高品質飲用水脈沖反沖洗應用研究

摘 要：作為給水處理中最重要的環節，關于過濾和反沖洗的研究很多，而對濾料的再生過程——反沖洗的研究卻相對較少。本文試驗在反沖洗剪切力、摩擦力和速度梯度G值等理論基礎上，提出了濾料脈沖式反沖洗方式，旨在確定最優的反沖洗形式和參數，并應用于高品質飲用水實踐中。

關鍵詞：高品質飲用水；脈沖反沖洗；氣水反沖洗

中圖分類號：TU 991" " " " " " 文獻標志碼：A

作為給水處理工藝中最重要的工藝，過濾工藝運行狀態與出水水質有直接關系。過濾設備在運行初期的過濾效果十分顯著，后期運行維護和反沖洗不當會出現出水超標的情況。雖然濾池反沖洗系統只是過濾的一小部分，但是其設備費用卻占具總造價的50%～70%，并且運行費用也是整個系統運行費用中最主要的部分。因此，反沖洗方式的合理選擇和系統設計對過濾工藝具有重要意義。

1 反沖洗機理

1.1 反沖洗機理概述

本文將污泥分為3類。第一類為濾料間隙中污泥，主要靠水剪切力或者氣剪切力去除；第二類為附著污泥，主要通過剪切力和顆粒間的碰撞作用去除；第三類是濾料內部污泥，主要通過摩擦作用去除，剪切力發揮的作用相對較小。因此更好地發揮水剪切力、空氣剪切力和摩擦作用，具有更高的速度梯度，才能降低反沖洗時間，延長濾料過濾周期，減少用水量，并提升過濾效果。

1.2 脈沖反沖設計理論

1.2.1 從脈沖效果考慮

從剪切力和摩擦作用公式可知速度梯度G值、剪切力均與反沖洗速度Δv成正比，即Δv越大，水力剪切力越大，速度梯度G值越大[1]，也會相應提升顆粒間碰撞摩擦作用和剪切力作用。

1.2.2 從力的角度考慮

對處在層流狀態下的濾料顆粒和污泥雜質進行受力分析，存在過濾產生的推動力FD、滲透流動產生牽引力FY、向上升力FL和重力FG、摩擦力Ff和吸著力FA。在反沖洗過程中，FY方向取相反方向。只要保證FLgt;FY+FA，就沒有摩擦力Ff產生。當剪切力大于吸著力和重力的合力，就會使附著的污泥雜質脫落。而進口的速度又決定了微粒在濾床內運動的時間，所需時間越少，越有利于進行過濾，反沖洗所需的用水量也越少。因此既能提高進水流速，又不會造成濾料膨脹率過高，因此脈沖反沖洗的研究應運而生。

2 過濾反沖洗模型建立與試驗

2.1 試驗裝置

試驗裝置布置圖如圖1所示，試驗裝置設備見表1。

試驗藥品如下：硫酸肼；六次甲基四胺（配制濁度液）；山東1.2mm～1.6mm粒徑濾球，K80=1.4；亞甲基藍固體粉末（配制色度水）；硫酸鐵；七水和硫酸錳；氯化鈉。以上藥劑均采用分析純藥品。

2.2 試驗方法

本試驗采用對比模擬試驗的方法，分為2個部分，一是過濾試驗，二是反沖洗試驗。

2.2.1 過濾

試驗試驗過程如下。首先，配置10-50NTU濁度液。配制400NTU福爾馬肼標準液，準確稱取1.0g硫酸肼和10.0g六次甲基四胺粉末，分別溶于蒸餾水中。溶液混勻后，稀釋至100mL容量瓶，在恒溫箱靜置24h后稀釋至400NTU。再根據需要將溶液稀釋至目標溶液。其次，過濾柱。過濾柱采用2根高1.5m、直徑100mm的圓柱形有機玻璃過濾柱。承托層鋪設200mm鵝卵石，承托層底部以有機玻璃穿孔板阻隔，方便均勻配水。濾料為山東納瑞環保公司1.2mm～1.6mm粒徑濾球，K80為1.4，鋪設厚度為700mm。最后，過濾。配制20NTU濁度水過濾，通過旁通管出水控制均勻濾速，保持在10m/h。每5min取樣測量出水濁度，并繪制濁度變化曲線。當出水濁度趨于進水濁度時，濾料吸附攔截將近飽和，停止過濾，選取30min為過濾時間。

2.2.2 反沖洗試驗

試驗主要在反沖洗強度為5～20L/（m2·s），反沖洗時間為3min～20min等不同變量條件下，對過濾柱進行反沖洗試驗，并對其進行記錄和評價。首先，常規水反沖洗。在變量反沖洗強度分別為8L/（m2·s）、12L/（m2·s）、16L/（m2·s），反沖洗時間分別為2min、4min、6min、8min、10min和12min時，模擬過濾反沖洗試驗，并記錄用水量、出水濁度，繪制最優出水濁度曲線。其次，氣-氣水-水反沖洗。查閱相關文獻期刊，選取最優氣-氣水-水反沖洗條件[2]。第一步，氣沖洗強度13L/（m2·s），單氣預沖2min。第二步，氣沖洗強度13L/（m2·s），水沖洗強度6.0L/（m2·s），氣水聯合沖洗5min。第三步，水沖洗強度6.0L/（m2·s），水沖洗3min。記錄用水量、出水濁度，繪制出水濁度曲線。最后，脈沖水反沖洗。該試驗為四因素三水平的正交試驗，反沖洗強度分別為

8L/（m2·s）、12L/（m2·s）、16L/（m2·s），反沖洗時間分別為30s、60s、90s，每次反沖洗間隔時間分別為15s、30s、60s，反沖洗次數分別為3、6、9次，從中尋找規律，選取最優。

2.2.3 對比試驗

通過上述試驗，選定脈沖反沖洗強度為12L/（m2·s），單次脈沖沖洗時間為60s，每次脈沖反沖洗的間隔為30s，脈沖次數為6次，與12L/（m2·s）常規水反沖洗和12L/（m2·s）氣水反沖洗[3]做對比試驗。

2.2.4 再過濾試驗

單一反沖洗出水濁度變化圖如圖2所示，但圖2并不能完全反映反沖洗效果，需要通過再過濾試驗進行驗證。

過濾濁度對比變化圖如圖3所示。對于單一水反沖洗，反沖洗濁度平滑下降，再過濾時初始濁度較高，屬于最簡單、常用的過濾方式；氣水反沖洗比單水反沖洗效果好，氣體的加入提升了反沖洗效果，但是同樣也加大了反沖洗的控制難度；在濾料的再生、再過濾試驗中，脈沖式水反沖洗較晚達到濾料飽和，具有更高的速度梯度，對三類污泥的清洗更徹底，有利于延長過濾周期。

3 工業廢水驗證試驗

通過對配置濁度溶液進行對比試驗可發現脈沖式反沖洗具有明顯的優勢，下文選取更難以處理的稠油廢水進行驗證。對工業廢水系統進行試驗前，取典型反沖洗樣點進行小試，發現工業廢水和天然濁度廢水具有相同的試驗規律，因此根據天然濁度廢水最優條件對工業廢水進行優化對比試驗。

3.1 稠油廢水

解決含油廢水的關鍵就是解決油的黏附和疏水性問題，因此本文從其受力（主要是表面張力）考慮，降低其表面張力，產生潤濕滯后，在外力作用下開始運動時，三相周界沿固體表面移動遲緩，使潤濕接觸角度改變，潤濕角變小，變得容易清洗。

3.2 稠油廢水反沖洗試驗

3組試驗條件分別如下。1）氣水反沖洗。第一步，氣沖洗強度13L/（m2·s），單氣預沖2min；第二步，氣沖洗強度13L/（m2·s），水沖洗強度6.0L/（m2·s），氣水聯合沖洗5min；第三步，水沖洗強度6.0L/（m2·s），水沖洗3min。2）脈沖式水反沖洗。水反沖洗強度12L/（m2·s），單次脈沖沖洗時間為60s，每次脈沖沖洗間隔為30s，脈沖次數為6次。3）氣預沖加脈沖式水反沖洗。氣沖洗強度13L/（m2·s），單氣預沖2min。加脈沖式水反沖洗，水反沖洗強度12L/（m2·s），單次脈沖沖洗時間為60s，每次脈沖沖洗間隔為30s，脈沖次數為6次。

3.3 稠油廢水再過濾試驗

含油廢水反沖洗出水濁度對比變化圖、含油廢水反沖洗出水濁度對比變化圖分別如圖4、圖5所示，可看出3種反沖洗方式的含油廢水過濾出水濁度變化曲線較相似，氣加脈沖式水反沖洗效果最好，脈沖式水反沖洗次之，氣水反沖洗最后。含油廢水過濾在16h前出水較穩定，甚至優于天然濁度水過濾。但是16h后，3種不同反沖洗下的過濾出水濁度以不同程度增加，脈沖式反沖洗增幅小、終值低，證實了上述反沖洗出水濁度變化曲線規律，反沖洗更徹底。

4 技術應用

以江漢油田含油廢水處理為例。原江漢油田水處理反沖洗模式為反沖洗強度12L/（m2·s）、時間為10min的單水洗模式。現設定PLC控制轉換為反沖洗強度12L/（m2·s），單次脈沖沖洗時間60s，每次脈沖反沖洗的間隔30s，脈沖次數6次，12L/（m2·s）的脈沖式反沖洗模式。經過連續一個月的試驗可觀測到脈沖反沖洗后水處理系統運行穩定性顯著提升，水質濁度指標始終能達到石油天然氣行業標準《碎屑巖油藏注水水質推薦指標》。在水處理量為10t/h的情況下，反沖洗頻次由一天3次減至一天2次，顯著降低了反沖次數。脈沖式反沖洗比常規反沖洗增加了0.1元的電耗費用，但卻減少了過濾時的水頭損失，降低了過濾電耗，同時延長了過濾壽命。本文在應用過程中發現，對于高負荷含油廢水的過濾，脈沖反沖洗同樣能夠有效清洗，對設備的連續運行沒有造成波動。說明脈沖反沖洗不僅可應用于含油廢水，還可延伸應用于印染、鐵錳等難處理廢水的反沖洗中。

5 結語

本文研究了反沖洗理論基礎，發現速度梯度G值、剪切力均與反沖洗速度Δv成正比，即Δv越大，水力剪切力越大，速度梯度G值也越大，也會相應提升顆粒間的碰撞摩擦作用，結合脈沖作用，有利于充分進行反沖洗。

選取最優條件下的脈沖式水反沖與最優條件下常規水反沖洗、氣水反沖洗進行對比試驗。試驗發現，脈沖式水反沖洗與氣水反沖洗[4]明顯優于常規水反沖洗，將二者進行比較，雖然整體出水濁度相差無幾，但是過程有所不同。脈沖式反沖洗在4min內出水持續高效，下降曲線先緩、后急，而氣水反沖洗則是先急、后緩。并且過濾時脈沖式水反沖洗在20h～24h的出水濁度低于氣水反沖洗出水濁度。

選取更難處理稠油廢水進行精細過濾反沖洗，并對脈沖水反沖洗進行深度對比試驗。分析脈沖式水反沖洗用于工業廢水的可行性和優劣性。通過理論分析、試驗對比，脈沖式水反沖洗證明了其應用價值，在含油廢水中清洗高效，破乳化層效果良好，比氣水反沖洗提前2min達到高峰，顯著減少了反沖洗時間和反沖洗用水量。

本文對濾料內部精細結構的研究多為理論分析和試驗驗證，希望以后采用掃描電子顯微鏡（SEM）對濾料內部結構進行進一步研究。通過分析反沖洗過程中不同時刻的濾料內部結構，更充分地分析脈沖作用。

參考文獻

[1]李圭白，劉俊新.長柄濾頭的流體力學特性研究[J].中國給水排水，1989，5（1）：4-8.

[2]熊國鋒.常規濾料濾池氣－水反沖洗若千問題的試驗研究[D].重慶：重慶建筑大學，1999.

[3]周慧芳，童禎恭，唐朝春.單層濾料直接過濾截污特征與反沖洗效果研究[J].南方冶金學院學報，2005，1（1）：43-46.

[4]張俊貞，鄧彩玲，安鼎年.濾池氣水反沖洗的數學模型[J].中國給水排水，2007，13（3）：10-13.