（环境工程专业论文）悬浮滤料过滤技术用于城市污水深度处理的实验研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 悬浮滤料过滤技术用于城市污水 深度处理的实验研究 专业：环境工程 硕士生：巨志剑 导师：王志远( 教授) 摘要 本文主要是针对悬浮滤料在污水深度处理中应用的可行性进行的研究。文中针对城 市污水二级出水的水质特点，确定采用悬浮滤料直接过滤方案，检测其出水效果，并研 究该种过滤方式的过滤曲线、水头损失的增长曲线及滤层的截污特点。实验表明，直接 过滤对城市污水二级出水的悬浮颗粒具有一定的去除能力，对溶解性颗粒物无去除能力， 并且直接过滤中的截污作用主要发生在滤层的表层，这部分滤料的截污量占据了整体截 污量的7 0 左右，不利于滤层深处滤料截污作用的发挥；另外，直接过滤初滤水水质较 差，滤层的成熟期较长，不利于出水水质的保障。 针对悬浮滤料滤层截污能力大，可同时作为絮凝反应器的条件进行了微絮凝过滤实 验研究，研究该种过滤方式的出水效果及过滤特性。实验结果表明，微絮凝过滤可以实 现对污水中悬浮性颗粒物与溶解性颗粒物的同时去除，对s s 、浊度去除率高，c o d 、t p 均实现了一定程度的去除。微絮凝过滤周期、水头损失的增长及滤层的截污分布等特性 均优于直接过滤方式，初滤水水质得到了一定程度的改善。实验同时与现有的双层滤料 滤池的过滤进行了实际出水效果的对比实验，验证了悬浮滤料过滤方式应用于污水深度 处理中是可行的，经济优势明显。 本文还对悬浮滤料过滤的过滤机理进行了初步的探讨，阐述了悬浮滤料过滤方式不 同于传统过滤方式的一些观点及其在污水深度处理过程中的自身工艺特性。 关键词：悬浮滤料聚苯乙烯珠粒直接过滤微絮凝过滤水头损失 西安建筑科技大学硕士学位论文 s t u d yo nf i l t r a t i o nw i t hf l o a t i n gm e d i a i nw a s t e w a t e ra d v a n c e dt r e a t ：m e n t s p e c i a l i t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：j uz h i j i a n t u t o r ： w a n gz h i y u a n ( p r o f e s s o r ) a b s t r a c t t h eg e n e r a ls i t u a t i o n o f w a t e rr e c l a m a t i o n i s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r w a t e rs h o r t a g ea n d w a t e r p o l l u t i o n h a v eb e c a m ec h i e fp r o b l e m sw h i c hi n f l u e n c e dc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y i nt h e s ey e a r s ， f i l t r a t i o nh a sb e c a m eac h i e fm e t h o di nw a t e rr e c l a m a t i o nt e c h n i q u e s t h e r e f o r e ，t h ep o s s i b i l i t yo ft h e f i l t r a t i o nw i t hf l o a t i n gm e d i au s i n gi nw a s t e w a t e ra d v a n c e dt r e a t m e n tw a st h em a i no b j e c to f t h i sa r t i c l e o n t h eb a s i so fw a t e rq u a l i t yo ft h es e c o n d a r y - l e v e le f f l u e n tf r o mw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t , t h es t u d ya b o u t d i r e c tf i l t r a t i o nw i t l lf l o a t i n gm e d i at h r o u g ht h ep i l o t - p l a n tt e s tw a sc o n d u c t e d a tt h es a r u et i m e t h e f i l t r a t i o nc u r v ea b o u tt h ev a r i a t i o no fe f f l u e n tq u a l i t y , t h ec u r v eo ft h er i s i n gh e a d l o s s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co f f i l t r a t i o nh a sb e e ns t u d i e d t h et e s tr e s u l th a sp r o v e dd i r e c tf i l t r a t i o nc a l lb ea l le f f e c t i v em e t h o dt or e m o v e t h eu n s o l v e dp a r t i c l e s a b o u t7 0 t o t a ls o l i d , w a r eh e l db yt h es u r f a c el a y e ro f t h ef i l t e rb e di nf i l t r a t i o n i t w a sn o tg o o df o rt h ew h o l ep r o c e s s i na d d i t i o n ，t h eq u a i t ya n dt i m eo ff i l t e rm a t u r a t i o nw a sn o t9 0 0 d e n o t l g hi nt h e s et e s t t h ec o n t a c tf i l t r a t i o nw i t hp a ca d d e di nf i l t e rw i l li m p r o v et h es h o r t c o m i n go ft h ef i r s tt e s t b e c a u s e t h ef i l t e ra sar e a c t o rw i l li n c r e a s et h ef i o c c u l a t i o ns p e e d ，a n dd e c r e a s e dt h ee f f l u e n tq u a l i t y i nt h e s et e s t , t h e u n s o l v e da n ds o l v e ds u b s t a n c ec a l lb o t hb er e m o v e d i tg o tah i 吐r e m o v e de f f i c i e n c yw i t l lt u r b i d 时a n ds s ， a n dt h er e m o v e de f f i c i e n c yo fc o da n dt ph a sa l s om c r e a s e di ns o m ed e g r e e t h er e s u l to ff i l t r a t i o nc u i v e a n dh e a d l e s sc u r v ea l s og o tab e t t e rr e s u l t f o rt h eb e t t e ru n d e r s t a n d i n go f f l o a t i n gm e d i a , ac o m p a r et e s tw a s c o n d u c t e dw i t ht h ef l o a t i n gm e s aa n dt h es a n dm e d i ai nu s e d ，t h et e s tr e s u l tp r o v e dt h a tt h ef l o a t i n gm e d i a f i l t e rh a st h el o n g e rp e d o do f f i l t r a t i o na n di ti sae c o n o m i c a lp r o c e s si nw a s t e w a t e ra d v a n c e dt r e a t m e n t t h i sa r l i c l eb a sd i s c u s s e ds o m ev i e w so f f i l l r a f i o um e c h a n i s mw i t hf l o a t i n gm e d i ae n ds o m es p e c i a l i t y i nw a s t e w a t e ra d v a n c e dt r e a t m e n t k e yw o r d s ：f l o a t i n gm e d i a ；p o l y s t y r e n e ；d i r e c tf i l t r a t i o n ；c o n t a c tf i l t r a t i o n ；h e a d t o s s 声明 本人郑重声明我所呈交的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，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者繇i 乏、叫 嘲渺占7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文储躲百幽0 新躲皇娅吼如“j 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 1我国水资源的现状 第一章绪论 水，生命之源，在自然界中以不同的形态存在并循环不息，是人类赖以生存和社会 发展的宝贵的自然资源，它是人类社会可持续发展的限制因素，水质在循环过程中由于 受到了多种因素的影响而不断变化。 水资源的定义有广义和狭义之分1 1 1 。广义的水资源指地球上所有的水，不论以何种 形式、何种形态存在。狭义的水资源则足指目前的社会条件下可被人类直接开发与利用 的水，而且开发利用必须是技术上可行、经济上合理并且小影响地球生态。极地冰川、 山地冰川、海水由于各自使用的不方便而未被人类大规模的开发利用。 水是自然环境的重要组成物质，它不断运动着，积极参与自然环境中正在发生和进 行着的一系列物理、化学和生物的变化过程。因此，作为一种动态的可更新资源，水资 源具有再生性、有限性、时空分布的不均匀性、流动性和溶解性等特点。 地球表面面积的7 0 都被水覆盖着，地球上的水似乎是很多的。但是，这其中9 7 0 以上的水足海水，淡水只占约2 5 ，淡水中又有将近7 0 的水又被封冻在南极、北极和 一些永久冰川里面，难以被利用。也就是说，地球上只有占总量大约万分之七的水，或 者说只有占淡水量不到1 的水口j 以为人类所利用。 我国的水资源总量为2 8 1 2 4 亿一，其中地面水资源总量为2 7 1 1 5 亿一，地下水资源 总量为8 2 8 8 亿m 3 ，就总量来讲，我国的水资源总量居世界第6 位。但是，我国国土面 积大，人i z ：l 众多，按照人口平均，我国人均水资源拥有量仅为2 3 0 0 m 3 ，是世界平均数的 1 4 。而且，我国的人口还在不断增长，预计2 0 3 0 年我国人口将达到1 6 亿，到那时，我 国人均水资源拥有量将只有1 7 0 0m 3 ，这个指标已经接近或达到世界公认的用水警戒线“。 另外，由于我国特殊的地理、地形、气候特点，水资源在时间、空间上分布很不均匀， 导致我国洪涝灾害、干旱缺水、水污染三大水问题十分突出，同时更加剧了水资源的紧 张局面。 在我国水资源的现状中，城市缺水问题尤为突出。截止到2 0 0 3 年上半年，全国1 1 个省市的1 0 3 座县级以上城市供水严重短缺，其中严重缺水城市占5 6 。很多城市生产 和生活用水困难，城市供水安全受到严重威胁。与此吲时，由于水污染控制相对滞后， 使得受污染的水体逐年增加，又加剧了水资源的短缺。据统计，2 0 0 2 年我国城市污水排 使得受污染的水体逐年增加，又加剧了水资源的短缺。据统计，2 0 0 2 年我国城市污水排 西安建筑科技大学硕士学位论文 放量已达3 3 8 亿立方米“1 ，大部分未经有效处理而排入江河湖海。 应当认识到，我国是一个水资源紧缺的国家，水资源短缺已经成为我国经济和社会 发展的严重制约因素。在这种形势下，人们不得不在天然水资源之外，通过多种途径开 发新水源，如远距离调水、海水淡化或污水回用等。相比之下，污水深度处理后回用具 有投资少、工期短、见效快，比较现实易行，因而具有重要意义。 1 1 2 我国城市污水再生回用现状 目前，我国城市污水排放量大约为4 1 4 1 0 8 h 1 3 a ，城市污水处理率和二级处理率分别 仅达3 0 和1 5 ，污水回用率则更低。根据“十五”计划纲要的要求，到2 0 0 5 年我国城市 污水集中处理率要达到4 5 。如果污水回用率平均达到2 0 ，那么“十五”末期污水回用 量可达到4 0 1 0 8 m 3 a ，这可解决全国城市缺水量的一半以上吨1 。 近些年来，我国城市污水再生回用工作已经起动，并且取得了一定的成就。一些城 市和地区正全面规划和实施污水再生回用工程，有的已经取得了较好的成效。例如北京、 天津、西安、合肥、大连、青岛、郑州等地积极开展城市污水再生回用，在制定地方污 水再生回用规划和管理措施、发展再生水用户等方面积累了较好的经验，为下一步工作 奠定了坚实的基础。 北京市目前城市污水再生回用率为2 0 ，高碑店污水处理厂污水资源化再生利用工 程是北京市目前最大的城市再生水回用项目，现已经建成投入运行。该工程近期实现3 0 万立方米日，其中2 0 万立方米日输送到高碑店湖中，供第一热电厂冷却循环用水的补 充水源；另1 0 万立方米，日经水源六厂深度处理后用于市政杂用，主要作为水工业用水、 园林绿化灌溉、环卫洒水降尘和公园水源补给等。根据北京市区污水处理厂再生水回 用总体规划纲要，北京市在2 0 0 2 年至2 0 0 8 年期间，将新建再生水处理设施9 座，新增 处理能力4 7 万立方米日，届时污水再生回用率将达到5 0 。 西安市开源与节流并重，现己建成并运行北石桥污水处理厂再生回用设施，第三污 水处理厂及再生回用设施正在建设过程中，规划远期还将建设第四、第五、第六污水处 理厂及再生回用设施，这些污水厂及深度处理设施的建成投产，将使西安市污水的再生 回用规模达到4 6 万m 3 d ，为西安市的各类城市用水提供了丰富的水源。 国内外的实践经验表明，城市污水再生回用是提高水资源综合利用率，缓解水资源 短缺矛盾，减轻水体污染的有效途径之一。城市污水经过深度处理后，可替代优质水， 用于农业灌溉、工业生产、城市景观、市政绿化、城市杂用、地下水回灌和补充地表水 等。 十五期间，在科技部的支持下，城市污水再生回用政策、标准、技术研究与示范课 题列入国家十五科技攻关计划，目前建设部正在组织开展相关研究与示范工作。与此同 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 时，城市污水再生回用的技术标准规范不断完善。相关标准规范的完成，为城市污水再 生回用的发展提供了指导性的依据。 1 1 3 城市污水再生回用的意义 由于水资源危机正威胁着人类的生存和发展，世界上的许多国家和地区的污水再生 回用已经取得了较大的发展，我国也逐渐认识到污水经过深度处理后回用的重要意义1 3 l o ( 1 ) 城市污水作为第二水源，可以缓解水资源的紧张问题。 污水经过深度处理后可重复利用，可促进水在自然界中的良性循环。同时，城市污 水就近可得，易于收集输送，水质水量稳定可靠，处理简单易行，作为第二水源比利用 雨水和海水可靠得多。因此进行污水再生回用，开辟非传统水源、实现污水资源化，对 解决水资源危机具有重要的战略意义。 ( 2 ) 污水再生回用可减轻江河、湖泊污染，保护水资源不受破坏。 如果水体受到污染，势必降低淡水资源的使用价值。目前，一些国家和地区已出现 因水源污染不能使用而引起的水荒，被迫不惜高昂的代价进行海水淡化，以取得足够数 量的淡水。污水经处理后回用，不仅可以回收水资源及污水中的其他有用物质和能源， 而且可以大幅度减少污水排放量，从而减轻江河湖泊等受纳水体的污染，保护水资源不 受破坏。 ( 3 ) 可减少用水费用及污水净化处理费用。 以污水为原水的再生水净水厂的制水成本要低于甚至远远低于以天然水为原水的自 来水厂，尤以远距离调水更为突出。这是因为省却了水资源费用、取水及远距离输水的 能耗和建设费用等。 1 1 4 污水再生回用存在的问题 目前，国内各地的污水再生回用工作开展时间不长，规模小，利用范围窄。我国城 市污水再生回用虽然日益受到重视，但总体发展缓慢，存在问题较多，主要是。1 ： ( 1 ) 城市污水收集与处理设施建设严重滞后。 污水处理率低，管网不配套，污水再生回用缺乏必要的条件。近年来，虽然我国城 市污水处理设施建设速度加快，但仍然落后于城市发展的需要，许多污水厂在建成的同 时，由于配套管网没有建成，迫使设施闲置，出水未经有效利用而直接排入水体，既浪 费了水资源，又对水环境构成潜在危险，这与我国水资源紧张的严峻形势极不相称。 ( 2 ) 水价形成机制不合理，污水再生回用缺乏必要的市场环境。 我国目前的城市供水水价、污水处理及再生回用收费之间尚未形成有效的污水再生 西安建筑科技大学硕士学位论文 回用激励机制。污水收费标准不高，收费率低，不足以补偿污水处理设施的投资和运营 成本，更谈不上落实污水再生回用设施的建设和运营资金。 ( 3 ) 对水资源的忧患意识和再生回用认识不足。 现在很多城市往往采用开发新水源、跨流域调水和开采地下水等传统的方式解决水 资源的紧张局面，对污水再生回用作为城市补充水源的重要性认识不足，缺乏相应的鼓 励和扶持政策。应对污水再生回用加强宣传，建立有效的鼓励实施机制，加强公众的污 水资源化意识。 ( 4 ) 城市污水再生利用技术相对落后。 城市污水再生利用事业的发展必须依靠科技进步，从始至终都要有高新技术的保证 和支持。目前我国城市污水再生利用技术和设备的开发难以满足快速增长的再生利用工 程建设和运行管理的需求，今后城市污水再生利用的技术发展应着重于对已有技术不断 改进和更新，加强新工艺、新流程、新技术和设备产品的研究、开发和推广应用。通过 科研及生产性的实验测试，着重解决城市污水再生利用于农业、生态、市政和工业中的 水质净化技术、水质稳定技术、水质保障技术、安全用水技术、工程技术、运行管理技 术和成套技术设备问题。 1 2 城市污水再生回用水质标准与技术措施的探讨 1 2 1 再生回用水质标准 2 0 0 2 年以来，国家陆续颁布了城市污水再生利用分类标准、城市污水再生利用 城市杂用水水质标准、城市污水再生利用景观环境用水水质标准、污水再生利用工 程设计规范、建筑中水设计规范等技术标准与设计规范，为城市污水再生利用的研 究、设计工作提供了依据。 根据国家标准，城市污水再生利用按用途分为农林牧渔业用水、城市杂用水、工业 用水、环境用水和补充水源水。根据用水目的的不同，再生水水质标准不同。各类水质 标准见表1 1 。 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 表l l 城市污水再生水质标准 序号指标工业循环冷却系统补充水城镇杂用水( 冲厕)娱乐性景观环境用水 l p h 6 5 9 06 0 9 06 0 9 0 2 色度( 度) 3 03 0 3 悬浮物s s ( m 酣) 3 0 4 浊度( n t u ) 555 5 b o d 5 ( m 鲫) 1 01 0 6 c o d 。( r a g 1 ) 6 0 7 溶解性总固体( m g 仃) 1 0 0 01 5 0 0 8 铁( m 鲫) 0 3o 3 9 锰( m 胡) 0 20 1 1 0 c l ( m 鲫) 2 5 0 阴离子表面活性荆( m g n ) 1 11 o0 5 总硬度( 以c a c o ) 计m 鲥) 1 24 5 0 总碱度( 以c a c 0 3 计r a g 1 ) 1 33 5 0 1 4 氨氮( m 鲫) 1 01 0 5 ( 总氮1 5 ) 1 5 总磷( 以p 计m 鲫) 11 接触3 0 m i n 后1 0 1 6 游离性余氯( m 鲫) 末端o 1 棚2 0 0 5 管网末端 0 2 1 7 粪大肠苗群( 个几) 2 0 0 035 0 0 注：备类用水标准尚有更细的分类，详见各类用水标准。 1 2 2 污水深度处理技术 一、城市污水二级出水的水质 在城市污水的二级出水中，主要含有的污染物种类有：无机类、有机类的悬浮和胶 体物质、溶解性有机物、溶解性无机物及各种微生物等，这些物质的种类繁多，对环境 西安建筑科技大学硕士学位论文 或人类有着不同的危害。表1 2 中列举了城市污水中的主要污染物的类型、该类污染物 对环境或人体的主要危害及其相应的比较有效的处理方法。 表1 2 城市污水二级出水典型污染物类型及处理办法“1 一、无机类、有机类的悬浮和胶体物质 影响污泥沉降 过滤、反渗透、电渗析、吸附、离子交换、高级氧化、 悬浮物 包覆微生物从而影响消毒过程蒸馏、化学沉淀、化学氧化 胶体影响出水的浊度过滤、反渗透、电渗析、离子交换、蒸馏、化学沉淀、 包覆微生物从而影响消毒过程 颗粒态有机物 反渗透、电渗析、蒸馏、化学氧化 消耗溶解氧 二、溶解性有机物 反渗透、电渗折、吸附、离子交换、高级氧化、蒸馏、 总有机炭消耗溶解氧 化学沉淀、化学氧化 难降解有机物有毒、致癌反渗透、电渗析、吸附、高级氧化、蒸馏、 挥发类有机物有毒、致癌、形成光化学氧化物反渗透、吹脱、电渗析、吸附、高级氧化、蒸馏、 兰、溶解性无机物 转化成硝酸盐消耗溶解氧 氪氮 造成水体的富营养化、消耗加氯量反渗透、吹脱、电渗析、离子交换、蒸馏、 对鱼类有毒 造成藻类、水生生物的繁殖 硝酸盐反渗透、电渗析、离子交换、蒸馏、 造成婴儿的高铁血红蛋白症 造成藻类、水生生物的繁殖 磷过滤、反渗透、电渗析、离子交换、蒸馏、化学沉淀、 影响絮凝过程、干扰石灰软化过程 总溶解性物质影响农业、工业的生长过程 反渗透、电渗析、蒸馏、 四、微生物 细菌致病过滤、反渗透、电渗析、 原生动物、胞、 致病过滤、反渗透、电渗析、吸附、离子交换、化学沉淀、 卵囊 病毒致病反渗透、电渗析、 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 由上表可见，针对城市污水中的各类污染物的去除方法较多。因此，根据回用目的、 污水二级出水水质等条件的不同可将不同的工艺单元组合在一起，从而形成了目前污水 深度处理中种类繁多的工艺方案。 二、典型工艺 根据各种城市污水不同的二级出水性质及经济技术的可行性，常用的典型处理工艺 见图1 1 4 1 。 二级自水 $ e t t l e ds e c o n d a r y e f f l u e n t m i c r n f 船a t i o nr e v e r s eo s m o s i sd i s i n f e c t i o n 图1 1 污水深度处理典型工艺流程 由上图可以看出，各种处理工艺一般可由混凝、沉淀、过滤、吸附、膜等单元处理 方法组成有机统一的工艺过程，以达到对各类污染物的去除目的。在这些处理方法中， 过滤是去除原水中细小悬浮颗粒物的最主要方法。过滤的出水效果直接影响到后续各个 环节的进出水水质与运行状况。由于城市污水二级出水与给水原水的水质大大不同，传 统的给水过滤技术在污水的深度处理中的应用也就出现了许多的问题。因此，应用于城 市污水深度处理的过滤技术的研究是十分必要的。 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 三、过滤技术的种类 根据过滤的原理来分，过滤分为常规过滤、表面过滤和膜过滤1 4 1 。常规过滤即常见 的快速砂滤池及在此基础上的多种变化形式；表面过滤如硅藻土过滤、滤布过滤等；膜 过滤主要是指微滤、超滤、纳滤、反渗透等。三种过滤方法对水中的各类污染物的去除 效果不同，因而应用也不同。 根据过滤的形式来分，主要有传统的下向流过滤、深床过滤、上向流过滤、脉冲过 滤、移动罩过滤。 根据滤料的种类来分，主要有石英砂过滤、无烟煤过滤、陶粒过滤、悬浮滤料过滤、 活性炭过滤。另外，各种新型人工合成滤料也层出不穷。 四、过滤的作用 过滤的目的是去除水中呈分散悬浊状的无机物和有机物颗粒，也包括各种浮游生物、 细菌等。污水在回用时首先要求悬浮物含量少，否则其会沉积于管道或设备中，引起堵 塞，因此过滤技术在污水回用中得到最普遍的应用，是保证出水水质的不可缺少的关键 过程，既可作为深度处理流程中间的一个单元，也可作为回用之前的最后把关步骤。 在污水深度处理中，过滤的作用可归纳如下“1 ： ( 1 ) 进一步去除污水中的生物絮体和悬浮物，使出水浊度大幅度降低，出水变得透明； ( 2 ) 进一步降低出水中的有机物含量，对重金属、细菌、病毒也有较高的去除率； ( 3 ) 去除化学絮凝过程中产生的铁盐、铝盐、石灰等沉积物，去除水中的不溶性磷； ( 4 ) 在活性炭吸附、离子交换或反渗透之前，作为预处理设施，可提高后续处理设施 的安全性和处理效率； ( 5 ) 通过进一步去除污水中的污染物质，可减少后续的杀菌消毒费用。 1 3 本课题研究的内容和意义 城市污水深度处理后再生回用是当前水处理界的研究热点，过滤因其在深度处理中 的关键作用而成为出水水质能否达标的重要一环。同时，由于污水的水质特点与给水原 水不同，因而污水深度处理中的过滤技术也就体现出了自身的特点。各种过滤技术在污 水深度处理中的应用也产生了不同的效果，悬浮滤料过滤技术由于其方法新颖、出水效 果好、保障率高、经济优势明显等优点而逐渐受到了各方的重视。目前，悬浮滤料过滤 过滤技术用于城市污水深度处理的研究在我国较少，在实际设计过程中，对过滤出水效 果、过滤特性的认识还不足，因此有必要对悬浮滤料过滤技术在污水深度处理中的应用 进行深入的分析研究。 本课题就是在这种背景下展开的，采用国产悬浮滤料，对悬浮滤料过滤技术进行了 r 西安建筑科技大学硕士学位论文 深入的实验与分析研究工作。课题内容主要研究了该种过滤应用于直接过滤和微絮凝过 滤中取得的各种出水效果及过滤特性，对重要的设计参数进行了对比实验以确定最佳值， 这些工作的开展，将对悬浮滤料过滤技术在污水深度处理中的实际应用提供了可靠的依 据和保证。 本课题研究是西安建筑科技大学与中国市政工程西北设计研究院、山东省泰安市排 水管理处、泰安市第一污水处理厂的合作项目的部分内容。实验研究取得的结论将对当 地即将建设的第二污水处理厂的深度处理工程的设计与运行提供可靠的设计依据与运行 参数。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 1 过滤技术的发展 第二章悬浮滤料过滤技术 过滤是指悬浮液经过多孔介质或滤膜进行固液分离的过程，是水处理工艺过程之一。 水的过滤可视为一种“物理一化学”过程，使水通过颗粒物料滤床，分离出水中的悬浮 颗粒物和胶体杂质。水充满在滤池滤料的空隙内，杂质被吸附在滤料颗粒的表面或被截 留在空隙中1 6 1 。 最早的过滤设备是一种横向水流的滤池，后才发展成竖向水流的滤池，这时人们才 正式称之为慢滤池。其运行特点有两个：一是过滤的水流速度很慢，其滤速仅为0 1 0 3 m h ；另一方面是在过滤的初期存在一个较长的成熟期，新建的慢滤池要运转1 2 周 后才能出现清亮的过滤水。虽然慢滤池出水水质良好，但因表面负荷率低，需很大的占 地面积，建造费用大，运转时费用也大，对慢滤池的这些缺点，快滤池的出现成为必然。 因此，到了2 0 世纪初，慢滤池逐渐被淘汰，取而代之的是快滤池技术。 快滤池因它的滤速快而得名，其滤料与慢滤池基本相同，有效粒径约为o 3 5 1 o o c m ， 滤层厚度约为7 0 9 0 c m ，滤速约为5 - l o m h 。 快滤池的出现必须解决两个问题，一是如何在高速水流条件下，将悬浮固体颗粒物 粘着在滤料表面上，二是如何在数十小时甚至数小时内清除滤层中所截留的悬浮物。快 滤池的净化机理是利用滤料与脱稳粒子的相互作用来净化水质，由于水中悬浮固体的表 面显电性而存在电荷斥力，无法相互凝聚，难以被滤料颗粒吸附，因此向原水中投加混 凝剂，使水中悬浮固体脱稳后再经过滤池过滤，脱稳后的悬浮固体极易被滤料表面吸附 截留，从而第一个问题得以解决。快滤池过滤一段时间后，截留在滤料表面的浊质增加， 使得过滤后水质不能达到出水水质要求，这时快滤池采用反冲洗的办法，使滤层膨胀或 稍有膨胀，滤料在水力的剪切或滤料之间的相互碰撞作用下，使被截留的浊质被剥落， 滤料得以清洗干净。快滤池问世至今已有百年历史，过滤方式和滤池形式都在不断改进， 其主要目的在于如何增加滤池的含污能力，延长运行周期以及提高过滤速度。于是形成 了各种滤池u ，： 从水流通过滤床方向来分有：下向流、上向流、双向流、径向流、水平流滤池。 从不同滤料和滤料的组合有：单层、双层、三层以及混合滤料滤池。 从冲洗方式上分有：低水头冲洗、中水头冲洗、高水头冲洗、表面冲洗、气水反冲 洗滤池。 从滤池的水流性质来分有：压力式和重力式两种滤池。 从滤料的种类来分有：石英砂、石榴石、磁铁矿、无烟煤及各种人工合成滤料滤池。 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 经过多年的发展，在目前水处理过滤工艺的应用中，存在的主要问题是滤料颗粒在 水中自由沉降形成上细下粗的颗粒层和孔径分布，使得滤料层表面很快形成滤饼，结果 使水头损失快速增大、滤速减小，起到截污作用的主要是表层滤料，不能发挥整个滤床 的截污能力，产水效率低。另外，传统石英砂等滤料比重大，反冲洗强度大。这也是目 前过滤工艺存在的缺陷之一。因而针对这些问题，各种过滤新工艺新材料的研发是目前 水处理界研究的重要课题之一。 直到上世纪末，各种人工合成滤料开始迅猛发展，这其中出现了几种悬浮滤料，聚 苯乙烯悬浮滤料逐渐引起了广泛的重视，这种滤料的特点是比重小于水，滤层整体悬浮 于水中，采用上向流过滤方式，实践证明该种过滤方式具有较大的截污能力，运转周期 长，反冲洗容易，经济性能优越。 2 2 悬浮滤料过滤简述 悬浮滤料过滤，是指采用了比重小于水的轻质滤料，并且采用了下部进水、上部出 水的上向流过滤工艺技术r 3 3 ) o 滤池的结构形式见图2 1 。 悬浮滤料悬浮于水中，受到向上的浮力而漂浮在水中并且相互挤压成层后形成滤层， 传统石英砂滤料滤层空隙的形成依靠重力方式，而该种滤层依靠滤料受到的浮力形成空 隙，但滤层内部的空隙特点类同，水力条件相似，因而同样可以实现水处理的过滤过程。 悬浮滤料过滤的滤池在构造上由上部清水区、中部滤层、下部缓冲区三大部分组成。 悬浮滤料过滤正常过滤的工艺流程为：原水从滤池的下方进水，在缓冲区得到缓冲平衡 并实现均匀配水后，进入滤层开始过滤，过滤后的清水通过穿孔滤板或滤头向上进入清 水区，从清水区一侧的出水堰出水。如图2 1 中所示。 图2 1 悬浮滤料过滤时示意图 经过长时间的过滤后，滤层逐渐被杂质颗粒堵塞，滤层截污能力降低，出水水质变 坏，开始实施反冲洗过程。图2 2 示意了悬浮滤料反冲洗的过程：清水区清水向下高速 流动，冲洗滤层，同时横向设置辅助冲洗扰动管通过高速水流，横向对滤料进行冲洗， 西安建筑科技大学硕士学位论文 增强滤床的搅动效果，滤料表面的浊质在水流的剪切和滤料颗粒间的碰撞下被剥离，实 现污染物与滤料的顺利脱离，反冲洗的废水依靠重力从下部流出。 请水区 iii 瓣层 。 ili 冲洗自永 4#8 e 托 图2 2 悬浮滤料过滤反冲洗时示意图 由于悬浮滤料在反冲洗时只需直接向下通入强冲洗水流通过滤床即可实现反冲洗过 程，而且由于反冲废水中的污染物排出的方向与重力方向相同，因而节省反冲洗的能量 消耗，而不需耗费多余的能量。通过这种冲洗方式，被滤床截留的污染物瞬间从滤料表 层释放出来并向下排出。另外，悬浮滤料由于采用上向流过滤技术，并且整个滤层空隙 较大，因而具有滤层的截污容量大、水头损失增长缓慢、总水头损失小、过滤周期长等 特点。 2 3 过滤机理 2 3 1 颗粒去除机理 现代过滤理论研究认为，在过滤过程中，悬浮颗粒的去除，主要是由颗粒与滤料之 间以及颗粒与颗粒之间的吸附( 粘附) 作用而被去除的。这就涉及到两个方面的问题 1 6 1 ： 一是被水挟带的悬浮颗粒如何脱离水流流线，向滤料表面靠近的颗粒迁移机理。第二是 当悬浮颗粒与滤料表面接触时，依靠哪些力的作用使得它们粘附在滤料表面上，这就是 颗粒的粘附机理。 一、颗粒的迁移( t r a n s p o r t a t i o n ) 机理 对于颗粒的迁移机理，目前只能定性描述，其相对作用大小，尚无法定量计算。在 悬浮滤料的过滤过程中，滤料的比重小于水，因而受到水的浮力而向上漂浮在水中，由 于滤板设置在水面下，从而阻挡了滤料的向上漂浮，并且使滤料相互挤压成层，这就使 滤层的状态除整体处于悬浮状态以外，其余均与下向流过滤类似。因此，颗粒的迁移机 西安建筑科技大学硕士学位论文 理也就与传统的过滤过程类似。在悬浮滤料过滤的一般条件下，滤料直径0 9 2 o m m ， 滤速5 1 5 m h ，水温8 1 5 。c ，则滤层内的流动状态可根据雷诺数r e 判断。 j1 ， r e ：丝! ! ：( 2 - - 1 ) 根据2 1 式计算可知，滤层内水流的雷诺数一般小于1 0 ，由此判断水流在滤层的空 隙中属层流，滤层的水头损失与流速之间保持线性关系。在该种过滤情况下，粘性流动 占优势，滤料表面的边界层没有脱离，流体速度在滤料表面为零，在空隙的中心处流速 最大。滤层中被水挟带的悬浮颗粒将沿着水流流线运动。它之所以脱离流线而向滤料表 面迁移，一般认为是由拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力学等作用引起的“1 。图2 1 详 细解释了几种去除作用的发生机理。而在实际状况中，水中的不同悬浮颗粒的去除机理 则是由流层内的流态、滤料的粒径、颗粒的大小与性质等多种因素综合作用的结果，只 是在不同的时刻、不同的颗粒可能某些机理占有优势而起主导作用。 ( 、二熬缣二竺夕 a 拦截作用 c 惯性作用 e 永动力学作用 b 沉淀作用 d 扩散作用 图2 1 悬浮颗粒去除机理图 a 拦截作用( i n t e r c e p t i o n ) 如图2 1 ( a ) 所示，颗粒尺寸较大时，处于流线中的颗粒由于尺寸大小大于滤料间 的空隙尺寸，颗粒直接碰到滤料表面而被拦截。在城市污水的二级出水中，悬浮颗粒中 1 3 西安建筑科技大学硕士学位论文 较大的一部分为曝气池中的污泥碎片，这些污泥碎片主要由各类有机物组成，比重较轻， 在水中漂浮，且一般尺寸较大，多呈絮体状态。在过滤过程中，原水从底部进入，上部 流出，底层的滤料最先接触到原水，各类大粒径的污泥絮体从而首先被去除。实验中发 现，底层滤料的截污量大说明了拦截作用的普遍存在。1 9 7 0 年，t c h o b a n o g l o u s 和e l i a s s e n 的研究表明，拦截作用是污水深度过滤中对水中s s 的去除的最主要作用1 4 l 。 b 沉淀作用( s e d i m e n t a t i o n ) 1 9 0 4 年h a z e n 提出在滤层的空隙中，颗粒物主要受重力作用。如图2 1 ( b ) 所示， 滤料的作用类似一个无数底盘或假底盘的沉淀池，在滤层中的每一个空隙空间均起着一 个微型沉淀池的作用，滤料则提供了巨大的沉淀面积，同时，优势的水力条件为颗粒的 沉降创造了有利条件。由于在悬浮滤料过滤过程中，水流为上向流方式，颗粒受重力沉 降的方向与迸水水流方向相反，并且二级出水中的污泥絮体比重较小，使得颗粒的沉淀 作用大大减弱，这与传统的下向流过滤大为不同，对于颗粒的去除十分不利。但目前的 研究表明，尚不能排除一部分比重较大、体积较小的颗粒在穿过滤层的同时，由于受到 了复杂的水力条件的影响，内部流态的变化而使惯性作用减弱，从而重力沉降占据优势 而在滤料表面沉积下来。实验中，在背对水流方向的滤料表面依然可以发现大量沉积物 说明了沉淀作用的存在。 c 惯性作用( i n e r t i a ) 如图2 1 ( c ) 所示，水中悬浮颗粒如果比重大于水，由于它的惯性作用，在流体以 曲线绕过滤料时，颗粒开始对流体产生相对运动，穿过流线而到达滤料表面。一般认为， 在水的过滤过程中，由于密度差较小，而且水的粘性较大，因而惯性作用较弱，去除率 不明显。 d 扩散作用( d i f f u s i o n ) 细微的悬浮颗粒物由于受到周围水分子热运动的影响而表现为随机运动，从而使有 的颗粒扩散至滤料表面。扩散作用主要取决于水的温度和颗粒尺寸大小。图2 1 ( d ) 表 示了颗粒在水中由于受到扩散作用而被输送至滤料表面的情况。一般认为扩散只对粒径 小于1 的微粒才有意义。 e 水动力作用( h y d r o d y n a m i c ) 如图2 1 ( e ) 所示，在低雷诺数的水力作用下，水流在滤料空隙内的流动是层流， 具有速度梯度，存在剪力场。悬浮颗粒在剪力场中发生旋转，从而受到一种侧向力而横 跨流线运动至滤料表面。 总体来说，在悬浮滤料的过滤实验研究中，悬浮滤层对颗粒物的去除机理与传统的 下向流过滤类似，只是作用的程度不同而己。这从一定程度上表明，不管是上向流还是 下向流过滤，都是上述几种作用力在起主要作用。对于某个悬浮颗粒来说，同时受到了 1 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 几种作用力的作用，但占主导作用的只能是一种或两种，这主要取决于颗粒的密度、尺 寸大小、形状等。一般分析认为，在污水深度过滤中，对于较大的污泥碎片，拦截起主 要作用；对于小于o 1 p m 的颗粒，扩散和水动力起主要作用；对于比重较大的颗粒，沉 淀则起主要作用；若滤层空隙内的流速较高时，比重较大的细小颗粒可能会由于惯性作 用而具有较大的去除率。 二、颗粒的粘附( a t t a c h m e n t ) 机理 过滤去除的主要对象是水中的各类颗粒物。给水过滤中这些颗粒物质主要由各类无 机颗粒组成，而在污水的深度处理过程中，这些颗粒物质主要由各类无机小颗粒物和曝 气池中的活性污泥絮体碎片组成。这些絮体主要由有机物构成，基本的物理或化学性质 与给水过滤去除的无机颗粒有着较大的不同，因而在颗粒的粘附机理也就与给水无机颗 粒的粘附有所不同。 粘附作用是一种物理化学作用，它主要取决于滤料和水中颗粒物的表面物理化学性 质。一旦颗粒与滤料或颗粒之间发生接触或凝聚在一起，各种物理或化学吸附作用就会 发生，从而使其聚集附着在一起。在传统给水过滤理论中6 1 ，认为悬浮颗粒的粘附机理 主要包括物理吸附与化学吸附两种。物理吸附包括静电引力、范德华力及各类电动效应， 化学吸附包括分子键力和化学分子反应。这些吸附反应在污水深度过滤的过程中也是普 遍存在的。当水中的悬浮颗粒运动至滤料表面附近时，也将受到各种吸附作用力。在这 些力的共同作用下，悬浮颗粒将被粘附在滤料表面或者粘附在已被吸附在滤料表面的颗 粒上，从而将悬浮颗粒去除。只是在污水深度处理过滤的过程中，由于进水的水质与传 统给水原水水质的不同而使粘附效果产生了较大的不同。 此外，在污水深度处理中，污水二级出水中广泛存在羞的污泥絮体对在过滤过程中 颗粒物的去除相当有利。因为这些絮体颗粒物内部存在着大量的微生物，这部分微生物 中仍有相当一部分具有活性，这使得絮体内部发生着各种复杂的生化反应。这些生化反 应的发生产生了各种物质的变化与传递现象，使得滤层内的空隙体积不断发生着变化。 同时，由于絮体颗粒结构较松散，絮体个体又具有较大的比表面积，使它们不但具有化 学吸附力，同时也具有吸附架桥作用，对颗粒的捕捉能力较强，使颗粒的迁移过程得到 了大大的加强。 另外，由于悬浮滤料的粒径相对给水过滤用石英砂的粒径较大，因而其滤层内的空 隙较大，对大颗粒絮体的存在与生长提供了充裕的空间，为直接过滤或微絮凝过滤提供 了便利的反应条件。同时，滤层内部复杂的水力条件对颗粒的碰撞粘附极为有利。 三、颗粒的脱落( d e t a c h m e n t ) 机理 西安建筑科技大学硕士学位论文 颗粒粘附在滤料表面的同时，还存在由于空隙中水流剪切力的作用而导致颗粒从滤 料表面上剥落的现象，粘附力和水流剪力的大小，决定了颗粒粘附和剥离的程度1 4 8 1 。 2 3 2 过滤理论数学模式 一、过滤澄清方程式( 过滤效率理论) 根据颗粒在滤床中的截留规律，建立起水中悬浮物含量沿滤床深度和随时间变化的 数学模型，并力求用于滤池的设计和生产实践，是几十年来国内外水处理工作者努力的 一个重要方向。目前的过滤效率理论，描述颗粒杂质的分离的数学模型主要有经验理论 ( p h e n o m e n o l o g i c a lt h e o 劝和迹线理论( 1 捌e c t o r yt h e o r y ) t 1 6 1 。 1 经验理论( p h e n o m e n o l o g i c a lt h e o r y ) 通过描述悬浮颗粒的去除与滤层的变化现象来研究过滤效率，而不涉及去除的机理 的过滤理论为经验理论。在此基础上建立起来的过滤效率理论，基本上都是在颗粒滤料 滤床基础上提出来的，以岩崎( 1