摘要:介紹均粒石英砂濾料快濾池的生產(chǎn)性試驗(yàn)與應(yīng)用,在不改變?yōu)V池結(jié)構(gòu)、反沖洗方法和操作習(xí)慣的條件下,僅將快濾池的傳統(tǒng)濾層改為均粒石英砂濾層,產(chǎn)水量提高15%,而濾料層的費(fèi)用僅增加7%。
過(guò)濾是凈水工藝中較重要的處理單元之一,快濾池是過(guò)濾常用的過(guò)濾構(gòu)筑物,至今己有100多年歷史。提高濾池含污能力,即增加單位體積內(nèi)濾料截留雜質(zhì)(絮粒、粘土、藻類(lèi)、細(xì)菌、病毒及其它膠體顆粒)的含量是快濾技術(shù)中的技術(shù)關(guān)鍵,也是水處理專家研究的熱點(diǎn)之一。增加濾池含污能力主要有三個(gè)途徑:①改變過(guò)濾水流方向,采用上向流過(guò)濾、雙內(nèi)流過(guò)濾,輻射流過(guò)濾以及連續(xù)過(guò)濾等方式;②改變過(guò)濾操作方法,采用微絮凝過(guò)濾,調(diào)整混凝劑品種及投加量、投加助濾劑等;③改變?yōu)V料成分及組成,采用不同容重濾料的雙層及多層濾料過(guò)濾。如混合濾料、煤鋁濾料、活性炭濾料、塑料濾料、陶粒濾料、粗砂濾料及均粒石英砂濾料等。
某自來(lái)水公司在凈水廠試用均粒石英砂濾料,在不改變?yōu)V池結(jié)構(gòu)、反沖洗方法和操作習(xí)慣的條件下,僅將快濾池的傳統(tǒng)濾層改為均粒石英砂濾層,產(chǎn)水量提高了15%,而濾層的費(fèi)用僅增加7%,獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。均粒石英砂濾料顆粒粒徑比較均勻,能較好克服表面堵塞的缺點(diǎn),整個(gè)濾床共同承擔(dān)截污作用,在保證水質(zhì)條件下,具有濾速快、過(guò)濾周期長(zhǎng)、水頭損失增加慢等優(yōu)點(diǎn)。用均粒石英砂濾料代替常規(guī)砂濾料,不需要改動(dòng)濾池原有設(shè)備,也不需要改變?cè)瓉?lái)操作習(xí)慣,僅需要改變砂濾料組成即可,因而較易推廣。本文簡(jiǎn)要介紹了自來(lái)水公司在凈水廠使用均粒石英砂濾料的試驗(yàn)及其應(yīng)用情況。
1、常規(guī)濾料、均粒濾料及粗濾料
常規(guī)砂濾料是指現(xiàn)在大多數(shù)濾池所普遍采用的石英砂濾料,較小直徑為0.45-0.5mm,較大直徑為1.0-1.2mm;平均粒徑de約為0.75mm,d10=0.5-0.55mm,d80=0.9-l.0mm,K80=1.5-2.0。
均粒濾料是指濾料粒徑比較均勻,即濾料粒徑不均勻系數(shù)以K80表示的數(shù)值比較小。但是究竟K80為多大即可稱為均粒濾料,現(xiàn)在沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定。從凈水廠使用而言,K80越接近于1,過(guò)濾效能越好;從濾料廠加工而言,K80越接近于1,加工難度越大。筆者認(rèn)為在K80<1.4時(shí),在濾池應(yīng)用上才有實(shí)際效果。實(shí)際上加工到K80=1.3以下,加工費(fèi)用并不需要增加很多。
粗砂濾料是指平均粒徑比較大的石英砂濾料,平均粒徑de至少應(yīng)大于0.85mm。粗砂濾料可能是均粒濾料,也可能不是均粒濾料。采用粗砂濾料的濾池因?yàn)槠骄絛e加大,往往有效粒徑d10也隨之加大,雖然濾池效能同樣可以提高,但是它只能稱為均質(zhì)濾料,與均粒濾料概念不同。
2、生產(chǎn)性試驗(yàn)概況
某凈水廠取河水,由DN600mm,DN500mm兩條輸水管線經(jīng)泵站提升到凈水廠。原水受污染較輕,濁度一般小于50度,冬季更低,僅有4-8度。凈化混凝劑采用堿式氯化鋁,消毒用液氯。
采用均粒石英砂濾料,粗粒石英砂濾料及常規(guī)石英砂濾料在凈水廠進(jìn)行了生產(chǎn)對(duì)比試驗(yàn)。
凈水廠工藝流程見(jiàn)圖1。
試驗(yàn)是在1號(hào)、2號(hào)及3號(hào)三組濾池同時(shí)進(jìn)行的,濾池面積29m2。由于1號(hào)池是高位排水槽,更換為比較粗的均粒砂濾料;2號(hào)池是比較細(xì)的均粒砂濾料;3號(hào)池是常規(guī)砂濾料,粒徑選擇為d較小=0.5mm,d較大=1.1mm。全部濾料均采用石英濾料廠產(chǎn)品,具體情況見(jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)濾池濾料情況
濾池號(hào) | 濾層厚度/mm | d10/mm | d80/mm | K80 | 孔隙率/% | de/mm |
1 | 800 | 0.73 | 0.98 | 1.36 | 0.438 | 0.86 |
2 | 700 | 0.68 | 0.88 | 1.29 | 0.436 | 0.77 |
3 | 700 | 0.57 | 0.97 | 1.70 | 0.421 | 0.76 |
3、試驗(yàn)結(jié)果及討論
在生產(chǎn)性試驗(yàn)中, 濾池運(yùn)行均按照濾后水濁度低于1.5度調(diào)整濾速(一般濾后均為l度),并按照濾前濁度小于5度確定混凝劑投加量,三種濾池濾前水水質(zhì)相同。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
表2 濾池運(yùn)行測(cè)定數(shù)據(jù)
原水溫度/℃ | 原水平均溫度/℃ | 濾池號(hào) | 濾前水平均濁度/度 | 濾后水平均濁度/度 | 平均濾速/(m·h-1) | 起始水頭損失/m | 期終水頭損失/m | 過(guò)濾周期/h | 水頭損失增長(zhǎng)率/(m·h-1) |
4 | 4.5 | 1 | 3.4 | 1.02 | 12.17 | 1.00 | 2.50 | 20 | 0.075 |
2 | 4.0 | 0.96 | 11.39 | 0.90 | 2.40 | 15 | 0.100 | ||
3 | 4.0 | 0.97 | 9.90 | 0.92 | 2.54 | 13 | 0.124 | ||
22 | 18.0 | 1 | 3.5 | 0.57 | 12.29 | 0.60 | 2.60 | 50 | 0.040 |
2 | 3.4 | 0.63 | 11.89 | 0.80 | 2.76 | 25 | 0.079 | ||
3 | 3.6 | 0.58 | 9.82 | 0.78 | 2.50 | 21 | 0.082 | ||
24 | 21.0 | 1 | 4.7 | 0.61 | 11.62 | 0.90 | 2.72 | 44 | 0.041 |
2 | 4.6 | 0.44 | 11.42 | 0.96 | 2.50 | 29 | 0.053 | ||
3 | 4.6 | 0.68 | 9.95 | 0.60 | 2.58 | 22 | 0.090 |
3.1 粒徑與過(guò)濾周期及濾速關(guān)系
3.1.1 水頭損失
從表2可以看出,三個(gè)試驗(yàn)濾池水頭損失增長(zhǎng)率的順序?yàn)椋?號(hào)濾池<2號(hào)濾池<3號(hào)濾池。這說(shuō)明無(wú)論是否采用均粒濾料,只需加大濾料粒徑,水頭損失增長(zhǎng)速度就會(huì)減慢。在本次試驗(yàn)中1號(hào)濾池和2號(hào)濾池同為均粒濾料,由于1號(hào)濾池平均粒徑大于2號(hào)濾池,因而1號(hào)濾池水頭損失增長(zhǎng)率減緩了很多。另外,表2的數(shù)據(jù)還可以看出,2號(hào)濾池與3號(hào)濾池平均粒徑基本相同,但由于2號(hào)濾池d10>3號(hào)濾池d10,所以3號(hào)濾池水頭損失增長(zhǎng)率低于3號(hào)濾池。這說(shuō)明過(guò)濾水頭損失受有效粒徑d10影響很大,而且當(dāng)d10相同時(shí),水頭損失也大致不變。
3.1.2 濾速
表2中各種濾池濾速的順序?yàn)椋?號(hào)濾池>2號(hào)濾池>3號(hào)濾池,而且1號(hào)濾池和2號(hào)濾池的濾速明顯高于3號(hào)濾池。這說(shuō)明濾料粒徑越大,濾速也越大,均粒石英砂濾料濾池的濾速明顯高于非均粒濾料濾池的濾速。試驗(yàn)結(jié)果表明,采用均粒濾料濾池的濾速可比非均粒濾料濾池濾速提高15%以上。另外還可以看出,2號(hào)池與3號(hào)池雖然平均粒徑接近,但因?yàn)橛行Я讲煌,濾速有明顯差異。當(dāng)濾床厚度L及平均粒徑de相同時(shí),均粒濾料dl0越大,濾速也較大。
3.1.3 過(guò)濾周期
為了對(duì)比均粒濾料與非均粒濾料的濾速,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了濾柱對(duì)比試驗(yàn)。濾柱直徑135mm,濾料情況見(jiàn)表3。濾前水為澄清后的水,濾速由人工控制,過(guò)濾周期終止不是因?yàn)闉V后水頭損失達(dá)到上限,而是砂層穿透致使?jié)岫瘸瑯?biāo)(2度)而終止。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。
表3濾柱濾料粒徑
濾柱號(hào) | d10/mm | d80/mm | K80 |
1 | 0.661 | 1.018 | 1.54 |
2 | 0.809 | 0.967 | 1.20 |
表4濾柱過(guò)濾周期對(duì)比表
水溫/℃ | 濾速/(m·h-1) | 濾柱號(hào) | 過(guò)濾周期/h | 濾前水平均濁度/度 | 濾后水平均濁度/度 |
20 | 6 | 1 | 52 | 3.33 | 1.03 |
2 | 80 | 3.33 | 1.07 | ||
21 | 7 | 1 | 48 | 4.35 | 1.23 |
2 | 71 | 4.35 | 1.32 | ||
23 | 8 | 1 | 46 | 4.13 | 1.46 |
2 | 70 | 4.13 | 1.37 |
從試驗(yàn)結(jié)果看,均粒濾料的過(guò)濾周期明顯高于非均粒濾料的過(guò)濾周期。這主要是由于均粒濾料下層粒徑與上層濾料粒徑接近,有利于截留懸浮物繼續(xù)往下滲透,而非均粒濾料下層濾料粒徑相對(duì)較大,表面濾料粒徑較小,表層濾料截留后,下層濾料難以發(fā)揮作用。
3.2 粒徑與反沖洗關(guān)系
3.2.1 沖洗強(qiáng)度
沖洗的關(guān)鍵是將濾料懸浮起來(lái)。因此,沖洗強(qiáng)度應(yīng)以濾料中較大粒徑的較小流態(tài)化流速為依據(jù),才能保證濾層得到均勻沖洗。
只要底層濾料粒徑不加大,無(wú)論是按不超過(guò)常規(guī)濾料較大粒徑配成的均粒濾料(濾層平均粒徑相應(yīng)加大),還是按平均粒徑配成均粒濾料,濾料中較大粒徑全部小于或等于常規(guī)濾料較大粒徑。這種濾池沖洗時(shí),都不需要加大沖洗強(qiáng)度,可以按常規(guī)濾料濾池一樣來(lái)確定沖洗強(qiáng)度。
均粒濾料全部濾層中粒徑接近,不會(huì)發(fā)生為滿足粗粒徑濾料沖洗強(qiáng)度要求而造成細(xì)粒徑濾料沖出濾池;也不會(huì)發(fā)生為避免細(xì)粒徑濾料流失而減小沖洗強(qiáng)度,造成粗粒濾料不能完全流態(tài)化。
3.2.2 沖洗時(shí)間
均粒砂濾料濾池和平均粒徑加大不多的粗濾料濾池的沖洗時(shí)間均沒(méi)有特殊要求,與常規(guī)砂濾料濾池相比,僅沖洗時(shí)間由5-6min延長(zhǎng)到6-8min。沖洗后濾池池面水濁度與常規(guī)砂濾池接近。
3.3 孔隙率和截泥量
3.3.1 孔隙率
各地石英砂的孔隙率不完全相同,它與濾料顆粒排列狀況關(guān)系密切。均勻球狀顆粒,因排列不同孔隙率在0.260-0.476之間變化。孔隙率與顆粒球狀度關(guān)系也很大。實(shí)測(cè)的結(jié)果表明,對(duì)于同一廠家生產(chǎn)的濾料,均粒濾料與非均粒濾料孔隙率變化不是很大。我們采用的晉江石英砂濾料廠生產(chǎn)的石英砂,由福建省地方砂產(chǎn)建材檢驗(yàn)所檢驗(yàn),粒徑0.5-1.0mm,砂濾料孔隙率為0.421;均粒徑砂濾料孔隙率為0.436-0.438。
3.3.2 截泥量
均粒濾料濾池的雜質(zhì)能滲入砂層深處,雜質(zhì)分布趨于均勻,不象在非均粒濾料濾層那樣,只堵塞在濾床表面,因而均粒濾料在整個(gè)過(guò)濾周期中截泥量加大。對(duì)比實(shí)驗(yàn)的截泥量測(cè)定見(jiàn)表5,表中所列含泥量是砂層單位面積豎向含泥量的平均值。
表5 濾池截泥量
濾池號(hào) | 含泥量/g·L-1 |
2 | 8.53 |
3 | 5.16 |
4、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析
4.1 均粒濾料產(chǎn)水量增長(zhǎng)率
幾年生產(chǎn)實(shí)踐表明,采用均粒濾料可以提高濾池出水量,一般可提高濾池出水量15%以上,見(jiàn)表6。
表6均粒濾料產(chǎn)水量增加表
濾池號(hào) | 過(guò)濾周期/h | 平均濾速/(m·h-1) | 過(guò)濾周期總濾水量/(m3·m-2) | 沖洗時(shí)間/min | 沖洗水量/(m3·m-2) | 制水量/(m3·(m-2·h-1)) | 增長(zhǎng)率/% |
2 | 15 | 11.39 | 170.85 | 5.3 | 4.77 | 11.07 | 16 |
3 | 13 | 9.90 | 128.70 | 5.0 | 4.50 | 9.55 | |
2 | 25 | 11.89 | 297.25 | 7.0 | 7.02 | 11.61 | 18 |
3 | 21 | 9.82 | 206.22 | 6.1 | 5.01 | 9.58 | |
2 | 29 | 11.42 | 331.18 | 7.2 | 7.21 | 11.17 | 15 |
3 | 22 | 9.95 | 218.90 | 6.1 | 5.56 | 9.7 |
4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析
濾砂費(fèi)用大致由下列幾項(xiàng)構(gòu)成: 即濾料加工(篩砂)費(fèi)、包裝費(fèi)、產(chǎn)地短途運(yùn)費(fèi)、火車(chē)運(yùn)費(fèi)、凈水廠短途運(yùn)費(fèi)、濾池鋪砂費(fèi)用等。其中濾料廠加工篩砂費(fèi)用約為總費(fèi)用的20%,在濾料廠將石英砂加工為均粒濾料與加工為常規(guī)濾料加工費(fèi)(勞務(wù)支出)增加有限。若以全部費(fèi)用相比,兩種濾料支付費(fèi)用相差不足7%,水量則可增加15%。投入與產(chǎn)出相比,采用均粒濾料經(jīng)濟(jì)效益明顯。若條件許可,采用粗砂均粒濾料,其經(jīng)濟(jì)效益更為可觀。如果以濾池全部基本建設(shè)費(fèi)用為基數(shù),采用均粒濾料增加的費(fèi)用不足l%。而水量則是以兩位數(shù)的比例增加,經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。
5、結(jié)論
①濾料的有效粒徑d10是影響過(guò)濾的主要因素之一。均粒濾料的d10大于平均粒徑相同的非均粒濾料,因而濾池效率高。將常規(guī)砂濾料更換為平均粒徑相同的均粒石英砂濾料,濾水能力可增加15%以上。
②均粒石英砂濾料不需變動(dòng)濾池原有設(shè)備、沖洗方式、管理水平、技術(shù)水平和操作習(xí)慣等,因而較易推廣,投入與產(chǎn)出相比,經(jīng)濟(jì)效益明顯。
③如果條件允許,采用粗砂均粒濾料,d10增加,濾池效益將更顯著。