以雙通道濾水器改善既有之長頸式濾水器快濾池

概述
水處理程序中的重力過濾(Gravity Filtration)是使水通過粒狀的濾料以除去懸浮顆粒、膠體顆粒(Flocs)等。
常見之顆粒狀濾料有濾砂、無煙煤、顆粒性活性碳等，其有效粒徑(Effective Size)一般為0.5~1.5 mm，均勻係數(Uniformity Coefficient, UC)一般為1.3~1.8，濾料鋪設厚度一般為500-1500 mm，視濾率、濾程、濾出水濁度(NTU)等需求而定。
由沉澱池來的水從過濾池上方進入，往下流經濾料床，然後進入濾水器，如下圖一、所示。過濾之驅動力是濾池之操作水位至清水池最高水位或濾池下方出水控制堰之液位差。因為固體會慢慢累積於濾料中，水頭損失也會漸次增加至無法維持濾率之情況。此時需使用反洗水或反洗空氣+反洗水使濾料流體化並沖刷濾料，此稱之為濾料反沖洗或逆洗，藉以除去累積於濾料中的顆粒物質並使過濾池恢復濾率及濾出水質。濾料反洗效能以反洗濾料之清潔度和反洗所需電力及水量的費用加以計算。


根據美國自來水協會(AWWA)委託美國喬治亞技術學院經過五年的研究結論得知，從實驗中證實目前快濾池濾料最佳的反洗方式是以(空氣+水)同時共洗，並控制(反洗水+反洗空氣)的流率在使濾料處於次流體化的狀態下，以collapse-pulse(崩塌脈衝)的模式反洗整個濾床的濾料，能使濾料達到最佳的清洗效果。Collapse-pulse之定義為:以空氣+水同時反洗濾料，使反洗水+空氣通過濾料時重複產生濾料的壓縮和膨脹動作，此時可得最佳濾料反洗效果。
 
重力式快濾池的濾水器之作用為支撐濾料、收集濾液並將之導引至往清水池的排水管道。當濾料反洗時，濾水器的功能則變成平均分配反洗水與反洗空氣。若反洗水跟反洗空氣未加以平均分配妥適，泥沙或髒污物質會累積於濾料中，經長期過濾與反洗操作後逐漸形成顆粒漸大的泥球，致使濾程縮短且顆粒去除率降低，過濾水濁度升高。維持重力快濾池長期效能之關鍵高效能的濾料反洗，而高效能的濾料反洗關鍵為反洗水與反洗空氣的分配均勻及反洗水與反洗空氣量的控制。
 
市面上常見的濾水器有兩種。一為雙通道濾水器，一為長頸式濾水器。

• 雙通道濾水器

雙通道濾水器是針對解決其他型式的濾水器的反洗流體(水與空氣)分佈不均勻的問題而開發設計的。如下圖所示，由一個中央主通道與旁邊兩個平行的次通道所組成。主通道與次通道間的隔板具有通水通空氣的孔。反洗水進入主通道，然後從隔板上的通水通空氣的孔流進次通道。主通道內的流體與次通道內的流體，恰恰形成相對的流力分佈，形成互相補償的流速壓力(流力)梯度，使得經由次通道上的濾孔噴出的反洗流體(水、空氣)均勻的分佈於濾水器上的各濾孔，進而均勻的反洗濾水器上的濾料，如下圖所示。


雙通道濾水器也可均勻分配反洗空氣，經由空氣管線送進來的反洗空氣進入三角形的中央主通道，主通道與次通道間的隔板具有通水通空氣的孔，均勻分配反洗空氣至上層的濾孔。雙通道濾水器上的濾孔以約5 cm間距排列，相對於長頸式濾水器每隔15~20 cm距離安裝一只，雙通道濾水器提供濾池底部更多更均勻的濾孔，大大提升快濾池反洗與過濾效能。

• 雙通道濾水器的安裝

雙通道濾水器的安裝非常簡單，首先將快濾池的底板敷平，不需要額外的支撐樑柱或額外的深度或假地板。每支濾水器平置於池底的水泥底板上，以尾端對尾端的卡榫連接至池子的寬度或長度，每排雙通道濾水器以約相隔3.5 cm的間距平行排列，排與排之間以水泥漿灌入固定。如下照片所示。


 

• 使用雙通道濾水器改建既有的長頸式快濾池

欲改建既有的長頸式快濾池需考慮以下因素：既有反洗系統之反洗流率，反洗水渠/集水渠之配置，濾池的深度與形狀，濾料的選擇，濾率控制閥，以及操控系統。反洗流率取決於所使用的濾料規格與型式。若使用雙層濾料，反洗流率應能使較大粒徑濾料達到流體化，這通常跟無煙煤的比重和粒徑息息相關。空氣反洗期間，濾砂會跟無煙煤混在一起，故必須使全部濾料適當流體化才可將累積在濾料內的固體或膠羽物質沖出，並且將濾砂與無煙煤重新分離，恢復至反洗前的分層狀況。通常，反洗流率計算與濾料厚度、有效粒徑、比重、均勻係數等息息相關。
除了濾水器型式跟濾料選擇之外，反洗水渠/集水渠的配置對濾池反洗之不均勻度影響甚鉅。若原本無反洗水渠/集水渠，需在濾池底部建造一反洗水渠/集水渠。
 

• 長頸式濾水器

長頸式濾水器屬於單通道濾水器。單通道濾水器之反洗水與反洗空氣分配端賴濾水器內的單系列濾孔，欲維持均勻的反洗水與反洗空氣分配，快濾池的橫向長度必須較短，長頸式濾水器假底板下的空間必須夠深夠大，大幅增加土木建造費用。

上圖，長頸式濾水器快濾池
如上圖，為長頸式濾水器反洗水之分佈示意圖。快濾池反洗水入口區域之流速最高，因此反洗水通過前幾個濾水器的量最少。隨著流速跟流量的降低，較多反洗水到達後方之濾水器，形成反洗水分佈不均的流量梯度。
長頸式濾水器不易傳導與分配反洗空氣，長頸式濾水器間之距離通常為15至20 cm，造成通道效應（channeling effect），通道效應會造成部分區域的濾料沒有被反洗或反洗不足，造成淤泥或髒污物質積聚，日積夜累進而形成泥球或硬塊，且反洗流體被限制於沖洗小範圍的濾料，無法均勻有效的清洗全池濾料，造成濾料反洗後，恢復過濾後之濾率與過濾水濁度常不符需求。
 

• 快濾池監控儀表

欲維持過濾系統之有效連續運作，更新監測儀表與操控系統是必要的。操制系統應持續監測過濾程序中必要之參數，例如:監測濾率的電磁流量計與監測濾出水濁度的濁度計，確保過濾的連續操作的最適化。藉由連續監測濾出水質與濾池狀況，操制系統可自動啟動反洗程序。換言之，隨著過濾狀況改變所需，在濾池需要反洗時自動啟動反洗，降低人為手動反洗操作可能發生之不確定性，使濾料始終維持最佳狀態，延長濾池與濾料壽命，在最低操作費用的狀況下達到最適化濾程、最大過濾水量以及最適產水水質。

• 結論

雙通道濾水器快濾池系統在全世界已有數千個新建跟改建的快濾池成功案例。相較於長頸式濾水器，雙通道濾水器提供較佳的濾料反洗性能，濾孔較密集，又可均勻分配反洗水與反洗空氣，提供更好的濾料反洗效果，使快濾池性能得以發揮到最佳(濾出水量、濾出水濁度穩定達標、濾程最長，反洗次數最少、操作成本最低、換砂或補砂量降至最低)。