无烟煤均质滤层过滤技术试验及工程应用

无烟煤均质滤层过滤技术试验研究及工程应用

摘要：本文介绍了无烟煤均质滤层过滤技术试验研究内容和结果；简略阐述了滤速与产水量的关系、滤料粒度对过滤效能的影响、L/d值的重要性以及为保证滤层均质状态的气水反冲洗过程；文章还介绍了北京市第九水厂二期无烟煤均质滤层滤池的主要设计参数和生产运行测定结果。

关键字：无烟煤均质滤层过滤效能自从快滤池取代慢滤池以来的几十年间，普通砂滤料过滤技术已经十分成熟，得到极广泛的应用。但是普通砂滤池滤层经膨胀状态下反冲洗后形成上细下粗颗粒的逆向级配，在一般正向过滤的情况下纳污能力距理想滤层相距甚远。煤砂双层滤料滤池和煤砂磁铁矿三层滤料滤池在滤层结构上取得了重大进展，但由于铺设、分层、反冲洗等问题，使建立在快滤机理上的过滤潜力难以充分发挥。以不膨胀或低膨胀、气水反冲洗为基础条件的均质滤层过滤由于滤料颗粒在滤层垂直方向分布的均匀性，在滤厚度与滤料粒径比合理的情况下，滤料粒径适当加大，提高了纳污能力；滤层厚度适当加深，保证了滤后水质。这样使滤池单位面积周期产水量增加，即或可提高滤速或可延长过滤周期，同时降低反冲洗耗水率，降低建设投资，带来更多的经济和社会效益。虽然近几年法国V型滤池引入我国，但我国尚缺乏一套完整、系统的科学理性认识和参数群，为此建设部立项、北京市市政工程设计研究院开展了《均质滤层过滤技术研究》。该项目是建设部“八五”重点科技项目，其成果获九八年建设部科技成果二等奖、九九年建设部重点科技推广项目。本文仅就无烟煤均质滤层过滤试验研究及在北京市第九水厂二期工程中应用情况作简要介绍。1试验流程与试验内容1.1试验流程及装置试验工艺流程见图1。乎隐犬混条合追采灿用萄快还速或轴慢流刘式架机饺械两搅荐拌启。衰絮两凝策采尘用缝波亿形扯板脸竖到流耍式鸽三弹段电絮汉凝冬。退沉萄淀临为必侧光向脏流虑波罩形山斜屡板谣沉膀淀介。

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美国洛杉矶水厂粗滤料厚滤层滤池建设前的研究报告(WeterTreatmentPilotStudiesfortheLosAngelesAqueduet)称：“试验原水经预臭氧，通过厚6英尺的无烟煤滤层过滤，滤速13.5加仑/英尺2.分，其滤程为28小时；滤速18加仑/英尺2.分，其滤程为22小时。两者滤程产水量分别为22700加仑/英尺2和23800加仑/英尺2。”说明滤速变化对滤池产水量无大影响。

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mm滤速

m/h进水浊度NTU出水浊度NTU截留浊度NTU周期产水量m3/m2过滤能力指数比值A11.10100.630.170.464602111:1.1521.33100.630.190.44550242

B31.10200.730.230.504602301:1.1041.33200.640.190.45560252

C71.101010.200.219.9922021971:1.2681.481010.200.259.952802786

表中“过滤能力指数”为：过滤进出水浊度差即截留浊度与周期产水量的乘积（截污能力）。

A组和B组试验表明，有效粒径1.33mm滤料的过滤周期产水量大于有效粒径1.10mm的周期产水量；有效粒径1.33mm的过滤能力指数高于有效粒径1.10mm的过滤能力指数，比值表明过滤能力高出10％～15％。C组试验表明，在周期产水量和过滤能力指数方面，有效粒径1.48mm更高于有效粒径1.10mm。

然而，应当看到，随着滤料粒径的加大，虽然能更多地发挥下层滤料的截污作用，但同时对穿透深度带来影响。即在其他条件等同时，粒径越粗穿透深度越大，其表现为粒径粗的滤料过滤出水浊度较粒径细的滤料高，或是粒径粗的滤料截留浊度比粒径细的滤料低。

A组和C组数据表明，其他条件特别是进水条件等同时，有效粒径1.33mm和1.48mm滤料较有效粒径1.10mm滤料的过滤出水浊度高，截留浊度低。B组数据表明，由于进水浊度不同，虽然有效粒径1.10mm滤料的过滤出水浊度不如有效粒径1.33mm滤料，但其截留浊度高。

粒径变化对过滤出水水质和截留浊度的影响引出下面有关L/d的讨论与研究。

2.2.3关于L/d

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。为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量值的要求，相互关系可以参考如下数学表达：(JAWWA1975)

式中：S----滤料表面积

ε----滤层孔隙度

φ----滤料球形度

L----滤层厚度

d----滤料的几何平均粒径从上式各参数的相互关系可以看出，随着滤料颗粒粒径加大，孔隙度加大，所提供的表面积变小。滤层表面积减少的结果必然会降低过滤能力。这反映出粒度加大对过滤效果带来的负作用。

这个式子同时也清楚地表明，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L。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。

由此引伸出L/d这一概念。从技术角度讲，L/d值越大越好。而综合经济因素，工程中应以最小L/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要求。在实践中，选用优良的滤料级配和滤层厚度正是保证过滤效能的关键。因此，L/d受到滤池设计人员的日益重视。

我国《城市供水行业2000年技术进步发展规划》提出：“为保证水质滤层深度与粒径之比应大于800。”在其子课题《改善过滤效能》中指出：“运用L/Dm≥800判别式判断分析滤池滤料级配的合理性或比较其优越性。”这里的Dm为平均粒径。美国《IntergratedDesignofWaterTreatmentFacilities》提出，“1.5mm≤d≥1.0mm的单层滤料滤池L/d≥1250。”这里的d为有效粒径。本试验用滤料L/d值见表4。试验用滤料L/d表4dmm

L/d

Lmm有效粒径mm平均粒径mm1.481.331.101.831.651.361500

10281364

90911031100743

1000601

809将试验中除粒径不同而其他条件特别是进水浊度相同时的L/d值和试验结果列表如表5。L/d与过滤结果表5组别试验序号有效粒径mm滤速m/h进水浊度NTU出水浊度NTUL/dA11.10100.630.171364

21.33100.630.191028B71.101010.200.211000

81.481010.200.25743注：d为有效粒径表5清晰地表明，L/d值大的出水浊度比值小的低。

以上只是试验数据，设计应用时需根据具体情况予以调整。依据试验研究和北京市第九水厂二期工程应用情况，我院提出了设计采用的推荐值（本文从略）。

2.2.4均质滤层反冲洗

为保证滤层反冲洗后具有足够的清洁度，又能接近均质状态，目前理想的办法是采用气、气水、水的三段式气水反冲洗技术。近年来，国内不少人对气水反冲洗进行了较为深入的研究。几乎所有文献都认为三段式气水反冲洗比二段式气水反冲洗更为理想，并从机理上进行了探索，本文在此不作赘述。

在滤池充水并在滤床层面上保有一定水深条件下先进行单独气冲，一方面通过滤料颗粒间相互磨擦使滤料上粘附的污泥脱落，一方面达到使滤层搅动为均质的目的。经过一段时间的气冲后，不停气且气冲强度无须改变的同时加入水冲，水冲强度很小，只要能使脱落的污泥在合宜的时间内升至排水槽即可。气水联合反冲是能否使滤层洁净的关键。单独气冲时脱落的污泥在此阶段因气冲保持滤层流化状态下加上水冲被有效地托至上层。第三阶段停止气冲，滤料回落为固定床，使脱落的污泥滞留在上层，随后的水冲只是漂洗过程，主要是将上层的高浓度泥水托出滤池，同时进一步清除滤层中剩余的脱落污泥，使滤层达到较彻底的净化。最后的水冲洗应遵循二条原则，一是不使均质滤层状态受到破坏，二是按冲洗要求要能够使滤层中剩余的脱落污泥被有效地去除。

本试验选用7％膨胀率获得了满意的滤后水质，说明此程度的膨胀率及相应的水冲强度可以使滤层保持接近均质状态。3北京市第九水厂二期工程滤池3.1滤池主要设计参数

北京市第九水厂二期工程滤池设计应用上述研究成果，建成无烟煤滤料均质滤层滤池，处理能力50万m3/d。

其主要设计参数如下：

滤料粒径范围dmax～dmin=2.0～1.0mm;有效粒径d10=1.10mm;均匀系数K60=1.35;滤料层厚L=1.5m。

设计滤速V=7.60m/h;强制滤速V=7.93m/h。

三段式气水反冲洗，气冲阶段气冲强度q=20L/m2.s、历时t=3min;气水同时冲洗阶段气冲强度不变，水冲强度q=3～4L/m2.s、历时t=2～3min;水冲阶段水冲强度q=8L/m2.s、历时t=5min。膨