滴滤式砂滤池水力特性初步研究

李训猛,潘 昀,桂福坤

(浙江海洋大学,国家海洋设施养殖工程技术研究中心,浙江舟山316022)

滴滤式砂滤池水力特性初步研究

李训猛,潘 昀,桂福坤

(浙江海洋大学,国家海洋设施养殖工程技术研究中心,浙江舟山316022)

为增强砂滤池过滤性能,探究散水滴滤式砂滤池水力特性,掌握其过水规律,以石英砂为滤池填充滤料,通过物理模型试验,研究饱和砂层散水滴滤模式下滤料粒径、滤层厚度对砂滤池过水流量的影响,建立了关系曲线及函数表达式。结果显示:滤层厚度为0～4 cm时,砂滤池中出水量约由100 cm3/s增加到600 cm3/s;砂滤池过水流量与滤层厚度呈单调递增关系,滤料粒径越大,流量增长越快;砂滤池过水流量与滤料粒径呈二次函数递增关系;滤层厚度大于40 cm,以粒径为5～6mm石英砂作为滤料的砂滤池,过水流量约稳定在410～420 cm3/s;以粒径为7～8 mm石英砂作为滤料的砂滤池,过水流量稳定在640～650 cm3/s;粒径为1～2mm与粒径为3～4mm对应的流量曲线较为接近,且均随滤层厚度递增。在滤层厚度恒定条件下,增大石英砂粒径,滤池中的过水流量也逐渐增加,且不同滤层厚度对应的流量曲线平行递增。试验得出的砂滤池过水流量与滤料粒径、滤层厚度的拟合曲线可为砂滤池的设计、建造及滤料选择提供理论参考。

砂滤池;散水滴滤;过水流量;水力特性

水体净化是工厂化水产养殖的主要技术之一。目前常用的水体净化方法有物理方法、化学方法和生物方法[1-4]。水体净化装置有池塘清淤机、水质净化杀菌装置、过滤机和砂滤池[5]。其中的砂滤池具有投资少、效率高、操作简单的优点[6-8],且能提供大容量的缓冲空间,始终保持循环水的稳定性[9]。

砂滤池是以石英砂为填充滤料,水体在重力作用下透过滤层,利用滤料的截污作用将水中悬浮颗粒截留,从而达到净化水体的效果[10]。此外,石英砂有较大的比表面积,可适应硝化细菌和亚硝化细菌的生长和繁殖,有利于净化水质[11]。水处理过程中,砂滤池结构形式多种多样,以石英砂作填充滤料的普通快滤池使用年代最久,应用范围最广。

国内已有关于石英砂砂滤池的散水滴滤研究[12-13],但对养殖砂滤池水力特性的研究尚未形成系统理论。本研究以石英砂砂滤池为研究对象,探究滤料粒径、滤层厚度对过滤流量的影响,以期为设计养殖砂滤池提供理论基础。

1 材料与装置

1.1 试验材料

均质石英砂粒径大小均匀,可减小滤层表面堵塞的负面影响,从而使整体滤料共同承担截污作用。将传统滤料替换为均粒石英砂,产水量可提高5%[11]。

本试验选用巩义均质石英砂,经清水洗涤,去除砂砾表面的粘附性杂质,筛网筛滤,按粒径大小共分4组,依次为1～2 mm(1号)、3～4 mm(2号)、5～6 mm(3号)和7～8 mm(4号)。筛网网目2、4、8、12、16、20和24对应的粒径分别是8.0、4.8、2.4、1.4、1.0、0.8和0.7 mm。

1.2 石英砂当量粒径

石英砂的当量粒径计算公式[14]:

式中:D—石英砂当量粒径,mm;di—通过两个相邻筛孔的石英砂的几何平均粒径,mm;d1、d2—分别为相邻两个筛孔的标称孔径,mm;Xi—石英砂粒径介于d1、d2间的石英砂量占总量的百分比,%。

经计算得出本试验所用4组石英砂当量粒径分别为 1.41 mm(1号)、3.46 mm(2号)、5.48 mm(3号)和7.48 mm(4号)。

1.3 试验装置

试验在浙江海洋大学国家海洋设施养殖工程技术研究中心的砂滤池中进行。砂滤池长1.45 m、宽0.82 m、高2.12 m,具有抽水、排水、计时、数据采集等配套装置(图1)。

图1 砂滤池结构图Fig.1 Structure of sand filter

砂滤池由A、B、C三个水槽组成,其中,A槽装有调节阀流量槽,可控制滴淋管的流量恒定;B槽作为试验槽放置石英砂,散水滴滤;C槽作为储水槽,用于测定不同时刻水位高度,并换算为过水流量。在B槽下方安置钢板承托层,用于支撑上部的石英砂。承托层上铺设200目网片,底部设有球阀。常用的滤网网目可以过滤掉36%～67%的悬浮物。网目越小,其过滤效果越好[15-16]。

本试验中,滤槽下方使用200目的网膜,而试验测得的流量中也包含了滤膜的效果。

1.4 试验工况

试验分别测定1～4号石英砂在滤层厚度为10、20、30、40和50 cm时的流量大小。记录C槽水位上升高度及对应时刻。通过调节A槽的出水球阀来控制B槽内的水位高度,并与滤料上表面齐平。每组试验进行3次,取平均值。

2 结果

2.1 滤层厚度对流量的影响

图2a给出了在上述工况的砂滤层厚度与流量的关系。分析数据可知:Q10

图2 流量与滤层厚度关系Fig.2 The relationship between flow and thickness

1、2号砂对应的流量继续增大,但增长幅度明显减小。由此可得,滤层厚度为40 cm时,砂滤池的过水效果最好。此结果可应用于指导实际生产。以4号砂为例,当砂滤池所需的流量在600 cm3/s以上时,滤层厚度增加,过水流量几乎不变。改变滤层厚度时,以5号砂作砂滤池填充滤料时,砂滤池中过水流量始终最大。为提高滤料截污能力,可通过增大滤层厚度提高砂滤池过滤性能。由图 2b可知,拟合曲线斜率 k1= 5.148 6

其中,1、2号砂对应的流量曲线较为接近,斜率相差0.091 2,而当以大于2号砂作为砂滤池填充滤料时,流量增幅较大。滤层厚度小于10 cm,石英砂粒径小于3号砂时,流量变化不明显。实际生产中,此流量增速曲线可指导砂滤池滤料参数的选取与设定。

2.2 滤料粒径对流量的影响

图3a给出了不同粒径条件下的流量变化情况。

图3 流量与粒径关系Fig.3 The relationship between flow and particle size

由图可知:Q1号砂

2.3 滤料粒径、厚度对流量的影响

图2a中,1号砂曲线与2号砂曲线较为接近。因此可得出,滤料粒径小于2号砂时,粒径对流量的影响较小,而大于2号砂时影响较大;滤层厚度小于10 cm且粒径小于3号砂时,流量大小几乎相同,此时改变滤层厚度或改变滤料粒径,流量变化不大。实际生产中,在保证出水水质的前提条件下,可适当选取粒径大于4 mm的石英砂作滤料。滤层的截污能力主要取决于滤料间的孔隙大小。在滤层厚度不变的情况下,粒径越大其孔隙也越大,过滤能力随之减小。

图3a给出了砂滤池过水流量与粒径的关系。由图可知,随着滤料粒径的增大,砂滤池中的过水流量呈二次函数递增。滤层厚度为 40 cm和50 cm的两条曲线相互接近,表明此时再继续增大滤层厚度,流量变化较大。把滤料的当量粒径、滤层厚度作为两个自变量,过水流量作为因变量,利用TableCurve 3D软件将三者进行拟合,结果如图4所示。

图4 流量与滤层厚度、粒径的拟合曲面关系Fig.4 Fitting surface of flow,thickness and particle size

拟合表达式为:

式中:Q—砂滤池过水流量,cm3/s;x1—石英砂当量粒径,mm;x2—滤层厚度,cm。

相关系数R2=0.98,拟合效果较好。

3 讨论

3.1 流量曲线变化分析

滤料粒径与滤层厚度有着密切联系。粒径越大,由于单位厚度的滤料与水体中的固体悬浮颗粒的接触机率减小,同时又要保证出水水质,这就要求增大滤层厚度。粒径越小,所要求的滤层厚度也越小。理论上,应选择较大粒径石英砂作砂滤池滤料。对滤后出现的水质问题,可采取适当增加滤层厚度的方法来弥补[17]。但如果滤料粒径过大,且石英砂的含污层过深,这将增大后期反冲洗的难度,成本也会增加。

以1号、2号砂作填充滤料的砂滤池,其过水流量与滤层厚度呈线性递增关系,3号、4号砂所对应的流量在滤层厚度大于40 cm后趋于稳定。取3号、4号砂在滤层厚度40 cm前的流量数据分析,得出其过水流量与滤层厚度仍呈线性递增关系(图2b)。由拟合方程的斜率可知,随着滤层厚度增加,粒径较大的滤料,其流量增长越快。由图3a可知,砂滤池过水流量与滤料粒径的关系符合二次函数。例如,取3号砂、滤层厚度30 cm的工况进行分析可知,随着滤料粒径增大,砂滤池过水流量逐渐增大,且流量增长速度越来越快。

本试验中,改变滤层厚度时,由于时刻保持水位与砂面齐平,故滤料层持水量也随之变化,水位高,砂滤池中压力大,出水管的流速快,过流量就大。说明压力的作用大于砂层的阻力,当持续加厚砂层,阻力增加量与压力增加量达到平衡,流量趋于稳定。

3.2 L/d值对过滤性能的影响

砂滤池过滤机理即是滤料对水体中固体悬浮颗粒的截留过程,被截留的污染物填充于滤料间的空隙,石英砂滤层厚度增加,滤料粒径增大,其外观表象为过滤能力增强,纳污能力增加[18]。此外,滤料粒径越大,水体中污物越能被输送至下一滤料层,在有足够滤层厚度保证出水水质的条件下,将有更多悬浮颗粒被截留。这也便于中下层滤料更好地发挥截留作用。有学者[17-21]提出用L/d(L、d分别表示滤层厚度与滤料粒径)描述砂滤池的过滤性能,因为L/d决定了滤料所能提供的表面积大小,进而决定了砂滤池的过滤性能。从技术角度分析,L/d值越大越好,但实际生产中,综合考虑经济因素,应在满足预期过滤出水水质的条件下,选取可提供最小表面积的L/d所对应滤层,滤料参数。本试验中 L/d最大值为35.46,此时砂滤池中过水流量约为300 cm3/s。L/d最小值为1.34,此时砂滤池中过水流量约为250cm3/s。但并不是且随着L/d增大砂滤池过水流量也逐渐增大。其具体原因有待进一步探究分析。

目前已有研究的较大粒径大多在 0.8～ 1.2 mm间,滤层厚度为1 m左右[22],其主要应用于养殖污水处理,以去除水中的残余饵料、排泄物等,砂滤池中过水流量较小。而在海水预处理阶段,由于海水较为纯净,故可适当增大滤料粒径,减小滤层厚度,提高过水流量。

4 结论

本试验探究了在饱和砂层散水滴滤模式下,滤料粒径、滤层厚度对砂滤池流量的影响,构建了影响关系曲线及其表达式。通过分析得出以下结论:(1)滤层厚度10～40 cm时,砂滤池过水流量与滤层厚度呈线性递增关系;滤层厚度大于40cm后流量值趋于稳定;40 cm可作为指导实际生产的理论参数。(2)滤料粒径小于3～4 mm时,粒径大小对流量的影响较小;滤料粒径大于3～4mm后,粒径大小对流量的影响较大。(3)根据实际生产要求,结合拟合出的流量、滤料粒径、滤层厚度关系表达式,可使石英砂的规格选定更加高效。

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Preliminary study on hydraulic characteristics of sprinkler sand filter

LI Xunmeng,PAN Yun,GUI Fukun
(National Engineering Research Center forMarine Aquaculture,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

In order to improve the performance of sand filter,explore the hydraulic characteristics of sprinkler sand filter and understand the special rules of water flow,effects of particle size and thickness on flow under sprinkler filtermode of saturated sand layer are studied through physicalmodel experimentwith quartz sand as filler,and relation curve and function expression are created.Results show thatwhen the filter layer thickness is 0-4 cm,the water flow in sand filter increases from about 100 cm3/s to 600 cm3/s;the flow and thickness presentamonotonic increasing relation,and the larger the particle size is,the faster the flow increases;the flow and particle size present a quadratic function increasing relation;when the thickness is above 40 cm,for sand filter with quartz sand of particle size 5-6mm as filler,the flow is stabilized at about410-420 cm3/s;for sand filter with quartz sand of particle size 7-8 mm as filler,the flow is stabilized at 640-650 cm3/s;for particle size of 1-2mm and 3-4mm,corresponding flow curves are close,and both increase with the thickness.When the thickness is constant,with increase of particle size of quartz sand,the flow in the filter also increases gradually,and corresponding flow curve at different thickness increases in parallel.The fitting curve of flow, particle size and thickness of sand filter obtained from the experimentmay provide theoretical reference for the design and construction of sand filter and the selection of filtermaterial.

sand filter;sprinkler filter;flow;hydraulic characteristics

S969.38

A

1007-9580(2017)03-041-05

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.03.007

2017-05-16

浙江省自然科学重点基金项目(Z16E090006);舟山市海洋专项(2015C41001)

李训猛(1992—),男,硕士研究生,研究方向:设施渔业工程装备,E-mail:1442960054@qq.com

桂福坤(1976—),男,教授,研究方向:海洋设施养殖工程技术,E-mail:gui2237@163.com