董聿森，王濤，張夢利

（1.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074；2.西安中交環(huán)境工程有限公司，陜西 西安 710075；3.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075）

反硝化深床濾池是一種集成了反硝化脫氮與過濾功能的生物濾池，起源于傳統(tǒng)的生物濾池[1]。其因?yàn)閮?yōu)秀的污水脫氮效果、較高的池深比、較小的占地面積、較高的處理效率、較低的工程投資費(fèi)用而受到污水廠提標(biāo)改造行業(yè)廣泛的關(guān)注[2]。反硝化深床濾池實(shí)用工程中較多選用天然海砂，以保證微生物掛膜效果，尚有陶粒、火山巖等新興濾料移植至反硝化深床濾池中使用多在研究階段或小試、中試階段[3]。本文希望通過試驗(yàn)探究反硝化深床濾池海砂濾料正向過濾過程中截污特性，為濾池海砂濾料的選配及運(yùn)行參數(shù)確定提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 模型濾柱的構(gòu)建

含污水流在濾料等多孔介質(zhì)層中重力沉降穿流運(yùn)動(dòng)主要受流動(dòng)的水利條件影響，當(dāng)模擬實(shí)驗(yàn)的穿層流動(dòng)水利條件與實(shí)際條件相近，可忽略實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)際濾池的幾何相似性，以模擬條件來代表實(shí)際濾池的運(yùn)行情況[4]。

本文構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)裝置為兩個(gè)內(nèi)徑為100mm的濾柱，高度2m，底部預(yù)置多孔板保證濾料不泄露，同時(shí)不影響水流穿層。濾柱與多孔板材質(zhì)均為有機(jī)玻璃。

實(shí)驗(yàn)選取恒溫18℃，流動(dòng)相恒定pH 值7.0。

兩種參與實(shí)驗(yàn)對(duì)比濾料主要參數(shù)如下表所示：

表1 兩種海砂濾料主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)濾程的確定

實(shí)驗(yàn)濾程依據(jù)水廠實(shí)際運(yùn)行工藝確定，常見后置反硝化深床濾池置于前置生物段之后。實(shí)驗(yàn)濾速控制為10m/s。

1.3 流動(dòng)相濁度確定

本研究濁度考量指標(biāo)依散射濁度（NTU）計(jì)，并配置40NTU濁度標(biāo)準(zhǔn)液。溶液Ⅰ—溶解1g 硫酸肼與蒸餾水中，并定容稀釋至100mL。溶液Ⅱ—溶解10g 六次甲基四氨與蒸餾水中，并定容稀釋至100mL。在100mL 容量瓶中將5mL溶液Ⅰ與5mL溶液Ⅱ混合，稀釋至刻度并混合，在5℃±3℃條件下恒溫靜置保存24h，得到400NTU 標(biāo)準(zhǔn)液。取10mL 400NTU 標(biāo)準(zhǔn)液稀釋至100mL 得到40NTU 標(biāo)準(zhǔn)液作為本研究標(biāo)準(zhǔn)濁度懸濁液[5]。

本研究配置濁度30NTU 廢水作為模擬進(jìn)水，實(shí)驗(yàn)水樣通過齊威便攜式WGZ-1A散射式濁度計(jì)測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 濾料穿透確定

實(shí)驗(yàn)海砂濾料出水濁度依下圖所示：

圖1 兩種實(shí)驗(yàn)濾料出水濁度隨時(shí)間變化

兩種海砂濾料，實(shí)驗(yàn)前29h 均保證出水濁度在10NTU以下，當(dāng)實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間超過29h，實(shí)驗(yàn)濾料出水濁度迅速惡化至近30NTU，此時(shí)認(rèn)為濾料達(dá)到最大分離效果，無法再存蓄水中懸浮物。

認(rèn)為連續(xù)過濾實(shí)驗(yàn)達(dá)到29h 濾料穿透，即完成一個(gè)過濾周期。

2.2 海砂濾料過濾特性

反硝化深床濾池采用均質(zhì)、低分形度的海砂作為反硝化微生物的掛膜載體，同時(shí)又是污水中硝酸氮及懸浮物優(yōu)秀的去除構(gòu)筑物[6]。實(shí)驗(yàn)完成一個(gè)過濾周期將濾柱剖開，在不破壞原濾柱堆積狀態(tài)情況下分層取出堆積海砂濾料進(jìn)行截污量檢測。兩種實(shí)驗(yàn)濾料累計(jì)截留固形物垂向堆積百分比如下圖所示：

圖2 兩種實(shí)驗(yàn)濾料累計(jì)截留固形物堆積百分比

D=1mm、K80=1.1 與D=1.5mm、K80=1.1 海砂濾料截留污水中固形物的量在整個(gè)穿透周期內(nèi)，隨濾料層深度升高，單位檢測單元內(nèi)截留污水中固形物量逐漸下降，堆積截留固形物的量逐漸升高且呈增速放緩趨勢。采用D=1mm、K80=1.1海砂濾料進(jìn)行過濾特性試驗(yàn)結(jié)果表明200mm 深度時(shí)截留固形物達(dá)到63.33%，400mm 深度時(shí)截留固形物達(dá)到77.5%，600mm深度時(shí)截留固形物達(dá)到84.25%；采用D=1.5mm、K80=1.1 海砂濾料進(jìn)行過濾特性試驗(yàn)結(jié)果表明200mm 深度時(shí)截留固形物達(dá)到72.25%，400mm深度時(shí)截留固形物便超過80%達(dá)到85.58%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在過濾進(jìn)程不斷推進(jìn)的過程中，流動(dòng)相中懸浮固形物受海砂濾料截留、慣性、沉降作用表現(xiàn)為含量不斷降低，污水穿透濾料堆積層存在時(shí)序間的差距，前置濾料對(duì)污水完成過濾減輕了后續(xù)濾料層的沖擊壓力，后置濾料層進(jìn)水濁度相對(duì)較低有著較低的固形物截留量。另一方面，前序?yàn)V料截留污水懸浮固形物，懸浮固形物沉積在海砂顆粒表面，不僅相對(duì)增大了濾料的粒徑，同時(shí)填補(bǔ)了一定的濾料堆積空隙，進(jìn)一步增大了前序?yàn)V料堆積層的懸浮固形物截留能力，增大了前置濾料層的截留量[7]。

200mm 深度條件下，1.5mm 粒徑海砂截留固形物的量較1mm 海砂提升14.08%；400mm深度條件下，1.5mm 粒徑海砂截留固形物的量較1mm 海砂提升6.77%；600mm 深度條件下，1.5mm 粒徑海砂截留固形物的量較1mm 海砂提升1.58%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)提升海砂濾料直徑有助于出水水質(zhì)的提升。石英砂質(zhì)濾料堆積孔隙一般在42%左右，且?guī)缀醪浑S濾料粒徑變化而變化，當(dāng)濾料粒徑較低時(shí)濾料堆積區(qū)域有著更多數(shù)量的孔隙，相應(yīng)的單個(gè)空隙將會(huì)降低。水流對(duì)濾料顆粒表面剪切力在單純過濾期間可簡化為下式：

式中：f 為水流對(duì)濾料顆粒剪切力；k 為與水運(yùn)動(dòng)粘度相關(guān)的系數(shù)；v為空床流速；m為濾層堆積孔隙率；de為濾床堆積孔隙當(dāng)量直徑[4]。

從上式可以看出，過濾流動(dòng)相對(duì)濾料剪切力與濾層堆積孔隙率及孔隙當(dāng)量直徑的乘積呈反比。當(dāng)濾料顆粒較小，相應(yīng)孔隙當(dāng)量直徑較小，流動(dòng)相對(duì)濾料顆粒的剪切力較大，容易超過濾料截留固形物最大阻力造成濾料穿透，過濾失效。

在相同過濾時(shí)間內(nèi)，D=1.5mm、K80=1.1 濾料相較D=1mm、K80=1.1 濾料有著較高的固形物截留量，但反硝化深床濾池常見床深達(dá)1.83m，合理配置反沖洗周期可使濾料粒徑對(duì)截污能力的影響降到最低。小粒徑濾料對(duì)濾速的提升、延長反沖洗周期、減緩水頭損失均由一定的不利影響。在一定范圍內(nèi)可通過提升濾料的粒徑或?yàn)V料的多層級(jí)配在保證水質(zhì)的情況下提升反硝化深床濾池的運(yùn)行效率。

3 結(jié)論

反硝化深床濾池兩種海砂堆積濾料在濾速10m/s 進(jìn)水濁度30NTU 壓力下進(jìn)水持續(xù)29h達(dá)到濾料穿透。在一定范圍內(nèi)，增大濾料粒徑可降低流動(dòng)相對(duì)濾料剪切力，有助于微生物層掛膜及充分利用濾池深床特性提升反硝化深床濾池運(yùn)行效率。