黑化砂与清洗再生砂过滤效果研究.pdf

　　三个分区的供水控制方式采用了恒压变流量方式,系统根据压力测定值自动调节水泵转速及开启台数变频器与各区水泵电动机的配置采用一对一的形式,每台水泵的电机均可单独调速运行,水泵电机之间可不必进行工频、变频状态的切换3.2　系统与BA接口航运大厦内部设有一套完整的对建筑物内部各类设备进行监视、控制、测量的建筑设备自动化系统,通过监控中心就可对设备的运行做到集中监控和管理,智能化程度很高,对于变频供水系统的监控也是必不可少的为此,在地下3层及29层机房处设置了直接数字控制器(DDC)DDC 将变频系统的监测点,其中包括数字量及模拟量,通过现场总线接口将信号传输至监控中心,构成了楼宇自控(BA)系统采样信号包括了水泵出水口的压力、流量值,每台水泵电机的运行、故障状态,电机的转速、电流等上述参数在监控中心终端屏幕上得以显示,使变频系统的运行管理方便安全作者通讯处:200002上海市汉口路151号华东建筑设计研究院有限公司:(021)63217420-554收稿日期:2003 3 31·施工、材料与设备·黑化砂与清洗再生砂过滤效果研究郭雪松　施　周　邱振华　罗岳平　汤光明　何小路提要　通过对新砂、前期过滤中由水中铁、锰等黑化材料结垢形成的黑化砂以及黑化砂分别经酸、碱清洗而成的再生砂作为滤料的过滤效果研究表明:黑化砂、酸洗砂、碱洗砂在滤后水质及过滤水头损失方面与新砂相差不大,可以作为滤料在生产中应用,并可节省运行成本。

但在使用黑化滤料时,可适当降低反冲洗强度以避免跑砂延长初滤水时间以保证出水水质关键词　过滤　滤料　水处理　黑化砂　再生砂在以地表水为水源的一些水厂,石英砂滤料使用1 ～ 2 年后,其表面会逐渐形成一层主要成分为锰、硅、镁、铝、铁等元素的黑垢而成为黑化砂[ 1～ 2] 由于担心滤料黑化对水质产生不良影响,水厂一般用新砂替换黑化砂,这样,缩短了滤砂的使用周期,大大增加了制水成本和运行管理工作量目前,国内已有研究探讨了对黑化砂进行清洗再生的可行性[ 1～ 2] ,而本文将探讨新砂、黑化砂、酸洗和碱洗再生砂的过滤性能及出水水质1　试验装置和方法试验过滤装置见图 1 有机玻璃滤筒内径180 mm ,原水为水厂经聚合氯化铝混凝及经平流沉淀后的出水,滤料水头损失通过滤筒旁侧测压管测定过滤时,进水水头由溢流管控制,采用等速过滤方式运行,滤速由出水调节阀控制,并根据《室外给水设计规范》(GBJ13-86)采用8 m/h图1　过滤装置示意试验中黑化砂采用由水厂滤池中刚换出的新鲜黑化砂,新砂和黑化砂均来自同一个砂厂试验中所采用的黑化砂及新砂滤料经筛分后粒径范围均为0.6～ 1.25 mm , K 80分别为1.42和1.52;酸洗砂和碱洗砂分别由上述筛分后的黑化砂经3%的HCl及76　 给水排水　Vol.29　No.10　20033%的NaOH清洗再生而得[ 1] 。

所有滤料及承托层厚度分别为700 mm和150 mm ,其中承托层粒径范围2～ 5 mm 每一滤筒采用3只长柄滤头配水,冲洗采用单一的水反冲洗,长柄滤头是为以后气水反冲洗试验而设铁、锰等金属离子的检测水样用塑料瓶盛装加硝酸保存,采用AA320CRT型原子吸收分光光度计测定;浊度测定采用WGZ -200型浊度仪;滤料的密度测定参考文献[ 1] 2　结果与讨论用扫描电镜对新砂及黑化滤料表面的物质成分分析结果见表1 和表2可以看出,新滤料表面物质主要元素是硅发生黑化后,滤料的表面物质的成分变得复杂,各元素所占的比例显著改变,锰、铁、铝所占比例大大提高,锰成为黑化滤料表面附着物的主要元素滤料黑化主要是由于待滤水中铁、锰、铝等在石英砂滤料表面富集所致[ 1] 值得注意的是,在黑化滤料表面物质组成的电镜分析中没有检表1　石英砂表面物质的组成成分及含量元素 内标比率 光较正系数原子数/ %质量分数/%质量方差/ %铁 0.000 1 1.219 0.00 0.01 ±0.12锰 0.003 3 1.246 0.16 0.41 ±0.12钾 0.000 0 1.406 0.00 0.00 ±0.00硅 0.492 3 1.216 46.20 59.87 ±0.27铝 0.001 9 1.380 0.21 0.26 ±0.04氧 0.104 1 3.788 53.43 39.45 ±0.48总计 100.0 100.0表2　黑化石英砂表面物质的组成成分及含量元素 内标比率 光较正系数原子数/ %质量分数/%质量方差/ %锌 0.047 8 1.184 2.57 5.66 ±0.52铁 0.086 5 1.102 5.05 9.53 ±0.35锰 0.244 9 1.131 15.23 28.25 ±0.47钛 0.005 4 1.098 0.36 0.59 ±0.06钙 0.015 1 1.089 1.22 1.65 ±0.10钾 0.017 4 1.161 1.53 2.02 ±0.09硫 0.002 3 1.517 0.32 0.35 ±0.04磷 0.003 1 1.863 0.56 0.58 ±0.04硅 0.076 2 1.903 15.29 14.50 ±0.14铝 0.064 2 2.112 14.87 13.55 ±0.13镁 0.000 9 2.830 0.30 0.25 ±0.04氧 0.077 2 2.987 42.70 23.07 ±0.25总计 100.00 100.00测出碳元素,表明滤料中碳元素含量很少或没有,由于碳元素是构成有机物或微生物的主要元素,由此推断黑化滤料表面几乎没有含碳有机物或微生物。

为考察铁、锰富集对过滤水质的影响,本试验选择铁、锰离子及浊度为水质指标来考察上述4种滤料工作周期中的水质变化;同时对过滤周期中的出水水样进行多指标水质分析以评价其对水质的影响滤料黑化对过滤水力性状的影响主要通过水头损失变化及反冲洗膨胀率来评估所测数据在试验装置经试运行30天以后测定2.1　过滤效果过滤时4种滤料水头损失随时间的变化情况见图2从图2中可以看出:新砂、黑化砂、酸洗砂和碱洗砂4种滤料的水头损失随过滤时间而增加,各滤料水头损失变化在过滤32 h左右时出现折点:在32 h以内,水头损失随过滤时间的变化可以用直线关系描述,这与文献报道的等速过滤水头损失变化规律相似[ 3] ;32 h 后,各滤料的水头损失随过滤时间的变化的斜率增大,表明水头损失增加变快,这可能是由于表层滤料截污率已接近饱和并形成表面过滤的缘故4种滤料的清洁滤料(初始)水头损失依次为11 cm , 13 cm ,10 cm , 11 cm ,相差无几正常过滤时,黑化砂的水头相对稍大一些,但各滤料间水头损失相差不大,其中过滤24 h 时,黑化砂水头损失比其他三种滤料大8～ 12 cm ;过滤64 h时各滤料水头损失以黑化砂最大、碱洗砂最小,但二者之间相差<28 cm 。

试验结果说明滤料黑化对过滤水头损失的影响不大,再生滤料与新砂基本相同过滤超过66 h后,各滤柱相继出现负压,过滤中止图2　过滤水头损失随时间变化曲线　4种滤料对浊度的去除情况见图3 可以看出,当进水浊度在2.2～ 11 N TU范围内变化时,经4种给水排水　Vol.29　No.10　2003 77　滤料过滤后的出水浊度除酸洗砂有一个点为0.53N TU外,其余均在0.5 N TU 以下,而且运行很稳定,在运行66 h后无穿透现象图3　滤后水浊度变化曲线过滤对铁、锰的去除情况分别见图4和图5从图4可以看出,当过滤进水铁离子浓度在0.035～ 0.192 mg/L范围波动时,运行24 h 以内出水铁含量在0.016 mg/L以下,且出水浓度稳定,各滤料对铁的去除效果相差不大;当过滤超过24 h 后,出水中铁浓度出现一些波动,浓度稍有上升,但所试4种滤料的出水铁含量都在0.045 mg/L以下,满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749 -85)中铁离子浓度要求,过滤运行66 h内没有穿透现象,新砂、黑化砂、酸洗砂、碱洗砂滤料过滤24 h 的平均去除率分别为90.3%,90.9%, 92.3%,89.7%。

图4　滤后水铁含量比较　4种滤料去除锰情况的比较(见图5)表明,当进水中锰的浓度在0.039～ 0.053 mg/L范围变化时,新砂、黑化砂、酸洗砂、碱洗砂滤料对锰的24 h过滤平均去除率分别为21%, 12.3%, 27.5%, 13.7 %,总体上低于对铁的去除率虽去除率在各滤料间存在差异,但出水中锰浓度能控制在0.053 mg/L 以下,没有超过《生活饮用水卫生标准》(GB5749 -85)中的0.1 mg/L的现象黑化砂前期过滤出水锰含量有时稍高于原水,可能是由于黑化砂表面黑化物经过反冲洗摩擦后重新进入了水体,加大了出水中锰的含量对比图4 与图5,发现各滤料出水铁的浓度较低且稳定时(过滤时间<32 h),锰的浓度则较高且波动较大,反之亦然图5　滤后水锰含量比较值得注意的是黑化砂对水中铁、锰的去除没有特别的促进作用,也没有明显的负面影响,说明黑化砂上的黑垢不同于处理含铁、锰地下水时在滤料表面所形成的膜[ 4～ 5] ,后者对铁、锰的去除具有催化促进作用另外,电镜分析推断黑化滤料表面几乎没有含碳有机物或微生物,因此,黑化滤料对铁、锰的去除主要是物理化学作用而非微生物作用总之,在过滤过程中,黑化砂及其再生砂对浊度、铁、锰的去除与新砂基本相同;试验装置运行8个月以后对过滤出水水质按《生活饮用水卫生标准》(GB5749 -85)检测色度、总硬度、铁、锰、铜、锌、挥发酚类、溶解总固体、砷、汞、镉、六价铬、氨氮、阴离子合成洗涤剂、铅等指标,结果表明:虽然各滤料滤后水水质有一些细小的差别,但都达到要求,因此,滤砂黑化后可按正常使用周期继续使用而不必提前换砂。

黑化砂经酸、碱再生后可重新使用2.2　初滤水水质4个滤筒在相同反冲洗强度(28.0 ±0.1 L/(s·m2))下冲洗8 min后,立即过滤(滤速为8 m/h),同时开始取样进行初滤水测定初滤水浊度随初滤时间的变化关系见图6从图6可以看出,除黑化砂外其它滤砂的出水浊度在11 min后达到1 NT U以下,黑化砂较其它砂达到1 N TU 以下所需时间略长,约在15 min 后出水浊度达到1 NT U,这可能是78　 给水排水　Vol.29　No.10　2003黑化砂表面经冲洗摩擦后部分脱落物进入了水体而加大了出水浊度的缘故故在实际生产运行中,随着砂的黑化,要适当延长初滤水的排放时间,以保证出水水质图6　初滤水浊度随时间变化曲线图7为4种滤料初滤水中锰浓度随时间的变化情况可以看出,黑化砂初滤水锰含量最高,碱洗砂锰含量次之,而酸洗砂最低,经初滤15 min后,各滤砂出水浓度相差无几,试验中所试4 种滤料的初滤水锰含量都在0.05 mg/L 以下,低于《生活饮用水卫生标准》(GB5749 -85)的0.1 mg/L 的规定值而黑化砂中锰的浓度在2～ 7 min时超过进水浓度,这可能是由于吸附于黑化物中的锰在反冲后重新进入了水中的缘故。

图7　初滤水锰含量比较初滤水中铁的变化规律几种滤料基本相同:初滤15 min后,其值均低于0.02 mg/L2.3　反冲洗比较滤柱运行24 h 后,进行反冲洗6 min由于滤筒边壁的影响,滤料要在较高的冲洗强度下才能产生相对运动,故试验中采用的反冲洗强度为28.0 ±0.1 L/(s·m2)实测的各滤料的膨胀率与密度关系见表3从表3可以看出:当滤料的级配相近时,密度对滤料的膨胀率影响很大在相同冲洗条件下,黑化砂密度仅比新砂略小(是新砂的98%),但其膨胀率却是新砂的1.38倍由此可见,滤料黑化后,其密度变小,若不调整反冲洗强度,则很容易造成跑砂在水厂的实际运行中,也确实存在滤料黑化后的跑砂现象表 3　4种滤料密度及其膨胀率项目 新砂 黑化砂 酸洗砂 碱洗砂密度/g/cm3 2.63 2.58 2.62 2.62膨胀率/ % 32.。