2.2　砂滤与炭滤工艺

传统预处理工艺中混凝砂滤与活性炭滤是两个基本工艺，工艺过程与工艺设备近似。

2.2.1　混凝砂滤工艺

砂滤工艺中，不用混凝剂且滤速在0.1～0.3m/h范围的称为慢滤。慢滤机理主要是靠附着在滤料上的生物膜对悬浮物及胶体的吸附截留。慢滤的滤料粒径小，过滤流速慢，设备效率低，一般不用于工业过程。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快滤工艺。

（1）混凝沉淀工作原理

水体中的杂质按照粒径规格划分为悬浮物、胶体与溶解物。悬浮物系指1mm～10-1μm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10-3～10-1μm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。水体中悬浮物与胶体去除的有效方法之一就是混凝沉淀。混凝沉淀工艺使用有机或无机混凝剂，使水中悬浮物与胶体形成凝聚和絮凝，即生成较大颗粒而形成沉淀。再用砂滤工艺将沉淀物滤出即构成了混凝砂滤的完整工艺。

混凝与砂滤的合成工艺中，砂滤的截留效果主要是依靠脱稳的悬浮物与胶体在滤料中的筛分、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面，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。

预处理系统使用的混凝剂包括硫酸铝、偏铝酸钠等铝盐，硫酸亚铁、三氯化铁等铁盐，聚合铝、聚合铁等无机高分子混凝剂，以及众多有机高分子混凝剂。影响混凝效果的主要因素包括水体温度、pH值、悬浮物浓度、混凝剂种类与浓度、混合效果与反应时间等。

（2）单层滤料砂滤工艺

产生混凝沉淀现象后，需用砂层过滤方法将沉淀物滤除。砂滤工艺按滤层的数量分为单层、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。

由于反冲洗时会造成滤料膨胀分层，表层滤料颗粒小，比表面积大，过滤孔隙窄，截留效果好，而下层滤层则相反。因此，单滤层砂滤器的容污量沿滤层深度成指数下降，下层滤料的截留效果明显降低，总容污量有限。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。单层过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。

（3）多层滤料砂滤工艺

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。

深层过滤在反洗过程中将使每个滤料层均形成小粒径表层，致使砂滤器的总容污量加大，形成相对的深层过滤。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。

（4）流速、压降与截面

砂滤器运行过程中，滤速是重要的设计参数之一。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。

滤层的压力损失是滤料粒径、滤料形状、滤料层数、滤层厚度、过滤速度、水体温度及污染程度的函数。在8～20m/h滤速范围内，滤层的压力损失与滤速成线性关系。在0.70～0.75m层高的一般砂滤器中，滤速每增加1m/h，清洁滤料的压力损失将增加0.45～0.50kPa。滤层污染后的压力损失将随污染程度而增加。

砂滤器及滤层的截面积S（m2）是产水流量Q（m3/h）与滤层滤速V（m/h）的比值：

S=Q/V　　（2.1）

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。

（5）滤料及其级配曲线

砂滤器用滤料的一个重要指标是所谓的级配曲线，用不同孔径的筛网筛分料样将得到如图2.3所示滤料中不同粒径的累积概率曲线即滤料的级配曲线。

滤料级配曲线中累计概率为50％点处对应的粒径（如0.8mm）为滤料的平均粒径，即商品滤料的标称粒径。累计概率为10％点处对应的粒径（如0.6mm）为滤料的有效粒径，是决定滤料实际过滤精度的滤料粒径。所以称为有效粒径是因为经反冲洗后，滤料层顶部形成表面有效滤层的粒径一般是整个滤料累计概率为10％所对应的粒径。累计概率为80％所对应的粒径与有效粒径的比值成为滤料的不均匀系数K80。多介质过滤器中各层滤料级配曲线越窄，粒径越一致，滤层的深层截留效果越显著，容污量越大。

为避免滤料成为新的污染源，应保证滤料的化学稳定性。对于呈中性或酸性的水源，一般使用石英砂为主要滤料；对于碱性水源，一般使用大理石、无烟煤或白云石为主要滤料。

2.2.2　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。

（1）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上端流向下端。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水径流。

一些小型系统中无混凝剂工艺砂滤器的过滤效果很差，只能截留较大粒径的悬浮物。对于投放混凝剂工艺，为实现混凝剂与原水的有效混合需要一个混合器，当混凝剂投放点在加压泵前时可以加压泵作混合器。混凝剂从投放至矾花形成需要一定的时间，对于特定流速系统，矾花形成时间表现为混凝剂投放点与滤层的流程距离。投放点距离过远，会使矾花形成于砂滤之前，在滤层表面形成截留层，降低深层过滤效果。投放点距离过近，会使矾花形成于砂滤之后，不仅失去砂滤作用，还会污染后续工艺，甚至威胁膜系统。最佳的投放点应使矾花形成于滤层前与滤层中上部，从而构成典型的深层过滤。

在产水运行过程中，滤料层不断截留悬浮物与胶体，加重了滤层的污染，滤层压力损失在洁净滤料压力损失基础上不断增长。当滤层压差过高而产生滤层泥膜破裂时，产水水质突然下降。砂滤工艺应在恒流状态下的工作压力上升到一定水平（或恒压状态下的产水流量下降到一定水平）时，中止运行并进行砂层的清洗。砂滤器一般应在工作压力损失达到50～60kPa水平时进行清洗。

（2）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状态。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擦力也会下降，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·m2）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，采用系统原水时切忌含有混凝剂。反洗过程中排出的污水夹杂着大量的矾花与污染物质，一般应直接排放而不易回用。

（3）正向清洗过程

反洗过程结束时，整个砂层成疏松状态，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。

2.2.3　砂滤工艺特征

混凝砂滤工艺产水的SDI值可达4～5，基本满足反渗透膜系统的进水质要求。预处理工艺中承压式砂滤器结构的成本低廉、运行操作简便，易于和后续的承压式炭滤、软化、精滤等设备结构相连接，无需缓冲水箱调节流量。封闭承压式砂滤器结构较敞开式快滤池结构占地面积小、便于控制，因此广泛用于各类规模的反渗透预处理工艺。

混凝砂滤工艺与超滤工艺相比产水SDI值偏高，提高产水水质的潜力有限。尽管砂滤器的运行控制简便，但混凝剂投放效果的影响因素过多，最佳投放控制较难，且反洗时间较长，连续运行时的清洗备用容量比例较大，其效率与稳定性不及超滤工艺。

2.2.4　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的微孔，具有500～1500m2/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炭粒内孔中的大量污染物。因活性炭难于再生，当炭粒内孔吸附饱和时，中小型系统只能换炭，仅有超大型系统的活性炭再生才具有实际经济价值。

2.2.5　多路阀与容器

美国Osmonics、Pentair公司推出的多路阀与美国Park、Structural公司推出的单孔玻璃钢容器，合成了“自控多路阀-单孔玻璃钢容器”型砂滤与炭滤工艺设备。该设备的单元式结构、简易管路形式、连续运行方式等特点与反渗透膜工艺结构特点实现了完美的结合。近年来，国内润新等公司推出的各类多路阀及众多国内公司推出的单孔玻璃钢容器，占领了大部分国内市场。

（1）单孔的玻璃钢容器

过滤用玻璃钢容器具有玻璃钢材质与上单孔结构两大特征。玻璃钢材质减轻了设备重量、降低了设备成本、满足了防腐要求。上单孔、中心管、上布水器、下集水器等部件相配合替代传统过滤器的上下开孔方式，实现了过滤器的管道式结构，并为简化玻璃钢容器的成型工艺奠定了基础。

玻璃钢容器通过上端内螺纹孔与多路阀连接，内部的上布水器、中心导管、下集水器预埋于滤料层并连接于多路阀而非连接于容器内壁。该结构形式在技术合理基础上有效地降低了设备的材料成本与加工成本。

（2）自控的多路阀装置

图2.4所示的自控多路阀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。国产润新多路阀由陶瓷密封磨片等组成，依托端面密封的原理，将多个阀门紧密地集成在一个阀体上，呈平面圆周布置。多路阀受控制器控制，自动完成各工序流程。

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。

多路阀控砂滤器与炭滤器，因集成度高、结构简单、成本低廉、安装方便、运行可靠等优势条件，成为国内外中小规模给水处理工艺的典型设备，也成为反渗透系统预处理工艺的主选设备。该技术是对传统砂滤与炭滤工艺设备的重大改进，有力地促进了反渗透工艺技术的快速发展。

针对反渗透系统的连续运行要求，润新自控多路阀可以由自带的互锁程序构成多组多路阀互锁结构，可实现不间断供水的工作方式。对于大型系统，也可采取多过滤器并联互锁运行与轮流反洗的方式达到供水要求。润新多路阀在砂滤、炭滤等过滤系统中的规格如表2.3、表2.4所示。

（3）多路阀的压力损失

由于多路阀中阀片式结构的紧密性，多路阀内部流道相对狭窄，较隔膜阀、蝶阀、球阀、闸阀等常规阀体结构存在更高的压力损失，在预处理系统中，多路阀压降远高于管路压降，在砂滤、炭滤、软化等多路阀型预处理设备的设计与运行过程中应予以重视。图2.5给出了某多路阀的压降流量特性曲线以资参考。

从根本意义上讲，过滤器设计参数中，只有滤层对滤速的限制，而无多路阀对流速的限制。表2.3、表2.4所示多路阀规格所对应的流量范围，是在0.3MPa压差下将多路阀、中心管、布水器及相应的滤料配置成套装置时检测出的流量数值。

（4）多路阀的使用事项

多路阀过滤器的设计与运行过程中存在两个问题值得注意。

①过滤系统中反洗流量一般要大于运行流量的1.5倍，所以过滤用阀的选用一般需要参照反洗流量。

②在阿图祖等厂商生产的砂滤或软化用多路阀的使用过程中，存在两个问题需要注意。

一是多路阀出水口无阀片控制，当系统后续工艺设备在过滤器停运状态下出水管路上有阀门关闭径流通道时，该问题被掩盖；当过滤器的出水管路中无相应阀门时，过滤器不能进行正常的正、反清洗。克服这一缺陷的方法是在过滤器出水管路安装一电磁阀，并由多路阀专门引出一路控制信号来控制电磁阀。

二是多路阀在正洗与反洗各工序的切换期间存在无排水状态间隔，过滤器的给水泵将在该间隔处于零流量运行状态，以避免威胁水泵安全，解决该问题的方法是在给水泵与过滤器之间安装泄压装置。

润新多路阀在使用过程中不存在上述问题，不管是过滤阀或软化阀在正洗及反洗工序到位后，出水口均由内部阀片关闭，在各工序的切换过程中出水口或排污口会同时出水，可以带压操作而不会对水泵形成反压。在一个工作循环的切换过程中，在出水口将有2～5s的未经过处理的水流。对水水质要求特别高的场合需要在出水管路上加装电磁阀，阀新公司的自控过滤阀和自控软化阀都有输出信号，以便于控制进口给水泵和出口电磁阀。