連續(xù)式砂濾器低砂層過濾性能研究

王靖雯，唐華瑞

（河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院建筑與測(cè)繪工程系，河南鄭州450001）

連續(xù)式砂濾器低砂層過濾性能研究

王靖雯，唐華瑞

（河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院建筑與測(cè)繪工程系，河南鄭州450001）

連續(xù)式砂濾器是一種改良的生物濾池，具有投資及運(yùn)行費(fèi)用低、管理簡(jiǎn)單等多重優(yōu)點(diǎn)。在50 cm低砂層條件下，研究了空氣量、濾速、砂循環(huán)速率對(duì)過濾性能的影響，得出裝置過濾的最優(yōu)工作參數(shù)為：濾速4.0～5.6m/h，氣量0.5～0.7m3/h，砂循環(huán)速率5.8～8.5mm/min，為連續(xù)式砂濾器的研發(fā)與優(yōu)化提供參考。在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，裝置對(duì)SS去除效果明顯。

連續(xù)式砂濾器；低砂層；濾速；氣量；砂循環(huán)速率

連續(xù)式砂濾器是一種新型過濾設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)過濾、反沖洗的不間斷同時(shí)進(jìn)行，具有投資及運(yùn)行費(fèi)用低、操作管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在污水深度處理和提標(biāo)改造中具有越來越重要的地位〔1〕。目前，世界各地已安裝有2萬臺(tái)連續(xù)式砂濾器，在50多個(gè)國(guó)家共有4 000多家用戶〔2〕。

連續(xù)式砂濾器多采用逆流過濾，原水從底部經(jīng)均勻布水后進(jìn)入濾料層，經(jīng)過濾后的清水在池體頂部的出水堰被收集排出，而水中的污染物被濾料攔截，如不及時(shí)對(duì)含污濾料進(jìn)行清洗，隨著污染物的累積，過濾吸附層界面逐漸上移，最終達(dá)到整個(gè)濾層飽和點(diǎn)，污染物泄漏，導(dǎo)致出水水質(zhì)變差。連續(xù)式砂濾器在錐形底部設(shè)空氣提升管，通過壓縮空氣將錐底的污砂提升至裝置頂部的洗砂器，洗砂器內(nèi)擁有曲折的通道，下落的污砂不斷與其碰撞，使附著在砂表面的污染物與其脫離，洗凈后的砂粒落到濾層頂部進(jìn)行下一輪吸附與清洗；清水液位高于洗砂器內(nèi)反洗水液位，在這個(gè)液位差的作用下，保證由洗砂器底部進(jìn)入的清水多于氣提管提升的水量，及時(shí)將洗掉的污染物一并帶出。

由于連續(xù)式砂濾器可實(shí)現(xiàn)連續(xù)反沖洗，且反沖洗強(qiáng)度可通過壓縮空氣量來調(diào)節(jié)，使污砂層及時(shí)得到清洗，保證含污層位于濾料層底部，因此，連續(xù)式砂濾器工作區(qū)域主要在濾層的下部。有研究表明，低溫水微絮凝過濾工作層約為40 cm〔3〕，過多的濾料在一定程度上并未充分發(fā)揮作用。在工程上，過高的濾層不僅增加土建費(fèi)和設(shè)備材料費(fèi)，還增加進(jìn)水的阻力，造成資源能源的浪費(fèi)。

因此，對(duì)連續(xù)式砂濾器低砂層厚度下的過濾性能進(jìn)行了初步研究，得出裝置運(yùn)行的最優(yōu)工作參數(shù)，為工程上連續(xù)式砂濾器的研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1　試驗(yàn)裝置與方法

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1　連續(xù)式砂濾器試驗(yàn)裝置

裝置尺寸為D 600mm×1 500mm，由有機(jī)玻璃黏結(jié)而成。進(jìn)水經(jīng)泵打入進(jìn)水管1，泵后設(shè)有回流管及電磁流量計(jì)（型號(hào)L-MAG-20），用于調(diào)節(jié)和計(jì)量進(jìn)水量。進(jìn)水打向反射錐9后均勻進(jìn)入石英砂濾層2，經(jīng)逆流式過濾后，清水經(jīng)可調(diào)節(jié)高度的出水堰4進(jìn)入出水管3排出。裝置中心部位設(shè)有氣提管11，其尺寸為D 28mm×1 200mm，下端設(shè)有喇叭口，壓縮空氣經(jīng)氣管8（內(nèi)徑6mm）對(duì)應(yīng)喇叭口中心，進(jìn)行提砂反沖洗，設(shè)有氣體流量計(jì)（型號(hào)LZB-10）用于調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，控制反沖洗強(qiáng)度。反洗水經(jīng)出水管7流出。

1.2試驗(yàn)方法

利用新密市某城市污水處理廠二級(jí)生化處理出水進(jìn)行試驗(yàn)，以粒徑為2.0～2.5mm的石英砂作為濾料，有效濾層厚度為50 cm。改變工作參數(shù)，裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，連續(xù)3次進(jìn)行測(cè)定并取平均值。使用哈希測(cè)定儀DR2800對(duì)COD、TN、TP、SS進(jìn)行測(cè)定，使用直尺測(cè)定砂循環(huán)時(shí)下落高度。

2　結(jié)果與討論

2.1空氣量對(duì)砂循環(huán)速率的影響

控制濾速穩(wěn)定在5.2m/h，保持裝置連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，在不同空氣量條件下，測(cè)量砂層下落高度，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著空氣量的增加，砂循環(huán)速率不斷增大，其增長(zhǎng)速率逐漸減小，最后趨于一個(gè)穩(wěn)定值。當(dāng)氣量小于0.1m3/h時(shí)，空氣在提砂管中呈鼓泡型，雖能擾動(dòng)提砂管底部的砂并提升一定的高度，但還未到達(dá)頂部洗砂器就開始下落了；當(dāng)氣量為0.1～0.6m3/h時(shí)，砂循環(huán)速率與空氣量整體上成線性關(guān)系；當(dāng)氣量為0.6～0.8m3/h時(shí)，砂循環(huán)速率增長(zhǎng)緩慢且趨于平穩(wěn)，這是因?yàn)槭艿搅颂嵘肮芄軓降闹萍s，使單位空氣量的提砂效率有所下降；當(dāng)氣量大于0.8 m3/h時(shí)，砂循環(huán)速率趨于10.1mm/min，此時(shí)提砂量為2.85 L/min，提砂管直徑成了最大提砂量的限制因素〔4〕。

圖2　空氣量對(duì)砂循環(huán)速率的影響

2.2濾速對(duì)過濾性能的影響

控制氣量為0.6m3/h，改變進(jìn)水量，裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，測(cè)定進(jìn)出水SS，結(jié)果如圖3所示。

圖3　濾速對(duì)SS去除率的影響

由圖3可知，隨著濾速的增大，SS去除率整體上呈下降趨勢(shì)。當(dāng)濾速小于5.9m/h時(shí)，裝置對(duì)SS的去除率能保持在45%以上；當(dāng)濾速大于5.9m/h時(shí)，SS去除率逐漸下降。這是因?yàn)椋簽V速過大，進(jìn)水會(huì)對(duì)砂層產(chǎn)生沖擊，而砂層厚度低又易引起砂層松動(dòng)，進(jìn)水以較高流速穿過砂層，將已被濾料截留下來的污染物又沖出砂層，混入清水，從而引起出水水質(zhì)變差；當(dāng)濾速較低時(shí)，SS去除率較高，達(dá)到了60%以上。

2.3砂循環(huán)速率對(duì)過濾性能的影響

控制濾速穩(wěn)定在5.2m/h，通過調(diào)節(jié)空氣量來改變砂循環(huán)速率，裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，測(cè)定進(jìn)出水SS，結(jié)果如圖4所示。

圖4　砂循環(huán)速率對(duì)SS去除率的影響

由圖4可知，隨著砂循環(huán)速率的增加，SS的去除率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)砂循環(huán)速率較小時(shí)，由于砂循環(huán)速率小于過濾吸附層的上移速度，含污砂層不能及時(shí)得到清洗，砂層中污染物累積過多，達(dá)到了泄漏點(diǎn)，穩(wěn)定的連續(xù)過濾過程受到破壞，故此時(shí)出水SS較高；當(dāng)砂循環(huán)速率大于3.2mm/min時(shí)，砂循環(huán)速率大于過濾吸附層上移速度，連續(xù)過濾過程得以正常運(yùn)行，SS去除效果較好；但是，當(dāng)砂循環(huán)速率大于9.0mm/min時(shí)，提砂量較大，較多的污砂被提升到洗砂器中并擁擠在其中，造成水力阻力增大，此時(shí)液位差已不能有效地將洗下的懸浮物等污染物壓出，反洗水進(jìn)入清水區(qū)，造成出水水質(zhì)惡化。

2.4最佳過濾狀態(tài)對(duì)污染物的去除效果

控制濾速在4.0～5.2m/h、砂層高為50 cm、砂循環(huán)速率在7.2～8.4mm/min的狀況下，連續(xù)運(yùn)行15 d，對(duì)COD、TN、TP、SS每天測(cè)定1次，COD、TN、TP、SS平均去除率分別為17%、9%、8%、56%?？梢钥闯?，裝置對(duì)SS有較好的去除效果，對(duì)COD的去除效果一般，對(duì)TN、TP的去除效果較差。大部分顆粒態(tài)污染物得以去除，主要是受濾料的物理過濾作用；另一方面，生化出水中含有的微生物附著于砂粒表面，對(duì)COD、TN、TP的去除也有一定作用，但受到碳源不足的影響，脫氮效果不明顯。由砂循環(huán)速率可知，石英砂在池體中的清洗周期僅有幾個(gè)小時(shí)，附著于石英砂表面的少量污泥中含有微生物，還未形成生物膜就被洗去帶走，然而，洗砂過程中雖有劇烈摩擦，但石英砂凹面處仍殘留一部分生物膜〔5〕，才使得砂濾器具有脫碳脫氮等微生物作用。因此，濾料的表面特性對(duì)連續(xù)式砂濾器的性能有重要作用。

3　結(jié)論

以連續(xù)式砂濾器為研究對(duì)象，處理二級(jí)生化出水，分析了砂濾器在50 cm砂層厚度下，空氣量對(duì)砂循環(huán)速率以及濾速、砂循環(huán)速率對(duì)過濾性能的影響。

（1）空氣量在0.6～0.8m3/h，濾速在4.0～5.2m/h，砂循環(huán)速率在7.2～8.4mm/min時(shí)，連續(xù)式砂濾器處于最佳過濾狀態(tài)，直徑28mm氣提管最大提砂量為2.85 L/min。

（2）過濾吸附層的上移速度決定了最小砂循環(huán)速率，中心氣提管直徑以及洗砂器的構(gòu)造限制了最大砂循環(huán)速率。然而，過大的氣提管和洗砂器又會(huì)造成提砂過快和反洗水量增加，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。

（3）在最佳過濾狀態(tài)下，SS平均去除率為56%，能夠滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)B到一級(jí)A的提標(biāo)改造，但由于碳源不足及較短的砂清洗周期，其對(duì)TN的去除效果較差。連續(xù)式砂濾器的濾料表面特性對(duì)其生物作用有重要意義，掛膜后生物處理效果有待后續(xù)研究。

［1］李俊生.活性砂過濾器在城鎮(zhèn)污水廠節(jié)能減排中的應(yīng)用［J］.中國(guó)給水排水，2010，26（1）：57-59.

［2］曾如婷，張鴻濤，程林波，等.活性濾料濾池的應(yīng)用探討［J］.中國(guó)給水排水，2013，29（20）：14-18.

［3］陳志強(qiáng)，呂炳南，溫沁雪，等.內(nèi)循環(huán)連續(xù)式砂濾器的微絮凝過濾試驗(yàn)［J］.中國(guó)給水排水，2002，18（1）：45-49.

［4］曾如婷，張鴻濤，程林波，等.活性濾料濾池氣提系統(tǒng)影響因素研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（5）：1239-1243.

［5］譚明，袁蘊(yùn)儉，劉用林，等.連續(xù)砂濾池在低水溫條件下的反硝化脫氮效果［J］.環(huán)境工程，2014，11（4）：46-50.

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Research on the filtration capacity of the low sand bed of continuous sand filter

Wang Jingwen，Tang Huarui
（Departmentof Architecture and Engineering of Surveying and Mapping，Wanfang CollegeofScience and Technology HPU，Zhengzhou 450001，China）

The continuous sand filter isa kind ofmodified biofilter，which hasmany advantages，such as low investment，low operating costs and simplemanagement，etc.The influences of the amount of air，filtration rate and sand circulating rate on filtration capacity has been studied，when the low sand bed condition is 50 cm.The optimum working parameters obtained for the installation of filtration are as follows:filtration rate is 4.0-5.6m/h，amount of air 0.5-0.7m3/h，and sand circulation rate 5.8-8.5mm/min，providing reference for the research，development and optimization of continuous sand filter.Under optimum operation conditions，the device has significant removing effecton SS.

continuous sand filter；low sand bed；filtering rate；amountofair；sand circulating rate

TU991.24

A

1005-829X（2016）03-0084-03

王靖雯（1989—），碩士。電話：13526605075，E-mail：simpe6475@163.com。

2016-01-19（修改稿）