陳志強(qiáng)1， 呂炳南1， 溫沁雪1， 馮令艷1， 李武2
( 1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱15 0090；2.深華房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，廣東深圳518002 )

　　 摘 要： 所開發(fā)的內(nèi)循環(huán)連續(xù)式砂濾器利用微絮凝過(guò)濾技術(shù)，采用體內(nèi)循環(huán)洗砂系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)過(guò)濾、反沖洗。對(duì)影響內(nèi)循環(huán)連續(xù)式過(guò)濾器效率的工作參數(shù)進(jìn)行了研究，同時(shí)就濾前水處理情況對(duì)出水水質(zhì)的影響進(jìn)行了試驗(yàn)，為該裝置的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
　　關(guān)鍵詞： 內(nèi)循環(huán)連續(xù)式砂濾器； 微絮凝； 工作參數(shù)； 濾前水處理
　　中圖分類號(hào)：TU991.24
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　 文章編號(hào)：1000-4602(2002)01-0045-05

　　連續(xù)式砂濾器是近年來(lái)國(guó)外研制成功的一種新型一體化水處理設(shè)備，它省略了常規(guī)凈水工藝中的反應(yīng)、沉淀工段，在裝置中完成絮凝、過(guò)濾和反沖洗過(guò)程，使得在濾床中直接進(jìn)行凝聚和分離成為可能。由于幾乎所有的化學(xué)處理步驟都直接在濾床中進(jìn)行，因此連續(xù)式砂濾器在設(shè)備體積上比傳統(tǒng)的化學(xué)處理節(jié)省80%以上，加藥量則節(jié)省了20%～30%［1］。正是基于以上的優(yōu)點(diǎn)，連續(xù)式砂濾器得到廣泛的開發(fā)應(yīng)用，目前美國(guó)、日本已經(jīng)有1 000多套連續(xù) 式砂濾器應(yīng)用于中、小型水廠［1］。
　　經(jīng)多年研究，筆者也開發(fā)出一套內(nèi)循環(huán)連續(xù)式一體化凈水設(shè)備(專利號(hào)：01250908.6)，并在了解連續(xù)式砂濾器工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，探討了濾池工作參數(shù)對(duì)其處理效果的影響，就濾 料粒徑、濾速、濾層厚度、壓縮空氣量、空氣壓力、砂循環(huán)速率、攪拌強(qiáng)度、反應(yīng)時(shí)間等對(duì)出水水質(zhì)的影響進(jìn)行了定量分析，得到一系列運(yùn)行參數(shù)，為該設(shè)備的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

1 試驗(yàn)流程及裝置

1.1 試驗(yàn)流程
　　試驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。
1.2 砂濾器的構(gòu)造及工作原理
　　試驗(yàn)設(shè)備直徑為300 mm,總高為2.5 m。石英砂濾料的有效粒徑為0.7～1.0 mm，濾層高度為0.8 m。砂濾器的構(gòu)造見(jiàn)圖2。

　　過(guò)濾過(guò)程：經(jīng)投加混凝劑的原水由進(jìn)水管(A)進(jìn)入布水器裝置(B)。在水流從布水支管的孔口流出后由下而上通過(guò)濾層(C)的過(guò)程中，原水中的懸浮物被濾料截流下來(lái)，濾后上升到集水 槽(D)，經(jīng)出水管(E)進(jìn)入貯水池。
　　反沖洗過(guò)程：壓縮空氣(O)通入砂濾器中部的提砂管(F)，帶動(dòng)砂濾器底部的臟砂一同上升，被提升的混合物從提砂管頂部(G)落入洗砂槽，砂粒則隨水流進(jìn)入“錯(cuò)環(huán)式”洗砂器(H)。在過(guò)濾出水與反沖洗出水水位差的作用下，提砂管內(nèi)的氣提水和洗砂器內(nèi)的沖洗水一同排出濾池。在重力作用下洗凈的濾料經(jīng)布砂罩(L)循環(huán)落回到濾層。

2 影響因素分析

　　由于PAC具有強(qiáng)烈的電中和脫穩(wěn)能力及快速的絮凝反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及結(jié)團(tuán)絮凝反應(yīng)特征，在直接過(guò)濾中作為單一的混凝劑對(duì)于處理低濁水和中低濁度水中的有機(jī)物是有效的，因此試驗(yàn)中采 用PAC做絮凝劑。
2.1 濾池工作參數(shù)的影響
　　① 濾料粒徑
　　選用0.7～1.0 mm的細(xì)砂、1.0～1.25 mm的中砂和1.25～1.5 mm的粗砂進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，運(yùn)行4h后測(cè)定出水水質(zhì)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。 表1 濾料粒徑對(duì)出水水質(zhì)的影響 濾料粒徑(mm) 進(jìn)水濁度(NTU) 出水濁度(NTU) 工作條件 0.7～1.0 40 1.2～1.8 PAC：20 mg/L；氣壓(P)：0.4 MPa；濾速(v)：7 m/h；砂循環(huán)速率(WZ)：3mm/min；水溫(T)：16.5～18.5 ℃。 1. 0～1.25 39 3.1～4.2 1.25～1.5 38 3.9～5.6

　　從表1可以看出，采用0.7～1.0 mm的細(xì)砂時(shí)出水水質(zhì)較好。對(duì)0.3～0.5 mm的細(xì)砂也進(jìn)行了試驗(yàn)，由于設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中提砂量過(guò)大，導(dǎo)致洗砂管堵塞，水位差不能起到逆水分離懸浮物的作用，從而使懸浮物和砂粒一起從洗砂器落下，致使濾后水和反沖洗水相混，出水水質(zhì)惡化，濾層清洗不充分，連續(xù)運(yùn)行被破壞，故試驗(yàn)中均采用0.7～1.0 mm的砂濾料。
　　② 濾層厚度
　　試驗(yàn)的濾層厚度分別為0.5、0.7、1.0 m，設(shè)備連續(xù)運(yùn)行4 h后測(cè)定出水濁度，結(jié)果見(jiàn)圖3、4。

　　試驗(yàn)以f/f0表示濁度殘余率，其中圖3的試驗(yàn)條件為：P=0.4 MPa，PAC=20～25 mg/L，WZ=3.6 mm/min，ΔW=1.5 cm，T=16.5℃，v=7～8 m/h；圖4試驗(yàn)條件為P=0.4 MPa，PAC=20～25 mg/L，WZ=3 mm/min，ΔW=1.4 cm，T=6.5 ℃，v=7～8 m/h。
　　從圖3、4可以看出，內(nèi)循環(huán)連續(xù)式砂濾器的工作區(qū)域主要在濾層的下部(可看作過(guò)濾工作層)，上層基本上未參與過(guò)濾。對(duì)于低溫水，由于粘度大、微絮體與濾料結(jié)合力弱等原因，微絮體深入濾層較深，其主要的工作層約有40 cm。從圖3可以看出，當(dāng)水溫為16.5 ℃時(shí)過(guò)濾工 作層為30 cm。由于連續(xù)式砂濾器不存在過(guò)濾吸附層上移的問(wèn)題，濾層保持穩(wěn)定的狀態(tài)，故可采用淺層濾層，其厚度略大于過(guò)濾工作層即可。
　?、? 濾速
　　不同濾速對(duì)出水水質(zhì)的影響見(jiàn)表2。 表2 濾速對(duì)出水水質(zhì)的影響 濾速v(m/h) 進(jìn)水濁度(NTU) 出水濁度(NTU) 濁度去除率(%) 工作條件 7～8 83.5 2.31 97.2 P：0.4 MPa；PAC：15 mg/L；WZ：3 mm/min；ΔW：1.6 cm；T：20.5～23.5 ℃ 10～11 81.4 3.14 96.2 12～12.5 86.4 3.50 96.0

　　由表2可以看出，隨著濾速的增加過(guò)濾效果略有降低。這是因?yàn)椋簽V速大時(shí)上升水流對(duì)底層濾料作用力大，使底層的水砂比變大，濾料間孔隙率提高，不利于接觸絮凝，一些顆粒容易穿透，導(dǎo)致過(guò)濾效果降低。而當(dāng)投藥量增大到25 mg/L時(shí)出水水質(zhì)改善很多，由此可見(jiàn)內(nèi)循環(huán)連續(xù)式砂濾器適用于較高濾速運(yùn)行，但提高濾速的同時(shí)一定要增大投藥量，以保證懸浮物在有效過(guò)濾工作層內(nèi)被吸附截留。濾速提高時(shí)，如果不增大投藥量會(huì)造成過(guò)濾工作層的延伸，而砂層得不到有效清洗會(huì)形成不清潔濾層，破壞連續(xù)式過(guò)濾狀態(tài)，使出水水質(zhì)惡化，建議內(nèi)循環(huán)連續(xù)式砂濾器的濾速以小于12 m/h為宜。
　?、? 壓縮空氣氣壓、氣量
　　壓縮空氣的氣壓、氣量對(duì)出水水質(zhì)的影響是在運(yùn)行2 h后測(cè)定的。試驗(yàn)條件為：濁度=25 NTU，水溫=7.5 ℃，投藥量=25 mg/L，砂循環(huán)速率=3 mm/min，水位差=1.4 cm，進(jìn)水量=750 L/ h，濾層=0.7 m，結(jié)果見(jiàn)表3。 表3 壓縮空氣氣壓、氣量對(duì)出水水質(zhì)的影響 空氣壓力為0.3 MPa 空氣壓力為0.4 MPa 空氣壓力為0.5 MPa 空氣量(m³/h) 提砂水量(m³/h) 氣水比 出水濁度(NTU) 空氣量(m³/h) 提砂水量(m³/h) 氣水比 出水濁度(NTU) 空氣量(m³/h) 提砂水量(m³/h) 氣水比 出水濁度(NTU) 0.28 提砂量很少 0.28 提砂量很少 0.28 0.200 1.4 1.13 0.32 0.123 2.96 1.13 0.32 0.072 4.5 1.20 0.32 0.054 5.9 1.15 0.36 0.079 4.5 1.02 0.36 0.048 7.5 1.25 0.36* 0.030 12 1.23 0.40 0.068 5.9 1.35 0.4* 0.036 11 1.10 0.40 0.028 14 2.16 0.44 0.058 7.6 1.60 0.44 0.026 17 1.32 0.44 0.018 24 4.56 0.48* 0.052 9.2 1.36 0.48 0.18 27 5.15 0.48 0.008 60 8.67 0.52 0.036 14 3.37 0.52 0.014 37 5.23 0.52 0.005 104 11.2 0.56 0.015 37 7.64 0.56 0.009 62 9.87 0.56 0.001 560 11.90 注： ①當(dāng)空氣量很少時(shí)，提砂量也很少、洗砂套管阻力小，大量過(guò)濾出水在水位差的作用下從反洗管排出；提砂管也提升部分水量，過(guò)濾出水很少。②*表示在所對(duì)應(yīng)的 氣壓、氣量下，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)較好。

　　從表3可以看出：
　　a.提砂管內(nèi)氣水比為9～11時(shí)，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，濾料得到有效的清洗，反沖洗水量合理，處理出水水質(zhì)較好。
　　b.提砂管內(nèi)氣水比＜9～11時(shí)，提砂管的水量較大，設(shè)備運(yùn)行前幾個(gè)小時(shí)出水水質(zhì)較好，經(jīng)過(guò)一個(gè)濾層反洗周期后，出水水質(zhì)惡化，砂層的水頭損失逐漸增大，說(shuō)明過(guò)濾吸附層沒(méi)有 得到有效的沖洗。這是因?yàn)樘嵘傲枯^小、含污層清洗不完全，造成濾層逐漸被含污砂層代替。隨著過(guò)濾的進(jìn)行，最終濾層的過(guò)濾吸附作用被破壞，出水水質(zhì)很差。
　　c.提砂管內(nèi)氣水比＞9～11時(shí)，提砂管內(nèi)的水量較小，提升的砂料較多，濾料在提砂管內(nèi)清洗效果差。當(dāng)砂粒落入錯(cuò)環(huán)式洗砂器后，大量擁擠在洗砂器內(nèi)，洗砂器內(nèi)的阻力增大，水位差不能有效地將懸浮物從洗砂器壓出，使反沖洗出水與濾后水混合，出水水質(zhì)惡化。
　?、? 砂循環(huán)速率
　　砂循環(huán)速率WZ指石英砂濾料在過(guò)濾器內(nèi)單位時(shí)間的下移距離(mm/min)。由于連續(xù)式砂濾器沒(méi)有過(guò)濾周期，因此有效地對(duì)濾料進(jìn)行清洗，保持濾層的穩(wěn)定工作狀態(tài)至關(guān)重要。連續(xù)式砂濾器的濾料清洗速度由中心提砂管的提砂速度決定。
　　砂循環(huán)速率對(duì)出水水質(zhì)的影響(試驗(yàn)水溫=7.5 ℃，投藥量=25 mg/L，氣壓=0.4 MPa，水位差=1.4 cm，進(jìn)水量=600 L/h，濾層=0.7 m)見(jiàn)圖5。

　　從圖5可以看出：
　　a.砂循環(huán)速率在2～4 mm/min時(shí)過(guò)濾出水水質(zhì)穩(wěn)定。
　　b.砂循環(huán)速率＜2 mm/min時(shí)出水水質(zhì)稍差，這是因?yàn)樯把h(huán)速率小于過(guò)濾吸附層的上移速度時(shí)含污濾層得不到有效清洗，濾層水頭損失不斷變大，穩(wěn)定的連續(xù)過(guò)濾被破壞。
　　c.砂循環(huán)速率＞4 mm/min時(shí)濾后水的水質(zhì)下降、除濁效率低。砂循環(huán)速率高時(shí)，臟砂擁擠于洗砂器內(nèi)，濾料的反洗效果差。同時(shí)由于臟砂的擁擠造成阻力增大，阻止沖洗水及時(shí)排出，使濾后水和沖洗水混合，降低了過(guò)濾效率。
2.2 濾前水處理情況的影響
　　由于內(nèi)循環(huán)連續(xù)式砂濾器省略了沉淀處理單元，同時(shí)反應(yīng)單元的反應(yīng)時(shí)間大大減少，為了保證含污濾層得到有效的清洗，防止因工作層洗砂不充分造成出水惡化，濾前水的混合強(qiáng)度和反應(yīng)條件的控制更為重要。
　?、? 攪拌強(qiáng)度
　　攪拌強(qiáng)度對(duì)出水水質(zhì)的影響
　　(濁度=33 NTU，水溫=17.5 ℃，PAC=25 mg/L，氣壓=0.4 MPa，氣量=0.40m³/h，進(jìn)水量=600 L/h，濾層=0.7 m,ΔW=1.4 mm，反應(yīng)時(shí)間=2 min)見(jiàn)圖6。當(dāng)GT在5 000～10 000時(shí)混合效果較好。攪拌強(qiáng)度過(guò)低，藥劑分散不均勻，出水水質(zhì)不好；攪拌強(qiáng)度過(guò)大則形成的微絮體過(guò)小、穿透濾層太深，使提砂速率小于含污層的上移速率，出水水質(zhì)惡化。

　?、? 反應(yīng)時(shí)間
　　進(jìn)水濁度低時(shí)濾前反應(yīng)時(shí)間對(duì)出水水質(zhì)的影響(P=0.4 MPa，PAC=20 mg/L，WZ=3.6 mm/min，ΔW=1.4 cm，T=4.5 ℃，v=7～8 m/h，Q=600 L/h，GT =5 000，進(jìn)水濁度=16 NTU，混合時(shí)間=1 min,濾層L=0.7 m)見(jiàn)圖7。

　　進(jìn)水濁度高時(shí)濾前反應(yīng)時(shí)間對(duì)出水水質(zhì)的影響(P=0.4 MPa，PAC=20～25 mg/L，WZ=3 mm/min，ΔW=1.4 cm，T=6.5 ℃，v=7～8 m/h，Q=600 L/h，GT=5 000，進(jìn)水濁度=200 NTU，混合時(shí)間=1 min，濾層L=0.7 m)見(jiàn)圖8。
　　從圖7、8可以看出，對(duì)于低濁水，只要有3 min的微絮凝池反應(yīng)時(shí)間就可以得到較好的出水水質(zhì)；當(dāng)處理高濁水時(shí)，在較短反應(yīng)時(shí)間形成的絮凝體不能在連續(xù)式砂濾器的有效過(guò)濾層截留，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后穩(wěn)定的連續(xù)式過(guò)濾過(guò)程被破壞而使出水水質(zhì)惡化，因此必須保證有6～7 min的反應(yīng)時(shí)間。

3 濾料清洗程度判定

　　連續(xù)式砂濾器能夠穩(wěn)定運(yùn)行，關(guān)鍵在于對(duì)提升濾料進(jìn)行徹底、有效的清洗，而如何確定濾料得到了有效清洗則很重要。濾料清洗程度的判定依據(jù)有以下兩個(gè)：①濾池表面出水水質(zhì)穩(wěn)定并與清水區(qū)水質(zhì)一致；②若是清洗干凈的濾料連續(xù)落入濾層，濾層上部就能保持穩(wěn)定的水頭損失，因此可以通過(guò)測(cè)定上層的水頭損失是否穩(wěn)定來(lái)確定砂粒清潔與否。在試驗(yàn)中對(duì)不同位置的水頭進(jìn)行了測(cè)定，h2表示原水過(guò)濾時(shí)的水頭損失，h1表示清水過(guò)濾時(shí)的水 頭損失，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。

　　從圖9可以看出，設(shè)備在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)能夠保持一定的水頭損失。h2-h1曲線表明，過(guò)濾水頭主要損失在消能板上30cm濾層內(nèi)，而上層40 cm的濾層水頭損失基本沒(méi)有增加，說(shuō)明系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)濾料清洗得比較干凈，可以保證連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行過(guò)濾。

4 結(jié)論

　　對(duì)影響內(nèi)循環(huán)連續(xù)式過(guò)濾器工作效率的濾池工作參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，提出設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵工作參數(shù)：濾料粒徑為0.7～1.0 mm、濾層厚度為0.6 m、濾速＜12 m/h、提砂管內(nèi)氣水比為9～1 1、砂循環(huán)速率為2～4 mm/min；同時(shí)對(duì)濾前工作條件進(jìn)行了研究，認(rèn)為濾前的GT值應(yīng)保證在5 000～10 000；進(jìn)水濁度低時(shí)濾前微絮凝反應(yīng)時(shí)間≥3 min，進(jìn)水濁度較高時(shí)濾前微絮凝時(shí)間≥7 min。

參考文獻(xiàn)：

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　　收稿日期：2001-09-08