微絮凝——深床直接过滤工艺技术的影响因素研究

何华 李桂平  朱文芳
北京市自来水公司

　　一  前言

　　北京市自来水公司第九水厂是北京最大和主要的地面水厂，产水量约150万M³/日。其水源主要是京郊密云水库，水质良好，属低浊低色低温水库水。
　　采用常规水处理工艺处理这种低浊水，即使在加大投药量情况下，也很难处理。在处理过程中往往表现出：混凝反应非常缓慢，形成矾花基因型小、轻松、不易下沉，使反应沉淀效果较差。另一方面，在混凝过程中投加粘颗粒，尽管改善了反应沉淀效果，但使污泥量增加，增大了后续工艺的负荷。根据混凝沉淀理论，水中悬浮物和胶体杂质是水处理的主要对象，在混凝沉淀过程中，颗粒大的悬浮物一般容易沉淀，而颗粒细小的悬浮物和胶体杂质动在水中长期处于分散悬浮状态，具有“胶体稳定性”。
　　随着混凝、过滤理论及其工艺技术的研究发展，近年来微絮凝——深床直接过滤工艺技术在国外得到了迅速发展。微絮凝深床直接过滤是将混凝和过滤两个操作单元有机综合为一体的新型工艺技术，省略了絮凝沉淀、澄清过程。在该工艺过程中，微絮凝体可以穿过滤料层表面，进入滤层中间，在滤层中，水中微絮凝絮体供暖助长流在大的均质滤料间隙中产生的微涡旋以及絮体与滤料间的碰撞粘附作用而在滤层中逐渐增长并在被截留在滤床中，使较深层的滤料也能吸附、截留到微絮体。因此比一般过滤法增大了含污层的厚度，即增加了滤池的截污能力、提高了了处理效果。

　　二  试验装置的流程

　　微絮凝深床过滤试验装置及流程见图1。深床过滤试验系统的进水直接与水厂管路相连，絮凝剂通过电子计量泵精确投加，经机械混合池后直接进入滤柱。深床滤柱高500cm，内径20cm，承托层20cm。采用无烟煤滤料，有效粒径3.5mm、2.7mm,滤层高度为1～2.5m。滤层底部铺垫粒径8～16mm的卵石承托层。滤前混凝反应时间设定为1～2min。最大处理流量为1m3/hr，最大滤速为32m/hr。浊度采用在线浊度仪（HACH1720）实时检测。水头穿透标准为220cm，水质空透标准为浊度＜0.5NTU。水中颗粒分布状况由COULTER MULTISIZER Ⅱ测定。

　　三  试验结果及讨论

　　1、滤料粒度对过滤性能有影响
　　试验采用床深2.5m，有效粒径分别为3.5mm、2.7mm，滤料试验周期终止时，滤层内不同深度处水头损失值及所占水头损失百分比如表1。

　　从结果中可见，同种滤料滤层孔隙尺度以及孔隙率的大小随滤料粒度的加大而增大。即滤料粒度越粗，可容纳悬浮物的空间越大。其表现为过滤能力增强，纳污能力增加，截污量增大。同时，滤层孔隙越大，水中悬浮物越能被更深地输送至下一层，在有足够保护深度的条件下，悬浮物可以更多的被截留，使中下层滤层更好的发挥截留作用，滤池截污量增加。其结果过水水流阴减弱，水头损失增量将得以延缓，达到物定终止水头损失的过滤周期得以延长，产水量得以增加。
　　日本学者藤田贤二通过研究导出的公式清晰地表明了粒度、空隙度和水头损失之间的关系：

　　H=K·(LVμ/ρgψ²d² )·(（1-ε）^2/ε3)　　　　　　(1)

　　 式中：H——过滤水头损失；
　　　　　 K——系数；
　　　　　 V——滤速；
　　　　　 g——重力加速度；
　　　　　 d——滤料粒径；
　　　　　 μ——水动力粒度；
　　　　　 L——滤料层厚度；
　　　　　 ρ——水密度；
　　　　　 ψ——滤料球形度；
　　　　　 ε——小层空隙度。
　　虽然式（1）主要是定性地表示滤料物性与初始水头的关系，但已清楚地描述了滤料粒径大小、空隙度大小对滤料过程的影响。
　　然而随着滤料粒径的加大，虽然能更多地发挥下层滤料的截留作用，但同时也对空透深度带来影响，即在其他条件等同时，粒径越粗，空透深度也越大。
　　斯坦雷（Stanley）则用式（2）表述滤粒粒径与空透深度的关系：

　　K= hd^2.46u^1.56／l　　　　　　　　　　　　(2)

　　式中：K——常数；
　　　　　d——有效粒径；
　　　　　u——滤速；
　　　　　h——水头损失；
　　　　　l——穿透深度。

　　式（2）表明，穿透深度与滤料粒径2.4次方成正比。
　　2.L/d值对过滤性能的影响
　　选用优良的颗粒级配与适宜的滤层厚度是保证过滤效果的关键。从技术角度讲，L/d值越大越好。而综合经济因素，工程中应以最小的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。
　　试验中采用有效粒径为2.7mm的无烟煤滤料，在2.5m和2m床深条件下，测定滤速在16m/hr和24/hr下的运行情况结果见表2，过 滤性能根据过滤性能评指指标JP值进行综合分析，JP值由公式（3）确定：

　　 JP=H_tLC_e ／(V²T²（C_o-C_e))

　　其中：V——滤速（m/hr），滤速大，则滤池面积减少，节省占地，因而过滤性能好；
　　　　　T——过滤时间（hr），连续过滤时间长，则周期产水量大，反冲洗次数少，节约自用水量，过滤性能优良；
　　　　　C_e——出水浊度（NTU），出水浊度小，水质优良，过滤性能好；
　　　　　C_o——进水浊度（NTU），进水浊度大，说明滤池能接受的负荷高，过滤性能好；
　　　　　H_t——过滤终期的水头损失（m），过滤终期的水头损失小，则能量消耗低，过滤性能好；
　　　　　L ——滤层厚度（m），所需要的滤层厚度薄，则滤池高程小，投资成本小，过滤性能好；
　　　　　JP——为无量纲纯数，此指标越小，过滤性能好；

　　从表2中可以看出，两种床深情况下过滤均能达到较好的出水水质（＜0.5NTU）。床深2.5m时，16m/hr滤速的运行周期可达90小时以上，24m/hr滤速的运行周期为50～60小时。但此时水头周期明显短于水质周期，因此可以考虑降低床深至2米。采用2米床深的运行结果表明：其过滤效果能满足要求，水头周期与水质周期较为接近，说明充分发挥了滤床的过滤能力。另外，从过滤性能评价指标JP值可知，2m床深的运行效果与2.5m床深相近，此时滤床参数L/D=741，略小于经验值800-1000，但对于低浊水这种床深是安全的。
　　3、均质滤层反冲洗
　　均质滤料对反冲洗有利的一点是不会发生冲洗强度较高时将小粒径滤料冲出滤池，造成滤料损失。也不会发生为避免小粒径滤料流失而减小冲洗强度导致粗粒径滤料不能完全流态化。然而均质大粒径滤料虽有利于截留悬浮物，滤层中污染物分布较均，但同时也带来了反冲洗的难度。在滤床深度较大时，反冲洗问题尤为突出。在此，我们采用气水联合反冲洗方式，分为三步骤：单气冲洗、气水混合冲洗、单水漂洗。
　　在滤池充水并在滤床层面上保持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摩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，气水联合反冲是能否使滤层洁净的关键。单独气冲脱落的污泥在此阶段因气冲保持滤层流态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，同时进一步冲洗滤层中剩余的脱落的污泥，使滤层达到较彻底的净化。最后的水冲应遵循两条原则，一是不使均质滤层状态受到破坏，二是按冲洗要求能够使滤层中剩余的脱落污泥有效地去除。
　　根据经验，在实验中固定气冲时间为23min，气水联合冲洗时间为2min，改变气冲强度与水冲强度，并记录自气水联合冲洗开始后，各不同时间段的反冲洗出水浊方式。结果见表3。

　　由于气反冲的作用是把滤料表面的一次污染物剥脱液化于水中，故气冲强度越大，冲洗时间越长，则滤料表面含泥量越小。水冲洗的作用是排队缝隙中的二次污泥和因气冲而脱落下来的一次污泥。只有以上两个参数均满足要求，方可完成气水反冲洗。
　　从实验结果可以看出：实验1，气冲洗流速较大，水冲洗流速较小，这时滤料表面的含泥量很快达到要求，但滤池反冲洗浊度达到规定的时间较长，当反冲完成时，气体的作用未充分发挥，浪费一部分气体能量。相反，实验5，水冲洗流速较大，气冲洗流速较小，则滤层含泥量达到规定所需的时间较长，而滤池的排水浊度很快达到控制要求，这时，反冲洗水的输泥能力未充分发挥。
　　4、投药量对水中颗粒物粒径分布的影响
　　图2是在相同水力条件下，不同投药量（0.3,0.4,0.5,0.6,0.8mg/LAI₂O₃)对应的各粒度体积百分含量积分图。由图可知，随着投药量的增加，水中大颗粒比例逐渐增加，小颗粒比例降低。但当投药量超过0.5mg/l时（实际运行试验表明该投药量为该条件下的最佳投药量），小颗粒（＜2um）的比例也有所增加，这可从混凝原理中投药过量引起的再稳现象加以解释，出现这种情况，会导致水中颗粒难以去除，这也与实际运行结果吻合，实际结果见表4，即投药量超过最佳投药量反而会引起出水水质变坏。同时投药量超过最佳投药量时，水中颗粒总何种也由减少超势转为增大趋势，这必然导致泥量增加而加重后续工艺中滤床负荷。实际运行试验表明，当投药量偏大时，不仅会使水头增长过快，还会加快水质穿透时间。

　　同时，从不同原水浊度对应的最佳投药量情况（表5）分析可见，原水浊度变化对应不同的投药量数值大小，会直接影响到水质达标所需时间（即初滤水）、水头滤程、水质滤程。

　　综上所述，微絮凝——深床过滤工艺对加药量的选择非常严格，最佳投药量应在保证水中颗粒总体积最小情况下，适当增大大颗粒所占比例，减少小颗粒比例，这样才能水头周期和水质周期均达到最佳。当然，过大的絮体颗粒会使絮体截流在滤床上层，从而不能充分发挥深床的作用。
　　5、不同絮凝剂对颗粒物粒度分布的影响
　　图3是相同投药量和相同水力参数条件下，不同絮凝剂经混合后的粒度分布百分比积分图。采用的六种絮凝剂分别为：
  　　1#PAC（青岛AI²O³=15.7%，B=46.3）
  　　2#PAC（北京AI²O³=9.8%，=86.5)
  　　3#硫酸铝（固体AI²O³ =10.6%)
  　　4#FeCl₃,(Fe³⁺=2.18mol/L)
  　　5#PFC(Fe³⁺=2.18mol/L  B=0.31)
  6#PFC(Fe³⁺=2.5mol/L  B=0.67)

　　由图3可知，六种絮凝剂的加入均有一定程度的絮凝作用，在水中产生微絮体，使水中颗粒物中大颗粒所占比例增加，而小颗粒比例减少。但相互之间作用效果不同：其中3#硫酸铝，其使源水小颗粒减少的程度最小，这正是因为硫酸铝脱稳能力差，产生絮体缓慢等特性所决定的。5#和6#两种PFC作用效果较为一致，两者减少小颗粒比例，增大颗粒比便的效果最为明显，这是因为PFC脱稳迅速，形成絮体也较快等特性造成的。PAC和F_eCl₃效果介于硫酸铝和PFC。直接过滤对于水中颗粒径分布和形成的絮体表面特性都比较敏感，结合实际运行结果分析，可以认为：采用脱稳能力强，形成絮体迅速，絮体小而密实的絮凝剂最适合直接过滤。

　　四 结论

　　微絮凝深床直接过滤工艺是一种处理低浊度水极佳的工艺，它省去了传统工艺中的反应池、沉淀池，节省了投资费用；另外，它降低了药耗，节省了药剂费用；同时，延长过滤周期，减少冲洗次数，增加周期产水率。但是，这种工艺对药剂、药量的变化极敏感，操作方面需严格管理。

  参考文献

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