摘要：結(jié)合國外先進(jìn)的連續(xù)過濾技術(shù)，針對原有的傳統(tǒng)過濾器進(jìn)行設(shè)備改造，過濾過程改為“上向流過濾”，濾料清洗技術(shù)采用“氣提洗砂”技術(shù)。與改造前相比，該濾塔結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)和檢修方便，工藝處理效率增加50％ ，效果穩(wěn)定，運(yùn)行成本降低50％ 。在相關(guān)的濾料過濾器系統(tǒng)中，連續(xù)動態(tài)過濾器改造技術(shù)符合我國水處理過濾行業(yè)現(xiàn)狀，并充分利用原有設(shè)備和設(shè)施，通過最小投資獲得新技術(shù)革新，使過濾工藝簡單化，更適用于小型再生水回用系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 污水處理；中水回用；過濾；連續(xù)動態(tài)過濾器
中圖分類號：X505 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001—6929(2005)05—0056—03
河北省某發(fā)電有限責(zé)任公司污水站自2003年10月投產(chǎn)以來，出水水質(zhì)穩(wěn)定，能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但是平流濾塔設(shè)計(jì)存在著不足，濾料反沖洗效率低，導(dǎo)致反沖洗用水量增加，反沖洗周期從設(shè)計(jì)的2 d縮短到1 d，增加了運(yùn)行和管理成本。調(diào)查表明，挪威Nordic Water公司在全球已經(jīng)安裝了15 000多臺動態(tài)砂濾(Dynasand)塔，其中在沙特阿拉伯的大型再生水回用工程中，安裝了216臺動態(tài)砂濾塔。其他國家，如日本、澳大利亞等，也相繼有類似產(chǎn)品應(yīng)用于污水處理。這次技術(shù)改造，是在國外動態(tài)過濾器技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)研究對該技術(shù)進(jìn)行了消化吸收，采用“連續(xù)動態(tài)過濾”技術(shù)對該污水處理站1號，2號平流濾塔進(jìn)行改造，并達(dá)到了預(yù)期的效果。
l 平流濾塔改造原因
污水站采用的過濾裝置為普通平流濾塔(高4 m，直徑2．3 In)，改造前濾塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。該濾塔采用雙層濾料，上層為石英砂，下層為水淬渣，反沖洗方式采用大阻力配水系統(tǒng)氣水聯(lián)合反沖洗。平流濾塔存在的問題：①反沖洗采用大阻力配水系統(tǒng)，每天反沖洗15n1in，消耗大量水資源和電能；② 在傳統(tǒng)的常壓反沖洗系統(tǒng)中，存在著反沖洗不徹底、濾料需要定期更換的問題。
2 連續(xù)動態(tài)過濾技術(shù)
2．1 技術(shù)簡介
“連續(xù)過濾”(continuous sand filter)是近年來國外研制成功的一種新型過濾技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，各國公司分別開發(fā)了新型的一體化水處理過濾設(shè)備。挪威Nordic Water公司的Dynasand，在過濾器中完成混合、混凝、過濾和反沖洗，連續(xù)過濾、連續(xù)反沖洗，無需反沖洗泵和反沖洗水箱，是一種高效節(jié)能的水處理設(shè)備。
“連續(xù)動態(tài)過濾技術(shù)”是在“連續(xù)過濾”技術(shù)的基礎(chǔ)上，自行開發(fā)、設(shè)計(jì)和加工的新型過濾裝置，采用沸石濾料，粒徑為0．5～1．5 mm，孔隙率為20％ ～30％。天然沸石作為濾料不會增加水中有害金屬離子濃度，將其作為濾料應(yīng)用于連續(xù)動態(tài)過濾器中，可顯著增強(qiáng)過濾單元去除懸浮物及氨氮的能力。連續(xù)動態(tài)過濾器的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。
過濾過程：經(jīng)生化處理或投加混凝劑后的原水，由進(jìn)水管進(jìn)入均勻旋流布水器，均勻旋流布水器對水流起消能作用，使水流平穩(wěn)地進(jìn)入濾層，均勻旋流布水器下端的布水板起到均勻布水的作用。原水中的懸浮物等污染物在自下而上通過濾層的過程中，被濾料截流下來，過濾水上升到砂水分離器頂部的出水溢流堰，水流平穩(wěn)地進(jìn)入溢流堰，經(jīng)出清水管流出過濾器，過濾方式為上向流過濾，整個過濾過程平穩(wěn)安全。
反沖洗過程：在砂濾器的中心設(shè)置空氣提砂管，空氣提砂管直插過濾器底部，在氣升泵人口將壓縮空氣通入時，在砂濾器底部形成負(fù)壓，通過氣提作用帶動砂濾器底部的臟砂一同上升，底部的臟砂從空氣提砂管底部提升到砂水分離器，砂粒隨水流進(jìn)入一體式砂水分離器。砂粒在反洗提升過程中，一直受到氣體的攪動、砂粒之間的摩擦和水流的剪切力，使砂粒同污染物分離，在過濾出水與反沖洗出水水位差的作用下，提砂管內(nèi)氣提水混合洗砂器內(nèi)的沖洗水一同從排污管排出濾池。在重力的作用下，洗凈的濾料經(jīng)導(dǎo)流砂斗回到濾層，在濾池內(nèi)部完成濾料循環(huán)清洗過程。
2．2 過濾原理
連續(xù)動態(tài)過濾器以微絮凝過濾技術(shù)為理論基礎(chǔ)，是微絮凝過濾技術(shù)與氣固液流態(tài)化工程反洗技術(shù)的綜合應(yīng)用。過濾原理屬于上向流過濾。
一般認(rèn)為，過濾原理包括機(jī)械攔截、沉淀及吸附等作用。過濾初始時，濾料孔隙較絕大部分待濾雜質(zhì)尺寸大，故其對懸浮雜質(zhì)的截留以吸附作用為主。隨著過濾的進(jìn)行，濾料顆粒表面逐漸為截留雜質(zhì)顆粒所占據(jù)，使孔隙尺寸變小而機(jī)械攔截作用加大。由于該設(shè)備采用孔隙尺寸較大(濾料粒徑為0．5～1．5 rain)的粗濾料過濾，在過濾初期，幾乎沒有機(jī)械篩濾作用，起主要作用的是吸附。在濾速(8 m／h)較低的條件下，濾料對大部分雜質(zhì)顆粒，尤其是較小顆粒的機(jī)械攔截作用不明顯，吸附作用機(jī)理在上向流過濾中起主導(dǎo)作用。從水力學(xué)方面來看，在連續(xù)過濾時，砂濾料孔隙內(nèi)水流呈層流狀態(tài)，它產(chǎn)生的速度梯度使微絮凝體不斷旋轉(zhuǎn)，當(dāng)其脫離自己的流線時，與砂粒接觸，就會產(chǎn)生足夠的吸引力被濾料吸附而從水中分離。
從膠體化學(xué)方面看，投加混凝劑后，混凝劑提供的大量正離子將擴(kuò)散進(jìn)入膠體擴(kuò)散層甚至吸附層，r電位降低，為加強(qiáng)顆粒問的范德華力創(chuàng)造了條件。動態(tài)連續(xù)過濾器以接觸絮凝作用為主，以機(jī)械篩濾及沉淀作用為輔。通過對 電位的測定證實(shí)：連續(xù)過濾的原理是以表面能和范德華力為主的接觸絮凝作用，改變微絮凝體 電位為附著創(chuàng)造了條件。故連續(xù)過濾屬于微絮凝深層過濾范疇。雖然在過濾后期有向表面過濾轉(zhuǎn)變的趨勢，但這不是主要的。附著力主要產(chǎn)生于絮體與濾料表面，以及和先附著的絮凝體相接觸。因此，濾料或其沉積物與過濾微絮體問的吸附架橋是連續(xù)過濾附著的主要原理。
目前普通過濾器一般采用下向流過濾方式，因反沖洗后造成濾料粒徑自上至下逐漸增大的濾層結(jié)構(gòu)，上層的小粒度濾料起著主要截污作用，而下層的濾料很少參與過濾，因此是不合理的。為了改善水質(zhì)并充分發(fā)揮整個濾層的截污作用，待濾水應(yīng)該是先粗后細(xì)的過濾方式，即所謂的“反粒徑過濾”。
作為“反粒徑過濾”理論的應(yīng)用，單一濾料的上向流過濾與傳統(tǒng)的下向流式過濾相比，具有提高濾料截污量、延長過濾周期的潛力。“連續(xù)動態(tài)過濾”為單一濾料上向流過濾的具體應(yīng)用，具有上述優(yōu)點(diǎn)。
2．3 反沖洗原理
普通過濾器一般常用的反沖洗系統(tǒng)有3種：直接用沖洗水泵、水泵加上水缶及自動沖洗。不論采用哪種反沖洗系統(tǒng)，都需要采用大流量反沖洗水泵和氣泵，需要有清水池或水箱。連續(xù)動態(tài)過濾器的反沖洗系統(tǒng)不需要外加管道和水池，利用流態(tài)化工程原理，將濾料提升至設(shè)備中自行清洗。清洗過程中使用的反沖洗水，一部分為進(jìn)水，另一部分為過濾后水。
在空氣提升管內(nèi)，砂、泥、水流、空氣在向上流動的過程中，發(fā)生了短期但強(qiáng)烈的反沖洗過程，其間的沖洗原理仍是利用水流及空氣流的剪力以及顆粒間的摩擦力。但在空氣提砂管內(nèi)的濾料清洗主要是碰撞和摩擦作用，水流剪力作用是次要的。盡管在空氣提升管內(nèi)發(fā)生了強(qiáng)烈的反沖洗過程，但是由于時間較短，反沖洗并不徹底，需要二次清洗。沖洗并不徹底的砂粒隨水流進(jìn)入一體化砂水分離器，雜質(zhì)與砂粒在分離器內(nèi)徹底分離。在分離器內(nèi)，由于顆粒并非規(guī)則的圓形，運(yùn)動時其兩側(cè)的剪力并不相等，導(dǎo)致顆粒的翻動并與洗砂器相碰撞，此時顆粒在洗砂器內(nèi)以錯開的環(huán)行軌跡向下運(yùn)動。由于分離器中的清水出水堰和反洗水水位差(△^)的存在，分離器的內(nèi)環(huán)反洗水水流向上流動，對顆粒就產(chǎn)生了剪力，同時由于顆粒與器壁碰撞產(chǎn)生的振動及顆粒間的摩擦力，使泥砂分離，脫落的污物隨上升水流排出。在洗砂器內(nèi)進(jìn)行的二次清洗過程，由于分離器內(nèi)流體斷面不斷變化，水體的流速變化很大，可以認(rèn)為在洗砂器內(nèi)造成絮凝體與濾料分離的作用力以水流剪力為主。
與國外“連續(xù)過濾”技術(shù)不同的是，“連續(xù)動態(tài)過濾”在設(shè)計(jì)上采用了一體化分離器結(jié)構(gòu)，清水出水管和反沖洗排污管都安裝在一體化分離器上，連續(xù)過濾器的關(guān)鍵參數(shù)，如水位差(△ 和各流量(Q )，都體現(xiàn)在一體化分離器的設(shè)計(jì)上。
這種一體化分離器的設(shè)計(jì)，可方便地調(diào)節(jié)反沖洗的參數(shù)，如反沖洗水量和砂循環(huán)量，大幅提高了“連續(xù)過濾”運(yùn)行的靈活性，檢修維護(hù)方便(見圖3)。
3 改造前后技術(shù)比較
3．1 處理能力
由于改造后的連續(xù)動態(tài)過濾器為上向流過濾，而上向流過濾為“反粒徑過濾”，與傳統(tǒng)的下向流過濾相比，具有提高濾料截污量、延長過濾周期的潛力。因此，改造后的連續(xù)動態(tài)過濾器處理能力得到增強(qiáng)，能夠適應(yīng)更大的進(jìn)水流量。
3．2 處理效果
改造后過濾器和未改造過濾器運(yùn)行30 d的出水濁度數(shù)據(jù)見圖4。
由圖4可看出，改造后的連續(xù)動態(tài)過濾器的出水水質(zhì)更加穩(wěn)定、，處理效果更佳。這主要是由于下向流過濾與上向流過濾截污機(jī)理的差別，上向流過濾在滿足出水水質(zhì)，防止絮體穿透的前提下，通過延緩水頭損失增長速度來達(dá)到延長過濾周期的目的，并充分發(fā)揮下層濾料的截污作用，因此上向流過濾比下向流過濾結(jié)構(gòu)更合理。
3．3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
由表1可見，改造后的連續(xù)動態(tài)過濾器與改造前的普通過濾器相比，其裝機(jī)容量大幅降低，折合到24 h進(jìn)行比較，其運(yùn)行功率減少了50％，反沖洗自控裝置簡化。因此連續(xù)動態(tài)過濾器的設(shè)備成本和運(yùn)行成本均優(yōu)于普通過濾器，而且操作簡單，運(yùn)行安全。
4 結(jié)論
現(xiàn)場的實(shí)踐表明，將傳統(tǒng)過濾器改造為連續(xù)動態(tài)過濾器是經(jīng)濟(jì)可行的。改造后連續(xù)動態(tài)過濾器的處理能力比改造前增加了50％ ，處理效果更佳并且穩(wěn)定；改造后的設(shè)備結(jié)構(gòu)比改造前簡化了，節(jié)省了反沖洗水泵和氣泵，運(yùn)行成本降低50％(折合到24 h的比較結(jié)果)。連續(xù)動態(tài)過濾器采用上向流過濾原理和氣提洗砂技術(shù)，過濾效率和反洗砂效率均比傳統(tǒng)過濾器有大幅提高，而且結(jié)構(gòu)簡化，運(yùn)行安全，維護(hù)和檢修容易。在相關(guān)的濾料過濾器系統(tǒng)中，連續(xù)動態(tài)過濾器的改造技術(shù)符合我國水處理過濾行業(yè)現(xiàn)狀，達(dá)到了充分利用原有設(shè)備和設(shè)施，通過最小投資獲得新技術(shù)的革新效果。
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