內循環連續式砂濾器的微絮凝過濾試驗
陳志強1， 呂炳南1， 溫沁雪1， 馮令艷1， 李武2
( 1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱15 0090；2.深華房地產開發有限公司，廣東深圳518002 )
摘 要： 所開發的內循環連續式砂濾器利用微絮凝過濾技術，采用體內循環洗砂系統進行連續過濾、反沖洗。對影響內循環連續式過濾器效率的工作參數進行了研究，同時就濾前水處理情況對出水水質的影響進行了試驗，為該裝置的應用創造了條件。
關鍵詞： 內循環連續式砂濾器； 微絮凝； 工作參數； 濾前水處理
中圖分類號：TU991.24
文獻標識碼：C
文章編號：1000-4602(2002)01-0045-05
連續式砂濾器是近年來國外研制成功的一種新型一體化水處理設備，它省略了常規凈水工藝中的反應、沉淀工段，在裝置中完成絮凝、過濾和反沖洗過程，使得在濾床中直接進行凝聚和分離成為可能。由于幾乎所有的化學處理步驟都直接在濾床中進行，因此連續式砂濾器在設備體積上比傳統的化學處理節省80%以上，加藥量則節省了20%～30%［1］。正是基于以上的優點，連續式砂濾器得到廣泛的開發應用，目前美國、日本已經有1 000多套連續 式砂濾器應用于中、小型水廠［1］。
經多年研究，筆者也開發出一套內循環連續式一體化凈水設備(專利號：01250908.6)，并在了解連續式砂濾器工作機理的基礎上，探討了濾池工作參數對其處理效果的影響，就濾 料粒徑、濾速、濾層厚度、壓縮空氣量、空氣壓力、砂循環速率、攪拌強度、反應時間等對出水水質的影響進行了定量分析，得到一系列運行參數，為該設備的應用創造了條件。
1 試驗流程及裝置
1.1 試驗流程
試驗流程見圖1。
1.2 砂濾器的構造及工作原理
試驗設備直徑為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。砂濾器的構造見圖2。
過濾過程：經投加混凝劑的原水由進水管(A)進入布水器裝置(B)。在水流從布水支管的孔口流出后由下而上通過濾層(C)的過程中，原水中的懸浮物被濾料截流下來，濾后上升到集水 槽(D)，經出水管(E)進入貯水池。
反沖洗過程：壓縮空氣(O)通入砂濾器中部的提砂管(F)，帶動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，砂粒則隨水流進入“錯環式”洗砂器(H)。在過濾出水與反沖洗出水水位差的作用下，提砂管內的氣提水和洗砂器內的沖洗水一同排出濾池。在重力作用下洗凈的濾料經布砂罩(L)循環落回到濾層。
2 影響因素分析
由于PAC具有強烈的電中和脫穩能力及快速的絮凝反應動力學及結團絮凝反應特征，在直接過濾中作為單一的混凝劑對于處理低濁水和中低濁度水中的有機物是有效的，因此試驗中采 用PAC做絮凝劑。
2.1 濾池工作參數的影響
① 濾料粒徑
選用0.7～1.0 mm的細砂、1.0～1.25 mm的中砂和1.25～1.5 mm的粗砂進行對比試驗，運行4h后測定出水水質，試驗結果見表1。
從表1可以看出，采用0.7～1.0 mm的細砂時出水水質較好。對0.3～0.5 mm的細砂也進行了試驗，由于設備運行過程中提砂量過大，導致洗砂管堵塞，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，出水水質惡化，濾層清洗不充分，連續運行被破壞，故試驗中均采用0.7～1.0 mm的砂濾料。
② 濾層厚度
試驗的濾層厚度分別為0.5、0.7、1.0 m，設備連續運行4 h后測定出水濁度，結果見圖3、4。
試驗以f/f0表示濁度殘余率，其中圖3的試驗條件為：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，內循環連續式砂濾器的工作區域主要在濾層的下部(可看作過濾工作層)，上層基本上未參與過濾。對于低溫水，由于粘度大、微絮體與濾料結合力弱等原因，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，當水溫為16.5 ℃時過濾工 作層為30 cm。由于連續式砂濾器不存在過濾吸附層上移的問題，濾層保持穩定的狀態，故可采用淺層濾層，其厚度略大于過濾工作層即可。
③ 濾速
不同濾速對出水水質的影響見表2。
由表2可以看出，隨著濾速的增加過濾效果略有降低。這是因為：濾速大時上升水流對底層濾料作用力大，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，導致過濾效果降低。而當投藥量增大到25 mg/L時出水水質改善很多，由此可見內循環連續式砂濾器適用于較高濾速運行，但提高濾速的同時一定要增大投藥量，以保證懸浮物在有效過濾工作層內被吸附截留。濾速提高時，如果不增大投藥量會造成過濾工作層的延伸，而砂層得不到有效清洗會形成不清潔濾層，破壞連續式過濾狀態，使出水水質惡化，建議內循環連續式砂濾器的濾速以小于12 m/h為宜。
④ 壓縮空氣氣壓、氣量
壓縮空氣的氣壓、氣量對出水水質的影響是在運行2 h后測定的。試驗條件為：濁度=25 NTU，水溫=7.5 ℃，投藥量=25 mg/L，砂循環速率=3 mm/min，水位差=1.4 cm，進水量=750 L/ h，濾層=0.7 m，結果見表3。
從表3可以看出：
a.提砂管內氣水比為9～11時，設備穩定運行，濾料得到有效的清洗，反沖洗水量合理，處理出水水質較好。
b.提砂管內氣水比＜9～11時，提砂管的水量較大，設備運行前幾個小時出水水質較好，經過一個濾層反洗周期后，出水水質惡化，砂層的水頭損失逐漸增大，說明過濾吸附層沒有 得到有效的沖洗。這是因為提砂量較小、含污層清洗不完全，造成濾層逐漸被含污砂層代替。隨著過濾的進行，最終濾層的過濾吸附作用被破壞，出水水質很差。
c.提砂管內氣水比＞9～11時，提砂管內的水量較小，提升的砂料較多，濾料在提砂管內清洗效果差。當砂粒落入錯環式洗砂器后，大量擁擠在洗砂器內，洗砂器內的阻力增大，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，出水水質惡化。
⑤ 砂循環速率
砂循環速率WZ指石英砂濾料在過濾器內單位時間的下移距離(mm/min)。由于連續式砂濾器沒有過濾周期，因此有效地對濾料進行清洗，保持濾層的穩定工作狀態至關重要。連續式砂濾器的濾料清洗速度由中心提砂管的提砂速度決定。
砂循環速率對出水水質的影響(試驗水溫=7.5 ℃，投藥量=25 mg/L，氣壓=0.4 MPa，水位差=1.4 cm，進水量=600 L/h，濾層=0.7 m)見圖5。
從圖5可以看出：
a.砂循環速率在2～4 mm/min時過濾出水水質穩定。
b.砂循環速率＜2 mm/min時出水水質稍差，這是因為砂循環速率小于過濾吸附層的上移速度時含污濾層得不到有效清洗，濾層水頭損失不斷變大，穩定的連續過濾被破壞。
c.砂循環速率＞4 mm/min時濾后水的水質下降、除濁效率低。砂循環速率高時，臟砂擁擠于洗砂器內，濾料的反洗效果差。同時由于臟砂的擁擠造成阻力增大，阻止沖洗水及時排出，使濾后水和沖洗水混合，降低了過濾效率。
2.2 濾前水處理情況的影響
由于內循環連續式砂濾器省略了沉淀處理單元，同時反應單元的反應時間大大減少，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，濾前水的混合強度和反應條件的控制更為重要。
① 攪拌強度
攪拌強度對出水水質的影響
(濁度=33 NTU，水溫=17.5 ℃，PAC=25 mg/L，氣壓=0.4 MPa，氣量=0.40m3/h，進水量=600 L/h，濾層=0.7 m,ΔW=1.4 mm，反應時間=2 min)見圖6。當GT在5 000～10 000時混合效果較好。攪拌強度過低，藥劑分散不均勻，出水水質不好；攪拌強度過大則形成的微絮體過小、穿透濾層太深，使提砂速率小于含污層的上移速率，出水水質惡化。
② 反應時間
進水濁度低時濾前反應時間對出水水質的影響(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，進水濁度=16 NTU，混合時間=1 min,濾層L=0.7 m)見圖7。
進水濁度高時濾前反應時間對出水水質的影響(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，進水濁度=200 NTU，混合時間=1 min，濾層L=0.7 m)見圖8。
從圖7、8可以看出，對于低濁水，只要有3 min的微絮凝池反應時間就可以得到較好的出水水質；當處理高濁水時，在較短反應時間形成的絮凝體不能在連續式砂濾器的有效過濾層截留，長時間運行后穩定的連續式過濾過程被破壞而使出水水質惡化，因此必須保證有6～7 min的反應時間。
3 濾料清洗程度判定
連續式砂濾器能夠穩定運行，關鍵在于對提升濾料進行徹底、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有以下兩個：①濾池表面出水水質穩定并與清水區水質一致；②若是清洗干凈的濾料連續落入濾層，濾層上部就能保持穩定的水頭損失，因此可以通過測定上層的水頭損失是否穩定來確定砂粒清潔與否。在試驗中對不同位置的水頭進行了測定，h2表示原水過濾時的水頭損失，h1表示清水過濾時的水 頭損失，試驗結果見圖9。
從圖9可以看出，設備在穩定運行時能夠保持一定的水頭損失。h2-h1曲線表明，過濾水頭主要損失在消能板上30cm濾層內，而上層40 cm的濾層水頭損失基本沒有增加，說明系統穩定運行時濾料清洗得比較干凈，可以保證連續穩定地進行過濾。
4 結論
對影響內循環連續式過濾器工作效率的濾池工作參數進行了試驗，提出設備運行的關鍵工作參數：濾料粒徑為0.7～1.0 mm、濾層厚度為0.6 m、濾速＜12 m/h、提砂管內氣水比為9～1 1、砂循環速率為2～4 mm/min；同時對濾前工作條件進行了研究，認為濾前的GT值應保證在5 000～10 000；進水濁度低時濾前微絮凝反應時間≥3 min，進水濁度較高時濾前微絮凝時間≥7 min。
參考文獻：
［1］Kramer J P，Wouters J P.Dynasand filtration for drinking-water production［J］. J Water SRT-Aqua,1993,(2)：97-104.
電 話：(0451)2339667
E-mail:czq0521@0451.com
收稿日期：2001-09-08
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