碱洗法在滤料性能再生中的应用初探—以上海某水厂为例

摘  要   本研究针对A水厂 36 万吨生产线高密度沉淀池滤料因聚丙烯酰胺（PAM）黏附导致的性能下降问题，通过实验探究碱性清洗液对滤料的清洗效果。从清洗前后滤料性能参数、清洗液中丙烯酰胺单体浓度以及清洗成本三个方面进行分析，确定了可行的清洗方案，并进行了生产性试验方案设计和成本分析，旨在为水厂滤料清洗提供科学有效的方法，解决滤池使用周期缩短和性能难以恢复的难题。

关键词  砂滤池    聚丙烯酰胺    食用纯碱    滤池过滤周期     滤料性能   

水厂作为城市供水的关键枢纽，其生产运行的各个环节都与水资源的可持续利用紧密相连，这不仅深刻影响着供水的安全性和稳定性[1]，还在水厂的运营成本控制以及环境保护层面具有举足轻重的作用。其中，滤料作为水厂净水工艺中的核心部分，其性能的优劣直接关系到水质净化效果和生产效率。

1 研究概况

1.1制水工艺

A水厂原水来自青草沙水库，具有三条生产系统，其中生产系统一（以下简称“系统一”），制水能力为36万m3/d，沉淀池型为高密度沉淀池，共分两组，单组设计处理能力7500m3/h，阴离子聚丙烯酰胺（PAM）加注基数为0.10~0.20mg/L，硫酸铝加注基数为24mg/L。系统一共有10格V型滤池，过滤面积为158m2，由于沉淀池加注了PAM，滤池平均过滤周期较短，约为20h，冲洗水量约为6360m3/h。

由于PAM具有黏附性，附着在滤料表面后，难以通过气冲和水冲的方式去除，导致滤池使用周期缩短和滤池性能难以恢复的后果。因此，寻求一种高效且经济的滤料清洗方法成为迫切需要解决的问题。

PAM在碱性的环境中，会出现水解速度明显加快，溶液黏度下降的现象[2]，因此考虑配置碱性清洗液对滤料进行清洗。以期达到恢复滤料性能。

本工作通过清洗前后滤料性能参数、清洗液中的丙烯酰胺单体浓度和清洗成本三个方面分析杨树浦水厂滤料清洗可行性。

2实验部分

2.1实验设计

本工作共进行两次实验。实验一采用10%食用纯碱（食用级）溶液对滤料样本进行处理，探究其洗脱PAM的效果；实验二通过设置4%、7%和10%梯度浓度的食用纯碱溶液，优化药剂浓度，分析不同浓度对滤料清洗效果的影响，同时记录上清液pH值和丙烯酰胺单体浓度变化。

2.2实验材料与过程

2.2.1实验一（10%食用纯碱浸泡实验）

实验材料：用超纯水配制浓度为10%的食用纯碱溶液（pH11.82，25℃）2.5升作为浸泡液，选取2千克36万吨生产线J池使用年限5年、过滤周期为18小时的滤料作为清洗对象。

实验过程：将滤料与清洗液混合浸泡五天，之后用自来水人工搓洗滤料。

样品收集：收集浸泡三天和五天的浸出液、搓洗六遍和八遍的搓洗液以及反冲洗废水，检测丙烯酰胺单体浓度和含泥量，分别编号为1#-5#样品。

2.2.2实验二（药剂浓度优化实验）

实验材料：用超纯水配制4%、7%和10%的食用纯碱溶液各350mL作为浸泡液，采集36万吨J池砂样3份，每份约280g作为清洗对象。

清洗过程：将浸泡液与滤料混合浸泡七天，在第0天、第1天、第2天、第7天测定上清液pH值，每天手动振荡10分钟。

样品收集：收集浸泡七天的浸出液，编号为6#-8#样品，检测丙烯酰胺单体浓度。

2.3实验结果

2.3.1实验一结果

丙烯酰胺单体结果： 1#样品（三天浸出液）丙烯酰胺单体浓度为0.240mg/L，2#样品（五天浸出液）为0.491mg/L，3#样品（六遍搓洗液）为0.021mg/L，4#样品（八遍搓洗液）和5#样品（反冲洗废水）均低于检测限（<0.00005mg/L），远低于上海地方标准（DB31/T1091—2018）和国家标准（GB5749—2022）的丙烯酰胺单体限值。

滤料含泥量结果：新样本含泥量为1.30%，旧样本经清洗后含泥量降至1.10%，下降了15.4%。

2.3.2实验二结果

浸泡液pH值：由表1可知，4%、7%和10%的食用纯碱pH值随处理时间增加而降低。

丙烯酰胺单体结果：如表4所示，6#样品（4%食用纯碱浸出液）丙烯酰胺单体浓度为0.316mg/L，7#样品（7%食用纯碱溶液浸出液）为0.516mg/L，8#样品（10%食用纯碱浸出液）为0.326mg/L。

表1 浸泡液pH值变化趋势

2.4实验分析

2.4.1实验一分析

（1）10%食用纯碱溶液能有效洗脱滤料表面的PAM，使滤料含泥量下降，且清洗后滤料经反复冲洗，清洗液中丙烯酰胺单体残留浓度低于标准限值，证明该清洗方法在去除PAM和保证水质安全方面具有可行性；

（2）实验结果为后续优化实验提供了基础数据和方向，表明碱性清洗液对滤料清洗具有潜在的应用价值。

2.4.2实验二分析

（1）三种浓度的食用纯碱溶液均能浸出丙烯酰胺，其中7%的食用纯碱溶液浸出效果最佳，为实际生产中清洗液浓度的选择提供了依据，在保证清洗效果的同时，有助于降低药剂使用成本；

（2）浸泡液pH值的变化规律为清洗过程的监控和优化提供了参考，有助于进一步了解食用纯碱溶液与PAM的反应过程和清洗机制。

3 生产性试验方案

3.1 清洗液浓度确定

综合小试结果，7% 的食用纯碱溶液在浸出效果和药剂用量上达到平衡，故确定生产性试验的清洗液浓度为 7%（质量浓度）。

3.2 清洗液体积确定

根据滤料孔隙率，将清洗液与滤料体积比设定为 1:2，以确保清洗液能够充分接触滤料，达到良好的清洗效果。

3.3 清洗方式设计

采用药剂循环模式，即配置好的清洗液在桶与滤池之间循环，先通过泵将药剂输送至滤池中，再从滤池回流至桶内，然后进行浸泡，以提高清洗效果和药剂使用效率。

3.4 清洗废液处理

小试表明，浸泡五天后清洗液呈碱性，可排放至废水高密池，添加与清洗废液体积相同的偏酸性聚合硫酸铝（pH 约为 2.9）进行中和处理。考虑到清洗液中丙烯酰胺单体浓度较高，采用分批次处理方式，确保处理后的废液符合排放标准，避免对环境造成二次污染。

3.5 滤料清洗效果确定

通过采集清洗前后砂样测定含泥量，对比含泥量变化来判断滤料的清洗效果，为清洗工艺的优化和质量控制提供量化指标。

3.6 食用纯碱溶解放热问题处理

鉴于食用纯碱溶解时放热，为避免高温副作用，可在耐热容器（如玻璃钢）中预先配置清洗液，或采用分批次溶解的方式，确保清洗液配制过程的安全性和稳定性。

4 单个滤池成本分析

经计算，单个滤池清洗液体积为 205m³×45% = 92m³（其中 205m³ 为单个滤料体积，45% 为滤料孔隙率），清洗液浓度为 7%（质量浓度），则食用纯碱消耗量为 92m³×7% = 6.5 吨，药剂价格为 6.5 吨 ×2500 元 /t = 16250 元，人工费约 10000 元（实际可能变动），单个砂滤池清洗成本约为 2.625 万元（未考虑清洗装置购置和安装费），而翻砂成本为 34.4 万 / 个。由此可见，采用碱性清洗液清洗滤料在成本上具有显著优势，为水厂降低运营成本提供了可行方案。

5 结论

本研究通过实验和成本分析，证明了采用碱性清洗液（7% 食用纯碱溶液）对水厂滤料进行清洗在技术和经济上均具有可行性。该方法能够有效洗脱滤料表面的 PAM，恢复滤料性能，同时降低清洗成本，相较于传统的翻砂处理方式具有明显优势。生产性试验方案的设计为实际应用提供了详细的操作指南，有望在水厂滤料维护中得到广泛应用，解决滤池使用过程中的难题，保障水厂的稳定运行和供水水质安全。

参考文献

[1] 赵加斌. 基于上海市高品质供水的水厂设计思考[J]. 净水技术,2023,42(z1):281-288. DOI:10.15890/j.cnki.jsjs.2023.s1.046.

[2] 陈灿灿,孙灵辉,刘先贵,等.碱对部分水解聚丙烯酰胺分子聚集形态的转变影响[J].应用化工, 2023, 52(1):6.