不同石英砂濾池系統(tǒng)過濾性能的研究

馮 源

（1.湖南新九方科技有限公司，湖南 長沙 410000；2.湖南省環(huán)境科學(xué)學(xué)會，湖南 長沙 410000）

在水處理工藝中，最常用的濾料有石英砂、無煙煤粒等。其中以石英砂使用最廣［1］。石英砂主要成分為二氧化硅，密度在2.65左右，在pH值2.1～6.5的酸性水環(huán)境中具良很好的化學(xué)穩(wěn)定性。濾料的密度、化學(xué)性質(zhì)以及機械強度等特性是決定生物砂濾池處理效果的重要因素［2］。石英砂濾料主要依靠其巨大的比表面積，對污染物的截留與吸附［3］。

目前很多污水處理設(shè)備廠家會在一體化設(shè)備后端附加生物砂濾池［4］，但從項目的實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)砂濾池容易堵塞，長時間運行后出水效率低，截污能力受到很大的限制，而主要原因是砂濾池石英砂粒徑選擇、填層高度以及反洗方式不合理等［5－7］。

本研究以石英砂砂濾池為研究對象，通過試驗探討不同石英砂粒徑、砂濾池填層高度以及反沖洗方式對砂濾池過濾性能的影響，以期為砂濾池的實際項目應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本次試驗采用脫水污泥與自來水混合配置成一定SS濃度的泥水來模擬試驗進(jìn)水，進(jìn)水SS濃度為40～50mg／L。

石英砂為市場采購，有三種粒徑，分別為4～8 mm的粗砂、2～4mm的中砂和1～2mm的細(xì)砂。石英砂采購回來后用自來水進(jìn)行清洗，然后烘干。

砂濾池為碳鋼材質(zhì)，內(nèi)部涂有防腐油漆，規(guī)格為Φ500mm×1500mm，設(shè)計濾速統(tǒng)一為8m／h。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 砂濾裝置流程

試驗配置SS濃度為40～50mg／L，通過污泥與循環(huán)水混配的方式配置進(jìn)水。配置好的試驗用水經(jīng)進(jìn)水泵輸送至4個砂濾池中（L1－L4），進(jìn)水罐內(nèi)設(shè)SS在線監(jiān)測儀和攪拌裝置，保持進(jìn)水水質(zhì)的均勻性。四個砂濾池的進(jìn)水流量通過流量計顯示，預(yù)設(shè)為0.25m3／h。進(jìn)水罐前設(shè)進(jìn)水儲罐，用來接收出水儲罐的來水。四個砂濾池后均配置流量計，以測量出水流量。此外，出水罐后設(shè)出水儲罐，出水儲罐通過循環(huán)泵，將出水回流至進(jìn)水儲罐，減少整套試驗裝置的配水用量。砂濾池試驗裝置如圖1所示。

圖1 砂濾池試驗裝置流程示意圖

1.2.2 砂濾裝置設(shè)計

砂濾池為四個，編號L1～L4。砂濾池試驗濾料裝填和反洗方式設(shè)計表見表1。水反洗程序設(shè)計：每4h啟動水反洗，每次反洗10min。氣水聯(lián)合反沖洗程序設(shè)計：每4h啟動氣水反洗。反洗開始→單獨水反沖洗120s→氣水聯(lián)合反沖洗120s→單獨水反沖洗120s→氣水聯(lián)合反沖洗120s→單獨水反沖洗120s→反沖洗結(jié)束。

表1 砂濾池試驗濾料裝填和反洗方式設(shè)計表 mm

本研究驗證不同粒徑、不同裝填比例、不同反洗方式對砂濾池過濾性能的影響，在相同進(jìn)水的條件下，研究不同砂濾池去除SS的效果。每天取樣三次，每次取樣時間為反沖洗前10min，每次取水1L，取樣后即測量水樣中SS濃度，取三次樣品SS濃度的平均值為當(dāng)天SS濃度值。取樣包括進(jìn)水與出水。

1.3 分析測定方

本試驗SS分析方法為《水質(zhì) 懸浮物的測定 重量法》（GB 11901—1989），采用的檢測儀器為BSA224S型電子天平／CDJC－YQ－012。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同粒徑石英砂對砂濾池過濾性能的影響

石英砂粒徑的大小是決定石英砂濾池過濾效果的重要影響因素。L1砂濾池和L2砂濾池的對比試驗結(jié)果如圖2所示，在開始階段L1與L2的過濾性能相差較少，隨著時間增加，L1與L2的過濾性能發(fā)生了較大的變化。其中，L1由于裝填的石英砂粒徑較小，其比表面積更大，對污染物的截留效率更高，第二周時，出水SS濃度保持在16～18mg／L。L2由于濾料粒徑較大，對污染物的截留效率相比L1較差，從第二周開始，出水SS濃度逐漸上升，表明過濾性能開始變差。第三周L1與L2的出水SS濃度均呈上升趨勢。同時L1濾層上端開始出現(xiàn)積液現(xiàn)象，表明L1中濾床出現(xiàn)了堵塞。到第四周L1的出水SS濃度出現(xiàn)急劇上升，甚至超過L2的出水SS濃度。這主要是由于L1在水反洗過程中，由于反洗受力不均出現(xiàn)了優(yōu)勢流，導(dǎo)致濾層過濾性能急劇惡化。

圖2 不同粒徑的石英砂對砂濾池過濾性能的影響

因此在實際應(yīng)用中，需要從出水水質(zhì)、運行條件等方面來選擇石英砂粒徑，粒徑越大，理論上可容納懸浮物雜質(zhì)就越多，即納污能力越強。但濾料粒徑太大時，濾料的比表面積隨之減小，嚴(yán)重削弱了濾料的過濾能力。粒徑越小，前期對污染物的截留效率更高，但濾床也比較容易被堵塞，從而造成過濾能力的降低。因此，要根據(jù)實際情況合理選擇。

2.2 不同裝填比例對砂濾池過濾性能的影響

L2砂濾池和L3砂濾池的對比試驗結(jié)果如圖3所示，第一周L2與L3的出水SS濃度相差較小。第二周與第三周時L2的出水SS濃度出現(xiàn)逐漸上升的趨勢，而L3的出水依舊保持較低的濃度。第四周L3的出水SS濃度也出現(xiàn)了緩慢上升的趨勢?？梢?，L3的過濾性能要優(yōu)于L2。這主要是由于L3比L2砂濾池中粒徑為2～4mm的石英砂裝填比例高，細(xì)砂比例較高的濾料對顆粒物的截留受顆粒性質(zhì)影響較小，表現(xiàn)出更穩(wěn)定的截留效果。適當(dāng)提高石英砂濾料中細(xì)砂比例雖然使過濾水頭損失略有增加，但能獲得更低的出水濁度和更穩(wěn)定的顆粒物截留效果。

圖3 不同裝填比例對砂濾池過濾性能的影響

2.3 不同反沖洗方式對砂濾池過濾性能的影響

石英砂濾池在運行過程中，從進(jìn)水中去除的雜質(zhì)積聚在濾料表面和顆粒間的孔隙內(nèi)，隨著砂濾池的持續(xù)運行，堆積在濾床中的雜質(zhì)會導(dǎo)致濾池的空隙率降低，當(dāng)水頭損失增加至最大允許水頭損失時，就需對砂濾池進(jìn)行反沖洗，清除砂濾池過濾所截留的污染物以使其恢復(fù)過濾截污能力。

本試驗通過L2砂濾池和L4砂濾池的對比試驗研究了不同反洗方式對濾池過濾性能的影響。如圖4和圖5所示，長時間運行后，L2砂濾池表面污泥大量沉積，而L4砂濾池表層基本無污泥堆積。

圖4 單獨水反洗砂濾池情況

圖5 氣水聯(lián)合反洗砂濾池情況

不同反沖方式對砂濾池過濾性能的影響如圖6所示，采用氣水聯(lián)合反沖洗方式的濾池，出水SS濃度一直維持在16～19mg／L，SS降低率為56.8% ～67.7%。而采用單獨水反洗的濾池出水SS在第四周時已達(dá)到了23～25mg／L，SS降低率為43.2% ～53.5%?？梢?，采用氣水聯(lián)合反洗的方式比單獨水反洗能更有效地清除濾層中截留的污染物，有利于砂濾池保持較好的過濾性能。這主要是由于單獨采用水對砂濾池進(jìn)行沖洗時，砂層基本沒有膨脹率，砂粒無法有效相互摩擦，砂層內(nèi)粘附的泥垢不能被有效剝落；而當(dāng)采用氣水聯(lián)合反沖洗時，強烈的攪動和環(huán)流作用會在砂濾池中產(chǎn)生，在氣體上升時產(chǎn)生氣泡形成氣流漩渦，會引起石英砂的翻滾和石英砂顆粒之間的碰撞和摩擦；同時因為石英砂的環(huán)流作用，在水流剪切力和石英砂相互摩擦的作用下，石英砂表面的附著雜質(zhì)被充分的剝落和擊碎，從而在氣水聯(lián)合反沖洗的水洗階段，將雜質(zhì)排出砂濾池［8－9］。

圖6 不同反沖洗方式對砂濾池過濾性能的影響

3 結(jié) 論

1.裝填小粒徑石英砂的砂濾池在短期運行時，其過濾性能和出水水質(zhì)優(yōu)于大粒徑的石英砂濾池；但隨運行時間增加小粒徑石英砂濾池水頭損失大于大粒徑濾池，長時間運行容易造成堵塞。因此在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)項目的運行周期、出水要求等實際情況選擇合適粒徑的石英砂。

2.適當(dāng)提高石英砂濾料中細(xì)砂比例雖然使過濾水頭損失略有增加，但能獲得更低的出水濁度和更穩(wěn)定的顆粒物截留效果，采用300mm厚粒徑8～12 mm的石英砂＋300mm厚粒徑4～8mm的石英砂＋400mm粒徑2～4mm的石英砂的裝填方式，能獲得更佳的過濾性能。

3.氣水聯(lián)合反洗效果顯著優(yōu)于單獨水洗效果，是石英砂濾池能夠連續(xù)運行的必要條件；此外，氣水聯(lián)合反沖洗可延長石英砂過濾池的使用周期，降低砂濾池更換填料的頻率也降低運營成本。