内循环连续式砂滤器的微絮凝过滤试验

陈志强1， 吕炳南1， 温沁雪1， 冯令艳1， 李武2
( 1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨15 0090；2.深华房地产开发有限公司，广东深圳518002 )

　　 摘 要： 所开发的内循环连续式砂滤器利用微絮凝过滤技术，采用体内循环洗砂系统进行连续过滤、反冲洗。对影响内循环连续式过滤器效率的工作参数进行了研究，同时就滤前水处理情况对出水水质的影响进行了试验，为该装置的应用创造了条件。
　　关键词： 内循环连续式砂滤器； 微絮凝； 工作参数； 滤前水处理
　　中图分类号：TU991.24
　　文献标识码：C
　　 文章编号：1000-4602(2002)01-0045-05

　　连续式砂滤器是近年来国外研制成功的一种新型一体化水处理设备，它省略了常规净水工艺中的反应、沉淀工段，在装置中完成絮凝、过滤和反冲洗过程，使得在滤床中直接进行凝聚和分离成为可能。由于几乎所有的化学处理步骤都直接在滤床中进行，因此连续式砂滤器在设备体积上比传统的化学处理节省80%以上，加药量则节省了20%～30%［1］。正是基于以上的优点，连续式砂滤器得到广泛的开发应用，目前美国、日本已经有1 000多套连续 式砂滤器应用于中、小型水厂［1］。
　　经多年研究，笔者也开发出一套内循环连续式一体化净水设备(专利号：01250908.6)，并在了解连续式砂滤器工作机理的基础上，探讨了滤池工作参数对其处理效果的影响，就滤 料粒径、滤速、滤层厚度、压缩空气量、空气压力、砂循环速率、搅拌强度、反应时间等对出水水质的影响进行了定量分析，得到一系列运行参数，为该设备的应用创造了条件。

1 试验流程及装置

1.1 试验流程
　　试验流程见图1。
1.2 砂滤器的构造及工作原理
　　试验设备直径为300 mm,总高为2.5 m。石英砂滤料的有效粒径为0.7～1.0 mm，滤层高度为0.8 m。砂滤器的构造见图2。

　　过滤过程：经投加混凝剂的原水由进水管(A)进入布水器装置(B)。在水流从布水支管的孔口流出后由下而上通过滤层(C)的过程中，原水中的悬浮物被滤料截流下来，滤后上升到集水 槽(D)，经出水管(E)进入贮水池。
　　反冲洗过程：压缩空气(O)通入砂滤器中部的提砂管(F)，带动砂滤器底部的脏砂一同上升，被提升的混合物从提砂管顶部(G)落入洗砂槽，砂粒则随水流进入“错环式”洗砂器(H)。在过滤出水与反冲洗出水水位差的作用下，提砂管内的气提水和洗砂器内的冲洗水一同排出滤池。在重力作用下洗净的滤料经布砂罩(L)循环落回到滤层。

2 影响因素分析

　　由于PAC具有强烈的电中和脱稳能力及快速的絮凝反应动力学及结团絮凝反应特征，在直接过滤中作为单一的混凝剂对于处理低浊水和中低浊度水中的有机物是有效的，因此试验中采 用PAC做絮凝剂。
2.1 滤池工作参数的影响
　　① 滤料粒径
　　选用0.7～1.0 mm的细砂、1.0～1.25 mm的中砂和1.25～1.5 mm的粗砂进行对比试验，运行4h后测定出水水质，试验结果见表1。 表1 滤料粒径对出水水质的影响 滤料粒径(mm) 进水浊度(NTU) 出水浊度(NTU) 工作条件 0.7～1.0 40 1.2～1.8 PAC：20 mg/L；气压(P)：0.4 MPa；滤速(v)：7 m/h；砂循环速率(WZ)：3mm/min；水温(T)：16.5～18.5 ℃。 1. 0～1.25 39 3.1～4.2 1.25～1.5 38 3.9～5.6

　　从表1可以看出，采用0.7～1.0 mm的细砂时出水水质较好。对0.3～0.5 mm的细砂也进行了试验，由于设备运行过程中提砂量过大，导致洗砂管堵塞，水位差不能起到逆水分离悬浮物的作用，从而使悬浮物和砂粒一起从洗砂器落下，致使滤后水和反冲洗水相混，出水水质恶化，滤层清洗不充分，连续运行被破坏，故试验中均采用0.7～1.0 mm的砂滤料。
　　② 滤层厚度
　　试验的滤层厚度分别为0.5、0.7、1.0 m，设备连续运行4 h后测定出水浊度，结果见图3、4。

　　试验以f/f0表示浊度残余率，其中图3的试验条件为：P=0.4 MPa，PAC=20～25 mg/L，WZ=3.6 mm/min，ΔW=1.5 cm，T=16.5℃，v=7～8 m/h；图4试验条件为P=0.4 MPa，PAC=20～25 mg/L，WZ=3 mm/min，ΔW=1.4 cm，T=6.5 ℃，v=7～8 m/h。
　　从图3、4可以看出，内循环连续式砂滤器的工作区域主要在滤层的下部(可看作过滤工作层)，上层基本上未参与过滤。对于低温水，由于粘度大、微絮体与滤料结合力弱等原因，微絮体深入滤层较深，其主要的工作层约有40 cm。从图3可以看出，当水温为16.5 ℃时过滤工 作层为30 cm。由于连续式砂滤器不存在过滤吸附层上移的问题，滤层保持稳定的状态，故可采用浅层滤层，其厚度略大于过滤工作层即可。
　　③ 滤速
　　不同滤速对出水水质的影响见表2。 表2 滤速对出水水质的影响 滤速v(m/h) 进水浊度(NTU) 出水浊度(NTU) 浊度去除率(%) 工作条件 7～8 83.5 2.31 97.2 P：0.4 MPa；PAC：15 mg/L；WZ：3 mm/min；ΔW：1.6 cm；T：20.5～23.5 ℃ 10～11 81.4 3.14 96.2 12～12.5 86.4 3.50 96.0

　　由表2可以看出，随着滤速的增加过滤效果略有降低。这是因为：滤速大时上升水流对底层滤料作用力大，使底层的水砂比变大，滤料间孔隙率提高，不利于接触絮凝，一些颗粒容易穿透，导致过滤效果降低。而当投药量增大到25 mg/L时出水水质改善很多，由此可见内循环连续式砂滤器适用于较高滤速运行，但提高滤速的同时一定要增大投药量，以保证悬浮物在有效过滤工作层内被吸附截留。滤速提高时，如果不增大投药量会造成过滤工作层的延伸，而砂层得不到有效清洗会形成不清洁滤层，破坏连续式过滤状态，使出水水质恶化，建议内循环连续式砂滤器的滤速以小于12 m/h为宜。
　　④ 压缩空气气压、气量
　　压缩空气的气压、气量对出水水质的影响是在运行2 h后测定的。试验条件为：浊度=25 NTU，水温=7.5 ℃，投药量=25 mg/L，砂循环速率=3 mm/min，水位差=1.4 cm，进水量=750 L/ h，滤层=0.7 m，结果见表3。 表3 压缩空气气压、气量对出水水质的影响 空气压力为0.3 MPa 空气压力为0.4 MPa 空气压力为0.5 MPa 空气量(m³/h) 提砂水量(m³/h) 气水比 出水浊度(NTU) 空气量(m³/h) 提砂水量(m³/h) 气水比 出水浊度(NTU) 空气量(m³/h) 提砂水量(m³/h) 气水比 出水浊度(NTU) 0.28 提砂量很少 0.28 提砂量很少 0.28 0.200 1.4 1.13 0.32 0.123 2.96 1.13 0.32 0.072 4.5 1.20 0.32 0.054 5.9 1.15 0.36 0.079 4.5 1.02 0.36 0.048 7.5 1.25 0.36* 0.030 12 1.23 0.40 0.068 5.9 1.35 0.4* 0.036 11 1.10 0.40 0.028 14 2.16 0.44 0.058 7.6 1.60 0.44 0.026 17 1.32 0.44 0.018 24 4.56 0.48* 0.052 9.2 1.36 0.48 0.18 27 5.15 0.48 0.008 60 8.67 0.52 0.036 14 3.37 0.52 0.014 37 5.23 0.52 0.005 104 11.2 0.56 0.015 37 7.64 0.56 0.009 62 9.87 0.56 0.001 560 11.90 注： ①当空气量很少时，提砂量也很少、洗砂套管阻力小，大量过滤出水在水位差的作用下从反洗管排出；提砂管也提升部分水量，过滤出水很少。②*表示在所对应的 气压、气量下，设备运行状态较好。

　　从表3可以看出：
　　a.提砂管内气水比为9～11时，设备稳定运行，滤料得到有效的清洗，反冲洗水量合理，处理出水水质较好。
　　b.提砂管内气水比＜9～11时，提砂管的水量较大，设备运行前几个小时出水水质较好，经过一个滤层反洗周期后，出水水质恶化，砂层的水头损失逐渐增大，说明过滤吸附层没有 得到有效的冲洗。这是因为提砂量较小、含污层清洗不完全，造成滤层逐渐被含污砂层代替。随着过滤的进行，最终滤层的过滤吸附作用被破坏，出水水质很差。
　　c.提砂管内气水比＞9～11时，提砂管内的水量较小，提升的砂料较多，滤料在提砂管内清洗效果差。当砂粒落入错环式洗砂器后，大量拥挤在洗砂器内，洗砂器内的阻力增大，水位差不能有效地将悬浮物从洗砂器压出，使反冲洗出水与滤后水混合，出水水质恶化。
　　⑤ 砂循环速率
　　砂循环速率WZ指石英砂滤料在过滤器内单位时间的下移距离(mm/min)。由于连续式砂滤器没有过滤周期，因此有效地对滤料进行清洗，保持滤层的稳定工作状态至关重要。连续式砂滤器的滤料清洗速度由中心提砂管的提砂速度决定。
　　砂循环速率对出水水质的影响(试验水温=7.5 ℃，投药量=25 mg/L，气压=0.4 MPa，水位差=1.4 cm，进水量=600 L/h，滤层=0.7 m)见图5。

　　从图5可以看出：
　　a.砂循环速率在2～4 mm/min时过滤出水水质稳定。
　　b.砂循环速率＜2 mm/min时出水水质稍差，这是因为砂循环速率小于过滤吸附层的上移速度时含污滤层得不到有效清洗，滤层水头损失不断变大，稳定的连续过滤被破坏。
　　c.砂循环速率＞4 mm/min时滤后水的水质下降、除浊效率低。砂循环速率高时，脏砂拥挤于洗砂器内，滤料的反洗效果差。同时由于脏砂的拥挤造成阻力增大，阻止冲洗水及时排出，使滤后水和冲洗水混合，降低了过滤效率。
2.2 滤前水处理情况的影响
　　由于内循环连续式砂滤器省略了沉淀处理单元，同时反应单元的反应时间大大减少，为了保证含污滤层得到有效的清洗，防止因工作层洗砂不充分造成出水恶化，滤前水的混合强度和反应条件的控制更为重要。
　　① 搅拌强度
　　搅拌强度对出水水质的影响
　　(浊度=33 NTU，水温=17.5 ℃，PAC=25 mg/L，气压=0.4 MPa，气量=0.40m³/h，进水量=600 L/h，滤层=0.7 m,ΔW=1.4 mm，反应时间=2 min)见图6。当GT在5 000～10 000时混合效果较好。搅拌强度过低，药剂分散不均匀，出水水质不好；搅拌强度过大则形成的微絮体过小、穿透滤层太深，使提砂速率小于含污层的上移速率，出水水质恶化。

　　② 反应时间
　　进水浊度低时滤前反应时间对出水水质的影响(P=0.4 MPa，PAC=20 mg/L，WZ=3.6 mm/min，ΔW=1.4 cm，T=4.5 ℃，v=7～8 m/h，Q=600 L/h，GT =5 000，进水浊度=16 NTU，混合时间=1 min,滤层L=0.7 m)见图7。

　　进水浊度高时滤前反应时间对出水水质的影响(P=0.4 MPa，PAC=20～25 mg/L，WZ=3 mm/min，ΔW=1.4 cm，T=6.5 ℃，v=7～8 m/h，Q=600 L/h，GT=5 000，进水浊度=200 NTU，混合时间=1 min，滤层L=0.7 m)见图8。
　　从图7、8可以看出，对于低浊水，只要有3 min的微絮凝池反应时间就可以得到较好的出水水质；当处理高浊水时，在较短反应时间形成的絮凝体不能在连续式砂滤器的有效过滤层截留，长时间运行后稳定的连续式过滤过程被破坏而使出水水质恶化，因此必须保证有6～7 min的反应时间。

3 滤料清洗程度判定

　　连续式砂滤器能够稳定运行，关键在于对提升滤料进行彻底、有效的清洗，而如何确定滤料得到了有效清洗则很重要。滤料清洗程度的判定依据有以下两个：①滤池表面出水水质稳定并与清水区水质一致；②若是清洗干净的滤料连续落入滤层，滤层上部就能保持稳定的水头损失，因此可以通过测定上层的水头损失是否稳定来确定砂粒清洁与否。在试验中对不同位置的水头进行了测定，h2表示原水过滤时的水头损失，h1表示清水过滤时的水 头损失，试验结果见图9。

　　从图9可以看出，设备在稳定运行时能够保持一定的水头损失。h2-h1曲线表明，过滤水头主要损失在消能板上30cm滤层内，而上层40 cm的滤层水头损失基本没有增加，说明系统稳定运行时滤料清洗得比较干净，可以保证连续稳定地进行过滤。

4 结论

　　对影响内循环连续式过滤器工作效率的滤池工作参数进行了试验，提出设备运行的关键工作参数：滤料粒径为0.7～1.0 mm、滤层厚度为0.6 m、滤速＜12 m/h、提砂管内气水比为9～1 1、砂循环速率为2～4 mm/min；同时对滤前工作条件进行了研究，认为滤前的GT值应保证在5 000～10 000；进水浊度低时滤前微絮凝反应时间≥3 min，进水浊度较高时滤前微絮凝时间≥7 min。

参考文献：

　　［1］Kramer J P，Wouters J P.Dynasand filtration for drinking-water production［J］. J Water SRT-Aqua,1993,(2)：97-104.

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　　收稿日期：2001-09-08