湖南大學(xué)土木工程學(xué)院水工程與科學(xué)系 　　　柳州市自來(lái)水責(zé)任有限公司
　　施周 吳光春　　　　　　　　　　　　　　 張瑩 黃京敏

　　過(guò)濾是水處理流程中以粒狀介質(zhì)(濾料)截留雜質(zhì)以保證出水水質(zhì)的重要工藝環(huán)節(jié)。上向流過(guò)濾由于濾床的粒徑及孔隙從下至上隨過(guò)濾水流方向逐漸變小，因此，與傳統(tǒng)的下向流過(guò)濾方式相比，其具有提高濾料截污量、延長(zhǎng)過(guò)濾周期的潛力，因而在歐美得到了較廣泛的應(yīng)用^[1]。國(guó)內(nèi)也成功地進(jìn)行了生產(chǎn)應(yīng)用^[2]。由于以往上向流過(guò)濾研究多側(cè)重于解決實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的問(wèn)題，對(duì)諸于上向流濾料的級(jí)配對(duì)過(guò)濾性能的影響、粒徑與極限濾速的關(guān)系以及過(guò)濾機(jī)理等的研究有待深入和完善。因此，本研究擬在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

1、實(shí)驗(yàn)裝置與方法

　　1.1實(shí)驗(yàn)裝置與材料
　　實(shí)驗(yàn)過(guò)濾裝置，濾筒為PVC管柱，其上設(shè)有有機(jī)玻璃觀察宙及取樣孔；濾料采用石英砂(岳陽(yáng)砂廠)，混凝劑為精制硫酸鋁(柳州自來(lái)水公司硫酸鋁廠)，原水取自柳江河水。
　　1.2實(shí)驗(yàn)方法
　　上、下向流過(guò)濾對(duì)比實(shí)驗(yàn)：采用濾筒裝置在柳州市自來(lái)水公司城中水廠進(jìn)行。待濾水取自孔室渦流反應(yīng)池或斜管沉淀池，經(jīng)水泵送人高位水箱后再分送至1—4#濾筒。濾筒內(nèi)徑均為加伽，其中1#筒采用0.7～2.0mm的自然級(jí)配石英砂進(jìn)行下向流過(guò)濾，濾層厚度96cm；2#筒采用0.7～2.0mm的自然級(jí)配石英砂進(jìn)行上向流過(guò)濾，濾層厚度98cm，3#筒采用分層填裝濾料進(jìn)行上向過(guò)濾，濾層厚度115cm。4#筒采用與2#筒相同級(jí)配但厚度為40cm的石英砂濾層進(jìn)行上向流過(guò)濾試驗(yàn)。
　　水樣濁度采用美國(guó)便攜式濁度儀(HACH公司，型號(hào)2100P)測(cè)定。過(guò)濾水量采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定并經(jīng)容量法核定。水頭損失由濾層表面及底部測(cè)壓管水頭差確定。
　　極限(最大)濾速實(shí)驗(yàn)：采用內(nèi)徑59mmPVC管作為濾筒，濾層厚度為50～70cm，分別選用粒徑為0.8～0.96，0.96～1.13，1.13～1.5，1.5～1.77，1.77～2.0mm的六組濾料，用清水進(jìn)行上向流過(guò)濾極限濾速實(shí)驗(yàn)：通過(guò)閥門逐漸加大過(guò)濾水量直至表層濾料顆粒開(kāi)始流態(tài)化，然后記錄相應(yīng)的流量并根據(jù)濾料面積換算成極限濾速。

2、結(jié)果與討論

　　2.1極限濾速
　　保持濾料非流態(tài)化是上向流過(guò)濾正常工作的前提，因此我們滿足這一條件的最大濾速  定義為極限濾速：即在一定溫度下，上向流過(guò)濾中對(duì)于某一粒徑的濾料，能使濾層起到有效過(guò)濾作用的最大濾速，也即表層濾料剛開(kāi)始流態(tài)化時(shí)的濾速。根據(jù)這一定義，極限濾速可利用下述反沖洗強(qiáng)度與孔隙率關(guān)系公式(1)來(lái)確定^[6]：
　　 　　　　　　　　　　　(1)

　　式中　q——反沖洗強(qiáng)度（L/m².s）
　　　　　d₀——濾料粒徑（ cm）
　　　　　μ——?jiǎng)恿φ硿禂?shù)（g/cm.s）
　　　　　m₀——濾料孔隙率
　　　　　e——膨脹率

　　令e=0，則可得極限濾速V_max(m/h)：

　　  　　　　　　　　　　(2)

　　根據(jù)公式(2)計(jì)算出的理論極限濾速列于表1。

　　說(shuō)明：1　括號(hào)外及括號(hào)內(nèi)數(shù)值分別為篩孔徑及校準(zhǔn)篩孔徑；
　　　　　2　由于表面的小粒顆濾料首先流態(tài)化，故以d₀= D_min之校準(zhǔn)篩孔徑計(jì)算；μ=0.0081（g/cm·s）
　　　　　3　取六次觀測(cè)平均值

　　為便于此，我們將實(shí)測(cè)所得的極限濾速也列入表1。發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值二者在粒徑≤1.10mm范圍內(nèi)基本吻合，在粒徑＞1.10mm范圍，計(jì)算值大于實(shí)測(cè)值。這一結(jié)果說(shuō)明在實(shí)際工程應(yīng)用中，利用式(2)來(lái)估算最小粒徑≤之濾料的極限濾速是可行的。
　　2.2上向流過(guò)濾機(jī)理
　　一般認(rèn)為，過(guò)濾機(jī)理包括機(jī)械攔截、沉淀及吸附等作用。過(guò)濾周期初始時(shí)，濾料孔隙較絕大部分待濾雜質(zhì)尺寸為大，故其對(duì)于懸浮雜質(zhì)的截留以吸附作用為主。隨著過(guò)濾周期的進(jìn)行，濾料顆粒表面逐漸為截留雜質(zhì)顆粒所占據(jù)，孔隙尺寸變小而機(jī)械攔截作用加大。本研究由于采用孔隙尺寸較大的粗濾料過(guò)濾，在過(guò)濾初期，應(yīng)幾乎沒(méi)有機(jī)械篩濾作用，起主要作用的是吸附。為證明這一推論，我們用3#濾筒(濾料粒徑為0.8～2.0mm)，將原水(濁度＝5.3NTU)在不投加混凝劑情況下進(jìn)行上向流過(guò)濾(濾速7.7～23.6m/h)，5min后取樣分析發(fā)現(xiàn)濾后水濁度＞3.1NTU，達(dá)不到合格的水質(zhì)要求。這一結(jié)果表明，即使在濾速較低(7.7m／h)的條件下，濾料對(duì)大部分雜質(zhì)顆粒，尤其是較小顆粒的機(jī)械攔截作用不明顯。而當(dāng)適當(dāng)?shù)赝都踊炷齽┝蛩徜X以后，即使控制3#柱濾速接近其極限濾速，其5min濾后水濁度為0.1NTU,明顯優(yōu)于未投加硫酸鋁時(shí)的水質(zhì)。這一事實(shí)說(shuō)明混凝劑投加后雜質(zhì)顆粒脫穩(wěn)，其與濾料表面的吸附力增加，因此濾層截留雜質(zhì)的能力得以提高。由此可見(jiàn)，吸附作用機(jī)理在上向流過(guò)濾中起主導(dǎo)作用。
　　此外，在實(shí)驗(yàn)中我們還發(fā)現(xiàn)出水水質(zhì)與混凝劑的投加量有很大的關(guān)系。因此在高濾速上向流過(guò)濾中，要保證長(zhǎng)時(shí)間的好水質(zhì)必須控制混凝劑的投加量。
 　　2.3上向流過(guò)濾水頭損失變化
　　上、下向流過(guò)濾水頭損失隨過(guò)濾時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖1。則周期內(nèi)濾料平均水頭損失增長(zhǎng)速度K＝(終期水頭損失—初期水頭損失)／過(guò)濾周期；對(duì)1、2、3、4#濾筒，顯然，K1＝3.5＞K3＝1.8＞K2＝1.7＞K4＝0.86。由此不難得出：1)在相同條件下，下向流水頭損失增長(zhǎng)速度大于上向流。因此，在相同的可資水頭作用下，上向流較之下向流具有較長(zhǎng)的過(guò)濾周期；2)對(duì)上向流過(guò)濾，濾層越厚，水頭損失增長(zhǎng)越快。在保證出水水質(zhì)和應(yīng)有濾速前提下，選擇一個(gè)恰到好處的濾層厚度是很重要的，該結(jié)論與文獻(xiàn)^[3]一致。

  　　2.4上向流過(guò)濾性能評(píng)價(jià)
　　理想的過(guò)濾應(yīng)該是高濾速，低水頭損失，長(zhǎng)過(guò)濾周期及優(yōu)良出水水質(zhì)。以此為依據(jù)，文獻(xiàn)^[4]提出了如下的評(píng)價(jià)過(guò)濾性能的過(guò)濾指數(shù)公式：

　　FPI＝(C_st—C)×(C₀—C)×VT/H 　　　　　　　　　(3)

  　　式中　C——出水濁度(mg/L)
　　　　　C₀——進(jìn)水濁度(mg/L)
　　　　　C_st——國(guó)家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—85)中濁度指標(biāo)，C_st＝3度。
　　　　　V——濾速(m／h)
　　　　　T——過(guò)濾周期(h)
　　　　　H——終期水頭損失(h)
　　根據(jù)以上公式及相應(yīng)參數(shù)(表2)，計(jì)算出濾拄1、2、3、4的FPI(表2)。顯然就綜合過(guò)濾性能而言濾筒4＞濾筒2＞濾筒1，即相同條件下，上向流過(guò)濾優(yōu)于下向流過(guò)濾；對(duì)上向流過(guò)濾而言，濾料厚度為40cm時(shí)的性能優(yōu)于同等條件下濾料厚度為98cm時(shí)的性能。

三、結(jié)論

　　綜合上述研究成果，可得出如下結(jié)論：
　　1.極限濾速與濾料粒徑之間的關(guān)系可以指導(dǎo)粒徑的選擇及預(yù)計(jì)最大濾速；上向流過(guò)濾極限濾速實(shí)測(cè)值與公式計(jì)算值在油料粒徑≤1.10mm范疇時(shí)吻合，在濾料粒徑＞1.10mm范圍時(shí)，實(shí)測(cè)值賂小于公式計(jì)算值。由于上向流過(guò)濾時(shí)濾料流態(tài)化將從最小粒徑濾料顆粒開(kāi)始，故可以利用公式(2)估計(jì)最小粒徑≤1.10mm之濾料的上向流過(guò)濾極限濾速；
　　2.上向流過(guò)濾機(jī)理以吸附與沉淀作用為主，機(jī)械篩濾作用不大；
　　3.下向流過(guò)濾水頭損失增長(zhǎng)速度大于同等條件時(shí)的上向流過(guò)濾水頭損失增長(zhǎng)速度；根據(jù)過(guò)濾指數(shù)判斷，在同條件下，上向流過(guò)路綜合性能優(yōu)于下向流過(guò)濾。

  　　以上研究結(jié)果可用來(lái)指導(dǎo)上向流濾池的設(shè)計(jì)與運(yùn)行，以進(jìn)一步改善過(guò)濾效果。

  　　參考文獻(xiàn)

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