摘要：顆粒濾料與纖維濾料組合過濾結合了顆粒濾料具有深層過濾和纖維濾料具有高精度過濾的特點，這種組合濾池避免了其他組合濾池存在的缺陷，具有較好的過濾特性和反沖洗特性。試驗結果表明：在進水濁度為10-80NTU，濾速9-20m/h的條件下，這種組合濾池運行穩定，固體懸浮物質量濃度去除率≥95%，截污量可達24kg/m3。與單獨采用石英砂和纖維濾料的濾池相比，其具有過濾速度快、周期長、截污量大、水頭損失小、反沖洗耗水耗氣量小等特點。
1、組合過濾技術的發展
過濾是飲用水處理中不可缺少的一個環節。在污水處理中，過濾也被廣泛應用。在過濾技術中，濾料的種類和濾層的構成是決定過濾設備性能優劣的關鍵，它們決定著過濾設備的基本性能。因此，過濾技術的發展在很大程度上取決于對濾料層構成的研究和改進。濾池自1884年首先使用距今已有一百多年的歷史，隨著過濾技術的不斷進步，濾料也不斷的更新，經歷了由石英砂到纖維濾料，由細到粗，由不均勻到均勻，由單層到雙層以至多層的發展。
1.1 雙層、多層石英砂濾料組合
為了克服傳統單層砂濾的缺陷，研究人員開發出雙層濾料，即在石英砂濾層上部放置1層粒徑較大、密度較小的輕質濾料。雙層濾料在一定程度上提高了濾速和過濾效率，增加了床層截污容量，延長了過濾周期。三層濾料是沿著雙層濾料研發思路的研究結果，后來人們又研究了四層、五層濾料。理論上講，濾料層數越多，濾層結構越合理，越接近于理想濾層，過濾效果越好。但是在實際應用中卻出現許多問題，例如：相鄰兩層濾料間的混床，濾料的流失及反沖洗效果差等。雙層和三層石英砂組合過濾實質上是由2個或3個不同的單層石英砂濾層串聯組成，而每層內仍然存在水力篩分作用，主要擔負截污作用的仍然為表面部分。
1.2 活性炭、焦炭、麥飯石濾料組合
采用該種組合濾料的濾池以上向流方式運行，濾料底層為活性炭，中間層為焦炭，上層為麥飯石。活性炭比表面積較大，內部空隙較發達，有良好的吸附性能，而且能截留不能快速降解的物質。焦炭的多孔性結構和不規則的表面為微生物的生長創造了良好的條件，具有良好的吸附截留性能。麥飯石具有較大的松散容重，依靠顆粒機械截留作用和生物膜絮凝作用對水中有機物予以去除。同時，組合濾料的分層結構使濾層截污能力增強。然而這種組合濾層厚度過大，濾層阻力非常大，因此反沖洗要求的水氣強度將非常大，這使得反沖洗耗能大，消耗的水量和氣量多。
1.3 曝氣生物濾池-慢濾池組合
曝氣生物濾池-慢濾池組合工藝，由曝氣生物濾池和慢濾池組合而成，慢濾池濾層厚度為0.15m。試驗顯示，這種組合工藝具有較強的抗沖擊負荷能力，在進水水質變化較大的條件下，組合工藝的出水水質穩定；原水水質對組合工藝的運行周期影響較大；對濁度、色度、COD、氨氮的去除率較高，分別為95.88%、58.38%、46.96%和27.6%，對TP、TN的去除效果不明顯。由于該濾池過濾速度非常慢，濾速為0.3m/h左右，所以濾池工作效率較低。
1.4 纖維球與纖維束濾料組合
該種濾池濾料由纖維球與纖維束濾料組合而成，有效地利用了纖維球濾料截污容量大和纖維束濾料過濾精度高的特點，將兩者的優點巧妙地組合。這種雙層濾料組合的結構設計，與傳統的顆粒濾料濾池相比，過濾速率、效率和精度及截污量有很大的提升。該種組合濾料濾池克服了單一纖維束濾料濾池的不足，采用氣水聯合反沖洗或脈沖式反沖洗方法，使過濾技術有了質的飛躍。其不足之處為積留在纖維球濾料內部的積泥不容易洗出，過濾時容易釋放，影響出水水質。
1.5 顆粒濾料與纖維束濾料組合
該種濾池濾料為顆粒濾料，第2級濾料為纖維束濾料，纖維束濾料一端掛在不銹鋼鋼絲網上，另一端掛在固定孔板上。過濾裝置在設備的罐體內可上下移動，并擠壓第2級纖維束軟填料層。顆粒狀濾料與纖維狀濾料組合式過濾器是一種組合的發明專利，是將2種物理、化學性質不同的已知濾料和適用于2類已知濾料的過濾器結構的有機組合和改進，作為二層二級的過濾器起到一器多能的作用。
1.6 均質石英砂濾料與彗星式纖維濾料組合
采用均質石英砂和彗星式纖維組合濾料的濾池，又稱雙級濾池。該種濾池采用重力式過濾，上層為均質石英砂濾料，下層為彗星式纖維濾料。這種組合有效地利用了石英砂濾料深層過濾和彗星式纖維狀濾料高精度過濾的特點，將兩者的優點巧妙組合。與其他濾料組合相比，該過濾組合有以下特點：
1）濾層物理、化學性質不同，由濾板隔開，反沖洗不會發生混床現象；
2）濾層厚度小，反沖洗耗能低，耗水耗氣量較小，反沖洗效果好；
3）過濾速度快、周期長，出水水質好；
4）與長纖維濾料相比，彗星式纖維濾料填充方便，過濾裝置不需購買專利；
5）濾池結構簡單，便于施工和維護。
2、雙級濾池濾料特點和過濾機理
均質石英砂與彗星式纖維濾料組合過濾是一種新穎的過濾方式，均質石英砂濾料裝入上層濾柱中，并單獨設有承托層，作為過濾層，彗星式纖維濾料裝入下層濾柱中，作為第2級過濾層，濾柱上下層由固定多孔濾板隔開。
2.1 均質石英砂濾料
所謂均質濾料是指濾料粒徑比較均勻的濾料。濾料粒徑的均勻程度通常用濾料的不均勻系數K80表示（K80=d80/d10），K80越小，濾料粒徑越均勻。但濾料K80值為多大時可稱為均質濾料，目前仍沒有統一的規定。從給水生產的角度而言，K80越接近于1，濾料過濾性能越好，加工難度也越大。從20世紀90年代開始，均質石英砂濾料開始代替快濾池中傳統的石英砂濾料。
實踐證明，均質石英砂濾料粒徑比較均勻，大部分濾料粒徑集中在一個小范圍內，過濾時不容易阻塞；過濾期間整個濾床能夠同時截留懸浮物，雜質能夠滲入砂層深處，避免了表層截留的現象；在保證出水水質的條件下，該種濾料具有產水量高、濾速快、過濾周期長、水頭損失增長緩慢等優點。
2.2 彗星式纖維濾料
彗星式纖維濾料是一種新型的過濾材料，它將纖維濾料截污性能好與顆粒濾料反沖洗效果好的特征相結合。由彗星式纖維濾料構成的濾層孔隙率沿濾層高度呈梯度分布，下部濾料壓實程度高，孔隙率相對較小，易于保證過濾精度。整個濾層孔隙率由下而上逐漸增加，這種濾層孔隙率分布特征有利于實現高速和高精度過濾。
彗星式纖維濾料的特點是其一端為松散的纖維束，另一端纖維絲束固定在密度較大的慧核內。過濾時，密度較大的慧核起到對纖維絲束的壓實作用，同時又由于慧核的尺寸較小，對過濾斷面孔隙率分布的均勻性影響不大，從而提高了濾床的截污能力。氣水聯合反沖洗時，由于慧核和慧尾纖維絲束的密度差及纖維絲束隨反沖洗水流散開并擺動等特點，濾料沖洗效果好。
2.3 過濾和清洗機理
在過濾初期，均質石英砂濾料起主要過濾作用，截留大部分懸浮物；彗星式纖維濾料起到精過濾作用，進一步提高出水水質。隨著過濾的進行，石英砂濾料逐漸達到飽和狀態，但仍然能截留較大顆粒的懸浮物，此時起主要過濾作用的是彗星式纖維濾料，彗星式纖維濾料在水流壓力下逐漸壓縮，由上到下孔隙率從大到小，類似于理想濾層，起到了非常好的過濾效果。各濾層對水中懸浮物的過濾機理主要有：接觸混凝作用、物理吸附作用、機械截流作用。濾層不同區域截留不同粒徑的懸浮物。整個過濾過程起到了理想的深層過濾效果。
濾池清洗采用氣水聯合方式，分為2個階段，首先是彗星式纖維濾料清洗階段，由于彗尾和彗核存在密度差、濾料的不對稱結構和每個濾料包含的纖維數量少等原因，在大流量的反沖洗水氣作用下，濾層被托起，濾料被沖散，彗尾纖維沖散并擺動，速度梯度非常大，使附著在濾料上的顆粒懸浮物易于脫落；其次是整個濾床清洗階段，通過氣水聯合反沖洗，將整個濾層沖洗干凈，與上一階段相比反沖洗水量和氣量相應降低，以減少石英砂濾料損失。
3、試驗裝置和試驗方法
3.1 試驗裝置
雙級濾池濾柱為有機玻璃材料，濾柱內徑200mm，高3500mm。過濾原水由平衡水箱通過配水器，均勻的進入濾柱中。濾柱上層為均質石英砂濾料，下層為彗星式纖維濾料，兩種濾料層厚度均為400mm，由多孔濾板隔開。石英砂濾料底層鋪設承托層，彗星式纖維濾料層上部為反沖洗預留一定的空間，具體如圖1所示。
3.2 試驗方法
過濾中進水流量的大小反映濾速的大小，通過控制進水流量大小來控制濾速；通過測壓管數值，確定過濾水頭損失的大小，并得出濾層的截污規律。試驗檢測的指標主要有濁度、COD、氨氮、TN和TP等，檢測方法見表1。
表1 指標檢測方法
| 檢測指標 | 檢測方法 |
| 濁度 | 濁度測量儀 |
| COD | 重鉻酸鉀法（GB/T 11914-1898） |
| 氨氮 | 納氏試劑光度法（GB/T 7479-1987） |
| TN | 紫外分光光度法（GB/T 11894-1989） |
| TP | 鉬酸銨分光光度法（GB/T 11893-1989） |
4、試驗結果與分析
4.1 試驗結果
雙級濾池過濾試驗結果見表2。通過試驗運行結果可知，濾速為9，12，16，18，20m/h時，固體懸浮物質量濃度去除率均大于95%，COD、HN3-N、TN、TP的去除率分別在37.5%，15.6%，8.6%，20%以上。
表2 試驗運行參數
| 項目 | 濾速/（m/h） | ||||
| 9 | 12 | 16 | 18 | 20 | |
| 進水濁度/NTU | 83.05 | 19.79 | 9.02 | 47.05 | 68.49 |
| 出水濁度/NTU | 4.84 | 0.18 | 0.11 | 2.86 | 3.38 |
| 截污量/（kg/m3） | 17.35 | 24.57 | 11.05 | 19.04 | 19.48 |
| 過濾周期/h | 15 | 71 | 53 | 16 | 11 |
| 水頭損失/cm | 37.4 | 154.7 | 156.8 | 48.5 | 132.5 |
| 反沖洗耗水率/% | 3.06 | 2.51 | 0.64 | 1.53 | 2.57 |
4.2 技術參數對比
顆粒濾料濾池、纖維束濾池、彗星式纖維濾料濾池、雙級濾池技術參數對比見表3。
表3 濾池技術參數對比表
| 項目 | 傳統顆粒濾料濾池 | 纖維束濾池 | 彗星式纖維濾料濾池 | 雙級濾池 |
| 過濾速率（m/h） | 5-10 | 10-12 | 30-40 | 9-20 |
| 截污量（kg/m3） | 1.0-1.2 | 5-10 | 6.4-14.2 | 11.0-24.6 |
| 進水濁度/NTU | 8-10 | 8-10 | 10-20 | 10-80 |
| 出水濁度/NTU | 2.0-5.0 | 1.0-2.0 | ≤0.5 | 0.1-5 |
| 清洗耗水率/% | 3.0-3.5 | 0.06-3.0 | 2.0-5.0 | 0.6-3 |
| 運行周期/h | 12 | 38 | 12 | 40 |
雙級濾池截污量為11.0-24.6kg/m3，在相同條件下，普通石英砂濾池截污量為1.0-1.2kg/m3，纖維束濾池截污量為5-10kg/m3，彗星式纖維濾料濾池截污量為6.4-14.2kg/m3。雙級濾池過濾水頭損失小，過濾階段，整個濾層同時截留懸浮物，因而濾層不存在表面堵塞的現象，延長了過濾周期，降低了過濾水頭損失；當待濾水中固體懸浮物質量濃度較低時，濾池反沖洗耗水率為1%左右，固體懸浮物質量濃度較高時，濾池反沖洗耗水率為2%-4%。
5、結語
雙級濾池避免了其他組合濾池存在的缺陷，與單級濾池相比，同樣具有較大的優越性，它具有結構簡單、濾料填充方便、濾速大、過濾周期長、出水水質好等特點。該種濾池清洗效果好，耗水耗氣量小，各濾層不會出現混床現象；濾池過濾水頭損失小，即使過濾高濁度水，過濾后水頭損失僅1.32m，截污量可達到24.57kg/m3。基于以上特點，雙級濾池將成為給水處理、污水深度處理和工業廢水處理的有效過濾設備。雙級濾池作為一種新型的濾池，目前國內外還沒有過濾的數學分析模型，過濾的技術性能也有待進一步研究。
