一、給水處理工藝的比較、啟示及其困惑
1、自來水廠凈水工程簡介
現(xiàn)代自來水廠處理工藝是隨著工業(yè)文明的到來和現(xiàn)代城市的產生而同步產生的，所以，其發(fā)展歷史遠遠地超過城市污水廠。而且自來水廠處理工藝一經產生，就萬變不離其宗，并且今后將仍然持續(xù)有效。自來水廠的水源主要為天然水體，水處理的目的是去除水體中的膠體顆粒與控制水體中的細菌、致病菌和其他微生物。自來水廠的處理工藝包括處理單元、清水池和二級泵站等設施。凈水工程設施的功能是將原水凈化處理成符合城市用水水質標準的凈水，并通過二級泵站加壓輸入城市供水管網。
2、污水廠二級生化處理工藝介紹
城市污水中含有懸浮物、膠體、有機物、致病菌和工業(yè)生產中的有毒有害物質，目前，污水處理的方法也多種多樣，通常將其分為：一級處理方法、二級處理方法和三級處理方法。我國城市污水廠已經逐步普及了二級處理工藝。上述工藝也是全球公認的典型的城市污水處理工藝。所以，如果想進一步改善污水廠尾水水質，只有在二級沉淀池后，增加處理設施和處理單元。
3、比較和啟示
通過比較自來水廠處理工藝，可以看出，在污水沉淀處理工藝后，較佳后續(xù)單元應該是過濾處理工藝。
4、污水廠尾水過濾處理的困境
（1）污水中懸浮顆粒濃度高自來水沉淀池出水中，懸浮物顆粒是絮凝反應后的粘土類顆粒物，粒徑較小、強度很低，進入粒徑0.6-1.5毫米的濾料顆粒濾池（如自來水廠的石英砂濾池）后，水中的顆粒物能夠深入濾料層20-40毫米以上，實現(xiàn)濾料的深層過濾，濾料層不會形成表層過濾，有助于發(fā)揮深層濾料的過濾作用，提高過濾周期，降低濾料層反沖洗頻率。并且沉淀池出水中的懸浮顆粒濃度通常不超過10-20mg/L，所以，自來水廠過濾池的運行周期一般可以達到12-24小時以上。和自來水處理工藝不同的是，污水廠二級沉淀池出水中，懸浮物濃度通常高達30-50mg/L左右，而石英砂濾床等傳統(tǒng)濾料的濾層空隙率較低，濾料層的截污能力低，是縮短過濾周期的一個因素。
（2）污水中懸浮顆粒粒徑大、強度高污水處理工藝中，二沉池去除的懸浮顆粒未經過混凝反應，而且水體中或懸浮顆粒自身常常帶有氣泡，所以，即使粒徑達3-5毫米的懸浮顆粒，也很容易隨著水流上浮而流出沉淀池。這些懸浮顆粒多為脫落的.生物膜或活性污泥顆粒物，強度較大，不能借助過濾水流的剪切作用而深入濾床。
（3）傳統(tǒng)濾料過濾污水周期短、反沖洗耗水量大當人們采用石英砂過濾方法處理二沉池尾水時，很容易導致濾料表層的堵塞而形成表層過濾，過濾周期只有幾十min，過濾池的反沖洗水量占過濾水量的比例高達1/3到1/2左右。即使人們努力通過改進顆粒濾料工藝，如采用升流式濾床過濾、無煙煤-石英砂雙層濾料過濾、陶粒濾料過濾等，也只能些微地延長過濾周期，而根本無法達到實用效果。
（4）污水過濾對濾料的基本要求擺在污水處理研究工作者面前的基本的任務是，尋找適宜的污水過濾技術，改進污水處理廠尾水水質。污水過濾濾層應該具有濾料空隙率高、濾料層孔徑大，便于污水中的懸浮顆粒深入濾料層內部，發(fā)揮深層濾料的過濾作用，延長過濾周期，降低濾池的反沖洗頻率和反沖洗周期，使污水過濾實用化。
2 纖維球濾料的結構特征
纖維球過濾技術早期是日本于上世紀80年代發(fā)明的技術，并且經過我國水處理和廢水處理專家?guī)资昱Ω倪M的、不斷發(fā)展的處理技術。主要產品有剛性纖維球和彈性纖維球等類型。其技術參數(shù)特征為：
2.1 濾料層空隙率高
纖維球濾料層空隙率高達95%左右，過濾起始階段，濾料層空隙率甚至高達98%左右；而傳統(tǒng)石英砂濾料層空隙率只有41%左右，即使多孔隙性的陶粒濾料，其濾料層的空隙率也只有70%，況且每個陶粒的核內空隙和過度細小的空隙根本無法發(fā)揮過濾截流作用。所以，和傳統(tǒng)濾料相比，纖維球濾料層的空隙率占有絕對優(yōu)勢。
2.2 濾料層空隙大，便于發(fā)揮深層濾料的過濾作用
傳統(tǒng)石英砂濾料的粒徑只有0.5-1.2毫米，濾料層的孔隙直徑0.3-0.5毫米，甚至更低。即使陶粒濾料或無煙煤濾料，濾層孔隙直徑一般也不超過1毫米。而纖維球濾料的粒徑一般達30-50毫米，濾料層的孔隙直徑高達10-30毫米。為懸浮顆粒深入濾料層創(chuàng)造了條件。
2.3 濾料層空隙分布合理
傳統(tǒng)濾料層都是粒徑粗細不等顆粒組成的，在濾料層反沖洗過程中，很自然地將細小顆粒濾料沖洗到濾池上方甚至沖出池外，由此，形成了上層細小、下層粗大的濾層結構，即反粒徑分布結構。而纖維球則是人為加工的濾料，濾料粒徑大小一致。所以，反沖洗后，上下層濾料的粒徑也是均勻一致的。不僅如此，由于彈性纖維球濾料具有可壓縮性，當進行過濾時，濾料層受到過濾阻力以及自身重力、截流的懸浮顆粒的重力等作用，濾料層受到垂直向下的壓力，并且這種壓力從上到下而逐漸增大，使得彈性纖維球濾料層從上到下的壓縮程度也逐漸增大，結果，濾料層空隙率從上到下逐漸減少，即和傳統(tǒng)濾料層的反粒徑分布特征正好相反，這也是纖維球濾料能夠發(fā)揮深層過濾作用的另一重要原因。
2.4 濾料層比表面積大，吸附能力強
石英砂濾料層的比表面積通常約300-400m2/m3，即使濾粒自身帶孔隙的陶粒濾料層，比表面積也只有600-700m2/m3，而纖維球濾料層的比表面積高達3000-10000m2/m3。纖維球濾料通常為聚酯纖維等材料制成，對于污水中的活性污泥或生物膜顆粒，具有很強的吸附能力，即使在高速過濾狀態(tài)，也能夠將懸浮顆粒截流在濾層中，保證良好的過濾出水水質。
3 纖維球濾料的過濾運行特征
3.1 濾料層過濾阻力小
正是由于纖維球濾料層的高空隙率、大孔徑特征，濾料層過濾阻力很小。如反沖洗結束后，纖維球濾料層的起始過濾阻力只有0.02-0.03米的水頭損失，而石英砂濾料層的起始過濾阻力達到0.15-0.2米的水頭損失。
3.2 過濾濾速高
由于傳統(tǒng)濾料過濾的阻力較大，所以，過濾速度受到限制，通常濾速不超過10-15m/h，否則，濾層阻力將迅速增加，達到過濾阻力極限值，不得不頻繁地進行反沖洗。此外，傳統(tǒng)濾料層的空隙結構分布不合理，一旦水體中的懸浮顆粒隨著高速水流深入到濾料層內部，又很容易導致濾料層的穿透，這也是傳統(tǒng)濾料層無法進行高速過濾的原因。纖維球濾料過濾阻力小，即使濾速高達30-40米，過濾阻力的增長速度仍然較緩慢，不會因阻力的迅速上升而中止過濾。而且，纖維球濾料層下層的空隙率小、孔徑小、比表面積大，即使懸浮顆粒隨著高速水流深入到濾料層內部，也能夠通過底層細密濾料層的有效截流，防止濾料層穿透。當然，整個纖維球濾料層的高比表面積以及纖維球的高吸附能力，也是防止濾料層穿透的有效手段，同樣也是纖維球高速過濾的保證。
3.3 濾料層截污能力強
由于纖維球濾料層的高空隙率，以及纖維球濾料深層濾料層的空隙分布特征，使得纖維球濾料層的截污能力大大提高。給水過濾同步比較實驗表明，傳統(tǒng)石英砂濾料的截污能力一般不超過1-2kg/m3，而纖維球濾料層的截污能力高達3-5kg/m3；污水過濾同步實驗表明，石英砂濾料層因為表層濾料空隙的迅速堵塞，截污能力反而下降到0.1-0.2kg/m3，當纖維球濾料過濾廢水時，恰恰因為大顆粒懸浮物在濾料層表面的截流，更加充分地發(fā)揮了濾料層內部的截流作用，使得纖維球濾料層的截污能力進一步提高到5-10kg/m3。
3.4 過濾周期長
由于纖維球濾料層的截污能力強，所以，過濾周期顯著提高。在同等濾速過濾給水時，纖維球過濾的周期至少是石英砂濾料的3-4倍；在同等濾速過濾污水時，石英砂濾料的周期甚至只有10-20min，而纖維球過濾至少達8小時以上。即纖維球過濾污水的周期甚至是石英砂濾料的50倍以上。由于不需要頻繁地進行反沖洗，所以，纖維球過濾運行非常便捷穩(wěn)定，并且可以減少工作量。
