水处理学习笔记（二）砂滤和炭滤工艺

今日阅读（2024.01.09）

《反渗透系统优化设计与运行》 靖大为、席燕林 编著 贾世荣 审核

第二章 传统预处理工艺与技术

2.1预处理的工艺分类

2.2砂滤和炭滤工艺

摘要及总结

传统预处理工艺：混凝砂滤、活性炭过滤、离子交换树脂软化、精密保安过滤等

原水：自来水、自然水体（江河湖水）、工业污水、市政污水

主要污染物/致损物：泥沙、悬浮物、微生物（藻类、霉菌、真菌等）、难溶盐（碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐等）、金属氧化物（铁、锰、铜、镍、铝）、各类天然或合成有机物，余氯或其他氧化剂等。

反渗透膜进水水质要求

反渗透系统的预处理工艺一般由砂滤、炭滤、软化、精滤、氧化、还原、调温等多项工序构成。

①砂滤工艺 采用混凝砂滤器，过滤进水中的悬浮物，以降低浊度与污染指数。

②炭滤工艺 采用活性炭过滤器，吸附进水中的有机物，以降低出水中的有机物含量。

③软化工艺 采用树脂交换方法，以降低进水难溶盐相关离子浓度；或投加阻垢剂以提高系统浓水的难溶盐饱和度限值。

④杀菌工艺 在预处理工艺前端投放氧化性或非氧化性杀菌剂，以杀灭系统原水中的藻类及细菌，直接防止预处理系统各工艺过程中的微生物污染，间接防止膜系统工艺中的微生物污染。

⑤还原工艺 针对市政自来水自带余氯，或自然水体杀菌所投放的二氧化氯、次氯酸钠等氧化性杀菌剂，需要在预处理系统末端用活性炭或亚硫酸氢钠（余氯还原剂）进行还原处理，以防止膜系统被氧化。

备注：杀菌剂为非氧化型时，无需进行还原处理，反而能全程降低系统微生物污染风险，但是其价格较高。

⑥除铁工艺 对于地下水为水源的系统中所含的高价铁、锰物质，常采用锰砂、曝气及过滤工艺加以去除。

⑦调温工艺 反渗透膜的工作压力存在明显的温度特性，低温条件下保持产水通量所需的工作压力明显上升，产水能耗显著增加。在系统原水温度过低且具有廉价热源的条件下，可在预处理系统末端进行热交换以提高反渗透系统进水温度。

传统预处理工艺流程（仅供参考）

混凝砂滤工艺

在工业水处理过程及反渗透预处理系统中常用 8-20m/h滤速的混凝与砂滤合成的快滤工艺。混凝砂滤工艺产水的 SDI值可达4一5，基本满足反渗透膜系统的进水水质要求。

水体中的杂质按照粒径规格划分为悬浮物、胶体与溶解物。

悬浮物指0.1μm-1mm粒径的微粒，包括泥沙、黏土、藻类、原生动物及高分子有机物。

胶体系指0.001-0.1μm粒径的微粒，包括铁、铝、硅化合物等无机胶体与腐殖质等有机胶体。

砂滤的截留效果主要是依靠脱稳的悬浮物与胶体在滤料的筛分、黏附等作用。

当滤料粒径较小且为单层结构时，过滤作用主要发生在滤层表层，过滤机理主要是筛分与架桥作用，可称为表层过滤。

当滤料粒径较大或为多层结构时，过滤作用主要发生在滤层中间，过滤机理主要是混凝与吸附作用，可称为深层过滤。

单层滤料砂滤工艺（俗称石英砂过滤）

砂滤工艺按滤层的数量分单、双层及三层过滤工艺，单层砂滤工艺的滤料一般为石英砂，砂料粒径为0.5-1.2mm，滤层厚度为0.70-0.75m。单层砂滤工艺在理论上的深层过滤，表现为实际上的类表层过滤。单层砂滤的优势为砂层简单，劣势为容污量小、工作压力大、易于产生泄漏。

多层滤料砂滤工艺（俗称多介质过滤）

为实现实际意义的深层过滤，可采用双层或三层滤料的多介质过滤。双层或三层滤料过滤器中，上层滤料一般为相对的大粒径、低密度滤料，下层滤料为相对的小粒径、高密度滤料。常用的上层滤料为无烟煤，密度1.5-1.8kg/L、粒径1.0-1.8mm，中层滤料为石英砂，密度2.6-2.7kg/L、粒径0.5-1.2mm，当存在最下层滤料时，可以是石榴石或磁铁矿砂，密度5-6kg/L、粒径0.25-0.8mm。滤层厚度应采取上层厚度高于下层厚度的原则。总滤层厚度应保持在0.70-0.75m 水平。深层过滤的砂层复杂，但容污量大，工作压力小，不易产生泄漏。因此，砂滤工艺应尽量采取深层过滤方式，其容污量一般是表层过滤方式容污量的1倍以上。

流速与截面

砂滤器运行过程中，滤速过慢或过快都将减弱颗粒的迁移与黏附作用，使过滤效率下降。单、双及三滤层滤器的滤速应分别控制在8-10m/h、10-14m/h与18-20m/h 的范围之内。

砂滤器及滤层的截面积 S(㎡)是产水流量Q(m/h)与层滤V(m/h)的比值：

S=Q/V

在滤层厚度基础上增加30%的滤层膨胀裕量，即可得到砂滤器的高度。根据滤层的截面积，即可得到砂滤器的直径，从而得到了砂滤器的规格。

砂滤工艺过程

砂滤工艺存在正向产水运行过程和反洗、正洗两个清洗过程。

产水运行过程

砂滤工艺的产水运行过程中，原水径流从上端进入砂滤器，经布水器均匀地从滤层端流向下端。原水经滤层滤清后，过隔砂板或水帽脱离滤层，在砂滤器下端形成净径流。砂滤器一般应在工作压力损失达到50-60kPa（0.05-0.06MPa）水平时进行清洗。

反向清洗过程

反洗过程是将反洗径流从滤料层下端引入，使被压实的滤料层松动与膨胀以达到流动态。在水流剪切力与滤料颗粒间碰撞摩擦力的双重作用下，黏附在滤料表面的悬浮物与胶体逐步脱落，并随反洗径流从滤料层上端排出，以达到清淤之目的。

反洗过程的效果与反洗流速、反洗时间、反洗水源及冲洗方式有关。

反洗效果首先与反洗流速密切相关。

流速过低时，滤料层膨胀不足，水流剪切力与碰撞摩擦力较小，清洗效果较差，流速过高时，滤料层过度膨胀，水流剪切力与碰撞摩檫力也会下降，清洗效果仍差。

反洗的流速一般大于过滤流速，反洗压力大于过滤压力。单、双及三层滤器的反洗流速应分别控制在43-54m/h、46-58m/h与58-62m/h范围，反洗时间分别控制在5-7min、6-8min与5-7min范围。

由于滤料的吸附作用，滤料表面常有黏稠的附着胶体，可能条件下反洗径流中应混入10-20L/(s*㎡)的气流，实现对滤料的气水擦洗以提高反洗效率。

反洗用水采用正常运行时的砂滤工艺产水为佳，反洗污水一般应直接排放而不宜回用。

正向清洗过程

反洗过程结束时，整个砂层呈疏松状态，砂层的顶部或中部尚未形成污物滤饼及混凝体层，即无法截留污染物。特别是整个滤器滤层内充斥的水体均为反洗水，直接进入过滤运行方式则产出水质必然很差，因此反洗过程结束后应持续一定时间的正洗过程。

正洗过程的给水径流方向与工作产水径流方向一致，但正洗水一般也作污水排出。正洗流量一般低于产水流量，目的仅在于将滤器内污水有效排出，恢复产水过程的滤料层形，且初步形成滤料表面上的污物滤饼及滤层中的混凝体层，逐步提高排放水质，为恢复产水过程奠定基础。

活性炭滤工艺

活性炭是由无烟煤、褐煤或果壳经缺氧条件下加温碳化与活化制成的黑色多孔颗粒。活性炭表面布满平均直径为20-30Å（埃米，1Å=0.1nm）的微孔，具有500-1500㎡/g的比表面积，颗粒状活性炭的粒径为1-4mm，填充密度约为0.5kg/L。活性炭可吸附60%-80%的胶体，吸附50%-70%的有机物，还原几乎全部游离氯等氧化剂，对降低总有机碳(TOC)也存在一定功效。

活性炭工艺的设计参数一般在如下范围，过滤流速8-20m/h，炭层厚度1.2-1.5m，接触时间10-20min，反洗流速28-33m/h，反洗时间4-10min。

由于炭滤与砂滤的工作原理不同，炭滤反洗仅能部分洗掉炭粒表面的污染物，而不可能洗掉吸附在奖粒内孔中的大量污染物。

自控多路阀装置

自控多路阀装置内分为控制器与多路阀两部分。控制器由单片机、直流减速电机、驱动组件、定位组件组成，以定时间或定流量的方式控制清洗周期。

多路阀过滤器结构的主要特点是：

①用一个多路阀替代传统过滤器附属的外围阀门组及配套管路，结构简单安装方便。

②集成的陶瓷磨片具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀等特性，使多路阀应用范围更广泛，性能更稳定，并可带压操作。

③由定时间程序或定流量程序的高集成控制电路替代传统的继电器对阀门组的控制，使用维护非常简单。

④自控多路阀各参数一经设定，无须再对控制阀进行操作。如在冲洗时停电，来电后可通过手动按钮进行强制冲洗。