，扩散作用可以忽略。
(3)惯性作用:由于滤层空隙通道错综复杂，流道弯曲，流速经常改变方向，致使悬浮颗粒因惯性力作用而离开原来的流线向滤料表面靠近。Appiah Amirtharaj ah认为，惯性作用对于空气过滤是主要的，对于水过滤却是可以忽略的。
(4)沉淀作用:作用在悬浮颗粒上的重力能使颗粒横向穿过流线层，沉积在滤料层颗粒面向上的表平面上。颗粒密度和水温对沉淀作用的影响非常大。Herzig et al认为直径大于25微米的颗粒沉淀作用是主要的
(5)水动力作用:处在速度梯度中的颗粒容易发生旋转，并受到能使他们横穿流线层的侧向力的支配。水动力作用于颗粒形状以及水流雷诺数有重要关系。
2、吸附机理
一旦悬浮颗粒被运送至接近滤料颗粒表面或原有沉淀物时，则在物理一化学和分子力的影响下，如同混凝工序一样，能发生吸附现象。于是，在颗粒滤床中，粒状滤料截留悬浮颗粒的作用能够用混凝过程中的架桥及吸附双电层的概念来解释。
可以假定吸附是由于行进的悬浮颗粒和滤料颗粒之间存在的分子吸附力和电动力相互作用而产生的。事实上，分子力只有当悬浮颗粒非常接近滤料颗粒表面的时候，大概在0.1微米以内才是主要的，所以带电颗粒之间的作用力仍是控制吸附过程进度的主要因素。电动力的变化取决于表面电荷的符号和大小以及双电层厚度，由于大多数天然水源中含有大量溶解固体，悬浮颗粒和滤料颗粒所带的电荷可能相当小，结果只产生微弱斥力。这些斥力可以通过投加混凝剂或控制PH值改变体系中离子结构强度而得到调整。此外，聚合电解质的应用可产生架桥机制，从而把悬浮颗粒粘固在滤料颗粒表面。
3、剥离机理
悬浮颗粒移动到滤料颗粒上后，会以不同几何构造聚集。这些几何构造不仅与滤料颗粒有关，还与先前沉积物有关。一般的构造是位于滤料颗粒顶部的球冠形和处于孔隙中的管结构。如果过滤速度保持不变，随着悬浮颗粒的不断沉积，孔隙中实际水流速度会逐渐增大。结果导致沉积颗粒受到逐渐增大的水流剪切力的作用，当剪切力大到与粘附力相同数量级时，颗粒就有可能剥落下来并在滤层较下层被截留。剥离机理的另外一种解释还可以是沉积颗粒的崩落效应。因此，在达到饱和状态但沉积颗粒呈现亚稳态构造的滤料层中，吸附和剥离可以同时发生。
二、均质滤料。
所谓“均质滤料”并非指滤料粒径完全相同，而是指沿整个滤层深度方向的任意横断面上滤料组成和平均粒径均匀一致。
当滤料干式装入滤池时，滤层各部分的滤料级配是相同的，这时的滤料层就是均质滤层或均质滤料。但是当滤池进行反冲洗后，由于水力分级作用，原来的均质滤料滤层就变成了分级滤料滤层，沿滤层厚度方向上滤料按从小到大的顺序排列，使得滤料颗粒间的空隙也呈现从小到大的排列，这对于过滤是十分不利的。一方面上部滤层由于孔隙小，能容纳的悬浮固体也就比下层能容纳的少，使得整个滤层的纳污能力不均匀;另一方面，水流流经上部滤层的阻力比下部大，在截留悬浮固体后更变得严重。孔隙大小分布的不利因素和悬浮固体在滤层中分布的不利因素叠加起来就突出了下列矛盾:在孔隙*小的顶部滤层要容纳的悬浮固体数量*大，而孔隙*大的底部滤层却是容纳的悬浮固体量*小。其后果是滤池由于滤层顶部迅速地被悬浮固体堵塞，水头损失迅速上升，在过滤水头损失达到允许值的时候，整个滤层的截留悬浮固体能力未能发挥出来。
为了改变上细下粗的滤层中杂质分布不均匀的现象，提高滤层含污能力，就出现了双层滤料、多层滤料及均质滤料等滤层组成。
双层滤料或多层滤料组成为，滤层上部装入轻质、大粒径滤料，下部装入重质、小粒径滤料。反冲洗后，虽然在各层中还会出现水力分级现象，但是就整个滤层而言从上至下其孔隙变化的总趋势还是逐渐减小的。但同时也产生了新问题，反冲洗时为满足下层重质滤料膨胀的反冲强度有可能使上层轻质滤料被冲跑，造成滤料流失，减小反冲强度又可能使下层滤料得不到彻底冲洗，另外反冲洗时出现的滤层混层现象对过滤出水水质的影响至今还没有统一的认识。
为了使滤层在反冲洗后仍为均质滤层，改善滤层的含污能力，就要求在反冲洗的过程中滤层不膨胀或轻微膨胀，滤料不产生或不明显产生水力分级现象，同时也要保证滤料清洗干净，可以采用气、水联合反冲洗。气、水联合反冲洗是均质滤料得以实现的前提。由于反冲洗时滤料的磨损，应每年更换表层5～10厘米滤料。
V型滤池是恒水位过滤，池内的超声波液位计自动控制可调解出水清水阀，阀门可根据池内水位的高低，自动调节开启程度，以保证池内的水位恒定。采用均质滤料、过滤面积大、气水混合反冲洗。
V型滤池的特点：
⒈反冲洗的排水系统简单，施工方便，省去了为排水均匀而设的众多集水槽。
⒉滤层厚，采用等粒径粗颗粒滤料，截污能力强，截污量大，过滤周期长。
⒊采用气水反冲洗。反冲洗效果好、节水。
⒋自动化程度高，控制系统成熟。
快滤池的成熟期是指从过滤开始到出水浊度满足水质要求的这段时间，一般认为可分为以下3个阶段：⑴、残余冲洗水置换阶段；⑵、滤池进水与残余冲洗水混合和微粒稳定阶段；⑶、滤层调理阶段。在反冲洗停止时，在整个滤层的空隙中充满冲洗的残留水，所以从滤池开始进水过滤起，是将冲洗残留水置换的过程，由于反冲洗水是从下而上将悬浮固体颗粒洗下并带走，加上滤层的截污量沿深度本身也有一个分布规律，所以冲洗残留水的浊度沿滤池深度从下而上是逐渐增大的，表现在出水浊度–时间曲线上出现**个峰值。随后新进滤池的水开始滤出，由于水在滤层中不可能是理想的活塞流，所以必存在新水与残留水的混合，混合的结果使部分已迁移或附着在滤料表面的颗粒重新随滤出水排出，导致出水浊度上升，出现了**个峰值。之后便进入完全无残留冲洗水的阶段，滤层逐步稳定，滤出水浊度逐步降低，至出水水质合格成熟期终止。（泄漏点是指滤出水浊度稳定一段时间之后又出现稳步迅速上升过程的一个点。这一过程又称为有效过滤期。
水力波动：滤出水压的不规则跳动现象称为水力波动。水力波动和滤速波动是并存的，因此数值大的水力波动和滤速波动同时出现，滤池出水水质也就出现恶化现象。水力波动的产生有下列情况：①由于滤池出口或进口的流量控制设施引起的流量不稳定，甚至暂时失灵。②由于全厂流量的增加或由于一个滤池的冲洗引起的滤池滤速变化。③滤池冲洗后开始过滤或者别的滤池开停所引起的滤速变化。当这些情况引起滤速的瞬时变值过大时，则产生滤出水水质显著恶化的现象。研究表明加少量聚合物（助滤剂）就可以控制因水力波动所产生的浊度波动现象。
复合气水反冲洗滤砖：
可单独用于水反冲，也可用于气水反冲洗。上层开孔比：0.5-0.8%，斜面开孔比：1.2-1.5%。一般可用ABS工程塑料制成。加工精度易控制，安装方便，配水均匀性好，但价格高。
气水反冲原理主要是利用上升空气气泡的震动可有效地将附着于滤料表面污物清洗下来使之悬浮于水中，然后再用水反冲把污物排出池外。因为气泡能有效地使滤料表面污物破碎、脱落，故水冲强度可降低，即可采用所谓“低速反冲”。
国外文献认为，水体中含氮0.2mg/L，磷0.002mg/L既可视为富营养化。富营养化地面水中含有大量的浮游生物、藻类及其产生的有机物。日本于1988年发布引入深度处理工艺的方针，规定当原水水质的色度达到25NTU、嗅阈值25、高锰酸钾消耗量7.5mg/L、氨氮0.16mg/L时就采用深度处理工艺。我国微污染水源CODMn平均为10mg/L左右，氨氮平均为3.3mg/L左右。
我国微污染水源主要显示下列特点。①表示有机物的综合指标，如COD、BOD、TOC等值升高，水源水中这些指标越大，污染越严重。例如水源水中的溶解氧（淡水中溶解氧饱和值0℃时14.62mg/L25℃时8.38mg/L）一般在5～10mg/L以下时，作为饮用水源已不合适。溶解氧浓度小于1mg/L时，可使水源水开始发生恶臭。又如当水源水的BOD小于3mg/L时，水质较好；到7.5mg/L时，水质较差；超过10mg/L时水质极差，此时水中溶解氧浓度已接近0。②氨氮（NH3–N）浓度升高。③嗅味明显。④致突变性的Ames试验结果呈阳性，而水质良好的水源应呈阴性。
氮在水中的危害：氮在水中以有机氮、氨、亚硝酸盐和硝酸盐形式存在，用金属铝盐作为混凝剂对氨氮的去除率很低。在水厂流程和配水系统中，氨氮浓度0.25mg/L就足以使硝化菌生长，由硝化菌和氨释放的有机物会造成臭味问题。氨形成氯氨也要消耗大量的氯，降低**效率，而且可能生成氯化氰**副产物，影响水中有机物的氧化效率。氨氮在水中被氧化为亚硝酸及硝酸盐，亚硝酸盐的积累代替了血红细胞中氧的位置，*终导致窒息；高浓度的硝酸盐摄入也会引起中毒。
氧化1mg/L氨氮需要4.57mg/L的溶解氧。
发达国家在微污染水方面的具体措施：⑴对原水进行曝气处理。⑵对原水进行预氧化。⑶强化混凝絮凝沉淀（或气浮）—过滤工艺去除部分有机物。⑷臭氧活性碳结合处理方法去除有机物。⑸合理选择**剂，避免三卤甲烷的形成。
气浮工艺处理低温低浊水或用于除藻的合理性：①气浮工艺用于处理密度小、不易沉淀的絮体、藻类、油类效果显著。②原水中悬浮杂质较少，气浮的气固比低，用气量少。③水温低，空气在水中的饱和度提高了，在同样压力下空气在水中的溶解度冬季要比夏季高54%。④原水在加压提升的过程中溶入一定的空气，而且当混凝剂水解时，产生的CO2微气泡也容易与絮体接触，黏附在一起，若是用沉淀方式，CO2会干扰颗粒下沉，很难将其从水中分离出去，特别是原水浊度在20NTU以下时，这种现象尤为显著，就是斜板沉淀池也发挥不了多大作用；而气浮技术就能因势利导，使絮体加气上浮，足以克服低温低浊不利因素对絮体分离的影响。（据资料介绍，絮粒成长的300～400um已足够被气泡黏附，而沉淀所需的絮粒，常常需要在1mm以上，甚至更大。）
微絮凝是指在含有悬浮颗粒的浑浊水中，通过加入絮凝剂形成微小聚集体的絮凝过程。微絮凝接触过滤法的原理是，滤池上层滤料孔隙很小，滤料表面有一定的化学特性，在原水中加入一定量的混凝剂、助凝剂后，立即直接进入滤池，在滤料中形成微小絮凝体，其中一部分被滤料截流，另一部分被滤料吸附，呈现具有微絮凝接触吸附过滤作用，从而实现除浊的目的。
AOC 生物可固化有机碳（反应微生物极易利用的基质指标，其浓度与**的再生繁殖潜力有关，目前国际上用AOC来判断管网的生物稳定性。100ug乙酸碳/L 是国际给水界对生物稳定性水中AOC含量的建议值。）
散除CO2的重要性
东北地区地面水体一年中长时间低温，水中CO2难以散除，当混凝剂投加到水中后，由于瞬间水解作用又产生一些CO2。如果不能及时散除水中的CO2，混凝剂的水解化学反应会受到影响。若发生这一情况，不但浪费混凝剂的用量，而且对原水中胶体的脱稳也起不了作用。因此混凝剂加入水中充分混合后，要立即瀑气，如能降低水中60%的CO2含量，则可节省混凝剂用量30%以上。低温低浊水经曝气混凝后，形成的絮体比较密实，水的透明度高。
清水池顶的覆土用来平衡水池放空时地下水的浮力，以防止水池浮起。
助滤剂
助滤剂：常用的助滤剂主要有聚丙烯酰胺、活化硅酸和聚合氯化铝。助滤剂使用时，滤池需有表面冲洗或气水反冲等强化反冲方法。助滤剂投加点可在滤池进水管之前，也有少数投加在滤池的进水渠处，应根据药剂的反应时间或进水条件确定*佳投加点。助滤剂适用于双层滤料和均质滤料滤池。美国规定滤池出水浑浊度小于0.1NTU，助滤剂使用较多。投加量高分子助滤剂0.02～0.05mg/L 非离子型高分子聚合物15～25ug/L。
助滤剂的主要原理是通过加入助滤剂改变进入滤池之前的颗粒或滤料表面性质、电性与尺寸。改变滤料表面性质可提高颗粒向滤料迁移速度与黏附效率；改变进入滤池悬浮颗粒的表面性质与尺寸可提高颗粒黏附效率。按照该机理形成的聚合物–颗粒絮体，使颗粒和黏附作用都得到加强。形成的絮体尺寸比较大，颗粒之间或颗粒与滤料之间结合紧密，可抵抗滤池对水流的剪切力，使滤池工作周期延长。投加助滤剂后，能有效地降低滤速突然变化引起的悬浮颗粒穿透程度，保障滤后水水质。
助滤剂的主要种类有：⑴聚合无机高分子（如聚合氯化铝、聚合硫酸铝）⑵合成有机高分子（如聚丙烯酰胺、HAC阳离子絮凝剂）⑶天然有机高分子（如骨胶、海藻酸钠）⑷氧化剂（如氯、臭氧、二氧化氯等）。
助凝剂：凡是改善混凝过程与混凝剂联合使用的药剂都可称为助凝剂。其作用原理与具体用途有关，对于藻类过量繁殖的情况，可加入氧化剂进行预氧化提高混凝效果，也可加入有机高分子助凝剂，增加絮体密度，提高混凝沉淀效果；对于低温低浊水处理，由于其黏度大，絮体沉降性能差，造成混凝剂投加量增大，此时加入有机或无机高分子助凝剂增大絮体尺寸、增加絮体密度，提高沉速；对于碱度较低的原水，混凝过程会导致pH下降，不但影响混凝效果，而且会产生酸性水，不利于管网水质稳定，因此需要投加碱进行pH调整；对于含藻水和含有有机类色度水（例如含腐殖酸、富里酸等），不但混凝剂投加量升高，而且沉降性能恶化，可加入一定量有机高分子助凝剂提高沉降性能，也可加入一定量的氧化剂破坏有机物对胶体的稳定作用（如高锰酸钾、高铁酸钾）。对于含铁、锰地表水，氧化剂可使铁和锰的有机物洛合物破坏，有利水中铁、锰和有机物的去除。对于低温低浊水，也可投加黏土强化混凝，但增加了沉淀排泥量。
助凝剂种类：⒈有机与无机高分子，如活化硅酸、聚丙烯酰胺、骨胶等。⒉pH调节剂如盐酸、硫酸和碱石灰。⒊无机颗粒如黏土、微砂。⒋氧化剂如高锰酸钾、二氧化氯等。
水处理剂聚丙烯酰胺絮凝剂（PAM）又称三号絮凝剂，是由丙烯酰胺单体聚合而成的有机高分子聚合物，无色无味、无臭、易溶于水，没有腐蚀性。聚丙烯酰胺在常温下比较稳定，高温、冰冻时易降解，并降低絮凝效果，故其贮存与配制投加时，温度应控制在2℃～55℃时，絮凝效果为佳，否则会降低使用效果。
聚丙烯酰胺的分子结构为：
CH2 |
CH |
n |
CONH2 |
结构式中丙烯酰胺分子量为71.08，n值为2×104～9×104，故聚丙烯酰胺分子量一般为1.5×106～6×106，分为低、中、高和超高分子量。
聚丙烯酰胺产品按其纯度来分，有粉剂和胶体两种，粉剂产品为白色或微黄色颗粒或粉末，固含量一般在90%以上，胶体产品为无色或微黄色透胶体，固含量为8%～9%。
聚丙烯酰胺产品按其离子型来分，有阳离子型、阴离子型和非离子型3种。阳离子型一般都含有微量毒性，不适宜在给排水工程中使用，所以我们接触到的水处理剂聚丙烯酰胺均属阴离子型或非离子型。
聚丙烯酰胺的絮凝机理是：聚丙烯酰胺具有极性酰胺基团，酰胺基团易于借氢键作用在泥沙颗粒表面吸附。另外，聚丙烯酰胺絮凝剂有很长的分子链，其长度有100 A°，但链的宽度只有1A°，很大数量级的长链在水中具有巨大的吸附表面积，其絮凝作用好，还可利用长链在絮凝颗粒之间架桥，形成大颗粒絮凝体，加速沉降。
水处理剂聚丙烯酰胺的絮凝机理有别于三氯化铁、硫酸铝、碱式氯化铝等混凝剂的ξ电位凝聚概念，所以，聚丙烯酰胺不能称混凝剂，因其机量主要以吸附架桥为主，只能称絮凝剂。
聚丙烯酰胺在NaOH等碱类作用下，极易起水解反应，使部分聚丙烯酰胺生成聚丙烯酸钠，丙烯酸钠分子在水中不稳定，被离解成RCOO-Na+。因此，聚丙烯酰胺水解体是聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠的共聚物，由于RCOO-（羟基）的作用，使聚丙烯酰胺水解体成为阴离子型高分子絮凝剂，而非水解的聚丙烯酰胺絮凝剂为非离子型高分子絮凝剂。从上述水解方程式看出，聚丙烯酰胺部分水解体产品具有一定的胺味，从这点就可以简便区别聚丙烯酰胺产品是否水解。
聚丙烯酰胺部分水解后，使其性能从非离子型转变为阴离子型，在RCCO-（羟基）基团的离子静电斥力作用下，使聚丙烯酰胺主链上呈卷曲状的分子链展开拉长，增加其吸附面积，提高架桥能力，所以部分水解体的聚丙烯酰胺的絮凝效果要优于非离子型聚丙烯酰胺。
处理高浊度水的聚丙烯酰胺，一般都应采用部分水解体产品，*佳水解度（水解度是指聚丙烯酰胺分子中，酰胺基团转化为羟基的百分数）的聚丙烯酰胺沉降速度是非水解体的2～9倍。但聚丙烯酰胺絮凝剂中水解度过高或过低的产品，其絮凝效果都不理想，因为水解度过低，吸附架桥能力不强，水解度过高则加强了产品的阴离子性能，增大了与泥土颗粒的排斥能力。经过大量试验证实，聚丙烯酰胺絮凝剂*佳水解度应为25%～35%。
