微絮凝直接過濾的性能評價(jià)

【摘 要】 文章綜合討論了各種反應(yīng)過濾性能的單因子指標(biāo)和綜合指標(biāo)，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對目前能夠比較綜合反應(yīng)微絮凝直接過濾性能的綜合指標(biāo)I值進(jìn)行了驗(yàn)證，I值能夠在一定程度上準(zhǔn)確反映出濾池的過濾性能。

【關(guān)鍵詞】 均質(zhì)濾料 直接過濾 評價(jià)指標(biāo) 過濾性能

Indices for Micro flocculation direct filtering performance

Ren Bo

（China Railway Fifth Survey And Design Institute Group Co.，Ltd . Beijing 1102600）

【Abstract】 This article discussed various single factor index and comprehensive index which can reflect the direct filtering performance， and through a experiment， the value ‘I’ which was a comprehensive index that can reflect the micro flocculation filtering performance was verified.

【Key words】uniform media， direct filtration， evaluation index， filtration performance

過濾是水處理過程中不可缺少的一個重要處理單元，因此，保持過濾的高效性對于提高出水水質(zhì)、降低設(shè)備運(yùn)行成本具有十分重要的意義。在過濾過程中，影響過濾效果的因素很多，原水水溫、水質(zhì)、濾料性質(zhì)（顆粒粒徑、形狀和級配）、混凝劑種類和投加量、過濾速度等因素都對過濾過程產(chǎn)生影響。通常評價(jià)過濾性能的指標(biāo)有：過濾周期、濁度去除率、過濾速度、進(jìn)水濁度、出水濁度、水頭損失、濾層厚度、單位產(chǎn)水量等。

（1）過濾周期越長，反沖洗頻率越短，反沖洗用水量相應(yīng)減少，過濾產(chǎn)水量增加，過濾性能優(yōu)良；

（2）濁度去除率越高，說明濾柱的去濁能力較強(qiáng)，過濾性能優(yōu)良；

（3）當(dāng)產(chǎn)水量相同時，過濾速度越快，則需要的濾池面積小，過濾性能優(yōu)良；

（4）進(jìn)水濁度大，表明濾池可承受的工作負(fù)荷達(dá)，過濾性能優(yōu)良；

（5）出水濁度小，則過濾出水水質(zhì)較好，過濾效果優(yōu)良；

（6）水頭損失小，過濾過程中的能量損失較小，過濾效果優(yōu)良；

（7）濾層厚度涉及到濾池的建設(shè)高度，厚度越小，濾池的建造成本越低，過濾性能優(yōu)良；

（8）微絮凝的加藥量越小，則運(yùn)行成本越低，過濾性能優(yōu)良；

（9）單位產(chǎn)水量越大，過濾性能優(yōu)良。

以上評價(jià)都是用單一指標(biāo)衡量濾池的優(yōu)劣，它們在評價(jià)過濾性能時，彼此之間的結(jié)論有差別，甚至相互矛盾。因此，為了更好的衡量濾池的過濾性能，采用能反映上述指標(biāo)的一個綜合指標(biāo)是有必要的。

1 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)原水采用某石化廢水的二級出水，原水總磷約為2.0mg/L，濁度約為8NTU。試驗(yàn)所采用的混凝劑為聚硅酸鋁鐵，使用時首先進(jìn)行稀釋，然后通過蠕動泵進(jìn)行加藥。濾柱采用了均質(zhì)石英砂作為濾料，濾層厚度60cm，保持等速過濾。

2 試驗(yàn)測試指標(biāo)

測試指標(biāo)主要包括：（1）進(jìn)水總磷濃度；（2）出水總磷濃度；（3）加藥量；（4）水頭損失；（5）運(yùn)行時間及過濾周期

3 過濾試驗(yàn)

1）混凝劑加藥量

加藥量是影響后續(xù)過濾的一個重要因素。加藥量過大，則形成的絮體較大，容易造成濾柱內(nèi)的表層過濾，不能充分發(fā)揮整個濾層的性能，并且容易提升能個濾層的水頭損失，降低過濾周期；相反，投藥量過小，絮體也較小，此時絮體容易穿透濾層，達(dá)不到接觸絮凝的效果，導(dǎo)致出水水質(zhì)下降。最佳投藥量可通過燒杯小試試驗(yàn)確定。本次試驗(yàn)的投藥量確定在15mg/L。

2）微絮凝過濾工況

加藥量通過小試確定為15mg/L，濾層采用石英砂濾料，厚度為60cm，原水進(jìn)水總磷濃度變化范圍為2.0-3.0mg/L，分別采用濾速為6m/h和8m/h，進(jìn)行等速過濾，連續(xù)運(yùn)行一個周期。根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)得圖1及圖2分別如下。

圖1 過濾周期內(nèi)出水水質(zhì)

圖2 過濾周期內(nèi)水頭損失

隨過濾時間變化情況隨過濾時間變化情況

4 理論分析

很多學(xué)者[1]從不同的角度提出了關(guān)于過濾性能的不同評價(jià)指標(biāo)。Ives[2][3]采用了FN作為過濾效率因子來評價(jià)過濾工藝的整體性能。

（1）

式中，F(xiàn)N—過濾效率因子；

C0—進(jìn)水濁度，NTU；

Ce--出水濁度，NTU；

V—過濾速度，m/h；

T—過濾周期，h；

H—水頭損失，m。

FN是一個無量綱數(shù)，其值越小，濾池整體過濾性能越好，反之則越差。FN作為評價(jià)過濾性能的指標(biāo)，考慮到了進(jìn)出水濁度、過濾周期、水頭損失、過濾速度等各指標(biāo)對過濾過程的影響。在此基礎(chǔ)上，景有海[3]提出了以以JP作為評價(jià)過濾性能的指標(biāo)：

（2）

式中，JP—為無量綱因子；

L—濾柱濾層厚度，m。

同F(xiàn)N值一樣，JP值越小，濾池整體過濾性能越好，反之則越差。FN、JP作為反映過濾性能的指標(biāo)，均沒有反映出加藥量對過濾性能的影響。

Cleaby[4]提出的過濾性能評價(jià)指數(shù)為：

（3）

式中，--過濾系數(shù)；

--比沉淀量（mg/m2）；

-附加水頭損失（m）

過濾系數(shù)代表了深層過濾的截留效率，根據(jù)巖琦方程[3][5]有：

（4）

式中，--過濾系數(shù)m-1；

C—濾層深度為Z出的懸浮物濃度，mg/L；

Z—濾層深度，m

是表示深層過濾性能的一個重要參數(shù)，值越小，濾層的截留能力越小，過濾性能較差。但是，此時水中雜質(zhì)可以穿過濾層進(jìn)入到濾層深處，充分發(fā)揮濾池的深層截污能力，減少濾池的水頭損失速度，延長過濾周期。

式2-3、2-4反映了濾池由于截留雜質(zhì)而使得水頭損失增加的過濾狀況。但是，公式中并未涉及到過濾周期對指數(shù)的影響，且、值不能夠直接測得，使用不便。

Gaml和Rademadvher[6]提出的過濾性能評價(jià)指數(shù)如下：

（5）

式中，--過濾速度（m/h）；

--過濾周期（h）；

--水頭損失（m）

式2-5綜合了濾速、過濾周期以及水頭損失等來衡量過濾性能，但不包括水質(zhì)因素，不能全面反映過濾性能。

在以上基礎(chǔ)上，有學(xué)者提出了以下I值的表達(dá)式的過濾性能評價(jià)指標(biāo)：

（6）

式中，--清潔濾層的水頭損失，m；

M—過濾周期內(nèi)的平均加藥量，mg/L；

C0—進(jìn)水濁度，NTU；

Ce--出水濁度，NTU；

H—水頭損失，m

I—每消耗單位質(zhì)量的混凝劑量產(chǎn)出的水量，L/mg

上式中，過濾周期的控制指標(biāo)以來體現(xiàn)，是由于過濾過程截留雜質(zhì)而造成的水頭損失。此外，還以出水水質(zhì)作為輔助指標(biāo)，I值越大，表明過濾性能越好。本次試驗(yàn)主要以總磷作為出水控制指標(biāo)，故將上式中進(jìn)出水濁度替換為總磷濃度來作為微絮凝過濾工藝的性能評價(jià)指數(shù)。

5 本次試驗(yàn)性能指標(biāo)評價(jià)

通過量綱分析可知，I值的單位是L／mg，它反應(yīng)的是每消耗單位混凝劑量所能產(chǎn)生的水量，I值越大，則微絮凝直接過濾性能越好。將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)代入式（6）中，分別計(jì)算1，2兩組濾柱的過濾指數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表1。

其中，C0為平均進(jìn)水總磷濃度，mg/L

C為平均出水總磷濃度，mg/L

由表可已看出，在兩組濾柱加藥量相同，進(jìn)水總磷濃度大體一致的情況下，雖然出水總磷濃度也相近，且濾速為6m/h的濾柱過濾周期要長于濾速為8m/h的濾柱，但第1組濾柱的過濾性能指數(shù)I值比第2組濾柱要高，故說明第2組的濾柱工況更為合理。另外，在實(shí)驗(yàn)所規(guī)定運(yùn)行指標(biāo)下，合理改變?yōu)V層高度或改變?yōu)V料組成，并調(diào)節(jié)更加合理的加藥量，能更有效的提高過濾周期。

在濾速為8m/h的工況條件下，總磷的平均出水濃度為0.45mg/L，濁度的平均出水為2.0NTU，COD的平均出水濃度為31.52mg/L。

從上表中可以看出，微絮凝過濾對于總磷和濁度的去除效果較好，而對COD的去除效果則不如總磷和濁度的去除效果，且在過濾周期內(nèi)，隨著過濾時間的增加，各個指標(biāo)的去除效果隨之降低，當(dāng)接近過濾終點(diǎn)時，去除效果最差，這是由于隨著過濾的進(jìn)行，濾層對于雜質(zhì)的吸附達(dá)到飽和，過量的雜質(zhì)隨水流穿過濾層，導(dǎo)致出水水質(zhì)較差，因此，在過濾達(dá)到終點(diǎn)時應(yīng)當(dāng)及時進(jìn)行反沖洗，以保證出水水質(zhì)。

6 結(jié)論

從前面的分析得知，I值反映了消耗單位量藥劑的產(chǎn)水量，第2組試驗(yàn)的I值要大于第1組，即在相同的藥劑使用量下，第2組比第1組的產(chǎn)水量要高，這對于提高水處理工藝的經(jīng)濟(jì)適用性具有一定的指導(dǎo)意義。但是，對于一個特定的濾池，是否存在一個最佳I值或I值的取值范圍仍然是一個有待繼續(xù)研究和討論的課題。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉輝，夏群，王文標(biāo)，等，直接過濾池過濾性能綜合評價(jià)指標(biāo)[J]，中國市政工程，2001（1）：56-59

[2] 張克鋒，直接過濾阻力系數(shù)K的試驗(yàn)研究，山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1995年3月，第10卷，第1期

[3] 景有海，均質(zhì)濾料直接過濾性能的評價(jià)指標(biāo)，給水排水，2000， Vol.26， No.3

[4] J L Cleasby. Approaches to a filterability index for granular filters. J Am Wat Wks Assn， 1969：372-381

[5] 景有海，水的過濾理論基礎(chǔ)，西安建筑科技大學(xué)，2001

[6] M B Gaml， G M Rademadvher. Measuring filter performance. Wat Wks Eng， 1959