微絮凝—深床直接過(guò)濾又簡(jiǎn)稱直接過(guò)濾工藝［1］。它實(shí)際是在對(duì)混凝、過(guò)濾作用機(jī)理及其工藝過(guò)程深入研究的基礎(chǔ)上，將混凝與過(guò)濾過(guò)程有機(jī)集成為一體，形成了當(dāng)今水處理的高新技術(shù)系統(tǒng)［2、3］。近年來(lái)，采用該過(guò)濾工藝處理低溫、低濁、有色水質(zhì)已成為發(fā)達(dá)國(guó)家水廠選擇的主流［4］。

1 中試裝置及流程

1.1 裝置

中試是在小型模擬試驗(yàn)［5］基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化放大，最大設(shè)計(jì)處理量為1.2m3/h 。濾床采用有機(jī)玻璃管，高為5 000 mm、內(nèi)徑為200mm、取樣管間隔為300 mm、承托層為20 0 mm。由于小試選用濾料的粒徑相對(duì)較小，導(dǎo)致截污分布相對(duì)不均，過(guò)濾周期未能達(dá)到最佳狀況，故中試選用了超大粒徑的無(wú)煙煤濾料(粒徑為3.5～4 mm，有效粒徑d10為3.8 mm，不均勻系數(shù)為1.05)，濾料填充高度為1000～2500mm。為保證布水、布?xì)饩鶆�，采用長(zhǎng)柄濾頭布水并在濾層底部鋪墊粒徑為16～32mm、8～16mm、4～8 mm的卵石承托層。

1.2 工藝流程

原水直接與水廠配水管路相連，用水泵提升。絮凝劑與原水通過(guò)管式混合器混合、經(jīng)旋流混合槽后直接進(jìn)入濾床進(jìn)行過(guò)濾處理。管式混合器前由高精度電子蠕動(dòng)計(jì)量泵控制加藥量，管道混合停留時(shí)間設(shè)定為1～2min。旋流混合槽出口處安裝流動(dòng)電流檢測(cè)儀在線檢測(cè)混合水質(zhì)的流動(dòng)電流變化狀況。出水濁度采用美國(guó)Great Lake公司的在線濁度監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行瞬時(shí)監(jiān)測(cè)并傳輸至Hitachi Cor.的記錄儀進(jìn)行記錄。

1.3 控制標(biāo)準(zhǔn)

采用下向流等速變水頭過(guò)濾，濾速為16～32 m/h，水頭損失穿透標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為250cm(25 kPa)，水質(zhì)穿透標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為濁度＜0.3 NTU、色度＜0.5倍，與國(guó)外控制標(biāo)準(zhǔn)一致［4］。所用藥劑分別為堿化度為40%～60%、Al2O3含量為10%和16%的液體聚合氯化鋁，投藥量以水廠現(xiàn)有工藝確定的最佳投藥量(4 mg/L)作基準(zhǔn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)行結(jié)果

北京第九水廠源水取自密云水庫(kù)，以懷柔水庫(kù)作調(diào)節(jié)水庫(kù)。由于密云水庫(kù)環(huán)境保護(hù)良好，源水基本未受污染。除每年一周左右的高濁期(平均為68 NTU)外，濁度最高為3.2NTU，最低為0.69 NTU，平均為2～3 NTU，而且取水口深(水下40 m)、水質(zhì)波動(dòng)較小、水溫較低。中試進(jìn)行了兩年，其中不同床深和投藥量條件下部分典型過(guò)濾周期結(jié)果見表1。

表1 第九水廠中試結(jié)果

2.2  深床直接過(guò)濾的影響因素

① 濾料粒徑

濾料粒徑是影響直接過(guò)濾過(guò)程水頭損失(H)的最重要因素之一，H可用下式計(jì)算：

H=f(L0/D2)(1)

式(1)表明水頭損失與濾料粒徑(D)的平方成反比，與濾層厚度(L0)成正比，當(dāng)濾 料粒徑增加時(shí)水頭損失將大大減小。國(guó)外目前直接過(guò)濾選用的均質(zhì)濾料粒徑范圍一般為1.5 ～2.0 mm。小試中發(fā)現(xiàn)，采用有效粒徑d10=2.0 mm的均質(zhì)無(wú)煙煤濾料及濾床深度為2 m時(shí)，大部分絮體顆粒聚集在濾料表層上半部分，過(guò)濾周期僅為20 h左右，表明濾料有 效粒徑相對(duì)較小，濾層截污分布相對(duì)不均，因此中試采用d10=3.8mm的超大粒徑濾料并將濾床厚度加深為2.5 m。

結(jié)果表明，在相同濾速下中試濾料粒徑為3.8 mm時(shí)的水頭增長(zhǎng)比小試(粒徑為2.0 mm)慢得多，可有效增加濾層絮體沉積速率以及絮體在濾層內(nèi)的穿透深度，防止過(guò)早堵塞而使水頭損失減至最小，因而可顯著提高過(guò)濾運(yùn)行周期和產(chǎn)水率。

② 濾層厚度

濾層厚度的影響需從濾料表面吸附和沉積作用兩方面考慮，而對(duì)吸附和沉積起決定性作用的是濾料表面積。

對(duì)于一定粒徑的濾料，濾料表面積實(shí)際由L/d(L為濾層厚度，d為粒徑)決定。普通濾料厚度一般根據(jù)藤田賢二的經(jīng)驗(yàn)公式［6］，認(rèn)為L(zhǎng)/d10=1 000 或L/de=800時(shí)是安全的但它是在常規(guī)濾速(V=10 m/h左右)得到的，在深床過(guò)濾的高濾速下此值的安全性值得懷疑。Hazen認(rèn)為濾層深度需滿足下列公式：

L=Qhd3/B（2)

式中 d——粒徑，mm

Q——截面流量，L/(m2·s)

h——水頭損失，Pa

B——穿透指數(shù)，一般取B＝1×10-3

因?yàn)V速(V)越大，所需濾層厚度越大(L與V1/3成正比，如濾速提高1倍，L相應(yīng)增加21/3)，而L越大，濾后濁度變化越慢；d越大，水頭損失增長(zhǎng)越慢，因此，增大L和d值可以延長(zhǎng)過(guò)濾周期。

當(dāng)床深＜2.0 m會(huì)出現(xiàn)出水不達(dá)標(biāo)或水質(zhì)過(guò)早穿透，導(dǎo)致過(guò)濾周期過(guò)短。床深為2.5 m、濾速為24 m/h和16 m/h時(shí)水質(zhì)達(dá)標(biāo)(濁度＜0.3 NTU)，過(guò)濾周期分別達(dá)到78、104h，表明以
2.5 m床深運(yùn)行較安全，而此時(shí)L/de值(658)仍低于藤田所提出的800～1000的范圍，說(shuō)明直接過(guò)濾濾速與濾床厚度之間存在一定關(guān)系，依據(jù)現(xiàn)有常規(guī)濾料的經(jīng)驗(yàn)公式并不能準(zhǔn)確反映深床直接過(guò)濾中濾床厚度與濾速的關(guān)系以及選擇適宜濾床深度。

③ 濾速

在濾速高時(shí)濾池工作 周期的長(zhǎng)短主要由水頭損失決定，而起始水頭損失小是大粒徑濾料的優(yōu)點(diǎn)之一(可延長(zhǎng)過(guò)濾工作周期)。此外，顆粒物在濾床中的遷移取決于水流的剪切力，而水流剪切力則由流速和濾料粒徑及形狀決定。濾料粒徑及深度一定時(shí)，濾速越大顆粒污染物在濾床中向下遷移得越快，過(guò)濾周期也越短。

在投藥量為4 mg/L、濾速為32 m/h時(shí)，過(guò)濾周期僅為26 h。降低投藥量和濾速(16～24 m/h) ，過(guò)濾周期分別達(dá)到78、96 h，表明在此L/d情況下，16～24 m/h是最佳直接過(guò)濾濾速。

④ 最佳投藥量與濾前絮凝反應(yīng)時(shí)間

最佳投藥量與濾前絮凝反應(yīng)時(shí)間對(duì)直接過(guò)濾的最佳過(guò)濾周期具有顯著的影響。試驗(yàn)表明，聚合氯化鋁稍低或稍高的投量均會(huì)顯著影響出水水質(zhì)和過(guò)濾周期，因此精確控制其最佳 投量是獲得最佳過(guò)濾凈化處理效能的關(guān)鍵。濾前最佳投量和絮凝反應(yīng)時(shí)間必須依 據(jù)絮凝劑的化學(xué)反應(yīng)特性和源水懸濁膠體顆粒特性及濃度而隨機(jī)調(diào)整，使其形成不僅能夠透過(guò)較深濾層，同時(shí)又能與負(fù)電濾料表面發(fā)生接觸粘結(jié)絮凝反應(yīng)而被截留于濾料表面的一定微尺度的正電性微絮凝顆粒。

圖4等濾速、不同投藥量的試驗(yàn)結(jié)果在投藥量為2 mg/L(相當(dāng)于0.32 mg/LAl2O3)、濾速為16 m/h的條件下，出水濁度＜0.3 NTU，穩(wěn)定運(yùn)行周期長(zhǎng)達(dá)96～110 h。水廠現(xiàn)有過(guò)濾工藝是以7～8 m/h的濾速運(yùn)行，過(guò)濾周期為48 h，液體PAC投加量為4 mg/L(相當(dāng)于0.64 mg/LAl2O3)，是微絮凝—深床直接過(guò)濾工藝的一倍，表明聚合氯化鋁高效絮凝特性更適用于大粒徑深床直接過(guò)濾，并能在較低投藥量下獲得較好的出水水質(zhì)。

國(guó)外在直接過(guò)濾工藝中，采用傳統(tǒng)絮凝劑(硫酸鋁、氯化鐵等)的濾前停留時(shí)間多控制在3～7 min。如前所述，聚合鋁絮凝劑具有較強(qiáng)的電中和脫穩(wěn)能力、快速的絮凝反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及結(jié)團(tuán) 絮凝反應(yīng)特征。因此微絮凝—直接過(guò)濾濾前絮凝反應(yīng)停留時(shí)間只需控制在1～2 min，停留時(shí)間延長(zhǎng)將導(dǎo)致水頭損失增大、過(guò)濾周期縮短。

2.3反沖洗參數(shù)

超大均質(zhì)濾料反沖洗的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)因?yàn)闆_洗強(qiáng)度過(guò)大而將小粒徑濾料沖出濾池而造成濾料損失，也不會(huì)因沖洗強(qiáng)度過(guò)小而導(dǎo)致粗濾料不能完全流態(tài)化。均質(zhì)大粒徑濾料有利于截留的懸 浮物向下滲透，使污染物分布較均勻，但同時(shí)也存在反沖洗問(wèn)題。采用常規(guī)水沖洗方法不能達(dá)到較好效果，會(huì)導(dǎo)致濾池不能恢復(fù)凈水能力、截污能力下降以及沖洗水耗上升等不良后果。因此，深床直接過(guò)濾工藝過(guò)程的反沖洗最好采用氣水聯(lián)合反沖洗方式，分三步進(jìn)行：①氣沖；②氣、水混合沖；③水漂洗。目前所有反沖洗強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式都是針對(duì)水反沖洗的，對(duì)于大粒徑深床的氣水反沖洗參數(shù)國(guó)內(nèi)尚無(wú)數(shù)據(jù)提供。筆者針對(duì)所采用的濾料及填料厚度，對(duì)深床直接過(guò)濾的合適反沖洗參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 反沖洗參數(shù)及水量計(jì)算

① 氣沖強(qiáng)度的確定。氣沖的目的是使氣泡通過(guò)濾層時(shí)局部濾料發(fā)生移動(dòng)，濾料顆粒相互填充、碰撞、摩擦，使得附著在濾料表面的雜質(zhì)脫落，也可通過(guò)氣泡對(duì)濾料顆粒的沖擊使濾料 產(chǎn)生振動(dòng)而導(dǎo)致雜質(zhì)脫落，即以濾層開始攪動(dòng)臨界沖洗強(qiáng)度為下限，但不能使濾層膨脹而致動(dòng)力消耗過(guò)大。研究表明，在柱上水頭為10 kPa時(shí)，使濾層攪動(dòng)的反沖洗強(qiáng)度為18L/(m2·s)，強(qiáng)度增長(zhǎng)至26L/(m2·s)時(shí)濾層開始膨脹，因此選取20L/(m2·s)為氣沖洗強(qiáng)度，沖洗時(shí)間為2～3 min。

② 混合沖洗階段強(qiáng)度確定。混合沖洗階段水流處理起到剪切、剝落污染物的作用，還要將剝離的污染物與濾料層分開。在此階段應(yīng)以濾料流化為準(zhǔn)，濾層膨脹率按經(jīng)驗(yàn)控制在30%左右。氣沖強(qiáng)度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致紊動(dòng)程度過(guò)大而不利污染物隨水流上升。因此，將氣沖強(qiáng)度減小至15L/(m2·s)，此條件下使濾層膨脹率達(dá)到30%的水沖洗強(qiáng)度為15 L/(m2·s)，沖洗時(shí)間為4 min。

③ 水漂洗。此階段的目的是將前兩階段從濾層中剝落的污染物與濾料層分開。為 防止污染物重新回到濾層下方，應(yīng)保持第二階段的膨脹率不變。此階段的水力強(qiáng)度應(yīng)加 大為25L/(m2·s)，沖洗4 min。

④ 表面掃洗。在實(shí)際工程中，最好結(jié)合表面掃洗使隨氣泡或水流上浮的雜質(zhì)及時(shí)被清除［掃洗強(qiáng)度可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取7～8/(m2·s)］。在有表面掃洗時(shí)，混合沖洗階段、單水漂 洗階段氣和水的強(qiáng)度均可適當(dāng)減小。

綜合上述結(jié)果，在第二階段的沖洗水用量為0.113m3，第三階段的沖洗水用量為0.187m3，反沖洗過(guò)程中總耗水量為0.3m3，若按第8周期產(chǎn)水量計(jì)算，該周期內(nèi)總產(chǎn)水量為46.5m3，反沖洗用水量?jī)H占產(chǎn)水量的0.6%。

2.4 綜合效能評(píng)價(jià)

表3是直接過(guò)濾與傳統(tǒng)工藝處理結(jié)果對(duì)比。

表3 微絮凝—深床直接過(guò)濾工藝與水廠二期處理工藝的初步比較

由表3可見，聚合氯化鋁的微絮凝—深床直接過(guò)濾工藝在凈化處理低溫、低濁水質(zhì)方面具有顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，具體體現(xiàn)在：①流程方面，該工藝省去了現(xiàn)有三級(jí)絮凝反應(yīng)池 和斜板沉淀池，縮短了工藝流程，可節(jié)省投資近1/3；②產(chǎn)率方面，現(xiàn)有濾池濾速為7～8 ,過(guò)濾周期為48 h，而直接過(guò)濾濾速可達(dá)16～32 m/h，可穩(wěn)定運(yùn)行80～104 h，濾速提高2～3倍，過(guò)濾周期也提高1～2倍，產(chǎn)水率至少提高2～4倍；③藥劑方面，使用堿化度為60% 的液體聚合鋁，在床深為2.5 m、濾速為16 m/h、投藥量?jī)H為2 mg/L時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)到90～104 h，僅為水廠現(xiàn)有投藥量的1/2。北京九廠現(xiàn)處理水量為100×104m3/d，現(xiàn)有工藝用藥量為4 t/d，而采用微絮凝—深床直接過(guò)濾工藝可節(jié)省藥劑2t/d，按液體PAC(Al2O3含量為16%)市售1600 元/t計(jì)算，僅藥劑費(fèi)就可節(jié)省3200元/d。④出水水質(zhì)方面，試驗(yàn)水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)為濁度＜0.3 NTU，明顯地提高水廠出水水質(zhì)(現(xiàn)有水廠出水濁度標(biāo)準(zhǔn)＜1 NTU) ，使出水水質(zhì)可達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家水廠處理標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

① 中試從工程可行性及實(shí)用性的角度進(jìn)行研究。針對(duì)北京水源九廠的低溫低濁水質(zhì)實(shí)際處理所得試驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)設(shè)計(jì)適合于采用聚合鋁絮凝劑的微絮凝—深 床直 接過(guò)濾工藝，對(duì)于處理低溫低濁水是可行的且可實(shí)用化，同時(shí)也驗(yàn)證了所提出的超大粒徑濾 料深床完全適合于聚合氯化鋁的高效絮凝反應(yīng)特征。

② 微絮凝—直接過(guò)濾工藝的最佳化學(xué)及水力學(xué)參數(shù)如下：選用粒徑＞3～4 mm的無(wú)煙煤濾料；采用大粒徑濾料、大濾速進(jìn)行直接過(guò)濾時(shí)，L/d值所需滿足的范圍可比藤田等人提 出的經(jīng)驗(yàn)公式都小；大粒徑深床過(guò)濾工藝可采用比常規(guī)粒徑濾料大得多的濾速，出水標(biāo)準(zhǔn)控制在濁度＜0.3 NTU，濾速提高到30 m/h，過(guò)濾周期可達(dá)到24 h。如出水濁度標(biāo)準(zhǔn)控制在0.5 NTU、濾速為30 m/h，過(guò)濾周期可達(dá)到50 h以上。采用16 m/h或更低濾速時(shí)，則可大大延長(zhǎng)過(guò)濾周期，而這一濾速也接近常規(guī)濾速(8～10 m/h)的一倍。

③ 微絮凝—深床直接過(guò)濾工藝在處理低溫、低濁水質(zhì)方面具有顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，不僅明顯節(jié)省投資費(fèi)用及占地，而且可顯著提高產(chǎn)水率和出水質(zhì)量，顯著節(jié)省運(yùn)行處理費(fèi)用。

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