（环境工程专业论文）粗石英砂滤料上向流过滤机理与应用研究.pdf

摘要 y 5 1 4 3 7 9 过滤是水处理流程中的关键环节。世界上不少水处理专家认为“反粒度过 滤”能克服传统“下向流过滤”的缺点，会取得高效优质的过滤效果。本文对粗 石英砂滤料上向流过滤技术进行了理论和实验研究，在单一的滤层中待滤水循粒 径最粗的底层进，从粒径最细的表层出，攻克了“反粒度过滤”的关键技术。中 试研究结果表明，粗石英砂滤料上向流过滤比传统的重力流过滤具有更大的含污 能力和产水量，为适用较高的反冲洗强度( 2 1 l ( m 2 s ) ) 以便滤料清洗更干净， 采用粒径范围为0 6 3 2 o o m m 的粗石英砂滤料，滤层厚8 2 8 5 c m ，水温6 2 7 ，进水浊度为3 0n t u 左右等情况下，能获得平均滤速为1 6 1 8 a h 、平均滤后 水浊度为ln t u 左右、周期达1 4 2 4 小时的好效果。生产规模的运行实验显示粗 石英砂滤料上向流过滤对悬浮颗粒的去除是有效的，反冲洗干净彻底，过滤周期 长，当平均滤速为2 0m l h 时，出水浊度为i n t u 按该技术成功运用的典型柳东 水厂的设计参数，反粒度滤池较一般快滤池滤速可提高5 0 以上，因此，其面积 l if e 规模的其他滤池至少减少1 1 3 ，从而节省了大量的基建投资，经营费亦有减 少，特别适用于水厂滤池挖潜改造，这是一种有潜力的过滤技术，尤其适用于对 滤池进行改造以提高其产水量这样的情况。 关键词：水处理上向流过滤粗滤料 a b s t r a c t f i l t r a t i o ni 8t h ek e ys t e po faw a t e r t r e a t m e n tp r o c e s s s o m es p e c i a l i s t si nt h e ，w o r l dp u tf o r w a r dt h et h e o r yo fr e v e r s eg r a i nf i l t r a t i o nw h a tw o u l db e o f h i g h f i l t r a t i o n e f f i c i e n c y a n d g o o d w a t e r q u a l i t yc o m p a r i n g t od o w n f l o w f i l t r a t i o n u p f l o w f i l t r a t i o nw i t hc o a r s es a n dm e d i a ，t h ew a t e ri n t a k i n gf r o mt h eb o t t o ml a y e rw h e r et h e p a r t i c l ed i a m e t e r so fc o a r s em e d i aw e r et h ew i d e s ta n do u t p u t t i n gf r o mt h es u r f a c e l a y e rw h e r et h ep a r t i c l e d i a m e t e r so fc o a r s em e d i aw e l t t h et h i n n e s ti nt h es i n g l e m e d i a , w a ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yi nt h i sr e s e a r c h i ts o l v e dt h e d i f f i c u l tt e c h n i c a lp r o b l e mo fr e v e r s eg r a i nf i l t r a t i o n p i l o t s c a l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h a t ，c o m p a r i n gt oc o n v e n t i o n a lg r a v i t yf i l t r a t i o n ，t h eu p f l o wf i l t r a t i o nh a s g r e a t e rc a p a c i t yi nc o n t a i n i n gr e m o v e ds u s p e n d e ds o l i da n dp r o d u c i n gf i l t r a t eu n d e r t h et e s tc o n d i t i o n s c o a r s em e d i aw i t hp a r t i c l ed i a m e t e rr a n g i n g0 6 3 2 0 0 m mw e r e u s e di no r d e rt oa p p l yr e l a t i v e l yh i g h e rb a c k w a s hr a t eo f2 1l ，( m 2 s ) f o ra c h i e v i n g b e t t e rm e d i ac l e a n - u pa f t e raf i l t r a t i o nr u n u n d e rt h et e s t c o n d i t i o n s ，t h em e d i a t h i c k n e s sr a n g i n g8 2 8 5m i l l ，w a t e rt e m p e r a t u r er a n g i n g6 - 2 7 c ，a n di n f l u xt u r b i d i t yo f 3 0n t u ，i ta c h i e v e dt h er e s u l t so ft h ea v e r a g ef i l t r a t i o nr a t er a n g i n g1 6 1 8m h ，t h e a v e r a g e e f f l u e n t t u r b i d i t y o fl n t u ，a n da c t i o nc y c l er a n g i n g1 4 2 4 h f u r t h e r , f l l l l 一s c a l ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ta n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h eu p f l o w f i l t r a t i o nw i t hc o a r s em e d i aw a se f f i c i e n ti nr e m o v a lo f s u s p e n d e ds o l i d b a c k w a s ho f c l e a n i n g ，a n dl o n ga c t i o nc y c l e a ne f f i u e n tt u r b i d i t yo fin t u w a sa l w a y sa c h i e v e d w i t ha n a v e r a g e f i l t r a t i o nr a t eo f2 0m h t h e d e s i g np a r a m e t e r so fl i u d o n g w a t e r w o r k ss h o w e dt h a t t h er a t eo ft h e u p f l o w f i l t r a t i o n i m p r o v e d o v e r5 0 c o m p a r i n gt ot h en o r m a ld o w n - f l o wf i l t r a t i o n s oi t sf i l t e ra r e ai sl c s so n e t h i r dt h a n t h eo t h e r si ns a m es c a l ef o rl e s si n v e s t m e n t i ti sap r o m i s ef i l t r a t i o n t e c h n o l o g y e s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h ec a s e so f f i l t e rr e n o v a t i o nj no r d e rt oi n c r e a s ei t sf i l t r a t e k e y w o r d s ： w a t e rt r e a t m e n t u p - f l o w f i l t r a t i o nc o a r s ef i l t e rm e d i u m 湖南大学硕士学位论文 第一章绪论 自从水处理技术发明以来，水处理工作者一直孜孜不倦她追求与研究着商效 优质的水处理技术。在廿世纪六十年代和七十年代，水处理技术中的混凝技术、 沉淀技术有较大的突破，而过滤技术却处在停滞不前的状态。然而，无论是生活 饮用水还是废水的深度处理，都少不了过滤这一环卜“。廿世纪八十年代，“反粒 度过滤”在湖南大学研究成功，这样，过滤技术也就有了很大的突破。研究者们 对“反粒度过滤”的机理进行了深入的研究，取得了可喜的成果，成果在广泛的 推广应用中，大小生产应用点已近三十个。 本文是在吴光春教授和曾光明教授的悉心指导下，对以“粗石英砂滤料上向 流过滤”技术实现“反粒度过滤”获得高效优质的水处理效果作深入的理论与应 用研究而写成的。 1 1 过滤技术的发展 世界上最古老、最原始的水过滤设备是用滤水布袋，它是在公元前4 6 0 3 5 4 年问由希波克拉底( h i p p o c 眦哟推荐的，叫“希波克拉底布袋”【2 i 。 1 8 世纪末至1 9 世纪初，世界上普遍采用了慢滤( s l o w s a n df i l t r a t i o n ) 技术。它 的过滤机理是在滤层的表面形成一层生物滤膜。在滤速极端低的情况下，这种生 物滤膜能拦截吸附待滤水中的悬浮物、细菌和病毒，出水水质十分优良，甚至可 以直接饮用。这种慢滤池在我国武汉、湘潭也曾使用过。然而，“慢滤”是它的致 命弱点，所谓“慢”是待滤水通过滤膜( 即滤层) 的速度极慢，只有0 1 0 0 3 0 m h i n ， 不能满足用水量迅速增长的需要，且占地太多。1 8 8 5 年美国研究发明了快滤池。 自此，快滤池逐步取代了低效的慢滤池。目前采用快滤技术的普通快滤池、虹吸 滤池、无阀滤池，“v ”型滤池等多种形式的滤池在世界上得到了广泛的使用。而 滤后水可直接饮用的慢滤池在少数地广人稀、发达的资本主义国家仍在应用【9 j 。 1 2 传统“下向流过滤”所存在的弊端 采用快滤技术的普通快滤池、虹吸滤池、“v ”形滤池等快滤池在运行过程中 存在着不少弊端。 目前广泛采用的“快滤”技术的工艺过程是：待滤水从滤床的表层细滤料进， 湖南大学硕士学位论文 从底层粗滤料出，即所谓的“正向过滤” i o j ( 也叫下向流过滤) 。“下向流过滤” 存在着弊端。就拿粒径为o 5 2 0 m m ，厚7 0 0 m m 的常规滤床来说，生产实践和无 数实验证明，这样的滤床只有表层1 0 0 m m 左右的细粒径滤层能有效地截留待滤水 中的悬浮物，这部份滤料的重量约占整个滤床重量的1 0 。这部份滤料的平均粒 径被命名为“有效粒径d 。”i 1 1 。表层细滤料粒径小，由它们所组成的滤层孔隙直 径亦小，待滤水中粒径大的悬浮物就先被表层细滤料所截留。由于表层细滤料孑l 隙直径小，很快就被悬浮物堵塞，整个滤床水头损失上升很快。随着过滤时间的 延续，表层细滤料截污逐步达到饱和，待滤水中的悬浮杂质移向下层较粗滤料。 这就是在生产和实验中。清洁滤床( 反冲洗后刚投入运行的滤床) 在首先一段时间内 出水浊度极低，甚至为0n t u 的原因。截污量越来越多的表层细滤料，孔隙越来 越小，孔隙流速越来越大( 等速过滤) ，整个滤床的水头损失亦越来越大。这时待 滤水中的杂质大量移向下层粗滤料。由于滤料粗，孔隙直径大，细小的杂质很难 被其截留，故滤后水浊度逐步升高。当表层细滤截污达到饱和，大量杂质穿透整 个滤床时，出水水质恶化，此时水头损失也达到了期终水头损失值，一个过滤周 期结束。这种“下向流过滤”，滤床中占9 0 的粗和较粗的滤料没有充分发挥其截 污作用，整个滤床截污量有限，一般1 m 3 的滤料截污只有3 k g 。整个滤床过滤周期 短，只有8 1 2 h ；滤速低，只有8 1 0 m h ；水头损失大，达1 6 0 2 0 0 m 。由于 表层大量截污，若反冲洗强度不够，冲洗不干净和冲洗废水排除不彻底，表层容 易形成泥毯，这会导致过滤起始水头损失大，若泥毯受力不均匀而产生裂缝，待 滤水从裂缝中穿透滤床，出水水质恶化，等等。 1 3 国外过滤技术的研究 水处理专家们不断地探索新的、高效优质的过滤技术。 岩崎1 1 2 】、s t e i n t ”l 、s h e k h t m a n ! ”等人对快速过滤理论进行了大量的研究，得出 了共同的结论t “杂质在过滤层中的穿透深度是时间的函数，合理而有效的过滤方 法是待滤水先经过粗滤料，再经过细滤料的过滤。”i v i e s ”i 亦认为：“目前采用的下 向流过滤方式，因反冲洗后造成滤料粒径从上至下逐渐增大的滤层结构是最不合 理的。为了改善水质又充分发挥整个滤床的截污作用，待滤水应该是先粗后细的 过滤方式。”这就是“反粒度过滤理论”。 在单一石英砂滤层中待滤水循底层粗滤料进，从表层细滤料出的“上向流” 过滤是最适于上述“反粒度过滤理论”的过滤方式。作为上述过滤理论的应用， 2 湖南大学硕 士学位论文 b a y l i s i 6 l 首先在处理含铁量高的地下水方面获得成功。但它存在滤层膨胀及局部 c h 锄e l i n g ( 局部配水不均匀而产生杂质穿透笔者) 现象。为了解决滤层膨胀的 问题，专家们进行了大量的研究，采用了如下方法m _ 2 7 1 ： 1 3 1“挡砂栅”的设置 1 9 5 9 年前后，日本、英国和前苏联在滤层表面设置用金属丝编织的“挡砂栅”。 挡砂栅并未完全解决过滤时因上向流过滤滤速过高表层细滤料的膨胀问题。戈登 认为：“即使应用了具有阻截作用的隔网或者用深层滤床，但仍会由于压力过大或 者压力的突然变化，而破坏砂桥( s a n d b r i d g e ) 或引起滤床膨胀而失去过滤作用”。 加之挡砂栅给反冲洗带来不便，所以没有获得广泛的推广应用。 1 3 2 仿反粒度过滤的多层滤料滤池 为了获得“反粒度过滤”的优良效果，同时又解决过滤时滤层膨胀的问题， 专家们采用三层或双层滤料进行“下向流”过滤。三层滤料滤池滤层的组成是： 底层用重质细粒的磁铁矿或其他类似物质：中层用石英砂，它的比重小于磁铁矿， 粒径大于磁铁矿；顶层则采用质轻粒粗的无烟煤。这样待滤水从表层粒径粗的无 烟煤进从底层粒径小磁铁矿出，能基本上获得反粒度过滤的效果。但由于反冲 洗的结果，每一层( 即每一种) 滤料粒径的组成，仍是上细下粗，待滤水在每一层滤 料中的过滤，仍是传统的下向流过滤，仍克服不了“下向流过滤”的缺点。而且 反冲洗时极易造成相邻两种不同滤料层之间的“混床”和轻质滤料的流失。双层 滤料是由煤和石英砂组成，情况与三层滤料滤池一样。二者均未得到全面的推广 应用，已应用者皆滤料混床而废除。 1 3 3 重质滤料的采用 山本隆雄认为，对于一定粒度的滤料，由于水与滤料的比重差，上向流过滤 的滤速是有一定界限的。因此，如果所选用滤料的比重比砂大，那么就可以实现 普通砂滤池所不能达到的高滤速。为此，山本采用精炼铁铬合金时产生的一种矿 渣作滤料，其比重为3 4 ，所用最小粒径为i m m ，滤层厚2 1 5 0 m m 。滤层上仍设挡 砂栅，其上向流速可达4 0 m h 。然而过深的滤床给反冲洗带来了极大的不便与困难。 1 3 4 a l o ( 滤池 前苏联研制出双向流滤池，亦叫a k x 滤池( 见图1 1 ) 。它在集水管的上部压一 个下向流快滤池来阻挡上向流滤池滤床的膨胀。 湖南大学硕 士学位论文 图双向流滤池构造示意 1 待滤水管2 排水管3 清水山水管4 待滤水管 5 反冲水管6 排水槽7 滤床8 集水管9 配水管 戈登指出：“双向流滤池存在着一个固有的局限性，使用它不能用来作为生产 出水质量高的设备”。首先来研究单一滤料的双向流滤池，它的最细滤料放在处于 上半部的下向流滤池滤床的顶部，起不到上向流过滤出水保护层的作用，其滤出 水不会超过普通快滤池的水质；而处于下半部的是粒径由租到细的反粒度过滤池， 其最细滤料的粒径也比上部普通快滤池中有效应用的最粗粒径还要粗，因为无由 一定粒度的细滤料所组成的水质保护层，显然滤出的水比上部普通快滤池出水水 质还要差。由此不难看出双向流滤池出水水质比普通快滤池差。二十世纪五十年 代初株洲市自来水公司使用过双向流滤池，因滤层反冲洗不干净，垫层大量积泥 并发臭和上述原因而拆除。 1 3 5 煤砂双层滤科双向流滤池 它是针对双向流单层滤料滤池的缺点而研制的，其构造形式与a k x 滤池完全 相同，只是在集水管的上部铺的是无烟煤。但仍解决不了滤床表层砂粒显得太粗， 其厚度受到限制，出水水质差等原因而得不到推广应用。 1 3 6 k 0 型反粒度过滤池 滤床的稳定性不只是单靠滤料在水中的重量，还可采用从砂层中取清水的办 法来实现，集水管上部的滤砂不起过滤作用，只起稳定下部滤床的作用。但它在 生产实践中被工作周期所限制，滤速只有1 0 m h ，同样承受不了高反冲洗强度的冲 洗，故未能得到推广应用。 湖南大学硕 士学位论文 1 4 我国“上向流过滤”的应用情况 我国在天津市、湖南的吉首市和株洲市等城市的自来水厂采用过“上向流过 滤”技术。天津市芥园水厂上向流过滤池的主要技术参数列于表1 1 。 表1 1 芥园水厂上向流滤池主要技术参数 石英砂滤料卵石垫层进水浊度山水浊度滤遮 厚度厚度 粒径( m m )粒径( r a m 】n t un t u m ，i l ( r a m )( m m ) 0 5 0 1 0 07 0 02 4 8 1 6 3 24 0 01 0 1 556 8 芥园水厂是将原普通快滤池改造为上向流过滤的。由于滤料最小粒径偏小， 承受不了高滤速和大的反冲洗强度，该滤池运转两年后因存在垫层积泥现象较严 重而停用。其它各地的情况与天津相似，运转不久就停用了。株洲市、衡阳市采 用过双向流滤池，它有大型闸阀5 个。在五十年代这些阀门均为手动，劳动强度 大，操作管理麻烦，尤其是滤后水水质差，故均早己拆除了。 另外，1 9 9 2 年国内有文献对反粒度过滤评述3 i 说：“为了避免出现滤层的流态 化现象，滤速必须 5 m h ；截留在滤层底部结构中的大量悬浮固体难于冲洗干净； 不适于大面积滤池。”这实际上是否定了反粒度过滤技术的可行性。 湖南大学硕 士 学位 论文 第二章“粗石英砂滤料上向流过滤”的实验与生产应用研究 “反粒度过滤”能获得高效优质的过滤效果，因而一直受到水处理工作者的 重视，而它的滤速难以提高又使他们感到棘手。而“粗石英砂滤料上向流过滤” 可以解决滤速提不高这个问题，其它一些不利因素亦可克服。 2 1 实验研究 在本研究中设计了一套采用“粗石英砂作为滤料进行上向流过滤”的实验装 置，对多种粒径级配的粗石英砂滤料进行上向流过滤的实验研究，其目的在于选 择适宜条件，以达到过滤的优水质、长周期、大截污量的高效优质的过滤效果， 并解决反冲洗的问题。实验装置如图2 1 所示。原水自配浊水箱中抽出，药与原水 经水泵混合抽至平衡水箱，然后进入有机玻璃滤筒进行上向流过滤。 擅拌电机 图2 1 实验装置 2 1 1 粗石英砂滤料粒径的研究 众所皆知：滤料是过滤系统的核心，对滤料材料和粒径级配的选择历来都是 水处理工作者研究的课题。三层滤料滤池就因各种滤料的比重、粒径级配之间的 关系难于处理，滤层之间易混床，轻质滤料易流失等弊病而使其得不到广泛的推 6 湖南大学硕 士学位论文 广使用l ：“。采用粗石英砂滤料进行上向流过滤，滤料粒径级配的合理选择是事关 成败的首要因素。欲使上向流过滤的滤速提高而表层滤料不膨胀，则必须增大滤 料中最小滤料的粒径，亦即单粒滤料的重量，以增加其在水中的悬浮比重，使它 们在大的上升流速作用下不至于流态化。但表层滤料过粗则其孔隙直径大，杂质 容易穿透，滤速仍无法提高，要么就要过大地增加滤层的厚度，这会给反冲洗带 来很大的困难，并增加了滤池的深度跚i 。然而最小粒径究竟多大才合适昵? 为此， 采用多种粒径级配的石英砂作实验，结果得出：o 6 3 1 6 0 m m 和0 7 1 2 o o m m 这 两种粒径级配( 自然级配) 的石英砂是理想的粒径。表2 1 是0 6 3 1 6 0 m m 的石英砂 滤料的筛分结果。图2 2 是o 6 3 2 o o m m 的滤料的筛分曲线。 筛号留在该号筛上的砂量通过该号筛的砂量 规格 重量( g ) 重量( g ) 1 6 01 7 1 00 8 6 01 9 8 2 9 09 9 1 5 0 1 2 55 0 8 6 02 5 4 3 01 4 7 4 3 07 3 7 0 0 1 0 03 8 8 6 01 9 4 3 01 0 8 5 7 05 4 2 9 0 0 9 02 7 8 6 01 3 9 3 08 0 7 1 04 0 3 6 0 o 8 02 6 5 5 01 3 2 8 05 4 1 6 02 7 0 8 0 0 7 13 1 9 0 01 5 9 5 02 2 1 6 01 1 1 3 0 o 6 31 6 6 5 07 8 3 06 6 1 03 1 3 1 0 筛底盘6 6 1 03 3 1 00 0 0 00 0 0 0 ， ， i j j 图2 20 6 3 2 o o m m 滤料筛分曲线 筛孔径1 1 1 1 1 1 1 寮v一禽霉品摄捌螭 湖南大学硕 士 学位 论文 2 1 2 滤床的水头损失的研究 快滤池( 包括多层滤料滤池) 的过滤水头达1 8 0 3 2 0 米，而“粗石英砂滤料上向 流过滤”总过滤水头一般不超过1 2 米口0 1 。本文在实验中测得滤层中最大水头损失只 有l m 。在如此低的水头作用下亦能获得非常良好的过滤效果。过滤水头低和滤层中 水头损失增长缓慢，有利于滤后水水质的稳定，同时使滤池深度降低，减少了基建投 资和长年电耗。“粗石英砂滤料上向流过滤”过滤水头之所以很低，主要原因是整个 滤层截污分布均匀，而整个滤床中的水头损失从下至上变化缓慢。 下向流快滤池主要是表层5 1 0 c m 厚的细滤料截污，其期终截污量占整个滤 床截污量的8 5 左右，一个周期的总水头损失大量消耗在表层，且增长迅速。表 层滤料粒径小( 一般为0 5 0 m m ) ，孔隙直径小，大量纳污的结果使表层滤料孔隙率 急剧下降，水头损失猛增。要维持一定的滤速( 等速过滤) 和一定的过滤周期，必须 不断增大过滤水头，否则就让过滤水头维持定值，使孔隙流速逐渐减小，实行减 速过滤。由于表层细滤料大量截污，水头损失大部分消耗在表层滤料中，实验证明： 过滤6 小时以后，消耗在表层的水头损失达整个滤层水头损失的5 0 。虹吸滤池和 无阀滤池的工作情况就是如此。 “粗石英砂滤料上向流过滤”情况完全相反，水头损失在滤床中分布均匀， 单位滤层中的水头损失( 水力梯度) 很小。以实测的一个周期为例：滤层厚8 4 5 c m ， 期终水头损失是1 0 0 c m 其水力梯度为1 0 0 8 4 5 = 1 1 8 。只相当于普通快滤池水力 梯度下限值1 5 0 7 0 = 2 1 4 的一半左右。由此可见，其水头损失增长非常缓慢。这一 点可以从水头损失增长与时间的关系曲线中可看出( 见图2 3 ) 。 过滤水头损失的增长( m ) k 过塘l 水璺幔失i“) 过璩付问 ， - 、 k 3 r q l j i v ， 一 国阿 ( ： ii _ l ) i dl i 图2 3 水头损失的增长随时间变化的曲线 k = 6 4 4 c m h k 5 = 4 9 8 c m h k 3 = 3 8 6 c m h 心= 4 6 c m h k 5 = 2 c m h 时间( h ) o寸【o_【oooo山。寸o 湖南大学硕士 学位论文 从图2 3 中可见，在整个过滤周期内，水头损失的增长分为五个阶段，每个阶 段的k 值大小不一，每个阶段的交界点都表示滤层中杂质呈层状向上推移的转折 点。第四阶段水头损失增长较快，这说明杂质在此段时间内向表层迁移的较多； 第五阶段，杂质层再度上移，其穿透速度加快，此时的滤速亦接近最低滤速，这 预示着这个过滤周期将要结束，此时整个滤床水头损失的增长减慢。再来看看周 期结束时滤层中各层水头损失的分布情况( 见表2 2 ) 和滤层厚度与水头损失关系 曲线( 见图2 4 ) 。 表2 2 滤层中各层水头损失的分布情况 滤层厚度 ( c m ) 51 01 52 02 53 03 54 04 55 05 56 06 57 07 58 08 4 5 ( 下一上) 水头损失 2 4 91 8 81 6 1 1 2 28 - 35 84 84 03 32 92 32 32 32 o2 o3 o2 5 ( c m ) 附注( 1 ) ：滤床厚8 4 5 e m ，总水头损失1 1 8 m 水头损失( ) | 、 、 - 图2 4 滤层厚度与水头损失关系曲线 滤层厚度( a i i ) 图2 4 反映了与图2 3 同样的内容，但突出地反映了“粗石英砂滤料上向流过 滤”滤层截污的均匀性与水头分布的均匀性的一致性。 “粗石英砂滤料上向流过滤”滤层的极限水头损失、水头损失增长速度和起 始水头损失均受滤层厚度的影响。滤层水头损失增长速度受其影响更大，滤层越 9 塑塑盔堂堡一主j 生垡j 生三二一 厚，水头损失增长越快，故在保证稳定的出水水质和应有的滤速的前提下，一个 恰到好处的滤层厚度是非常重要的。不要过分地增加滤层的厚度，因为这并不会 使过滤的整个经济效益提高多少，反而会增加滤池的深度。 2 1 3“粗石英砂过滤上向流过滤”截污的研究 前已述及下向流快滤池的致命弱点是表层l o c m 左右厚的细滤料大量截污，丽 8 5 以上的滤层截污作用没有很好的发挥，导致整个滤层截污量少，水头损失增长 快，过滤周期短。这是由于整个滤床的孔隙直径从上至下逐渐增大，而待滤水中 粒径大的杂质易被表层细滤料所截留，但穿过表层的细小杂质不易被下层孔隙直 径大的粗滤料所截留。为了保障水质。防止杂质过早地穿透整个滤床，只好降低 滤速，表层大量截污、含污量在整个滤层中分布极不均匀的现象是“下向流过滤” 所无法克服的。“粗石英砂滤料上向流过滤”从根本上解决了这个问题。“粗石英 砂滤料上向流过滤”中8 0 c m 厚的滤层几乎有7 0 c m 参与截污，只有表层1 0 c m 厚 左右的滤层截污现象不明显，也可以说基本上不截污( 从实验装置有机玻璃滤筒观 察这现象是一目了然的) ，它起着水质保护层的良好作用，这使“粗石英砂滤料上 向流过滤”在一个周期内的出水最高浊度不会超过2n t u ，整个周期内出水平均 浊度在l n t u 左右。柳州市自来水公司柳东水厂粗石英砂滤料上向流滤池自1 9 9 3 年投产以来至今已近九年，始终保持着这个记录。截污在整个滤床中的分布保持 着底层粗滤料截污量大，逐渐而有规律地向上层均匀递减。当起始滤速合适、进 水浊度适宜，期终滤层截污量可达1 5 k g m 3 左右，这较普通快滤池期终截污量只有 3 o k g m 3 左右来说要优越得多。下面是某个周期的滤层截污规律及相应各点水头损 失增长规律的对照分析曲线( 见表2 3 ，图2 5 ) 。 表2 3 滤层含污量与各对应点水头损失的增值 滤层位置( c r u x 下一上1 61 62 6 3 64 65 66 67 6 滤层含污量( k m 3 )3 9 4 82 9 8 91 5 9 9l o 3 37 8 96 0 84 2 93 9 8 滤层水头增值( c m ) 6 4 2 03 2 6 01 5 1 07 9 04 0 02 4 01 0 0o 8 0 0 湖南大学硕士学位论文 山 是 岛 一冀 异 登* 窖 毒 蜷宇 髂 岛1 。 8 h 幽 | j 营 配一b f i 己 珊 出 一 寨 璺一里 潞 踅 三 坤 ， 、 各取样点的位置“m ) 图2 5 滤层含污量变化( 截污规律) 与相应各点水头增长关系曲线 图2 6 为“粗石英砂滤料上向流过滤”与“下向流过滤”滤层截污规律分布对 照曲线。表2 4 为部分实验记录。 p 皇 耍 i 蚯 鞭 i 、 | 雹。 | 瑶 | 1 l 薄l i ， 滤层深度( c m ) 6 图2 6 “粗石英砂滤料上向流过滤”与“下向流过滤”截污分布对照曲线 (c目、g啦如雄 塑塑查堂堡! 土兰一! 生j 生兰_ _ 一 ?岬 鼍 d 鼍鼍 磊葛磊葛矗 磊葛 _ 一 一一 h hh h一 j o o 霭 璺 =， 鼍 卜叶 嚣糟 嚣 d = = 田f d“ = 【o 锑 一 = 卜 宰 l d = 6n 茁d ! nn m 辱吊 8离 ，、 o = 一 二二 hnvo 曼 = 也 帛吊 一 = 堂盘 蒙 卜西。甘西 s r jm * 22 缩蔫据 尘 箔 n 一 n ：= o 鼍 普 嗣高 竺 ：2 f ；i 2 离8 嚣 - = 。? 。甘h 嚣 帮氆 岔葛 兰 o由一。 岬 西 8盘岳霉譬召 卜 ，。o。 - = b d 瞌拦= =竺暑兰 = 百 譬鼍 。 葛捃蛊 耐 甍 = = _ = ； “ ? 。 一 “ 罐矗昌 = 二 ； ol on 一 ) 若螬宝蓦器 ： 帕h = 卜n 咛 捃掣 o 盛 氧 - ： =昌 o ：t o ? 。一 hn ? o ； 2= 品器害8 d ；百 = 氮 - o百i o 、 嚣品 g ：笤 一 翻 t 晶 一 辎匿捌 ； 88嚣蔼磊 鼍 口1卜oi nd n *孵p _ 一 麓怛* 捌魁e 笤岛豺8锑宕 dod。 甘o。“，o 蛙= 甓! 划 曼囊8鬻8嚣 - ot o g 鬲是岛豁宕霉锚 嚣 嚣删 薯 鼍 ddd耐耐稿 h 一 岛器 l ! 2 击 熔 n 圬 譬 o 嚣甓 壤挂 当 2 ： 璺 d1d d 曾匿 8盆 8盆88888 88888窍盆 苦西 2 占 二= 甜矗；出占苗0 0苗 一 h 一 d 一 二 世帝 品 虱酬司筒引叫 口8，譬【最姆嫂骝妇删。埘 。啭蹭瞄辞甜林 州孀辎a洲矧叫d剑甜”引簿婶幕5歪d引剖副鞲辩#艇1llj0_番划喊剐州剥矧刮嫩州鼍酬粼甜林1矧”州擎圹。tr_霖皿 噼蹬繇俅 矗懈 湖南火学碰上学位论文 g，g一最捌垭嘏心船心。妫 。嗡翠瞄薛翻袜 吣啦啮心、o岫吣田吣畸 葛矗蕞鬲葛蕞葛矗鬲矗矗 一一一一一一一一一一 h 1 高 一 竺 o。 。 荨荨荨荨 一一一一 t qn” 等等等 等导 一一一一 一一 r 1 l 簧 羹 。n ，也噜 葛葛 蕊葛蕞葛 曩 二二二 a。o h竺2 量 8 o 一 竺 羹 叶 n卜 n 薯 一一 竺 蓄 q ” “ 吣 2 芝 。 一 嚣 1 葛 一 吣h 蕞凑 一一 2 nn。 h 一 器衣 毯菖 品 d 烈罱 矾 峥一 均。 嗣j 9 d 话 嗣简舟 噜o 、 n q d 诗 一 黜毹高 目 岫 9 吣 q 卜畸。 “ 一一 暮孛 搿舟目高葛 h 一 h # 粗藿 8 耐 *删p n 0 n 箱n岛 辅崛* 捌鼍董 8 寮 8 8最 君 一 一 “ 一 hh j 封* 硝斟 量 q 鬲 船埔 莒 88 遵 “ ! 一一 黠粗 兰 科竺 h ； 窨 oo 1 。 。一。一 88 8 8n8 8蕾叵 长6o 矧翻 “ 高一 hh h 世咖 1 nn 甜副q锄剐川吲引刺主辎洲引叫穗剑到叩引簿螂幕皇至d刮刊矧d强辊_i掌艚 毫 一划划嚼剧川剞捌到刚州州鼍刮状甜林州叫些旷 臌舒俅 爿踩叮 叶n 懈鼎 塑塑盔兰堡主兰垡堡兰一 2 1 4 起始滤速与进水浊度的影响的研究 “粗石英砂滤料上向流过滤”是减速过滤，滤速的减低非常缓慢，而滤后水 的浊度逐渐升高，其速度亦缓慢。表2 5 是“粗石英砂滤料上向流过滤”的两次起 始滤速与进水浊度的实验测定。图2 7 是“粗石英砂滤料上向流过滤”滤速与出水 浊度变化曲线。 滤料药剂 平均平均进平均出起始平均平均过滤 实验类型滤料粒径投量水浊度水浊度滤速滤速水温周期 名称名称 ( m 1 4 l )州t u )( n t u )( m h )( m ，l i )( )( h ) 姐石英砂滤料上向流过油石英砂0 7 l 2 0硫酸铝7 0 93 0709 l2 38 51 87 42 7 3 01 6 粗石英砂滤料上向流过淀石英砂 07 卜- 20硫酸铝 7 2 22 7 81 1 32 3 2 21 7 42 64 61 7 f 禽 、 、| ： 苣 、 景 e | ， 量 f i尹 ， 震 j i 雪： l 鬟暑 三 2 00 】0 】抡1 3 i 4 i 5 ：1 6 】7 】b 1 9 2 0 p 1 己己己3 a 时阃( - ) 图2 7“粗石英砂滤料上向流过滤”滤速与山水浊度变化曲线 粗石英砂滤料上向流过滤即使待滤水的浊度很高，只要起始滤速控制恰当， 同样能获得较高的过滤效率和良好的出水水质。一台直径为5 0 0 m m 的钢制过滤器 在长沙市河西水厂作半生产性试验，湘江涨水，浊度高达4 5 0n t u 的原水投矾混 凝后直接过滤，试验起始滤速1 6 6 8m h ，平均滤速1 1 9 6 m h ，平均出水浊度2 9 n t u ，工作周期6 h 。说明“粗石英砂滤料上向流过滤”在滤速不很高的条件下， 允许浊度为3 0 0n t u 左右的原水直接过滤。若平均滤速降为1 0 m h ，则过滤周期 还可延长，出水浊度还可降低从经济效益和滤池正常运转的角度来看，“粗石英 1 4 8 毯曩 塑堕盔堂堡主兰垡丝兰 一一 砂滤料上向流过滤”的进水浊度3 0n t u ，起始滤速2 6 m h 最佳。尤其水温低时， 更应注意对进水浊度和起始滤速的控制，以充分发挥滤层的含污能力。滤层含污 能力发挥的程度，是滤池过滤效率的重要标志之一。 2 1 5 水温对过滤的影响的研究 温度对过滤的影响是明显的。温度高，水的粘度小，有利于过滤；温度低， 水的粘度大，不利于过滤。表2 6 是在同一进水条件下，不同水温的过滤结果。 表2 6 不同水温下对过滤的影响 温度( )滤速( m h )周期( h )出水浊度( n t u ) 1 51 5 38 52 3 5 2 01 9 291 5 3 3 01 8 91 60 9 1 表2 7 是水温为水温为2 0 和4 时，各种粒径滤料的最小流态化流速数据。 从表2 7 中可见，水温由2 0 降至4 时，同种粒径滤料的最小流态化流速要降低 2 8 左右，且规律性极强。 表2 7 水温为2 0 ( 2 和4 c 时，各种粒径滤料的最小流态化流速 d ( m m ) o 5 0o 5 80 6 30 7 l0 8 01 o o1 2 0 v 。f 2 0 ( m h ) 1 1 8 81 4 3 01 5 9 l1 8 6 02 1 7 42 9 1 63 7 0 5 v 。一o c ( m h ) 9 2 21 1 1 61 2 4 91 4 4 01 6 9 22 2 9 02 8 9 9 v 。f 2 0 c v ：v 。f 4 c 1 2 8 81 2 8 1 1 ，2 7 4 1 2 9 01 2 8 51 2 7 31 2 7 8 2 1 6 药剂种类与投量的影响的研究 表2 8 是推荐用于“粗石英砂滤料上向流过滤”硫酸铝的最佳投量。 原水浊度( 度n t u ) 1 5 2 03 04 0 5 08 01 0 0 2 0 0 硫酸铝投量( m g l ) 7 57 57 57 57 58 0 1 3 51 7 o 表2 9 是推荐用于“粗石英砂滤料上向流过滤”碱铝的最佳投量。 表2 9“粗石英砂滤料上向流过滤”碱式氯化铝最佳投量 原水浊度( n t u ) 1 52 03 04 05 08 01 0 02 0 0 碱铝投量( r a g l ) 444456 81 0 湖南大学硕 士学位论文 2 1 7 “粗石英砂滤料上向流过滤”反冲洗的研究 图2 8 为“粗石英砂滤料上向流过滤”反冲洗后滤层残泥量分布规律( 水温为 3 0 c ，q = 2 ll ( m 2 s ) ，反冲洗历时5m i n ) 。 、 、 、 、 自上而下取样位置( e m ) 图2 8“粗石英砂滤料上向流过滤”反冲洗后滤层残泥分布规律 尽管“粗石英砂滤料上向流过滤”采用了高达2 lu ( m 2 s ) 左右的反冲洗强度 而滤层膨胀率却只有2 0 左右，较传统的下向流过滤要低5 0 。这既防止了表层 细滤料的流失，又增大了水流对滤层的冲涮剪切作用和滤料颗粒间的碰撞摩擦机 率。表2 1 0 是滤料粒径为o 7 l 2 0 0 m m 、水温为2 9 3 c 、滤层厚8 4 c m 、滤层孔 隙率为0 4 4 5 时的滤层反冲洗强度与膨胀率的实测值。 表2 1 0 反冲洗强度与滤层膨胀率关系 q ( l ( m 2 s ) )1 4 2 91 5 1 21 7 0 21 9 4 12 1 5 52 5 4 8 e ( ) 2 0 6 12 0 9 2 2 1 5 92 2 5 62 5 2 22 6 7 0 实验证明：采用较粗的石英砂滤料进行上向流过滤完全能够达到预期的效果。 通过实验发现，采用o 6 3 1 6 0 m m 或0 7 l 2 0 0 m m ( 自然级配) 的石英砂滤料，滤 层厚8 2 8 5 c m ，水温6 2 7 c ，进水浊度为3 0n t u 左右等情况下，能获得平均 滤速为1 6 1 8 m h 、平均滤后水浊度为ln t u 左右、周期达1 4 2 4 小时的好效果。 通过一年多的实验，得出了“粗石英砂滤料上向流过滤”的各种技术参数， 而且对其过滤机理有了进一步的认识。本研究不仅在实验室进行了大量的研究工 作，而且也进行了生产验证，从目前几十个生产应用点的测试结果来看，其效果 超过了实验室条件下的效果，这就证明采用粗石英砂滤料进行上向流过滤完全可 1 6 式一螗如翟f杈 湖南大学硕士学位论文 以在生产上推广使用。 2 2 生产应用 2 2 1 半生产性试验研究 一台直径为5 0 0 m m 的钢制过滤器在长沙市河西水厂作半生产性试验，湘江涨 水，浊度高达4 5 0 n t u 的原水投矾混凝后直接过滤，其结果为：平均滤速1 1 9 6 m h ， 平均出水浊度2 9n t u ，工作周期6 h 。说明“粗石英砂滤料上向流过滤”在滤速 不很高的条件下，允许浊度为3 0 0n t u 左右的原水直接过滤。若平均滤速降为 1 0 m h ，则过滤周期还可延长，出水浊度还可降低。 2 2 2 生产应用实例 一台日产水2 0 0 m 3 的净水器( 含沉淀设备) 在南县武圣富变电站投入运行，处理 常年浊度极高的澧水支流藕池河中的水。用户组织验收测试，测试结果列于 表2 1 1 。运行近八年中，水质水量不衰( 后因河水被造纸废水污染，改用地下水而 停用) 。 表2 1 1 武圣宫变电站粗石英砂滤料上向流过滤测试结果 原水 水温 碱铝平均进水平出水平工作滤料滤层 浊度p h 值投量滤速均浊度均浊度周期粒径厚度 ( n t u ) ( o c ) ( m g l )( m h )( n t u )( n t u )( h )( m m )( m m ) 1 8 81 96 32 01 1 8 41 2 1 40 8 42 6o 7 0 2 0 08 0 0 一台日产水8 0 0 m 3 的上向流过滤装置在宁乡花明楼镇投入使用，直接处理韶山 灌渠支流末端的死水，该支流浑浊度常在3 0 5 0n t u 之间，且沿途被生活污水所 污染，投药混凝后不经沉淀直接过滤。该装置投产后组织了验收测试，测试结果列 于表2 1 2 。该过滤器一直运行到1 9 9 4 年，由于水源存在与农业争水和被污染等问 题，最后用远处的深层地下水替代而停止运行。 表2 1 2 花明楼镇粗石英砂上向流过滤测试结果 原水平硫酸铝平均出水平工作滤料滤层 反冲洗 滤层冲洗 均浊度 水温 p h 值 投量滤速均浊度周期粒径厚度 强度 膨胀率历时 (