提要：介紹了在不同條件下無煙煤單層濾料除鐵、除錳、除濁的試驗和生產實踐，并與錳砂除鐵、除錳、無煙煤-石英砂雙層濾料處理進行了對比試驗。結果表明無煙煤單層濾料的除鐵、除錳、除濁效果均較好，且其含污能力強，密度較小，可節省反沖洗水量及電能。
前言
給水工程中，濾池的優化設計是以濾池運行處于較佳工作條件為原則。為此可調整各種工藝參數，使濾池的壓力周期等于它的水質周期。以調整濾層厚度為例，增加濾層厚度會提高整個濾層的含污能力，延長水質周期。但濾層水頭損失也相應增加，從而縮短了壓力周期。如果通過試驗做出水質周期和壓力周期與濾層厚度的關系曲線（見圖1），則兩條曲線相交點便是濾池較佳工作條件，對應的濾層厚度就是較佳濾層厚度。實踐中，常增加一定的厚度，避免出現水質周期小于壓力周期的現象。
然而，由于濾池構造所限，濾層厚度增加也是有限的。實際情況要復雜得多，許多因素都影響著濾池的工作條件。所以，增加濾層厚度是否能保證整個濾層含污能力被充分利用，還要做具體分析。
1、石英砂單層濾料除鐵濾柱[Fe]軸向分布
我院曾采用石英砂單層濾料做除鐵試驗，濾柱采用D=100mm透明有機玻璃管，石英砂濾料d=0.6-1.2mm，濾層厚度1000-1500mm，濾速8m/h，反沖洗強度12-14L/（s·m2）。原水含鐵量10-12mg/L，濾后水含鐵量＜0.3mg/L。測定濾柱鐵離子濃度沿軸向分布并繪制曲線，見圖2。由圖2可知，鐵離子主要是在上層約300mm范圍內被去除的，相應工作周期只有8h。
可見，大部分濾層含污能力未被充分利用。試驗中觀察：每次反沖洗結束，回落到濾層較上部的是細小的顆粒和破碎的鐵質氧化物，厚度約80-150mm，其比表面積大、孔隙率小、附著物鏡檢微生物十分活躍，具有較強的吸附氧化能力，致使大部分鐵質在此層被去除。但濾層也因此很快被堵塞，到達期終水頭損失值，迫使周期結束，不得不進行反沖洗。
據調查，在利用石英砂單層濾料進行地面水除濁時也有類似情況。可見，在濾層厚度確定以后，如何使整個濾層含污能力充分發揮作用至關重要。無煙煤-石英砂雙層濾料濾池因其顯而易見的優點—含污能力強，而廣泛地應用于給水處理工藝中。現今甚至研制三層濾料濾池，以期更大程度地利用整個濾層的含污能力。這是石英砂單層濾料所無法比擬的。
但是，有利必有弊，雙層濾料、三層濾料濾池也有其不足之處：
（1）濾層構造復雜。
（2）對各層濾料篩分要求準確，操作麻煩，如級配不當，投產后常有煤砂混雜現象發生。
（3）施工中，對墊層、各層濾料裝填要求嚴格，操作也麻煩。使用中，濾層一旦翻混或定期更換濾料更是令人頭疼。
（4）運行中要求更高的管理水平。如管理不當，反沖洗強度控制不好，會產生無煙煤嚴重流失現象。要經常補充新的濾料。
為此，人們又進行了新的探索和大膽的實踐，以期尋求一種新的濾料，它既具有單層石英砂濾料和煤-砂雙層濾料的優點，又避免了它們的不足，無煙煤單層濾料就是其中之一。
2、無煙煤單層濾料用于地下水除錳的試驗研究
采用各種濾料進行地下水除鐵除錳試驗研究，以便為修訂編制《城市給水設計規范》有關章節提供科學依據。
2.1 原水（深井）水質
[Mn2+]=9.3mg/L，[Fe]總=14mg/L，pH=6.5。
2.2 處理工藝流程
原水→表曝池→除鐵濾柱→除錳濾柱→出水
2.3 工藝參數
采用表面曝氣池，平板葉輪。
除鐵濾柱共5個，分別裝填濾料：馬山錳砂（2個）、石英砂、錦西錳砂和無煙煤-石英砂雙層濾料。濾層厚度1000mm。
除錳濾柱共8個，分別裝填濾料：馬山錳砂、樂平錳砂、湘潭錳砂、錦西錳砂、無煙煤（6#濾柱）、石英砂和石灰石等。濾層厚度1500mm左右。濾料粒徑，無煙煤d=1.5-2.0mm，其余d=0.6-1.4mm。濾速7.5m/h，反沖洗強度：無煙煤、石英砂、石灰石為12-14L/（s·m2），錳砂為16-18L/（s·m2）。
2.4 試驗結果
（1）曝氣效果良好，曝氣后溶解氧飽和度達60%-70%，CO2散除率達76%-87%，H2S散除率達76%-79%，pH由6.4-6.6提高到7.4-7.6。
（2）一次過濾除鐵效果良好，出水總鐵一直穩定在0.1mg/L以下。工作周期一般為24h，但無煙煤-石英砂雙層濾料柱工作周期長達48h，較其他濾料工作周期延長了一倍。
（3）二級過濾，各種濾料均需經歷一個成熟期，成熟期長短隨濾料不同而異。樂平錳砂36d，馬山錳砂51d，無煙煤為71d，石英砂和錦西錳砂為96d，成熟后的各種濾料均能穩定地將[Mn2+]降至0.1mg/L以下。這表明，在試驗水質條件下，各種濾料在成熟后均起著錳質活性濾膜載體的作用。試驗中觀察到，無煙煤的工作周期長達6-8d，而其他濾料的工作周期只有4-6d。而且無煙煤的工作周期還可延長（水頭損失增長較慢），試驗中怕濾層板結，影響試驗，故人為地提前結束過濾周期。
試驗結果表明，無煙煤單層濾料作為除錳濾料具有以下優點。
（1）成熟期較短，成熟后除錳效果良好。
（2）粒徑大d=1.5-2.0mm，孔隙率大，含污能力強。
（3）工作周期長達6-8d，表明整個濾層含污能力得到充分利用。
（4）無煙煤密度小，只需較小的反沖洗強度，節約反沖洗水量。
（5）易于篩分、易于裝填、易于管理。
3、無煙煤單層濾料用于地下水除鐵的生產實踐
以佳木斯市自來水公司的一座地下水除鐵除錳水廠（西郊水廠）為例。
3.1 原水水質
[Mn2+]=0.4-1.0mg/L，[Fe]＜10mg/L，pH=6.7。
3.2 處理能力
處理能力為8萬m3/d。
3.3 處理工藝流程
原水→跌水曝氣池→除鐵濾池→曝氣塔→除錳濾池→出水
3.4 生產性試驗
為了選擇濾料，1984年佳木斯自來水公司在該市四水廠進行了以無煙煤為濾料的除鐵試驗。濾池面積12.5m2，無煙煤濾料d=0.6-2.0mm，濾層厚度為1000mm，濾速7-10m/h，工作周期人為地控制在48h。試驗運行一個月，濾后水[Fe]一直穩定在0.3mg/L以下，效果良好。試驗結果見表1。
表1 佳木斯自來水公司試驗結果
| 平均濾速/m/h | 原水［Fe］/mg/L | 濾后水［Fe］/mg/L | 反沖強度/L（s·m2） | 工作周期/h |
| 11 | 12-14 | 0.3 | 12 | 36 |
| 10 | 12-14 | 0.2 | 12 | 40 |
| 9 | 12-14 | ＜0.2 | 12 | 48 |
| 8 | 12-14 | ＜0.1 | 12 | ＞50 |
| 7 | 12-14 | 0.05 | 12 | ＞50 |
試驗期間，還與同期安裝的成熟錳砂濾料濾池進行了各種濾速的穩定工作時間的對比測試，結果見圖3。由圖3可知，在相同濾速條件下，無煙煤濾料的穩定工作時間長于錳砂濾料，如濾速為10m/h時，無煙煤濾料的穩定工作時間為30h，而錳砂濾料只有20h。
4、無煙煤單層濾料用于地面水除濁的生產實踐
美國洛杉磯水廠處理水量227萬m3/d，是美國同類水廠中較大、較先進的設施之一。原水從內華達西拉山區經544km長距離輸水管道引至洛杉磯。處理工藝流程見圖4。由圖4可知，LAAFP是一個直接過濾水廠。
LAAFP原水水質和出水水質見表2。由表2可知，原水水質較好，該水廠設計是以原水較高濁度15NTU為目標的。為了精心設計這個水廠，洛杉磯市水電局進行了大量的調查研究和生產測試，其中包括小試、中試和生產性試驗，為選擇處理工藝流程和工藝參數，確定預氧化藥劑和混凝劑、助凝劑品種，選擇構筑物型式和濾料等做了大量工作。但在此過程中原水濁度很少達到15NTU，常年原水濁度均在4NTU以下，出水濁度穩定在0.1NTU以下，處理效果良好。
表2 LAAFP原水水質和出水水質
| 參數 | 進水平均值 | 出水平均值 |
| 濁度/NTU | 2.6 | 0.1 |
| 水溶礦物質（TDS）/mg/L | 100 | 100 |
| 溫度/℃ | 5-27 | |
| pH值 | 8.2 | 7.8 |
| 三鹵甲烷較大可能形成值（THMFP）/μ/g/L | 90 | 60 |
| 總有機碳（TOC）/mg/L | 1.5 | 1.1 |
| 溶解氧/mg/L | 9.3 | 9.3 |
| 色度/度 | 4 | 1 |
| 總硬度/mg/L（以碳酸鈣計） | 68 | 68 |
| 鈣/mg/L | 21 | 21 |
| 鎂/mg/L | 4.2 | 4.2 |
| 鈉/mg/L | 29 | 29 |
| 鉀/mg/L | 8.0 | 8.0 |
| 堿度/mg/L（以碳酸鈣計） | 94 | 94 |
| 硫酸鹽/mg/L | 20 | 20 |
| 氯化物/mg/L | 13 | 16 |
| 硝酸鹽/mg/L | 0.44 | 0.44 |
| 二氧化硅/mg/L | 16 | 16 |
| 鐵/mg/L | 0.01 | 0.01 |
| 硼/mg/L | 0.42 | 0.42 |
| 氟化物/mg/L | 0.56 | 0.56 |
在選擇濾料試驗中，曾做過無煙煤單層濾料與無煙煤-石英砂雙層濾料處理效果的對比試驗，發現兩者的出水水質和過濾周期基本相同，但雙層濾料總是首先發生濁度穿透，而且要求較高的反沖洗強度。因而在生產設備中將粗無煙煤單層濾料選為較佳濾料。
該廠有普通快濾池24格，單池面積131m2，粗無煙煤濾料有效粒徑為1.5mm，不均勻系數1.5，濾層厚度1830mm，濾速33m/h。氣水反沖洗，較大氣洗強度和較大水洗強度均為73m3/（h·m2）（約為20L/（s·m2））。
LAAFP自1987年4月投產以來，運轉穩定，處理效果良好，水廠管理水平很高。該水廠供水量占全洛杉磯市用水量的75%。是一個采用無煙煤單層濾料，直接過濾成功的典型。此外，該廠采用臭氧預氧化除嗅、除味、降低三鹵甲烷基質（母體）也積累了不少值得借鑒的經驗。
5、對無煙煤濾料的評價
無煙煤濾料一般由塊狀無煙煤破碎篩分而得，其性質因產地不同而各異。無煙煤與石英砂、錳砂主要特性對比見表3。
表3 無煙煤與石英砂、錳砂主要特性對比
| 濾料品種 | 密度/kg/m3 | 堆積密度/kg/m3 | 孔隙率/% |
| 無煙煤 | 1400-1900 | 700-1000 | 50-55 |
| 石英砂 | 2600-2650 | 1600 | 41 |
| 馬山錳砂 | 3600 | 1800 | 50 |
| 湘潭錳砂 | 3400 | 1700 | 50 |
| 錦西錳砂 | 3200 | 1600 | 50 |
根據試驗研究和生產實踐，將無煙煤單層濾料的優點歸納如下：
（1）無煙煤濾料機械強度高，有良好的化學穩定性。表面粗糙，有良好的吸附能力。試驗研究及生產實踐表明，其除鐵、除錳、除濁的效果均較好。
（2）無煙煤濾料顆粒較粗（d=0.8-1.8 mm），孔隙率大（＞50%），有較高的含污能力。
（3）無煙煤密度較小。由于濾料市售產品均以單重（噸）計，所以無煙煤單位體積價格較石英砂、錳砂為低。亦因質輕，所需反沖洗強度較低，一般為12-14L/（s·m2）。且易于清洗，反沖洗時間較短，一般為4-6min。因此可節省大量反沖洗水量及電能。
（4）由于濾層含污能力強，并能獲得充分利用，可大大延長工作周期，不僅工作穩定，同時也是節省反沖洗水量的另一個原因。
（5）管理簡單方便，在施工中濾料篩分、裝填均較方便，大大縮短了工期，減輕了施工人員的勞動強度。
