于忠臣,李转,牛源麟,钟柳波,周 颖,张嵘元,孙 聪(1.黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室,黑龙江 大庆 163318;.东北石油大学,黑龙江 大庆 163318)
颗粒滤料反冲洗技术现状与应用进展
于忠臣1,2,李转2,牛源麟2,钟柳波2,周 颖2,张嵘元2,孙 聪2
(1.黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室,黑龙江 大庆 163318;2.东北石油大学,黑龙江 大庆 163318)
摘要:过滤是水处理的常用手段之一,反冲洗是保证滤料过滤性能的重要手段。重点介绍了颗粒滤料反冲洗技术的工作原理及特点,反冲洗方式、工艺优化及工艺理论研究进展及应用现状,并分析了颗粒滤料反冲洗技术的发展趋势。
关键词:过滤;颗粒滤料;反冲洗
过滤是水处理常用手段之一,目前我国 90%以上的自来水厂采用混凝-沉淀-过滤-消毒的常规处理工艺[1],过滤效果的好坏直接影响悬浮固体、有机物、浊度、细菌、病毒等的去除以及出水水质[2],因此保持滤料稳定的过滤性能至关重要。快滤池一般以颗粒状材料作为滤料,当滤池运行一段时间后,滤料表面及间隙逐渐被污染物所饱和,悬浮物去除率开始下降,水头损失不断增大。在水头损失增大至滤池所允许最大值的过程中,处理水中的悬浮物质会穿透滤池,导致滤后水质不断下降,最终使滤池停运。因此需定期对滤料进行反冲洗,去除滤料表面及间隙的污染物,以恢复滤料对杂质的截留能力,使滤料得以再生,从而保持滤料稳定的过滤性能。
反冲洗是一种为恢复滤料正常过滤性能所采用的反向冲洗滤层的方法。它是利用反向(由下而上)通过滤层的清洁水或空气的剪切作用实现污染物与滤料颗粒的分离[3]。反冲洗效果的好坏直接影响过滤的能力,如果滤池冲洗效果不佳,就会缩短过滤周期,甚至使得出水水质变差。
1.1工作原理
国内外对于反冲洗机理的认识并不完全一致,以T.Camp为代表的学者提出滤料反冲洗洁净的原因主要是剪切力,Amirtharajah等支持这一观点,并推导出水力剪切力强度和水头损失的关系;藤田等认为颗粒间的碰撞力在滤料清洁中起主导作用,并根据颗粒碰撞次数最多的条件,推导出最佳反冲洗方程式。李圭白院士从水流剪切理论和碰撞理论出发,提出了反冲洗高效区的概念,认为使污染物从滤料表面脱落的原因,是水流剪切力和滤料颗粒之间碰撞摩擦共同作用的结果[4]。
根据剪切理论,水流剪切力可用下式表示[5]:
式(1)中 µ代表粘滞系数,与温度有关;G是速度梯度,s-1。
根据颗粒碰撞摩擦理论,颗粒群的碰撞次数可用下式表示[5]:
式(2)中,N是单位时间单位体积内颗粒的碰撞次数,m-3·s-1;n是单位体积内的颗粒数,m-3;D是颗粒直径,m;G是速度梯度,s-1。
由上述理论可知,在反冲洗过程中,无论是剪切力还是碰撞摩擦都是水的速度梯度G值产生的,增大G值可有效提高滤料的清洁效率。高速水反冲洗实际产生的G值一般并不高,通常砂粒G值为300~400 s-1,煤粒为150~300 s-1,是一种弱冲洗方式[6]。气水反冲洗时,G值能有效提高到500 s-1以上,G值的增加不仅对滤料产生较强剪切作用,而且受气泡的振动及卷带作用,滤料颗粒的碰撞率大大增加,充分发挥了碰撞摩擦作用。
1.2特点
流体绕过物体流动时,边界层从物体表面上分离可形成尾迹流[7]。由于尾迹内压力低于周围压力,反冲洗时颗粒滤料在流体尾迹处,特别是气泡尾迹处强烈翻滚,并随尾迹的上升与周围颗粒不断进行交换。尾迹上升后留下的空隙由水填补,并将部分颗粒滤料带入空隙,当下一个尾迹过后,周围的水和滤料又会填补空隙,如此周围滤料可产生振动,滤层搅拌剧烈,上升滤料可实现循环运动。当增加空气反冲洗时,整个滤层内有滤料的循环移动,如此滤料受到比较彻底的清洗。因而气水同时冲洗效果远比单独水洗效果更好,应用范围更加广泛。
2.1反冲洗方式研究及进展
早期人们认为滤料表面的有机膜是有效过滤的关键[8],因此仅用水对滤料颗粒进行轻微清洗。美国用机械搅拌辅助砂子与杂质的分离,但由于水速低且冲洗强度弱,冲洗效果并不理想。美国辛辛那提的水厂在实验研究中采用反冲洗强度为 10~16 L/(s·m2)的“高速冲洗法”,整个滤层在较高的反冲洗强度下处于悬浮状态,流化的滤料更容易得到清洁。由于构造简单、运行管理方便、冲洗效果明显,在美国及日本等国长期得到广泛的应用,但滤料膨胀后的表观体积需要增加至少15%[9]。高速水流引起的滤层膨胀易造成水流涡动作用,滤池的冲洗效果不佳,且滤料易随高速水流流失,不利于滤池长期运行,因此在后来的应用中常辅以表面冲洗。
19世纪末英国学者率先采用空气和水相结合的反冲洗方式,之后几年哈佛大学通过实验证明,空气冲洗可有效打碎滤层表面的泥块或泥浆。由于配气设施不过关等原因,气水反冲洗技术的推广应用受到限制,直至长柄滤头的发明以及粗粒、均匀粒径的深床滤池的兴起,气水反冲洗技术才普遍流行起来。Amirtharajah认为当气流和亚流状态的水同时产生[10,11]的时刻是气水反冲洗最佳状态,称之为“脉冲塌陷”时刻。英、法等国家大力开展了气水反冲洗工艺设计方面的更新与完善工作。如法国德格雷蒙(Degremont)公司设计的V型滤池,采用单一均匀滤料,应用两极PLC可编程逻辑控制器实现了过滤-冲洗的自动化,气水反冲洗与表面扫洗相结合。我国上世纪30年代引进气水反冲洗技术,直至80年代,沈阳八水厂、西安曲江水厂、重庆和尚山水厂引进V型滤池,气水反冲洗技术才得到广泛的应用[12]。目前国内新建的水厂,基本都是采用气水反冲洗方式。
2.2工艺优化研究及进展
随着经济的高速发展,水源生态问题越来越突出,水处理面临严峻的挑战。化学合成物的广泛使用使水中污染物种类及数量迅速增加,降解周期延长,颗粒滤料再生难度加大,如何优化工艺提高反冲洗效率及效能备受关注。
国外经多年发展已经形成相对成熟的工艺技术,对滤料反冲洗工艺的优化进行了大量研究。Cranston研究发现,反冲洗时将金属聚合物絮凝剂以一定比例直接加到反冲洗水中能有效降低反冲洗浊度[13]。但滤池下部管道形成的絮体则会进入到配水系统,导致水质参数改变必然导致絮凝剂用量的改变,因而实验方案将在反复变化基础上来确定最优的剂量。Singh等[14]将反冲洗水回流,优化了反冲洗效果,原水的明矾投加量相应减少,当无化学成分的反冲洗水增加到原水中时,用来去除氨的氯量就减少。
国内在工艺优化方面,较多是针对具体问题进行改造,目前国内老水厂对单独水反冲洗进行技术改造,改变为气水反冲洗。陶辉等[15]提出减少无效反冲洗的措施,并在试验中取得较好的效果。自动化是近年来研究的重点,集成度较高的 DCS、PLC自动控制技术早就被应用于水污染治理[16]。如秦皇岛水厂二期工程引进V型滤池工艺,并采用自动控制形式,达到优化工艺、节水节能的目的[17]。
2.3工艺理论研究及进展
反冲洗技术发展至今已有数百年历史,因其举足轻重的地位,有关该工艺的分析研究一直是专家学者探究的重点。反冲洗技术发展初期,由于资源及先进设备的缺乏,有关反冲洗的分析局限于定性分析和实践经验的积累,定量分析和数学模型的研究尚属空白。
上世纪70、80年代,Camp、Stein、藤田等就反冲洗的主导作用力展开讨论研究,藤田建立了剪切理论与碰撞理论并推导了相关公式。Amirtharajah[18]推导建立了有关“脉冲塌陷”时刻反冲洗的公式,并得出发生“脉冲塌陷”时的 V/Vmf值处在0.25~0.50内。Lee[19]通过计算反冲洗的水头损失及 SS去除率等来评估反冲洗效果,最终得出反冲洗效率主要取决于空气强度,空气强度和反冲洗顺序是决定反冲洗效果的关键因素。
我国许多学者在反冲洗的定量分析方面进行了大量研究,朱月海等[20]在气水反冲洗均质过滤工艺试验研究的基础上,将敏茨和Camp的流态理论运用于均质滤床的流态分析,并提出较全面而实用的评价指标。安鼎年等[21,22]通过定量分析气水反冲洗过程中的剪切力作用和碰撞摩擦作用,阐明气水反冲洗作用机理,同时分析了空气在滤层中的运动状态,推出了一般深层过滤高效率反洗速度的数学模式,并建立空气冲洗数学模型且在实践中得到验证。
1975年,第一台连续式砂滤器的诞生[23]。连续式砂滤器通过气提使污砂在提砂管的提升过程中经过不断摩擦和撞击,与污物得到很好的分离,反冲洗不涉及周期性问题。连续式砂滤器作为一种新型水处理设备,因其具有显著的优点和卓越的过滤性能受到了越来越多的关注,反冲洗的连续流场成为众多学者研究的焦点。近年来,水力旋流器作为一种快速机械分离设备迅速发展起来的,因其具有结构简单、分离效率高、操作维护方便等突出的优点而应用广泛[24],利用旋流器的旋流场与滤料重力场结合的分析方法日益兴起。
随着能源问题的日益突出,节能减耗要求不断提高,反冲洗技术处理水量逐渐增加,滤料再生效率将会大幅度提高。化学化工行业的发展使利用化学变量如熵变、焓变等分析反冲洗成为可能,高新技术的不断更新将促使反冲洗技术的自动化及智能化范围不断扩大。
颗粒滤料反冲洗因其特点和重要性而具有鲜明的技术特色,经过多年的相关研究,目前颗粒滤料的反冲洗技术已经比较成熟,并取得了一定的研究成果。随着各行各业的飞速发展,颗粒滤料反冲洗在水净化及污废水处理中必将有着广阔的发展前景。
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Present Status and Application Progress of Backwash Technology for Particulate Filter
YU Zhong-chen1,2,LI Zhuan2,NIU Yuan-lin2,ZHONG Liu-bo2,ZHOU Ying2,ZHANG Rong-yuan2,SUN Cong2
(1.Heilongjiang Key Laboratory of Disaster Prevention,Mitigation and Protection Engineering,Heilongjiang Daqing 163318,China;2.Northeast Petroleum University,Heilongjiang Daqing 163318,China)
Abstract:The filtration is one of the common means of water treatment;backwashing is an important mean to ensure the media filter performance.In this article,working principle and characteristics of backwash technology for particulate filter were introduced,the present status and application of backwashing method were discussed as well as process optimization and process theory,development trend of the backwash technology for particulate filter was also analyzed.
Key words:Filtration;Particulate filter;Backwashing
中图分类号:X703.1
文献标识码:A
文章编号:1671-0460(2016)01-0078-03
基金项目:黑龙江省科技厅应用技术研究与开发计划项目(GC13C305)、黑龙江省自然科学基金项目(B2015012)、黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541062)、黑龙江省高校科技成果产业化前期研发培育项目(1254CGZH12)、东北石油大学培育基金项目(XN2014108)、中石油化学工业联合会科技指导计划项目(2014-01-07)、大庆油田公司现场科学试验项目(QR/A0/7-12-03)。
收稿日期:2015-06-24
作者简介:于忠臣(1975-),男,黑龙江大庆人,副教授,硕士,2004年毕业于哈尔滨工业大学市政工程专业,研究方向:从事有机废水高级氧化技术、新型油水分离理论与技术研究及教学工作。Tel:0459-6503117,E-mail:yuzi7777@163.com。