無煙煤均質(zhì)濾層過濾技術(shù)試驗及工程應用

無煙煤均質(zhì)濾層過濾技術(shù)試驗研究及工程應用

摘要：本文介紹了無煙煤均質(zhì)濾層過濾技術(shù)試驗研究內(nèi)容和結(jié)果；簡略闡述了濾速與產(chǎn)水量的關(guān)系、濾料粒度對過濾效能的影響、L/d值的重要性以及為保證濾層均質(zhì)狀態(tài)的氣水反沖洗過程；文章還介紹了北京市第九水廠二期無煙煤均質(zhì)濾層濾池的主要設計參數(shù)和生產(chǎn)運行測定結(jié)果。

關(guān)鍵字：無煙煤均質(zhì)濾層過濾效能自從快濾池取代慢濾池以來的幾十年間，普通砂濾料過濾技術(shù)已經(jīng)十分成熟，得到極廣泛的應用。但是普通砂濾池濾層經(jīng)膨脹狀態(tài)下反沖洗后形成上細下粗顆粒的逆向級配，在一般正向過濾的情況下納污能力距理想濾層相距甚遠。煤砂雙層濾料濾池和煤砂磁鐵礦三層濾料濾池在濾層結(jié)構(gòu)上取得了重大進展，但由于鋪設、分層、反沖洗等問題，使建立在快濾機理上的過濾潛力難以充分發(fā)揮。以不膨脹或低膨脹、氣水反沖洗為基礎條件的均質(zhì)濾層過濾由于濾料顆粒在濾層垂直方向分布的均勻性，在濾厚度與濾料粒徑比合理的情況下，濾料粒徑適當加大，提高了納污能力；濾層厚度適當加深，保證了濾后水質(zhì)。這樣使濾池單位面積周期產(chǎn)水量增加，即或可提高濾速或可延長過濾周期，同時降低反沖洗耗水率，降低建設投資，帶來更多的經(jīng)濟和社會效益。雖然近幾年法國V型濾池引入我國，但我國尚缺乏一套完整、系統(tǒng)的科學理性認識和參數(shù)群，為此建設部立項、北京市市政工程設計研究院開展了《均質(zhì)濾層過濾技術(shù)研究》。該項目是建設部“八五”重點科技項目，其成果獲九八年建設部科技成果二等獎、九九年建設部重點科技推廣項目。本文僅就無煙煤均質(zhì)濾層過濾試驗研究及在北京市第九水廠二期工程中應用情況作簡要介紹。1試驗流程與試驗內(nèi)容1.1試驗流程及裝置試驗工藝流程見圖1?；旌喜捎每焖佥S流式機械攪拌。絮凝采用波形板豎流式三段絮凝。沉淀為側(cè)向流波形斜板沉淀。

試驗濾池為鋼管筒式結(jié)構(gòu)，構(gòu)造示意見圖1。濾池筒體直徑1.2m，總高5.2m，過濾面積1.13m2。墊層為級配河卵石。濾頭為窄縫式長柄濾頭。

應當指出，本試驗濾池規(guī)模已達到生產(chǎn)性規(guī)模，試驗水量大是本試驗與一般過濾試驗顯著不同的特點之外，由于濾池直徑大而大大降低了濕周對過濾的影響，使試驗濾池反沖時的狀況特別是形成的濾層與實際生產(chǎn)更為接近。

1.2試驗方案與內(nèi)容

試驗原水分自然濁水與配濁水。

無煙煤濾料粒度分三種：dmin--dmax=1.00--2.00mm、d10=1.10mm；

dmin--dmax=1.25--2.50mm、d10=1.33mm；

dmin--dmax=1.43--2.80mm、d10=1.48mm。

濾料厚度分二種：1.1m和1.5m。

濾速分二種：10m/h和20m/h。

反沖洗方式為氣、氣加水、水三段式氣水反沖洗，膨脹率為7％。氣沖階段氣沖強度15—17L/m2.s、歷時3min；氣水同時沖洗階段氣沖強度不變、水沖強度4--5L/m2.s、歷時3--5min;水沖階段強度6--20L/m2.s、歷時5--8min。

過濾方式為等濾速定水頭過濾。2試驗結(jié)果與討論2.1試驗結(jié)果

將試驗變量恰當組合安排，組合排列過濾試驗8組，每組試驗分別進行3--6個過濾周期，試驗結(jié)果見表1。無煙煤濾料過濾結(jié)結(jié)果統(tǒng)計表1序進水條件前處理條件有效粒徑厚度m濾速m/h膨脹率%進水濁度ntu沉淀出水濁度nttu過濾出水濁度nttu周期h產(chǎn)水量m3/m22試驗次數(shù)1自然濁常規(guī)1.101.51070.730.630.174646032自然濁常規(guī)1.331.51070.760.630.195555033自然濁常規(guī)1.101.52071.08o.730.232346054自然濁常規(guī)1.331.52070.860.640.192856065配濁常規(guī)1.101.510724.341.200.133838046配濁常規(guī)1.101.520726.303.430.202040047配濁直接1.101.110710.20

0.212222038配濁直接1.481.110710.20

0.25282803試驗結(jié)果表明，對于本試驗用原水，選取本試驗用參數(shù)，可獲得高質(zhì)量的過濾出水，周期過濾出水平均濁度低于0.3NTU。

2.2討論與分析2.2.1濾速與周期產(chǎn)水量

將表1中濾料粒徑相同、前處理條件相同、濾速不同的過濾試驗濾出水濁度和單位面積濾池周期產(chǎn)水量整理，得表2。濾速與周期產(chǎn)水量量對應統(tǒng)計表2粒徑mm前處理條件單位面積周期產(chǎn)水水量m3/m2差值試驗序號濾速10m/h濾速20m/h1.10自然濁常規(guī)46046001；31.33自然濁常規(guī)550560102；41.10配濁常規(guī)380400205；6從表2可以看出，10m/h濾速時單位面積濾池周期產(chǎn)水量和20m/h濾速時相差無幾，有的濾程沒有差別。這說明濾速的大?。ㄖ辽僭?0m/h--20m/h范圍內(nèi)）對過濾周期產(chǎn)水量影響不大。

美國洛杉磯水廠粗濾料厚濾層濾池建設前的研究報告(WeterTreatmentPilotStudiesfortheLosAngelesAqueduet)稱：“試驗原水經(jīng)預臭氧，通過厚6英尺的無煙煤濾層過濾，濾速13.5加侖/英尺2.分，其濾程為28小時；濾速18加侖/英尺2.分，其濾程為22小時。兩者濾程產(chǎn)水量分別為22700加侖/英尺2和23800加侖/英尺2。”說明濾速變化對濾池產(chǎn)水量無大影響。

如是，在評價濾池特性時，單位面積濾池周期產(chǎn)水量可以作為一項評價因素，而濾速對其影響可以略去。這為設計中適當提高濾速提供了實踐上的支持。

2.2.2濾料粒度對過濾的影響

按唯象觀點即不涉及機理，認為過濾是水中懸浮物被截留的過程，被截留的懸浮物充塞于濾料間的孔隙中。在同種濾料、相同反沖洗條件下，濾層孔隙尺度以及有效孔隙率隨濾料粒度的加大而增加。即濾料粒度越粗，可容納懸浮物的有效空間越大。其表現(xiàn)為過濾能力增強，截污量增大。同時，濾層孔隙度越大，水中懸浮物能被更深地輸送至下一層濾層，在有足夠保護厚度的條件下，懸浮物可以被更多地截留，使中下層濾層更好地發(fā)揮截留作用，濾池截污量增加。

從力學特性講，過濾水流在濾料層中的流動與濾料顆粒間的水流剪力則具有使被截留吸附在濾料顆粒表面的懸浮物剝落的可能，并同時產(chǎn)生附加水頭，即產(chǎn)生水頭損失。濾料粒度增大，孔隙尺度加大，有效孔隙空間增加，過水通道尺度大，過濾水流阻力減弱，水頭損失增量將得以延緩，其結(jié)果達到規(guī)定水頭損失的過濾周期得以延長，產(chǎn)水量得以增加。

下列表3是無煙煤濾料不同粒徑過濾能力比較的試驗數(shù)據(jù)。無煙煤濾料不同粒粒徑過濾能力力比較表3組別試驗序號有效粒徑

mm濾速

m/h進水濁度NTU出水濁度NTU截留濁度NTU周期產(chǎn)水量m3//m2過濾能力指數(shù)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“過濾能力指數(shù)”為：過濾進出水濁度差即截留濁度與周期產(chǎn)水量的乘積（截污能力）。

A組和B組試驗表明，有效粒徑1.33mm濾料的過濾周期產(chǎn)水量大于有效粒徑1.10mm的周期產(chǎn)水量；有效粒徑1.33mm的過濾能力指數(shù)高于有效粒徑1.10mm的過濾能力指數(shù)，比值表明過濾能力高出10％～15％。C組試驗表明，在周期產(chǎn)水量和過濾能力指數(shù)方面，有效粒徑1.48mm更高于有效粒徑1.10mm。

然而，應當看到，隨著濾料粒徑的加大，雖然能更多地發(fā)揮下層濾料的截污作用，但同時對穿透深度帶來影響。即在其他條件等同時，粒徑越粗穿透深度越大，其表現(xiàn)為粒徑粗的濾料過濾出水濁度較粒徑細的濾料高，或是粒徑粗的濾料截留濁度比粒徑細的濾料低。

A組和C組數(shù)據(jù)表明，其他條件特別是進水條件等同時，有效粒徑1.33mm和1.48mm濾料較有效粒徑1.10mm濾料的過濾出水濁度高，截留濁度低。B組數(shù)據(jù)表明，由于進水濁度不同，雖然有效粒徑1.10mm濾料的過濾出水濁度不如有效粒徑1.33mm濾料，但其截留濁度高。

粒徑變化對過濾出水水質(zhì)和截留濁度的影響引出下面有關(guān)L/d的討論與研究。

2.2.3關(guān)于L/d

從嚴格的理論上講，濾層所具有的對懸浮物的截留作用來自濾料所具有的表面積。慢濾池的過濾能力主要地來自篩除作用，而快濾池的過濾能力主要來自濾料顆粒表面的吸附作用，這是快濾池與慢濾池過濾機理最主要的不同之處。在過濾過程中濾料所提供的表面積越大，對水中懸浮物的附著力越強。為要達到一定的預期的水質(zhì)要求，濾料所提供的表面積應表現(xiàn)為：單位面積濾層所提供的表面積必須滿足某一最低量值的要求，相互關(guān)系可以參考如下數(shù)學表達：(JAWWA1975)

式中：S----濾料表面積

ε----濾層孔隙度

φ----濾料球形度

L----濾層厚度

d----濾料的幾何平均粒徑從上式各參數(shù)的相互關(guān)系可以看出，隨著濾料顆粒粒徑加大，孔隙度加大，所提供的表面積變小。濾層表面積減少的結(jié)果必然會降低過濾能力。這反映出粒度加大對過濾效果帶來的負作用。

這個式子同時也清楚地表明，在濾料球形度一定也即濾料種類一定的情況下，能夠抵消粒度變化負面影響的只有濾層厚度、即L。這樣，此式中的L/d成為關(guān)鍵因素，它決定了濾料所能提供的表面積的大小也就決定了過濾性能。

由此引伸出L/d這一概念。從技術(shù)角度講，L/d值越大越好。而綜合經(jīng)濟因素，工程中應以最小L/d值滿足提供最低量值的濾料表面積達到預期的過濾出水水質(zhì)要求。在實踐中，選用優(yōu)良的濾料級配和濾層厚度正是保證過濾效能的關(guān)鍵。因此，L/d受到濾池設計人員的日益重視。

我國《城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進步發(fā)展規(guī)劃》提出：“為保證水質(zhì)濾層深度與粒徑之比應大于800。”在其子課題《改善過濾效能》中指出：“運用L/Dm≥800判別式判斷分析濾池濾料級配的合理性或比較其優(yōu)越性。”這里的Dm為平均粒徑。美國《IntergratedDesignofWaterTreatmentFacilities》提出，“1.5mm≤d≥1.0mm的單層濾料濾池L/d≥1250?！边@里的d為有效粒徑。本試驗用濾料L/d值見表4。試驗用濾料L/dd表4dmm

L/d

Lmmm有效粒徑mm平均粒徑mm1.481.331.101.831.651.361500

10281364

90911031100743

1000601

809將試驗中除粒徑不同而其他條件特別是進水濁度相同時的L/d值和試驗結(jié)果列表如表5。L/d與過濾結(jié)果果表5組別試驗序號有效粒徑mm濾速m/h進水濁度NTU出水濁度NTUL/dA11.10100.630.171364

21.33100.630.191028B71.101010.200.211000

81.481010.200.25743注：d為有效粒徑表5清晰地表明，L/d值大的出水濁度比值小的低。

以上只是試驗數(shù)據(jù)，設計應用時需根據(jù)具體情況予以調(diào)整。依據(jù)試驗研究和北京市第九水廠二期工程應用情況，我院提出了設計采用的推薦值（本文從略）。

2.2.4均質(zhì)濾層反沖洗

為保證濾層反沖洗后具有足夠的清潔度，又能接近均質(zhì)狀態(tài)，目前理想的辦法是采用氣、氣水、水的三段式氣水反沖洗技術(shù)。近年來，國內(nèi)不少人對氣水反沖洗進行了較為深入的研究。幾乎所有文獻都認為三段式氣水反沖洗比二段式氣水反沖洗更為理想，并從機理上進行了探索，本文在此不作贅述。

在濾池充水并在濾床層面上保有一定水深條件下先進行單獨氣沖，一方面通過濾料顆粒間相互磨擦使濾料上粘附的污泥脫落，一方面達到使濾層攪動為均質(zhì)的目的。經(jīng)過一段時間的氣沖后，不停氣且氣沖強度無須改變的同時加入水沖，水沖強度很小，只要能使脫落的污泥在合宜的時間內(nèi)升至排水槽即可。氣水聯(lián)合反沖是能否使濾層潔凈的關(guān)鍵。單獨氣沖時脫落的污泥在此階段因氣沖保持濾層流化狀態(tài)下加上水沖被有效地托至上層。第三階段停止氣沖，濾料回落為固定床，使脫落的污泥滯留在上層，隨后的水沖只是漂洗過程，主要是將上層的高濃度泥水托出濾池，同時進一步清除濾層中剩余的脫落污泥，使濾層達到較徹底的凈化。最后的水沖洗應遵循二條原則，一是不使均質(zhì)濾層狀態(tài)受到破壞，二是按沖洗要求要能夠使濾層中剩余的脫落污泥被有效地去除。

本試驗選用7％膨脹率獲得了滿意的濾后水質(zhì)，說明此程度的膨脹率及相應的水沖強度可以使濾層保持接近均質(zhì)狀態(tài)。3北京市第九水廠二期工程濾池3.1濾池主要設計參數(shù)

北京市第九水廠二期工程濾池設計應用上述研究成果，建成無煙煤濾料均質(zhì)濾層濾池，處理能力50萬m3/d。

其主要設計參數(shù)如下：

濾料粒徑范圍dmax～dmin=2.0～1.0mm;有效粒徑d10=1.10mm;均勻系數(shù)K60=1.35;濾料層厚L=1.5m。

設計濾速V=7.60m/h;強制濾速V=7.93m/h。

三段式氣水反沖洗，氣沖階段氣沖強度q=20L/m2.s、歷時t=3min;氣水同時沖洗階段氣沖強度不變，水沖強度q=3～4L/m2.s、歷時t=2～3min;水沖階段水沖強度q=8L/m2.s、歷時t=5min。膨脹率η=0。

3.2生產(chǎn)運行測定結(jié)果

該工程96年投產(chǎn)，97年6--8月進行了生產(chǎn)運行測定。結(jié)果見表6。北京市第九水廠二二期工程濾池池生產(chǎn)運行測測定結(jié)果表6序號日期原水濁度NTU濾池進水濁度NTTU濾池出水濁度NTTU周期h最高最低平均最高最低平