張建鋒， 趙 晨， 張棟喆， 周 超

(1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安，710055；3.上海宏波工程咨詢有限公司，上海 200232)

過濾是保證飲用水衛(wèi)生安全性的重要屏障，隨著過濾理論研究的不斷深入和濾池自動(dòng)化控制技術(shù)的進(jìn)步，在普快濾池基礎(chǔ)上發(fā)展起來了以V型濾池、翻板濾池為代表的一些新池型，其中 V型濾池以其過濾效率高、反沖洗耗水少等優(yōu)勢，逐漸成為近年來新建、改擴(kuò)建水廠的主流池型，應(yīng)用十分廣泛．與常規(guī)的普快濾池相比，采用氣水反沖洗技術(shù)和均質(zhì)濾料的濾層配置是 V型濾池兩個(gè)突出特征，大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明采用均質(zhì)濾料的濾層配置可以有效增加濾層納污截留能力、減緩過濾阻力增長，而氣水反沖洗技術(shù)則是保證均質(zhì)濾料濾層穩(wěn)定和高效反沖洗的前提[1-3]．

氣水反沖洗技術(shù)應(yīng)用于均質(zhì)濾料濾層的生產(chǎn)實(shí)踐盡管已有約 30年[4]，但目前關(guān)于實(shí)際生產(chǎn)條件下V型濾池內(nèi)濾料粒徑及形狀系數(shù)分布等配置特征的變化規(guī)律、濾料表面殘余含泥量分布等內(nèi)容，在理論研究和實(shí)際檢測兩方面均屬空白，因此也就無法對氣水反沖洗技術(shù)應(yīng)用的長期效果進(jìn)行評價(jià)比較．本文對生產(chǎn)濾池中不同深度濾料粒徑和形狀系數(shù)進(jìn)行檢測分析，并從濾料截污量、濁質(zhì)剝離難易及顆粒表面殘余含泥量等幾個(gè)方面對濾層配置特征變化進(jìn)行分析比較，以期為高效的濾池反沖洗技術(shù)研發(fā)提供依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 水樣、砂樣采集及水質(zhì)

確定濟(jì)南地表水廠甲(二期)(文中標(biāo)示為F-1)、濟(jì)南地表水廠乙（一期、二期）（F-2、F-3）、嘉興第三水廠（F-4）和西安地表水廠（F-5）等四座水廠的5組 V型濾池進(jìn)行研究．在選定濾池的濾層四角及中央設(shè)5個(gè)取樣點(diǎn)，各深度樣品混勻后分析．

1.2 試劑與儀器

濁度測量采用 HACH2100N臺式濁度儀，采用FA2004 上海精科天平進(jìn)行稱重，濾料形狀系數(shù)測定中使用了奧林巴斯顯微系統(tǒng)．

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 濾料粒徑dv和球形度系數(shù)的測定

在生產(chǎn)濾池中沿深度分層取砂樣，清洗后103 ℃烘干冷卻，取約100 g濾料進(jìn)行篩分，另取約0.25 g砂樣（50顆左右）逐顆精確稱量換算得到等體積直徑dv，同時(shí)攝影并分析圖像得到投影面積，換算得到截面直徑dp，根據(jù)文獻(xiàn)[5]方法換算得到顆粒球形度系數(shù)ψ．

1.3.1 濾料截污量（含泥量）測定

取一定量的濾料103 ℃烘干冷卻，精確稱重后再用清水將濾料浸泡沖洗干凈，再次放入烘箱中烘干至恒重，稱出水洗后濾料的干重，水洗前后濾料干重的質(zhì)量差所占濾料重量的百分?jǐn)?shù)即為濾料的含泥量．

反沖洗前后濾料表面的含泥量，分別對應(yīng)著濾料的截污量和表面無法被常規(guī)反沖洗剝離、持續(xù)積累在濾料表面的濁質(zhì)量．

1.3.2 截污濾料表面濁質(zhì)剝離性能測定

在生產(chǎn)濾池進(jìn)入反沖洗之前分層取樣，用 100 mL量筒量取50 mL濾料，轉(zhuǎn)移至一個(gè)500 mL廣口瓶中，向廣口瓶中加入100 mL超純水，以60 rpm震蕩1 min，將廣口瓶中洗濾料后的渾濁水倒入另一個(gè)500 mL廣口瓶中，重復(fù)以上過程4次，用超純水定容沖洗水至500 mL后攪拌均勻測其濁度，以此表征截污濾料表面濁質(zhì)的剝離難易程度．

2 結(jié)果與討論

2.1 濾料層有效粒徑d10的時(shí)效變化

檢測濾池中濾料規(guī)格見表1．檢測結(jié)果表明不同齡期的濾池中，混合后濾料樣品的有效粒徑d10與原設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致，有效粒徑d10增加或減小的范圍在大約±7%．鑒于d10與濾池的過流阻力相關(guān)[1]，因此d10的減小會引起過流阻力的增加，但在目前V型濾池流量控制模式下，這一阻力的變化值可以通過出流閥開啟度予以補(bǔ)償，因此在實(shí)際生產(chǎn)中濾池的生產(chǎn)能力并不會受到影響[6]．均勻系數(shù)k80數(shù)值在保持基本穩(wěn)定的情況下略有增大，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)一些濾池表面存在過于細(xì)小的濾料顆粒，推測在這些濾池中存在濾料破碎現(xiàn)象．在常規(guī)V型濾池中，3～13年齡期的濾料有效粒徑d10和均勻系數(shù)k80基本不變化．

表1 各水廠濾池濾料規(guī)格及齡期Tab.1 Media properties and aged period in filters

2.2 沿濾層厚度濾料配置特征的變化

2.2.1 等體積直徑dv的變化

沿深度方向?yàn)V料等體積直徑dv的變化見圖 1.結(jié)果表明，采用氣水反沖洗的實(shí)際生產(chǎn)濾池中，沿著深度方向?yàn)V料顆粒的等體積球徑呈“側(cè)馬鞍形分布”，相對于濾層表面和內(nèi)部（深度50 cm位置處），表層以下20±5 cm處的濾料dv值明顯偏?。?/p>

圖1 沿濾層深度濾料等體積直徑變化情況Fig.1 Grains size dv with depth in filter

根據(jù)V型濾池的技術(shù)要求[7]，在氣水反沖洗過程中濾料層僅發(fā)生微小膨脹甚至不膨脹，這樣可以保持沿深度方向?yàn)V料的粒徑與級配在反沖洗過程中保持穩(wěn)定，這也正是均質(zhì)濾料濾層構(gòu)造的核心．但從實(shí)測結(jié)果來看，濾料的等體積直徑沿濾層厚度方向發(fā)生了改變，濾層的構(gòu)造即不同于均質(zhì)濾層粒徑“上下一致”的分布特征，也不同于單獨(dú)水沖所形成的“上細(xì)下粗”的分級特征[1]．

2.2.2 濾料球形度系數(shù)的變化

圖2 沿濾層深度濾料球形度系數(shù)變化情況Fig.2 Grains sphericity with depth in filter

濾料顆粒形狀特征對截留效率的影響主要通過粒徑dv和球形度系數(shù)ψ兩個(gè)因素體現(xiàn)．球形度系數(shù)ψ表征的是顆粒接近球體積的程度，其值小于等于1.0，顆粒的形狀與球偏離越大，球形度系數(shù)就越?。?/p>

由圖2可以發(fā)現(xiàn)ψ在濾層深度方向的變化趨勢與dv的變化趨勢大致相同，濾層表面和深層區(qū)域石英砂顆粒的ψ偏大，而在表層下濾層深度為 15～40cm的范圍內(nèi)ψ則相對偏小，顯示在該區(qū)域?yàn)V料顆粒的棱角相對比較發(fā)達(dá)．

圖3 沿濾層深度濾層的比表面積分布Fig.3 Special surface S with depth in filter

根據(jù)深床過濾理論，ψ和dV的變化通過濾料比表面積來影響截留效率，根據(jù)式（1）計(jì)算得到濾層內(nèi)濾料體積比表面積分布，見圖3．

式中：S為濾料比表面積，m2/m-3；dv為濾料的等體積直徑，m；ψ為球形度系數(shù)．

濾料比表面積的分布表明，從濾層表面開始，濾料顆粒的體積比表面積逐漸增大，至表層以下15～30 cm處達(dá)到最大值后開始逐漸減?。鶕?jù)過濾截留機(jī)理，濾層內(nèi)比表面最大的部位截留效率最高、截污量最大．在 V型濾池內(nèi)采用均質(zhì)濾料濾層配置和氣水反沖洗的初衷，是保證沿深度方向的濾料粒徑分布和組成均勻一致，避免出現(xiàn)濾層出現(xiàn)粒徑“上細(xì)下粗”分級而進(jìn)入“表層泥餅過濾”模式，確保濁質(zhì)能進(jìn)入濾層深部，并減緩表層濾料的水頭損失的過度增長．實(shí)際監(jiān)測表明沿深度方向?yàn)V料比表面積并不一致，即濾料層間截留能力有差異，這會對濾層的實(shí)際截污情況造成影響．

2.3 濾層截留濁質(zhì)分布及氣水反沖洗實(shí)際效果

生產(chǎn)濾池在反沖洗之前分層取樣，測定不同深度濾料截污量見圖4．與濾層表面相比較，深部濾層的截污量沒有顯著的減小，這體現(xiàn)了均質(zhì)濾料進(jìn)行深床過濾的典型特征[1]．

反沖洗前在濾層內(nèi)分層取樣，經(jīng)過震蕩后測定砂水混合物懸混液濁度，比較截污濾料表面濁質(zhì)剝離情況見圖5．在濾層上下截污量差異不大的條件下（圖4所示），表層濾料截留的濁質(zhì)最容易剝離．根據(jù)Amirtharajah的理論，在氣水反沖洗過程中，表層濾料顆粒本身承受的有效壓應(yīng)力最小，同時(shí)表層氣泡受到的孔隙水的壓力降低，因此氣泡上向沖量增加導(dǎo)致其對濾料的攪動(dòng)作用增強(qiáng)，表層濾料表面濁質(zhì)剝離效果最好，這在以往的研究觀察中已經(jīng)得到確認(rèn)[7]．

在圖5中，值得注意的是從表面往下10～20 cm處濁度值有一個(gè)“拐點(diǎn)”，對應(yīng)著濁度較低，與圖4中截污量分布對比，可以大致判斷在這一區(qū)域?yàn)V料表面的濁質(zhì)剝離效果最差．

圖4 過濾期終濾層的截污量分布Fig.4 Deposit distribution in terminal run with depth

圖5 截污濾層的濁質(zhì)剝離特征Fig.5 Feature of deposit detachment with depth

圖6 反沖洗后濾料表面殘余含泥量Fig.6 Survival deposit on grain surface after backwash with depth in filter

生產(chǎn)濾池反沖洗完成后不同深度濾料表面殘余含泥量的分布見圖6．除F-4以外其余濾池組反沖后濾料表面殘余含泥量不滿足“≤0.2%的優(yōu)良標(biāo)”[4]，因此這些水廠的反沖洗參數(shù)存在進(jìn)一步優(yōu)化的必要．

結(jié)合前面有關(guān)濾料比表面積的分析，濾層在20～30 cm處截留效率最大（圖3），但截污量分布的差異性不明顯（圖 4），在濾層內(nèi)部反沖洗完成后，濾料表面殘余污泥的量在20～30 cm處達(dá)到峰值（圖6）．這表明沿深度方向?yàn)V料比表面積的分布對截污量分布的影響不大，但與反沖洗完畢濾料表面殘留污泥的分布規(guī)律一致．Ives關(guān)于濾池反沖洗的理論認(rèn)為濾料表面截留的濁質(zhì)污泥分為一次污泥和二次污泥，其中與濾料表面直接接觸、粘附強(qiáng)度和密度比較大的為一次污泥，其余為二次污泥，一次污泥在常規(guī)水力反沖洗條件下不易剝離，因此是形成反沖洗后濾料表面殘余含泥量的主要成分，一次污泥量與濾料比表面積呈正比例關(guān)系[8]，這與上面的監(jiān)測結(jié)果（圖3和圖6）相吻合．

另一方面，根據(jù)Amirtharajah關(guān)于氣水反沖洗的基礎(chǔ)理論，在濾層表面以下的水飽和砂層中，上升氣泡的膨脹、融合、破裂均對沿深度呈線性分布的有效應(yīng)力產(chǎn)生非線性影響，例如在某一位置處大氣泡破裂為小氣泡，其對周圍砂層有效應(yīng)力的影響瞬時(shí)減小，導(dǎo)致濁質(zhì)剝離作用減弱[7]．基于這一理論，最弱反沖洗效果區(qū)域可能出現(xiàn)在濾層下部的某一位置，在濾層濁質(zhì)截留量差異不大的情況下，反沖洗后濾料表面殘余污泥量的最大值可能會出現(xiàn)在表層以下，如圖6.

調(diào)研的各組濾池反沖洗參數(shù)見表2，在相同的沖洗流程和基本一致的沖洗強(qiáng)度下，各組濾池的沖洗歷時(shí)相差較大，其中氣沖時(shí)間 3～5 min,氣水混沖時(shí)間5～15 min，水沖時(shí)間3～8 min，但是這些控制條件與50 cm厚度濾層的平均殘余含泥量之間并沒有相關(guān)性．

表2 V型濾池氣水反沖洗控制參數(shù)Tab.2 Water and air-scour flow rates for V-Filter backwash

3 結(jié)論

生產(chǎn)濾池的實(shí)際監(jiān)測和理論分析表明：

(1) 采用氣水反沖洗技的均質(zhì)濾料濾池術(shù)，3～13年齡期的濾料有效粒徑d10和均勻系數(shù)k80基本不變化，與原濾池設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致，但沿深度方向?yàn)V料等體積粒徑dv和形狀系數(shù)發(fā)生改變，與均質(zhì)濾料的配置特征不符；

(2) 調(diào)研的幾組濾池中截污量分布表現(xiàn)出深床過濾的特征，但沿深度方向各層濾料截污量剝離難易程度、反沖洗后濾料表面殘余含泥量有顯著差異．檢測結(jié)果對比分析表明，濾料比表面積的分布對截污量分布的影響不大，但與反沖洗完畢濾料表面殘留污泥的分布規(guī)律一致．為提高濾池截留效率，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該定期監(jiān)測濾層深部的反沖洗效果．

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