摘要：文章介紹了各種類型濾池在給水處理中的工作原理、技術(shù)特點，敘述了濾池和濾料在國內(nèi)外水處理技術(shù)中的發(fā)展與應(yīng)用情況，提出了過濾技術(shù)中還存在的一些問題。
前言
人們通過研究知道清潔的井水是通過地層的過濾作用獲得的，這就啟發(fā)了人們用過濾方法來處理經(jīng)過沉淀但仍然渾濁的地表水的想法，早期的過濾設(shè)備就是一種類似地層過濾作用的橫向水流濾池，后來才發(fā)展為豎向水流，即慢濾池。早期的慢濾池是1827年羅伯特·湯姆為蘇格蘭格林奧克設(shè)計的慢砂濾池。隨后又出現(xiàn)了快濾池，快濾池克服了慢濾池濾速慢、占地大的缺點，現(xiàn)已成為地表水廠中不可缺少的凈水構(gòu)筑物。
1、濾池技術(shù)的發(fā)展
過濾是給水處理過程中非常重要的工藝，是消毒前的后一道工藝，經(jīng)濾池處理后的水，濁度要求達到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的1度以下，否則出廠水的濁度將無法合格。自來水的水質(zhì)與人們的生活息息相關(guān)，開發(fā)低耗的濾池工藝是國內(nèi)外學(xué)者長期以來研究的課題。
1.1 慢濾池
慢濾池所用的濾料為砂濾料，過濾的水流速度很慢，其過濾作用主要依靠濾料頂部幾厘米厚，由藻類、原生動物和細(xì)菌等微生物大量繁殖形成的濾膜，捕捉水中的雜質(zhì)，依靠氧化分解作用進行凈化，實際上是起著生物濾池的作用。慢濾池能有效地去除水的色度、嗅和味，但對有機物和化學(xué)污染含量高的原水，處理效果不太有效。更主要的是其過濾速度慢（約0.1-0.3m/h），占地面積大，不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要，現(xiàn)在國內(nèi)已很少采用。慢濾池凈化主要為生物凈化作用，因而對有機物、微生物的去除，起到一般快濾池不能達到的作用，由于這個原因，國外更重視慢濾池的使用，國外尤其是歐洲國家為保持水質(zhì)，很多以慢濾池作為把關(guān)設(shè)施。
1.2 快濾池
快濾池自1840年問世以來，至今有100多年的歷史，快濾技術(shù)在世界范圍內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用。在這期間，雖然對過濾方式和濾池池型作了不少改進，但改進的是增加濾池含污能力，其次則是從節(jié)約濾池的閥門及便利操作向著自動化和連續(xù)操作的方向中作了許多改進和革新。
快濾池通常使用的是石英砂濾料，石英砂有足夠的機械強度，價格低，材料易得，在中性水及PH值在2.1-6.5的范圍內(nèi)的酸性水中都很穩(wěn)定。濾池利用濾層中粒狀材料所提供的表面積，而不是利用濾料的篩除作用，截留水中經(jīng)過混凝處理的懸浮固體。在過濾時，由于砂粒表面不斷粘著絮體，使砂粒間的孔隙減小，水流的阻力不斷增長，當(dāng)過濾的水頭損失達到較大值時，如果濾池繼續(xù)運行，過濾的速度將大大低于預(yù)定值；若出現(xiàn)濾出的濁度或者其它預(yù)定的水質(zhì)參數(shù)不合格，則需要停止過濾，進行濾池的反沖洗。此外，當(dāng)過濾時間過長，如超過50-60h，也需要停止過濾，進行反沖洗，防止濾料顆粒粘著的顆粒物過于緊密，造成板結(jié)，不易沖洗下來。反沖洗是用濾后的清潔水對濾料進行清洗，反沖洗時水流方向和過濾時完全相反，利用水流的沖擊作用和濾料間的摩擦去掉濾層在工作時間內(nèi)所截留的懸浮固體。從停止過濾到?jīng)_洗完畢，一般需要20-30min，在這段時間內(nèi)，濾池停止生產(chǎn)，沖洗所消耗的清水，約占濾池該工作周期產(chǎn)水量的1-3%。沖洗完成后，又重復(fù)過濾過程。
1.3 濾料
（1）單層濾料：單層濾料濾層厚度（L）一般為70-90cm，粒徑（d）0.45-1.0mm，有效粒徑（de）約為0.5-0.55mm，均勻系數(shù)（UC）約為1.3-1.4，濾速標(biāo)準(zhǔn)為5m/h。濾層結(jié)構(gòu)在反沖洗水水流作用下，沿水流方向由細(xì)顆粒到粗顆粒排列，過濾時表層孔隙阻塞和水流阻力增長迅速，過濾周期較短，整個濾層的作用不能充分發(fā)揮。為了提高濾池的截污能力，不斷發(fā)展了上向流過濾、多層濾料、混合濾料等過濾技術(shù)。
（2）多層濾料：多層濾料在應(yīng)用上使用較多的是雙層濾料和三層濾料。1940年，美國首先發(fā)展了雙層濾料濾池。這種濾池在上層采用比重小，粒徑大的輕質(zhì)濾料，在下層采用比重大，料徑小的重質(zhì)濾料。上層大顆粒起粗濾作用，下層細(xì)顆粒起精濾作用，整個濾床較單層濾床發(fā)揮更大的截污作用。運行資料表明，雙層濾料含污能力比傳統(tǒng)單層濾料高1倍，濾速提高0.5倍以上。但是，雙層濾料床每一層中的濾料仍屬上小下大的級配，表層截留阻塞現(xiàn)象在各濾層中仍未能避免。雙層濾料國內(nèi)外水廠主要采用的是煤-砂雙層濾料，煤粒徑1.0-2.0mm，de=1.1-1.2mm，UC=1.3-1.4，濾層厚30-40cm；砂粒徑0.5-1.0mm，de=0.55mm，UC=1.3-1.4，濾層厚30-40cm，總濾層厚70-90cm，濾速一般為10-12m/h，過濾周期通常不超過36h。
三層濾料技術(shù)的研究開始于二十世紀(jì)60年代，三層濾料通常采用煤、砂、石榴石，粒徑分別為0.8-2.0，0.5-0.8，0.25-0.5mm，三者厚度分別占60-65%、25-45%、5-10%，總厚度約為75cm。這種濾池在初濾時濾速可為單層快濾池的3倍，煤-砂雙層濾池的2倍。但隨后濾速降低，且過濾周期較短。根據(jù)有關(guān)資料稱，其總濾出水量不及雙層濾池，濾層有堵塞現(xiàn)象，石榴石比煤濾料價格要高很多，也有流失情況�？偟膩碚f在造價上和管理維護上不如雙層濾池。
（3）混合濾料：混合濾料濾池是由混合在一起的濾料組成。濾料亦為煤、砂、石榴石，所占濾層比例為60%、30%、10%，配合比為煤1-2mm，60cm；砂0.6-0.8m/m，22.5cm；石榴石0.4-0.8mm，7.5cm，總厚度90cm，三種濾料摻合在一起，但上層煤粒多、中層砂粒多、下層石榴石多。這種濾料不是三層濾料，與雙層濾料比，在效果上各有優(yōu)點，實際相差無幾。
（4）陶粒濾料：這種濾料是由俄國引入到國內(nèi)的，使用的陶粒為一種多孔材料，由熔化的粘土在快速焙燒時膨脹制得，一般制成直徑5-40mm的塊狀物質(zhì)，然后將上述塊狀物加以輾碎、篩選而得。它富有棱角表面積大，及機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性都合乎標(biāo)準(zhǔn)的特性，濾速可達10-40m/h。
（5）均質(zhì)濾料：這種濾料形成的濾床從上到下，每個剖面都有大、中、小粒徑的顆粒，它們各自的量相等或接近，這樣它們?yōu)V床上下方向的濾料孔隙率相同，而使濾床水的流態(tài)也相同，濾料能更好地克服表面阻塞，絮體深入濾床，以達到濾出水量多、水質(zhì)好的效果。為了達到上述目的，主要的一個因素是濾床不膨脹或是稍有微膨脹，使其始終保持原有填料時濾床濾池的原有狀態(tài)。均質(zhì)濾料一般采用砂濾料，de=0.95-1.35mm，粒徑范圍0.7-2.0mm，均勻系數(shù)1.2-1.6或1.8，濾層厚度0.95-1.5m，也可再厚一些，濾速一般為8-10m/h。
（6）纖維濾料：纖維濾料突破了粒狀濾料的料徑不能進一步縮小的限制，使濾料的直徑達到了μm級，大大增加了濾料的比表面積和吸附能力。其中，彗星式纖維濾料是國家863科技成果、國家火炬項目、國家新產(chǎn)品（也稱863濾料）。該濾料纖維球上帶著細(xì)小纖維，散開時形狀如彗星，具有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性，濾水過程無有害成分溶出。其中纖維球呈球狀或扁平橢圓體，粒徑2mm-3mm，纖維長度15mm-20mm，纖維徑20μm-50μm，空隙率90%以上，比表面積達3000m2/m3。由于纖維絲的相互穿插，形成了一個孔隙大、比表面積大的纖維層整體，在自重及水力作用下，濾料愈接近濾床下部堆積得愈密實，使濾床橫斷面空隙率均勻、縱斷面呈合理的上疏下密梯度，懸浮物易于深入濾層。底層20cm厚的纖維被壓實，細(xì)小顆粒無法穿透濾層，使整個濾床都發(fā)揮作用，確保了高速過濾、高精度過濾和高納污量三者得以同時實現(xiàn)。反沖洗時濾料在水中充分散開后，隨著反沖洗水流和氣流充分?jǐn)[動，形成了較強的甩曳力和機械作用力，濾層中的吸附截留物得到洗脫，沖后會自適應(yīng)形成上疏下密的理想濾床結(jié)構(gòu)。該濾料具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性，不會發(fā)生濾料破損和流失，反沖洗效果好、洗凈度高，剩余積泥率小于1%，強制較大濾速可達50m/h。
（7）復(fù)合生物活性濾料：隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對水源的污染也日趨嚴(yán)重，給水處理與污水處理的界限也越來越模糊，污水處理中的許多技術(shù)也開始用于給水處理中。復(fù)合生物活性濾料由活性和惰性濾料復(fù)合構(gòu)成濾床，在保持濾池去除懸浮物功能的基礎(chǔ)上強化濾池去除有機物的能力，其中的活性濾料由極性和非極性濾料復(fù)合構(gòu)成，用以提高吸附、去除有機物的能力，對氨氮的去除效果較好，也可去除水中的部分COD。
（8）臭氧-生物活性炭濾料（O3+BAC）：試驗表明如果水中含有充分的溶解氧，活性炭濾床有細(xì)菌孽生，產(chǎn)生生物活性，去除水中有機物。利用活性炭的吸附量并采用臭氧消毒的技術(shù)，在活性炭前加臭氧，增加生物活性炭活性。O3+BAC有著大量去除合成和天然有機物、溶解無機物及鐵、錳等的效果。生物活性炭濾料比活性炭濾料使用壽命增加2-9倍，使用壽命更長，一般一次可使用5年。O3+BAC受活性炭濾層厚度、溫度及去除氨氮的影響。不足處是生物膜由濾料中脫落，有進入清水池中的可能，對水質(zhì)有損害。
2、濾池的應(yīng)用
2.1 快濾池
2.1.1 普通快濾池
普通快濾池應(yīng)用較廣、運行穩(wěn)定可靠，一般用于大、中型水廠。濾池每一濾格有4個閥門，過濾時，打開進水和清水閥門，關(guān)閉反沖洗水和排水閥門，待過濾水流入沖洗排水槽后從槽的兩邊流出，使水量可以均勻分布在濾池整個面積上。反沖洗過程和過濾過程水流方向正好相反，關(guān)閉進水和清水閥門，打開反沖洗水和排水閥門，清潔水經(jīng)配水系統(tǒng)和承托層均勻分配后，從下自上流過濾層，帶走濾料表面的污物，流入沖洗排水槽后排出。
2.1.2 雙閥濾池
為減少閥門和減輕檢修工作，將普通快濾池的進水閥和沖洗水排水閥用兩條虹吸管代替，只保留清水閥和沖洗水閥，就成為雙閥濾池。這兩種濾池的構(gòu)造、濾速、濾料和配水系統(tǒng)等相同，減少了閥門，但需一套真空系統(tǒng)，運行管理比普通快濾池復(fù)雜，一般用于中型水廠。
2.1.3 虹吸濾池
該濾池是利用濾池本身的出水水頭進行反沖洗的濾池，因進水和沖洗水的排出均由虹吸管完成，故稱為虹吸濾池。它是二十世紀(jì)50年代在美國發(fā)明并應(yīng)用的，又名綠葉濾池（Green Leaf）。進水時用小虹吸管，而沖洗水排出時用大虹吸管，其運行均靠真空系統(tǒng)，由真空泵、真空罐、管路和進水、沖洗虹吸管組成，可以自動化運行。
虹吸濾池不需要大型的閥門及相應(yīng)的啟閉控制設(shè)備，也無管廊；可利用濾池本身的出水量、水頭進行沖洗，不需要設(shè)置沖洗高位水箱或水泵；可以在一定范圍內(nèi)，根據(jù)來水量的變化自動均衡地調(diào)節(jié)各個單元濾池的濾速，不需要濾速控制設(shè)施；濾出水位高于濾層，不會發(fā)生負(fù)水頭現(xiàn)象；各控制閘閥及管路均集中在濾池中點真空罐周圍，操作管理方便，不僅可降低工程投資20%-30%（同快濾池比），且可節(jié)省金屬材料30%-40%。但因該濾池深度較大（一般5-6m），采用小阻力配水系統(tǒng)，致使單位濾池面積不宜過大，不適用于大型規(guī)模的給水廠。此外它反沖洗耗水量大（約占產(chǎn)水量的3.8%），不能排除初濾水，沖洗效果較氣水反沖洗濾池差，沖洗水頭相對不高，常發(fā)生濾料、濾層沖洗不干凈的情況，保持濾層清潔的能力和提高濾出水水質(zhì)的能力不如普通快濾池。
2.1.4 無閥濾池
無閥濾池在中、小水廠中用得較多，分重力式和壓力式，兩者工作原理和設(shè)計參數(shù)相似。無閥濾池的特點是運行全部自動，操作方便，工作穩(wěn)定可靠，在運轉(zhuǎn)過程中濾層內(nèi)不會出現(xiàn)負(fù)水頭；結(jié)構(gòu)簡單、材料節(jié)省、造價比同規(guī)模普通濾池低；不用大型閥門，采用低水頭反沖冼，小阻力配水系統(tǒng)。但無閥濾池的管件較多，并且安裝時對管道標(biāo)高的要求嚴(yán)格，三角連通渠的斷面很小，施工時搭模、拆模和澆混凝土都很困難。反沖洗開始時沖洗強度較高，易出現(xiàn)跑砂、跑煤現(xiàn)象，沖洗末期強度下降，又使濾層難以洗凈。另外單池面積較小，濾料裝卸不便且處于封閉池體中，無法了解水處理的過程。
2.1.5 單閥濾池
單閥濾池一般由無閥濾池改建而成，和無閥濾池結(jié)構(gòu)基本相同。不同之處是在清水池內(nèi)設(shè)置沖洗水箱，取代無閥濾池上部沖洗水箱，各濾池底部連通，濾后水由池底管道通向清水池，取消了反沖洗虹吸管，在反沖洗管上安裝閥門，單閥濾池的土建和管道費用比無閥濾池降低40%左右。
2.1.6 V型濾池
V型濾池是法國德利滿（Degremont）公司開發(fā)的一種高速均質(zhì)濾料濾池，有截污量大、沖洗效果好的顯著優(yōu)勢，近年來在新建的大、中型水廠應(yīng)用較多。該濾池采用單層加厚均質(zhì)石英砂濾料，深層截污，濾料有效料徑為0.95-1.35m/h；濾速可達7-20m/h，一般為12.5-15m/h；砂上水深-般為1.2m；氣沖洗強度為50-60m3/m2.h，水沖洗強度為13-15m3/m2.h，表面掃洗強度為5-6m3/m2.h。進水槽設(shè)計成v型，底部有進水孔，在反沖洗時兼做反沖洗時表面清掃布水槽。反沖洗采用空氣、濾后水和原水三種流體，用較小的水頭損失和電耗獲得理想的沖洗效果，底部采用帶長柄濾頭的配水系統(tǒng)，可不設(shè)或可設(shè)很薄的承托層。缺點是設(shè)備費用、土建施工技術(shù)要求較高，反沖洗水量較大（約占產(chǎn)水量的2.6%）。
2.1.7 移動沖洗罩濾池
二十世紀(jì)40年代后期，美國Handing公司首先提出了在一只濾池中分成若干長條小格，利用裝在移動桁車上的沖洗泵和排水泵對各濾池依次沖洗，而未被沖洗、保持持續(xù)過濾的濾池，又稱為Hardinge濾池。移動沖洗罩濾池按沖洗廢水排出條件，分為虹吸式和泵吸式兩種，它吸取虹吸濾池和無閥濾池的優(yōu)點，主要特點是濾池的沖洗水量由工作濾格的過濾水供給，不需另設(shè)沖洗塔或沖洗水泵，而且各濾格共用一套沖洗設(shè)備，簡化了濾池構(gòu)造。濾池各格順序進行沖洗，不會出現(xiàn)全部濾層處于較大積污情況，因而其水頭損失要比其它各類型濾池小。該濾池一般池深較淺，土建構(gòu)造簡單，故基建投資較省，造價約為普通快濾池的65%-80%，而且占地面積少，節(jié)約能源消耗。但這種濾池不能排掉初濾水，無主動控制濾速設(shè)備，對過濾初期的水質(zhì)控制能力較差。另外，沖洗過程一般都采用程序控制，因此須配備一定的管理和維修技術(shù)力量。
2.1.8 翻板濾池
翻板濾池是瑞士蘇爾壽（Sulzer）公司下屬的技術(shù)工程部（現(xiàn)稱瑞士VA TECH WABAG Winterthur）的研究成果。所謂“翻板”，是因為該型濾池的反沖洗排水舌閥（板）在工作過程中是在0°-90°范圍內(nèi)來回翻轉(zhuǎn)而得名。
該型濾池的工作原理與其它類型氣水反沖濾池相似：原水通過進水渠經(jīng)溢流堰均勻流入濾池，水以重力滲透穿過濾料層，并以恒水頭過濾后匯入集水室，濾池反沖洗時，先關(guān)進水閥門，然后按氣沖、氣水沖、水沖3個階段開關(guān)相應(yīng)的閥門。一般重復(fù)兩次后關(guān)閉排水舌閥（板），開進水閥門，恢復(fù)到正常過濾工況。該型濾池具有出水水質(zhì)好、反沖洗水量少、反沖洗時間短、反沖周期長、基建投資省、運行費用低以及施工簡單、工期短等特點。但其設(shè)備較多，一次投資較大，運行電耗也較高。
2.2 其它類型的濾池
2.2.1 上向流濾池
該濾池水流自下而上，符合過濾機理，整個濾床含污較多。為避免濾料流化，濾速不過高，一般只能控制在5m/h，不產(chǎn)生負(fù)水頭和氣阻現(xiàn)象。過濾時濾后水在池上部出流，可以隨時觀察到濾出水的情況，但出水也易被污染，未過濾的水首先經(jīng)過配水系統(tǒng)，易在系統(tǒng)內(nèi)積泥和滋生細(xì)菌，使水質(zhì)變差。污物大多集中在下部粗濾料中，反沖洗時濾料不易流化，很難沖洗干凈。
2.2.2 雙向流濾池
過濾時，水流由底部自下而上及由上部自上而下過濾，濾后水通過設(shè)在濾料層中的集中管出流。雙向流可使濾層下部受到上部的壓力，所以無論濾速多高，濾料也不會移動，解決了濾料的膨脹問題，并且由于上下同時過濾，對單位過濾面積而言，生產(chǎn)能力可大提高，周期產(chǎn)水量為普通快濾池的1倍，而沖洗耗水量僅為普通快濾池的70%。雙向流濾池同樣有下層濾料難以沖洗干凈的缺點，且設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作困難，實際應(yīng)用的較少。
2.2.3 壓力濾池
該濾池為一個密閉的鋼罐，也叫壓力過濾器。移動方便，濾后水可以直接送到用水點，占地少，運轉(zhuǎn)管理方便，對于小型供水特別方便，在工業(yè)中采用較廣。但其也有耗費鋼材多、投資大、清砂不方便等缺點。
2.2.4 輻射流濾池
輻射流濾池中原水由圓形濾層的中點流向四周，由于流動方向上流動截面逐漸增加，所以濾速在流入處較大，向四圍逐漸減小，在流出處較小。進口處濾速大，懸浮固體的穿透深度也大，不易發(fā)生入口處的表面沉積，濾層水頭損失增加緩慢，過濾周期延長，濾層含污量近于相同，使整個濾層發(fā)揮作用。此外，該濾池具有占地面積小，反沖洗水耗小的優(yōu)點。但由于集水系統(tǒng)和反沖洗配水系統(tǒng)是垂直配置的，所以過濾各反沖洗過程各需要一套配水和集水系統(tǒng)。另外，其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，濾料不容易沖洗干凈，這些因素限制了它的推廣應(yīng)用。
2.2.5 連續(xù)過濾池（器）
連續(xù)式過濾器體現(xiàn)了一種新的過濾和濾層清洗方式，當(dāng)前被認(rèn)為是較有發(fā)展過濾器之一，它將濾料的清洗移至濾池外，使濾池連續(xù)運行，無停產(chǎn)沖洗的過程，水頭損失較低且相對恒定。該種過濾器的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能大量供水。
3、目前常用濾池存在的問題
現(xiàn)在國內(nèi)正使用的濾池多為普通快濾池，一般選用的濾料為單層或多層砂濾料，濾料粒徑偏細(xì)，濾料砂粒大小不均勻程度大，濾層孔隙率低，含污能力小。過濾水頭損失大，大部分雜質(zhì)截留在濾層表面，雜質(zhì)穿透深度小，表層截污量比例大，堵塞速度和水頭損失增長很快，濾池工作周期短，反沖洗水耗大。反沖洗時，為滿足一定的膨脹率要求，細(xì)砂粒易被沖出濾池而流失，且層間易產(chǎn)生混雜、板結(jié)等問題。濾料粒徑循水流方向由小到大的濾層結(jié)構(gòu)則是造成上述問題的主要原因。
濾池的土建及設(shè)備造價和運行管理費用是濾池選用首先要考慮的問題。從普通快濾池到雙閥濾池，再到虹吸濾池，對濾池的不斷改進，降低了大型閥門的購置和維護費用，但其管理和運行卻相對變得復(fù)雜了，其它的諸如V型濾池、移動沖洗罩濾池等也都存在運行費用高、能耗大的缺點。所以，如何解決好管理和造價的關(guān)系，是選用和改造濾池的主要問題。
4、結(jié)束語
了解濾池的過濾原理及其發(fā)展的過程，可以幫助我們更好地理解濾池在運行中出現(xiàn)的問題的實質(zhì)，找出解決的方法，并為我們優(yōu)化設(shè)計出水力條件更佳、運行管理方便，費用低廉的濾池提供較好的依據(jù)。
在以地表水為飲用水的凈化工藝中，有時沉淀池或澄清池可省略，但過濾是不可缺少的一項工藝，它是保證飲用水的衛(wèi)生的重要措施�？鞛V池雖然經(jīng)過了一百多年的使用，發(fā)展出多種類型，但各種濾池都有自身的優(yōu)點和不足之處，需要在運行和管理上作進一步的優(yōu)化。
采用均質(zhì)濾料可以較好地解決濾層含污能力小、水頭損失大、濾料流失等問題，所以應(yīng)加大對均質(zhì)濾料濾池的關(guān)注。另外，隨著社會的不斷發(fā)展，對水質(zhì)的要求逐漸提高，水源的污染問題也日益引起人們的注意，如何在常規(guī)處理的基礎(chǔ)上較好地去除水中的有毒、有害污染物質(zhì)，也是今后水的凈化技術(shù)發(fā)展的重要方面。
