圓中環(huán)沉沙排沙過濾池濾水槽過濾性能試驗(yàn)

趙江濤侍克斌李玉建馬 亮劉寶星魏玉強(qiáng)

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052;2.新疆呼圖壁河管理處,新疆呼圖壁 831200)

圓中環(huán)沉沙排沙過濾池濾水槽過濾性能試驗(yàn)

趙江濤1,侍克斌1,李玉建1,馬 亮1,劉寶星1,魏玉強(qiáng)2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052;2.新疆呼圖壁河管理處,新疆呼圖壁 831200)

為分析新疆呼圖壁縣工業(yè)園區(qū)供水工程首部圓中環(huán)沉沙排沙過濾池濾水槽的過濾性能,采用濾水槽物理模型,試驗(yàn)研究了斷級(jí)配砂(礫)分層過濾技術(shù)在泥沙處理問題中的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明:在設(shè)計(jì)流量下,通過運(yùn)用斷級(jí)配砂(礫)分層濾水的方式能夠更大范圍地處理推移質(zhì)、懸移質(zhì)泥沙和少量懸浮物,過濾渾濁水獲得清水并能排除泥沙;斷級(jí)配砂(礫)分層過濾技術(shù)在泥沙處理過程中能夠降低水體渾濁度,改善水質(zhì),基本能夠滿足一般工業(yè)用水和生活用水粗濾要求。

圓中環(huán)沉沙排沙過濾池;沉沙池;濾水槽;渾濁度;過濾;反沖洗

圓中環(huán)沉沙排沙過濾池(圖1)為圓形斷面,通過進(jìn)水廊道連接至池中部的出水環(huán)堰,結(jié)構(gòu)呈大圓套小環(huán)的形式,具有沉沙、排沙及濾沙的功能,故稱之為圓中環(huán)沉沙排沙過濾池[1]。

圖1 圓中環(huán)沉沙排沙過濾池模型

位于新疆呼圖壁河青年渠首工程下游的圓中環(huán)沉沙排沙過濾池,屬于呼圖壁縣城鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)供水工程配套項(xiàng)目,主要為呼圖壁縣城區(qū)居民、大唐集團(tuán)呼圖壁熱電廠和天山工業(yè)園重化工產(chǎn)業(yè)區(qū)等提供清潔的生活和生產(chǎn)用水[2]。本文僅針對(duì)該圓中環(huán)沉沙排沙過濾池的過濾性能進(jìn)行模型試驗(yàn)研究。圓中環(huán)沉沙排沙過濾池過濾性能的優(yōu)劣取決于32個(gè)濾水槽的過濾性能,而每個(gè)濾水槽的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)完全相同,因此,本試驗(yàn)僅以一個(gè)1∶1的濾水槽模型為研究對(duì)象,通過濾水槽單體模型試驗(yàn)來總結(jié)其過濾性能。圖2為模型照片,圖3為剖面示意圖。

1 工作原理

傳統(tǒng)沉沙池是引水建筑物的沉沙設(shè)施,其作用是沉淀挾沙水流中顆粒粒徑大于沉降粒徑的懸移質(zhì)泥沙,降低水流中含沙量以滿足水質(zhì)要求。通常挾沙水流越平穩(wěn),泥沙越容易沉降,但實(shí)際上水體流態(tài)大多數(shù)不夠平穩(wěn),因此傳統(tǒng)沉沙池只能在一定范圍內(nèi)沉淀并處理較粗顆粒的懸移質(zhì)泥沙,不能有效處理顆粒較細(xì)的懸移質(zhì)泥沙[3-6]。

當(dāng)含有推移質(zhì)、懸移質(zhì)泥沙或懸浮物的原水進(jìn)入圓中環(huán)沉沙排沙過濾池引水廊道后,通過中心出水環(huán)堰溢出并流入沉沙池倒錐型池底,隨著沉沙池內(nèi)水位上升,粒徑較大的粗顆粒泥沙會(huì)緩慢沉降,沉入沉沙池倒錐形池底,最終由排沙廊道排出;而粒徑較細(xì)的懸移質(zhì)泥沙不容易沉降并伴隨著水體擾動(dòng)懸浮于水體之中,隨水流由濾水槽下部側(cè)面進(jìn)水口進(jìn)入濾水槽內(nèi),隨著濾水槽內(nèi)水位上升,流過由孔板、篩網(wǎng)和斷級(jí)配砂(礫)濾水層組成的過濾系統(tǒng),過濾系統(tǒng)中斷級(jí)配砂(礫)濾水層會(huì)最大限度地濾除水體中含有的細(xì)顆粒懸移質(zhì)泥沙,經(jīng)過濾后的水由溢流堰流入清水匯流槽,最后經(jīng)出水口進(jìn)入取水管道供下游使用[7]。

相比傳統(tǒng)沉沙池,圓中環(huán)沉沙排沙過濾池是一種新型的水處理裝置系統(tǒng),它不僅能夠高效率地沉淀并排出粒徑較大的粗顆粒泥沙,而且能通過濾水槽內(nèi)斷級(jí)配砂(礫)分層過濾裝置濾除水體中顆粒較細(xì)的懸移質(zhì)泥沙,可見,圓中環(huán)沉沙排沙過濾池是集沉沙、排沙、濾沙于一體的多功能水處理裝置[8-10]。

圖2 圓中環(huán)沉沙排沙過濾池濾水槽單體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖3 圓中環(huán)沉沙排沙過濾池濾水槽剖面示意圖

2 濾水槽過濾效果試驗(yàn)

2.1 濾料選擇

2.1.1 方案1

在圓中環(huán)沉沙排沙過濾池濾水槽內(nèi)鋪設(shè)粒徑為2～5mm、厚20cm的斷級(jí)配砂(礫)濾料進(jìn)行清水試驗(yàn),試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)濾出流量達(dá)到0.022 0 m3/s 時(shí),開始出現(xiàn)少量細(xì)顆粒濾料隨水流流過溢流堰進(jìn)入清水匯流槽,說明此時(shí)濾料表面細(xì)顆粒已達(dá)到失穩(wěn)的狀態(tài);當(dāng)濾出流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量0.033 4 m3/s 時(shí),肉眼即能明顯觀察到溢流堰右端出流量比左端大很多,部分濾料隨水流流過溢流堰;放空濾水槽內(nèi)水后,可見溢流堰堰壁前50 cm范圍內(nèi)濾料明顯高低不平,篩網(wǎng)外露。

上述試驗(yàn)現(xiàn)象說明平鋪厚20 cm、粒徑為2～5 mm的斷級(jí)配砂(礫)濾料并不能滿足在設(shè)計(jì)流量下正常使用的要求,因此,圓中環(huán)沉沙排沙過濾池濾水槽內(nèi)所需濾料必須重新選定,且后續(xù)不做此粒徑的渾水過濾試驗(yàn)。

2.1.2 方案2

方案1中所選取的濾層在設(shè)計(jì)流量下出現(xiàn)滲透破壞,大致有兩點(diǎn)原因:一是所選取的斷級(jí)配砂(礫)濾料粒徑較小,在水流滲透作用下引起滲透壓力過大,超過了濾層承受范圍而產(chǎn)生破壞;二是由于斷級(jí)配砂(礫)濾料粒徑較小,質(zhì)量較輕,在水流作用下容易被水流帶走,缺少必要的蓋重。因此,試驗(yàn)方案2在濾料的選擇上考慮了以上兩點(diǎn)原因,適當(dāng)擴(kuò)大了斷級(jí)配砂(礫)濾料的粒徑范圍,并且增加了礫石蓋重。方案2選取3層砂(礫)濾料方案進(jìn)行試驗(yàn),自水流方向(自下而上)依次為:粒徑為5～12.5 mm,厚20 cm;粒徑為12.5～25 mm,厚20 cm;粒徑為25～50 mm,厚10 cm(蓋重層)。

在清水試驗(yàn)過程中,當(dāng)濾出流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量0.0334 m3/s且持續(xù)一段時(shí)間時(shí),濾料未出現(xiàn)被擊穿的現(xiàn)象,隨著流量逐漸加大,濾料也未出現(xiàn)破壞的痕跡,表明方案2的濾層能夠滿足要求。

2.1.3 方案3

考慮到濾料中細(xì)顆粒的存在可能對(duì)流量及水質(zhì)有一定的影響,因此,試驗(yàn)方案3在斷級(jí)配砂(礫)濾料中適當(dāng)增加了部分粒徑較小的砂(礫),選取3層砂(礫)濾料方案進(jìn)行試驗(yàn),自水流方向(自下而上)依次為:粒徑為2～12.5 mm,厚20 cm,其中2～5 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％,5～12.5 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70％;粒徑為12.5～25 mm,厚20 cm;粒徑為25～50 mm,厚10 cm(蓋重層)。

2.2 過濾試驗(yàn)

根據(jù)水庫(kù)泥沙資料,原型沙中的懸移質(zhì)顆粒粒徑較細(xì),汛期平均出庫(kù)泥沙大部分為懸移質(zhì)泥沙,最小粒徑約為0.075 mm。試驗(yàn)為濾水槽單體原型試驗(yàn),由于試驗(yàn)需要的大量原型沙不易獲得,故采用模型沙進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于模型沙的選取主要考慮兩個(gè)方面:一是粒徑相似,因?yàn)樵囼?yàn)主要是驗(yàn)證水體懸移質(zhì)的過濾情況,在保證最小粒徑的同時(shí),模型沙的最大粒徑不能超出懸移質(zhì)泥沙最大粒徑(2 mm);二是沉降相似,由于沉降相似模擬難度較大,只能通過簡(jiǎn)易試驗(yàn)利用其沉降的時(shí)間來衡量模型沙與原型沙的相似程度:在兩個(gè)體積相同的透明玻璃量杯中加入等體積的清水(試驗(yàn)前已測(cè)其渾濁度為1.0 NTU),在兩個(gè)量杯中分別同時(shí)加入等量的原型沙和模型沙,使其自然沉降并開始計(jì)時(shí),經(jīng)過一段時(shí)間后量杯中的水變較清時(shí)停止計(jì)時(shí)并測(cè)出兩者渾濁度,如基本一致,可大體認(rèn)定其沉降相似。經(jīng)過反復(fù)比較和試驗(yàn),選用昌吉新華火電廠出產(chǎn)的粉煤灰產(chǎn)品與經(jīng)球磨機(jī)研磨的黏土混合作為模型沙,粉煤灰與研磨后的黏土最小粒徑為0.075 mm,最大粒徑在2 mm左右。模型沙顆粒粒徑在0.075～2 mm之間;模型輸沙率為0.265 6～1.432 5 g/s;模型的供水流量及設(shè)計(jì)流量均為0.0334 m3/s。

由于模型沙的選取存在一定的困難,通過簡(jiǎn)易試驗(yàn)所選模型沙的物理力學(xué)特性與原型沙還是存在一定的差異,模型沙只能在某種意義上認(rèn)為是可行的,由于試驗(yàn)內(nèi)容主要考慮的是水體中懸移質(zhì)粒徑的過濾情況,模型沙既能滿足原型沙粒徑同時(shí)也能滿足懸移質(zhì)控制粒徑即可,采用人工加土進(jìn)行渾水試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 方案2渾水試驗(yàn)

在設(shè)計(jì)流量下,濾水槽濾料分3層鋪設(shè),并未出現(xiàn)滲透破壞,由圖4可以看出,不同渾濁度條件下的原水,經(jīng)濾水槽過濾后,渾濁度明顯減小,由此可以說明分3層鋪設(shè)的濾料能夠起到過濾泥沙的作用,部分懸移質(zhì)泥沙顆粒被濾除后降低了水體的渾濁度。

圖4 方案2過濾前后水質(zhì)對(duì)比

2.3.2 方案3渾水試驗(yàn)

根據(jù)土體滲流特性,濾料顆粒粒徑越小,被濾料過濾的土的顆粒粒徑也越小。濾層的作用是防止懸移質(zhì)泥沙進(jìn)入清水匯流槽而影響下游水質(zhì)。濾水槽采用的是滲流向上的濾水方式,由于重力與滲透力作用方向相反,導(dǎo)致懸移質(zhì)泥沙顆粒被滲流帶走的可能性減小。同時(shí)適量增加斷級(jí)配砂(礫)濾料中細(xì)顆粒粒徑砂的含量,濾料中顆粒粒徑較小的砂與顆粒粒徑較大的砂相比,顆粒間接觸更加緊密,顆粒與顆粒間的空隙也就越小,泥沙顆粒通過其空隙穿過斷級(jí)配砂(礫)濾層的幾率相對(duì)也就越小。

圖5為方案3過濾前后水質(zhì)對(duì)比,圖6為方案2和方案3過濾后水質(zhì)對(duì)比。由圖6可以更加直接看出,在過濾前水質(zhì)渾濁度相近的前提下,增加濾料細(xì)粒徑顆粒含量后,過濾后的水質(zhì)渾濁度更小,說明在試驗(yàn)中控制流量不變的情況下,增加濾料細(xì)顆粒的含量能更加有效地起到過濾作用,減小水質(zhì)渾濁度。

圖5 方案3過濾前后水質(zhì)對(duì)比

圖6 兩種試驗(yàn)方案過濾后水質(zhì)對(duì)比

3 反沖洗試驗(yàn)

3.1 反沖洗步驟

利用砂(礫)石作為濾水槽濾料必然會(huì)出現(xiàn)濾料被淤堵而導(dǎo)致濾水槽濾水功能失效,當(dāng)濾料被淤堵到一定程度時(shí),沉沙池水位逐漸上升,溢流筒開始溢流,這時(shí)就需要對(duì)濾料進(jìn)行反沖洗。一般當(dāng)沉沙池水位距溢流堰頂2～3 cm時(shí),即可進(jìn)行反沖洗。反沖洗時(shí),先關(guān)閉濾水槽進(jìn)水口閘閥,再打開排污管閘閥,此時(shí)濾水槽水位迅速下降,水流自上而下,通過重力作用對(duì)濾料進(jìn)行反沖洗,洗去濾料孔隙間存在的泥沙,減小淤堵程度。反沖洗時(shí),為了避免渾水進(jìn)入清水匯流槽污染過濾后的水,當(dāng)濾水槽內(nèi)水位上升至接近溢流堰頂高程時(shí)(一般距堰頂8～10 cm),立刻關(guān)閉濾水槽進(jìn)水口閘閥,同時(shí)打開排污管閘閥,進(jìn)行反沖洗。如此反復(fù)數(shù)次,當(dāng)沉沙池與濾水槽之間水位差恢復(fù)到試驗(yàn)初始時(shí)的水位差時(shí),反沖洗工序完成;也可在反沖洗時(shí),對(duì)排污管所排出的渾水進(jìn)行渾濁度測(cè)試,反沖洗數(shù)次后渾濁度基本保持不變,視為濾料已經(jīng)基本沖洗干凈,反沖洗工序完成。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中流量控制在0.0334 m3/s,進(jìn)水渾濁度為

450 NTU左右,試驗(yàn)初始時(shí)沉沙池與濾水槽之間水位差為0.233 m,在運(yùn)行6 h后,溢流筒開始出現(xiàn)溢流,此時(shí)的沉沙池與濾水槽之間水位差為0.512 m,開始進(jìn)行反沖洗。反沖洗試驗(yàn)沉沙池與濾水槽水位差結(jié)果見圖7,排污管所排污水渾濁度測(cè)試結(jié)果見圖8。

圖7 沉沙池與濾水槽水位差

圖8 排污管所排污水渾濁度試驗(yàn)結(jié)果

由圖7與圖8可以看出,不管是恢復(fù)沉沙池與濾水槽之間試驗(yàn)初始時(shí)的水位差,還是檢測(cè)排污管所排出污水的渾濁度,都可以驗(yàn)證此濾料出現(xiàn)淤堵后進(jìn)行反沖洗的效果,通過反沖洗5次后,能夠恢復(fù)初始運(yùn)行狀態(tài),經(jīng)測(cè)定,反沖洗1次所需時(shí)間2 min左右,那么反沖洗1個(gè)濾水槽所需時(shí)間即為10 min左右。圓中環(huán)沉沙排沙過濾池有32個(gè)濾水槽,所有濾水槽依次進(jìn)行反沖洗所需時(shí)間為320 min左右。圓中環(huán)沉沙排沙過濾池濾水槽可以自動(dòng)控制閥門和時(shí)間,進(jìn)行交替輪換反沖洗,在反沖洗的同時(shí),依然可以向下游供水,不影響下游的正常用水。

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),反沖洗的關(guān)鍵在于要有足夠的水頭,利用水流重力將濾料孔隙間的泥沙沖洗干凈,由圖3可以看出,濾料與溢流堰之間存在一定的距離,反沖洗就是利用這段距離產(chǎn)生的水頭進(jìn)行,水頭越大,相應(yīng)的反沖洗能力也就越強(qiáng),然而,為了獲得渾濁度小的水,濾料的厚度(或細(xì)度)就需要增加,相應(yīng)就會(huì)減小濾料與溢流堰之間的距離,勢(shì)必會(huì)影響反沖洗的效果。就目前的試驗(yàn)而言,現(xiàn)有的濾層能夠滿足運(yùn)行工況,在獲得渾濁度小的水的同時(shí),滿足了下游供水量,并能很好地完成反沖洗過程。

4 結(jié) 論

a.圓中環(huán)沉沙排沙過濾池可以通過斷級(jí)配砂(礫)濾層降低水體渾濁度,改善水質(zhì)。

b.圓中環(huán)沉沙排沙過濾池能通過合理地增加濾料細(xì)度獲得渾濁度較小的水。由于濾料細(xì)度的增加會(huì)直接導(dǎo)致過濾后的水量減少,如何既能夠獲得濁度小的水又能滿足下游供水需要的問題,還需進(jìn)一步研究。

c.圓中環(huán)沉沙排沙過濾池能利用自身反沖洗功能解決濾料淤堵問題,不需外力作用進(jìn)行清淤工作,能節(jié)約能源,合理有效地利用水資源。

[1]SL310—2004 村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2]侍克斌,李玉建,馬亮,等.新疆呼圖壁縣城鎮(zhèn)工業(yè)供水工程圓中環(huán)沉沙排沙過濾池水工模型試驗(yàn)報(bào)告[R].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電設(shè)計(jì)研究所,2011.

[3]侍克斌,李玉建,馬亮,等.新疆呼圖壁縣城鎮(zhèn)工業(yè)供水工程圓中環(huán)沉沙排沙過濾池濾水槽原型水力學(xué)試驗(yàn)報(bào)告[R].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電設(shè)計(jì)研究所,2011.

[4]邱秀云,龔守遠(yuǎn),嚴(yán)躍成,等.一種新型水沙分離裝置的研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,30(1):68-70. (QIU Xiuyun,GONG Shouyuan,YAN Yaocheng,et al. The research on a new separator device for water-sediment [J].Journal of Xinjiang Agricultural University,2007,30 (1):68-70.(in Chinese)

[5]劉芬.渾水水力分離清水裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)研究[D].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

[6]余新艷.渾水水力分離清水裝置水沙分離試驗(yàn)研究[D].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[7]肖俊.渾水水力分離清水裝置清水流場(chǎng)試驗(yàn)研究[D].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2006.

[8]李琳.渾水水力分離清水裝置水沙分離的數(shù)值分析及試驗(yàn)研究[D].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[9]譚義海,李琳,邱秀云.梭錐管混濁流體分離裝置水沙分離試驗(yàn)研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(6): 521-526.(TAN Yihai,LI Lin,QIU Xiuyun.Optimization experiment of water-sediment separation by turbid flow isolation device-shuttle-conicaltube[J].Journalof Xinjiang Agricultural University,2010,33(6):521-526. (in Chinese))

[10]譚義海,李琳,邱秀云,等.梭錐管混濁流體分離裝置水沙分離影響因素優(yōu)化試驗(yàn)研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2011(5):50-52.(TAN Yihai,LI Lin,QIU Xiuyun,et al.Optimization experiment for factors of the turbid flow isolation device shuttle-conical tube[J].China Rural Water and Hydropower,2011(5):50-52.(in Chinese))

Experimental study on filtration performance of filter tank in circular central sand filter for sand discharging and desilting

//ZHAO Jiangtao1,SHI Kebin1,LI Yujian1,MA Liang1,LIU Baoxing1,WEI Yuqiang2(1.College of Hydraulic and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi830052,China;2.Administration Bureau of Hutubi-River Drainage Areas in Xinjiang,Hutubi831200,China)

In order to assess the filtration performance of circular central sand filter for sand discharging and desilting in water supply projects of industrial parks in Hutubi County,physical experiments were conducted to investigate the feasibility of the fault diameter sand reverse stratified filtration technology in sediment treatment.The results show that the bed-load, suspended load,and a few floats in a larger area can be processed,and the turbid water can be cleaned by using this technology under a design flow.The technology is proved to be able to reduce the turbidity of the water body,improve the water quality and meet the needs for the industrial and domestic water consumption.

circular central sand filter for sand discharging and desilting;desilting basin;filter tank;turbidity;filtration; backwash

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.013

TV149.2

A

10067647(2013)05005704

20121101 編輯:熊水斌)

清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金(sklhse-2011-c-01);國(guó)家自然科學(xué)基金(50969010);新疆水利水電重點(diǎn)科學(xué)基金(xjzdxk-2002-10-05)

趙江濤(1987—),男,甘肅天水人,碩士研究生,主要從事水工模型試驗(yàn)研究。E-mail:420334025@qq.com