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微絮凝深床直接过滤及工艺参数研究环境保护论文摘要：针对北京市水源九厂的低浊水质进行了将聚合氯化铝应用于微絮凝-深床直接过滤工艺的中试，讨论了滤床深度与均质超大粒径的滤料优选、直接过滤过程最正确化学与水力学参数以及反冲洗技术参数的优化及其影响因素，最后与现有水厂运行处理的综合效能及经济效益进行了比照，为微絮凝-深床过滤工艺的实际应用提供了根底研究依据论文关键词：微絮凝 深床工艺 直接过滤 聚合氯化铝Study on the Micro-flocculation/Deep Bed Direct Filtration and Its Process ParametersAbstract： Pilot study on micro-flocculation/deep bed direct filtration process with the addition of polyaluminum chloride (PAC) was made in accordance with the quality of low turbidity water in Beijing No.9 Water Supply Plant.The study focused on the preference of bed height and homogeneous media with ultra size,and the optimal chemical and hydraulic parameters of direct filtration process,as well as the op timization of backwashing.All of these were pared with overall treatment effi ciency and economic benefit in the existing water plant,and thus providing a bas is for the practical application of micro-flocculation/deep bed filtration process.Keywords: micro-flocculation/deep bed direct filtration; polyaluminum chloride微絮凝—深床直接过滤又简称直接过滤工艺［1］。

它实际是在对混凝、过滤作用机理及其工艺过程深入研究的根底上，将混凝与过滤过程有机集成为一体，形成了当今水处理的高新技术系统［2、3］近年来，采用该过滤工艺处理低温、低浊、有色水质已成为兴旺国家水厂选择的主流［4］ 1 　中试装置及流程　 1.1 装置中试装置及工艺流程如图1所示中试是在小型模拟试验［5］根底上进行的优化放大，最大设计处理量为1.2m3/h 滤床采用有机玻璃管，高为5 000 mm、内径为200mm、取样管间隔为300 mm、承托层为20 0 mm由于小试选用滤料的粒径相对较小，导致截污分布相对不均，过滤周期未能到达最正确状况，故中试选用了超大粒径的无烟煤滤料(粒径为3.5～4 mm，有效粒径d10为3.8 mm，不均匀系数为1.05)，滤料填充高度为1000～2500mm为保证布水、布气均匀，采用长柄滤头布水并在滤层底部铺垫粒径为16～32mm、8～16mm、4～8 mm的卵石承托层1.2 工艺流程原水直接与水厂配水管路相连，用水泵提升絮凝剂与原水通过管式混合器混合、经旋流混合槽后直接进入滤床进行过滤处理管式混合器前由高精度电子蠕动计量泵控制加药量，管道混合停留时间设定为1～2min。

旋流混合槽出口处安装流动电流检测仪检测混合水质的流动电流变化状况出水浊度采用美国Great Lake公司的浊度监测仪进行瞬时监测并传输至Hitachi Cor.的记录仪进行记录1.3 控制标准采用下向流等速变水头过滤，滤速为16～32 m/h，水头损失穿透标准设定为250cm(25 kPa)，水质穿透标准设定为浊度＜0.3 NTU、色度＜0.5倍，与国外控制标准一致［4］所用药剂分别为碱化度为40%～60%、Al2O3含量为10%和16%的液体聚合氯化铝，投药量以水厂现有工艺确定的最正确投药量(4 mg/L)作基准 2 　结果与讨论　 2.1 运行结果北京第九水厂源水取自密云水库，以怀柔水库作调节水库由于密云水库环境保护良好，源水根本未受污染除每年一周左右的高浊期(平均为68 NTU)外，浊度最高为3.2NTU，最低为0.69 NTU，平均为2～3 NTU，而且取水口深(水下40 m)、水质波动较小、水温较低中试进行了两年，其中不同床深和投药量条件下局部典型过滤周期结果见表1 表1 第九水厂中试结果编号浊度(NTU)床深(m)投药量(mg/L以Al2O3计)滤速(m/h)水头损失(kPa)水头增长速率(cm/h)过滤周期(h)FN(10-6)周期产水率(m3/m2)进水出水1*1.23～1.930.43～0.5610.42473.520　　21.19～1.430.21～0.271.50.425.510.39.3611642280.531.34～1.760.23～0.521.50.42411.16.821734334041.07～1.500.20～0.2820.41614.02.26902411433.551.27～1.830.21～0.3220.424.522.04.4746202109861.26～1.670.13～0.252.50.41620.07.141041791512.770.92～2.380.18～0.272.50.52420.13.2463211142080.92～1.370.21～0.282.50.52423.02.1296.41482316.8注： ①1*表示在过滤周期为20 h时，因床浅致出水水质 超过控制标准，试验失败；②FN表示过滤效能综合因子，其值越小，过滤效能越好。

2.2深床直接过滤的影响因素① 滤料粒径滤料粒径是影响直接过滤过程水头损失(H)的最重要因素之一，H可用下式计算： 　　H=f(L0／D2)　　(1) 　　式(1)说明水头损失与滤料粒径(D)的平方成反比，与滤层厚度(L0)成正比，当滤 料粒径增加时水头损失将大大减小国外目前直接过滤选用的均质滤料粒径范围一般为1.5 ～2.0 mm小试中发现，采用有效粒径d10=2.0 mm的均质无烟煤滤料及滤床深度为2 m时，大局部絮体颗粒聚集在滤料表层上半局部，过滤周期仅为20 h左右，说明滤料有 效粒径相对较小，滤层截污分布相对不均，因此中试采用d10=3.8mm的超大粒径滤料并将滤床厚度加深为2.5 m，此时的截污分布如图2所示结果说明，在相同滤速下中试滤料粒径为3.8 mm时的水头增长比小试(粒径为2.0 mm)慢得多，可有效增加滤层絮体沉积速率以及絮体在滤层内的穿透深度，防止过早堵塞而使水头损失减至最小，因而可显著提高过滤运行周期和产水率② 滤层厚度滤层厚度的影响需从滤料外表吸附和沉积作用两方面考虑，而对吸附和沉积起决定性作用的是滤料外表积对于一定粒径的滤料，滤料外表积实际由L/d(L为滤层厚度，d为粒径)决定。

普通滤料厚度一般根据藤田贤二的经验公式［6］，认为L/d10=1 000 或L/de=800时是平安的但它是在常规滤速(V=10 m/h左右)得到的，在深床过滤的高滤速下此值的平安性值得疑心Hazen认为滤层深度需满足以下公式：L=Qhd3／B　　　〔2)式中 d——粒径，mm　　　　 Q——截面流量，L/(m2·s)　　　　 h——水头损失，PaB——穿透指数，一般取B＝1×10-3因滤速(V)越大，所需滤层厚度越大(L与V1/3成正比，如滤速提高1倍，L相应增加21/3)，而L越大，滤后浊度变化越慢；d越大，水头损失增长越慢，因此，增大L和d值可以延长过滤周期当床深＜2.0 m会出现出水不达标或水质过早穿透，导致过滤周期过短床深为2.5 m、滤速为24 m/h和16 m/h时水质达标(浊度＜0.3 NTU)，过滤周期分别到达78、104h，说明以2.5 m床深运行较平安，而此时L/de值(658)仍低于藤田所提出的800～1000的范围，说明直接过滤滤速与滤床厚度之间存在一定关系，依据现有常规滤料的经验公式并不能准确反映深床直接过滤中滤床厚度与滤速的关系以及选择适宜滤床深度。

③ 滤速在滤速高时滤池工作 周期的长短主要由水头损失决定，而起始水头损失小是大粒径滤料的优点之一(可延长过滤工作周期)此外，颗粒物在滤床中的迁移取决于水流的剪切力，而水流剪切力那么由流速和滤料粒径及形状决定滤料粒径及深度一定时，滤速越大颗粒污染物在滤床中向下迁移得越快，过滤周期也越短3种滤速下的试验结果见图3在投药量为4 mg/L、滤速为32 m/h时，过滤周期仅为26 h降低投药量和滤速(16～24 m/h) ，过滤周期分别到达78、96 h，说明在此L/d情况下，16～24 m/h是最正确直接过滤滤速④ 最正确投药量与滤前絮凝反应时间最正确投药量与滤前絮凝反应时间对直接过滤的最正确过滤周期具有显著的影响试验说明，聚合氯化铝稍低或稍高的投量均会显著影响出水水质和过滤周期，因此精确控制其最正确 投量是获得最正确过滤净化处理效能的关键滤前最正确投量和絮凝反应时间必须依 据絮凝剂的化学反应特性和源水悬浊胶体颗粒特性及浓度而随机调整，使其形成不仅能够透过较深滤层，同时又能与负电滤料外表发生接触粘结絮凝反应而被截留于滤料外表的一定微尺度的正电性微絮凝颗粒图4等滤速、不同投药量的试验结果在投药量为2 mg/L(相当于0.32 mg/LAl2O3)、滤速为16 m/h的条件下，出水浊度＜0.3 NTU，稳定运行周期长达96～110 h。

水厂现有过滤工艺是以7～8 m/h的滤速运行，过滤周期为48 h，液体PAC投加量为4 mg/L(相当于0.64 mg/LAl2O3)，是微絮凝—深床直接过滤工艺的一倍，说明聚合氯化铝高效絮凝特性更适用于大粒径深床直接过滤，并能在较低投药量下获得较好的出水水质国外在直接过滤工艺中，采用传统絮凝剂(硫酸铝、氯化铁等)的滤前停留时间多控制在3～7 min如前所述，聚合铝絮凝剂具有较强的电中和脱稳能力、快速的絮凝反应动力学及结团 絮凝反应特征因此微絮凝—直接过滤滤前絮凝反应停留时间只需控制在1～2 min，停留时间延长将导致水头损失增大、过滤周期缩短2.3　反冲洗参数超大均质滤料反冲洗的优点是不会因为冲洗强度过大而将小粒径滤料冲出滤池而造成滤料损失，也不会因冲洗强度过小而导致粗滤料不能完全流态化均质大粒径滤料有利于截留的悬 浮物向下渗透，使污染物分布较均匀，但同时也存在反冲洗问题采用常规水冲洗方法不能到达较好效果，会导致滤池不能恢复净水能力、截污能力下降以及冲洗水耗上升等不良后果因此，深床直接过滤工艺过程的反冲洗最好采用气水联合反冲洗方式，分三步进行：①气冲；②气、水混合冲；③水漂洗目前所有反冲洗强度的经验公式都是针对水反冲洗的，对于大粒径深床的气水反冲洗参数国内尚无数据提供。

笔者针对所采用的滤料及填料厚度，对深床直接过滤的适宜反冲洗参数进行了试验，计算结果见表2 表2 反冲洗参数及水量计算冲洗方式冲洗强度(L/m2·s)流量(m3/h)历时(min)耗水量(m3 )气水气水气冲20 2.3 2～3 气—水混合冲15151.71.740.113水漂洗 25 2.840.187　　① 气冲强度确实定气冲的目的是使气泡通过滤层时局部滤料发生移动，滤料颗粒相互填充、碰撞、摩擦，使得附着在滤料外表的杂质脱落，也可通过气泡对。