楊 一,王 群,翟學東,馬 軍,韓幫軍,韓雅紅,何文杰,韓宏大

(1.哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院,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)有限公司,天津300040)

過濾工藝是水處理中的關鍵工藝,它直接關系到了出廠水的水質問題[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鍵.

據(jù)國內(nèi)外很多研究學者報道,L/d被認為對過濾出水水質影響較大的因素之一.Kawamura得出如下數(shù)字表達式[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,出水水質越好,如果L/d過低會影響出水水質.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,要想達到較好的水質L/d至少要大于等于1 000[4-7].所以選擇合適的L/d是至關重要的.在試驗過程中,通過調節(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(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

試驗的進水濁度在(1.6±0.8)ntu,投加的預氧化劑為液氯,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》中相應的藻類測定方法測定.

2 試驗結果與討論

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,雜質顆粒越易穿透濾層,但由于表面截留雜質效果較好,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.投加預氧化藥劑后,濾柱的水頭損失增加的明顯變緩.

在未投加預氧化時,1柱的出水濁度明顯小于2柱;在投加預氧化后,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(未加預氧化藥劑)

圖4 不同級配對濾柱出水濁度的影響(投加預氧化藥劑)

膜濾后水的濁度可以體現(xiàn)出能通過0.45μm膜的物質所引起的濁度,這部分物質尺寸較小且有很多是水中溶解性物質,這部分物質理論上說很難被過濾去除,1柱投加預氧化后,膜濾后水的濁度明顯低于2柱,并且好于未投加預氧化藥劑的情況,如圖5所示.產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因可能是預氧化提高了這部分物質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物的多少,它可以從側面體現(xiàn)出濾池對這部分物質的去處效果.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,進一步試驗得出,無論是否投加預氧化藥劑,1柱對雜質截留效果明顯好于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 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,增加運行成本及強度.所以,在設計雙層濾料濾池時,應從工程和經(jīng)濟角度同時出發(fā),并結合濾前水質特點,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.強化過濾給水處理技術[J].陜西師范大學學報:自然科學版,2006,33:69-71.

[4]KAWAMURA S.Design and operation of high-rate filters[J].AWWA,1999,91(12):77-90.

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[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,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)大學學報:自然科學版,2009,25(4):411-414.