污水深度處理中濾布濾池工藝設計方案探討

張武剛

(上海禾元環保集團有限公司，上海 201204)

隨著經濟發展和生活水平提高，對污水處理設施的建設需求日益增長。《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)和《城市污水再生利用》系列標準實施以來，對污水廠新建、污水廠提標改造、城鎮污水再生利用要求水質逐步提高。目前我國污水處理建設已經由“規模增長”向“提質增效”轉變，由“污水處理”向“再生利用”轉變。

污水處理和再生利用標準中對懸浮物或濁度指標有要求，過濾是達標排放或再生利用的關鍵技術。過濾是借助過濾材料分離廢水中雜質的一種技術，分為顆粒材料過濾和多孔材料過濾兩大類。水處理和再生利用領域常用的過濾技術有以下幾種：粒狀濾料濾池(如V型濾池)、濾布濾池(如纖維轉盤濾池)、纖維束濾池(如D型濾池)、連續過濾砂濾池(如連續流砂濾池)、膜過濾(如超濾)、濾芯過濾(如PP過濾器)、疊片盤式過濾、濾袋過濾等，關于各種過濾技術的應用和比較，文獻中已有報道[1-4]。其中，濾布濾池是利用一定孔徑的濾布過濾以去除懸浮固體，主要使水中懸浮物、濁度指標達到污水排放或再生利用標準。關于濾布濾池的特點和比較在各種文獻中已有相關報道[5-6]。

本文主要從設計及設備選型方面對濾布濾池進行介紹，總結設計參數并提出設計要點，結合濾布濾池在深圳福田污水處理廠的應用，詳細介紹了濾布濾池在污水深度處理工程中的設計與選型參數。

1 過濾機理、類型比選及運行過程

1.1 過濾機理

按照Elsevier出版的過濾器和過濾手冊(filters and filtration handbook)對過濾機理的分類，濾布濾池的過濾機理主要有表面篩濾(surface straining)和深層粗濾(depth straining)兩種。表面篩濾是指尺寸大于介質空隙的顆粒沉淀于截留表面；深層粗濾是指顆粒進入介質的深部，并依靠深部流道尺寸小于顆粒尺寸來截留顆粒。

1.2 類型比選

根據以上兩種過濾機理，濾布濾池常用的過濾介質分為以下兩類。

纖維織物/絲網濾布類：不銹鋼絲網或聚酯絲網是由不銹鋼絲或聚酯絲編織成的空隙為微米級別的濾網，其過濾原理是通過空隙進行表面篩濾，屬于表面過濾。不銹鋼絲網濾布壽命可達10～15年，聚酯絲網濾布壽命相對較短，二者均沒有過濾深度，過濾水位上升快，沖洗頻繁。

纖維毛類：纖維毛濾布是由聚酯支撐和尼龍纖維堆織而成，濾布孔徑為10 μm，屬于表面過濾。過濾時纖維毛無規則搭接，纖維毛間可以形成3～5 mm過濾深度，形成致密的纖維過濾層，提高了介質的納污能力，過濾水位上升相對較慢，但纖維毛濾布不適用于含纖維狀懸浮物的污水過濾。

濾布濾池按過濾器工作原理分為外進水和內進水兩種。外進水是進水重力流通過濾布，懸浮物被截留在濾布外側，濾液從濾布內側流出，濾盤100%浸沒在水中；內進水是進水重力流進入濾盤內，懸浮物被截留在濾布內側，濾液從濾布外側流出，整個過程濾盤浸沒面積為40%～60%。從國內最早運行的過濾示范工程無錫城北污水處理廠和無錫蘆村污水處理廠來看，相比外進水過濾方式，內進水過濾有效過濾面積小，反沖洗效果稍差，占地面積稍大，故障率高。

濾布濾池按沖洗方式分為反抽吸沖洗和高壓水噴頭沖洗兩種形式。反抽吸沖洗是通過吸盤將濾液從濾布內側反抽吸至濾布外側，反抽吸水帶走濾布外表面的顆粒物，恢復濾布過濾能力，沖洗壓力為7～15 m，是目前常用的沖洗方式；高壓水噴頭沖洗是高壓水噴頭從濾布外高壓噴洗，將濾布內測的顆粒物沖洗下來，沖洗壓力可達70～80 m，常用于內進水類型濾布濾池。

濾布濾池按濾盤外形分為圓形(多邊形)、豎片形(菱形)、異形(星形、折扇形、半圓形、轉筒形、輻流式)。圓形(多邊形)濾盤，單個濾盤由多個獨立分片組合為一個盤片，盤片固定在中心桶上，是目前應用最多的一種形式，技術最為成熟；豎片形(菱形)濾池最大特點是水下無轉動部件，反洗采用桁車式行走裝置，池形布置靈活，目前標準化設備少，應用相對較少；異形濾池主要包括星形、折扇形、半圓形、輻流式等，其中星形、折扇形、半圓形一般配合內進水型濾池使用，輻流式一般結合二沉池使用，異形濾池在國內很少應用。

對國內成功運行的濾布濾池進行考察，發現采用圓形外進水纖維毛濾布濾池處理效果好、占地面積小、運行穩定、故障率低，是應用最多的濾布濾池類型。

1.3 運行過程

濾布濾池采用重力流連續過濾方式，以圓形外進水纖維毛濾布濾池為例介紹濾布濾池的運行過程。濾布濾池的運行過程包括：過濾、反沖洗、排泥三個狀態。

過濾：進水通過布水堰進入濾池，進水由濾布外側進入，懸浮物被截留在濾布外側，濾液通過中空管收集，經出水堰排出濾池；過濾期間，濾盤處于靜止狀態，有利于污泥沉積。

清洗：過濾過程顆粒物附著于濾布外側，逐漸形成污泥層，過濾阻力增加，濾池水位逐漸升高，通過傳感器監測液位變化，當液位達到清洗設定值或設定清洗時間間隔時，啟動反沖洗泵，開始清洗；清洗期間，濾盤低速轉動，反沖洗泵負壓抽吸濾布表面，吸除濾布上積聚的顆粒物，抽吸水清洗濾布，瞬時沖洗面積約1%，反沖洗盤間歇運行，其他未清洗盤繼續進行過濾過程，清洗過程交替進行，直至對所有濾盤全部沖洗，恢復過濾過程。

排泥：濾布濾池一般設有斗形池底，池底設有排泥管道，當污泥在池底沉積后，啟動反沖洗泵，切換電磁閥進行排泥。

2 設計參數及設計要點

隨著濾布濾池在國內推廣應用，新修訂的規范中增補了部分濾布濾池設計參數，但是不夠全面，直接套用規范設計參數容易導致設計取值出現偏差，導致濾池運行不正常。根據對國內外濾布濾池設備的考察和多個工程設計運行經驗，以圓形外進水纖維毛濾布濾池為例，結合《污水過濾處理工程技術規范》(HJ 2008—2010)和《城鎮污水再生利用工程設計規范》(GB 50335—2016)對濾布濾池設計參數和設計要點進行分析。

2.1 設計參數

關于濾布濾池的進水出水水質，過濾規范建議“進水水質SS宜小于30 mg/L，瞬時SS不大于80 mg/L，出水SS小于5 mg/L”，再生規范建議“濾池的進水SS 宜小于20 mg/L”。根據經驗，濾布濾池進水SS小于20 mg/L時，出水SS可以保證小于10 mg/L，出水混合樣平均小于5 mg/L，出水濁度小于5 NTU。建議設計時應同時參考兩個規范，設計要求污水排放時，進水SS小于20 mg/L，出水SS小于10 mg/L。

濾布濾池的設計關鍵是濾速選取，分為平均濾速和峰值濾速。過濾規范建議“平均濾速宜選用7～10 m/h，短期可達12 m/h”，再生規范建議“宜采用8～10 m/h或通過試驗確定”。根據設計經驗，設計平均濾速選取7～10 m/h比較合理，應結合進出水SS選取，進水SS高時濾速取低值；峰值濾速選取不宜超過15 m/h；采用固體負荷進行校核，固體負荷取值4～6 kg/(m2·d)。

濾布濾池水頭損失，過濾規范建議“水頭損失為0.25～0.3 m”；再生規范建議“水頭損失宜為0.2～0.4 m”；規范建議值差別較小，規范考慮了濾池內水頭損失，未包含進出水管道及布水水頭損失，建議整個濾布濾池工藝段設計水頭損失應經過計算，且大于0.65 m。

濾布濾池反洗，過濾規范建議“反沖洗強度為300～350 L/(m2·s)，反沖洗時間一般為1～2 min”，再生規范建議“反洗轉速宜為0.5～1.0 r/min，反沖洗水量宜為處理水量的1.0%，反沖洗泵揚程宜為7～15 m”。建議參考兩個規范，結合濾布濾池供應商提供的參數，進水SS高時反洗強度取高值，反沖洗泵揚程取大值，避免出現頻繁反洗或沖洗不徹底的情況，同時建議反洗過程除液位控制外，增加時間控制強制反沖洗，強制反沖洗時間建議取2～4 h。

2.2 設計要點

在濾布濾池設計中還要考慮以下方面。

濾盤直徑規格為0.7～3.0 m，濾盤過濾面積需根據濾布濾池廠家提供的參數選取或經過詳細的計算，以常用的2.0 m和3.0 m盤片直徑為例，單盤過濾面積分別為5.7 m2和12.6 m2，單組濾盤數量一般介于1～20。

濾布濾池可以采用鋼筋混凝土結構或一體化設備形式建造。

當采用單組濾布濾池時，應設置超越渠道或管道，防止因濾布濾池檢修或更換濾布造成停產；當采用多組濾布濾池時，還應設置布水渠道。

濾布濾池進出水穿墻孔的過孔流速宜小于1.0 m/s，出水側墻應設置溢流通道，通道底標高應高出運行反洗液位0.15 m以上。

濾布濾池應設置排泥斗，定期排泥。

當濾布濾池設置在序批式排水SBR工藝段后時，建議增設調節池，否則應根據前端SBR排水時間及池數合理選取濾速，峰值濾速小于15 m/h。

濾布濾池可以去除懸浮物和與懸浮物有關的磷，對溶解性物質以及膠體去除率有限。對磷有去除要求的過濾工藝，首先應考慮生化池末端投加藥劑或經絮凝沉淀后出水進入濾布濾池，避免濾布濾池頻繁反沖洗和通量降低；當采用微絮凝+濾布濾池工藝時，反應時間不小于5 min，宜采用機械反應池，應采用鋁鹽、鐵鹽為主的藥劑，PAC投加量宜小于20 mg/L，PAM投加量宜小于1.0 mg/L，設計參數應經試驗或參考類似項目；當采用微絮凝+濾布濾池工藝時，應加大反抽吸強度，反沖洗強度為300～600 L/(m2·s)。

設置于室外的濾布濾池應加蓋，防止藻類滋生或異物進入濾池損壞濾布。當濾布濾池內有藻類滋生時，可考慮采用臨時加氯作殺菌處理，加氯量應小于15 mg/L。

當濾布濾池在北方應用時，應考慮反洗系統保溫措施，選用防凍型濾布濾池或將濾布濾池反沖洗泵設置在濾布濾池內水面以下。

3 深圳福田污水處理廠深度處理濾布

濾池設計與選型

深圳福田污水處理廠工程一期設計規模為40×104m3/d，總變化系數為1.30，預處理采用轉鼓式細格柵+曝氣沉砂池+初次沉砂池工藝，主體處理采用多段強化脫氮AAO生物池+矩形二沉池工藝，深度處理采用濾布濾池+紫外線消毒池工藝，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，該項目于2016年投入運行。

3.1 工藝流程設計

濾布濾池具有耐沖擊負荷、過濾效率高、錯流過濾、水頭損失小、濾速快、占地省、全自動連續運行、反沖洗水量少、運行費用低等諸多優點，深度處理設計采用濾布濾池+紫外線消毒池工藝。污水深度處理工藝流程如圖1所示。

圖1 污水深度處理工藝流程Fig.1 Process Flow Diagram of Advanced Wastewater Treatment

二沉池出水采用纖維轉盤濾布濾池進行過濾，進一步降低出水的SS及濁度。濾布濾池進出水SS≤20 mg/L，出水SS要求≤10 mg/L。

3.2 工藝設計與選型

3.2.1 設計與選型

設計參數：設計流量為40×104m3/d，總變化系數為1.30，取設計平均濾速為8.50 m/h，總有效過濾面積為1 960.78 m2。選用纖維轉盤濾布濾池，過濾方式為外進內出，濾布材質為聚酯底面支撐+尼龍纖維表層，抗氯型，濾布過濾精度為10 μm，常用轉盤濾池直徑分別有Φ2.0 m和Φ3.0 m。

方案1：直徑Φ2.0 m，單盤過濾面積為5.7 m2，計算濾盤總數量344盤；單組最大盤數為20盤，最小組數為18組，濾盤總數為360盤；單組處理水量為2.2×104m3/d，單組最大處理能力為2.9×104m3/d，估算占地約39.5 m×27.0 m，濾池深度為3.5 m。

方案2：直徑Φ3.0 m，單盤過濾面積為12.6 m2，計算濾盤總數量為156盤；單組最大盤數為20盤，最小組數為8組，濾盤總數為160盤；單組處理水量為5.0×104m3/d，單組最大處理能力為6.5×104m3/d，估算占地約27.4 m×27.2 m，濾池深度為4.7 m。

對比方案1和方案2，方案2單組處理能力更大，設備更少，占地更少，且留出足夠操作空間，選擇方案2直徑Φ3.0 m進行設計。

單組處理水量為5.0×104m3/d，共8組，單套過濾面積為252 m2，總有效過濾面積為2 016 m2，復核平均濾速為8.27 m/h，復核強制濾速為9.45 m/h<15 m/h，復核峰值濾速為10.75 m/h<15 m/h，復核最大固體負荷為5.16 kg/(m2·d)，滿足設計要求。

3.2.2 水力計算

進口水力損失h1，計算如式(1)。

(1)

其中：h1—進口水力損失，m；ξ—局部阻力系數；v—進口流速，m/s；g—重力加速度，m/s2。

其中，ξ查表為1.06[7]，v=0.58 m/s，g=9.81 m/s2。根據式(1)計算進口水力損失h1=0.018 m。

布水堰水頭損失h2，計算如式(2)。

(2)

其中：Q—最大流量，m3/s；m—流量系數；b—堰寬，m；g—重力加速度，m/s2；h2—布水堰水頭損失，m。

其中，Q=0.75 m3/s，m查表0.42[7]，b=4 m，g=9.81 m/s2。根據式(2)計算布水堰水頭損失h2=0.217 m；布水堰跌落水頭h3：取0.03 m；反洗經濟液位h4：取0.3 m；濾布水頭損失h5：取0.05 m；出水堰水頭損失h6：出水堰與進水堰同寬，計算同h2，出水堰水頭損失為0.217 m；出水堰跌落水頭h7：取0.05 m；總水頭損失為h1～h7之和：0.882 m，取0.9 m(進水渠至出水渠)。

單池進水相對標高+7.30 m，修正后的單池水力高程如圖2所示，單池出水相對標高+6.4 m。

3.2.3 配套設備

進水閘門：8臺；進水堰板：8套；出水堰板：8套；濾布支架/中心桶/吸盤：8套；驅動電機：1臺/套，8臺，功率為0.75 kW；反沖洗泵：4臺/套，32臺，流量為50 m3/h，揚程為7 m，功率為2.2 kW；反沖洗電動球閥：12臺/套，96臺，功率為0.04 kW；液位控制器：8套；控制柜：8套；管配件：8套。

圖2 單池高程圖Fig.2 Elevation Diagram of Revised Filter

3.3 運行參數估算

單臺裝機功率為10.03 kW，總裝機功率為80.24 kW。

運行功率：單組濾池每次反洗運轉2臺水泵、2臺電動閥和1臺驅動電機；反洗間隔為1～2 h(按照2 h計算，每天12次)，單組每次反沖洗時長為12 min，每天反洗運行2.4 h；排泥間隔為6～8 h/次，單組每次排泥持續30 s，忽略不計；單臺平均運行功率為0.52 kW，總運行功率為4.16 kW。

單位產水能耗：0.000 25 kW·h/m3。

反洗耗水量：1 920 m3/d ，占總水量比0.48%。

4 結語

濾布濾池是污水深度處理和再生利用的重要工藝，具有出水水質好、水頭損失小、運行費用低、水力負荷高、占地面積小、連續運行、全自動運行、操作及保養簡便等優勢。本文主要從設計及設備選型方面對濾布濾池進行介紹，結合濾布濾池在污水深度處理工程中的設計實例，詳細介紹了濾布濾池設計與選型參數，為今后濾布濾池在大型污水深度處理和再生利用工程的應用提供借鑒。

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