（市政工程专业论文）单层滤料反冲洗优化工艺的试验研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 反冲洗是水处理过滤工艺中滤料再生的重要环节。反冲洗效果的好坏，对过 滤过程有极大影响。在以往的研究中，直接针对过滤的研究很多，而对滤料的 再生过程反冲洗的研究却相对较少。本文在系统阐述了过滤反冲洗的发展 和理论的基础上，提出了对滤料进行分层冲洗的反冲洗方式，旨在通过对这种 新的反冲洗方式进行实验探索，确定这种反冲洗优化方式的可行性和实际意义。 本文的实验基础分为两项，第一项为滤料的s s 分层截污特征验证试验，通 过实验我们发现滤层对于污物的截污量集中在滤层的表层以下4 0 0 m m 部分，其 截污量占整个滤层截污量的8 0 以上。根据该实验结论，在滤层下4 5 0 r a m 处设 置反冲洗头，进行分层和全程组合反冲洗的方式对反冲洗进行优化。 第二项实验为分层优化反冲洗过滤和传统的单纯水反冲洗过滤做过滤一反 冲洗效果对比实验。实验以d 印= 1 2 m md , o = 0 6 5 m ml ( 8 。= 1 1 6 厚度为9 0 0 m m 均质 石英砂滤料作为滤层进行过滤。在不同的进水浊度条件下( 2 5 n t u 、1 0 n t u 、 5 n t u ) ，保持其他过滤条件不变，对比分层优化反冲洗过滤和单纯水反冲洗过 滤的出水水质、过滤产水量、反冲洗消耗水量等参数指标进行测量，确认了分 层反冲洗优化方式的可行性，并初步确定了分层反冲洗方式的较佳运行条件。 对比实验的结果表明，采用反冲洗优化过滤系统进行过滤可以达到良好的过 滤效果，出水浊度可以全程达到0 5 n t u 以下的过滤标准。反冲洗优化过滤系统 相对于传统的单纯水反冲洗的滤层清洁效果好2 0 。反冲洗优化过滤系统单位 产水量所消耗的反冲洗水量少于传统的单纯水反冲洗过滤，反冲洗优化过滤系 统可以节约3 2 的反冲洗水。 关键词：反冲洗优化分层截污量单层滤料 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i l t e rb a c k w a s hi sa ni m p o r t a n tp a r to ff i l t e rr e g e n e r a t i o ni nw a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s t h eq u a l i t yo fb a c k w a s h i n gw i l lh a v ead r a m a t i ce f f e c to nt h ef i l t r a t i o n p r o c e s s i np r e v i o u ss t u d i e s 1 0 t so fr e s e a r c hd i r e c tr e s p o n s et of i l t e r s ，a n dt h es t u d yo f t h er e g e n e r a t i o no ft h em e d i a b a c k w a s h i n ga r er e l a t i v e l ys m a l l i nt h i sp a p e r , w e m a d eo fw a yo fs t r a t i f i e dm e d i ab a c k w a s hb a s i n go ns y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d i n gt h e d e v e l o p m e n ta n dt h e o r yo ff i l t e rb a c k w a s h ，i no r d e rt od e t e r m i n et h ef e a s i b i l i t yo f o p t i m i z a t i o na n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo ft h e s em e t h o d st h r o u g he x p l o r i n gt h en e w w a y o fb a c k w a s h t h i sa r t i c l eb a s i c so nt w oe x p e r i m e n t s ，t h ef i r s ti sv e r i f i c a t i o nt e s t i n go fs s p o l l u t a n ts t r a t i f i c a t i o no ff i l t e r ，w eh a v ef o u n dt h a tf i l t e rp o l l u t a n tf o r t h ea m o u n to f d i r tc o n c e n t r a t e di nt h ep a r to ft h ef o l l o w i n g4 0 0 m mo ff i l t e rt h o u g ht h ee x p e r i m e n t ， i tt a k eu pm o r et h a n8 0 a m o u n to fp o l l u t a n ti nt h ep o l l u t a n to fw h o l ef i l t e r a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lc o n c l u s i o n ，s e t t i n gu pb a c k w a s h i n gh e a db y4 5 0 m m u n d e rt h ef i l t e r ，o p t i m i z i n gb a c k w a s hb yc o m b i n i n gs t r a t i f i e db a c k w a s h i n ga n d c o n v e n t i o n a lb a c k w a s h i n g t h es e c o n do n ei st od oe x p e r i m e n tc o m p a r e dt h ee f f e c to ff i l t e ro fl a y e r e d o p t i m i z e db a c k w a s h i n ga n df i l t e ro ft r a d i t i o n a lb a c k w a s h i n g t h ee x p e r i m e n tu s e h o m o g e n e o u sq u a r t zs a n df i l t e ro fd s o = 1 2 m md l o = 0 6 5 m mk s o = 1 16t h i c k n e s sb y 9 0 0 m mf o rf i l t r a t i o nf i l t e r r e m a i n i n gt h eo t h e rc o n d i t i o n so ff i l t e r ，w em e a s u r e d p a r a m e t e r ss u c ha sw a t e rq u a l i t y , f i l t r a t i o no fw a t e rp r o d u c t i o n ，w a t e rb a c k w a s h i n g i n d i c a t o r so ff i l t e ro fl a y e r e do p t i m i z e db a c k w a s h i n ga n df i l t e ro ft r a d i t i o n a l b a c k w a s h i n gu n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n so fw a t e rt u r b i d i t y ( 2 5 n t u 、10 n t u 、 5 n t u ) i nt h i sw a y , w ec o n f i r m e dt h ef e a s i b i l i t yo fl a y e r e do p t i m i z i n gb a c k w a s h i n g f i l t e ra n dt h eb e t t e ro p e r a t i n gc o n d i t i o n so fi t e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t l a y e r e do p t i m i z i n gb a c k w a s h i n gf i l t e rc a n a c h i e v eg o o dr e s u l t s t h ew a t e rt u r b i d i t yk e e p sb e l o w0 5 n t ud u r i n gt h ew h o l e p r o c e s so ff i l t r a t i o n t h ec l e a ne f f e c to ff i l t e rb yl a y e r e do p t i m i z i n gb a c k w a s h i n g s h o w s2 0 b e t t e rt h a nt h ee f f e c to ft r a d i t i o n a lb a c k w a s h i n g t h eb a c k w a s hw a t e r c o n s u m p t i o ni ne v e r yc u b i cm e t e rp r o d u c e dw a t e r o fl a y e r e do p t i m i z i n gb a c k w a s h i n g i sl e s st h a nt h ew a t e rc o n s u m p t i o no ft r a d i t i o n a lb a c k w a s h i n g 3 2 r i n s ew a t e rc a nb e s a v e db yu s i n gl a y e r e do p t i m i z i n gb a c k w a s h i n gs y s t e m k e yw o r d s ：b a c k w a s h i n g ，o p t i m i z a t i o n ，l a y e r e d ，a m o u n to fp o l l u t a n t ，s i n g l e l a y e r m e d i a 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 研究生( 签名) ：雄 导师( 签名) ：日期：塑! 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 人类从通过地层的过滤作用获得清洁的井水这一经验中受到启发，用过的方 法来处理经过沉淀仍然是浑浊的地表水【l 】。从此过滤便成为水处理特别是活饮用 水处理中不可缺少的一环。1 8 2 9 年，英国伦敦的c h e l s a e 供水公司建成用于实际 生产的第一座慢滤池。从那时起至今的1 7 7 年间，众多水处理研究者和工作者 努力探究过滤的奥秘，孜孜不倦地追求与研究着高效优质的水处技术，所取得 的研究成果是丰富而惊人的，不论过滤技术还是过滤理论都日完善。目前国内 外的应用实例和文献资料表明，滤池的形式多种多样，滤料品种新颖繁多，针 对不同水质的过滤设备更是层出不穷。但是针对作为过滤的重要组成程序 反冲洗部分的研究却相对较少。随着过滤技术和理论的发展，我们认识到反冲 洗的过程对过滤的效果，历时，产水量等参数都有重大影响。而方冲洗水量和 能耗费用也占用整个过滤过程运行费用的很大一部分。这些因素使得我们有必 要在不断推进过滤设备过滤部分研究的同时，也要加强对过滤反冲洗的研究。 本人自2 0 0 6 年开始师从李孟教授研究反冲洗优化技术。在3 年研究实践中， 李孟教授带领我们获得了大量的研究和生产试验数据，为进研究过滤反 冲洗理论打下了基础。但是在复杂的过滤反冲洗领域中仍有许多理论与生 产实践问题值得研究与探索。本研究是在导师李孟教授近年来对高速精细过滤 设备过滤效果的研究基础上进行的。在使用多级高速精细过滤设备的过程中， 我们发现反冲洗效果有待改进。实际运行中，过滤间隙较短、能耗大、水量大 的问题一直困扰着我们。我们发现，在以陶瓷滤料为基础的过滤过程中，大部 分水中的污物截留在滤料的上半部分浅层。而运用的单纯水反冲洗的冲洗水头 和能量很大部分分散在整个滤层上，这样不但造成了水量和能耗的浪费，更是 影响到反冲洗效果以及过滤设备的继续运行。在他的悉心指导下，通过对单层 石英砂滤料的对比实验研究，总结数据，探讨理论，目的是使反冲洗过程在理 论和实践上有所创新，在应用上有突破。本人重点对其中的分层反冲洗优化对 比实验和理论进行阐述和初步总结，并撰写成本论文。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 研究背景 1 2 1 过滤技术简介 在常规水处理过程中，过滤一般是指以粒状滤料层截流水中悬浮杂质，从而 使水得到净化的工艺过程。它主要是去除水中的浊度物质，同时水中的有机物、 细菌以及病毒也将随浊度降低而被部分去除，残留于滤后水中的细菌、病毒在 失去浊度物质的依附保护后，在滤后消毒过程中也将容易被杀灭，这就减轻了 滤后消毒的负担。在饮用水的净化工艺中，过滤是不可或缺的一道工艺，它是 保证饮用水卫生安全的重要措施【2 】。过滤过程受到滤料级配、滤层厚度、滤速、 过滤方式、滤前水水质及其预处理程度等因素的影响。滤料层是滤池的核心组 成部分，它本身的结构特性对滤后水水质、过滤性能有着重要的影响。 人类文明的起源与发展，与水的利用和治理密不可分。4 0 0 0 年前印度人就 利用木炭对水进行过滤，1 8 0 0 年在英国派斯利( p a l s l o y ) 建成世界上第一座城市慢 滤池供给全城用水。2 0 世纪初，混凝技术出现后，慢滤池逐渐被淘汰，快滤池 取而代之。快滤池因其滤速比慢滤池快而得名，滤速约为5 - 1 0z d , 时，现代快 滤池甚至可达到4 0 米，j 、时，是慢滤池的十几倍甚至几十倍。快滤池有多种形式。 以石英砂作为滤料的普通快滤池使用历史最久。在此基础上，人们从不同的工 艺角度发展了其他形式快滤池。为充分发挥滤料层截污能力，出现了滤料粒径 寻水流方向减小的过滤层及均质滤料层，j t l l ：双层、多层及均质滤料滤池，上向 流和双向流滤池等：为减少阀门数量出现了虹吸滤池、无阀滤池、移动罩滤池以 及其他水力自动冲洗滤池等；从冲洗方式上还出现了有别于单纯水冲洗的气水 反冲洗滤池。 1 2 2 反冲洗技术简介 在滤池运转过程中，从进水中去除的杂质积聚在滤料表面和颗粒间的孔隙 内，随着滤池的继续运转，贮集在滤床中的杂质会导致滤床的孔隙率降低，滤 床所能截留的杂质量不断减少，当水头损失增加至水流按预定流量通过时所需 的水头即最大允许水头损失，或是由悬浮物质的穿透最后导致滤后水水质下降 时，最终将使滤池停运，此时，需对滤池进行反冲洗，以去除截留的杂质，恢 2 武汉理工大学硕士学位论文 复滤池的运行能力【3 1 。对于老式慢滤池，从水中去除的绝大多数杂质会聚积在滤 床的表面上，过滤水的水质下降时，用清洁的砂子替换上层滤料。而对于快滤 池而言，滤速比慢滤池提高了几十倍甚至达到近百倍，使得单位面积载留杂质 量骤增，过滤周期缩短，且杂质颗粒穿入滤床较深，慢滤池的刮砂办法显然不 再适用，于是开始采用上向流反冲洗来清除滤层中的截留杂质。滤床的反冲洗 是恢复和继续发挥滤池功能的关键，反冲洗的质量对滤后水水质、工作周期和 滤层截污量等均有较大影响，滤池的效率全要靠有效冲洗来实现。滤池反冲洗 系统设各费用占滤池总造价的5 0 7 0 ，反冲洗费用又是滤池经常运行费用中最 主要的部分。因此，合理的滤池反冲洗方式的选择及反冲洗系统的设计，在经 济、技术、安全等方面有着重要意义【4 j 。 早期的砂滤料快滤池是对砂颗粒进行轻轻的清洗【5 】，以便在滤床表面留下一 层不受破坏的有机膜，基于从砂慢滤池过滤工艺沿袭下来的认识，这一薄膜被 认为是进行有效过滤所需要的。美国最早出现的砂滤池中还装有环形搅动耙子， 用以在清洗过程中搅动砂子，以帮助砂与杂质分离开来。但该类滤池的反冲洗 强度仅有1 7 。3 4 l s m 2 。自然，这种低速弱强度冲洗不能够使滤床得到彻底清 洁，效果并不理想。早在十九世纪末的英国，就有人开始用空气吹洗浸湿了的 滤料，再用水进行反冲洗，这可以认为是气一水反冲洗的雏形。到了1 9 0 0 年， 美国新泽西州小福尔装置的重力快滤池用空气搅动代替了旋转的搅动耙子，被 认为是气一水反冲洗技术的最早运用。之后几年在哈佛大学所做的实验表明， 空气冲洗是打碎砂层表面形成的泥块或泥浆所需要的。 1 9 0 3 年至1 9 0 5 年间，在美国辛辛那提过滤水厂的实验研究过程中，开始采 用反冲洗强度为1 0 1 6u s m ，的所谓“高速冲洗法”，放弃了旋转耙和空气冲 洗【5 1 。这样，在较高的反冲洗强度下，整个滤层处于悬浮状态，滤层流化了，滤 料在上升水流中相互接触碰撞使滤料颗粒上吸附粘着的污物被冲洗水带出池 外，从而使滤料得以“清洁 。由于构造简单，运行管理方便，冲洗效果明显， 因而在美国及日本等国长期得到广泛的应用。但在这种冲洗方式下，要求水流 必须足以使滤料膨胀流化，即滤层膨胀后的表观体积至少增加1 5 i o j 。 在反冲洗过程中，无论是水的剪力还是颗粒间的碰撞摩擦力都是由水的速 度梯度g 值产生的，高速水反冲洗实际产生的g 值一般并不高，通常砂粒g 值 为3 0 0 4 0 0 s ，煤粒为1 5 0 3 0 0s ，是一种弱冲洗方式【7 】。加之滤层膨胀造成 水流涡动的作用，使得滤料表面形成的密实污泥层有部分被带入滤层深部逐步 3 武汉理工大学硕士学位论文 形成坚硬的大个泥球这样在通常的设计反冲洗强度下，滤池的冲洗效果不佳， 冲洗时间延长，泥球更趋严重，反冲洗水耗增加，形成恶性循环。此外，高速 水流反冲洗也容易造成滤料流失。因此在后来的应用中常辅以表面冲洗。 第一套表面冲洗设备1 9 0 8 年首次在加利福利亚州出吼【引。自1 9 1 0 年起，英 国设计的多数快滤池都用空气清洗或旋转耙冲洗或者表面冲洗接着进行水反冲 洗，例外的是1 9 4 8 年建的邦福德( b m a f o r d ) 滤池和1 9 5 8 年伯明翰的一个著名滤 池是采用美国式的高速水冲洗，但后者后来又添置了空气冲洗设备以节省冲洗 水。尽管如此，由于配气设施不过关等原因，一直影响了气一水反冲洗技术的 推广应用，直至瑞典召开的第四次国际供水会议上1 9 ，提出采用长柄滤头作为布 气装置以及六十年代后粗粒、均匀粒径的深床滤池的兴起，滤池气一水反冲洗 技术才开始日益受到人们的青睐，尤其是在英法等欧洲国家普遍流行起来。到 了7 0 年代，美国的一些学者开始注意到别的国家正在使用的不同的冲洗方法， 并试图评价这些方法的优缺点。而气一水反冲洗较单水反冲洗在充分利用滤池 截污容量、提高滤速、延长过滤周期以及消除滤层泥球等方面有着明显的优势， 于是围绕滤池气一水反冲洗有关问题的研究工作纷纷展开。艾某泰拉耶 ( a m i r t h a r a j a h ) 【1o 】， i h ， 1 2 1 ，【1 3 】、克里斯拜( e l e a b y ) 【1 4 】， 1 5 】，【1 6 】，【1 7 】等人在这方面取 得了重大成果。随着研究的不断进行和认识的不断深入，英、法等欧洲国家以 及前苏联和日本大力开展了气一水反冲洗滤池在工艺设计方面的更新与完善工 作，使得气一水反冲洗技术在应用实践中日趋成熟。如法国德格雷蒙( d e g r e m o n t ) 公司的优秀专利产品a q u a z e r - - v 型滤池，采用单一均匀滤料，应用两极p l c 可 编程逻辑控制器实现了过滤一冲洗的自动化，气一水反冲洗与表面扫洗相结合， 完全实现了恒水位等速过滤。现己作为一种较成熟的滤池气一水反冲洗应用技 术在欧洲各国广为使用，而且还被引进了许多发展中国家。目前在我国就己有 1 4 个城市直接从法国引进了这种滤池，其中最大的淄博新城水厂的设计能力达 到1 0 0 万m 3 d 18 1 。 我国自三十年代抚顺东公园水厂首次采用气一水反冲洗以来，至今己有七十 多年的历史。但由于同样存在着配气设施不过关等原因而一直未能推广应用。 直到八十年代中期，中国市政工程西南设计院以珠海拱北水厂引进的型长柄 滤头的资料为基础，经过反复实验，研究出的半圆形长柄滤头的问世；均匀粒径 滤料在普通快滤池、v 型滤池、虹吸滤池中的应用；电动、气动阀门的质量提高， 气一水反冲洗滤池才得到长足的发展。据不完全统计，十几年来全国己有5 0 多 4 武汉理工大学硕士学位论文 个新建水厂的滤池采用了气一水反冲洗，日供水能力超过6 5 0 万m 3 d ，气一水 反冲洗技术也再度引起国内水处理工作者的高度重视。在有关滤池气一水反冲 洗理论及实验研究方面，哈尔滨建筑大学的李圭白教授1 9 】【捌， 2 u ，【2 2 1 、同济大 学的朱月海教授2 3 】， 2 4 1 ，【凋，【冽、天津大学的安鼎年教授2 刀，汹】，1 2 9 等一大批科研 工作者做了大量富有成效的工作。中国土木工程学会给水委员会还于1 9 9 2 午1 0 月和1 9 9 3 年4 月分别在广州和杭州召开了两次气一水反冲洗技术的专题研讨会 删，总结交流了气一水反冲洗在科研、设计、生产和施工管理等方面的应用经 验，并提出了进一步提高和完善的设想。气一水反冲洗技术在推广应用实践方 面，有采用长柄滤头配水配气的普通快滤池、有采用压板阀控制的虹吸滤池、 有采用电动阀门控制排水的双阀滤池、有单水冲洗的旧池改造为气一水反冲洗 的新池等多种形式，均有运行成功的实例。事实证明，近年来利用外资贷款引 进的v 型滤池运行效果良好。 总之，滤池滤床冲洗方式发展至今主要有两大类。其一是前面所提到的高速 水反冲洗法，美国一般采用这种方式，国内现有各种滤池大多数亦采用这种冲 洗方式。其二就是气一水反冲洗法。目前，国内外气一水反冲洗通常有三种运 行方式。第一种方式为单独气洗，随后用低速水反冲洗，因它在英国应用较多， 又称英国冲洗法。第二种方式为先空气冲洗和低速水反冲洗同时进行，接着再 用低速水反冲洗，称为欧洲大陆法。第三种方式为先单独气洗，然后气一水同 时反冲洗，最后再单独用水冲洗，即是通常所说的三阶段冲洗法，从法国引进 的a u q a z u r - - v 型滤池就是采用这种冲洗方式。 5 武汉理丁大学硕士学位论文 第二章优化工艺理论基础 2 1 过滤机理 滤池中悬浮颗粒的去除机理比较复杂，并且受到很多因素的影响，比如：悬 浮颗粒以及滤料颗粒的物理化学性质、过滤速度、水的化学性质以及滤池的运 行方式等等。在过去的几十年中，有关过滤机理的研究一直没有中断过，但是 其中的很多问题还没有得到解决。 最初的看法，认为水流通过多孔介质的滤床去除悬浮颗粒式的方式，似乎容 易解释为筛滤作用。很清楚，好比筛网阻挡了比网眼尺寸大的颗粒一样，如果 悬浮颗粒尺寸比滤料的空隙大，那么将被去除。这样一种机械筛滤意味着固体 物质不可能穿透到滤料层中，因此小需要深的滤料床。然而，检查粒状滤料去 除固体物的性能时表明，颗粒尺寸较滤料孔隙小很多的也被有效去除了。所以 很咀显，在粒状滤料的滤床中，筛滤不是唯一机理。实际上大多数场台下，在 浊度的整个去除过程中，筛滤相对不是主要的，悬浮颗粒的去除受到大量传递 和吸附机制的控制”“。另外，m i n t z 还首先提出了“剥离机理”，在颗粒吸附的 同时，已经吸附于滤料上的颗粒还有剥离的趋势。 圈1 1 过泣帆理 图1 1 过滤机理 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1 传递机理】，跚1 在大多数滤池中，层流占优势。因此在滤床某个空隙中，水流速度由颗粒表 面的零变到空隙中心的最大值，于是传递机制必然使悬浮颗粒脱离水流流线， 转入到近滤床颗粒成为较低速度。传递过程实际上是一个物理一水动力作用的 过程，目前只能进行定性描述，无法定量计算。悬浮颗粒脱离流线可能是几种 作用同时存在，也可能是其中的某些作用占主导地位。 水过滤中传递机理的主要作用有： ( 1 ) 截留作用：当流线距滤料表面距离小于悬浮颗粒半径时，处于该流线上 的颗粒会直接触及滤料而被滤料截留。 ( 2 ) 扩散作用：当悬浮颗粒尺寸很小时，颗粒会受到周围水分子的随机热运 动而呈现出布朗运动，从而会使颗粒向滤料表面迁移。一般认为，直径小于l 微米的颗粒其扩散作用是明显的，当颗粒直径较大时，扩散作用可以忽略。 ( 3 ) 惯性作用：由于滤层空隙通道错综复杂，流道弯曲，流速经常改变方向， 致使悬浮颗粒因惯性力作用而离开原来的流线向滤料表面靠近。a p p i a h a m i r t h a r a j a h 认为，惯性作用对于空气过滤是主要的，对于水过滤却是可以忽略 的。 ( 4 ) 沉淀作用：作用在悬浮颗粒上的重力能使颗粒横向穿过流线层，沉积在 滤料层颗粒面向上的表平面上。颗粒密度和水温对沉淀作用的影响非常大。 h e r z i g a t a l 认为直径大于2 5 微米的颗粒沉淀作用是主要的。 ( 5 ) 水动力作用：处在速度梯度中的颗粒容易发生旋转，并受到能使他们横 穿流线层的侧向力的支配。水动力作用于颗粒形状以及水流雷诺数有重要关系。 l，il 藏霪棒麓扩i 唆作用 惯挫作用沉淀作用采动力捧成 图2 1 传递机理 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 吸附机理3 3 】 一旦悬浮颗粒被运送至接近滤料颗粒表面或原有沉淀物时，则在物理一化学 和分子力的影响下，如同混凝工序一样，能发生吸附现象。于是，在颗粒滤床 中，粒状滤料截留悬浮颗粒的作用能够用混凝过程中的架桥及吸附双电层的概 念来解释。可以假定吸附是由于行进的悬浮颗粒和滤料颗粒之间存在的分子吸 附力和电动力相互作用而产生的。事实上，分子力只有当悬浮颗粒非常接近滤 料颗粒表面的时候，大概在o 1 微米以内才是主要的，所以带电颗粒之间的作用 力仍是控制吸附过程进度的主要因素。电动力的变化取决于表面电荷的符号和 大小以及双电层厚度，由于大多数天然水源中含有大量溶解固体，悬浮颗粒和 滤料颗粒所带的电荷可能相当小，结果只产生微弱斥力。这些斥力可以通过投 加混凝剂或控制p h 值改变体系中离子结构强度而得到调整。此外，聚合电解质 的应用可产生架桥机制，从而把悬浮颗粒粘固在滤料颗粒表面。 2 1 3 剥离机理【3 1 】 悬浮颗粒移动到滤料颗粒上后，会以不同几何构造聚集。这些几何构造不仅 与滤料颗粒有关，还与先前沉积物有关。一般的构造是位于滤料颗粒顶部的球 冠形和处于孔隙中的管状结构。如果过滤速度保持不变，随着悬浮颗粒的不断 沉积，孔隙中实际水流速度会逐渐增大。结果导致沉积颗粒受到逐渐增大的水 流剪切力的作用，当剪切力大到与粘附力相同数量级时，颗粒就有可能剥落下 来并在滤层较下层被截留。剥离机理的另外一种解释还可以是沉积颗粒的崩落 效应。因此，在达到饱和状态但沉积颗粒呈现亚稳态构造的滤料层中，吸附和 剥离可以同时发生。 2 2 反冲洗机理【3 5 】 滤池的反冲洗是恢复和继续发挥滤池功能十分重要的手段，故滤池的效率主 要依靠有效清洗来实现。当滤池的水头损失、滤出水浊度、过滤时间中任一个 参数达到预定值时，需停止过滤进行冲洗，以清除滤料层中所截留的污物，使 滤池恢复工作能力。目前，国内外快滤池滤床反冲洗方式分为： ( 1 ) 滤床膨胀：又分为高强度水反冲洗及中强度水反冲洗加表面冲洗。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 池床不膨胀：又分为低强度水反冲洗加表面冲洗或空气擦洗及空气擦洗 加水反冲洗。 其中，高强度水反冲洗为1 0 1 5 l s m 2 ，中强度水反冲洗为5 1 0 弘m 2 ，低 强度水反冲洗为3 5u s m 2 。滤池反冲洗不外乎两种，一种是高强度水反冲洗， 强度达2 0l s m 2 以上，另一种是气一水联合反冲洗，【3 刀。 目前，国内外对水反冲洗机理的认识，并未完全一致，主要有三种不同见解。 第一种以c a m p 、s t e i n 等为主，认为反冲洗主要依靠水产生的剪力而不是摩 擦碰撞。 第二种以f a i r 、藤田等为主，认为主要靠滤料颗粒间互相碰撞摩擦力去除污 泥。 第三种以翼岩等为主，认为滤料上有两种污泥，一种是滤料直接吸附牢固的 污泥称为“一次污泥”；另一种是积聚在空隙中的污泥称为“二次污泥 ，靠水剪 力较易去除，一次污泥必须靠碰撞或者其他作用才能去除。 我们认为，反冲洗是水流剪力和滤料颗粒之间碰撞共同作用的结果。 但是，国内外研究者一致肯定单独用水反冲洗不够有效，是一种弱反冲洗方 式。因为反冲洗所产生的污泥剥落主要依靠剪切力作用。而水反冲洗所产生的 剪切力不大。 要洗净滤层除了用水冲洗外还必须加表面冲洗或空气擦洗等辅助手段。多数 人认为从剥落污泥的效果看，采用表面冲洗及气洗方式较好。认为空气擦洗加 水反冲洗效果最佳，表面冲洗加水反冲洗次之，高强度水反冲洗最次。 2 2 1 反冲洗时的剪切力作用 单纯水洗时速度梯度g 值和剪切力r 的计算 假设滤料处于膨胀状态下，单位体积滤料所耗动力为p ， 式求得： p ：p g v w a h t 水洗时产生的速度梯度g ，为： g 。= 后= 1 譬p g v w a h 9 则反洗时，p 值下 2 1 2 2 武汉理工大学硕士学位论文 为： 速度梯度能够反映施加于滤料表面的剪切力大小。水流产生的剪切力可表示 f = 郎。 式中：p 单位体积滤料所耗动力，j s m ； p 水的密度，1 0 0 0 k g m 3 ； g 重力加速度，9 8 1m s 2 ； v 水洗速度，m s ； 幽反冲洗时滤层水头损失，m ； l 。膨胀滤床深度，m ； g - _ 水洗产生的速度梯度，s 一； 水的动力粘度，n s m 2 ； z 水流剪切力，n m 2 。 2 2 2 反洗时的碰撞摩擦作用 反洗时，滤料颗粒群的碰撞次数可用下式表示： n = l n 2 d 3 g 3 2 3 2 4 式中n _ 单位体积的颗粒群中单位时间内颗粒相互之间发生的碰撞次数， m - 3 s 一： n 单位体积内的颗粒数，m ； 卜滤料直径，m ； 卜速度梯度，s 。 2 3 滤层设计理论 2 3 1 滤层的发展和利用蚓 池层是滤池的关键组成部分，滤层由滤料组成，滤料的基本功能是提供粘着 水中悬浮固体所需要的面积。合适的滤床和滤料是滤池实现经济高效运行的关 键。在水处理工程中，天然石英砂廉价易得，操作管理方便，至今仍被世界广 泛采用作为滤料。 1 0 武汉理_ 【= 人学硕十学位论文 当石英砂新装入滤池时，这种滤层称为均质滤层，滤料则称为均质滤料。其 特点是在整个滤层内，滤料的级配都是一样的，如图( 2 2 ( a ) ) 所示。沿滤层厚 度的每一点，滤料粒径间所形成的空隙大小的分布都是一样的。在沿均质滤层 厚度的每一点，都具有容纳同样多悬浮固体的能力。 在反冲洗时，向h 流动的水流速度足以把滤层托起来，使砂粒处于悬浮状态。 处于悬浮状态的砂粒就会自动地重新按小颗粒在上大颗粒在下的顺序排列，这 称为水力分级现象。冲洗完毕后，滤层虽然恢复到原来的厚度，但滤料的水力 分级作用却遗留下来，在沿滤层的厚度方向上滤料是按从小到大的顺序排列 的，这样的滤层称为分级滤料滤层，如图( 2 2 ( b ) ) 所示。 蠡瑟露 图2 - 2 各种滤层的构造示意 ( a ) 均质滤层( b ) 升级滤层( c ) 理想滤层( d ) 般层滤料滤层( e ) 三层滤料滤层 这种分级作用，在传统的f 向流过滤中，对过滤有两方面的缺点。一是上部 滤层由于空隙小，能容纳的悬浮固体也就比下部滤层能容纳的少，整个滤层的 容纳能力不均匀。另一方面，水流通过上部滤层的阻力比下部大，在截留悬浮 物后变得更严重。这个空隙大小分布的不利因素和悬浮固体在滤层中分布的不 利因素迭加起来，更显出了级配滤料滤层的缺点。因为悬浮固体在滤层中的分 旆是从顶到底呈指数关系递减的。这样，在空隙最小的项音| ；滤层要容纳的悬浮 固体数量最大，而空隙最大的底部滤层却是容纳的周体数量最小。其后果是， 滤池由于滤层顶部迅速地被悬浮固体堵塞，水头损失迅速上升，在过滤的水头 z jl=+s!，* 武汉理工大学硕士学位论文 损失达到允许值的时候，整个滤层截留悬浮固体的能力未能发挥出来。 可以看出，如果保持滤料在过滤过程中仍是均质滤料，它将比分级滤料好一 些。另外如采用颗粒大小完全一样的滤料，不存在水流水力分级的问题，同样 具有均质滤料的优点，这种滤料称为均匀滤料。均匀滤料难于在生产中使用。 而且从上述分析可知，用均质滤料和均匀滤料所构成的滤层对过滤仍然是不理 想的。 理想的滤层应该是沿着过滤的水流方向，滤层中滤料的粒径是从大到小递减 的。由于滤料颗粒间空隙也沿水流方向从大n 4 , 递减，这就创造了下列两方面 的有利条件，一方面是进入滤池的水先接触到的那部分滤层能够比后接触到的 那部分滤层多容纳悬浮固体，另一方面是这部分的空隙本来就较大，在容纳更 多的悬浮固体后，仍然保留了一定的空隙大小，允许水中的悬浮物进入滤层内 部，从而在过滤的水头损失达到最大允许值的时候，整个滤层的截污能力都得 到充分地利用。理想的滤层如图( 2 - 1 ( c ) ) 所示。这种滤层反冲洗后，仍然保持 图中所示的滤料大小排列顺序。然而，这样的理想滤层只能合成材料才可能实 现，其要求是从滤层顶到滤层底，滤料的粒度从最大递减到最小，而滤料的密 度则相应从最小递增到最大。但是非常理想的滤层在实际工程中难于实现。根 据理想滤层的这种思想，产生了双层滤料和三层滤料滤层。但双层或三层滤料 是由两层或三层分级滤层所构成，它们只是在整体上具有理想滤层的概念，每 单层仍是级配滤料。且在反冲洗时容易流失上层的无烟煤，并且容易混层。 2 3 2 影响滤层设计的因素眇】，【4 0 】，【4 1 】，【4 2 】 滤池的设计包括选择滤料介质、介质级配及滤层厚度，滤速的选择，极限头 损失的确定，承托层的选择，合理的配水及反冲洗系统等。而影响滤层设计因 素有很多。主要考虑的因素如下： 1 、粒径与层厚 按唯象观点认为过滤是水中悬浮物被截留在滤层滤料空隙中的过程。滤层孔 隙尺度以及空隙率的大小，在同种滤料相同反冲洗条件下，随滤料粗度的加大 增大。滤料粒径愈粗可容纳悬浮物的空间愈大。其表现为过滤能力增强，截污 力增大。同时滤层空隙越大水中悬浮物的穿透深度越大，在有足够保护厚度的 件下，悬浮物可更多地被截留，滤池截污量增加。但同时为保证水质，需要增 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 滤层厚度。粒径越细，需要的层厚越小。但太细的滤料将导致滤层很快堵塞。 大大降低滤层含污量及缩短过滤周期。考虑到该理论，我们想到，在滤层中间 增加反冲洗装置，最大效率利用整个滤层的截污能力。 h u z a 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，强絮 体穿透深度与滤料粒径的二次方成正比。s t a n l e y 所导出的公式为： k ：笙竺兰2 5 z 式中：k 常数； d 有效粒径( m m ) ； v 一滤速( 加仑分英尺2 ) ： l 穿透深度( 英尺； h 穿过1 的水头损失。 从力学特性讲，滤料截留悬浮物依靠的是颗粒间的范德华力，库仑力和表面 张力。这些力使悬浮物迁移并被吸附。但同时过滤水流在滤层中流动，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能力，并 同时产生水头损失。滤料粒径增大，过水通道尺度加大，过滤水流阻力弱，水 头损失增长将得以延缓，其结果达到特定终止水头损失的过滤周期得以缓，产 水量得到增加。 公式( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 清楚地表明了粒径、空隙率和水头损失之间的关系。由此 可见，在实际工程中，在达到预期水质的前提下，应尽量选用适宜的粗粒滤料。 从理论上来说，滤料对悬浮物的截留能力来自滤料所提供的表面积的吸附用。 在过滤过程中滤料所提供的颗粒表面积越大，对水中悬浮物的附着力越强。 单位面积滤层所提供的表面积数学表达式为： s ：盟三 2 6 y d 式中：s 滤层表面积； 滤层空隙度； l 滤层厚度； 沙滤料球形度； d 滤料粒径。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 从上式可以看出，随着滤料粒径加大，滤层所提供的表面积变小。其结果必 然会降低过滤能力。而要抵消滤料粒径加大对过滤效果带来的负作用则必须增 滤层厚度。 另外，从( 2 5 ) 式可知，为了达到一定的过滤效率，即达到一定的预期水质 要求，增加滤料粒径必须增加滤层厚度，以抵消增加滤料粒径对过滤效率降的 不利影响。 事实上，( 2 5 ) 、( 2 6 ) 式表明，在其他条件一定的情况下，滤料粒径层厚对 过滤性能的影响即表现为i d 对过滤性能的影响。从技术角度讲，i d 值越大， 其滤层表面积及过滤效率都将越大。而综合经济因素，工程中应以最小i d 值 满足提供最低量值的滤料表面积达到预期的过滤出水水质的要求。 在实践中，用优良的颗粒级配与适宜的滤层厚度正是保证过滤效果的关键。 因此1 d 值日益受到滤池设计人员的重视。 我国城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划提出：“为保证水质，滤深 度与粒径比应大于8 0 0 ”。在其予课题改善过滤效能中指出：“运用去w m 8 0 0 判别式判断分析滤池滤料级配的合理性或比较其优越性”，其中“指滤料颗 几何平均粒径。而美国卜-弋中u t o cl f 卜l - - - l r c o c q 卜 l f 中中r - 一气一 _ l - -弋一c q c _ o e qu 0 中u _l -o 中 弋一 o q0 ql - -l f “) ，_ ol r ) l - -r _，_ ot ho o u ， o a 营口 + + + + + + + + + 煺童工j ： c匕 ：- c = 匕 =： j = 中 o o。 趔坦 o0 0 ，_ o q * 越拿 旧 崎u u 勺u ，u u ) 遴羁暑 nc qe qo qe 寸ne qe qe ac q 是牝w 累 喽 岖爨i 。h 粑 焱 账姆承冰篁莨翅、鞲堰埝尽ni寸僻 仪秘掣貅千巨扑kh剐璐偕 武汉理工大学硕士学位论文 两种不同反冲洗组合下，过滤出水随时间的变化曲线如图4 3 。 图4 3 初步试探性对比实验出水浊度曲线图 从实验结果可以看出，在高浊度进水条件下，常规过滤在过滤历时达到3 0 小时时，出水浊度已经和进水浊度相接近，可以认为滤层被穿透了。 从对比的设置中间层反冲洗头的对比实验数据可以看出过滤历时达到1 8 小 时时，出水浊度较高，达到进水浊度的3 5 ，强制进行中间反冲洗，反冲洗后滤 层进入高效时期，过滤效果显著提高。初步实验结果证明，优化过的冲洗方式 有利于延长滤料的穿透时间，有利于提升相通过滤条件下的过滤效果。 然后，我们很自然的进行的是找出分层优化处理的穿透上限，以作为以后的 定量对比实验的先导依据。这次实验拟定出水浊度1 0 n t u 为滤料穿透标志，安 排每1 0 小时进行一次中间层反冲洗头反冲洗，观察滤料穿透所需时间。 如下数据所示，在高进水浊度的情况下，穿透时间高达6 5 小时，相对于相 同条件下直接过滤滤料穿透所需的2 0 小时，是有一定优势的。 n 奁曩咖3 l r l f ，l c u )u 0 u o n e qc qe qc qne q oot 。一o q卜 e 心 c o 是* 蜊u t _ p o弋一l o 呕羽 o t _，一 e q ，h，_ ，hc q t _ 是遐蕾公 oooooooo c qno 心n c qe q、中e q 蟋螺也o t _，_，- ， ，一t e a _ 隧 螺 察 蠕 嫣 蠕 蠕 嫣 蠕 螺 寒 嫣嚣嚣 嫣 嫣 襄 球 是 是 是 是 是 是是是是 是 是 是是是 是是 赛圈 嗵啦随 妊 嗵甜e啮 船巡甜p喽昔e裂由e喽 啦 呕u霞u鹱 鹱叫 骥 j j 骤