砂滤池工作原理

  滤池闲置期，石英砂在自身重力作用下，处于压实状态。运行初期，原水首先从进水阀进入配水渠，然后沿配水槽跌落经石英砂过滤后由滤池底部的清水管引至清水池。随着运行时间的延长，石英砂截留杂质慢慢的变多，滤层阻力不断增大，滤池水位逐渐上升，当滤池水位上升到一定高度后，滤池过滤效果显而易见地下降，此时需对滤池进行反冲洗。反冲洗时，开反冲洗水泵和滤池底部的反冲洗水阀，反洗水逆流而上，待石英砂充分膨化后，开鼓风机，待风机工作稳定后，打开进气阀反冲洗水排水阀门，对滤料进行气、水反冲，5～8min后，关闭进气阀和鼓风机，仅对滤料进行水反冲，2～4min后，冲洗结束，关闭冲洗水泵、反冲洗水阀，打开原水进水阀，进行表面扫洗，1～4min后，扫洗结束，关闭反冲洗水排水阀门，打开清水阀，滤池进入下一周期的工作。

  反冲洗时，石英砂滤料在重力和水流作用下处于膨化状态，反洗下来的泥水进排水槽(进水时为配水槽)，由反冲洗水排水阀门将反冲洗水排走。反冲洗结束后，石英砂滤料在重力作用下沉降压实，形成上稀下密的过滤层，更加有助于杂质的截留。

  净水厂砂滤池反洗水(FBWW)是以“混凝-沉淀- 过滤- 消毒”组成的常规水处理工艺的滤池清洗废水，即为清除砂滤池过滤所截留的污染物以使其恢复过滤截污能力而产生的废水。FBWW杂质主要由悬浮颗粒物、胶体杂质、细菌和细碎的絮凝体等组成。我国FBWW 约占水厂总产水量的1.5%～5%。目前国内大多数净水厂对FBWW 均直接排放，不仅致使水资源浪费，且会对受纳水体造成污染，因此将砂滤池反洗水进行安全有效回用，节约水资源，符合可持续发展社会的理念。

  然而，如FBWW 作为净水厂原水直接回用于处理系统中，将持续增加混凝- 沉淀单元的有机物和微生物负荷，有可能导致出水溶解性有机物(DOM)含量增加以及微生物泄露的问题。出水DOM 的增加会导致后续加氯消毒过程中三氯甲烷(THMs)和卤乙酸(HAAs)等消毒副产物(DBPs)生成量增加，这类物质具有致癌作用，会对人们的健康造成隐患。因此，应对FBWW做必要处理后进行回用。

  美国国家环境保护局(USE-PA)推荐去除DBPs 前质的方法有混凝、粒状活性炭(GAC)吸附和膜过滤等，其中混凝被列为控制DOM 的首要方法。超滤(UF)技术对水中的颗粒物、胶体、细菌和大分子有机物具备比较好的截留作用。混凝过程中投加粉末活性炭(PAC)可提高溶解性有机物去除效果，减小UF 膜通量的下降速率。因此，本试验拟采用混凝- PAC-UF 工艺对砂滤反冲洗水做处理，为净水厂FBWW回用提供技术上的支持和理论依据。

  试验在苏州市某水厂中试基地内进行。FBWW与太湖原水的水质参数见表1 所示。

  因此，与太湖水相比较，FBWW 浊度、有机物指标(UV254，DOC 含量和COD)均较高，如果作为净水处理厂的原水进行回用，将增加水厂各处理单元的负荷。

  试验采用的UF 膜组件为改性聚氯乙烯中空纤维UF 膜。膜组件膜丝内外径为1.0mm×1.65 mm，平均孔径0.171 5 m，孔隙率77.75%，起始水接触角为32.4，有效膜面积为0.133 m2，设计产水量为70～90L/(m2h)。试验选用内压式UF 膜，过滤方式为恒通量，死端过滤，膜运行通量为70 L/(m2h)，工艺流程如图1 所示。

  试验采用的混凝剂为聚合硫酸铁(PFS)，Fe 的质量分数为20%，Fe(II)质量分数小于0.05%。PAC，外观呈粉末状，黑色;过筛孔75 m 的质量分数为90%，碘值(最小)为900mg/g，亚甲基蓝值199mg/g。

  浊度测定采用HACH 2100N 浊度仪，DOC 测定采用OI 1030W 总有机碳测定仪，UV254采用ThermoEvolution300 紫外可见分光光度计测定，DOC 含量和UV254测定前使用0.45 m膜过滤。三卤甲烷生成潜能(THMFP)测定时，先向水样中投加次氯酸钠，然后用磷酸缓冲溶液调节pH 至7，恒温无光放置24h 后使用顶空气相色谱法测定THMs 含量。

  取一系列细口瓶，加入FBWW 原水，PAC 投加量分别为5、10、15、20、30、50、80 mg/L，搅拌均匀静置30 min 后测定UV254和DOC 的质量浓度，确定PAC合理投加量，结果如图2 所示。

  由图2 可知，在5～30 mg/L 时，随着PAC 的投加量增加，DOC 和UV254的去除率随之增加，当PAC的投加量自30 mg/L 继续增加时，去除率上涨的趋势开始平缓，说明继续增加投加量对有机物的去除贡献不大。且当PAC 投加量由15 增加至30 mg/L 时，PAC投加量的增加带来的有机物去除效果增加不明显，同时考虑到投加PAC 的技术经济因素，后续中试中选择PAC 投加量为15 mg/L。

  参照李开伟等在苏州某水厂的小试参数，本试验PAC 吸附强化混凝采用PFS 作为混凝剂，投加量为8 mg/L[5]。搅拌方式为为在FBWW原水中投加8mg/L 的PFS，以250 r/min 快速混合15s，再以180r/min 搅拌30 min，再静置沉淀30 min，整个混凝过程HRT 为60 min。

  分别在混凝进行至5、10、15、20、25、30 min 时投加PAC，混凝结束后后分析上清液UV254和DOC 去除率，确定PAC 最佳投加时间点。结果如图3 所示。

  从图3 可知，在混凝过程进行到25 min 和30min 时投加PAC 对DOC 和UV254去除率分别约为27%和55%，此时PAC 的吸附时间为30～35 min。投加时间小于25 min 即吸附时间大于30 min 时，随着吸附时间的增加，有机物的去除率反而呈下降趋势，这可能是过早投加PAC 导致PAC 颗粒被絮凝体包裹进而影响PAC 对有机物的吸附作用。因此，在后续的组合工艺中，将混凝进行25 min 作为优化PAC 的投加时间点，此时吸附时间为35 min，以期获得较好的有机物去除率的同时减少混凝搅拌时间。

  浊度是用来表征水中胶体物质和悬浮颗粒含量的感官性状指标。水中的胶体和悬浮颗粒不仅会影响水的感官性状，同时也是水中各种细菌、病毒、污染物的载体，也是饮用水处理的主要去除对象。组合工艺对浊度的去除效果见图4。

  由图4 可知，FBWW 原水的浊度在60.5～151.0 NTU，平均为91.5 NTU，在净水厂沉淀池中未被去除的大量矾花被截留在砂滤池中，因此FBWW具备比较好的沉降性能，取样时间和放置时间的不同导致其浊度波动较大。混凝+PAC 出水浊度在0.65～1.0 NTU，平均为0.75 NTU，说明混凝+PAC可以显著去除FBWW 中的悬浮颗粒物，减轻后续UF 处理负荷。UF 出水浊度在0.1～0.19 NTU，平均为0.14 NTU，平均去除率为99.8%，该组合工艺对浊度去除效果非常明显。这是因为混凝以去除水中的胶体和细小悬浮物为主，在一定含量范围内投加的PAC颗粒物质均会被混凝去除。UF 出水浊度均保持在较低水平，这表明UF 膜可有效地截留混凝形成的矾花、拦截PAC 颗粒物质等污染物质。

  DOC 包含的碳通过燃烧或化学氧化转化成二氧化碳，因此通过红外吸收测定了二氧化碳的量，表征了水体受溶解性有机物污染的程度。混凝能够最终靠吸附电中和、架桥、网捕等作用去除DOC，PAC 主要是通过物理吸附作用去除DOC，另外，UF 膜对有机物的去除主要是通过筛分和吸附作用。试验组合工艺在PAC 投加量为15 mg/L 时对DOC 的去除效果的如图5 所示。

  由图5 可知，混凝+PAC 出水和混凝+PAC+UF出水DOC 的质量浓度平均分别为3.61 和2.55 mg/L。该组合工艺混凝+PAC 出水和最终UF 出水的DOC去除率与FBWW原水DOC 含量变化趋势基本一致，FBWW 原水DOC 的质量浓度为3.21～6.43 mg/L，平均4.99 mg/L，最终UF 出水DOC 去除率23.19%～48.95%(平均40.54%)，可见原水DOC 对该组合工艺的DOC 去除率有较大影响，但最终UF 出水的DOC 波动不大(质量浓度2.02～3.11 mg/L)，说明该组合工艺能够在原水水质一定变动情况下保证出水水质的稳定。

  UV254主要反映芳香族化合物或具有共轭双键的化合物，可拿来表示水中大分子、疏水性有机物腐殖酸的含量。在水处理中，UV254可作THMFP 等指标的替代参数，此外UV254还与三致物质(致畸变、致癌变、致癌变)和消毒副产物(DBPs)前驱物有良好的相关性。

  比紫外吸光度(SUVA)的大小反应了水中亲疏水性有机物的比例，较高说明水中大分子、疏水性腐殖类有机物较多，较低说明小分子、亲水性有机物较多。因此能通过对各阶段出水SUVA 的分析比较，定性分析该组合工艺对FBWW 中亲疏水性有机物的去除效果。

  FBWW原水经过混凝+PAC 出水较原水SUVA有一定降低，疏水性物质比例有所降低，这表明混凝+PAC 去除疏水性有机物的比例较亲水性有机物高，而混凝+PAC+UF 出水SUVA 又有某些特定的程度的上升，疏水性比例提高，亲水性物质物质比例会降低，这表明UF 在这个组合工艺中去除的亲性有机物比例较疏水性有机物高。整体看来，该组合工艺对疏水性有机物去除率大于对亲水性有机物去除率。

  THMFP 是指水样在一定加氯反应条件下生成三卤甲烷(THMs)的量，表征了该水样在后续消毒过程中产生THMs 的能力。本试验THMFP 的测定方法如下：向待处理水样中投加量为10 mg/L 的NaClO，然后用磷酸缓冲溶液调节pH 至7，恒温无光静置培养24 h 以保证THMs 生成反应完全，所检测THMs 生成量如表2 所示，其中去除率为组合工艺各阶段出水相较于FBWW的去除率。

  从表2 能够准确的看出，CHCl3、CHBrCl2、CHBr2Cl、CHBr3和总量均符合GB 5749-2006 的规定，也低于美国国家环境保护局饮用水标准(EPA 822-R-04-005)的80 g/L[8-9]。与未经处理FBWW相比，THMs生成量经过混凝降低了72.15%，PAC 强化混凝THMs生成量相比FBWW降低了78.75%，这说明通过此工艺可以高效的去除消毒副产物前质。THMs 的形成主要是DOM和微生物残体与氯反应的结果，大多数DOM 的去除完成在混凝阶段，此工艺能够高效去除DOM，以此来降低废水回用过程中THMs 的生成量。具体参见更多相关技术文档。

  PAC 吸附试验表明，当PAC 投加量超过15 mg/L时，继续增加PAC 投加量对有机污染物的去除效果提高作用有限，考虑技术经济因素确定15 mg/L 为PAC 的合适投加量

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