過濾是水處理流程中以粒狀介質(zhì)(濾料)截留雜質(zhì)以保證出水水質(zhì)的重要工藝環(huán)節(jié)。上向流過濾由于濾床的粒徑及孔隙從下至上隨過濾水流方向逐漸變小，因此，與傳統(tǒng)的下向流過濾方式相比，其具有提高濾料截污量、延長過濾周期的潛力，因而在歐美得到了較廣泛的應(yīng)用[1]。國內(nèi)也成功地進(jìn)行了生產(chǎn)應(yīng)用[2]。由于以往上向流過濾研究多側(cè)重于解決實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的問題，對諸于上向流濾料的級配對過濾性能的影響、粒徑與極限濾速的關(guān)系以及過濾機(jī)理等的研究有待深入和完善。因此，本研究擬在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上對上述問題進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

1、實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置與材料

實(shí)驗(yàn)過濾裝置，濾筒為PVC管柱，其上設(shè)有有機(jī)玻璃觀察宙及取樣孔；濾料采用石英砂(岳陽砂廠)，混凝劑為精制硫酸鋁(柳州自來水公司硫酸鋁廠)，原水取自柳江河水。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

上、下向流過濾對比實(shí)驗(yàn)：采用濾筒裝置在柳州市自來水公司城中水廠進(jìn)行。待濾水取自孔室渦流反應(yīng)池或斜管沉淀池，經(jīng)水泵送人高位水箱后再分送至1—4#濾筒。濾筒內(nèi)徑均為加伽，其中1#筒采用0.7～2.0mm的自然級配石英砂進(jìn)行下向流過濾，濾層厚度96cm；2#筒采用0.7～2.0mm的自然級配石英砂進(jìn)行上向流過濾，濾層厚度98cm，3#筒采用分層填裝濾料進(jìn)行上向過濾，濾層厚度115cm。4#筒采用與2#筒相同級配但厚度為40cm的石英砂濾層進(jìn)行上向流過濾試驗(yàn)。

水樣濁度采用美國便攜式濁度儀(HACH公司，型號2100P)測定。過濾水量采用轉(zhuǎn)子流量計測定并經(jīng)容量法核定。水頭損失由濾層表面及底部測壓管水頭差確定。

極限(最大)濾速實(shí)驗(yàn)：采用內(nèi)徑59mmPVC管作為濾筒，濾層厚度為50～70cm，分別選用粒徑為0.8～0.96，0.96～1.13，1.13～1.5，1.5～1.77，1.77～2.0mm的六組濾料，用清水進(jìn)行上向流過濾極限濾速實(shí)驗(yàn)：通過閥門逐漸加大過濾水量直至表層濾料顆粒開始流態(tài)化，然后記錄相應(yīng)的流量并根據(jù)濾料面積換算成極限濾速。

2、結(jié)果與討論

2.1極限濾速

保持濾料非流態(tài)化是上向流過濾正常工作的前提，因此我們滿足這一條件的最大濾速 定義為極限濾速：即在一定溫度下，上向流過濾中對于某一粒徑的濾料，能使濾層起到有效過濾作用的最大濾速，也即表層濾料剛開始流態(tài)化時的濾速。根據(jù)這一定義，極限濾速可利用下述反沖洗強(qiáng)度與孔隙率關(guān)系公式(1)來確定：

(1)

式中q——反沖洗強(qiáng)度（L/m2.s）

　　d0——濾料粒徑（ cm）

　　μ——動力粘滯系數(shù)（g/cm.s）

　　m0——濾料孔隙率

　　e——膨脹率

　　令e=0，則可得極限濾速Vmax(m/h)：

(2)

根據(jù)公式(2)計算出的理論極限濾速列于表1。

表1極限濾速理論計算值與實(shí)測值比較 粒徑范圍（mm）1 孔隙率 水溫Vmax(m/h)

Dmin Dmax M0 (℃) 計算值2 實(shí)測值3

0.70(0.64) 1.00 0.494 30.0 37.5 38.6±62.5

1.00(0.82) 1.17 0.473 29.8 45.9 45.5±2.4

1.17(1.07) 1.30 0.505 29.0 78.3 66.9±1.9

1.30(1.12) 1.75 0.502 30.0 81.7 75.1±2.4

1.75(1.52) 2.00 0.493 30.0 115.8 93.4±4.4

說明：1括號外及括號內(nèi)數(shù)值分別為篩孔徑及校準(zhǔn)篩孔徑；

2由于表面的小粒顆濾料首先流態(tài)化，故以d0= Dmin之校準(zhǔn)篩孔徑計算；μ=0.0081（g/cm•s）

3取六次觀測平均值

為便于此，我們將實(shí)測所得的極限濾速也列入表1。發(fā)現(xiàn)計算值與實(shí)測值二者在粒徑≤1.10mm范圍內(nèi)基本吻合，在粒徑＞1.10mm范圍，計算值大于實(shí)測值。這一結(jié)果說明在實(shí)際工程應(yīng)用中，利用式(2)來估算最小粒徑≤之濾料的極限濾速是可行的。

2.2上向流過濾機(jī)理

一般認(rèn)為，過濾機(jī)理包括機(jī)械攔截、沉淀及吸附等作用。過濾周期初始時，濾料孔隙較絕大部分待濾雜質(zhì)尺寸為大，故其對于懸浮雜質(zhì)的截留以吸附作用為主。隨著過濾周期的進(jìn)行，濾料顆粒表面逐漸為截留雜質(zhì)顆粒所占據(jù)，孔隙尺寸變小而機(jī)械攔截作用加大。本研究由于采用孔隙尺寸較大的粗濾料過濾，在過濾初期，應(yīng)幾乎沒有機(jī)械篩濾作用，起主要作用的是吸附。為證明這一推論，我們用3#濾筒(濾料粒徑為0.8～2.0mm)，將原水(濁度＝5.3NTU)在不投加混凝劑情況下進(jìn)行上向流過濾(濾速7.7～23.6m/h)，5min后取樣分析發(fā)現(xiàn)濾后水濁度＞3.1NTU，達(dá)不到合格的水質(zhì)要求。這一結(jié)果表明，即使在濾速較低(7.7m／h)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。而當(dāng)適當(dāng)?shù)赝都踊炷齽┝蛩徜X以后，即使控制3#柱濾速接近其極限濾速，其5min濾后水濁度為0.1NTU,明顯優(yōu)于未投加硫酸鋁時的水質(zhì)。這一事實(shí)說明混凝劑投加后雜質(zhì)顆粒脫穩(wěn)，其與濾料表面的吸附力增加，因此濾層截留雜質(zhì)的能力得以提高。由此可見，吸附作用機(jī)理在上向流過濾中起主導(dǎo)作用。

此外，在實(shí)驗(yàn)中我們還發(fā)現(xiàn)出水水質(zhì)與混凝劑的投加量有很大的關(guān)系。因此在高濾速上向流過濾中，要保證長時間的好水質(zhì)必須控制混凝劑的投加量。

2.3上向流過濾水頭損失變化

上、下向流過濾水頭損失隨過濾時間的變化關(guān)系見圖1。則周期內(nèi)濾料平均水頭損失增長速度K＝(終期水頭損失—初期水頭損失)／過濾周期；對1、2、3、4#濾筒，顯然，K1＝3.5＞K3＝1.8＞K2＝1.7＞K4＝0.86。由此不難得出：1)在相同條件下，下向流水頭損失增長速度大于上向流。因此，在相同的可資水頭作用下，上向流較之下向流具有較長的過濾周期；2)對上向流過濾，濾層越厚，水頭損失增長越快。在保證出水水質(zhì)和應(yīng)有濾速前提下，選擇一個恰到好處的濾層厚度是很重要的，該結(jié)論與文獻(xiàn)[3]一致。

2.4上向流過濾性能評價

理想的過濾應(yīng)該是高濾速，低水頭損失，長過濾周期及優(yōu)良出水水質(zhì)。以此為依據(jù)，文獻(xiàn)[4]提出了如下的評價過濾性能的過濾指數(shù)公式：

FPI＝(Cst—C)×(C0—C)×VT/H (3)

式中C——出水濁度(mg/L)

C0——進(jìn)水濁度(mg/L)

Cst——國家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—85)中濁度指標(biāo)，Cst＝3度。

V——濾速(m／h)

T——過濾周期(h)

H——終期水頭損失(h)

根據(jù)以上公式及相應(yīng)參數(shù)(表2)，計算出濾拄1、2、3、4的FPI(表2)。顯然就綜合過濾性能而言濾筒4＞濾筒2＞濾筒1，即相同條件下，上向流過濾優(yōu)于下向流過濾；對上向流過濾而言，濾料厚度為40cm時的性能優(yōu)于同等條件下濾料厚度為98cm時的性能。

表2 上向流過濾與下向流均質(zhì)濾料過濾數(shù)據(jù)綜合表 濾柱過濾方式濾層厚度

(mm)濾速

(m/h)周期

(h)濁度（NTU）水頭損失（cm）FPI

進(jìn)水初期出水初期終期

1下向流96024.3223.30.6401133045

2上向流98020.1303.80.337797125

3上向流108034.4293.80.2601148801

4上向流40012.4283.80.363010852

三、結(jié)論

綜合上述研究成果，可得出如下結(jié)論：

1.極限濾速與濾料粒徑之間的關(guān)系可以指導(dǎo)粒徑的選擇及預(yù)計最大濾速；上向流過濾極限濾速實(shí)測值與公式計算值在油料粒徑≤1.10mm范疇時吻合，在濾料粒徑＞1.10mm范圍時，實(shí)測值賂小于公式計算值。由于上向流過濾時濾料流態(tài)化將從最小粒徑濾料顆粒開始，故可以利用公式(2)估計最小粒徑≤1.10mm之濾料的上向流過濾極限濾速；

2.上向流過濾機(jī)理以吸附與沉淀作用為主，機(jī)械篩濾作用不大；

3.下向流過濾水頭損失增長速度大于同等條件時的上向流過濾水頭損失增長速度；根據(jù)過濾指數(shù)判斷，在同條件下，上向流過路綜合性能優(yōu)于下向流過濾。

以上研究結(jié)果可用來指導(dǎo)上向流濾池的設(shè)計與運(yùn)行，以進(jìn)一步改善過濾效果。
 

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