飲用水處理廠過濾器性能的評估

陸 軍

(西林縣水利局，廣西 百色 533500)

1 概 述

為實現農村飲用水安全、保證及時供應用水、逐步改善人民生活條件[1-3]，西林縣水利局通過水處理廠來完成目標。已知水處理廠的產能可從2.000 L/s增加到2.400 L/s，但是為了保證出水質量，實際容量應保持在2.000 L/s。當溫度升高時，水的產量隨之減少，水的質量和數量也變得不穩定[4-6]。雖然改進容量的目的是增加水產量，但該目標未能順利實現，因為這將導致反沖洗過濾器的頻率隨之增加。

分析從西林縣水利局獲得的數據得出，過濾器的平均濁度符合有關飲用水質量要求的規定，低于5NTU(渾濁度單位)。但是大部分的污水濁度值無法達到西林縣水利局關鍵性能指標中規定的目標，即濁度值應低于1NTU。設置關鍵指標是為了保證濁度分布在最遠的點上也可以保持在規定值內。因此，為了達到西林縣水利局在產出水數量和質量方面的目標，需對過濾器進行評估，該評估將側重于確定過濾裝置的性能和反沖洗性能。

2 試驗方法

本研究使用的設備如下：①濁度計；②分析尺度；③巖心取樣工具：AW型PVC管，直徑3.81 cm，長度152.4 cm；④水和介質樣品的容器；⑤玻璃器皿：3個100 ml的錐形玻璃杯、3個500 ml的玻璃燒杯、3個玻璃漏斗和1個100 ml的量杯。

首先對14個過濾器單元進行評估，明確其總體性能；然后從第一次評估中選出3個過濾器單元，并對其進行二次評估。數據由主要數據和次要數據組成：主要數據來自實地測量，次要數據來自水處理廠收集的數據。

2.1 評估過濾器性能

首先評估14個過濾器單元，然后確定3個過濾器單元，應用過濾器取芯方法再進一步評估，主要包括以下3個步驟。

2.1.1 濁度值測量

測量收集流入和流出過濾器的樣品，總共28個，然后用濁度計對樣品進行測量。基于測量結果，計算過濾器去除效率。

2.1.2 反沖洗水量的比率

該計算使用輔助數據來確定每個單元使用的反沖洗水量，以百分比為單位，然后將結果與過濾器性能標準進行比較。用以下公式計算比率：

(1)

式中：比率單位為%；反沖洗水量單位為m3；生產水量單位為m3。

2.1.3UFRV計算

該計算使用輔助數據，根據過濾器單元的尺寸確定過濾器產量，然后將結果與過濾器性能標準進行比較。用以下公式計算UFRV：

UFRV=過濾率×工作時間

(2)

式中：UFRV單位為m3/m2；過濾率單位為m3/(m2·h)；工作時間單位為h。

2.2 評估反沖洗性能

基于上述評價結果，再進行一次評估，確定3個過濾器單元，應用過濾器取芯方法進行二次評估。其中，3個過濾器單元分別是性能最好、性能中等的和性能最差的過濾器單元。

2.2.1 目視檢查過濾器

將過濾器排空并隔離，然后進行目視檢查，主要查看過濾器表面的裂紋、泥球等現象。檢查時，以梯子和膠合板為基礎圍繞過濾器進入，而不能直接踩在過濾器上。

2.2.2 巖心取樣

在過濾介質中，選定3個點進行巖心取樣。步驟也是排放和隔離過濾器，使用巖心取樣工具根據不同的深度進行取樣，每個取樣點的深度分別為0～15.24、15.24～45.72和45.72～76.2 cm。見圖1。使用絮凝物的積累程度進行來分析，主要分為以下步驟：①獲得50 g的過濾介質樣品；②將其與100 ml的水混合，然后搖動30 s；③將水從介質中分離，然后重復步驟②；④重復步驟②和步驟③，直到水量達到500 ml；⑤用濁度計測量濁度值，然后乘以2，獲得100 g樣品的測量值，并記錄結果；⑥對每個巖心取樣的樣品重復步驟①-步驟⑤，然后將其與濁度值范圍標準進行比較，確定過濾介質條件。

分析完成后，形成濁度值和巖心取樣深度變化關系的剖面。

2.2.3 測量反沖洗后的濁度值

在過濾器再次開始運行的前30 min內，每通過5 min就對流出物取樣并進行測量。根據測量結果，為每個流出物建立一個變化曲線，代表流出物濁度值和取樣時間兩者之間的關系。

3 結果和討論

3.1 評估過濾器性能

3.1.1 濁度值測量

用Turb WTW 430 IR濁度儀對過濾器的流入和流出物再進行一次測量。測量結果表明，所有過濾器的出水濁度均符合國家規定，均小于或等于5NTU。但有5個過濾器不符合關鍵性能指標的標準，該指標設置為低于1NTU。完整的測量結果見表1。

表1 各過濾器的濁度值和去除效率

3.1.2 反沖洗水量的比率

基于表2的計算結果，得出符合標準的只有編號5至編號10的過濾器，其反沖洗比率為3%～7%，即所需的反沖洗水量占總產出水的3%～7%。當百分比低于標準時，表明實施的反沖洗持續時間與過濾器運行時間不一致。

表2 反沖洗水量的比率

3.1.3UFRV計算

圖2為UFRV的計算結果。由圖2可知，只有編號為2、3、4、11和12的過濾器符合300～500 m3/m2的標準。

圖2 單位過濾器運行量(UFRV)

根據已有的測量數據進行計算，對其進行完整評估，評估結果見表3。

表3 過濾器性能得分

續表3

根據表3，選擇編號為2、14和10的過濾器來代表以下3個性能類別：性能良好、性能中等和性能較差。然后對選定的過濾器進行專門評估，確定其反沖洗性能。

3.2 評估反沖洗性能

3.2.1 目視檢查過濾器

根據目視檢查結果，在2號和10號過濾器單元上發現過濾器通道。通過濾器壁上介質的標記高度和不規則介質表面顯示得出，10號過濾器上的過濾介質數量在減少。2號和10號過濾器在反沖洗過程中，存在不規則的反沖洗分布死區。因此，可以確認孔上有堵塞，過濾器上存在的問題可能是介質發生老化。2號和10號過濾器在進行反沖洗過程中也發現了空氣黏結現象。圖3和圖4為目視檢查10號過濾器過濾介質的結果。

圖3 過濾介質上的過濾通道

圖4 空氣黏在過濾介質上

3.2.2 巖心取樣

該步驟在反沖洗之前進行，絮凝物的累積曲線見圖5。

圖5 取樣點1、2和3絮凝物的累積曲線

圖5中絮凝物的累積曲線表明，點1和點3在0～15.24 cm深度處積累了大量絮凝物，而點2在15.24～45.72 cm深度處有絮凝物累積，表明最大過濾過程發生在不同的時間點。見表4。砂介質頂部堆積的絮狀物可能是無煙煤介質損失造成的，這將導致空氣黏結，則各點的介質狀況如下所示：

表4 10號過濾器巖心取樣的每個點和深度的濁度值

點1：介質臟，形成許多泥球(600～1 200 NTU)。

點2：介質臟，形成許多泥球(600～1 200 NTU)。

點3：介質臟，有可能形成泥球并發展為成熟狀態(300～600 NTU)。

3.2.3 測量反沖洗后的濁度值

根據測量結果，在2號和10號過濾器單元進行反沖洗之后，得到過濾器流出物的濁度曲線和濁度值，見圖6和表5。

圖6 2號和10號過濾器流出物的濁度曲線

表5 2號和10號過濾器流出物的濁度值

測量結果顯示，在0.77 NTU的情況下，2號過濾器在開始的5-10 min期間，濁度值下降程度最大。10號過濾器的濁度值發生最大下降的時間點是10-15 min，NTU為0.51。30 min后，2號過濾器的出水質量已經優于10號過濾器；但是30 min時，兩個過濾器流出物的濁度值均未低于1 NTU。

4 結 論

通過本文研究可知，所有過濾器都不符合3個性能標準：濁度值、反沖洗水量的比率和UFRV值，但所有標準都是相互關聯的。影響過濾器性能的參數是反沖洗操作，包括反沖洗持續時間和反沖洗水量的比率。基于3個標準評估過濾器性能的計算表明，2號過濾器的性能最好，可得到10分；14號過濾器的性能中等，可得到8分；10號過濾器的性能最差，可得到6分。有10個過濾器的分數高于平均分數，4個過濾器的分數低于平均分數。評估反沖洗性能的結果表明，2號和10號過濾器單元應通過指定和設置新的反沖洗持續時間來改變反沖洗步驟。在2號和10號過濾器的介質中存在過濾通道，且在10號過濾介質中發現介質收縮和介質損失。巖心取樣結果表明，各采樣點累積絮狀顆粒的介質條件不同。反沖洗后的濁度值曲線顯示，2號過濾器在降低濁度值方面要比10號過濾器迅速。