（环境工程专业论文）平流条件下短管填料对浊度去除效果的试验研究.pdf

中文摘要 短管填料对水浊度去除有着重要的实用意义。水的浊度去除效果是短管填料 性能研究的重要内容。根据“浅池”理论，设计出平流条件下的填料床试验装置 和试验方案。试验包括：( 1 ) 短管填料对浊度去除效果及影响因素。( 2 ) 投加混凝剂 对浊度的去除效果影响。( 3 ) 短管填料对水流的阻力的影响及对水体溶解氧的影 响。研究表明： 1 、在平流条件下，放置短管填料可显著提高浊度的去除率。 2 、影响短管填料对浊度去除效果的主要因素是填料投配率、堆积方式、水 力停留时间和原水浊度。 ( 1 ) 填料在同等条件下水的浊度去除效果，随着填料投配率的增加而增加。 ( 2 ) 同等条件下水浊度去除效果，相同投配率的填料悬浮堆积方式优于固定 式。 ( 3 ) 短管填料对浊度的去除率随停留时间的增加而增大，去除率同停留时间的 自然对数成线性相关。当停留时间在1 小时之内时，随着停留时间的增加，浊度 去除率增加非常明显，而当停留时间再增大，去除率增加不显著，呈平缓状态。 ( 4 ) 短管填料对浊度的去除率，在相同停留时间内去除率随原水浊度 ( 5 0 n t u 3 0 0 n t u ) 的减少而减少，对较低浊度( 5 0 n t u ) 水的去除效果不明显。 3 、提出短管填料基本特性指标有效水平投影表面积比和有效水平投影面积 增加倍数。论文建立数学统计计算模型，计算出在短管填料随机堆满的状态下， 有效表面积比丑。= 0 5 。推导出短管填料有效面积增加倍数屯计算公式。两者为 短管填料对浊度去除的理论分析提供了基础。 4 、通过对试验结果回归分析，提出了在原水浊度5 0 n t u 一3 0 0 n t u ，停留时间 0 0 2 h 一1 2 h 的情况下，短管填料床在平流条件下浊度的去除率经验公式，计算结 果与试验结果吻合很好。并进一步提出了更具有般适用性的出口处剩余浊度计 算公式和水的浊度综合去除率计算公式，可以计算随机堆满状态、任意比例固定 式和无填料状态。 5 、当进水为低浊度水时，通过投加混凝剂，可以明显提高浊度去除效果， 加快反应速度。试验还得出硫酸铝混凝剂经济投加量为2 5 3 0 m g l 和最佳投药位 置。 6 、短管填料对水流产生阻力，随水流速度、填料床的长度及填料投配率的 增加而增大。 7 、在平流条件下，通过跌水可以明显地增加水中的溶解氧。 本研究为短管填料应用于浊度去除提供了试验依据，具有较大的实用价值。 本研究提出的表征填料基本特性指标有效水平投影表面积比和短管填料有效水 平投影面积增加倍数的概念及其计算方法，以及浊度去除的相关公式，对今后的 研究具有较强的理论意义。 关键词：短管填料浊度去除率停留时间混凝 s t u d y o nt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft u r b i d i t yu s i n gs t u bt u b e f i l l e r s u n d e ra d v e c t i o n a lf l o wc o n d i t i o n s ( m a s t e r sd e g e ed i s s e r t a t i o n ) n a s t e r sc a n d i d a t e ：t i a nj 旬- l a n a d v i s o r ：p r o f z h ul i a n g h o h a iu n i v e r s i t y , n a r l j i n ，e r ，c h i n a a b s t r a c t s t u bt u b ef i l l e r sh a v ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h er e m o v a lo ft u r b i d i t y t h e r e m o v a le f f i c i e n c yo ft u r b i d i t yi st h em a i nr e s e a r c hc o n t e n tw h e ns t u d y i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i l l e r s ，a c c o r d i n gt os h a l l o w p o n dt h e o r y , t h ep a c k e db e da n d t h ee x p e r i m e n t a lp l a nu n d e ra d v e c t i o n a lf l o wc o n d i t i o n su s e di nt h i s p a p e rw e r e d e s i g n e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ：( 1 ) t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f t u r b i d i t yu s i n gs t u bt u b e f i l l e r sa n di t sc o n t r i b u t i n gf a c t o r s ；( 2 ) t h ee 髓c t so fc o a g u l a n ta d d i t i o no nt h er e m o v a le f f i c i e n c y o f t u r b i d i t y ；( 3 ) t h ee f f e c t so f s t u bt u b ef i l l e r so n t h er e s i s t a n c eo f f l o wa n dd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) i nw a t e rt h r o u g ho x l rs t u d yo nt h e s ep o i u t s ，t h ef o l l o w i n gr e s u l t sw e r ea c h i e v e d ： i u n d e ra d v e c t i o n a lf l o wc o n d i t i o n s ，t h es t u bt u b ef i l l e r sc o u l di m p r o v et h er e m o v a lo f t u r b i d i t y 互t h em a i nr e m o v a le f f i c i e n c yo ft u r b i d i t yu s i n gs t u bt u b ef i l l e r sa r ea m o u n to ff i l l e r s ， r e t e n t i o nt i m eo f w a t e r , s h a p e sa n dt h et u r b i d i t yo f i n f l u a n t ( 1 ) t h er e m o v a lr a t eo ft u r b i d i t yu s i n gs t u bt u b ef i l l e r si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h e a d d i t i o na m o u n to f f i l l e r s ( 2 ) u n d e rt h es a l n ec o n d i t i o n s ，t h er e m o v a le f f i c i e n c i e so ft u r b i d i t yw h e nt h ef i l l e r sw e r e i m m o b i l i z e da n ds u s p e n d e dw e r ec o m p a r e d ( 3 ) t h er e m o v a lr a t eo ft u r b i d i t yu s i n gs t u bt u b ef i l l e r si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go f r e t e n t i o nt i m eo fw a t e r w h e nt h er e t e n t i o nt i m ew a sw i t h i no n e h o u r , i ti si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y w i t ht h ei n c r e a s i n go fr e t e n t i o nt i m e ，b u tw h e nt l mr e t e n t i o nt i m ew a sm o r et h a no n eh o u r , t h e r e w e r en o t r a n s p a r e n tc h a n g e so f t h e r e m o v a lr a t ew i t hf u r t h e ri n c r e m e n to f r e t e n t i o nt i m e ( 4 ) t h er e m o v a lr a t eo ft u r b i d i t yu s i n gs t u bt u b ef i l l e r si n c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s i n go ft h e t u r b i d i t yo fi n f i u e n w h e nt h et u r b i d i t yo fi n f l u e n tw a sl o w , a d d i t i o no fc o a g u l a n tc o u l di m p r o v e i t sr e m o v a l e f f i c i e n c y 3 t w ob a s i cc h a r a c t e r i s f i cp a r a m e t e r so f s t u bt u b e f i l l e r s ，t h ee f f e c t i v eh o r i z o n t a l p r o j e c t i v es u r f a c ea r e ar a t i o ( 0a n d i t sm u l t i p l i c a f i o n a lt i m e ( 鼢，w e r ep r e s e n t e di n t h i sp a p e r o n en u m e r i c a lm o d e lw a s d e v e l o p e d ，a n dt h ec a l c u l a t e de f f e c t i v es u r f a c e a r e aa 。e q u a lt o0 5w h e nt h ef i l l e r sw e r ef i l l e du pi n t ot h e p a c k e d b e da tr a n d o m t h e c a l c u l a t i o nf o r m u l af o rt h em u l t i p l i e a t i o n a lt i m eo fe f f e c t i v es u r f a c ea r e a l ( 幻w a s a l s od e d u c e d t h et w op a r a m e t e r sp r o v i d eb a s i sf o rt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h e r e m o v a l o f t u r b i d i t yu s i n gs t u bt u b ef i l l e r s i i 4 t h r o w 【曲r e g r e s s i v ea n a l y s i so f t h e m e a s u r e dr e s u l t s ，t h ee m p i r i c a le q u a t i o nf o r t h er e m o v a lr a t eo f t u r b i d i t yu n d e ra d v e c t i o n a lf l o wc o n d i t i o n so f 1 ep a c k e db e dw a s p r e s e n t e d t h er a n g eo f i n f l u e n tt u r b i d i t ya n dr e t e n t i o nt i m ew e r e5 0 n t u 一3 0 0 n t u a n d0 0 2 h 一1 2 h r e s p e c t i v e l y t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw e r ef i tw e l lw i t ht h em e a s u r e d r e s u l t s f u r t h e r m o r e ，o t h e rt w og e n e r a lf o r m u l a e ，t h ec a l c u l a t i o ne q u a t i o nf o rr e s i d u a l t u r b i d i t ya tt h eo u t l e tp o i n ta n dt h ec a l c u l a t i o ne q u a t i o nf o rt h ei n t e g r a t e dr e m o v a l r a t eo ft u r b i d i t y , w e r ee s t a b l i s h e d t h e s et w of o r m u l a ec a l lb eu s e df o rt h r e ed i f i e r e n t c o n d i t i o n so ft h ep a c k e db e d ：r a n d o m l yf i l l e du p ，f i l l e dw i t hd i f i e r e n ta m o u n t so f f i l l e r sa n di m m o b i l i z e d ，a n dw i t h o u tf i l l e r s 5 w h e nt h et u r b i d i t yo fi n f l u e n tw a sl o w , a d d i t i o no fc o a g u l a n tc o u l di m p r o v ei t sr e m o v a l e f f i c i e n c y t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，r e s u l t sa st h ea d d i t i o no fa l u m i n i u ms u l p h a t e ( 2 5 - 3 0 m g l ) a n dt h eo p t i m a lp o s i t i o no f c h e m i c a la d d i t i o n 6 t h es t u bt u b ef i l l e r sg e n e r a t e dr e s i s t a n c eo fw a t e rf l o w a n dt h er e s i s t a n c ei n c r e a s e dw i t h t h e i n c r e m e n t o f f l o wr a t e , t h e l e n g t ho f p a c k e d b e d sa n d t h ep r o p o r t i o n o f f i l l e r s 7 - u n d e ra d v e c t l o n a lf l o wc o n d i t i o n s ，f l o wc a s c a d ec o u l di n c r e a s ed oi nw a t e rs i g n i f i c a n t l y 1 1 1 i sr e s e a r c hp r o v i d e se x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h ea p p l i c a t i o no fs t u bt u b ef i l l e r s t ot h er e m o v a lo ft u r b i d i t ya n dh a ss i g n i f i c a n t p r a c t i c a l v a l u e s 1 1 1 et w ob a s i c c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fs t u bt u b ef i l l e r s ( x ea n dk e ) ，t h e i rc a l c u l a t i o nm e t h o d s a n dt h er e s p o n s i b l ec a l c u l a t i o ne q u m i o n sf o rt h er e m o v a lr a t eo ft u r b i d i t yh a v e t h e o r e t i c a lm e a n i n g sf o rt h ef u r t h e rs t u d yo f t h er e l a t e d t o p i c s k e y w o r d s ：s t u bt u b ef i l l e r s ，r e m o v a lr a t eo f t u r b i d i t y , r e t e n t i o nt i m e ，c o a g u l a t i o n ， i i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：2 0 0 4 年4 月2 9 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子 文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的 内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文 被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研 究生院办理。 论文作者( 签名) ： 2 0 0 4 年4 月2 9 日 1 绪论 i 1 水环境污染现状及水处理方法综述 1 1 1 水环境污染现状 随着经济的发展，地表水环境污染越来越重，各种工业废水、生活废水未达 到排放标准就直接排入水体。城市、农村的面源污染严重，没有得到有效的控制， 大量农药、杀虫剂等化学污染随雨水冲刷到河流、湖泊等水体，使河流污染加剧， 很多河流出现富营养化，有的甚至黑臭。中国科学院1 9 9 6 年发布的份国情研 究报告表明，我国5 3 2 条主要河流中4 3 6 条受到不同程度的污染。七大江河流经 的1 5 个主要城市河段，有1 3 个河段严重污染。城市内的湖泊、水库等缓流景观 水体的污染状况也同样令人担忧，主要存在的问题是富营养化。1 9 8 6 1 9 8 7 年对 我国2 3 个城市湖泊水库的调查情况表明，几乎全部被调查的水库、湖泊水的总 氮都超过了o 2 m g l ，大多数湖泊、水库为1 0 - 5 ，o m g l 以上，有2 0 以上高达 5 o m g l 以上。城市内的湖泊、水库透明度指标多数为0 2 0 4 m 。其水中浮游植 物个数总数较高，叶绿素浓度已很高。调查表明，我国大部分城市湖泊、水库已 达到富营养化程度。其中属富营养化的城市湖泊有：杭州西湖、南京玄武湖、江 西九江甘棠湖等。同时，城市的景观用水的污染随着地表水污染的加剧也在加剧， 许多具有美学价值、旅游观光功能的水体其生态环境效益、社会经济效益正在逐 步削弱，景观用水失去观赏的功能，留给人们的只是被污染的水体，有的还产生 了许多负效应。 1 1 2 水处理方法综述 ( 1 ) 水处理常用方法： 改善污染水体的水质有多方面的途径，例如源头减量、源头治理、将污水收 集后进行集中污水处理。其中源头减量、源头治理包括取缔严重污染水厂，达标 排放等，目的在于切断重大污染源；改变污染水体周围自然环境，以加大水体的 自净能力。对城市污水主要是建造污水处理厂，集中处理污水。污水处理主要方 法有：物理处理法、生物处理法、化学处理法【1 。在具体的污水处理中，往往是 将这三种方法综合利用。 污水的物理处理法去除对象是污水中的漂浮物、悬浮物。主要设备及构筑物 有：筛网、格栅、滤池、微滤机、沉砂池、沉淀池、隔油池、气浮池、离心机、 旋流分离器等。 污水的生物处理法主要去除的对象是水中各种污染物质包括易生物降解的 有机、无机物及胶体物质等。典型的有：活性污泥法、生物膜法、污水的自然处 理法等。 污水的化学处理是利用化学反应的作用以去除水中的杂质。它处理对象主要 是污水中无机的或有机的( 难于生物降解的) 溶解物质或胶体物质。 从污水处理的基本方法中可以看出，去除污水中悬浮物主要依靠物理处理方 法，利用悬浮物的重力沉降性能而去除。目前，在给水处理、污水处理中主要构 筑物为沉淀池。虽然人们对提高沉淀池的沉淀效果研究很多，但基本上是在沉淀 池中增加斜管或斜板从而增加沉淀面积。 ( 2 ) 河流及景观水处理方法 从水环境污染现状可以看出，被污染的河流和城市景观水体的防治已成为水 污染防治的一个重要部分。以下是南京市几个水体的水质调查表。 表1 1 水质调查表 从以上对几处水的初步调查可以看出，水质较差，有的很浑浊，透明度较低。 这些水体中大量有机物的存在形式包括溶解性和悬浮性两部分。去除悬浮性有机 物对改善水体、提高水体的透明度有重要的作用。悬浮物去除的常规构筑物即沉 淀池由于其占地面积大、维护复杂等原因，对河流和景观水处理的适用有一定难 度。目前对河流、景观水处理方法主要有以下几种： 河道地理环境的治理。包括取缔严重污染的厂，目的在于切断重大污染源， 改变河道周围自然环境，以加大河道的自净能力。 土地处理法。污水土地处理的意义在于有控制地将污水施入地表面，使之 在植物一土壤一水分复合系统中经历自然的物理、化学、生物等过程，对污水资 源与其中的氮、磷等营养成分进行利用，对污水中可降解的有机物加以净化。 生物技术。即将微污染水较成熟的处理技术一生物滤池逐渐应用到河道水 处理中，主要是应用微生物对污水的降解作用来修复被污染的河道。 河道复氧技术。部分欧美国家的成功经验和我国已经开展的一些试验结果 表明：人工曝气复氧是治理河流污染的一种有效的工程措旎。近年来在北京、上 海等城市进行了一定规模的河道人工曝气复氧试验，如张明旭等对苏州河进行的 实验室人工曝气复氧研究和动力学分析结果表明：即使严重黑臭的水体，在有氧 条件下2 0h 后臭味基本消除，水体颜色明显改观，c o d 、b o d 。都有大幅度( 3 0 一5 0 ) 降低”1 。通过复氧，可以使天然水体逐步恢复自然的生态功能，最终达到消除黑臭 污染的目的。 悬浮填料移动床技术”1 。悬浮移动床工艺是在2 0 世纪9 0 年代中期得到 开发与应用的，其核心部分就是以比重接近于水的悬浮填料直接投加到曝气池中 2 作为微生物的活动载体，依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用处于流化状态， 它是悬浮生长的活性污泥法与附着生长的生物膜法相结合的一种工艺。据文献报 道，悬浮移动床工艺除了对河水中有机污染物有很好的去处效果外，还对河水中 的悬浮物s s 、酚类、油类等污染物质都有较高的去除“1 。 从以上河道的水处理技术可以看出，每种处理方法均占一定的面积，而且安 装造价较高，投资大。因此必须寻求一种方法，具有安装快、处理效果明显、造 价低、运行费用低、操作简单、填料的反冲洗方便等优点。 1 2 填料在水处理中的研究现状及进展 1 2 1 填料在水的生物处理中的作用 填料在水处理中有着广泛的应用，在废水的生物处理方法中，填料是生物膜 的关键，是生物膜处理的核心部分，是微生物的载体，其性能直接影响工艺的处 理效率i i ”。填料的作用主要有以下三方面“”： ( 1 ) 填料的主要作用是为微生物提供附着生长的载体，其丰富的表面孔隙为微 生物提供了附着空间，使微生物具有栖息和繁殖的稳定环境，因而可以保持较多 的微生物量。一般来说，填料表面有效孔容越大，附着的微生物量越多，可承受 的有机负荷也就越高。 ( 2 ) 填料是反应器中生物膜与废水接触的场所，而且对水流有强制紊动的作 用，促使废水在填料空隙间曲折流动形成再分布，从而使水流在横截面上分布更 为均匀。同时，水流在填料内部形成交叉流动和混合，为废水和生物固体的接触 创造了良好的水力条件。在需氧反应器中，填料对气泡有重复切割作用，使废水 中的溶解氧浓度提高，可强化微生物、有机物和溶解氧三者之间的接触。 ( 3 ) 填料对水中的悬浮物有一定的截留作用。填料对悬浮物的截留作用是通过 对废水中悬浮物的扩散拦截、表面沉淀、表面电性作用、吸附等诸多作用实现的。 由于填料的截留作用，可减少出水悬浮物浓度。 1 2 2 填料的分类 在水处理行业中，填料的研究比较早。按照填料的充填方式，我国目前使用 的填料大致可以分为三大类1 7 】： ( 1 ) 定型固定式填料。主要指蜂窝类填料。定型固定式使用于上世纪七十年代 初。其材质有酚醛树脂加玻璃纤维布及固化剂、不饱和树脂加玻璃纤维布及固化 剂、塑料等。国内应用较早的纺织、印染、化工、化肥等行业，多数采用此类填 料，尤以生物塔滤中应用居多。这类填料的特点是，在不发生堵塞的情况下，处 理效果较稳定，使用寿命较长，般为5 8 年。但该类填料对布水、布气均匀性 要求较高，易发生脱膜，从而引起堵塞。使用中人们发现，当有机物浓度较高时， 蜂窝填料很容易堵塞，一旦发生堵塞，其处理效率急剧下降，严重的甚至损坏构 筑物，而且其造价较高。随着其他优质填料的出现，此类产品很少采用，一些原 有的项目的改造也被其它填料所代替。 ( 2 ) 悬挂式填料。悬挂式填料产生于八十年代初，至今仍在不断发晨之中，目前 在水处理领域应用最为广泛。这类填料经过逐步的改进完善，使用寿命高的可达 5 1 0 年，且造价适中，当前市场上最具竞争力。其中，软性填料问世最早，其主要 特点是理论比表面积大、挂膜容易、造价低、组装方便、不堵塞等。但废水浓度 高或水中悬浮物最大时，填料丝会结团，从而大大减少了实际利用的比表面积，且 易发生断丝、中心绳断裂等情况，影响了使用寿命，其寿命般为1 2 年。半软性 填料发明于八十年代中期，其枝条分布均匀，安装后没有短流区，使用寿命可达 5 1 0 年。它具有较强的再行布水布气的能力、挂膜脱膜效果较好、不堵塞。但 其理论比表面积较小、且造价偏高。综合以上填料的特点，人们又开发出组合填 料，其在一定程度上发挥了半软性和软性填料的优点，适合可生化性较差及浓度 较低的废水。弹性立体填料发明于九十年代初，其丝条呈辐射立体状态，具有一定 的柔性和刚性，回弹性好。其使用寿命长、布水布气性能良好，氧传递系数高、挂 膜脱膜容易、比表面积大、不结团堵塞、耐温、不易老化、且生产速度快、可满 足大型工程的需要，目前得到越来越广泛的应用。 ( 3 ) 分散型填料，包括堆积式、悬浮式填料。其种类较多，特点在于无需上述 填料的安装工作，应用时只需放置于处理装置中即可，使用方便，且更换简单，因 此减少了安装及运行操作管理工作量，是今后填料的发展趋势。 1 2 3 填料的物理特性评价方法 ( 1 ) 单位体积中的填料个数( n ) 【1 6 1 8 1 9 常用每立方米填料层所含有的填料个数来表示( 个m 3 ) 。 测量方法：在一定容积的装置( 如：填料塔，下面均以填料塔为例) 中，采 用干法将填料装满后倒出数个数。 ( 2 ) 比表面积( a ，) 表示单位堆积体积的填料层所具有的表面积( r n 2 m3 ) 。 口r = h 口o( 1 一1 ) 式中：a t 一比表面积( 1 1 1 2 m3 ) a 。一单个填料的表面积( r n2 个) 。 填料的比表面积愈大，所能提供的气液传质面积愈大。 测量方法：采用粘贴法求出单个填料的表面积，然后乘上每立方米填料个数 即得比表面积 ( 3 ) 空隙率( s ) ： 是指干填料堆积时，填料层中空隙部分所占的体积与填料层体积之比。 s = 1 一m _( 卜2 ) 式中：占一空隙率( m 3 m3 ) ： v 。一一个填料的实体体积( m 3 个) 测量方法：在一定容积的塔中将填料装满，在注入水，直至液面与塔柱上指 定刻度重复。算出水的容积与塔柱容积之比，即为空隙率。 ( 4 ) 干填料因子和填料因子 干填料因子是由比表面唧和空隙率占所组成的数群口形，表示气体通过干 填料层的流动特性。当有液体流动时，填料层部分空隙被液体占有，同时填料的比 表面也发生变化，所以用一个实测的填料因子目表示。 ( 5 ) 湿填料因子 比表面积除以空隙率的平方为湿填料因子，单位为l m 。代表实际操作时填 料的流体力学特性，其值愈大，表明填料的润湿性愈好。 ( 6 ) 堆积重度( ，。) y 。= 【1 一s p 。 ( 卜3 ) 式中：y 。一材料重度( 蚝m 3 ) ( 7 ) 比重( 口) 填料的密度与水的密度比。比重值反映了填料的流化性能。 表卜2 列举了常用的几种填料的性能参数。 表1 - 2 常见填料的性能参数 从以上填料的主要指标可以看出：单位体积中的填料个数、比表面积之间是 有一定的关联的。优良的填料具备个数少、比表面积大、吸附容量大，空隙率大， 不易造成堵塞。湿填料因子大，填料挂膜后与水的密度差不多，易于传送氧气和 营养物质，这样填料与水充分接触，生物挂膜量大，处理水效率高，填料成本和 安装成本低。 1 2 4 填料的研究现状及进展 最近几年，人们对填料的研究很多，主要有以下两个方面： ( 1 ) 开发新填料 从填料的几何外形来发明新的填料，使其流体力学和传质性能得到优化。例 如：拉西环、鲍尔环、矩鞍环、弧鞍环等单体填料，这些单体填料在化工行业中 应用较多，它们结构简单，易于制造，便于装卸和性能良好等优点。 在研究单体填料的流体力学和传质性能时，般采用氨吸收填料塔，主要测 量填料塔的填料层压降与空塔气速的关系，从而研究气流体力学和传质性能。 从填料的组成材料上发明新的填料，例如：塑料类的多孔球：陶瓷类的陶粒； 金属类的金属丝网波纹填料。各种材质的填料各有优缺点，在水处理中均有应用 2 1 2 2 3 加 ( 2 ) 拓宽填料的应用o ” 各种外形及材质的填料应用已很广泛。在给水处理、工业废水、城市污水、 微污染水等各种场合的应用都有研究，有的已经正式投产运行，并取得了良好的 经济和环境效益。例如：浮选一浮动填料生化法处理城市污水：塑料多孔球形填 料处理石化废水；填料在自由水面人工湿地的应用等等。 填料在水处理中研究现状主要集中在以下几个方面：曝气充氧性能的研究、 投配率对处理性能影响的研究、各种填料挂膜难易比较的研究、挂膜的质量及挂 膜后处理水效果的研究等。 1 3 研究的目的及意义 1 3 1 研究的目的 从填料研究的现状可以看出：在水处理行业中，填料的作用主要作为微生物 的载体，而且对填料的挂膜特性研究较多；在化工及其他行业中，对填料的流体 性能及材料特性研究较多，但对填料的阻力性能研究较少。从填料的作用来看， 主要集中在对作为生物膜的载体作用的研究，而对截留悬浮物及对浊度的去除作 用的研究很少。在研究填料的种类上，目前还没有开发出一种填料主要具有截留 悬浮物的作用，同时能作为生物膜的载体。从被污染水体的悬浮物的去除情况来 看，研究一种简单、有效的去除方法对恢复水体具有重要的作用。 本研究在一定的条件下，浊度与悬浮物有着很好的相关性，通过研究短管填 料对浊度去除的效果，来反映短管填料截留悬浮物的效果。 本试验研究主要目的有以下几点： ( 1 ) 针对浊度较高的河道及景观水体，探索出简单易行的去除浊度的方法。 ( 2 ) 在平流条件下，找出影响短管填料对浊度去除效果的因素，并确定各影响 因素的最佳范围，从而为短管填料在应用时确定最佳投配率和最佳填料状态( 悬 浮、固定) ，以节省投资。 ( 3 ) 研究短管填料和混凝剂共同作用对浊度的去除效果，拓宽短管填料在较低 浊度水方面的应用。 ( 4 ) 研究短管填料对水流的阻力， 为短管填料应用的可行性打下基础。 ( 5 ) 短管填料的充氧性能的研究， 用。 1 3 2 研究的意义 分析短管填料应用时可能产生的不利因素 拓宽短管填料在作为生物膜载体方面的应 ：芦巡塞二厂途l # 三 图1 1 引水预处理示惹图 ( 2 ) 河道和景观水中去除大量悬浮物 去除河道及景观水中的浊度及悬浮物，从而改善水体质量具有重要的现实意 义。为了节省投资，节约用地，可以直接在河道上构建填料床来代替沉淀池。现 行各种所尝试的处理技术基本上是污水处理技术或其改进，但是河道和景观水的 特点：水流量大、水工建筑施工困难、水流随季节变化较大等，限制了现有的污 水处理技术的应用。由于短管填料安装方便，直接投加即可，只需在填料床进出 口设置孔径小于填料粒径的格栅，即可防止填料的流失。不需支撑装置，填料不 结团，易于操作管理，运行能耗低。 ( 3 ) 住宅小区雨水回收利用处理。 随着水资源的日益短缺，雨水的回收利用成为节水的一个主要途径。大型厂 区或居民小区在雨水回收后，需对雨水进行处理。其处理方法力求土建构造简单、 安装维护方便、运行费用低。短管填料可以作为处理的第一道处理工序，减小沉 淀池的体积。而且经过简单沉淀，截留掉悬浮物的雨水可以作为景观用水的补水， 节约水源。 另外，由于短管填料的安装方便，冲洗简单，造价低廉，可以研究出应用方 便的填料反应器。应用时，可将金属丝网( 孑l 径小于短管填料的外形尺寸) 制成 标准的箱体，里面充入短管填料，直接放入河道的引水支渠中对水进行处理，可 以降t 氐t j 的浊度。安装维护简单。当短管填料上截留一定的悬浮物后，出水浊度 升高，提起短管填料箱，进行填料的反冲洗，可见填料反冲洗方便。 l ，4 研究内容与技术路线 1 4 1 研究内容 本次研究，主要通过理论分析和试验相结合。其主要内容： ( 1 ) 理论方面：通过对短管填料的选型研究，分析其结构、特点；通过对浊度 去除原理的研究，计算出短管填料增加水平投影面的倍数。 ( 2 ) 试验方面：通过试验前的准备，找出在本次试验自配水的条件下，水的浊 度与水中悬浮物之间的关系。试验时，通过测定水浊度的变化，来反应水的悬浮 物含量的变化，找出平流条件下影响短管填料对浊度去除的因素。试验主要分为 三部分： 短管填料床对浊度去除的影响因素研究，主要包括：短管填料的填充率、 堆积状态( 悬浮、固定) 、水力停留时间。 投加硫酸铝混凝剂后短管填料对水的浊度去除效果研究，包括：最佳混凝 剂投加量以及最佳投药位置试验。 短管填料床的对水流产生的阻力试验及影响水流阻力的因素研究，包括： 短管填料的填充率、填料床的长度、水流速度；另外还研究了短管填料的充氧性 能。 1 4 2 试验监测项目 试验有关监测项目见表1 3 。 表1 - 3 监测项目 l - 4 3 技术路线 本文研究主要步骤是： ( 1 ) 先通过理论上的分析，选择短管填料的形状，继而分析其结构特点，根据 结构特点计算出理论上的浊度提高倍数。 ( 2 ) 通过试验，找出影响短管填料的浊度去除因素。 ( 3 ) 对所作试验结果进行分析，拟合出经验公式，同时通过理论进行修正，推 导出随机堆满及任意投配率的固定状态下的一般公式，并将计算结果与试验结果 进行比较。 本试验从2 0 0 3 年7 月4 日开始，到2 0 0 3 年9 月3 日结束。短管填料属于开 发阶段，本试验是小试，在环境工程试验室进行。具体研究技术路线如下： 填料一 短管填料 试验研究 图1 - 2 研究技术路线 9 分析总结 2 短管填料的结构特点 2 1 短管填料的结构 填料的形状尺寸决定着填料的水力学特性“3 。1 ”。填料表面是生物膜形成和固 着的部位，一般地，大的比表面积是有利的，但对于某些填料而言，比表面积越 大，反应器越易堵塞。现在填充在生物膜反应器的填料的比表面积多在i 0 0 6 0 0 m2 m 3 之间。填料形状是影响流态的重要因素，一般认为球状是最理想的形状。3 3 。 一是因为过流断面大，二是因为球状比表面积大，三是球状填料制造用料少，四 是水流阻力较小。但是球形填料生产困难。因此，基于本文主要研究填料的截留 悬浮物性能，受斜管沉淀池中的斜管作用的启发，本文选择的中空圆筒状填料， 当其长、径比为l 时接近于球状，故将填料形状尺寸选定为内径1 5 r a m 、外径1 7 r a m 、 高2 0 r a m 。 由于该填料的研究还处在前期试验阶段，试验用填料由市场出售的波纹软管 经等长度剪切加工而成，没有对其组成成份作特殊处理。短管填料由聚氯乙烯塑 料制成，其结构如图2 - i 所示，管状，内外有波纹。波纹峰值i m m ，波纹间距2 m m 。 填料的性能参数见表2 - 1 “。 表2 - i 短管填料的性能参数表 图2 一i 短管填料的外形特征 2 2 短管填料的特点 短管填料具有以下几个特性“： ( 1 ) 填料比重轻，浮于水面上，水面稍有扰动即自由翻滚，说明该填料流化性 能好。 ( 2 ) 空隙率大，比表面积大，不易嵌套，容易清洗，不易堵塞，不易变形，加 工简单。 ( 3 ) 投加率随机，投加方便，不需固定、安装。 ( 4 ) 湿润性不好即湿填料因子小。 ( 5 ) 化学性能稳定，可适用于各种污水。 ( 6 ) 与其它填料相比，价格适中。各种典型的填料的价格见表2 2 。 表2 - 2 填料的价格 2 3 短管填料对水浊度去除原理 浊度较高的水在经过短管填料后，水中大颗粒的悬浮物去除类似于在平流式 沉淀池中的颗粒沉降。下面详细介绍颗粒在平流式沉淀池中沉降原理。 2 3 3 6 - 3 9 2 3 1 沉淀池中颗粒的沉降原理 为了便于说明沉淀池的工作原理以及分析水中悬浮颗粒在沉淀池内运动规 律，h a z e n 和c a m p 提出了理想沉淀池这一概念。理想沉淀池划分为四个区域， 即进口区域、沉淀区域、出口区域及污泥区域，并作下述假定： ( 1 ) 沉淀区过水断面上各点的水流速度均相同，水平流速为v ； ( 2 ) 悬浮颗粒在沉淀区等速下降，下降速度为“； ( 3 ) 在沉淀池的进口区域，水流中的悬浮颗粒均匀分布在整个过水断面上： ( 4 ) 颗粒一经沉到池底，即认为已被去除。 根据上述的假定，悬浮颗粒自由沉降的迹线可用图2 2 出避 拿鲁 h 口 口 区 区 y 冯泥区 y 。 图2 - 2 沉淀示意图 当某一颗粒进入沉淀池后，一方面随着水流在水平方向流动，其水平流速v 等于水流速度： v ：盟：盟6( 2 一1 ) a h 式中：v 一颗粒的水平分速m s ； g 。一进水流量m 3 s ； 4 。一沉淀区过水断面面积，日6m 2 ； 日一沉淀区的水深m ； b 一沉淀区宽度m 。 另一方面，颗粒在重力作用下沿垂直方向下沉，其沉速即是颗粒的自由沉 降速度“。颗粒运动的轨迹为其水平分速v 和沉速“的矢量和。在沉淀过程中， 是一组倾斜的直线，其坡度为兰。 v 设为某一指定颗粒的最小沉降速度。由图2 - 1 可以看到，当颗粒沉速 “时，无论这种颗粒处于进口端的什么位置，它都可以沉到池底被去除， 即图2 - 2 a 中的轨迹x y 与x y 。当颗粒沉速“ 0 5 。 设水流总体积为v ，反应停留时间为t 小时。这部分水体分为两部分，分别 为通过填料部分的体积k v 和无填料( 自由断面) 部分的( 1 k ) v 。在体积为k v 的填料床内，填料相当于随机堆满，停留时间为t 小时。在体积为( 1 k ) v 内，相 阳 柏 竹 。 女阱逝m雠囊 当于无填料的空白状态，水力停留时间为t 小时，换算为同样体积的填料随机堆 满的停留时间为： 其中：h 。一无填料水深m 。2 乏可 屯= 5 8 8 1 h 。 ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) 。- 短管填料增加的有效面积的倍数： f 无填料水深实际停留时间h ； f 。一无填料区域水深h w 等效停留时间h 。 由于填料存在阻力，显然，体积为v 的水在填料与上部空白区域的过流量 并非按各自的体积比分配，水体通过填料区域应偏小。引入系数k v 为考虑水阻对 填料部分流量的影响系数，通过试算近似取填料投配率，o = k - i 。 通过填料区域水体体积为： k = k k ，矿= k 2 矿 ( 3 5 ) 通过空白区域水体体积为： = ( 1 - k 2 ) 矿 ( 3 6 ) 对于体积为v 的水体，进口浊度z ，其总固体悬浮物的含量为： s 。= s 矿= 昙y c 。一， s g - 单位m g 。 通过填料区域水体，停留t 小时后，其固体悬浮