双级高效滤池直接过滤的试验研究

摘要:双级高效滤池即石英砂和彗星滤料的组合在一定的进水水质情况下确定各自的最佳运行参数。在进水浊度为8～14NTU，出水浊度≤0.5NTU时，试验测得最佳的过滤滤速为18.26m/h，过滤周期为 9h，产水量为155m3/m2截污量为2.62kg/ m3 , 水头损失35cm，反冲水量是192L。并且通过数据对比，双级高效滤池的过滤性能优于石英砂滤池，双级高效滤池的反冲洗效果优于彗星滤池。

关键词:水处理; 双级滤层; 石英砂滤料; 彗星滤料

The experimental study on direct filter filtration of double filter beds with high performance

LIU De-hua,LIU Gang,LI Dong

(Development Center of Water Company,HYDROCHINA Zhongnan Engineering Corportion,ChangSha,410014,P.R.China)

Abstract: This article mainly shows the premium control parameters of the filter filtration of double filter beds with high performance, which is the filter of quartz sand filtering media combined with comet fiber filtering media, in a certain conditions of raw water. when the raw water turbidity in range of 8NTU～14 NTU, and the output water with turbidity less than 0.5NTU, the study revealed that premium filtration speeding is approximately 18.26 meter per hour, filtering cycle is about 9 hours, water yield in a cycle is 155 m3/m2 , pollution catching is 2.62kg/ m3,Head loss is 35cm , water back washing consumption is 192L. Though the comparison of test data, It is concluded that the filtration performance of double beds filter is higher than that of quartz sand filter, and the back washing performance of double beds filter is higher than that of comet filter.

Key words: water treatment; double filter beds; quartz sand filtering media; comet fiber filtering media

中图分类号：S969.38文献标识码：A文章编号：

0 引言

随着我国城镇化速度的加快，国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，对水量的需求就越来越大，对水质的要求亦将越来越高。而且，我国的水资源并不丰富，人均享有的淡水资源并不多，而且部分水源已遭到不同程度的污染。另外，我国的经济发展很快，能源紧张。因此，国内水业的技术工作者一直在追求和研究高效、节能、优质的净水技术，以满足社会对水资源的需求。

人们在过去对石英砂均质滤料进行了大量的研究，研究表明石英砂过滤虑速一般在15m/h左右，别且反冲洗效果好，反洗水量少；

1997-2000年清华大学环境科学与工程研究所开发出了单尾性，双尾型，多尾型的彗星式纤维滤料。目前，国内纤维滤料主要有散堆式和规整式两种。纤维滤料有别于颗粒滤料的最大特点在于其具有弹性和柔性[1]，但随着过滤过程的进行，滤层中积污量和水头损失均不断增加，滤床的压缩程度也随之增大，并对滤床中的孔隙分布产生影响，这必将反过来影响到过滤过程，所以本文研究双级高效滤池即“颗粒滤料+纤维滤料”复合工艺，把纤维滤料过滤性能高与颗粒滤料反冲洗效果好的特征相结合，将使过滤技术更加完美。

本文以均质石英砂滤料和彗星滤料进行组合的重力式过滤器进行对低浊度水质的去除效果实验，确定其最佳的运行参数，如滤速、过滤周期、截污量、反洗耗水率等参数，并对实验结果进行讨论。

1 试验概况

1.1 试验装置简介

原水以黄土和自来水进行配水，调节所需的浊度，双级过滤器采用有机玻璃管制成，内径为200mm，高度为2000mm。在试验当中调节滤速范围15～20m/h，使其出水浊度达到0.5NTU以下，同时以出水浊度和水头损失来确定反冲洗，并且以单独的水洗、气洗以及气水的方式结合反进行反洗。图1.0为试验装置流程示意图:

图1.0 试验装置流程示意图

Fig.1.0 Flow-chart of experimental equipment

反冲气是由空压机供给，并且可以控制气量和气压，通过反冲洗，使滤床的滤料冲散，同时把过滤时截留的悬浮物杂质等冲洗出去，从而滤床可以再次进行过滤。

1.2 试验滤料种类及其规格

均质石英砂主要有以下三种，见下表1.1。

试验所用纤维滤料为彗星滤料[2]，滤料的的规格为2.5 mm × 0.7mm×（25～30）mm ，彗核相对密度为1.1g/cm3，滤料所用纤维丝径为20～40um，卷曲数为7～10个/cm。滤料为聚酯纤维，具有良好的耐酸性、耐碱性、耐磨性等优点。

1.3 絮凝剂

在水处理絮凝过程中，使用最多的是聚合氯化铝PAC，聚合氯化铝是一种无机高分子混凝剂，外观是黄褐色，氧化铝含量为29%，由于氢氧根离子的架桥作用和多价阴离子的聚合作用而生产的分子量较大、电荷较高的无机高分子水处理药剂。

在过去人们对其进行了大量的实验，栾兆坤在其试验中证实，PAC在直接过滤条件下投量为常规絮凝剂的1/3～1/2，浊度和色度去除效果较为优越[3] 。

滤前最佳投药量和絮凝反应时间对直接过滤有显著影响。因此，控制絮凝剂的投加剂量对于获得最佳处理效果非常重要。絮凝剂最佳投量应依据反应特性和原水悬浮胶体颗粒特性与浓度进行调整，使混凝后的絮体能够透过较深处滤床，同时又能与带负电的滤料表面发生接触絮凝反应而被截留[4]。

所以在实验中确定一个最佳药量，通过小试验证，本实验采用加药量为2mg/L。

1.4 试验水质

本试验在郴州市第三污水厂进行，以水厂出水为试验的原水，水质如下表1.2

1.5 水质参数测定及其方法

试验所测指标，主要包括TP、TN、COD、氨氮、浊度等，所测量的各指标的方法如下表1.3

1.6 试验流程

首先通过试验进行石英砂滤料种类的对比，选取其中的一种和纤维滤料进行双级组合，同时确定石英砂滤料反冲洗参数的，以便在后续与双级高效滤池性能进行比较。在双级高效滤池当中，两种滤料的滤层高度各为400mm，得到组合最佳运行参数，并且确定反冲洗参数。

2 石英砂过滤对比试验

本步的主要思想是筛选出合适的石英砂滤料和彗星滤料进行组合，在石英砂的对比试验中，在相同的进水水质以及相同的初始滤速下，观察不同种类石英砂的出水浊度的变化，滤速的变化，其中滤速的变化是决定该石英砂和彗星滤料组合的关键因素。石英砂滤层高度均为400mm，并且以15m/h的初始滤速进行对比试验。

2.1 过滤滤速以及出水浊度

试验是在进水浊度为10～15NTU下进行的，出水浊度达到5NTU时，停止过滤，这样在组合时，石英砂主要截留大颗粒的悬浮物，其滤后水通过下层的彗星滤料进一步过滤，从而整个装置可以有效的去除原水浊度。

由图2.1可以看出各组石英砂在初始虑速为15m/h过滤的情况下，滤速随着时间的增加在逐渐的递减，这是由于在过滤过程中，随着悬浮不断地被截留，滤料层中的孔隙率逐渐在降低，从而影响滤速的变化。

同时图中显示，石英砂粒径在0.71～2.0范围内，其过滤滤速的变化缓慢，有开始滤速为15.26m/h降至14.63m/h，而其他两组的滤速变化幅度相对偏大。

图2.1 滤速随时间的变化

Fig.2.1 The relationship between filtration rate changes and filtration time

图2.2 出水浊度随时间的变化

Fig.2.2 The relationship between turbidity of output water and filtration time

2.2 石英砂过滤其他参数的对比

通过本试验，得出气各自的过滤各指标，如下表2.1，由该表可以看出粒径小的石英砂0.63～1.5，在相同的初始过滤下，截污量、产水量均大于其他两组。

2.3 石英砂的反冲洗参数

石英砂反洗水浊度达到1.5NTU时，停止反冲洗，通过下表2.2，可知石英砂的反冲洗历时8 min,反洗水量0.062 m3。

2.3 小结

通过以上所述，石英砂粒径为0.71～2.0在过滤时，滤速变化幅度小，较好的截污量，与彗星在双级组合时有较强的适应性，故选取石英砂粒径为0.71～2.0与彗星滤料进行组合。

3 双级高效滤池试验过滤结果与分析

本试验是在进水浊度为8～14NTU下，进行研究双级高效滤池即石英砂滤池和纤维滤料组合，温度是在16～19℃之间，PH是在7.5左右，分别调节初始滤速为20m/h、18m/h、15m/h进行对比，出水浊度达到0.5NTU时，停止运行，进行反冲洗。通过过滤滤速、周期、截污量等指标，确定最佳过滤滤速。

3.1进水浊度、出水浊度与随时间的变化

由下图3.1、图3.2、图3.3可知，在不同滤速过滤的条件下，三个图中的出水浊度变化大致相同，在起初5分钟内，出水浊度降至0.5NTU以下并且达到稳定状态。

图3.1进出水浊度随时间变化（滤速20）

Fig.3.1 The relationship between raw water turbidity, output water turbidity and time (the rate is 20)

在初始滤速为21.65m/h时，出水浊度在450分钟左右时增到0.5NTU以上，初始滤速为18.26m/h时，出水浊度在540分钟左右时增到0.5NTU以上，初始滤速为15.00m/h时，出水浊度在560分钟左右时增到0.5NTU以上。且各自的浊度去除率均在94%以上，随着过滤的进行，滤料层逐渐被穿透，所以出水浊度会随之增大。

图3.2进出水浊度随时间变化（滤速18）

Fig.3.2 The relationship between raw water turbidity, output water turbidity and time (the rate is 18)

图3.3进出水浊度随时间变化（滤速15）

Fig.3.3 The relationship between raw water turbidity, output water turbidity and time (the rate is 15)

3.2滤速随时间的变化

由下图3.4可知，不同的初始滤速随着过滤的进行在不断的下降，且三条滤速变化曲线下降趋势相似。由于出水浊度控制在0.5 NTU以下，进水浊度低，在滤层截留的悬浮物相对较少，滤层压缩微小，从而导致孔隙率变化微小，故各个滤速变化不十分明显。

图3.4不同初始滤速随时间变化

Fig.3.4 The relationship between filtration rate and time

3.4 水头损失随时间的变化

通过下图3.5、3.6、3.7验证了水头损失随着过滤的进行在逐渐的增大，初始滤速越大，水头损失也随之增大。

图3.5初始滤速为21.65m/h过滤水头损失

Fig.3.5 Varying of head loss while the initial filtration rate is 21.65m/h

图3.6初始滤速为18.26m/h过滤水头损失

Fig.3.6 Varying of head loss while the initial filtration rate is 18.26m/h

图3.7初始滤速为15.00m/h过滤水头损失

Fig.3.7 Varying of head loss while the initial filtration rate is 15.00m/h

图3.8不同初始滤速下的水头损失变化

Fig.3.8 Varying of head loss while the initial filtration rate is different

各个图显示，在双级过滤时，石英砂水头损失与彗星水头损失的曲线变化趋势基本相同。说明两种滤料的损失值与滤速存在着相似的关系运算。

3.5 其他水质指标去除情况

由下表3.2可以看出，在不同滤速过滤的情况下，双级高效滤池对原水的COD去除率大约为35%左右，同时去除率随着过滤滤速的降低而增大。表3.3、表3.4、表3.5分别显示了滤层对其他指标的去除率，其中对总氮的去除效果最差，仅为10%左右，而去除率的变化趋势与表3.2相同。

3.5 小结

在进水浊度为8～14NTU时，出水浊度控制在0.5 NTU之内，通过本节的数据分析，双级高效滤池的最佳滤速为18m/h，过滤周期为9小时，滤速随时间变化小，浊度去除率高达98.7%，其截污量为2.62kg/m3 ,对水质的其他指标，如COD、TP、TN等去除率较低，总水头损失小，仅为35cm。

4 试验反冲洗

在过滤工艺中，反冲洗是滤料再生的关键因素，而且反冲洗的好坏直接影响过滤出水水质、周期以及滤池长期稳定运行[5]。

4.1 反冲洗方式选择

通常的反冲洗方式分为单水反冲洗和气、水联合反冲洗，但是在本实验当中所用 滤料有石英砂和彗星滤料，并且文献显示对于彗星滤的反冲洗采用气、水联合反冲洗[6]。

4.2 反冲洗控制参数

对于双级高效滤池，本试验采用气、水反联合反冲洗进行试验，试验反冲洗结果如下表4.1。

整个反冲洗分为四步即第一步单水洗，由于过滤后彗星滤料压实，反冲水将滤床托起。第二步，空气单独反冲洗，由于彗星滤料的彗核与彗尾存在密度差，在气体冲洗下彗星滤料受到甩拽力，从而使截留在彗星滤料上的颗粒物质脱落下来。第三步，气水混合反冲洗。第四步，单独用水反冲洗，进行表面扫洗。

4.3反冲洗注意事项

（1）由于双级高效滤池的上层滤料是均质石英砂，所以在反冲洗时，反洗气强度不易超过70 L/(s・m2)，否则均质石英砂滤料流失量大，并且带有层托层混入均质滤料。

（2）在反冲洗是反冲水的强度不易超过25 L/(s・m2)，否则同样会出现石英砂滤料的流失。

5 滤池性能对比

5.1 双级高效滤池过滤效果与单独的石英砂滤池效果的对比

通过本试验石英砂反冲洗表2.2与彗星滤料反冲洗表4.1进行各指标比较，所得综合表如下表5.1，石英砂滤池的滤层高度是双级滤池滤层的一半，但控制其出水浊度为5NTU以下，其过滤周期远小于双级滤池的过滤周期，同时双及滤池的截污量远大于石英砂滤池的截污量。因为双级滤池中的彗星滤料反冲洗耗水量较大，双级滤池的反冲洗耗水量大于石英砂的反冲洗耗水量。

5.2 双级高效滤池过滤效果与单独彗星滤池效果的对比

表5.2双级高效滤池过滤效果与单独的彗星滤池性能对比

Table 5.2 The comparison of performance between double beds filter and comet filter

过滤类型 重力式过滤 重力式过滤

表5.2为双级高效滤池过滤效果与单独的彗星滤池各指标列表，单独彗星滤料数据引自文献[6]。

两种滤池的过滤类型相同，进出水浊度要求不同，所以两滤池的截污量、过滤周期不宜对比，但通过上表可以得出双级高效滤池的反冲洗耗水量小于彗星滤料滤池的耗水量。

6 结论

（1）在多种均质石英砂滤料种类，由于粒径较大的石英砂在过滤时，滤速的变化幅度较小，且有良好的反冲洗效果，所以本试验选取粒径为0.71～2.0mm与彗星滤料进行组合。

（2）在原水浊度为8～14NTU时，双级高效

滤池的处理的最佳滤速为18m/h，对浊度的去除率高，截污量为2.62 kg/m3 ，过滤周期9h，但对其它指标去除效果一般。

（3）双级高效滤池与单独的均质石英砂滤料进行性能比较，通过以上分析可得双级滤池具有滤速高，截污量大等优点。

（4）双级高效滤池与彗星滤料滤料进行比较，双级滤池的反冲洗好，反洗用水量少，截污量相差不大。

参考文献：

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