高品質(zhì)飲用水脈沖反沖洗應(yīng)用研究

摘 要：作為給水處理中最重要的環(huán)節(jié)，關(guān)于過(guò)濾和反沖洗的研究很多，而對(duì)濾料的再生過(guò)程——反沖洗的研究卻相對(duì)較少。本文試驗(yàn)在反沖洗剪切力、摩擦力和速度梯度G值等理論基礎(chǔ)上，提出了濾料脈沖式反沖洗方式，旨在確定最優(yōu)的反沖洗形式和參數(shù)，并應(yīng)用于高品質(zhì)飲用水實(shí)踐中。

關(guān)鍵詞：高品質(zhì)飲用水；脈沖反沖洗；氣水反沖洗

中圖分類號(hào)：TU 991" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作為給水處理工藝中最重要的工藝，過(guò)濾工藝運(yùn)行狀態(tài)與出水水質(zhì)有直接關(guān)系。過(guò)濾設(shè)備在運(yùn)行初期的過(guò)濾效果十分顯著，后期運(yùn)行維護(hù)和反沖洗不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)出水超標(biāo)的情況。雖然濾池反沖洗系統(tǒng)只是過(guò)濾的一小部分，但是其設(shè)備費(fèi)用卻占具總造價(jià)的50%～70%，并且運(yùn)行費(fèi)用也是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用中最主要的部分。因此，反沖洗方式的合理選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)過(guò)濾工藝具有重要意義。

1 反沖洗機(jī)理

1.1 反沖洗機(jī)理概述

本文將污泥分為3類。第一類為濾料間隙中污泥，主要靠水剪切力或者氣剪切力去除；第二類為附著污泥，主要通過(guò)剪切力和顆粒間的碰撞作用去除；第三類是濾料內(nèi)部污泥，主要通過(guò)摩擦作用去除，剪切力發(fā)揮的作用相對(duì)較小。因此更好地發(fā)揮水剪切力、空氣剪切力和摩擦作用，具有更高的速度梯度，才能降低反沖洗時(shí)間，延長(zhǎng)濾料過(guò)濾周期，減少用水量，并提升過(guò)濾效果。

1.2 脈沖反沖設(shè)計(jì)理論

1.2.1 從脈沖效果考慮

從剪切力和摩擦作用公式可知速度梯度G值、剪切力均與反沖洗速度Δv成正比，即Δv越大，水力剪切力越大，速度梯度G值越大[1]，也會(huì)相應(yīng)提升顆粒間碰撞摩擦作用和剪切力作用。

1.2.2 從力的角度考慮

對(duì)處在層流狀態(tài)下的濾料顆粒和污泥雜質(zhì)進(jìn)行受力分析，存在過(guò)濾產(chǎn)生的推動(dòng)力FD、滲透流動(dòng)產(chǎn)生牽引力FY、向上升力FL和重力FG、摩擦力Ff和吸著力FA。在反沖洗過(guò)程中，F(xiàn)Y方向取相反方向。只要保證FLgt;FY+FA，就沒(méi)有摩擦力Ff產(chǎn)生。當(dāng)剪切力大于吸著力和重力的合力，就會(huì)使附著的污泥雜質(zhì)脫落。而進(jìn)口的速度又決定了微粒在濾床內(nèi)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，所需時(shí)間越少，越有利于進(jìn)行過(guò)濾，反沖洗所需的用水量也越少。因此既能提高進(jìn)水流速，又不會(huì)造成濾料膨脹率過(guò)高，因此脈沖反沖洗的研究應(yīng)運(yùn)而生。

2 過(guò)濾反沖洗模型建立與試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置布置圖如圖1所示，試驗(yàn)裝置設(shè)備見表1。

試驗(yàn)藥品如下：硫酸肼；六次甲基四胺（配制濁度液）；山東1.2mm～1.6mm粒徑濾球，K80=1.4；亞甲基藍(lán)固體粉末（配制色度水）；硫酸鐵；七水和硫酸錳；氯化鈉。以上藥劑均采用分析純藥品。

2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用對(duì)比模擬試驗(yàn)的方法，分為2個(gè)部分，一是過(guò)濾試驗(yàn)，二是反沖洗試驗(yàn)。

2.2.1 過(guò)濾

試驗(yàn)試驗(yàn)過(guò)程如下。首先，配置10-50NTU濁度液。配制400NTU福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)液，準(zhǔn)確稱取1.0g硫酸肼和10.0g六次甲基四胺粉末，分別溶于蒸餾水中。溶液混勻后，稀釋至100mL容量瓶，在恒溫箱靜置24h后稀釋至400NTU。再根據(jù)需要將溶液稀釋至目標(biāo)溶液。其次，過(guò)濾柱。過(guò)濾柱采用2根高1.5m、直徑100mm的圓柱形有機(jī)玻璃過(guò)濾柱。承托層鋪設(shè)200mm鵝卵石，承托層底部以有機(jī)玻璃穿孔板阻隔，方便均勻配水。濾料為山東納瑞環(huán)保公司1.2mm～1.6mm粒徑濾球，K80為1.4，鋪設(shè)厚度為700mm。最后，過(guò)濾。配制20NTU濁度水過(guò)濾，通過(guò)旁通管出水控制均勻?yàn)V速，保持在10m/h。每5min取樣測(cè)量出水濁度，并繪制濁度變化曲線。當(dāng)出水濁度趨于進(jìn)水濁度時(shí)，濾料吸附攔截將近飽和，停止過(guò)濾，選取30min為過(guò)濾時(shí)間。

2.2.2 反沖洗試驗(yàn)

試驗(yàn)主要在反沖洗強(qiáng)度為5～20L/（m2·s），反沖洗時(shí)間為3min～20min等不同變量條件下，對(duì)過(guò)濾柱進(jìn)行反沖洗試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行記錄和評(píng)價(jià)。首先，常規(guī)水反沖洗。在變量反沖洗強(qiáng)度分別為8L/（m2·s）、12L/（m2·s）、16L/（m2·s），反沖洗時(shí)間分別為2min、4min、6min、8min、10min和12min時(shí)，模擬過(guò)濾反沖洗試驗(yàn)，并記錄用水量、出水濁度，繪制最優(yōu)出水濁度曲線。其次，氣-氣水-水反沖洗。查閱相關(guān)文獻(xiàn)期刊，選取最優(yōu)氣-氣水-水反沖洗條件[2]。第一步，氣沖洗強(qiáng)度13L/（m2·s），單氣預(yù)沖2min。第二步，氣沖洗強(qiáng)度13L/（m2·s），水沖洗強(qiáng)度6.0L/（m2·s），氣水聯(lián)合沖洗5min。第三步，水沖洗強(qiáng)度6.0L/（m2·s），水沖洗3min。記錄用水量、出水濁度，繪制出水濁度曲線。最后，脈沖水反沖洗。該試驗(yàn)為四因素三水平的正交試驗(yàn)，反沖洗強(qiáng)度分別為

8L/（m2·s）、12L/（m2·s）、16L/（m2·s），反沖洗時(shí)間分別為30s、60s、90s，每次反沖洗間隔時(shí)間分別為15s、30s、60s，反沖洗次數(shù)分別為3、6、9次，從中尋找規(guī)律，選取最優(yōu)。

2.2.3 對(duì)比試驗(yàn)

通過(guò)上述試驗(yàn)，選定脈沖反沖洗強(qiáng)度為12L/（m2·s），單次脈沖沖洗時(shí)間為60s，每次脈沖反沖洗的間隔為30s，脈沖次數(shù)為6次，與12L/（m2·s）常規(guī)水反沖洗和12L/（m2·s）氣水反沖洗[3]做對(duì)比試驗(yàn)。

2.2.4 再過(guò)濾試驗(yàn)

單一反沖洗出水濁度變化圖如圖2所示，但圖2并不能完全反映反沖洗效果，需要通過(guò)再過(guò)濾試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

過(guò)濾濁度對(duì)比變化圖如圖3所示。對(duì)于單一水反沖洗，反沖洗濁度平滑下降，再過(guò)濾時(shí)初始濁度較高，屬于最簡(jiǎn)單、常用的過(guò)濾方式；氣水反沖洗比單水反沖洗效果好，氣體的加入提升了反沖洗效果，但是同樣也加大了反沖洗的控制難度；在濾料的再生、再過(guò)濾試驗(yàn)中，脈沖式水反沖洗較晚達(dá)到濾料飽和，具有更高的速度梯度，對(duì)三類污泥的清洗更徹底，有利于延長(zhǎng)過(guò)濾周期。

3 工業(yè)廢水驗(yàn)證試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)配置濁度溶液進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)脈沖式反沖洗具有明顯的優(yōu)勢(shì)，下文選取更難以處理的稠油廢水進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)工業(yè)廢水系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)前，取典型反沖洗樣點(diǎn)進(jìn)行小試，發(fā)現(xiàn)工業(yè)廢水和天然濁度廢水具有相同的試驗(yàn)規(guī)律，因此根據(jù)天然濁度廢水最優(yōu)條件對(duì)工業(yè)廢水進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比試驗(yàn)。

3.1 稠油廢水

解決含油廢水的關(guān)鍵就是解決油的黏附和疏水性問(wèn)題，因此本文從其受力（主要是表面張力）考慮，降低其表面張力，產(chǎn)生潤(rùn)濕滯后，在外力作用下開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，三相周界沿固體表面移動(dòng)遲緩，使?jié)櫇窠佑|角度改變，潤(rùn)濕角變小，變得容易清洗。

3.2 稠油廢水反沖洗試驗(yàn)

3組試驗(yàn)條件分別如下。1）氣水反沖洗。第一步，氣沖洗強(qiáng)度13L/（m2·s），單氣預(yù)沖2min；第二步，氣沖洗強(qiáng)度13L/（m2·s），水沖洗強(qiáng)度6.0L/（m2·s），氣水聯(lián)合沖洗5min；第三步，水沖洗強(qiáng)度6.0L/（m2·s），水沖洗3min。2）脈沖式水反沖洗。水反沖洗強(qiáng)度12L/（m2·s），單次脈沖沖洗時(shí)間為60s，每次脈沖沖洗間隔為30s，脈沖次數(shù)為6次。3）氣預(yù)沖加脈沖式水反沖洗。氣沖洗強(qiáng)度13L/（m2·s），單氣預(yù)沖2min。加脈沖式水反沖洗，水反沖洗強(qiáng)度12L/（m2·s），單次脈沖沖洗時(shí)間為60s，每次脈沖沖洗間隔為30s，脈沖次數(shù)為6次。

3.3 稠油廢水再過(guò)濾試驗(yàn)

含油廢水反沖洗出水濁度對(duì)比變化圖、含油廢水反沖洗出水濁度對(duì)比變化圖分別如圖4、圖5所示，可看出3種反沖洗方式的含油廢水過(guò)濾出水濁度變化曲線較相似，氣加脈沖式水反沖洗效果最好，脈沖式水反沖洗次之，氣水反沖洗最后。含油廢水過(guò)濾在16h前出水較穩(wěn)定，甚至優(yōu)于天然濁度水過(guò)濾。但是16h后，3種不同反沖洗下的過(guò)濾出水濁度以不同程度增加，脈沖式反沖洗增幅小、終值低，證實(shí)了上述反沖洗出水濁度變化曲線規(guī)律，反沖洗更徹底。

4 技術(shù)應(yīng)用

以江漢油田含油廢水處理為例。原江漢油田水處理反沖洗模式為反沖洗強(qiáng)度12L/（m2·s）、時(shí)間為10min的單水洗模式?，F(xiàn)設(shè)定PLC控制轉(zhuǎn)換為反沖洗強(qiáng)度12L/（m2·s），單次脈沖沖洗時(shí)間60s，每次脈沖反沖洗的間隔30s，脈沖次數(shù)6次，12L/（m2·s）的脈沖式反沖洗模式。經(jīng)過(guò)連續(xù)一個(gè)月的試驗(yàn)可觀測(cè)到脈沖反沖洗后水處理系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性顯著提升，水質(zhì)濁度指標(biāo)始終能達(dá)到石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)》。在水處理量為10t/h的情況下，反沖洗頻次由一天3次減至一天2次，顯著降低了反沖次數(shù)。脈沖式反沖洗比常規(guī)反沖洗增加了0.1元的電耗費(fèi)用，但卻減少了過(guò)濾時(shí)的水頭損失，降低了過(guò)濾電耗，同時(shí)延長(zhǎng)了過(guò)濾壽命。本文在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高負(fù)荷含油廢水的過(guò)濾，脈沖反沖洗同樣能夠有效清洗，對(duì)設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行沒(méi)有造成波動(dòng)。說(shuō)明脈沖反沖洗不僅可應(yīng)用于含油廢水，還可延伸應(yīng)用于印染、鐵錳等難處理廢水的反沖洗中。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了反沖洗理論基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)速度梯度G值、剪切力均與反沖洗速度Δv成正比，即Δv越大，水力剪切力越大，速度梯度G值也越大，也會(huì)相應(yīng)提升顆粒間的碰撞摩擦作用，結(jié)合脈沖作用，有利于充分進(jìn)行反沖洗。

選取最優(yōu)條件下的脈沖式水反沖與最優(yōu)條件下常規(guī)水反沖洗、氣水反沖洗進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈沖式水反沖洗與氣水反沖洗[4]明顯優(yōu)于常規(guī)水反沖洗，將二者進(jìn)行比較，雖然整體出水濁度相差無(wú)幾，但是過(guò)程有所不同。脈沖式反沖洗在4min內(nèi)出水持續(xù)高效，下降曲線先緩、后急，而氣水反沖洗則是先急、后緩。并且過(guò)濾時(shí)脈沖式水反沖洗在20h～24h的出水濁度低于氣水反沖洗出水濁度。

選取更難處理稠油廢水進(jìn)行精細(xì)過(guò)濾反沖洗，并對(duì)脈沖水反沖洗進(jìn)行深度對(duì)比試驗(yàn)。分析脈沖式水反沖洗用于工業(yè)廢水的可行性和優(yōu)劣性。通過(guò)理論分析、試驗(yàn)對(duì)比，脈沖式水反沖洗證明了其應(yīng)用價(jià)值，在含油廢水中清洗高效，破乳化層效果良好，比氣水反沖洗提前2min達(dá)到高峰，顯著減少了反沖洗時(shí)間和反沖洗用水量。

本文對(duì)濾料內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究多為理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，希望以后采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)濾料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步研究。通過(guò)分析反沖洗過(guò)程中不同時(shí)刻的濾料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，更充分地分析脈沖作用。

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