李錦梁¹，王建峰²
（1 福州城建設計研究院，福州市 350001；2 浙江德安新技術發展有限公司，寧波市 315040）

　　摘　要：“彗星”纖維濾料高速濾池可實現高速和高精度過濾，占地面積大大減少，大量節約工程投資，在污水處理廠和工業企業的中水回用項目工程中，對于充分發揮濾池的生產潛力，提高濾池的除濁能力，尤其具有特別重要的意義。
　　關鍵詞：“彗星”式纖維濾料；孔隙度；過濾精度；洗凈度；工程投資

　　當今水處理技術中，大流量水體的懸浮顆粒分離工藝是制約水處理工程實際運行的一個難題，評價過濾是否處于高效狀態，濾料的自適應性是關鍵，即過濾時濾料構成的濾層具有空隙率從上到下逐漸變小的“理想濾層”的特點，反沖洗后濾料充分清潔，并且不改變“理想濾層”的特點。
　　快濾池的過濾介質是粒狀材料，這幾乎是一個固定概念，快濾池借粒狀材料的表面積附著懸浮固體，借顆粒間的孔隙來貯存所截留的懸浮固體。因此粒狀濾料所具有的比表面積和孔隙度大小也就反映了快濾池所具有的去除懸浮固體的極限能力。這個極限能力可以估計如下：1m³濾料約含有450L的孔隙，為了讓水流能繼續通過濾層，假定可供貯存懸浮固體的孔隙平均值只有10L，即25%的孔隙絕對值。按附著絮體所含于物質濃度為10~60g/L計，得出1m³濾料所能截留的干物質量大致在1100~6600g的范圍內。過濾速度、過濾工作周期和所去除的懸浮固體濃度三者的乘積必然處在這個范圍內。因此，要突破上述快濾池的截留懸浮固體的能力，必然用粒狀顆粒以外的材料作為過濾介質。
　　清華大學研制成功的“彗星式纖維濾料”，形象地說即為——顆料狀的濾料象彗星一樣拖著長長的“尾巴”——纖維，將纖維濾料截污性能好的特征與顆粒濾料反沖洗效果好的特征相結合，形成一種全新的過濾材料。
　　顆粒過濾材料的重要特征是可以方便在濾池內完成清洗，但是采用纖維材料作為過濾材料的一個出發點是其比其他實體顆粒材料具有大得多的比表面積和空隙率，其孔隙度高達90~95%，對比之下，粒徑1 mm石英砂濾層孔隙度為45%，由此推斷，由纖維材料構成的濾床具有比常規過濾材料大得多的納污量。納污量為單位體積濾床每周期截留的懸浮顆粒物的質量，納污量的提高對濾池效率的提高具有決定性的意義。這也是在保證濾后水質合乎要求及合適過濾周期的前提之下，應用“彗星”式纖維濾料的濾池可以比常規砂濾料濾池濾速高4~5倍的高濾速運行。
　　該過濾材料的特點是其一端為松散的纖維絲束，又稱“彗尾”，另一端纖維絲束固定在密度較大的“彗核”內。過濾時，密度較大的“彗核”起到了對纖維絲束的壓密作用，同時，又由于“彗核”的尺寸較小，對過濾斷面空隙率分布的均勻性影響不大，從而提高了濾床的截污能力。氣水同時反沖洗時，由于 “彗核”和“彗尾”纖維絲束的密度差，“彗尾”纖維絲束隨反沖洗水流散開并擺，產生較強的甩曳力，過濾材料之間的相互碰撞也加劇了纖維在水中所受到的機械作用力，過濾材料的不規則形狀使過濾材料在反沖洗水流作用下產生旋轉，強化了纖維在水中所受到的機械作用力，上述幾種力的共同作用結果使隨著在纖維表面的固體雜質顆粒很容易脫落，從而提高了過濾材料的洗凈度。
　　彗星式纖維過濾材料構成的過濾層其空隙率沿濾層高度呈梯度分布，下部過濾材料壓實程度高，空隙率相對較小，易于保證過濾精度。整個濾層空隙率由下而上逐漸增大，這種濾層空隙率的分布特性有利于實現高速和高精度過濾。
　　下面以150000m³/d規模的“彗星”式纖維濾料濾池的設計為例，進一步論述其特性。

一、設計基礎資料：

　　① 設計規模：150000m³/d；
　　② 采用“彗星”式纖維濾料；
　　③ 設計濾速≤30m/h；
　　④ 恒水位過濾；
　　⑤ 采用氣水反沖洗，采用長柄濾頭配水配氣系統。
　　設計參數如下表：

二、設計計算：

　　濾池共分8格，每格過濾水量Q=18750m³/d，擬根據標準濾板的尺寸及安裝間隙進行組合排列，根據濾速要求，確定單格濾池過濾面積為32m²，設計濾速24.4m/h。
　　⑴進水系統
　　進水系統由進水閥、進水堰、V型槽組成。每格濾池設1個DN450電動（氣動）進水閥，進水閥在反沖洗開始時部分關閉，減少進水量，此時的濾池進水量即為濾池的表面掃洗水量。表面掃洗水強度按2.0L/(s·m²)考慮，則表面掃洗水流量126L/s，即進水閥部分關閉后減少75%的水量。進水堰可平衡各濾池的進水量。V型槽可使待濾水均勻進入濾池，其底部的均布小孔可均勻分配表面掃洗水。
　　⑵過濾系統
　　過濾系統由濾層、濾板濾頭、清水槽、清水管、濾后水溢流水箱組成。
　　濾層采用“彗星”式纖維濾料，厚度0.8m；
　　濾板采用塑料濾板，也可考慮采用其它材質。濾板的制作安裝要求較高，以設備及化工裝置要求進行。濾板用螺栓固定在托梁上，濾板間的接縫材料具有很好的粘接強度和延展性，不漏氣、不漏水、無有害物質滲出。濾頭采用特制長柄濾頭，安裝固定在濾板上，其配水孔和配氣孔的開孔面積與普通長柄濾頭不同，能達到小阻力配水和大阻力配氣功能，配水配氣均勻。
　　濾后水經DN450出水閥進入濾后水溢流水箱，濾后水溢流水箱的溢流出水堰的標高根據濾池內允許的最大水頭損失確定。
　　⑶反沖洗系統
　　采用長柄濾頭配水配氣系統和表面掃洗。因“彗星”式纖維濾料比重低須設置不銹鋼攔截網板防止濾料損失。配水配氣系統由進氣管、進水管、氣水分配槽、配氣配水室、布氣孔、長柄濾頭組成；表面掃洗則是在V型槽底部的均布小孔，均勻分配表面掃洗水，孔中心線與排污渠堰頂齊平。
　　反沖洗按先單獨氣沖洗，再氣水同時沖洗，最后單獨水沖漂洗的步驟進行。氣水反沖洗的均勻性非常重要，也是濾池設計的關鍵所在。具體措施有如下幾點：
　　設置氣水分配槽，按進水進氣端高度大尾端高度小布置，槽側底部開配水孔，槽側上部開配氣孔，開孔面積及間距按一定的水頭損失計算確定，從而使氣、水較均勻地進入濾板下的配氣配水室。
　　濾板底部托梁處設氣壓均衡槽，平衡托梁兩側的氣墊層。
　　選擇合適開孔率的長柄濾頭，使濾池內各點氣壓氣量及水壓水量均一致。
　　濾板嚴格制作安裝，每塊濾板水平誤差不大于±2mm。
　　表面掃洗孔及配氣孔的標高安裝亦須嚴格控制。
　　⑷排污系統
　　排污系統由排污堰、排污渠、排污閥、放空閥、事故溢流堰組成。
　　排污系統最關鍵的是排污堰。施工完成后，排污堰堰頂標高各處須一致，否則因過水量不一致而影響反沖洗水的均勻性。
　　反沖洗伊始，受濾層底部上升水流及反沖洗空氣的頂托，整個濾層向上懸浮直至濾料攔截網，空氣逸出長柄濾頭的濾帽，以連續氣泡及氣團的形式迅速上升，并且體積不斷擴大，接觸至已懸浮在上部的濾層后，在懸浮的濾層中穿行，彗星式纖維濾料受到強烈擾動，激烈相互碰撞，在反沖洗氣流及水流作用下產生旋轉及位移，將附著在彗星式纖維濾料的污泥擦洗脫落，猶如洗衣服時的搓擦；在氣水同時反沖洗階段，彗星式纖維濾料受到更加強烈的擾動，濾料相互碰撞旋轉及位移更加劇烈，還產生上下循環的運動，同時脫落污泥上浮排出濾料層；在水反沖洗階段，主要目的是將濾層中的空氣及污泥排除，利于迅速進入新的過濾周期。
　　反沖洗結束新的過濾周期開始時，反沖洗時懸浮在上部的濾層整體以一定的速度下降，接觸至濾板后濾層下部逐漸壓實，穩定后，彗星式纖維過濾材料構成的過濾層其空隙率沿濾層高度呈梯度分布，下部過濾材料壓實程度高，空隙率相對較小，易于保證過濾精度。整個濾層空隙率由下而上逐漸增大，這種濾層空隙率的分布特性有利于實現高速和高精度過濾。新的過濾周期開始時，由于彗星式纖維過濾材料構成的過濾層尚較松散，濾層空隙率過大，此時過濾精度差，一般宜將初濾水排泄。

三、工程投資比較

　　一座150000m³/d規模的砂濾料濾池，過濾面積821m²，濾速7.6m/h，分8格，工程總投資額約900萬元，而150000m³/d規模的“彗星”式纖維濾料濾池，過濾面積256m²，濾速24.4m/h，分8格，工程總投資額約400萬元，節約工程投資一半以上，經濟效益十分顯著。
　　由于“彗星”式纖維濾料高速濾池占地面積大大減小，大量節約工程投資，在污水處理廠和工業企業的中水回用項目工程中，對于充分發揮濾池的生產潛力、大大提高濾池的除濁能力、尤其具有特別重要的意義！