楊 一,王 群,翟學(xué)東,馬 軍,韓幫軍,韓雅紅,何文杰,韓宏大

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱150090;2.城市水資源開發(fā)利用(北方)國家工程研究中心,哈爾濱150090;3.天津自來水(集團(tuán))有限公司,天津300040)

過濾工藝是水處理中的關(guān)鍵工藝,它直接關(guān)系到了出廠水的水質(zhì)問題[1].其影響因素較多,所以,如何選擇合適的工藝參數(shù),從而更好的提高過濾性能,將成為我們研究的關(guān)鍵.

據(jù)國內(nèi)外很多研究學(xué)者報道,L/d被認(rèn)為對過濾出水水質(zhì)影響較大的因素之一.Kawamura得出如下數(shù)字表達(dá)式[2-3]:

其中:S為濾料表面積;ε為濾層孔隙率;L為濾層厚度;Ψ為濾料球形度;d為濾料粒徑.

由上式可知:L/d越大,濾料表面積越大,從而對懸浮顆粒的截流作用越強(qiáng),出水水質(zhì)越好,如果L/d過低會影響出水水質(zhì).但要使L/d增大,一是增加濾料高度,一是減小濾料的粒徑,這樣不但會增加工程造價,而且會增加濾池的反沖洗難度.據(jù)報道,要想達(dá)到較好的水質(zhì)L/d至少要大于等于1 000[4-7].所以選擇合適的L/d是至關(guān)重要的.在試驗過程中,通過調(diào)節(jié)濾料的dmin、d10、k60及濾層的厚度來研究濾池出水變化規(guī)律.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置及材料

濾前水為國家863重大項目“北方地區(qū)安全飲用水保障技術(shù)(天津)”中試的氣浮出水.投加的混凝劑為FeCl3,HCA作為助凝劑.濾速為9 m/h,以下均采用變水頭等速過濾.

過濾裝置采用透明有機(jī)玻璃制作,濾柱直徑為90 mm,高3 m.每個濾柱配有7根測壓管.

1、2濾柱L/d均為1 300,1柱無煙煤與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 測定方法

試驗的進(jìn)水濁度在(1.6±0.8)ntu,投加的預(yù)氧化劑為液氯,投藥量為0.6 mg/L,所測數(shù)據(jù)主要有濾后水濁度、濾層水頭損失、殘渣等.水的濁度用濁度儀測定;水頭損失用測壓管測定;不可濾殘渣采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》中相應(yīng)的不可濾殘渣測定方法測定;水中藻類采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》中相應(yīng)的藻類測定方法測定.

2 試驗結(jié)果與討論

濾層濾料的粒徑d對濾池的過濾性能影響很大,在同樣的濾層厚度下,濾料粒徑d越大,雜質(zhì)顆粒越易穿透濾層,但由于表面截留雜質(zhì)效果較好,可能造成過濾周期的縮短;同樣加大濾層厚度同樣可以改善過濾效果.但由于其它因素的影響,在相同的L/d的情況下,通過同時增加或減小L和d,試驗結(jié)果也可能不同.所以,本試驗在相同的L/d的條件下,考察了不同的濾料粒徑及高度對濾池過濾性能的影響,同時考察增大粒徑的負(fù)面影響是否可以通過增加濾料的高度得以消除.

2.1 不同級配對濾柱水頭損失的影響

由圖1、2中可以看出,在無煙煤相同的前提下,由于1柱石英砂的粒徑較小,雖然石英砂的填充高度小于2柱,但是它的水頭損失一直大于2柱的水頭損失,并且1柱的水頭損失增加比2柱略微快一些.投加預(yù)氧化藥劑后,濾柱的水頭損失增加的明顯變緩.

在未投加預(yù)氧化時,1柱的出水濁度明顯小于2柱;在投加預(yù)氧化后,在過濾初期4 h內(nèi),1柱出水濁度好于2柱,在運行過程中的中后期,1、2柱的出水濁度相差不多.

從圖3、4中可以看出,在運行的后期,1、2柱出水濁度相差不多,可能是由于在濾柱運行到后期時,由于1中的石英砂濾層較小,含污能力較差,部分濁質(zhì)已經(jīng)穿透濾層,從而抵消了由于粒徑較小而對過濾效果產(chǎn)生的正面影響.

圖3 不同級配對濾柱出水濁度的影響(未加預(yù)氧化藥劑)

圖4 不同級配對濾柱出水濁度的影響(投加預(yù)氧化藥劑)

膜濾后水的濁度可以體現(xiàn)出能通過0.45μm膜的物質(zhì)所引起的濁度,這部分物質(zhì)尺寸較小且有很多是水中溶解性物質(zhì),這部分物質(zhì)理論上說很難被過濾去除,1柱投加預(yù)氧化后,膜濾后水的濁度明顯低于2柱,并且好于未投加預(yù)氧化藥劑的情況,如圖5所示.產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因可能是預(yù)氧化提高了這部分物質(zhì)在濾料表面的吸附性能,這部分將很值得研究.

圖5 不同級配對膜濾后水濁度的影響

2.3 不同級配對濾池出水不可濾殘渣的影響

不可濾殘渣可以反映出水中粒徑大于0.45 μm的非溶解的顆?；蛴袡C(jī)物的多少,它可以從側(cè)面體現(xiàn)出濾池對這部分物質(zhì)的去處效果.從圖5中可以看出,1柱濾后出水的不可濾殘渣明顯少于2柱,進(jìn)一步試驗得出,無論是否投加預(yù)氧化藥劑,1柱對雜質(zhì)截留效果明顯好于2柱,如圖6所示.

2.4 不同級配對濾池出水藻類的影響

原水中藻類較多,經(jīng)過氣浮等前處理后,水中藻類大幅度降低,再經(jīng)過濾柱后,藻類進(jìn)一步降低,1柱出水藻類明顯少于2柱,對藻類的去處較為明顯,如圖7所示.

3 結(jié) 論

1)在相同的L/d時,1柱(無煙煤高350 mm,d10=1.27;石英砂高550 mm,d10=0.537,K60=1.3)過濾效果好于2柱(無煙煤高350 mm,d10=1.27;石英砂高750mm,d10=0.732,K60=1.3),即粒徑越小,濾池出水濁度、不可濾殘渣以及藻類含量越少,處理效果越好,此時,高度對濾池的出水水質(zhì)影響相對較小.得出上述現(xiàn)象的原因可能是由于:濾料表面積不僅受L/d的影響,而且還受濾層孔隙率 ε和濾料球形度 Ψ的影響,雖然兩個濾柱的L/d都為1 300,通過同時增大或減小L和d但保持L/d不變的情況下,濾層孔隙率 ε對過濾效果的影響開始顯現(xiàn),由于1柱的粒徑較小,孔隙率較小,濾料表面積較大,所以過濾效果較好.

2)預(yù)氧化可以明顯改善過濾效果.

3)雖然在相同的L/d時,粒徑越小的濾柱過濾效果較好,但是水頭損失增加較快,并且在濾柱運行的后期,受粒徑影響較小,出水效果相差不多.產(chǎn)生上述可能是由于在濾柱運行到后期時,由于1柱中的石英砂濾層較小,含污能力較差,部分濁質(zhì)已經(jīng)穿透濾層,從而抵消了由于粒徑較小而對過濾效果產(chǎn)生的正面影響.

4)在實際應(yīng)用中,在相同的L/d情況下,濾層高度L的增加會使濾池加深,使工程造價提高,濾池出水效果降低;然而濾層高度L降低、粒徑減小會使反沖洗周期縮短,增加運行成本及強(qiáng)度.所以,在設(shè)計雙層濾料濾池時,應(yīng)從工程和經(jīng)濟(jì)角度同時出發(fā),并結(jié)合濾前水質(zhì)特點,優(yōu)化出一個最佳L/d值.

[1]欒兆坤,李桂平,王曙光.微絮凝—直接過濾及工藝參數(shù)研究[J].中國給水排水,2002,18(4):14-18.

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

[3]張莉平,黃廷林,李玉仙.強(qiáng)化過濾給水處理技術(shù)[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)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.影響常規(guī)過濾因素的實驗研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2002,29(3):108-113.

[6]李榮光,韓宏大,李玉仙,等.過濾影響因素的試驗研究[J].供水技術(shù),2007,1(3):14-17.

[7]呂宏德,邊喜龍.曝氣生物濾池處理城市污水的試驗研究[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,25(4):411-414.