摘要：颗粒滤料与纤维滤料组合过滤结合了颗粒滤料具有深层过滤和纤维滤料具有高精度过滤的特点，这种组合滤池避免了其他组合滤池存在的缺陷，具有较好的过滤特性和反冲洗特性。试验结果表明：在进水浊度为10-80NTU，滤速9-20m/h的条件下，这种组合滤池运行稳定，固体悬浮物质量浓度去除率≥95%，截污量可达24kg/m3。与单独采用石英砂和纤维滤料的滤池相比，其具有过滤速度快、周期长、截污量大、水头损失小、反冲洗耗水耗气量小等特点。
1、组合过滤技术的发展
过滤是饮用水处理中不可缺少的一个环节。在污水处理中，过滤也被广泛应用。在过滤技术中，滤料的种类和滤层的构成是决定过滤设备性能优劣的关键，它们决定着过滤设备的基本性能。因此，过滤技术的发展在很大程度上取决于对滤料层构成的研究和改进。滤池自1884年首先使用距今已有一百多年的历史，随着过滤技术的不断进步，滤料也不断的更新，经历了由石英砂到纤维滤料，由细到粗，由不均匀到均匀，由单层到双层以至多层的发展。
1.1 双层、多层石英砂滤料组合
为了克服传统单层砂滤的缺陷，研究人员开发出双层滤料，即在石英砂滤层上部放置1层粒径较大、密度较小的轻质滤料。双层滤料在一定程度上提高了滤速和过滤效率，增加了床层截污容量，延长了过滤周期。三层滤料是沿着双层滤料研发思路的研究结果，后来人们又研究了四层、五层滤料。理论上讲，滤料层数越多，滤层结构越合理，越接近于理想滤层，过滤效果越好。但是在实际应用中却出现许多问题，例如：相邻两层滤料间的混床，滤料的流失及反冲洗效果差等。双层和三层石英砂组合过滤实质上是由2个或3个不同的单层石英砂滤层串联组成，而每层内仍然存在水力筛分作用，主要担负截污作用的仍然为表面部分。
1.2 活性炭、焦炭、麦饭石滤料组合
采用该种组合滤料的滤池以上向流方式运行，滤料底层为活性炭，中间层为焦炭，上层为麦饭石。活性炭比表面积较大，内部空隙较发达，有良好的吸附性能，而且能截留不能快速降解的物质。焦炭的多孔性结构和不规则的表面为微生物的生长创造了良好的条件，具有良好的吸附截留性能。麦饭石具有较大的松散容重，依靠颗粒机械截留作用和生物膜絮凝作用对水中有机物予以去除。同时，组合滤料的分层结构使滤层截污能力增强。然而这种组合滤层厚度过大，滤层阻力非常大，因此反冲洗要求的水气强度将非常大，这使得反冲洗耗能大，消耗的水量和气量多。
1.3 曝气生物滤池-慢滤池组合
曝气生物滤池-慢滤池组合工艺，由曝气生物滤池和慢滤池组合而成，慢滤池滤层厚度为0.15m。试验显示，这种组合工艺具有较强的抗冲击负荷能力，在进水水质变化较大的条件下，组合工艺的出水水质稳定；原水水质对组合工艺的运行周期影响较大；对浊度、色度、COD、氨氮的去除率较高，分别为95.88%、58.38%、46.96%和27.6%，对TP、TN的去除效果不明显。由于该滤池过滤速度非常慢，滤速为0.3m/h左右，所以滤池工作效率较低。
1.4 纤维球与纤维束滤料组合
该种滤池滤料由纤维球与纤维束滤料组合而成，有效地利用了纤维球滤料截污容量大和纤维束滤料过滤精度高的特点，将两者的优点巧妙地组合。这种双层滤料组合的结构设计，与传统的颗粒滤料滤池相比，过滤速率、效率和精度及截污量有很大的提升。该种组合滤料滤池克服了单一纤维束滤料滤池的不足，采用气水联合反冲洗或脉冲式反冲洗方法，使过滤技术有了质的飞跃。其不足之处为积留在纤维球滤料内部的积泥不容易洗出，过滤时容易释放，影响出水水质。
1.5 颗粒滤料与纤维束滤料组合
该种滤池滤料为颗粒滤料，第2级滤料为纤维束滤料，纤维束滤料一端挂在不锈钢钢丝网上，另一端挂在固定孔板上。过滤装置在设备的罐体内可上下移动，并挤压第2级纤维束软填料层。颗粒状滤料与纤维状滤料组合式过滤器是一种组合的发明专利，是将2种物理、化学性质不同的已知滤料和适用于2类已知滤料的过滤器结构的有机组合和改进，作为二层二级的过滤器起到一器多能的作用。
1.6 均质石英砂滤料与彗星式纤维滤料组合
采用均质石英砂和彗星式纤维组合滤料的滤池，又称双级滤池。该种滤池采用重力式过滤，上层为均质石英砂滤料，下层为彗星式纤维滤料。这种组合有效地利用了石英砂滤料深层过滤和彗星式纤维状滤料高精度过滤的特点，将两者的优点巧妙组合。与其他滤料组合相比，该过滤组合有以下特点：
1）滤层物理、化学性质不同，由滤板隔开，反冲洗不会发生混床现象；
2）滤层厚度小，反冲洗耗能低，耗水耗气量较小，反冲洗效果好；
3）过滤速度快、周期长，出水水质好；
4）与长纤维滤料相比，彗星式纤维滤料填充方便，过滤装置不需购买专利；
5）滤池结构简单，便于施工和维护。
2、双级滤池滤料特点和过滤机理
均质石英砂与彗星式纤维滤料组合过滤是一种新颖的过滤方式，均质石英砂滤料装入上层滤柱中，并单独设有承托层，作为过滤层，彗星式纤维滤料装入下层滤柱中，作为第2级过滤层，滤柱上下层由固定多孔滤板隔开。
2.1 均质石英砂滤料
所谓均质滤料是指滤料粒径比较均匀的滤料。滤料粒径的均匀程度通常用滤料的不均匀系数K80表示（K80=d80/d10），K80越小，滤料粒径越均匀。但滤料K80值为多大时可称为均质滤料，目前仍没有统一的规定。从给水生产的角度而言，K80越接近于1，滤料过滤性能越好，加工难度也越大。从20世纪90年代开始，均质石英砂滤料开始代替快滤池中传统的石英砂滤料。
实践证明，均质石英砂滤料粒径比较均匀，大部分滤料粒径集中在一个小范围内，过滤时不容易阻塞；过滤期间整个滤床能够同时截留悬浮物，杂质能够渗入砂层深处，避免了表层截留的现象；在保证出水水质的条件下，该种滤料具有产水量高、滤速快、过滤周期长、水头损失增长缓慢等优点。
2.2 彗星式纤维滤料
彗星式纤维滤料是一种新型的过滤材料，它将纤维滤料截污性能好与颗粒滤料反冲洗效果好的特征相结合。由彗星式纤维滤料构成的滤层孔隙率沿滤层高度呈梯度分布，下部滤料压实程度高，孔隙率相对较小，易于保证过滤精度。整个滤层孔隙率由下而上逐渐增加，这种滤层孔隙率分布特征有利于实现高速和高精度过滤。
彗星式纤维滤料的特点是其一端为松散的纤维束，另一端纤维丝束固定在密度较大的慧核内。过滤时，密度较大的慧核起到对纤维丝束的压实作用，同时又由于慧核的尺寸较小，对过滤断面孔隙率分布的均匀性影响不大，从而提高了滤床的截污能力。气水联合反冲洗时，由于慧核和慧尾纤维丝束的密度差及纤维丝束随反冲洗水流散开并摆动等特点，滤料冲洗效果好。
2.3 过滤和清洗机理
在过滤初期，均质石英砂滤料起主要过滤作用，截留大部分悬浮物；彗星式纤维滤料起到精过滤作用，进一步提高出水水质。随着过滤的进行，石英砂滤料逐渐达到饱和状态，但仍然能截留较大颗粒的悬浮物，此时起主要过滤作用的是彗星式纤维滤料，彗星式纤维滤料在水流压力下逐渐压缩，由上到下孔隙率从大到小，类似于理想滤层，起到了非常好的过滤效果。各滤层对水中悬浮物的过滤机理主要有：接触混凝作用、物理吸附作用、机械截流作用。滤层不同区域截留不同粒径的悬浮物。整个过滤过程起到了理想的深层过滤效果。
滤池清洗采用气水联合方式，分为2个阶段，首先是彗星式纤维滤料清洗阶段，由于彗尾和彗核存在密度差、滤料的不对称结构和每个滤料包含的纤维数量少等原因，在大流量的反冲洗水气作用下，滤层被托起，滤料被冲散，彗尾纤维冲散并摆动，速度梯度非常大，使附着在滤料上的颗粒悬浮物易于脱落；其次是整个滤床清洗阶段，通过气水联合反冲洗，将整个滤层冲洗干净，与上一阶段相比反冲洗水量和气量相应降低，以减少石英砂滤料损失。
3、试验装置和试验方法
3.1 试验装置
双级滤池滤柱为有机玻璃材料，滤柱内径200mm，高3500mm。过滤原水由平衡水箱通过配水器，均匀的进入滤柱中。滤柱上层为均质石英砂滤料，下层为彗星式纤维滤料，两种滤料层厚度均为400mm，由多孔滤板隔开。石英砂滤料底层铺设承托层，彗星式纤维滤料层上部为反冲洗预留一定的空间，具体如图1所示。
3.2 试验方法
过滤中进水流量的大小反映滤速的大小，通过控制进水流量大小来控制滤速；通过测压管数值，确定过滤水头损失的大小，并得出滤层的截污规律。试验检测的指标主要有浊度、COD、氨氮、TN和TP等，检测方法见表1。
表1 指标检测方法
| 检测指标 | 检测方法 |
| 浊度 | 浊度测量仪 |
| COD | 重铬酸钾法（GB/T 11914-1898） |
| 氨氮 | 纳氏试剂光度法（GB/T 7479-1987） |
| TN | 紫外分光光度法（GB/T 11894-1989） |
| TP | 钼酸铵分光光度法（GB/T 11893-1989） |
4、试验结果与分析
4.1 试验结果
双级滤池过滤试验结果见表2。通过试验运行结果可知，滤速为9，12，16，18，20m/h时，固体悬浮物质量浓度去除率均大于95%，COD、HN3-N、TN、TP的去除率分别在37.5%，15.6%，8.6%，20%以上。
表2 试验运行参数
| 项目 | 滤速/（m/h） | ||||
| 9 | 12 | 16 | 18 | 20 | |
| 进水浊度/NTU | 83.05 | 19.79 | 9.02 | 47.05 | 68.49 |
| 出水浊度/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 |
| 过滤周期/h | 15 | 71 | 53 | 16 | 11 |
| 水头损失/cm | 37.4 | 154.7 | 156.8 | 48.5 | 132.5 |
| 反冲洗耗水率/% | 3.06 | 2.51 | 0.64 | 1.53 | 2.57 |
4.2 技术参数对比
颗粒滤料滤池、纤维束滤池、彗星式纤维滤料滤池、双级滤池技术参数对比见表3。
表3 滤池技术参数对比表
| 项目 | 传统颗粒滤料滤池 | 纤维束滤池 | 彗星式纤维滤料滤池 | 双级滤池 |
| 过滤速率（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 |
| 进水浊度/NTU | 8-10 | 8-10 | 10-20 | 10-80 |
| 出水浊度/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 |
| 运行周期/h | 12 | 38 | 12 | 40 |
双级滤池截污量为11.0-24.6kg/m3，在相同条件下，普通石英砂滤池截污量为1.0-1.2kg/m3，纤维束滤池截污量为5-10kg/m3，彗星式纤维滤料滤池截污量为6.4-14.2kg/m3。双级滤池过滤水头损失小，过滤阶段，整个滤层同时截留悬浮物，因而滤层不存在表面堵塞的现象，延长了过滤周期，降低了过滤水头损失；当待滤水中固体悬浮物质量浓度较低时，滤池反冲洗耗水率为1%左右，固体悬浮物质量浓度较高时，滤池反冲洗耗水率为2%-4%。
5、结语
双级滤池避免了其他组合滤池存在的缺陷，与单级滤池相比，同样具有较大的优越性，它具有结构简单、滤料填充方便、滤速大、过滤周期长、出水水质好等特点。该种滤池清洗效果好，耗水耗气量小，各滤层不会出现混床现象；滤池过滤水头损失小，即使过滤高浊度水，过滤后水头损失仅1.32m，截污量可达到24.57kg/m3。基于以上特点，双级滤池将成为给水处理、污水深度处理和工业废水处理的有效过滤设备。双级滤池作为一种新型的滤池，目前国内外还没有过滤的数学分析模型，过滤的技术性能也有待进一步研究。
