基于上向流轻质滤料滤池的新型组合工艺处理山区河水的效能研究

李雨萱，马思源，殷智健，薛思竹，徐晗，许府康,刘强^*

（1. 徐州工程学院  环境工程学院，江苏 徐州 221111）

摘 要：为解决偏远山区河水经混凝后形成的絮体难沉淀、后续石英砂滤池易堵塞的问题，采用两级上向流轻质滤料滤池取代传统石英砂滤池，构建“混凝+轻质滤料滤池（一级过滤）+轻质滤料滤池（二级过滤）+次氯酸钠消毒”组合工艺。试验结果表明，组合工艺能够有效处理难沉淀的河水，对浊度、色度、COD、氨氮、叶绿素a的平均去除率分别为99.9%、81.3%、52.1%、100%和100%，出水平均浓度分别为0.04 NTU、5度、2.12 mg/L、0 mg/L、0 mg/L。其中，轻质滤料滤池对浊度、色度、COD和叶绿素a的去除发挥主要作用，次氯酸钠对氨氮的去除发挥主要作用。

关键词：轻质滤料；过滤；饮用水；混凝；消毒

0  引言

陕西省某偏远农村的饮用水源为山区内的浅水河流，原饮用水处理工艺为“混凝+沉淀+过滤+消毒”的常规工艺，其中过滤单元为普通快滤池，滤料为石英砂，过滤方式为下向流。该地区的山体岩质以油片石为主，受其影响，此处的河水经混凝后形成的絮体密度较小，极难沉淀，大量絮体进入石英砂滤池后会在短时间内堵塞和穿透滤层，滤后水水质较差。

为进一步提高饮用水水质，课题组采用两级上向流轻质滤料滤池取代石英砂滤池，同时取消沉淀单元，构建了“混凝+一级轻质滤料滤池+二级轻质滤料滤池+消毒”组合工艺。聚苯乙烯轻质滤料价格低廉，堆积密度很小，易于搬运，在交通不便的偏远山区尤其有竞争优势，但目前在饮用水处理中的应用极少。究其原因，“滤料难冲洗，易板结”是其主要技术瓶颈。由于轻质滤料的比重非常小，滤料在水的巨大浮力作用下紧密挤压在滤板下方。若采用上向流冲洗方式，滤料会进一步受到挤压，滤层中截留的污染物难以被有效清除；若采用下向流冲洗方式，则需要很高的冲洗强度，冲洗水量较大且滤池工艺结构较为复杂。轻质滤料滤池现行的冲洗方法主要是脉冲法^[1-3]，这种方法的冲洗强度和冲洗时间均不易控制，冲洗效果并不理想。

课题组采用一种简单有效的方法彻底解决了多年来一直制约上向流轻质滤料滤池推广应用的冲洗难题，在此基础上构建了以上向流轻质滤料滤池为核心的组合工艺并将其用于偏远山区难沉淀河水的处理，对其处理效能进行了试验研究。

1  材料与方法

1.1 试验装置

采用“混凝+一级轻质滤料滤池+二级轻质滤料滤池+消毒”组合工艺处理难沉淀的山区河水。因设计流量较小，未安装混合设备（工艺流程见图1，试验设备外观见图2）。混凝剂采用聚合氯化铝（AL₂O₃有效成分为30%），投加量为10～20 mg/L。网格式絮凝池的絮凝时间为15 min，内部填充φ50的多面空心球，多面空心球絮凝层的厚度为1 000 mm；絮凝层下方的配水区高度为1 000 mm，上部的清水区高度为1000 mm。一级轻质滤料滤池和二级轻质滤料滤池的工艺结构完全相同（见图3），滤料为聚苯乙烯球状颗粒，粒径为1.0～2.0 mm，K₈₀=1.17，滤层厚度为1 200 mm，堆积密度为20 kg/m³；采用上向流过滤方式，设计滤速为8 m/h，设计水量为3 m³/h；滤层下方的配水区高度为500 mm，滤板上方的清水区高度为500 mm；滤池工作周期为24 h；采用“气冲+泄空+水冲”的冲洗方式，具体方式为：先进行气冲，气冲强度为8 L/(s∙m²)，气冲时间为3 min；停止气冲，泄空池内的冲洗废水，泄空时间约为4 min；最后进行下向流水冲，水冲强度为6 L/(s∙m²)，水冲时间约为7 min。消毒剂为次氯酸钠溶液（有效氯浓度为10%），投加量为10 mg/L。

1.2  原水水质

待处理原水为陕西省某偏远山区的河水，原水水质见表1。山区河水主要来源于雨水和泉水，水量与浊度受暴雨的影响较大。雨季，河水流量较大，浊度较高；旱季，河水流量较小，浊度较低。

1.3  试验方法

长期连续运行“混凝+一级轻质滤料滤池+二级轻质滤料滤池+消毒”组合工艺处理偏远山区河水，每天在滤池过滤结束前取原水、一级轻质滤料滤池滤后水（简称一级滤后水）、二级轻质滤料滤池滤后水（简称二级滤后水）以及最终出水，检测浊度、色度、COD、氨氮、叶绿素a等水质指标，分析组合工艺对河水的处理效能。

1.4  分析方法

COD采用高锰酸盐指数法，氨氮采用纳氏试剂分光光度法，色度采用铂钴比色法，叶绿素a采用分光光度法^[4]；浊度采用Turb550浊度仪测定；pH采用Orion868-2型pH计测定；过滤水头损失通过过滤前后的测压管水头差表征；水温采用温度计测定。

2 结果与讨论

2.1 对浊度的去除

    受暴雨影响，原水浊度的变化幅度较大，最高值为56.7 NTU，最小值为12.1 NTU，平均值为28.9 NTU。向原水中投加聚合氯化铝，经混合、絮凝后，形成的大量微小絮体进入一级轻质滤料滤池。一级滤后水的浊度受原水的影响较大，最大值为7.24 NTU，最小值为1.67 NTU，平均值为2.85 NTU。二级滤后水的浊度非常低且较为稳定，最大值为0.17 NTU，最小值为0.01 NTU，平均值为0.04 NTU（见图4）。投加次氯酸钠对浊度没有明显的影响，最终出水浊度介于0.01～0.15 NTU之间，平均值为0.04 NTU。组合工艺对浊度的总去除率达到了99.9%，表现出了优秀的除浊效果。 

    一般来说，粒径较大的滤料之间的孔隙也较大，滤层对悬浮物的截留能力也较差，但轻质滤料滤池对水中的絮体表现出了非常强的截留能力，这应归功于以下三个因素：（1）上向流过滤方式；（2）轻质滤料良好的粒径均匀性；（3）较大的滤层厚度。在滤料粒径均匀性良好（K₈₀=1.17）的同时采用上向流过滤方式，可以充分实现“反粒度过滤理论”^[5]，最大限度地发挥整个滤层的截留能力；而较大的滤层厚度可使滤层截留更多的悬浮物。

另外，两级轻质滤料滤池在运行过程中均未出现快速堵塞现象（尤其是一级轻质滤料滤池）。运行24 h后，一级轻质滤料滤池的最大过滤水头损失介于0.67～1.86 m之间，绝大多数时间小于1.50 m；二级轻质料滤池的最大过滤水头损失不超过0.25 m。经分析，这应归功于轻质滤料较大的粒径。在滤料粒径较大的条件下，滤料间的孔隙也相应较大，过滤阻力因而会减小。

2.2  对色度的去除

原水的色度介于25～40度之间，平均值为26.75度。一级滤后水的色度介于5～10度之间，平均值为6.25度。二级滤后水的色度非常稳定，均为5度（见图5）。投加次氯酸钠对色度没有影响，最终出水的平均色度为5度。组合工艺对色度的总去除率为81.3%，除色效果良好。

色度是一项感官性状指标，分为真实颜色（简称真色）和表观颜色（简称表色）。真色是由水中溶解性物质引起的，也就是除去水中悬浮物后的颜色；表色是指没有去除悬浮物的水所具有的颜色，包括了溶解性物质和不溶解性悬浮物所产生的颜色。本试验中能够被去除的色度主要指表色。随着藻类等悬浮物及胶体物质经过混凝、过滤单元被有效去除，原水色度得以有效降低。次氯酸钠对水中的悬浮物没有明显的去除作用，因此出水色度没有进一步降低。

2.3  对COD的去除

原水的COD浓度介于3.70～5.81 mg/L之间，平均浓度为4.43 mg/L。轻质滤料滤池对COD的平均去除率为50.8%，其中一级和二级轻质滤料滤池对COD的平均去除率分别为31.6%和19.2%，滤后水的平均COD浓度分别为3.03 mg/L和2.18 mg/L。投加次氯酸钠后，COD浓度进一步降低（平均值为2.12 mg/L），最终组合工艺对COD的总去除率为52.1%（见图6）。

有机物可分为溶解态和悬浮态两种，去除方法主要有生物法、物理法和化学法三种。生物法是通过微生物的新陈代谢降解水中的有机物；物理法是通过沉淀、过滤等物理方法去除水中呈悬浮态的有机物；化学法是通过化学药剂氧化分解水中的有机物。试验期间，未在滤料表面发现生物膜，因此可以排除生物法的影响，轻质滤料滤池对COD的去除主要是通过去除水中的悬浮物来实现的。由于轻质滤料滤池对水中悬浮物有高效截留作用，悬浮物中的腐殖质、藻类等有机物质可被有效去除。次氯酸钠是强氧化剂，可氧化分解水中的部分有机物。因此，投加次氯酸钠可进一步提升COD的去除效果。最终，组合工艺对COD的总去除率为52.1%。

2.4  对氨氮的去除

原水中的氨氮浓度介于0.37～0.45 mg/L，平均值为0.40 mg/L。轻质滤料滤池对氨氮的平均去除率为27.5%，其中一级和二级轻质滤料滤池对氨氮的平均去除率分别为22.5%和5.0%，滤后水平均氨氮浓度分别为0.31 mg/L和0.29 mg/L。经次氯酸钠处理后，最终出水中的氨氮被全部去除（见图7）。

水中氨氮以铵根（NH₄⁺）和游离氨（NH₃）的形式存在，这两种成分的比例随水温和pH值变化，以铵根为主^[6]。小部分的氨氮可通过混凝、过滤被去除，大部分的氨氮可与次氯酸发生反应.

2.5  对叶绿素a的去除

原水中的叶绿素a浓度介于8.43～12.32 ug/L之间，平均值为10.43 ug/L。轻质滤料滤池对叶绿素a的平均去除率为80.3%，其中一级和二级轻质滤料滤池对叶绿素a的平均去除率分别为70.4%和9.9%，滤后水的平均叶绿素a浓度分别为3.09 ug/L和2.06 ug/L。投加次氯酸钠后，最终出水中的叶绿素a浓度为0 ug/L（见图8）。

叶绿素是植物光合作用中的重要光合色素。通过测定浮游植物的叶绿素a，可掌握水中藻类的生长情况。由检测结果可知，原水中的藻类含量处于较低水平，这可能与山区河流的有机物浓度较低且水流速度较快有关。轻质滤料滤池对藻类有很强的去除效果，这应该归功于滤池对水中悬浮物的高效截留作用。次氯酸钠与水反应会生成次氯酸，而次氯酸有强氧化性，可有效灭活水中的藻类，因此最终出水中未检出叶绿素a。

3 结论

1.得益于上向流轻质滤料滤池对悬浮物的高效截留作用，组合工艺对浊度和色度均表现出了很好的去除效果，平均去除率分别达到了99.9%和81.3%，且滤池并未出现快速堵塞现象，运行非常稳定。

2.组合工艺对有机物有较好的去除效果，COD平均去除率为52.1%。其中，一级和二级轻质滤料滤池对COD的平均去除率分别为31.6%、19.2%，次氯酸钠对COD的平均去除率为1.3%。

3.组合工艺能够高效去除藻类，叶绿素a去除率高达100%。其中，一级和二级轻质滤料滤池对叶绿素a的平均去除率为分别为70.4%和9.9%，次氯酸钠能够灭活剩余藻类。

4.组合工艺能够高效去除氨氮，氨氮去除率高达100%。其中，一级和二级轻质滤料滤池对氨氮的平均去除率分别为22.5%和5.0%，次氯酸钠对氨氮的去除至关重要。

参考文献

1. 桑军强,张锡辉,张声,等.原水生物预处理的轻质滤料滤池和陶粒滤池运行效果对比[J].环境科学,2004,25(3):40-43。

2. 任媛媛,缑倩雯,陆少鸣.轻质滤料生物滤池对微污染原水的中试研究[J].环境工程学报,2010,4(3):603-606。

3. 李伟进,平文凯,唐孝国.新一代曝气生物滤池BIOSTYR^●工艺及其应用[J].中国给水排水,2009,25(22):76-80,83。

4. 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法（第四版）[M].北京:中国环境科学出版社,2002。

5. 刘洋.装配式滤床对景观水体原水中产浊物质的控制研究[D].西安:西安建筑科技大学,2019: 8-9。

6. 叶辉,许建华.饮用水中的氨氮问题[J].中国给水排水,2000,16 (11):31-34。

    

基金项目：徐州市重点研发计划项目（KC22098）；江苏省产学研合作项目（BY2022754），江苏省科技副总项目（FZ20210338）；徐州市重点研发计划项目（KC19105）。

作者简介：李雨萱（2002.11-），女，本科生，研究方向为水污染控制技术；联系电话: 13914874020；电子邮件: liuqiang_1207@163.com

通讯地址：江苏省徐州市云龙区丽水路2号，徐州工程学院环境工程学院；邮编：221018