滤料级配对双层滤料滤池过滤效果的影响

杨 一,王 群,翟学东,马 军,韩帮军,韩雅红,何文杰,韩宏大

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨150090;2.城市水资源开发利用(北方)国家工程研究中心,哈尔滨150090;3.天津自来水(集团)有限公司,天津300040)

过滤工艺是水处理中的关键工艺,它直接关系到了出厂水的水质问题[1].其影响因素较多,所以,如何选择合适的工艺参数,从而更好的提高过滤性能,将成为我们研究的关键.

据国内外很多研究学者报道,L/d被认为对过滤出水水质影响较大的因素之一.Kawamura得出如下数字表达式[2-3]:

其中:S为滤料表面积;ε为滤层孔隙率;L为滤层厚度;Ψ为滤料球形度;d为滤料粒径.

由上式可知:L/d越大,滤料表面积越大,从而对悬浮颗粒的截流作用越强,出水水质越好,如果L/d过低会影响出水水质.但要使L/d增大,一是增加滤料高度,一是减小滤料的粒径,这样不但会增加工程造价,而且会增加滤池的反冲洗难度.据报道,要想达到较好的水质L/d至少要大于等于1 000[4-7].所以选择合适的L/d是至关重要的.在试验过程中,通过调节滤料的dmin、d10、k60及滤层的厚度来研究滤池出水变化规律.

1 试验材料与方法

1.1 试验装置及材料

滤前水为国家863重大项目“北方地区安全饮用水保障技术(天津)”中试的气浮出水.投加的混凝剂为FeCl3,HCA作为助凝剂.滤速为9 m/h,以下均采用变水头等速过滤.

过滤装置采用透明有机玻璃制作,滤柱直径为90 mm,高3 m.每个滤柱配有7根测压管.

1、2滤柱L/d均为1 300,1柱无烟煤与2柱相同,高350mm,d10=1.27,K60=1.3;1柱石英砂高550mm,d10=0.537,K60=1.3;2柱石英砂高750 mm,d10=0.732,K60=1.3.

1.2 测定方法

试验的进水浊度在(1.6±0.8)ntu,投加的预氧化剂为液氯,投药量为0.6 mg/L,所测数据主要有滤后水浊度、滤层水头损失、残渣等.水的浊度用浊度仪测定;水头损失用测压管测定;不可滤残渣采用《水和废水监测分析方法》中相应的不可滤残渣测定方法测定;水中藻类采用《水和废水监测分析方法》中相应的藻类测定方法测定.

2 试验结果与讨论

滤层滤料的粒径d对滤池的过滤性能影响很大,在同样的滤层厚度下,滤料粒径d越大,杂质颗粒越易穿透滤层,但由于表面截留杂质效果较好,可能造成过滤周期的缩短;同样加大滤层厚度同样可以改善过滤效果.但由于其它因素的影响,在相同的L/d的情况下,通过同时增加或减小L和d,试验结果也可能不同.所以,本试验在相同的L/d的条件下,考察了不同的滤料粒径及高度对滤池过滤性能的影响,同时考察增大粒径的负面影响是否可以通过增加滤料的高度得以消除.

2.1 不同级配对滤柱水头损失的影响

由图1、2中可以看出,在无烟煤相同的前提下,由于1柱石英砂的粒径较小,虽然石英砂的填充高度小于2柱,但是它的水头损失一直大于2柱的水头损失,并且1柱的水头损失增加比2柱略微快一些.投加预氧化药剂后,滤柱的水头损失增加的明显变缓.

在未投加预氧化时,1柱的出水浊度明显小于2柱;在投加预氧化后,在过滤初期4 h内,1柱出水浊度好于2柱,在运行过程中的中后期,1、2柱的出水浊度相差不多.

从图3、4中可以看出,在运行的后期,1、2柱出水浊度相差不多,可能是由于在滤柱运行到后期时,由于1中的石英砂滤层较小,含污能力较差,部分浊质已经穿透滤层,从而抵消了由于粒径较小而对过滤效果产生的正面影响.

图3 不同级配对滤柱出水浊度的影响(未加预氧化药剂)

图4 不同级配对滤柱出水浊度的影响(投加预氧化药剂)

膜滤后水的浊度可以体现出能通过0.45μm膜的物质所引起的浊度,这部分物质尺寸较小且有很多是水中溶解性物质,这部分物质理论上说很难被过滤去除,1柱投加预氧化后,膜滤后水的浊度明显低于2柱,并且好于未投加预氧化药剂的情况,如图5所示.产生以上现象的原因可能是预氧化提高了这部分物质在滤料表面的吸附性能,这部分将很值得研究.

图5 不同级配对膜滤后水浊度的影响

2.3 不同级配对滤池出水不可滤残渣的影响

不可滤残渣可以反映出水中粒径大于0.45 μm的非溶解的颗粒或有机物的多少,它可以从侧面体现出滤池对这部分物质的去处效果.从图5中可以看出,1柱滤后出水的不可滤残渣明显少于2柱,进一步试验得出,无论是否投加预氧化药剂,1柱对杂质截留效果明显好于2柱,如图6所示.

2.4 不同级配对滤池出水藻类的影响

原水中藻类较多,经过气浮等前处理后,水中藻类大幅度降低,再经过滤柱后,藻类进一步降低,1柱出水藻类明显少于2柱,对藻类的去处较为明显,如图7所示.

3 结 论

1)在相同的L/d时,1柱(无烟煤高350 mm,d10=1.27;石英砂高550 mm,d10=0.537,K60=1.3)过滤效果好于2柱(无烟煤高350 mm,d10=1.27;石英砂高750mm,d10=0.732,K60=1.3),即粒径越小,滤池出水浊度、不可滤残渣以及藻类含量越少,处理效果越好,此时,高度对滤池的出水水质影响相对较小.得出上述现象的原因可能是由于:滤料表面积不仅受L/d的影响,而且还受滤层孔隙率 ε和滤料球形度 Ψ的影响,虽然两个滤柱的L/d都为1 300,通过同时增大或减小L和d但保持L/d不变的情况下,滤层孔隙率 ε对过滤效果的影响开始显现,由于1柱的粒径较小,孔隙率较小,滤料表面积较大,所以过滤效果较好.

2)预氧化可以明显改善过滤效果.

3)虽然在相同的L/d时,粒径越小的滤柱过滤效果较好,但是水头损失增加较快,并且在滤柱运行的后期,受粒径影响较小,出水效果相差不多.产生上述可能是由于在滤柱运行到后期时,由于1柱中的石英砂滤层较小,含污能力较差,部分浊质已经穿透滤层,从而抵消了由于粒径较小而对过滤效果产生的正面影响.

4)在实际应用中,在相同的L/d情况下,滤层高度L的增加会使滤池加深,使工程造价提高,滤池出水效果降低;然而滤层高度L降低、粒径减小会使反冲洗周期缩短,增加运行成本及强度.所以,在设计双层滤料滤池时,应从工程和经济角度同时出发,并结合滤前水质特点,优化出一个最佳L/d值.

[1]栾兆坤,李桂平,王曙光.微絮凝—直接过滤及工艺参数研究[J].中国给水排水,2002,18(4):14-18.

[2]KAWAMURA S.Design and operation of high-rate filters ParⅠ[J].AWWA,1975,77(10):77-90.

[3]张莉平,黄廷林,李玉仙.强化过滤给水处理技术[J].陕西师范大学学报:自然科学版,2006,33:69-71.

[4]KAWAMURA S.Design and operation of high-rate filters[J].AWWA,1999,91(12):77-90.

[5]余 健,何元春,曾光明,等.影响常规过滤因素的实验研究[J].湖南大学学报:自然科学版,2002,29(3):108-113.

[6]李荣光,韩宏大,李玉仙,等.过滤影响因素的试验研究[J].供水技术,2007,1(3):14-17.

[7]吕宏德,边喜龙.曝气生物滤池处理城市污水的试验研究[J].哈尔滨商业大学学报:自然科学版,2009,25(4):411-414.