于忠臣，李轉(zhuǎn)，牛源麟，鐘柳波，周 穎，張嶸元，孫 聰（1.黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318；.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318）

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顆粒濾料反沖洗技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用進(jìn)展

于忠臣1，2，李轉(zhuǎn)2，牛源麟2，鐘柳波2，周 穎2，張嶸元2，孫 聰2
（1.黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318；2.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318）

摘要：過(guò)濾是水處理的常用手段之一，反沖洗是保證濾料過(guò)濾性能的重要手段。重點(diǎn)介紹了顆粒濾料反沖洗技術(shù)的工作原理及特點(diǎn)，反沖洗方式、工藝優(yōu)化及工藝?yán)碚撗芯窟M(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，并分析了顆粒濾料反沖洗技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：過(guò)濾；顆粒濾料；反沖洗

過(guò)濾是水處理常用手段之一，目前我國(guó) 90%以上的自來(lái)水廠采用混凝-沉淀-過(guò)濾-消毒的常規(guī)處理工藝［1］，過(guò)濾效果的好壞直接影響懸浮固體、有機(jī)物、濁度、細(xì)菌、病毒等的去除以及出水水質(zhì)［2］，因此保持濾料穩(wěn)定的過(guò)濾性能至關(guān)重要。快濾池一般以顆粒狀材料作為濾料，當(dāng)濾池運(yùn)行一段時(shí)間后，濾料表面及間隙逐漸被污染物所飽和，懸浮物去除率開(kāi)始下降，水頭損失不斷增大。在水頭損失增大至濾池所允許最大值的過(guò)程中，處理水中的懸浮物質(zhì)會(huì)穿透濾池，導(dǎo)致濾后水質(zhì)不斷下降，最終使濾池停運(yùn)。因此需定期對(duì)濾料進(jìn)行反沖洗，去除濾料表面及間隙的污染物，以恢復(fù)濾料對(duì)雜質(zhì)的截留能力，使濾料得以再生，從而保持濾料穩(wěn)定的過(guò)濾性能。

1　顆粒濾料反沖洗的工作原理及特點(diǎn)

反沖洗是一種為恢復(fù)濾料正常過(guò)濾性能所采用的反向沖洗濾層的方法。它是利用反向（由下而上）通過(guò)濾層的清潔水或空氣的剪切作用實(shí)現(xiàn)污染物與濾料顆粒的分離［3］。反沖洗效果的好壞直接影響過(guò)濾的能力，如果濾池沖洗效果不佳，就會(huì)縮短過(guò)濾周期，甚至使得出水水質(zhì)變差。

1.1工作原理

國(guó)內(nèi)外對(duì)于反沖洗機(jī)理的認(rèn)識(shí)并不完全一致，以T.Camp為代表的學(xué)者提出濾料反沖洗潔凈的原因主要是剪切力，Amirtharajah等支持這一觀點(diǎn)，并推導(dǎo)出水力剪切力強(qiáng)度和水頭損失的關(guān)系；藤田等認(rèn)為顆粒間的碰撞力在濾料清潔中起主導(dǎo)作用，并根據(jù)顆粒碰撞次數(shù)最多的條件，推導(dǎo)出最佳反沖洗方程式。李圭白院士從水流剪切理論和碰撞理論出發(fā)，提出了反沖洗高效區(qū)的概念，認(rèn)為使污染物從濾料表面脫落的原因，是水流剪切力和濾料顆粒之間碰撞摩擦共同作用的結(jié)果［4］。

根據(jù)剪切理論，水流剪切力可用下式表示［5］：

式（1）中 μ代表粘滯系數(shù)，與溫度有關(guān)；G是速度梯度，s-1。

根據(jù)顆粒碰撞摩擦理論，顆粒群的碰撞次數(shù)可用下式表示［5］：

式（2）中，N是單位時(shí)間單位體積內(nèi)顆粒的碰撞次數(shù)，m-3·s-1；n是單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)，m-3；D是顆粒直徑，m；G是速度梯度，s-1。

由上述理論可知，在反沖洗過(guò)程中，無(wú)論是剪切力還是碰撞摩擦都是水的速度梯度G值產(chǎn)生的，增大G值可有效提高濾料的清潔效率。高速水反沖洗實(shí)際產(chǎn)生的G值一般并不高，通常砂粒G值為300～400 s-1，煤粒為150～300 s-1，是一種弱沖洗方式［6］。氣水反沖洗時(shí)，G值能有效提高到500 s-1以上，G值的增加不僅對(duì)濾料產(chǎn)生較強(qiáng)剪切作用，而且受氣泡的振動(dòng)及卷帶作用，濾料顆粒的碰撞率大大增加，充分發(fā)揮了碰撞摩擦作用。

1.2特點(diǎn)

流體繞過(guò)物體流動(dòng)時(shí)，邊界層從物體表面上分離可形成尾跡流［7］。由于尾跡內(nèi)壓力低于周圍壓力，反沖洗時(shí)顆粒濾料在流體尾跡處，特別是氣泡尾跡處強(qiáng)烈翻滾，并隨尾跡的上升與周圍顆粒不斷進(jìn)行交換。尾跡上升后留下的空隙由水填補(bǔ)，并將部分顆粒濾料帶入空隙，當(dāng)下一個(gè)尾跡過(guò)后，周圍的水和濾料又會(huì)填補(bǔ)空隙，如此周圍濾料可產(chǎn)生振動(dòng)，濾層攪拌劇烈，上升濾料可實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)增加空氣反沖洗時(shí)，整個(gè)濾層內(nèi)有濾料的循環(huán)移動(dòng)，如此濾料受到比較徹底的清洗。因而氣水同時(shí)沖洗效果遠(yuǎn)比單獨(dú)水洗效果更好，應(yīng)用范圍更加廣泛。

2　顆粒濾料反沖洗技術(shù)研究與應(yīng)用

2.1反沖洗方式研究及進(jìn)展

早期人們認(rèn)為濾料表面的有機(jī)膜是有效過(guò)濾的關(guān)鍵［8］，因此僅用水對(duì)濾料顆粒進(jìn)行輕微清洗。美國(guó)用機(jī)械攪拌輔助砂子與雜質(zhì)的分離，但由于水速低且沖洗強(qiáng)度弱，沖洗效果并不理想。美國(guó)辛辛那提的水廠在實(shí)驗(yàn)研究中采用反沖洗強(qiáng)度為 10～16 L/（s·m2）的“高速?zèng)_洗法”，整個(gè)濾層在較高的反沖洗強(qiáng)度下處于懸浮狀態(tài)，流化的濾料更容易得到清潔。由于構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)行管理方便、沖洗效果明顯，在美國(guó)及日本等國(guó)長(zhǎng)期得到廣泛的應(yīng)用，但濾料膨脹后的表觀體積需要增加至少15%［9］。高速水流引起的濾層膨脹易造成水流渦動(dòng)作用，濾池的沖洗效果不佳，且濾料易隨高速水流流失，不利于濾池長(zhǎng)期運(yùn)行，因此在后來(lái)的應(yīng)用中常輔以表面沖洗。

19世紀(jì)末英國(guó)學(xué)者率先采用空氣和水相結(jié)合的反沖洗方式，之后幾年哈佛大學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，空氣沖洗可有效打碎濾層表面的泥塊或泥漿。由于配氣設(shè)施不過(guò)關(guān)等原因，氣水反沖洗技術(shù)的推廣應(yīng)用受到限制，直至長(zhǎng)柄濾頭的發(fā)明以及粗粒、均勻粒徑的深床濾池的興起，氣水反沖洗技術(shù)才普遍流行起來(lái)。Amirtharajah認(rèn)為當(dāng)氣流和亞流狀態(tài)的水同時(shí)產(chǎn)生［10，11］的時(shí)刻是氣水反沖洗最佳狀態(tài)，稱之為“脈沖塌陷”時(shí)刻。英、法等國(guó)家大力開(kāi)展了氣水反沖洗工藝設(shè)計(jì)方面的更新與完善工作。如法國(guó)德格雷蒙（Degremont）公司設(shè)計(jì)的V型濾池，采用單一均勻?yàn)V料，應(yīng)用兩極PLC可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)了過(guò)濾-沖洗的自動(dòng)化，氣水反沖洗與表面掃洗相結(jié)合。我國(guó)上世紀(jì)30年代引進(jìn)氣水反沖洗技術(shù)，直至80年代，沈陽(yáng)八水廠、西安曲江水廠、重慶和尚山水廠引進(jìn)V型濾池，氣水反沖洗技術(shù)才得到廣泛的應(yīng)用［12］。目前國(guó)內(nèi)新建的水廠，基本都是采用氣水反沖洗方式。

2.2工藝優(yōu)化研究及進(jìn)展

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，水源生態(tài)問(wèn)題越來(lái)越突出，水處理面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?；瘜W(xué)合成物的廣泛使用使水中污染物種類及數(shù)量迅速增加，降解周期延長(zhǎng)，顆粒濾料再生難度加大，如何優(yōu)化工藝提高反沖洗效率及效能備受關(guān)注。

國(guó)外經(jīng)多年發(fā)展已經(jīng)形成相對(duì)成熟的工藝技術(shù)，對(duì)濾料反沖洗工藝的優(yōu)化進(jìn)行了大量研究。Cranston研究發(fā)現(xiàn)，反沖洗時(shí)將金屬聚合物絮凝劑以一定比例直接加到反沖洗水中能有效降低反沖洗濁度［13］。但濾池下部管道形成的絮體則會(huì)進(jìn)入到配水系統(tǒng)，導(dǎo)致水質(zhì)參數(shù)改變必然導(dǎo)致絮凝劑用量的改變，因而實(shí)驗(yàn)方案將在反復(fù)變化基礎(chǔ)上來(lái)確定最優(yōu)的劑量。Singh等［14］將反沖洗水回流，優(yōu)化了反沖洗效果，原水的明礬投加量相應(yīng)減少，當(dāng)無(wú)化學(xué)成分的反沖洗水增加到原水中時(shí)，用來(lái)去除氨的氯量就減少。

國(guó)內(nèi)在工藝優(yōu)化方面，較多是針對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行改造，目前國(guó)內(nèi)老水廠對(duì)單獨(dú)水反沖洗進(jìn)行技術(shù)改造，改變?yōu)闅馑礇_洗。陶輝等［15］提出減少無(wú)效反沖洗的措施，并在試驗(yàn)中取得較好的效果。自動(dòng)化是近年來(lái)研究的重點(diǎn)，集成度較高的 DCS、PLC自動(dòng)控制技術(shù)早就被應(yīng)用于水污染治理［16］。如秦皇島水廠二期工程引進(jìn)V型濾池工藝，并采用自動(dòng)控制形式，達(dá)到優(yōu)化工藝、節(jié)水節(jié)能的目的［17］。

2.3工藝?yán)碚撗芯考斑M(jìn)展

反沖洗技術(shù)發(fā)展至今已有數(shù)百年歷史，因其舉足輕重的地位，有關(guān)該工藝的分析研究一直是專家學(xué)者探究的重點(diǎn)。反沖洗技術(shù)發(fā)展初期，由于資源及先進(jìn)設(shè)備的缺乏，有關(guān)反沖洗的分析局限于定性分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，定量分析和數(shù)學(xué)模型的研究尚屬空白。

上世紀(jì)70、80年代，Camp、Stein、藤田等就反沖洗的主導(dǎo)作用力展開(kāi)討論研究，藤田建立了剪切理論與碰撞理論并推導(dǎo)了相關(guān)公式。Amirtharajah［18］推導(dǎo)建立了有關(guān)“脈沖塌陷”時(shí)刻反沖洗的公式，并得出發(fā)生“脈沖塌陷”時(shí)的 V/Vmf值處在0.25～0.50內(nèi)。Lee［19］通過(guò)計(jì)算反沖洗的水頭損失及 SS去除率等來(lái)評(píng)估反沖洗效果，最終得出反沖洗效率主要取決于空氣強(qiáng)度，空氣強(qiáng)度和反沖洗順序是決定反沖洗效果的關(guān)鍵因素。

我國(guó)許多學(xué)者在反沖洗的定量分析方面進(jìn)行了大量研究，朱月海等［20］在氣水反沖洗均質(zhì)過(guò)濾工藝試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，將敏茨和Camp的流態(tài)理論運(yùn)用于均質(zhì)濾床的流態(tài)分析，并提出較全面而實(shí)用的評(píng)價(jià)指標(biāo)。安鼎年等［21，22］通過(guò)定量分析氣水反沖洗過(guò)程中的剪切力作用和碰撞摩擦作用，闡明氣水反沖洗作用機(jī)理，同時(shí)分析了空氣在濾層中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，推出了一般深層過(guò)濾高效率反洗速度的數(shù)學(xué)模式，并建立空氣沖洗數(shù)學(xué)模型且在實(shí)踐中得到驗(yàn)證。

3　顆粒濾料反沖洗發(fā)展趨勢(shì)及展望

1975年，第一臺(tái)連續(xù)式砂濾器的誕生［23］。連續(xù)式砂濾器通過(guò)氣提使污砂在提砂管的提升過(guò)程中經(jīng)過(guò)不斷摩擦和撞擊，與污物得到很好的分離，反沖洗不涉及周期性問(wèn)題。連續(xù)式砂濾器作為一種新型水處理設(shè)備，因其具有顯著的優(yōu)點(diǎn)和卓越的過(guò)濾性能受到了越來(lái)越多的關(guān)注，反沖洗的連續(xù)流場(chǎng)成為眾多學(xué)者研究的焦點(diǎn)。近年來(lái)，水力旋流器作為一種快速機(jī)械分離設(shè)備迅速發(fā)展起來(lái)的，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離效率高、操作維護(hù)方便等突出的優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛［24］，利用旋流器的旋流場(chǎng)與濾料重力場(chǎng)結(jié)合的分析方法日益興起。

隨著能源問(wèn)題的日益突出，節(jié)能減耗要求不斷提高，反沖洗技術(shù)處理水量逐漸增加，濾料再生效率將會(huì)大幅度提高?；瘜W(xué)化工行業(yè)的發(fā)展使利用化學(xué)變量如熵變、焓變等分析反沖洗成為可能，高新技術(shù)的不斷更新將促使反沖洗技術(shù)的自動(dòng)化及智能化范圍不斷擴(kuò)大。

4　結(jié) 論

顆粒濾料反沖洗因其特點(diǎn)和重要性而具有鮮明的技術(shù)特色，經(jīng)過(guò)多年的相關(guān)研究，目前顆粒濾料的反沖洗技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并取得了一定的研究成果。隨著各行各業(yè)的飛速發(fā)展，顆粒濾料反沖洗在水凈化及污廢水處理中必將有著廣闊的發(fā)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

中圖分類號(hào)：X703.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0460（2016）01-0078-03

基金項(xiàng)目：黑龍江省科技廳應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（GC13C305）、黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（B2015012）、黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12541062）、黑龍江省高?？萍汲晒a(chǎn)業(yè)化前期研發(fā)培育項(xiàng)目（1254CGZH12）、東北石油大學(xué)培育基金項(xiàng)目（XN2014108）、中石油化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目（2014-01-07）、大慶油田公司現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)試驗(yàn)項(xiàng)目（QR/A0/7-12-03）。

收稿日期：2015-06-24

作者簡(jiǎn)介：于忠臣（1975-），男，黑龍江大慶人，副教授，碩士，2004年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政工程專業(yè)，研究方向：從事有機(jī)廢水高級(jí)氧化技術(shù)、新型油水分離理論與技術(shù)研究及教學(xué)工作。Tel：0459-6503117，E-mail：yuzi7777@163.com。