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常見問題

無煙煤單層濾料的應(yīng)用

時間:2020/08/15點(diǎn)擊:

提要:介紹了在不同條件下無煙煤單層濾料除鐵、除錳、除濁的試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐,并與錳砂除鐵、除錳、無煙煤-石英砂雙層濾料處理進(jìn)行了對比試驗(yàn)。結(jié)果表明無煙煤單層濾料的除鐵、除錳、除濁效果均較好,且其含污能力強(qiáng),密度較小,可節(jié)省反沖洗水量及電能。

前言

給水工程中,濾池的優(yōu)化設(shè)計(jì)是以濾池運(yùn)行處于較佳工作條件為原則。為此可調(diào)整各種工藝參數(shù),使濾池的壓力周期等于它的水質(zhì)周期。以調(diào)整濾層厚度為例,增加濾層厚度會提高整個濾層的含污能力,延長水質(zhì)周期。但濾層水頭損失也相應(yīng)增加,從而縮短了壓力周期。如果通過試驗(yàn)做出水質(zhì)周期和壓力周期與濾層厚度的關(guān)系曲線(見圖1),則兩條曲線相交點(diǎn)便是濾池較佳工作條件,對應(yīng)的濾層厚度就是較佳濾層厚度。實(shí)踐中,常增加一定的厚度,避免出現(xiàn)水質(zhì)周期小于壓力周期的現(xiàn)象。

無煙煤單層濾料的應(yīng)用

然而,由于濾池構(gòu)造所限,濾層厚度增加也是有限的。實(shí)際情況要復(fù)雜得多,許多因素都影響著濾池的工作條件。所以,增加濾層厚度是否能保證整個濾層含污能力被充分利用,還要做具體分析。

1、石英砂單層濾料除鐵濾柱[Fe]軸向分布

我院曾采用石英砂單層濾料做除鐵試驗(yàn),濾柱采用D=100mm透明有機(jī)玻璃管,石英砂濾料d=0.6-1.2mm,濾層厚度1000-1500mm,濾速8m/h,反沖洗強(qiáng)度12-14L/(s·m2)。原水含鐵量10-12mg/L,濾后水含鐵量<0.3mg/L。測定濾柱鐵離子濃度沿軸向分布并繪制曲線,見圖2。由圖2可知,鐵離子主要是在上層約300mm范圍內(nèi)被去除的,相應(yīng)工作周期只有8h。

無煙煤單層濾料的應(yīng)用

可見,大部分濾層含污能力未被充分利用。試驗(yàn)中觀察:每次反沖洗結(jié)束,回落到濾層較上部的是細(xì)小的顆粒和破碎的鐵質(zhì)氧化物,厚度約80-150mm,其比表面積大、孔隙率小、附著物鏡檢微生物十分活躍,具有較強(qiáng)的吸附氧化能力,致使大部分鐵質(zhì)在此層被去除。但濾層也因此很快被堵塞,到達(dá)期終水頭損失值,迫使周期結(jié)束,不得不進(jìn)行反沖洗。

據(jù)調(diào)查,在利用石英砂單層濾料進(jìn)行地面水除濁時也有類似情況?梢姡跒V層厚度確定以后,如何使整個濾層含污能力充分發(fā)揮作用至關(guān)重要。無煙煤-石英砂雙層濾料濾池因其顯而易見的優(yōu)點(diǎn)—含污能力強(qiáng),而廣泛地應(yīng)用于給水處理工藝中,F(xiàn)今甚至研制三層濾料濾池,以期更大程度地利用整個濾層的含污能力。這是石英砂單層濾料所無法比擬的。

但是,有利必有弊,雙層濾料、三層濾料濾池也有其不足之處:

(1)濾層構(gòu)造復(fù)雜。

(2)對各層濾料篩分要求準(zhǔn)確,操作麻煩,如級配不當(dāng),投產(chǎn)后常有煤砂混雜現(xiàn)象發(fā)生。

(3)施工中,對墊層、各層濾料裝填要求嚴(yán)格,操作也麻煩。使用中,濾層一旦翻混或定期更換濾料更是令人頭疼。

(4)運(yùn)行中要求更高的管理水平。如管理不當(dāng),反沖洗強(qiáng)度控制不好,會產(chǎn)生無煙煤嚴(yán)重流失現(xiàn)象。要經(jīng)常補(bǔ)充新的濾料。

為此,人們又進(jìn)行了新的探索和大膽的實(shí)踐,以期尋求一種新的濾料,它既具有單層石英砂濾料和煤-砂雙層濾料的優(yōu)點(diǎn),又避免了它們的不足,無煙煤單層濾料就是其中之一。

2、無煙煤單層濾料用于地下水除錳的試驗(yàn)研究

采用各種濾料進(jìn)行地下水除鐵除錳試驗(yàn)研究,以便為修訂編制《城市給水設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)章節(jié)提供科學(xué)依據(jù)。

2.1 原水(深井)水質(zhì)

[Mn2+]=9.3mg/L,[Fe]總=14mg/L,pH=6.5。

2.2 處理工藝流程

原水→表曝池→除鐵濾柱→除錳濾柱→出水

2.3 工藝參數(shù)

采用表面曝氣池,平板葉輪。

除鐵濾柱共5個,分別裝填濾料:馬山錳砂(2個)、石英砂、錦西錳砂和無煙煤-石英砂雙層濾料。濾層厚度1000mm。

除錳濾柱共8個,分別裝填濾料:馬山錳砂、樂平錳砂、湘潭錳砂、錦西錳砂、無煙煤(6#濾柱)、石英砂和石灰石等。濾層厚度1500mm左右。濾料粒徑,無煙煤d=1.5-2.0mm,其余d=0.6-1.4mm。濾速7.5m/h,反沖洗強(qiáng)度:無煙煤、石英砂、石灰石為12-14L/(s·m2),錳砂為16-18L/(s·m2)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

(1)曝氣效果良好,曝氣后溶解氧飽和度達(dá)60%-70%,CO2散除率達(dá)76%-87%,H2S散除率達(dá)76%-79%,pH由6.4-6.6提高到7.4-7.6。

(2)一次過濾除鐵效果良好,出水總鐵一直穩(wěn)定在0.1mg/L以下。工作周期一般為24h,但無煙煤-石英砂雙層濾料柱工作周期長達(dá)48h,較其他濾料工作周期延長了一倍。

(3)二級過濾,各種濾料均需經(jīng)歷一個成熟期,成熟期長短隨濾料不同而異。樂平錳砂36d,馬山錳砂51d,無煙煤為71d,石英砂和錦西錳砂為96d,成熟后的各種濾料均能穩(wěn)定地將[Mn2+]降至0.1mg/L以下。這表明,在試驗(yàn)水質(zhì)條件下,各種濾料在成熟后均起著錳質(zhì)活性濾膜載體的作用。試驗(yàn)中觀察到,無煙煤的工作周期長達(dá)6-8d,而其他濾料的工作周期只有4-6d。而且無煙煤的工作周期還可延長(水頭損失增長較慢),試驗(yàn)中怕濾層板結(jié),影響試驗(yàn),故人為地提前結(jié)束過濾周期。

試驗(yàn)結(jié)果表明,無煙煤單層濾料作為除錳濾料具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)成熟期較短,成熟后除錳效果良好。

(2)粒徑大d=1.5-2.0mm,孔隙率大,含污能力強(qiáng)。

(3)工作周期長達(dá)6-8d,表明整個濾層含污能力得到充分利用。

(4)無煙煤密度小,只需較小的反沖洗強(qiáng)度,節(jié)約反沖洗水量。

(5)易于篩分、易于裝填、易于管理。

3、無煙煤單層濾料用于地下水除鐵的生產(chǎn)實(shí)踐

以佳木斯市自來水公司的一座地下水除鐵除錳水廠(西郊水廠)為例。

3.1 原水水質(zhì)

[Mn2+]=0.4-1.0mg/L,[Fe]<10mg/L,pH=6.7。

3.2 處理能力

處理能力為8萬m3/d。

3.3 處理工藝流程

原水→跌水曝氣池→除鐵濾池→曝氣塔→除錳濾池→出水

3.4 生產(chǎn)性試驗(yàn)

為了選擇濾料,1984年佳木斯自來水公司在該市四水廠進(jìn)行了以無煙煤為濾料的除鐵試驗(yàn)。濾池面積12.5m2,無煙煤濾料d=0.6-2.0mm,濾層厚度為1000mm,濾速7-10m/h,工作周期人為地控制在48h。試驗(yàn)運(yùn)行一個月,濾后水[Fe]一直穩(wěn)定在0.3mg/L以下,效果良好。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 佳木斯自來水公司試驗(yàn)結(jié)果

平均濾速/m/h 原水[Fe]/mg/L 濾后水[Fe]/mg/L 反沖強(qiáng)度/L(s·m2 工作周期/h
11 12-14 0.3 12 36
10 12-14 0.2 12 40
9 12-14 <0.2 12 48
8 12-14 <0.1 12 >50
7 12-14 0.05 12 >50

試驗(yàn)期間,還與同期安裝的成熟錳砂濾料濾池進(jìn)行了各種濾速的穩(wěn)定工作時間的對比測試,結(jié)果見圖3。由圖3可知,在相同濾速條件下,無煙煤濾料的穩(wěn)定工作時間長于錳砂濾料,如濾速為10m/h時,無煙煤濾料的穩(wěn)定工作時間為30h,而錳砂濾料只有20h。

無煙煤單層濾料的應(yīng)用

4、無煙煤單層濾料用于地面水除濁的生產(chǎn)實(shí)踐

美國洛杉磯水廠處理水量227萬m3/d,是美國同類水廠中較大、較先進(jìn)的設(shè)施之一。原水從內(nèi)華達(dá)西拉山區(qū)經(jīng)544km長距離輸水管道引至洛杉磯。處理工藝流程見圖4。由圖4可知,LAAFP是一個直接過濾水廠。

無煙煤單層濾料的應(yīng)用

LAAFP原水水質(zhì)和出水水質(zhì)見表2。由表2可知,原水水質(zhì)較好,該水廠設(shè)計(jì)是以原水較高濁度15NTU為目標(biāo)的。為了精心設(shè)計(jì)這個水廠,洛杉磯市水電局進(jìn)行了大量的調(diào)查研究和生產(chǎn)測試,其中包括小試、中試和生產(chǎn)性試驗(yàn),為選擇處理工藝流程和工藝參數(shù),確定預(yù)氧化藥劑和混凝劑、助凝劑品種,選擇構(gòu)筑物型式和濾料等做了大量工作。但在此過程中原水濁度很少達(dá)到15NTU,常年原水濁度均在4NTU以下,出水濁度穩(wěn)定在0.1NTU以下,處理效果良好。

表2 LAAFP原水水質(zhì)和出水水質(zhì)

參數(shù) 進(jìn)水平均值 出水平均值
濁度/NTU 2.6 0.1
水溶礦物質(zhì)(TDS)/mg/L 100 100
溫度/℃ 5-27  
pH值 8.2 7.8
三鹵甲烷較大可能形成值(THMFP)/μ/g/L 90 60
總有機(jī)碳(TOC)/mg/L 1.5 1.1
溶解氧/mg/L 9.3 9.3
色度/度 4 1
總硬度/mg/L(以碳酸鈣計(jì)) 68 68
鈣/mg/L 21 21
鎂/mg/L 4.2 4.2
鈉/mg/L 29 29
鉀/mg/L 8.0 8.0
堿度/mg/L(以碳酸鈣計(jì)) 94 94
硫酸鹽/mg/L 20 20
氯化物/mg/L 13 16
硝酸鹽/mg/L 0.44 0.44
二氧化硅/mg/L 16 16
鐵/mg/L 0.01 0.01
硼/mg/L 0.42 0.42
氟化物/mg/L 0.56 0.56

在選擇濾料試驗(yàn)中,曾做過無煙煤單層濾料與無煙煤-石英砂雙層濾料處理效果的對比試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)兩者的出水水質(zhì)和過濾周期基本相同,但雙層濾料總是首先發(fā)生濁度穿透,而且要求較高的反沖洗強(qiáng)度。因而在生產(chǎn)設(shè)備中將粗無煙煤單層濾料選為較佳濾料。

該廠有普通快濾池24格,單池面積131m2,粗無煙煤濾料有效粒徑為1.5mm,不均勻系數(shù)1.5,濾層厚度1830mm,濾速33m/h。氣水反沖洗,較大氣洗強(qiáng)度和較大水洗強(qiáng)度均為73m3/(h·m2)(約為20L/(s·m2))。

LAAFP自1987年4月投產(chǎn)以來,運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定,處理效果良好,水廠管理水平很高。該水廠供水量占全洛杉磯市用水量的75%。是一個采用無煙煤單層濾料,直接過濾成功的典型。此外,該廠采用臭氧預(yù)氧化除嗅、除味、降低三鹵甲烷基質(zhì)(母體)也積累了不少值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

5、對無煙煤濾料的評價

無煙煤濾料一般由塊狀無煙煤破碎篩分而得,其性質(zhì)因產(chǎn)地不同而各異。無煙煤與石英砂、錳砂主要特性對比見表3。

表3 無煙煤與石英砂、錳砂主要特性對比

濾料品種 密度/kg/m3 堆積密度/kg/m3 孔隙率/%
無煙煤 1400-1900 700-1000 50-55
石英砂 2600-2650 1600 41
馬山錳砂 3600 1800 50
湘潭錳砂 3400 1700 50
錦西錳砂 3200 1600 50

根據(jù)試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐,將無煙煤單層濾料的優(yōu)點(diǎn)歸納如下:

(1)無煙煤濾料機(jī)械強(qiáng)度高,有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。表面粗糙,有良好的吸附能力。試驗(yàn)研究及生產(chǎn)實(shí)踐表明,其除鐵、除錳、除濁的效果均較好。

(2)無煙煤濾料顆粒較粗(d=0.8-1.8 mm),孔隙率大(>50%),有較高的含污能力。

(3)無煙煤密度較小。由于濾料市售產(chǎn)品均以單重(噸)計(jì),所以無煙煤單位體積價格較石英砂、錳砂為低。亦因質(zhì)輕,所需反沖洗強(qiáng)度較低,一般為12-14L/(s·m2)。且易于清洗,反沖洗時間較短,一般為4-6min。因此可節(jié)省大量反沖洗水量及電能。

(4)由于濾層含污能力強(qiáng),并能獲得充分利用,可大大延長工作周期,不僅工作穩(wěn)定,同時也是節(jié)省反沖洗水量的另一個原因。

(5)管理簡單方便,在施工中濾料篩分、裝填均較方便,大大縮短了工期,減輕了施工人員的勞動強(qiáng)度。