某化水系統雙室過濾器故障分析及解決措施

曹宏偉，許 躍

(天津海化環境工程有限公司 天津300280)

過濾器作為一種粗過濾設備，在水處理領域被廣泛使用，具有結構簡單、造價便宜、使用方便等特點，根據其用途可劃分為多種型式，如石英砂過濾器、多介質過濾器、錳砂過濾器等。其中多介質過濾器又稱機械過濾器，主要利用一種或幾種過濾介質，在一定壓力下，使水通過該介質，去除水中的懸浮物質、固體顆粒和機械雜質等水中不溶解的、非膠態的固體物質[1]。常用的過濾器一般為單室設計，即一臺設備僅具有一個過濾腔室，原水從罐體頂部經布水器進入罐體，以保證布水均勻，避免水流直接沖擊濾料造成濾層混亂或偏流等問題，之后水流經過濾層過濾，去除進水中的懸浮物等雜質，出水滿足后續工藝要求。隨著技術的發展，出現了越來越多的雙室過濾器，例如CN200720062283.8、CN201020530636.4 和CN20182 0718813.8 等介紹的垂直型式的；也有2 個腔室并聯運行的[2]，其目的是在提高過濾效果或提高單套處理量的基礎上，減少過濾器數量或占地，優化布置。

1 工藝流程

1.1 工藝流程簡介及設備參數

某化工廠現有一套化水系統，原水為市政水，進水電導600 μS/cm，工藝采用雙室過濾器+反滲透+混床處理工藝，反滲透產水用于裝置生產用水及鍋爐補水。主要設備參數如下。

1.1.1 雙室過濾器

本系統采用4 套雙室過濾器，每臺過濾器具有上、下2 個過濾腔室，雙室過濾器內部結構示意圖和外部管路示意圖分別見圖1、圖2。

圖1 雙室過濾器內部結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of interior structure of double chamber filter

圖2 雙室過濾器外部管路示意圖Fig.2 Schematic diagram of external line of double chamber filter

上室填裝無煙煤+石英砂濾料，無煙煤粒徑2～4 mm、填裝高度400 mm，石英砂粒徑1～2 mm、填裝高度800 mm；下室填裝精制石英砂濾料，粒徑0.5～1 mm，填裝高度500 mm。設備筒體直徑3 400 mm，設計濾速7～8 m/h，單套產水量60～70 m3/h，反洗周期24 h。上、下室布水器均為圓柱形，直徑350 mm，高450 mm，不銹鋼材質，采用法蘭與筒體內部連接，布水器表面均布篩孔，孔徑6 mm，為防止反洗時濾料被沖出，廠家在下室布水器外表面包裹了一層12 目的不銹鋼絲網。

上室多孔板與下室頂板之間形成第三腔，用以完全分割上室和下室，保證上、下室的獨立性，同時保證氣擦洗時空氣能夠全部經第三腔進入上室而不進入下室，使用6 根直徑89 mm 的鋼管連接上室多孔板與下室頂板，起到固定下室頂板的作用。第三腔內的下室進水管和下室排氣管與下室頂板和管壁連接處均為法蘭連接。

1.1.2 反滲透設備

配置2 套反滲透設備，單套產水量100 m3/h，采用6 芯膜殼，膜元件型號為BW30-400，壓力容器為一級三段設計，按照12∶6∶3 排列，系統回收率80%。

1.1.3 混床

采用2 臺直徑2 800 mm 混床，1 用1 備，設計濾速30～35 m/h，單臺設計產水量200 m3/h。內部填裝：001×7 MB 型強酸性苯乙烯系陽離子樹脂，填充高度500 mm；201×7 MB 強堿性陰離子樹脂，填充高度1 000 mm。

1.2 雙室過濾器的產水及反洗流程說明

1.2.1 產水

過濾采用上、下雙室設計，上室起到粗過濾作用，下室起到細過濾作用，通過在進水管道投加絮凝劑——聚合氯化鋁，增強水中懸浮物的絮凝效果，提高懸浮物去除率。進水首先從過濾器頂部經布水器均勻地進入上室，經濾層過濾后匯集至第三腔；再通過罐體外垂直布置的上室產水管進入下室進水管。下室進水管在第三腔內通過法蘭與下室頂板的進水口相連，上室產水經下室布水器均勻布水后，進行二次精濾；最終從下室產水管排出，出水能夠實現SDI不大于3，滿足反滲透裝置的進水要求。

1.2.2 反洗

過濾器的上、下室為獨立反洗，其中僅上室設計了氣擦洗。過濾器反沖洗時，反沖洗水由下而上通過濾料層，當反洗強度較低時，濾床處于靜止狀態，隨著反沖洗強度增加，部分濾料互相摩擦，濾層逐漸膨脹，當反洗強度達到某定值時，大部分濾料獨立運動而完全不由別的濾料支撐，并且水流對濾料層的動水壓力近似等于濾料層中水的重量。濾層的膨化高度與濾料密度成反比，與反洗強度成正比[3]。過濾器到達反洗周期后，設備停運，除上下室的排氣閥以外，所有閥門均關閉，設備進入待反洗狀態。反洗時，首先反沖洗上室，開上室排氣閥，上室排水閥，上室反洗進水閥，啟動反洗水泵，反洗水經上室反洗進水管進入第三腔，充滿第三腔后，經上室多孔板，由下至上反洗濾料；反沖洗5 min 后，停反洗供水泵，同時關閉上室反洗進水閥，開上室排水閥，排水至濾料上表面100～150 mm 處，停止排水，啟動鼓風機對其進行氣擦洗，促使濾料之間進行摩擦，以增強上室反洗效果；氣擦洗5 min 后，停鼓風機，開上室反洗進水閥，重新啟動反洗水泵，再次反洗上室10 min。上室反洗結束后，對下室進行反沖洗。開下室反洗進水閥和下室反洗排水閥，啟動反洗水泵，反洗下室15 min，停反洗水泵，下室反洗結束，設備待用。

2 問題排查及分析

2.1 排查

設備在運行初期，由于雙室過濾器優良的處理效果，能夠保證出水SDI 不大于3，反滲透保安過濾器濾芯壽命基本能夠維持60 d 左右，反滲透設備運行平穩。但運行至1 年以后，保安過濾器濾芯更換周期逐步從60 d 降到35～40 d。經調查，原水水質、投加藥劑的種類及投加量及操作條件較運行初期均未發生明顯變化，反滲透設備運行較為穩定；筆者對保安過濾器濾芯上的污染物進行了取樣，發現其為土黃色；經XRD 分析，發現其中Al2O3含量約為60%，故判斷過濾器前端投加的絮凝劑(聚合氯化鋁)是造成保安過濾器污堵的主要原因。

經過對4 臺雙室過濾器的出水SDI 進行測定，發現SDI 值較設備運行初期均大幅超標，其數據見表1。

表1 雙室過濾器出水SDI值Tab.1 Filtered water SDI of double chamber filter

由此斷定雙室過濾器處理效果不佳是造成保安過濾器濾芯污堵的主要原因。為排查過濾器問題，筆者反復觀察了雙室過濾器的運行及反洗過程，并觀察了PLC 上的監控數據，發現以下問題：

①由于過濾器的運行采用時間控制，人為操作較少，且其排水管道均引至排水溝蓋板下方，平時不易觀察，故較難引起操作人員注意。筆者觀察過濾器設備的運行及反洗情況，發現在反洗上室時，上室排水管存在排水量時大時小的脈沖式出水問題且下室排氣管也有持續的水流排出；在氣擦洗時，發現下室排氣管道存在水、氣同時排出的問題。并且從下室視鏡觀察，發現上室氣洗時，下室內部有間斷性的氣泡出現。

②下室在反洗時，發現反洗泵出口壓力表運行壓力為0.2 MPa，反洗1～2 min 后，運行壓力上升為0.25 MPa；從PLC 上觀察，反洗水泵運行初期，反洗流量為 180 m3/h，反洗1～2 min 后，流量驟降至80 m3/h 左右，并維持至反洗泵停止。

2.2 分析

針對以上問題，筆者將設備排水后打開了上、下室及第三腔的人孔，發現主要有兩方面問題。

2.2.1 問題一

下室進水管道與下室頂板連接法蘭斷開以及下室排氣管與第三腔罐壁內側法蘭斷開，同時上室多孔板和下室頂板之間的固定支柱在與下室頂板的焊接處全部開焊，襯膠層脫落，失去了固定下室頂板的作用。分析認為，由于下室頂板為8 mm 鋼板，雖使用

槽鋼制作了“井”字形支撐，但其抗形變性能遠遠低

于上室頂板使用的橢圓封頭。上室反沖洗時，反洗水充滿第三腔后進入上室，第三腔中的水壓會使下室頂板產生向下的變形；而在下室反洗時，又會在水壓作用下，產生向上的變形。長此以往，導致連接上室多孔板和下室頂板的6 根支柱在與下室頂板的連接處脫焊，進而導致位于第三腔內的下室進水管和下室排氣管的連接法蘭在第三腔內分離。法蘭分離將產生以下問題，當下室進水管道和下室排氣管的連接法蘭與罐壁內測的法蘭分離后，第三腔將直接和下室、室外連通。在上室氣擦洗時，由于下室排氣管法蘭分離，導致部分氣體及部分上室排水直接經下室排氣管道直接排出罐外，產生下室排氣管漏風及排水問題，也將減少用于氣洗上室濾料的風量，影響上室氣洗及反洗效果。據此歸納如下：

①氣洗時需要將上室液位排放至距濾料頂面約100 mm 處，使罐內存水既能全部浸沒濾料又不會由于水位過高而使濾料沖出，但由于下室排氣管的連接法蘭與罐壁內測的法蘭分離，導致在氣擦洗時上室仍在排水，水位將逐步降低至濾料頂面以下，從而使氣洗失去攪拌濾料的作用。

②由于第三腔與下室直接連通，在上室反洗時，將有一部分水經下室進水口和下室排氣口進入下室或排至室外，從而造成上室反沖洗水不足，上室排水管道存在脈沖式出水問題，影響上室反洗效果。③久而久之，上室濾料截留的污染物由于不能及時沖洗出罐外，濾層的納污量逐漸升高最終飽和，絮凝劑等污染物將透過濾層，失去過濾作用。

2.2.2 問題二

下室布水器擠壓變形，外表面包裹的不銹鋼絲網表面積存了大量土黃色絮狀污垢。其將引起一些問題。

①下室布水器外包裹了一層12 目的不銹鋼絲網，雖能夠防止反洗時細小的石英砂濾料被反洗水沖出，但也攔截了大量的絮狀污染物，污染物堵塞了絲網孔，減小了反洗水流通道，導致布水器在長期的反洗過程中，受水壓作用變形。

②下室進水時，濾網上的污垢被沖刷至濾料表面；當反洗時，積存在濾料表面的污垢正常情況下將全部經布水器沖出罐內，但由于濾網的作用，污垢將快速積累至濾網表面，從而堵塞濾網，減小反洗水的水流通道。這也造成了反洗初期反洗水量、水壓正常，但很快便驟降至80 m3/h 并伴隨泵出口壓力升高的現象。

③由于下室截留的污染物在一次又一次的反洗時不能徹底沖出，在下室逐漸積累，最終使濾層達到納污上限。污染物透過濾層進入產水中，并進入保安過濾器，在濾芯上富集，從而污堵濾芯。而上室反洗不徹底的情況也將加速下室濾料的納污負荷達到飽和，使過濾器失去過濾作用。

3 解決措施

維修主要有以下3 個目的：一是加強支柱對下室頂板的固定作用，減少其在上下室反洗時產生形變，避免下室進水管和下室排氣管法蘭再次分離的問題出現；二是在原下室進水管和下室排氣管的水平管段上增加撓性連接件，以防止在支柱脫焊后，下室頂板形變產生的力全部作用在管段兩端的連接法蘭處，造成法蘭分離；三是拆除下室布水器外表面的絲網，防止其阻礙下室污垢的外排。具體措施如下：

①將原6 根直徑89 mm 的鋼管替換為8 根直徑133 mm 的鋼管，增加鋼管數量及與下室頂板的接觸面積，增強其對下室頂板的固定作用，鋼管及焊口部位重新包橡膠進行防腐。

②將位于第三腔內下室進水管的水平管段縮短1 000 mm，下室排氣管的水平管段縮短300 mm，均使用通徑與原管道相匹配的不銹鋼材質撓性連接件進行替換；由于撓性連接件有一定的形變功能，可以有效吸收下室頂板形變產生的作用力，防止連接法蘭分離。

③更換下室布水器，拆除布水器外包裹的不銹鋼絲網，同時在反洗時通過控制反洗泵出口閥門開度，將泵出口流量控制在一定范圍內，使濾料既能夠在反洗水的作用下整體浮動，又不會因為反洗水量過大而將濾料沖出。

4 設備維修后運行狀況

設備維修后重新投入使用，產水SDI 值恢復至小于或等于3，連續運行6 個月后，設備運行保持穩定，未再次出現之前的問題，具體數據見表2。

表2 整改后雙室過濾器出水SDI值Tab.2 Filtered water SDI of double chamber filter after reconstruction

5 小 結

在設計此類垂直布置的雙室過濾器時，其下室頂板也應采用橢圓封頭，這樣能夠具有更好的耐壓及抗形變性能。

設備運行過程中，應勤于觀察設備運行狀況，加強現場巡檢，精細化管理，及時發現潛在隱患和問題，將問題消除在萌芽階段，保證設備能夠長周期穩定運行。