（市政工程专业论文）过滤、混凝沉淀法在垃圾渗滤液后续处理中的试验研究.pdf

摘要 城市垃圾渗滤液是一种高浓度的有机废水，成分复杂，一直以来都很难有一 种经济有效的处理方法。本文尝试使用直接过滤和混凝沉淀工艺分别对生化后的 垃圾渗滤液进行处理。 在直接过滤试验中，我们选用了新型陶瓷滤料和石英砂滤料来对垃圾渗滤液 进行过滤处理，以滤层厚度、滤速和粒径为控制参数做了正交试验，以浊度去除 率和c o d c r 的去除率为评价参数。结果表明使用陶瓷滤料过滤时，当d = 1 6 2 o m m 、l = 7 0 0 i i 皿、v = 6 m h 时，处理效果最好；使用石英砂滤料过滤时，当d = 1 2 5 1 6 m m 、l = 8 0 0 r m 、v = 4 m h 时，处理效果最好。而陶瓷滤料的处理效 果要整体好于石英砂滤料。 在混凝沉淀工艺处理生化后的垃圾渗滤液试验中，首先选取四种混凝剂：硫 酸亚铁、三氯化铁、聚合氯化铝、硫酸铝。我们以c o d 。，的去除率作为评价参数， 通过正交试验选出最好的混凝剂，结果表明三氯化铁的处理效果最好。然后我们 通过正交试验来确定影响三氯化铁混凝效果的三个主要因素的主次关系，得出 p h 值为影响混凝效果最重要的因素，其次分别为混凝剂的投加量和助凝剂的投 加量，并通过这次主次关系试验得出初步各因素的最佳取值。最后我们对p h 值、 混凝剂投加量、助凝剂投加量，分别进行最优取值试验，得出混凝沉淀处理生化 后的垃圾渗滤液的最佳取值为：p h 为5 ，混凝剂三氯化铁投加量为5 0 0 m g l ，助 凝剂聚丙烯酰胺投加量为4 m g l 。 关键词：垃圾渗滤液，过滤，陶瓷滤料，混凝剂 a b s t r a c t t h et o w nl a n d f i l ll e a c h a t ei so n ek i n do fh j i g h l yc o n c e n t r a t e do r g a n i cw a s t ew a t e r , t h ei n g r e d i e n ti sc o m p l e x ，t h e r ej a n tae c o n o m i cp e r f e c tt r e a t m e n tt ot r e a tt h el e a c h a t e a l lt h et i m e t h i sa r t i c l ea t t e m p t st ou s et h ed i r e c tf l t r a t i o na n dt h ec o a g u l a t i o na n d p r e c i p i t a t i o nc r a f t t ot r e a t m e n tw i t ht h eb i o c h e m i s t r yl a n d f i l ll e a c h a t e t h r o u l g ht h ed i r e c tf i l t r a t i o ne x p e r i m e n t ，w ec h o s et h en e wc e r a m i cf i l t e ra n d s a n df i l t e ra st h ef i l t e rt ot r e a tl e a c h a t e w em a k eac r o s se x p e r i m e n tw i t ht h ef i l t e r l a y e rt h i c k n e s s 、t h ef i l t e rd i a m e t e r 、t h ep e r c o l a t i o ns p e e d a st h ec o n t r o l l i n gp a r a m e t e r , a n dw eu s et h et u r b i d i t yr e m o v er a t ea n dc o d ar e m o v er a t ea st h ee v a l u a t ep a r a m e t e r t h er e s u l ti n d i c a t et h a tw eu s et h ec e r a m i ca st h ef i l t e r , w h e nd = 1 6 - 2 0 m m 、l = 7 0 0 r a m 、v = 6 m h , t h et r e a t m e n te f f e c ti sb e s t w eu s et h es a n df i l t e ra st h ef i l t e r , w h e nt h ed = 1 2 5 1 6 r a m 、l = 8 0 0 m m 、v = 4 m h 。t h et r e a t m e n te f f e c ti sb e s t a n dw e f o u n dt h et r e a t m e n te f f e c to fc e r a m i cf i l t e ri sb e t t e rt h a nt h es a n df i l t e r i nt h ec o a g u l a t i o na n dp r e c i p i t a t i o nc r a f t p r o c e s s i n gb i o c h e m i s t r y l a n d f i l l l e a c h a t ee x p e r i m e n t ，w ef n s t l ys e l e c tf o u rk i n d so fc o a g u l a n t ：t h ef e r r o u ss u l f a t e , t h e i r o nt r i c h l o r i d e ，t h ep o l y m e r i z a t i o na l u m i n u mc h l o r i d e ，t h ea l u m i n i u ms u l f a t e ，t h e c o d e rr e m o v i n gr a t ei st h ec o n t r o l l e dp a r a m e t e r w em a k eo u tt h ee x p e r i m e n tt o c h o s et h eb e s tc o a g u l a n t t h ec o n c l u s i o ni n d i c a t e dt h a tt h ei r o nt r i c h l o r i d ep r o c e s s i n g e f f e c ti sb e s t t h a nw ef i n dt h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r yr e l a t i o n so ft h et h r e ep r i m a r y f a c t o r sw h i c hc a ni n f l u e n c et h ec o a g u l a t i o ne f f e c t w ec a l lo b t a i nt h a tt h ep hv a l u e w a st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ro ft h ei n f l u e n c ec o a g u l a t i o ne f f e c t t h en e x tw a st h e a m o u n tw h i c ht h ec o a g u l a t i o nt h r o w si nt h ew a s t ew a t e ra n dt h ea m o u n tw h i c ht h e h e l p sc o n g e a l st h r o wi nt h ew a s t ew a t e r a n dw ef o u n dt h ee l e m e n t a r yb e s tv a l u e t h r o u g ht h i se x p e r i m e n t f i n a l l yw ed ot h ee x p e r i m e n tt of o u n dt h eb e s tv a l u eo fp h v a l u e 、t h ea m o u n tw h i c ht h ec o a g u l a t i o nt h r o w si nt h ew a s t ew a t e r 、t h ea m o u n tw h i c h t h eh e l p sc o n g e a l st h r o wi nt h ew a s t ew a t e r - a n dw eo b t a i nt h eb e s tp a r a m e t e ri st h a t t h ep hv a l u ei s 5 ，t h ec o n c e n t r a t i o no ft h ei r o nt r i c h l o r i d ei s5 0 0 m 叽t h e c o n c e n t r a t i o no ft h eh e l p sc o n g e a l si s4m 驰 k e yw o r d s ：l a n d f i l ll e a c h a t e ，f i l t r a t i o n ，c e r a m i cm e d i a ，c o a g u l a n t 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近十年来，我国城市化进程发展迅速，城市垃圾以平均每年8 1 0 的速 度增长。按现在的增长速度预测，到2 0 1 0 年我国城市生活垃圾将达到2 6 4 亿吨， 2 0 3 0 年为4 0 9 亿吨，2 0 5 0 年为5 2 8 亿吨1 1 1 。卫生填埋法由于其具有成本低、技 术成熟、管理方便等优点而在垃圾处理中得到了广泛应用，据中国环境监测总 站对我国3 2 9 个城市垃圾处理厂的调查表明，卫生填埋场占垃圾处理设施的8 7 5 1 2 1 。 卫生填埋存在一个关键的问题，即垃圾渗滤液的收集和处理问题。垃圾填 埋后，在微生物的作用下，垃圾中的有机物经过好氧反应和厌氧反应产生降解， 其反应可分别用下式简单表示： 奄桃! ! 霉堕h p 坨o r h n h n o i + s o + p o u 2 有机物! 塞墼堕日刀+ c d 2 + m 吗+ c 协+ 量b s + 低分子有机物 垃圾降解后生成的无机物以及垃圾中的可溶污染物，大量进入垃圾渗滤液 中，这就使得渗滤液中污染物含量极高。产生垃圾渗滤液的同时，垃圾中的病 原微生物也会在雨水的淋溶作用下会进入垃圾渗滤液；垃圾降解产生的c 0 2 溶 于垃圾渗滤液以后使垃圾渗滤液偏酸性环境，这种酸性环境使得垃圾中不溶于 水的碳酸盐、金属及其金属氧化物等无机物发生溶解，继而使垃圾渗滤波中含 有种类繁多且含量超标的重金属类物质。垃圾渗滤液的无控制排放会导致填埋 场附近的地表水和地下水的严重污染，含有高浓度有机污染物和还原态金属的 渗滤液进入地表水体后，将大量消耗水中的氧气，最终导致水体需氧生物的死 亡，使水质恶化，造成严重的环境污染。地下水一旦被垃圾渗滤液污染，将在 以后很长时间内不能作为饮用水源。此外，渗液中的重金属污染也是一个严重 而又难以有效解决的问题。 所以，为保护环境，对垃圾渗滤液的处理是必不可少的，同时它也是垃圾 武汉理工大学硕士学位论文 填埋场正常运行的必不可少的条件之一。城市垃圾渗滤液是一种高浓度的有机 废水，成分复杂，一直以来都很难有一种经济完善的处理方式。同时城市垃圾 渗滤液严重影响环境和破坏城市形象，可以传播多种疾病，危害人类健康，对 其的处理已经受到社会各方面的普遍关注。 由此可见，对渗滤液进行有效的收集和处理已成为城市环境亟待解决的问 题。 1 2 我国城市垃圾渗滤液的来源及特点 1 2 1 城市垃圾渗滤液的来源 垃圾渗滤液是指垃圾在填埋和堆放过程中由于垃圾中有机物的分解产生的 水和垃圾中的游离水、渗入垃圾填埋场的雨水以及渗入填埋场的地下水，通过 淋溶作用形成的污水。 渗滤液主要来源包括：1 3 。4 j 】 ( 1 ) 垃圾自身的水分； ( 2 ) 垃圾中有机组分在填埋场内经厌氧、好氧分解产生的水分，产生量与垃 圾的组成，温度和菌种等因素有关； ( 3 ) 填埋场内的自然降雨与径流。其中降水是渗滤液的主要来源，这些水分 渗过成分复杂的垃圾时，使垃圾发生分解、溶出、发酵等反应，从而使 渗滤液中含有大量的有机污染物、氮、磷和种类繁多的重金属类物质。 ( 4 ) 地下水的渗入。 1 2 2 城市垃圾渗滤液的特点 渗滤液的水质随垃圾的组分、当地气候、水文地质、填埋时间和填埋方式 等因素的影响而有显著的不刚5 。6 7 1 。其显著特点为： ( 1 ) 有机物浓度高。渗滤液中的b o d 5 和c o d 。浓度最高可达几万m g l ， 主要是在酸性发酵阶段产生，p h 值一般在5 8 6 左右，b o d 5 和c o d 。比值在 0 3 o 5 左右。 ( 2 ) 水质变化大。渗滤液的水质取决于填埋场的构造方式和垃圾种类、质量、 数量以及填埋年数的长短，其中构造方式是最主要的。 ( 3 ) 氨氮含量高。垃圾渗滤液中氨氮浓度很高，且氨氮浓度在一定时期随时 2 武汉理工大学硕士学位论文 问的延长会有所升高，主要是因为有机氮转化为氨氮造成的。在中晚期填埋场 中，氨氮浓度高是垃圾渗滤液的重要特征之一，也是导致处理难度增大的一个 重要原因。由于目前多采用厌氧填埋技术，导致渗滤液中的氨氮浓度在填埋场 进入产甲烷阶段后不断上升，达到高峰值后延续很长的时闻直至最后封场，甚 至当填埋场稳定后仍可达到相当高的浓度。 ( 4 ) 微生物营养元素比例失调，对于生物处理，垃圾渗滤液中的磷元素总是 缺乏的，一般垃圾渗滤液中的b o d p 大于3 0 0 。此值与微生物生长所需要的碳 磷比1 0 0 1 相差甚远。在不同场龄的垃圾渗滤液中，碳氮比有很大的差异，也 会出现比例失调现象。 ( 5 ) 重金属含量大，色度高且恶臭 s l ：渗滤液含多种重金属离子，当工业垃圾和 生活垃圾混埋时重金属离子的溶出量往往更高。渗滤液的色度可高达2 0 0 0 4 0 0 0 倍，并伴有极重的腐败臭味。 ( 6 ) 渗滤液在生化处理时会产生大量泡沫，不利于系统正常运行。 i 2 3 我国垃圾渗滤液研究处理现状饥刚1 1 据统计，我国目前垃圾年总量达2 4 亿吨，近几年城市生活垃圾的年增长 率均在8 1 0 以上。卫生填埋作为一种成本较低、技术相对简单、能迅速 处理垃圾的方式而成为我国主要的垃圾处理形式。广泛的采用填埋方式处理垃 圾将产生大量的渗滤液。卫生填埋场的建立虽然严格限制了渗滤液从填埋场直 接渗入地下水中，但产生的渗滤液如不及时处理，仍会对环境产生严重而又恶 劣的影响垃圾渗滤液的无害化处理一直是一个世界性的难题。影响到渗滤液 的性质，包括物理因素、化学因素以及生物因素，诸如垃圾成分、填埋年限、 填埋操作、气候、填埋地点的水文地质条件、填埋场条件、降雨、垃圾厌氧发 酵中的微生物菌群等，所以渗滤液水质变化范围较大，各种污染物浓度高，因 此渗滤液处理是垃圾卫生填埋场建设中一个非常关键的问题。目前我国6 6 0 个 城市中建有垃圾填埋场6 0 0 多座，其中采用高密度聚乙烯防渗措施的卫生填埋 场约有7 0 多座，而渗滤液得到妥善处理的还不足1 0 座。总体上，垃圾卫生填 埋不足垃圾产量的1 3 ，渗滤液的收集不足产生量的1 1 0 ，渗滤液处理量不足 收集量的1 1 0 。截至目前，除少数经简单处理纳入市政管网再处理外，全国真 正能达标排放的渗滤液量每年不足2 0 0 0 吨，远远达不到垃圾渗滤液的处理需 求。彻底解决垃圾渗滤液的污染既是一个技术问题，也是一个社会问题，一直 3 武汉理工大学硕士学位论文 困扰着环卫和环保部门，多年来许多人做过不懈努力，但收效甚微。按二级及 三级排放标准设计运行的渗滤液处理工程大多达不到设计目标，更不要说达到 一级排放标准。此外，我国在渗滤液处理方面资金投入不足，原因有很多，一 方面现有的渗滤液处理工艺不能适应多变的垃圾渗滤液，处理工艺不够成熟。 另一方面，某些城市建造垃圾填埋场时，在有限的资金范围内，考虑的往往不 是建成的是不是一个系统完备的填埋场，而是热衷于建设库容大、使用年限长 的形象工程。发达国家渗滤液处理投资比例上看，垃圾渗滤液处理设施投资占 整个垃圾填埋场投资总额的l o 1 2 。而我国目前在渗滤液治理方面的投资 仅为3 5 。如果从管理观念上意识到垃圾渗滤液处理的重要性，如果再增 加一些资金投入，或减少两年使用年限，就能建造出符合使用标准的系统完备 的垃圾卫生填埋场。目前正在运行的大部分渗滤液处理系统，以普通生化工艺 为主，技术水平比较落后。究其原因也主要是由于投资少且分散而造成。 目前已经建成的7 0 多座垃圾填埋场的渗滤液处理系统，总投资约4 5 亿 元，这一投资不仅不能和我国每年上千亿元的城市污水处理投资相比，也仅占 垃圾填埋场投资总额的3 5 。由于撤胡椒面式的投资，从而造成有的系统 勉强运行不能达标，有的甚至不能运行进而废弃。近几年虽然有一些新工艺开 始进入市场，但大部分都处于探索性的试验阶段，还未经受住实际工程运行的 考验，主要表现为处理效果不稳定、达标率低，很难适应渗滤液排放的一级和 二级排放标准。对垃圾渗滤液的处理来说，技术成熟可靠；任何时候都能达到 技术要求；投资省、性价比高；安装调试简便；运行维护管理简单；工程经济 技术指标合理；不对环境产生二次污染；出水可再生利用等8 条成为填埋场的 一致选择。而满足这8 条标准要求，还需要多道“滤层”。选择正确的技术发 展路线对渗滤液的处理，通常需要研究两方面的问题：一是采用什么样的处理 方案，二是采用什么样的处理工艺方法。 目前我国渗滤液处理技术大致有以下三种：一是沿用传统生活污水治理技 术，以简单生化为主，基本不达标，这种工程占渗滤液工程总量的6 0 以上。 二是近年来许多科研院所考虑到垃圾渗滤液的特点，不断探索一些新技术，改 良了一些老办法，整合了一些新工艺，并应用于实际工程，但效果并不理想， 这类工程占1 0 左右。三是一些填埋场苦于没有良好的处理技术，干脆自暴自 弃，简单对付，这类工程占2 0 以上。以上工艺技术的核心都是源于生活污水 处理的生化处理技术，事实上这是一条国外早在2 0 年前就走过的弯路。西方 4 武汉理工大学硕士学位论文 发达国家关注并大规模开展渗滤液处理是在5 0 年代，基本上是在无奈和失败 中探索，直到年代随着膜处理技术应用于渗滤液处理，才走出了以反渗透 技术为主，高效生物反应器结合反渗透的技术路线。从国外近十几年来渗滤液 处理技术发展来看，简单生化法处理渗滤液的技术已被逐渐淘汰，取而代之的 是以反渗透为主的膜处理工艺和高效生化处理结合膜法的先进技术。2 0 0 3 年以 来，随着国家加大环保、垃圾及渗滤液处理力度。重庆长生桥、北京南宫堆肥 厂、青岛小涧西和广州兴丰垃圾填埋场等先后引进国外先进的反渗透处理渗滤 液技术的工程相继建成，使我国的渗滤液处理水平迈上了一个台阶，开创了渗 滤液处理的新时代。2 0 0 4 年又有北京、上海等项目陆续建成，拉开了渗滤液高 标准全面处理的序幕。渗滤液中有机污染物浓度很高，要做到达标排放，化学 耗氧量的去除率要保证在9 9 以上，传统的生化常规处理工艺根本无法达到， 目前国内各垃圾场中的渗滤液处理能达到二级排放标准的运行实例极少。我国 目前处理垃圾渗滤液的多数工艺采用厌氧加好氧生物处理方法，普遍存在运行 效果差的问题。 1 2 4 垃圾渗滤液现有处理方法“。伽 由于垃圾渗滤液是一种成份复杂的高浓度有机废水，不同的填埋场或同一填 理场的不同时间段，渗滤液的水量水质都有不同的特点，处理难度较大。目前 渗滤液的处理方案可以分为场内和场外两类，具体为四种方案：直接排入城 市污水处理厂合并处理；预处理后汇入城市污水处理厂合并处理；向填 埋场的循环喷洒处理；建设污水处理系统进行独立处理。 国内外渗滤液主要处理方法有：回灌法、土地处理法、物化处理法和生物处 理法等。 1 3 过滤、混凝工艺在垃圾渗滤液处理中的应用现状 在垃圾渗滤液的处理工艺中，过滤一般作为后续处理工艺。这主要是因为 过滤主要是去除水中的悬浮固体，垃圾渗滤液有机物浓度、氨氮含量高，但是 渗滤液里的悬浮物并不多。所以过滤在垃圾渗滤液的c o d c ，等方面的去除效果 不理想。而作为后续处理，可以进一步去除垃圾渗滤液的c o d 。等指标。如利 用u a s b - - s b r 一陶粒过滤工艺处理白酒污水，过滤作为后续处理单位，可进 5 武汉理工大学硕士学位论文 一步去除1 1 的c o d 。1 1 4 1 在垃圾渗滤液的处理工艺中，混凝可作为预处理单元，或者后续处理单元。 混凝预处理能显著改善活性污泥的生长状况，有助于后续生化处理中活性污泥 的增殖。导致渗滤液生化处理中活性污泥增殖困难的原因主要有两方面：营养 元素不均衡和渗滤液毒性大。营养不均衡可通过投加渗滤液中缺乏而生化所必 需的元素来解决。渗滤液的毒性主要由以下四个方面引起：无机重金属离子、 高浓度的n h 3 一n 、高浓度的盐分以及具有杀菌作用的各类有机化合物。混凝过 程对这些有毒物质可部分去除：对无机重金属离子的去除率一般为2 0 1 1 5 l ，而 对某些杀菌剂( 如d d t 、樟脑) 则可以完全去斛1 6 】。因此，混凝预处理对垃圾渗 滤液的后续生化处理具有重要意义。由于垃圾渗滤液生化后的出水仍含有大量 的难降解的c o d , ，所以混凝亦可作为生化后的后续处理单元，当作为后续处理 单元时，可保证出水c o d e r 达到更高的排放标准。 1 4 陶瓷滤料简介 传统的石英砂滤料存在的问题是比表面积小、孔隙率小，截污能力受到限 制。国内外的水处理工程实践中，传统采用的是石英砂、无烟煤等材料作为过 滤工艺的滤料，长期以来一直存在截污能力低，运行周期短，耗水量大的缺陷， 其综合技术效益普遍不高。陶瓷滤料就是针对上述滤料的缺点研究开发的一种 新型人工滤料，其生产原料来自于铝厂的废矿料，掺合一定的成孔剂、粘合剂 和发泡剂，经过炼泥、陈腐、成型、干燥、烧成等工艺生产而成的一种球型滤 料，其表面坚硬，内部多微孔。经过中南市政设计院中国滤料检测中心检测， 其各项性能指标如破损率、磨损率、含泥量等都完全达到并优于国家规定的质 量标准，不仅比国内市场上正在采用的各种滤料性能更好，甚至达到美国、日 本等先进国家制定的质量标准。 1 5 选题的意义及研究内容 由于渗滤液水质水量的时间和地域变化性大，其中难去除的物质多，不仅 采用单一处理方法不能满足其处理需要，需要通过不同的方法优化组合与灵活 运用才能达到有效的处理，而且适用于某一填埋场或某一地区的处理工艺往往 也不是普遍适用的，需要因地制宜的研究采用不同的工艺。鉴于目胁国内垃圾 武汉理工大学硕士学位论文 填埋场建设的垃圾渗滤液直接处理的工艺很少能真正满足卫生填埋场渗滤液排 放标准。许多填埋场都因为投资所限无法按设计要求建造达到环境保护要求的 渗滤液处理系统。因此需要发展投资省、效果好的渗滤液处理技术和工艺。 本课题所处理的垃圾渗滤液来源于二妃山垃圾填埋场，经u a s b 反应器和 s b r t 艺处理后的出水。垃圾渗滤液出水c o d 。在8 0 0 m g l 左右，其出水c o d e r 浓度仍较高，难以达到国家污水排放标准要求。随着污水排放标准的逐步提高， 需要对垃圾渗滤液的生化出水进行深度处理。 本文针对垃圾渗滤液生化后的出水分别采用过滤和絮凝沉淀的工艺进行试 验。过滤工艺除了采用常规的石英砂滤料之外，还采用武汉理工大学和山东铝 业合作利用铝厂的生产废料，研究开发出的一种新型过滤材料陶瓷滤料， 陶瓷滤料本身具有良好的物理、化学和水力性能，比表面积大，孔隙率高，吸 附能力强，截污能力大，而且它是原材料来自铝厂的废矿料如果能用于垃圾 渗滤液的后续处理中，实验结果将对陶瓷滤料过滤性能有更深一步的体现，同 时对于垃圾渗滤液的处理也意义重大。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 过滤的机理 第2 章过滤及混凝理论 2 1 1 过滤的机理“锄 过滤去除颗粒包含几种机理，有物理的，也有化学的。为了充分解释过滤 对杂质的全面去除作用，必须把粒状滤料滤床中发生的物理和化学作用的效应 联合起来。一般分为三类，即迁移机理、附着机理和脱落机理。 2 1 1 1 迁移机理 悬浮颗粒脱离流线而与滤料接触的过程，就是迁移过程。引起颗粒迁移的 原因主要有如下几种。 ( 1 ) 筛滤：比滤层孔隙大的颗粒被机械筛分，截留于滤料表面上，然后这些 被截留的颗粒形成孔隙更小的滤饼层，使过滤水头增加，甚至发生堵塞。显然， 这种表面筛滤没能发挥整个滤层的作用。在普通快滤池中，悬浮颗粒一般都比 滤层孔隙小，因而筛滤对总去除率贡献不大。但当悬浮颗粒浓度过高时，很多 颗粒有可能同时到达一个孔隙，互相拱接而被机械截留。 ( 2 ) 拦截：随流线流动的小颗粒，在流线会聚处与滤料表面接触。其去除概 率与颗粒直径的平方成正比，与滤料粒径的立方成反比，也是雷诺准数的函数。 ( 3 ) 惯性：当流线绕过滤料表面时，具有较大动量和密度的颗粒因惯性冲击 而脱离流线碰撞到滤料表面上。 ( 4 ) 沉淀：如果悬浮物的粒径和密度较大，将存在一个沿重力方向的相对沉 淀速度。在净重力作用下，颗粒偏离流线沉淀到滤料表面上。沉淀效率取决于 颗粒沉速和过滤水速的相对大小和方向，此时滤层中的每个小孔隙起着一个浅 层沉淀池的作用。 侈) 布朗运动：对于微小悬浮颗粒( 如d m ) ，由于布朗运动而扩散到滤料表 面。 ( 6 ) 水力作用：由于滤层中孔隙和悬浮颗粒的形状是极不规则的，在不均匀 的剪切流场中，颗粒受到不平衡力的作用不断的转动而偏离流线。 在实际过滤中，悬浮颗粒的迁移将受到上述各种机理的作用，他们的相对 8 武汉理工大学硕士学位论文 重要性取决于水流状况、滤层孔隙形状及颗粒本身的性质( 粒度、形状、密度) 。 2 l 1 2 附着机理 附着是指贴近静止滤料颗粒面的微粒粘附到其的表面上的过程。粘附作用是 一种物理化学作用，涉及到表面双电层、范德华力以及化学键和某些特殊的化 学吸附力的作用。粘附作用主要决定于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质， 它大体可分为两种情形：一种是当悬浮颗粒接触滤料表面后，只要范德华引力 大于双电层的斥力，就能够附着。在混凝过程中只用铁盐和铝盐为混凝剂时， 即属于这种情况。第二种是悬浮颗粒与滤料表面间借高分子物质所起的架桥作 用而附着在上面。当用阳离子型聚合物为混凝剂，阴离子或非离子型聚合物为 助滤剂时，即属于这种情况。 在颗粒附着的同时，还存在由于空隙中水流剪力作用而导致粒径从滤料表 面上脱落趋势。附着力和水流剪力的相对大小，决定了颗粒附着和脱落的程度。 过滤初期，滤料较干净，空隙率较大，空隙流速较小，水流剪力较小，因而附 着作用占优势。随着过滤时间的延长，池层中杂质逐渐增多，空隙率逐渐减小， 水流剪力逐渐增大，以致最后附着上的颗粒首先脱落下来，或者水流挟带的后 续颗粒不再有附着现象，于是，悬浮颗粒便向下层推移，下层滤料截留作用渐 次得到发挥。 2 1 2 过滤理论数学模式玎j 蛐捌 2 1 2 1 过滤澄清方程式( 过滤效率理论 根据杂质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，描述杂质的分离的数 学模型主要有唯象理论( p h e n o m c n o l o g i c a lt h c o r y ) 和迹线理论( t r a j e c t o r y t h e o r y ) 通过描述杂质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 机理问题称为唯象理论。以唯象观点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 w a s k i ) 1 9 3 7 年提出的深床过滤动力学和 物料平衡方程为基础： 9 武汉理工大学硕士学位论文 竺知( 2 - - 1 ) 椰 y 竺+ 塑。0 ( 2 - - 2 ) 引出 式中；c 一水中悬浮物的浓度； 卜滤床深度； 卜过滤系数； p r - 水的表观速度； s 一比沉积量； t 过滤时间 方程2 - 1 的积分式为： c = c d c “( 2 3 ) 式中c d 一待滤水悬浮物浓度。 对于过滤系数丸与比沉积量s 之间的变化关系，不同研究者提出了不 同的关系式。i v e s 推导的九与s 的关系的通用式可以体现不同研究者所导出的关 系式： a - 九 1 + o r ( 1 一s 。) ，【1 一o r e 。】 1 一o r o r ) ( 2 - - 4 ) 式中 k 一初始过滤系数； s 。一极限比沉积量； 旬一清洁滤层空隙率； a , b ，岛一实验常数。 i v e s 关系式的基本前提是，过滤系数九是滤池中可供悬浮颗粒沉积的滤料表 面积的变化和空隙流速增加的函数。过滤周期开始时，滤层可用许多正球体组 成的空隙层来代表。当正球体表面上附着沉积物后，滤层的总表面积就增加， 因而九也随之增加。当沉积物继续附着达到一定厚度时，水流在滤层的流态逐渐 拉直，此时的滤层可用一组圆柱形毛细管来代替。随着毛细管直径的减小，比 表面积就降低，因而九也降低。随着沉积物在滤层内的积聚，空隙流速加大，丸 则随之减小。 从滤池去除固体悬浮物的基本机理出发，将每颗滤料看作一个收集器，分析 当杂质流过它时被去除的程度并推导出过滤效率方程的研究方法称为迹线理 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 论。有代表性的是o 1 c l i a ( 1 9 6 7 年) 和y a o k m 0 9 7 0 年) 导出的关于粒状滤料过 滤效率公式： 1 n 三c o 一三2 ( 1 一脚土d ， ( 2 5 ) 式中l 一滤层厚度； c , o ，c - - 分别为水流通过两层前后悬浮物浓度； e 一空隙率； d 一滤料粒径； a 一碰撞效率因素，为有效碰撞与总碰撞次数之比； 九一水中颗粒撞击单元滤料的速率与流向该单元滤料速率之比。 2 1 2 2 过滤水力学 水流经滤床就会产生水头损失。水头损失的大小与滤床的空隙率、滤料的 形状、大小、粗糙度，以及流速的大小和流态有关。随着过滤的进行，滤床含 泥量增加并导致滤床空隙缩小，同时积泥也将改变滤料及滤床通道的形状，从 而导致水头损失的增加。 对于清洁滤层的水头损失，作为滤层选择的一个重要参数，不同的学者提 出了不同的计算方法，建立了一些理论模型。 流体在低滤速下流经多孔介质的水头损失方程，最早由d a r c y ( 1 8 5 6 年) 在研 究砂滤床时提出； 竺氅( 2 - - 6 ) l k 式中a p 一压力降； l 一滤层厚度； v 一滤速： 一流体的动力粘度； k 一水力渗透系数。 d a r c y 公式适用于低雷诺数【r e ) 下的层流状态，对于水和废水的过滤来说， 般滤速都在2 0 m h 以下，雷诺数( r e ) 不大于1 0 ，d a r c y 公式是适用的。式中的 水力渗透系数k 可以通过试验来测定。 武汉理工大学硕士学位论文 后来，c a r m a n ( 1 9 8 7 年) 将滤床的空隙假定为一系列具有相同水力半径的平 行毛细管，推出了水力渗透系数h 的理论表达式，从而得到了著名的 c a y m a n k o z e n y 方程： 式： a p k g s z v l 6 0 3 s 。幽 t 耐 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中k - - c a r m a n k o z e n y 常数，约为5 ； 如一清洁滤床的空隙率： s 一滤料的比表面积； p 一滤料球度系数； d 一滤料粒径。 将压力降a p 转换成水头损失h o ，则c a r m a n k o z e n y 方程可综合表达为l 。i o 0 1 8 7 丝 笔芷如( 2 9 ) a t5 0 j l 口一初始水头损失( m h2o ) 5 p 一水的动力粘度( 2 5 ，0 0 0 0 8 9 n s m2 ) ； 4 一滤料形状系数n 1 0 ) ； 以一滤料当量粒径( 粒径0 。9 1 2 5 m m ，0 0 0 1 1 3 m ) l 卜r 滤层厚度； v 一滤速( m s ) 。 日本学者藤田贤二推导出了形式相同的粒度、空隙度和水头损失之间的关系 瑙格学( 2 - - 1 0 ) 式中一过滤水头损失； k 一系数； v 一滤速； g 一重力加速度； 武汉理工大学硕十学位论文 p 一水的密度 2 1 3 过滤过程的影响因素晒3 1 1 影响过滤过程的因素有许多，但在具体的情况下，某几个因素的影响会显 得更突出。 2 1 3 。1 滤层厚度和粒度 按唯象观点即不涉及机理，认为过滤是水中悬浮物被截留的过程，被截留 的悬浮物充塞于滤料间的孔隙中在同种滤料、相同反冲洗条件下，滤层孔隙 尺度以及有效孔隙率随滤料粒度的加大而增加。即滤料粒度越粗，可容纳悬浮 物的有效空间越大其表现为过滤能力增强，截污量增大。同时，滤层孔隙度 越大，水中悬浮物能被更深地输送至下一层滤层，在有足够保护厚度的条件下， 悬浮物可以被更多地截留，使中下层滤层更好地发挥截留作用，滤池截污量增 加。 从力学特性讲，过滤水流在滤料层中的流动与滤料颗粒间的水流剪力则具 有使被截留吸附在滤料颗粒表面的悬浮物剥落的可能，并同时产生附加水头， 即产生水头损失滤料粒度增大，孔隙尺度加大，有效孔隙空间增加，过水通 道尺度大，过滤水流阻力减弱，水头损失增量将得以延缓，其结果达到规定水 头损失的过滤周期得以延长，产水量得以增加。 日本学者藤田贤二通过研究导出： 日一足赫学( 2 - - 1 1 ) 式中：肝一过滤水头损失，( m ) ； j i 。一系数： 工滤料层厚度，( m ) ； 弘滤速m h ； p 一水密度，( k g m 3 ) ； 卜重力加速度，9 8 1 m s 2 ； 卜滤料球形度； d 一滤料粒径； 武汉理t 大学硕士学位论文 e _ 罐层空隙度； _ 一水的动力粘度； 虽然这个公式主要是表示滤料特征与初始水头的关系，但已清楚地描述了 滤料粒径大小、空隙度大小对过滤过程的影响，即滤料粒径增加、水头损失减 小，过滤周期势必延长、产水量增加。 随着滤料粒径的加大，虽然能更多地发挥下层滤料的截留作用，但同时也 对穿透深度带来影响，即在其它条件等同时，粒径越粗穿透深度也越大。 汉森( h a n z e n ) 认为，经絮凝后弱的絮体穿透深度与滤料粒径的三次方成 正比，强的絮体穿透深度与滤料粒径的二次方成正比斯坦雷( s t a n l e y ) 则用下 述公式表述滤料粒径与穿透深度的关系： 鬣丝垫竺 f ( 2 一1 2 ) 式中：酪一常数； “滤速，m h ； 玉有效粒径； 1 l 水头损失，m ； z 穿透深度； 上式表明，穿透深度与滤料粒径的2 4 6 次方成正比。 由此引发出两个问题。其一，相同厚度的滤层，在一定范围内，滤料粒径 越粗，由于穿透深度越大，出水浊度将不如粒径较细的滤料。 其二是，前述滤料粒径越粗滤层截污能力越强、过滤周期产水量越大的观 点应是建立在满足一定出水水质( 浊度) 要求的前提之上的 从严格的理论上讲，滤层所具有的对悬浮物的截留作用来自滤料所具有的 表面积。慢滤池的过滤能力主要地来自筛除作用，而快滤池的过滤能力主要来 自滤料颗粒表面的吸附作用，这是快滤池与慢滤池过滤机理最主要的不同之处。 在过滤过程中滤料所提供的表面积越大，对水中悬浮物的附着力越强。 要达到一定的预期的水质要求，滤料所提供的表面积应表现为：单位面积 滤层所提供的表面积必须满足某一最低值的要求，单位滤池面积滤料的表面积 表示为： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 。；妒) z 矧一掣石l o ( 2 - - 1 3 ) 6 式中：s 滤料表面积； 句滤层孔隙度，以小数表示o v 滤料球形度； 工o 谵层厚度； 蟊滤料的几何平均粒径。 这个式子清楚地表明，在滤料球形度一定也即滤料种类一定的情况下，能 够抵消粒度变化负面影响的只有滤层厚度，即k 这样，此式中的l d 成为关键 因素，它决定了滤料所能提供的表面积的大小也就决定了过滤性能 2 1 3 2 有效粒径和不均匀系数 在水处理术语中，称d l o 为滤料的有效粒径，d s a d 1 0 的比值称为滤料的不均 匀系数，以k s o 表示。从过滤理论来讲，不均匀系数应做到越小越好。不均匀系 数越小，滤料就越均匀，对过滤更有利。k s o 愈大，即滤料粒径相差越悬殊，那 么下部滤层的空隙大，然而下部空隙大的滤层，不能有效的截污，有效的截污 作用靠上部细滤料来完成，因而，k s o 愈大，截污效果愈差。 第十届国际给水会议报告中指出：“采用比较均匀的粗砂级配，分层问题就 不会发生。”因此，过滤需要均匀滤料。但是，从天然砂或人工破碎的无烟煤中， 几乎不可能筛分出不均匀系数为1 的颗粒，因而在实际生产中总是用尽可能小 的不均匀系数来实现对滤料均匀性的要求 2 1 3 3 滤速 一般认为，滤速越大，穿透深度也越大，因而需要的滤层厚度也越大。s t a n l e y 提出在其它条件相同时，穿透浓度与滤速v 的1 5 6 次方成正比，而h u d s o n 认为 穿透深度与滤速矿的一次方成正比例关系。1 9 7 8 年t a t e 等人报导在其他过滤条 件相同的情况下增加滤速导致滤后水中杂质颗粒的增加。1 9 9 2 年c l a r k 等人发现 随着滤速的增加，水中杂质颗粒的去除率下降。1 9 9 3 年m o r a n 等人的研究也得 到了同样的结果，但如果采用其它辅助措施，将会减弱上述因滤速加大而带来 武汉理工大学硕士学位论文 的负面影响。1 9 6 8 年，t u e p k e r 等人研究发现，滤速的增加要避免突然，应从开 始增加到达到预定滤速经过1 0 分钟逐渐增加，滤速的提高可通过一个滤速控制 器或慢开阀。如果水经过了适当的预处理，或者通过滤层的速率适当，滤速不 发生突然变化、不控制滤速的情况下，从滤层底部直接过滤可能对水质没有决 定性的影响。 2 1 3 4 水温 水温与穿透深度成正比，水温越低，水的粘度越大，胶体不容易脱稳，滤料 和没脱稳的粒子的凝聚、吸附作用减弱，使粒子不容易被截留，滤池的吸附性能 下降，滤层穿透加快，滤后出水浊度也因此增加较快。 2 1 3 s 水力波动 滤出水压力的不规则跳动现象称为水力波动。水力波动和滤速波动是并存 的。因此，数值大的水力波动和滤速的大波动是同时出现，滤出水水质也就出 现恶化现象。水力波动的产生有下列情况：( 1 ) 由于滤池进口或出口处所装的 流量控制设施所引起的水流不稳定，甚至暂时失灵。( 2 ) 由于全厂流量的增加， 使滤池的滤速在短时问内的增加，或者由于一个滤池的冲洗引起别的滤池的滤 速变化。( 3 ) 滤池冲洗后开始过滤，或者别的滤池的开、停所引起的滤速变化。 当这些情况引起滤速的瞬交值过大时，则会产生滤出水水质显著恶化的现象， 研究表明，加少量聚合物就足以控制因水力波动所产生的浊度波动现象。 2 1 3 6 化学因素 影响过滤效果的化学因素很多，包括原水的各种化学水质系数、悬浮固体 的化学性质和过滤前的化学处理过程等等。化学因素有滤前水的水质特征综合 反应出来，而影响滤前水水质特征的则是滤前水所经过的化学处理。许多研究 资料表明：( 1 ) 未经化学处理的水，滤后水水质不合格；( 2 ) 仅加硫酸铝处理， 容易出现浊度泄漏，以致高滤速下不能采用；( 3 ) 采用阳离子型聚合物为混凝 剂时，滤后水不出现泄漏现象。 2 1 3 7 其它因素 影响过滤的其它因素还有极限水头损失，颗粒的球形度，水的p h 值等 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 4 滤池的进水方式 滤池的进水方式常有上面进水、下面进水、中间迸水三种形式。 2 1 5 过滤工艺 过滤工艺有直接过滤、微絮凝过滤、混凝过滤、气浮过滤和以及电化学一 絮凝沉淀一过滤、过滤一混凝气浮、生物吸附一生物膜过滤法等组合工艺 2 1 5 1 直接过滤 直接过滤为滤前不进行沉淀的处理工艺，它在5 0 年代首先p i t m a n 与c o n l y 用双层滤料实验成功，包括滤前预处理和不经预处理两种过滤方式。经预处理 的直接过滤包括有无混合和絮凝的工艺流程。 7 0 年代以来，由于双层、多层滤料池的出现和高分子絮凝剂的应用，直接 过滤得到了迅速发展。它具有投资可节省3 0 ，药耗节省2 0 - 5 0 ，占地面 积小等优点。因此，直接过滤己成为国内外过滤技术发展趋势之一。 直接过滤由于水中的胶体和悬浮物质等的去除均在滤床内进行，因此，截 污能力大的滤料则是直接过滤运行成功的关键之一 2 1 5 2 微絮凝过滤 微絮凝过滤又叫接触过滤，它是在原水中加入絮凝剂后，经快速混合，形 成小而密的絮体，就直接进入滤池进行过滤。由于进入滤池的絮体未达到最终 稳定，颗粒较小，所以这种絮体的穿透程度大，絮凝体彼此之间及与滤料之间 的碰撞机会多，接触凝聚的作用充分，滤料空隙中易形成带活性絮体的网状结 构，这使原水中的微小胶体在失去稳定条件下，易被吸附截留在滤料孔隙表面 上。微絮凝过滤在去除浊度、总铁、胶体有机物等方面十分有效。 2 1 5 3 混凝沉淀过滤 混凝沉淀过滤的流程是原水一混凝一沉淀一过滤一出水，该流程常用的絮 凝剂有聚合硫酸盐和聚铝盐，常用的助滤剂是聚丙烯酞胺，用混合滤料过滤经 过适当混凝的二级出水，将使出水基本没有悬浮固体。过滤能去除不可沉降的 胶体物质，这些物质使二级出水含磷浓度高，因此，滤池对除磷很有帮助。