于忠臣，李轉，牛源麟，鐘柳波，周 穎，張嶸元，孫 聰（1.黑龍江省防災減災及防護工程重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；.東北石油大學，黑龍江 大慶 163318）

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顆粒濾料反沖洗技術現(xiàn)狀與應用進展

于忠臣1，2，李轉2，牛源麟2，鐘柳波2，周 穎2，張嶸元2，孫 聰2
（1.黑龍江省防災減災及防護工程重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；2.東北石油大學，黑龍江 大慶 163318）

摘要：過濾是水處理的常用手段之一，反沖洗是保證濾料過濾性能的重要手段。重點介紹了顆粒濾料反沖洗技術的工作原理及特點，反沖洗方式、工藝優(yōu)化及工藝理論研究進展及應用現(xiàn)狀，并分析了顆粒濾料反沖洗技術的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：過濾；顆粒濾料；反沖洗

過濾是水處理常用手段之一，目前我國 90%以上的自來水廠采用混凝-沉淀-過濾-消毒的常規(guī)處理工藝［1］，過濾效果的好壞直接影響懸浮固體、有機物、濁度、細菌、病毒等的去除以及出水水質［2］，因此保持濾料穩(wěn)定的過濾性能至關重要?？鞛V池一般以顆粒狀材料作為濾料，當濾池運行一段時間后，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程中，處理水中的懸浮物質會穿透濾池，導致濾后水質不斷下降，最終使濾池停運。因此需定期對濾料進行反沖洗，去除濾料表面及間隙的污染物，以恢復濾料對雜質的截留能力，使濾料得以再生，從而保持濾料穩(wěn)定的過濾性能。

1　顆粒濾料反沖洗的工作原理及特點

反沖洗是一種為恢復濾料正常過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）通過濾層的清潔水或空氣的剪切作用實現(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濾的能力，如果濾池沖洗效果不佳，就會縮短過濾周期，甚至使得出水水質變差。

1.1工作原理

國內外對于反沖洗機理的認識并不完全一致，以T.Camp為代表的學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，并推導出水力剪切力強度和水頭損失的關系；藤田等認為顆粒間的碰撞力在濾料清潔中起主導作用，并根據(jù)顆粒碰撞次數(shù)最多的條件，推導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；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是單位時間單位體積內顆粒的碰撞次數(shù)，m-3·s-1；n是單位體積內的顆粒數(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，在反沖洗過程中，無論是剪切力還是碰撞摩擦都是水的速度梯度G值產生的，增大G值可有效提高濾料的清潔效率。高速水反沖洗實際產生的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，G值能有效提高到500 s-1以上，G值的增加不僅對濾料產生較強剪切作用，而且受氣泡的振動及卷帶作用，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

流體繞過物體流動時，邊界層從物體表面上分離可形成尾跡流［7］。由于尾跡內壓力低于周圍壓力，反沖洗時顆粒濾料在流體尾跡處，特別是氣泡尾跡處強烈翻滾，并隨尾跡的上升與周圍顆粒不斷進行交換。尾跡上升后留下的空隙由水填補，并將部分顆粒濾料帶入空隙，當下一個尾跡過后，周圍的水和濾料又會填補空隙，如此周圍濾料可產生振動，濾層攪拌劇烈，上升濾料可實現(xiàn)循環(huán)運動。當增加空氣反沖洗時，整個濾層內有濾料的循環(huán)移動，如此濾料受到比較徹底的清洗。因而氣水同時沖洗效果遠比單獨水洗效果更好，應用范圍更加廣泛。

2　顆粒濾料反沖洗技術研究與應用

2.1反沖洗方式研究及進展

早期人們認為濾料表面的有機膜是有效過濾的關鍵［8］，因此僅用水對濾料顆粒進行輕微清洗。美國用機械攪拌輔助砂子與雜質的分離，但由于水速低且沖洗強度弱，沖洗效果并不理想。美國辛辛那提的水廠在實驗研究中采用反沖洗強度為 10～16 L/（s·m2）的“高速沖洗法”，整個濾層在較高的反沖洗強度下處于懸浮狀態(tài)，流化的濾料更容易得到清潔。由于構造簡單、運行管理方便、沖洗效果明顯，在美國及日本等國長期得到廣泛的應用，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，不利于濾池長期運行，因此在后來的應用中常輔以表面沖洗。

19世紀末英國學者率先采用空氣和水相結合的反沖洗方式，之后幾年哈佛大學通過實驗證明，空氣沖洗可有效打碎濾層表面的泥塊或泥漿。由于配氣設施不過關等原因，氣水反沖洗技術的推廣應用受到限制，直至長柄濾頭的發(fā)明以及粗粒、均勻粒徑的深床濾池的興起，氣水反沖洗技術才普遍流行起來。Amirtharajah認為當氣流和亞流狀態(tài)的水同時產生［10，11］的時刻是氣水反沖洗最佳狀態(tài)，稱之為“脈沖塌陷”時刻。英、法等國家大力開展了氣水反沖洗工藝設計方面的更新與完善工作。如法國德格雷蒙（Degremont）公司設計的V型濾池，采用單一均勻濾料，應用兩極PLC可編程邏輯控制器實現(xiàn)了過濾-沖洗的自動化，氣水反沖洗與表面掃洗相結合。我國上世紀30年代引進氣水反沖洗技術，直至80年代，沈陽八水廠、西安曲江水廠、重慶和尚山水廠引進V型濾池，氣水反沖洗技術才得到廣泛的應用［12］。目前國內新建的水廠，基本都是采用氣水反沖洗方式。

2.2工藝優(yōu)化研究及進展

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，水源生態(tài)問題越來越突出，水處理面臨嚴峻的挑戰(zhàn)?；瘜W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，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注。

國外經(jīng)多年發(fā)展已經(jīng)形成相對成熟的工藝技術，對濾料反沖洗工藝的優(yōu)化進行了大量研究。Cranston研究發(fā)現(xiàn)，反沖洗時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進入到配水系統(tǒng)，導致水質參數(shù)改變必然導致絮凝劑用量的改變，因而實驗方案將在反復變化基礎上來確定最優(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減少，當無化學成分的反沖洗水增加到原水中時，用來去除氨的氯量就減少。

國內在工藝優(yōu)化方面，較多是針對具體問題進行改造，目前國內老水廠對單獨水反沖洗進行技術改造，改變?yōu)闅馑礇_洗。陶輝等［15］提出減少無效反沖洗的措施，并在試驗中取得較好的效果。自動化是近年來研究的重點，集成度較高的 DCS、PLC自動控制技術早就被應用于水污染治理［16］。如秦皇島水廠二期工程引進V型濾池工藝，并采用自動控制形式，達到優(yōu)化工藝、節(jié)水節(jié)能的目的［17］。

2.3工藝理論研究及進展

反沖洗技術發(fā)展至今已有數(shù)百年歷史，因其舉足輕重的地位，有關該工藝的分析研究一直是專家學者探究的重點。反沖洗技術發(fā)展初期，由于資源及先進設備的缺乏，有關反沖洗的分析局限于定性分析和實踐經(jīng)驗的積累，定量分析和數(shù)學模型的研究尚屬空白。

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

我國許多學者在反沖洗的定量分析方面進行了大量研究，朱月海等［20］在氣水反沖洗均質過濾工藝試驗研究的基礎上，將敏茨和Camp的流態(tài)理論運用于均質濾床的流態(tài)分析，并提出較全面而實用的評價指標。安鼎年等［21，22］通過定量分析氣水反沖洗過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理，同時分析了空氣在濾層中的運動狀態(tài)，推出了一般深層過濾高效率反洗速度的數(shù)學模式，并建立空氣沖洗數(shù)學模型且在實踐中得到驗證。

3　顆粒濾料反沖洗發(fā)展趨勢及展望

1975年，第一臺連續(xù)式砂濾器的誕生［23］。連續(xù)式砂濾器通過氣提使污砂在提砂管的提升過程中經(jīng)過不斷摩擦和撞擊，與污物得到很好的分離，反沖洗不涉及周期性問題。連續(xù)式砂濾器作為一種新型水處理設備，因其具有顯著的優(yōu)點和卓越的過濾性能受到了越來越多的關注，反沖洗的連續(xù)流場成為眾多學者研究的焦點。近年來，水力旋流器作為一種快速機械分離設備迅速發(fā)展起來的，因其具有結構簡單、分離效率高、操作維護方便等突出的優(yōu)點而應用廣泛［24］，利用旋流器的旋流場與濾料重力場結合的分析方法日益興起。

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

4　結 論

顆粒濾料反沖洗因其特點和重要性而具有鮮明的技術特色，經(jīng)過多年的相關研究，目前顆粒濾料的反沖洗技術已經(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：X703.1

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）01-0078-03

基金項目：黑龍江省科技廳應用技術研究與開發(fā)計劃項目（GC13C305）、黑龍江省自然科學基金項目（B2015012）、黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12541062）、黑龍江省高校科技成果產業(yè)化前期研發(fā)培育項目（1254CGZH12）、東北石油大學培育基金項目（XN2014108）、中石油化學工業(yè)聯(lián)合會科技指導計劃項目（2014-01-07）、大慶油田公司現(xiàn)場科學試驗項目（QR/A0/7-12-03）。

收稿日期：2015-06-24

作者簡介：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)大學市政工程專業(yè)，研究方向：從事有機廢水高級氧化技術、新型油水分離理論與技術研究及教學工作。Tel：0459-6503117，E-mail：yuzi7777@163.com。