李訓(xùn)猛,潘 昀,桂福坤

(浙江海洋大學(xué),國(guó)家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心,浙江舟山316022)

滴濾式砂濾池水力特性初步研究

李訓(xùn)猛,潘 昀,桂福坤

(浙江海洋大學(xué),國(guó)家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心,浙江舟山316022)

為增強(qiáng)砂濾池過(guò)濾性能,探究散水滴濾式砂濾池水力特性,掌握其過(guò)水規(guī)律,以石英砂為濾池填充濾料,通過(guò)物理模型試驗(yàn),研究飽和砂層散水滴濾模式下濾料粒徑、濾層厚度對(duì)砂濾池過(guò)水流量的影響,建立了關(guān)系曲線及函數(shù)表達(dá)式。結(jié)果顯示:濾層厚度為0～4 cm時(shí),砂濾池中出水量約由100 cm3/s增加到600 cm3/s;砂濾池過(guò)水流量與濾層厚度呈單調(diào)遞增關(guān)系,濾料粒徑越大,流量增長(zhǎng)越快;砂濾池過(guò)水流量與濾料粒徑呈二次函數(shù)遞增關(guān)系;濾層厚度大于40 cm,以粒徑為5～6mm石英砂作為濾料的砂濾池,過(guò)水流量約穩(wěn)定在410～420 cm3/s;以粒徑為7～8 mm石英砂作為濾料的砂濾池,過(guò)水流量穩(wěn)定在640～650 cm3/s;粒徑為1～2mm與粒徑為3～4mm對(duì)應(yīng)的流量曲線較為接近,且均隨濾層厚度遞增。在濾層厚度恒定條件下,增大石英砂粒徑,濾池中的過(guò)水流量也逐漸增加,且不同濾層厚度對(duì)應(yīng)的流量曲線平行遞增。試驗(yàn)得出的砂濾池過(guò)水流量與濾料粒徑、濾層厚度的擬合曲線可為砂濾池的設(shè)計(jì)、建造及濾料選擇提供理論參考。

砂濾池;散水滴濾;過(guò)水流量;水力特性

水體凈化是工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要技術(shù)之一。目前常用的水體凈化方法有物理方法、化學(xué)方法和生物方法[1-4]。水體凈化裝置有池塘清淤機(jī)、水質(zhì)凈化殺菌裝置、過(guò)濾機(jī)和砂濾池[5]。其中的砂濾池具有投資少、效率高、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)[6-8],且能提供大容量的緩沖空間,始終保持循環(huán)水的穩(wěn)定性[9]。

砂濾池是以石英砂為填充濾料,水體在重力作用下透過(guò)濾層,利用濾料的截污作用將水中懸浮顆粒截留,從而達(dá)到凈化水體的效果[10]。此外,石英砂有較大的比表面積,可適應(yīng)硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖,有利于凈化水質(zhì)[11]。水處理過(guò)程中,砂濾池結(jié)構(gòu)形式多種多樣,以石英砂作填充濾料的普通快濾池使用年代最久,應(yīng)用范圍最廣。

國(guó)內(nèi)已有關(guān)于石英砂砂濾池的散水滴濾研究[12-13],但對(duì)養(yǎng)殖砂濾池水力特性的研究尚未形成系統(tǒng)理論。本研究以石英砂砂濾池為研究對(duì)象,探究濾料粒徑、濾層厚度對(duì)過(guò)濾流量的影響,以期為設(shè)計(jì)養(yǎng)殖砂濾池提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與裝置

1.1 試驗(yàn)材料

均質(zhì)石英砂粒徑大小均勻,可減小濾層表面堵塞的負(fù)面影響,從而使整體濾料共同承擔(dān)截污作用。將傳統(tǒng)濾料替換為均粒石英砂,產(chǎn)水量可提高5%[11]。

本試驗(yàn)選用鞏義均質(zhì)石英砂,經(jīng)清水洗滌,去除砂礫表面的粘附性雜質(zhì),篩網(wǎng)篩濾,按粒徑大小共分4組,依次為1～2 mm(1號(hào))、3～4 mm(2號(hào))、5～6 mm(3號(hào))和7～8 mm(4號(hào))。篩網(wǎng)網(wǎng)目2、4、8、12、16、20和24對(duì)應(yīng)的粒徑分別是8.0、4.8、2.4、1.4、1.0、0.8和0.7 mm。

1.2 石英砂當(dāng)量粒徑

石英砂的當(dāng)量粒徑計(jì)算公式[14]:

式中:D—石英砂當(dāng)量粒徑,mm;di—通過(guò)兩個(gè)相鄰篩孔的石英砂的幾何平均粒徑,mm;d1、d2—分別為相鄰兩個(gè)篩孔的標(biāo)稱孔徑,mm;Xi—石英砂粒徑介于d1、d2間的石英砂量占總量的百分比,%。

經(jīng)計(jì)算得出本試驗(yàn)所用4組石英砂當(dāng)量粒徑分別為 1.41 mm(1號(hào))、3.46 mm(2號(hào))、5.48 mm(3號(hào))和7.48 mm(4號(hào))。

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在浙江海洋大學(xué)國(guó)家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心的砂濾池中進(jìn)行。砂濾池長(zhǎng)1.45 m、寬0.82 m、高2.12 m,具有抽水、排水、計(jì)時(shí)、數(shù)據(jù)采集等配套裝置(圖1)。

圖1 砂濾池結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of sand filter

砂濾池由A、B、C三個(gè)水槽組成,其中,A槽裝有調(diào)節(jié)閥流量槽,可控制滴淋管的流量恒定;B槽作為試驗(yàn)槽放置石英砂,散水滴濾;C槽作為儲(chǔ)水槽,用于測(cè)定不同時(shí)刻水位高度,并換算為過(guò)水流量。在B槽下方安置鋼板承托層,用于支撐上部的石英砂。承托層上鋪設(shè)200目網(wǎng)片,底部設(shè)有球閥。常用的濾網(wǎng)網(wǎng)目可以過(guò)濾掉36%～67%的懸浮物。網(wǎng)目越小,其過(guò)濾效果越好[15-16]。

本試驗(yàn)中,濾槽下方使用200目的網(wǎng)膜,而試驗(yàn)測(cè)得的流量中也包含了濾膜的效果。

1.4 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)分別測(cè)定1～4號(hào)石英砂在濾層厚度為10、20、30、40和50 cm時(shí)的流量大小。記錄C槽水位上升高度及對(duì)應(yīng)時(shí)刻。通過(guò)調(diào)節(jié)A槽的出水球閥來(lái)控制B槽內(nèi)的水位高度,并與濾料上表面齊平。每組試驗(yàn)進(jìn)行3次,取平均值。

2 結(jié)果

2.1 濾層厚度對(duì)流量的影響

圖2a給出了在上述工況的砂濾層厚度與流量的關(guān)系。分析數(shù)據(jù)可知:Q10

圖2 流量與濾層厚度關(guān)系Fig.2 The relationship between flow and thickness

1、2號(hào)砂對(duì)應(yīng)的流量繼續(xù)增大,但增長(zhǎng)幅度明顯減小。由此可得,濾層厚度為40 cm時(shí),砂濾池的過(guò)水效果最好。此結(jié)果可應(yīng)用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。以4號(hào)砂為例,當(dāng)砂濾池所需的流量在600 cm3/s以上時(shí),濾層厚度增加,過(guò)水流量幾乎不變。改變?yōu)V層厚度時(shí),以5號(hào)砂作砂濾池填充濾料時(shí),砂濾池中過(guò)水流量始終最大。為提高濾料截污能力,可通過(guò)增大濾層厚度提高砂濾池過(guò)濾性能。由圖 2b可知,擬合曲線斜率 k1= 5.148 6

其中,1、2號(hào)砂對(duì)應(yīng)的流量曲線較為接近,斜率相差0.091 2,而當(dāng)以大于2號(hào)砂作為砂濾池填充濾料時(shí),流量增幅較大。濾層厚度小于10 cm,石英砂粒徑小于3號(hào)砂時(shí),流量變化不明顯。實(shí)際生產(chǎn)中,此流量增速曲線可指導(dǎo)砂濾池濾料參數(shù)的選取與設(shè)定。

2.2 濾料粒徑對(duì)流量的影響

圖3a給出了不同粒徑條件下的流量變化情況。

圖3 流量與粒徑關(guān)系Fig.3 The relationship between flow and particle size

由圖可知:Q1號(hào)砂

2.3 濾料粒徑、厚度對(duì)流量的影響

圖2a中,1號(hào)砂曲線與2號(hào)砂曲線較為接近。因此可得出,濾料粒徑小于2號(hào)砂時(shí),粒徑對(duì)流量的影響較小,而大于2號(hào)砂時(shí)影響較大;濾層厚度小于10 cm且粒徑小于3號(hào)砂時(shí),流量大小幾乎相同,此時(shí)改變?yōu)V層厚度或改變?yōu)V料粒徑,流量變化不大。實(shí)際生產(chǎn)中,在保證出水水質(zhì)的前提條件下,可適當(dāng)選取粒徑大于4 mm的石英砂作濾料。濾層的截污能力主要取決于濾料間的孔隙大小。在濾層厚度不變的情況下,粒徑越大其孔隙也越大,過(guò)濾能力隨之減小。

圖3a給出了砂濾池過(guò)水流量與粒徑的關(guān)系。由圖可知,隨著濾料粒徑的增大,砂濾池中的過(guò)水流量呈二次函數(shù)遞增。濾層厚度為 40 cm和50 cm的兩條曲線相互接近,表明此時(shí)再繼續(xù)增大濾層厚度,流量變化較大。把濾料的當(dāng)量粒徑、濾層厚度作為兩個(gè)自變量,過(guò)水流量作為因變量,利用TableCurve 3D軟件將三者進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖4所示。

圖4 流量與濾層厚度、粒徑的擬合曲面關(guān)系Fig.4 Fitting surface of flow,thickness and particle size

擬合表達(dá)式為:

式中:Q—砂濾池過(guò)水流量,cm3/s;x1—石英砂當(dāng)量粒徑,mm;x2—濾層厚度,cm。

相關(guān)系數(shù)R2=0.98,擬合效果較好。

3 討論

3.1 流量曲線變化分析

濾料粒徑與濾層厚度有著密切聯(lián)系。粒徑越大,由于單位厚度的濾料與水體中的固體懸浮顆粒的接觸機(jī)率減小,同時(shí)又要保證出水水質(zhì),這就要求增大濾層厚度。粒徑越小,所要求的濾層厚度也越小。理論上,應(yīng)選擇較大粒徑石英砂作砂濾池濾料。對(duì)濾后出現(xiàn)的水質(zhì)問(wèn)題,可采取適當(dāng)增加濾層厚度的方法來(lái)彌補(bǔ)[17]。但如果濾料粒徑過(guò)大,且石英砂的含污層過(guò)深,這將增大后期反沖洗的難度,成本也會(huì)增加。

以1號(hào)、2號(hào)砂作填充濾料的砂濾池,其過(guò)水流量與濾層厚度呈線性遞增關(guān)系,3號(hào)、4號(hào)砂所對(duì)應(yīng)的流量在濾層厚度大于40 cm后趨于穩(wěn)定。取3號(hào)、4號(hào)砂在濾層厚度40 cm前的流量數(shù)據(jù)分析,得出其過(guò)水流量與濾層厚度仍呈線性遞增關(guān)系(圖2b)。由擬合方程的斜率可知,隨著濾層厚度增加,粒徑較大的濾料,其流量增長(zhǎng)越快。由圖3a可知,砂濾池過(guò)水流量與濾料粒徑的關(guān)系符合二次函數(shù)。例如,取3號(hào)砂、濾層厚度30 cm的工況進(jìn)行分析可知,隨著濾料粒徑增大,砂濾池過(guò)水流量逐漸增大,且流量增長(zhǎng)速度越來(lái)越快。

本試驗(yàn)中,改變?yōu)V層厚度時(shí),由于時(shí)刻保持水位與砂面齊平,故濾料層持水量也隨之變化,水位高,砂濾池中壓力大,出水管的流速快,過(guò)流量就大。說(shuō)明壓力的作用大于砂層的阻力,當(dāng)持續(xù)加厚砂層,阻力增加量與壓力增加量達(dá)到平衡,流量趨于穩(wěn)定。

3.2 L/d值對(duì)過(guò)濾性能的影響

砂濾池過(guò)濾機(jī)理即是濾料對(duì)水體中固體懸浮顆粒的截留過(guò)程,被截留的污染物填充于濾料間的空隙,石英砂濾層厚度增加,濾料粒徑增大,其外觀表象為過(guò)濾能力增強(qiáng),納污能力增加[18]。此外,濾料粒徑越大,水體中污物越能被輸送至下一濾料層,在有足夠?yàn)V層厚度保證出水水質(zhì)的條件下,將有更多懸浮顆粒被截留。這也便于中下層濾料更好地發(fā)揮截留作用。有學(xué)者[17-21]提出用L/d(L、d分別表示濾層厚度與濾料粒徑)描述砂濾池的過(guò)濾性能,因?yàn)長(zhǎng)/d決定了濾料所能提供的表面積大小,進(jìn)而決定了砂濾池的過(guò)濾性能。從技術(shù)角度分析,L/d值越大越好,但實(shí)際生產(chǎn)中,綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素,應(yīng)在滿足預(yù)期過(guò)濾出水水質(zhì)的條件下,選取可提供最小表面積的L/d所對(duì)應(yīng)濾層,濾料參數(shù)。本試驗(yàn)中 L/d最大值為35.46,此時(shí)砂濾池中過(guò)水流量約為300 cm3/s。L/d最小值為1.34,此時(shí)砂濾池中過(guò)水流量約為250cm3/s。但并不是且隨著L/d增大砂濾池過(guò)水流量也逐漸增大。其具體原因有待進(jìn)一步探究分析。

目前已有研究的較大粒徑大多在 0.8～ 1.2 mm間,濾層厚度為1 m左右[22],其主要應(yīng)用于養(yǎng)殖污水處理,以去除水中的殘余餌料、排泄物等,砂濾池中過(guò)水流量較小。而在海水預(yù)處理階段,由于海水較為純凈,故可適當(dāng)增大濾料粒徑,減小濾層厚度,提高過(guò)水流量。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)探究了在飽和砂層散水滴濾模式下,濾料粒徑、濾層厚度對(duì)砂濾池流量的影響,構(gòu)建了影響關(guān)系曲線及其表達(dá)式。通過(guò)分析得出以下結(jié)論:(1)濾層厚度10～40 cm時(shí),砂濾池過(guò)水流量與濾層厚度呈線性遞增關(guān)系;濾層厚度大于40cm后流量值趨于穩(wěn)定;40 cm可作為指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的理論參數(shù)。(2)濾料粒徑小于3～4 mm時(shí),粒徑大小對(duì)流量的影響較小;濾料粒徑大于3～4mm后,粒徑大小對(duì)流量的影響較大。(3)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求,結(jié)合擬合出的流量、濾料粒徑、濾層厚度關(guān)系表達(dá)式,可使石英砂的規(guī)格選定更加高效。

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Preliminary study on hydraulic characteristics of sprinkler sand filter

LI Xunmeng,PAN Yun,GUI Fukun
(National Engineering Research Center forMarine Aquaculture,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

In order to improve the performance of sand filter,explore the hydraulic characteristics of sprinkler sand filter and understand the special rules of water flow,effects of particle size and thickness on flow under sprinkler filtermode of saturated sand layer are studied through physicalmodel experimentwith quartz sand as filler,and relation curve and function expression are created.Results show thatwhen the filter layer thickness is 0-4 cm,the water flow in sand filter increases from about 100 cm3/s to 600 cm3/s;the flow and thickness presentamonotonic increasing relation,and the larger the particle size is,the faster the flow increases;the flow and particle size present a quadratic function increasing relation;when the thickness is above 40 cm,for sand filter with quartz sand of particle size 5-6mm as filler,the flow is stabilized at about410-420 cm3/s;for sand filter with quartz sand of particle size 7-8 mm as filler,the flow is stabilized at 640-650 cm3/s;for particle size of 1-2mm and 3-4mm,corresponding flow curves are close,and both increase with the thickness.When the thickness is constant,with increase of particle size of quartz sand,the flow in the filter also increases gradually,and corresponding flow curve at different thickness increases in parallel.The fitting curve of flow, particle size and thickness of sand filter obtained from the experimentmay provide theoretical reference for the design and construction of sand filter and the selection of filtermaterial.

sand filter;sprinkler filter;flow;hydraulic characteristics

S969.38

A

1007-9580(2017)03-041-05

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.03.007

2017-05-16

浙江省自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目(Z16E090006);舟山市海洋專項(xiàng)(2015C41001)

李訓(xùn)猛(1992—),男,碩士研究生,研究方向:設(shè)施漁業(yè)工程裝備,E-mail:1442960054@qq.com

桂福坤(1976—),男,教授,研究方向:海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù),E-mail:gui2237@163.com