污水深度處理中濾布濾池工藝設(shè)計(jì)方案探討

張武剛

(上海禾元環(huán)保集團(tuán)有限公司，上海 201204)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平提高，對(duì)污水處理設(shè)施的建設(shè)需求日益增長(zhǎng)?！冻擎?zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)和《城市污水再生利用》系列標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以來(lái)，對(duì)污水廠新建、污水廠提標(biāo)改造、城鎮(zhèn)污水再生利用要求水質(zhì)逐步提高。目前我國(guó)污水處理建設(shè)已經(jīng)由“規(guī)模增長(zhǎng)”向“提質(zhì)增效”轉(zhuǎn)變，由“污水處理”向“再生利用”轉(zhuǎn)變。

污水處理和再生利用標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)懸浮物或濁度指標(biāo)有要求，過(guò)濾是達(dá)標(biāo)排放或再生利用的關(guān)鍵技術(shù)。過(guò)濾是借助過(guò)濾材料分離廢水中雜質(zhì)的一種技術(shù)，分為顆粒材料過(guò)濾和多孔材料過(guò)濾兩大類。水處理和再生利用領(lǐng)域常用的過(guò)濾技術(shù)有以下幾種：粒狀濾料濾池(如V型濾池)、濾布濾池(如纖維轉(zhuǎn)盤濾池)、纖維束濾池(如D型濾池)、連續(xù)過(guò)濾砂濾池(如連續(xù)流砂濾池)、膜過(guò)濾(如超濾)、濾芯過(guò)濾(如PP過(guò)濾器)、疊片盤式過(guò)濾、濾袋過(guò)濾等，關(guān)于各種過(guò)濾技術(shù)的應(yīng)用和比較，文獻(xiàn)中已有報(bào)道[1-4]。其中，濾布濾池是利用一定孔徑的濾布過(guò)濾以去除懸浮固體，主要使水中懸浮物、濁度指標(biāo)達(dá)到污水排放或再生利用標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于濾布濾池的特點(diǎn)和比較在各種文獻(xiàn)中已有相關(guān)報(bào)道[5-6]。

本文主要從設(shè)計(jì)及設(shè)備選型方面對(duì)濾布濾池進(jìn)行介紹，總結(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)并提出設(shè)計(jì)要點(diǎn)，結(jié)合濾布濾池在深圳福田污水處理廠的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了濾布濾池在污水深度處理工程中的設(shè)計(jì)與選型參數(shù)。

1 過(guò)濾機(jī)理、類型比選及運(yùn)行過(guò)程

1.1 過(guò)濾機(jī)理

按照Elsevier出版的過(guò)濾器和過(guò)濾手冊(cè)(filters and filtration handbook)對(duì)過(guò)濾機(jī)理的分類，濾布濾池的過(guò)濾機(jī)理主要有表面篩濾(surface straining)和深層粗濾(depth straining)兩種。表面篩濾是指尺寸大于介質(zhì)空隙的顆粒沉淀于截留表面；深層粗濾是指顆粒進(jìn)入介質(zhì)的深部，并依靠深部流道尺寸小于顆粒尺寸來(lái)截留顆粒。

1.2 類型比選

根據(jù)以上兩種過(guò)濾機(jī)理，濾布濾池常用的過(guò)濾介質(zhì)分為以下兩類。

纖維織物/絲網(wǎng)濾布類：不銹鋼絲網(wǎng)或聚酯絲網(wǎng)是由不銹鋼絲或聚酯絲編織成的空隙為微米級(jí)別的濾網(wǎng)，其過(guò)濾原理是通過(guò)空隙進(jìn)行表面篩濾，屬于表面過(guò)濾。不銹鋼絲網(wǎng)濾布?jí)勖蛇_(dá)10～15年，聚酯絲網(wǎng)濾布?jí)勖鄬?duì)較短，二者均沒(méi)有過(guò)濾深度，過(guò)濾水位上升快，沖洗頻繁。

纖維毛類：纖維毛濾布是由聚酯支撐和尼龍纖維堆織而成，濾布孔徑為10 μm，屬于表面過(guò)濾。過(guò)濾時(shí)纖維毛無(wú)規(guī)則搭接，纖維毛間可以形成3～5 mm過(guò)濾深度，形成致密的纖維過(guò)濾層，提高了介質(zhì)的納污能力，過(guò)濾水位上升相對(duì)較慢，但纖維毛濾布不適用于含纖維狀懸浮物的污水過(guò)濾。

濾布濾池按過(guò)濾器工作原理分為外進(jìn)水和內(nèi)進(jìn)水兩種。外進(jìn)水是進(jìn)水重力流通過(guò)濾布，懸浮物被截留在濾布外側(cè)，濾液從濾布內(nèi)側(cè)流出，濾盤100%浸沒(méi)在水中；內(nèi)進(jìn)水是進(jìn)水重力流進(jìn)入濾盤內(nèi)，懸浮物被截留在濾布內(nèi)側(cè)，濾液從濾布外側(cè)流出，整個(gè)過(guò)程濾盤浸沒(méi)面積為40%～60%。從國(guó)內(nèi)最早運(yùn)行的過(guò)濾示范工程無(wú)錫城北污水處理廠和無(wú)錫蘆村污水處理廠來(lái)看，相比外進(jìn)水過(guò)濾方式，內(nèi)進(jìn)水過(guò)濾有效過(guò)濾面積小，反沖洗效果稍差，占地面積稍大，故障率高。

濾布濾池按沖洗方式分為反抽吸沖洗和高壓水噴頭沖洗兩種形式。反抽吸沖洗是通過(guò)吸盤將濾液從濾布內(nèi)側(cè)反抽吸至濾布外側(cè)，反抽吸水帶走濾布外表面的顆粒物，恢復(fù)濾布過(guò)濾能力，沖洗壓力為7～15 m，是目前常用的沖洗方式；高壓水噴頭沖洗是高壓水噴頭從濾布外高壓噴洗，將濾布內(nèi)測(cè)的顆粒物沖洗下來(lái)，沖洗壓力可達(dá)70～80 m，常用于內(nèi)進(jìn)水類型濾布濾池。

濾布濾池按濾盤外形分為圓形(多邊形)、豎片形(菱形)、異形(星形、折扇形、半圓形、轉(zhuǎn)筒形、輻流式)。圓形(多邊形)濾盤，單個(gè)濾盤由多個(gè)獨(dú)立分片組合為一個(gè)盤片，盤片固定在中心桶上，是目前應(yīng)用最多的一種形式，技術(shù)最為成熟；豎片形(菱形)濾池最大特點(diǎn)是水下無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，反洗采用桁車式行走裝置，池形布置靈活，目前標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備少，應(yīng)用相對(duì)較少；異形濾池主要包括星形、折扇形、半圓形、輻流式等，其中星形、折扇形、半圓形一般配合內(nèi)進(jìn)水型濾池使用，輻流式一般結(jié)合二沉池使用，異形濾池在國(guó)內(nèi)很少應(yīng)用。

對(duì)國(guó)內(nèi)成功運(yùn)行的濾布濾池進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)采用圓形外進(jìn)水纖維毛濾布濾池處理效果好、占地面積小、運(yùn)行穩(wěn)定、故障率低，是應(yīng)用最多的濾布濾池類型。

1.3 運(yùn)行過(guò)程

濾布濾池采用重力流連續(xù)過(guò)濾方式，以圓形外進(jìn)水纖維毛濾布濾池為例介紹濾布濾池的運(yùn)行過(guò)程。濾布濾池的運(yùn)行過(guò)程包括：過(guò)濾、反沖洗、排泥三個(gè)狀態(tài)。

過(guò)濾：進(jìn)水通過(guò)布水堰進(jìn)入濾池，進(jìn)水由濾布外側(cè)進(jìn)入，懸浮物被截留在濾布外側(cè)，濾液通過(guò)中空管收集，經(jīng)出水堰排出濾池；過(guò)濾期間，濾盤處于靜止?fàn)顟B(tài)，有利于污泥沉積。

清洗：過(guò)濾過(guò)程顆粒物附著于濾布外側(cè)，逐漸形成污泥層，過(guò)濾阻力增加，濾池水位逐漸升高，通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)液位變化，當(dāng)液位達(dá)到清洗設(shè)定值或設(shè)定清洗時(shí)間間隔時(shí)，啟動(dòng)反沖洗泵，開始清洗；清洗期間，濾盤低速轉(zhuǎn)動(dòng)，反沖洗泵負(fù)壓抽吸濾布表面，吸除濾布上積聚的顆粒物，抽吸水清洗濾布，瞬時(shí)沖洗面積約1%，反沖洗盤間歇運(yùn)行，其他未清洗盤繼續(xù)進(jìn)行過(guò)濾過(guò)程，清洗過(guò)程交替進(jìn)行，直至對(duì)所有濾盤全部沖洗，恢復(fù)過(guò)濾過(guò)程。

排泥：濾布濾池一般設(shè)有斗形池底，池底設(shè)有排泥管道，當(dāng)污泥在池底沉積后，啟動(dòng)反沖洗泵，切換電磁閥進(jìn)行排泥。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

隨著濾布濾池在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用，新修訂的規(guī)范中增補(bǔ)了部分濾布濾池設(shè)計(jì)參數(shù)，但是不夠全面，直接套用規(guī)范設(shè)計(jì)參數(shù)容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)取值出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致濾池運(yùn)行不正常。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外濾布濾池設(shè)備的考察和多個(gè)工程設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，以圓形外進(jìn)水纖維毛濾布濾池為例，結(jié)合《污水過(guò)濾處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ 2008—2010)和《城鎮(zhèn)污水再生利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50335—2016)對(duì)濾布濾池設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

關(guān)于濾布濾池的進(jìn)水出水水質(zhì)，過(guò)濾規(guī)范建議“進(jìn)水水質(zhì)SS宜小于30 mg/L，瞬時(shí)SS不大于80 mg/L，出水SS小于5 mg/L”，再生規(guī)范建議“濾池的進(jìn)水SS 宜小于20 mg/L”。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，濾布濾池進(jìn)水SS小于20 mg/L時(shí)，出水SS可以保證小于10 mg/L，出水混合樣平均小于5 mg/L，出水濁度小于5 NTU。建議設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)參考兩個(gè)規(guī)范，設(shè)計(jì)要求污水排放時(shí)，進(jìn)水SS小于20 mg/L，出水SS小于10 mg/L。

濾布濾池的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是濾速選取，分為平均濾速和峰值濾速。過(guò)濾規(guī)范建議“平均濾速宜選用7～10 m/h，短期可達(dá)12 m/h”，再生規(guī)范建議“宜采用8～10 m/h或通過(guò)試驗(yàn)確定”。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)平均濾速選取7～10 m/h比較合理，應(yīng)結(jié)合進(jìn)出水SS選取，進(jìn)水SS高時(shí)濾速取低值；峰值濾速選取不宜超過(guò)15 m/h；采用固體負(fù)荷進(jìn)行校核，固體負(fù)荷取值4～6 kg/(m2·d)。

濾布濾池水頭損失，過(guò)濾規(guī)范建議“水頭損失為0.25～0.3 m”；再生規(guī)范建議“水頭損失宜為0.2～0.4 m”；規(guī)范建議值差別較小，規(guī)范考慮了濾池內(nèi)水頭損失，未包含進(jìn)出水管道及布水水頭損失，建議整個(gè)濾布濾池工藝段設(shè)計(jì)水頭損失應(yīng)經(jīng)過(guò)計(jì)算，且大于0.65 m。

濾布濾池反洗，過(guò)濾規(guī)范建議“反沖洗強(qiáng)度為300～350 L/(m2·s)，反沖洗時(shí)間一般為1～2 min”，再生規(guī)范建議“反洗轉(zhuǎn)速宜為0.5～1.0 r/min，反沖洗水量宜為處理水量的1.0%，反沖洗泵揚(yáng)程宜為7～15 m”。建議參考兩個(gè)規(guī)范，結(jié)合濾布濾池供應(yīng)商提供的參數(shù)，進(jìn)水SS高時(shí)反洗強(qiáng)度取高值，反沖洗泵揚(yáng)程取大值，避免出現(xiàn)頻繁反洗或沖洗不徹底的情況，同時(shí)建議反洗過(guò)程除液位控制外，增加時(shí)間控制強(qiáng)制反沖洗，強(qiáng)制反沖洗時(shí)間建議取2～4 h。

2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在濾布濾池設(shè)計(jì)中還要考慮以下方面。

濾盤直徑規(guī)格為0.7～3.0 m，濾盤過(guò)濾面積需根據(jù)濾布濾池廠家提供的參數(shù)選取或經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算，以常用的2.0 m和3.0 m盤片直徑為例，單盤過(guò)濾面積分別為5.7 m2和12.6 m2，單組濾盤數(shù)量一般介于1～20。

濾布濾池可以采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或一體化設(shè)備形式建造。

當(dāng)采用單組濾布濾池時(shí)，應(yīng)設(shè)置超越渠道或管道，防止因?yàn)V布濾池檢修或更換濾布造成停產(chǎn)；當(dāng)采用多組濾布濾池時(shí)，還應(yīng)設(shè)置布水渠道。

濾布濾池進(jìn)出水穿墻孔的過(guò)孔流速宜小于1.0 m/s，出水側(cè)墻應(yīng)設(shè)置溢流通道，通道底標(biāo)高應(yīng)高出運(yùn)行反洗液位0.15 m以上。

濾布濾池應(yīng)設(shè)置排泥斗，定期排泥。

當(dāng)濾布濾池設(shè)置在序批式排水SBR工藝段后時(shí)，建議增設(shè)調(diào)節(jié)池，否則應(yīng)根據(jù)前端SBR排水時(shí)間及池?cái)?shù)合理選取濾速，峰值濾速小于15 m/h。

濾布濾池可以去除懸浮物和與懸浮物有關(guān)的磷，對(duì)溶解性物質(zhì)以及膠體去除率有限。對(duì)磷有去除要求的過(guò)濾工藝，首先應(yīng)考慮生化池末端投加藥劑或經(jīng)絮凝沉淀后出水進(jìn)入濾布濾池，避免濾布濾池頻繁反沖洗和通量降低；當(dāng)采用微絮凝+濾布濾池工藝時(shí)，反應(yīng)時(shí)間不小于5 min，宜采用機(jī)械反應(yīng)池，應(yīng)采用鋁鹽、鐵鹽為主的藥劑，PAC投加量宜小于20 mg/L，PAM投加量宜小于1.0 mg/L，設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)經(jīng)試驗(yàn)或參考類似項(xiàng)目；當(dāng)采用微絮凝+濾布濾池工藝時(shí)，應(yīng)加大反抽吸強(qiáng)度，反沖洗強(qiáng)度為300～600 L/(m2·s)。

設(shè)置于室外的濾布濾池應(yīng)加蓋，防止藻類滋生或異物進(jìn)入濾池?fù)p壞濾布。當(dāng)濾布濾池內(nèi)有藻類滋生時(shí)，可考慮采用臨時(shí)加氯作殺菌處理，加氯量應(yīng)小于15 mg/L。

當(dāng)濾布濾池在北方應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮反洗系統(tǒng)保溫措施，選用防凍型濾布濾池或?qū)V布濾池反沖洗泵設(shè)置在濾布濾池內(nèi)水面以下。

3 深圳福田污水處理廠深度處理濾布

濾池設(shè)計(jì)與選型

深圳福田污水處理廠工程一期設(shè)計(jì)規(guī)模為40×104m3/d，總變化系數(shù)為1.30，預(yù)處理采用轉(zhuǎn)鼓式細(xì)格柵+曝氣沉砂池+初次沉砂池工藝，主體處理采用多段強(qiáng)化脫氮AAO生物池+矩形二沉池工藝，深度處理采用濾布濾池+紫外線消毒池工藝，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)目于2016年投入運(yùn)行。

3.1 工藝流程設(shè)計(jì)

濾布濾池具有耐沖擊負(fù)荷、過(guò)濾效率高、錯(cuò)流過(guò)濾、水頭損失小、濾速快、占地省、全自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行、反沖洗水量少、運(yùn)行費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)，深度處理設(shè)計(jì)采用濾布濾池+紫外線消毒池工藝。污水深度處理工藝流程如圖1所示。

圖1 污水深度處理工藝流程Fig.1 Process Flow Diagram of Advanced Wastewater Treatment

二沉池出水采用纖維轉(zhuǎn)盤濾布濾池進(jìn)行過(guò)濾，進(jìn)一步降低出水的SS及濁度。濾布濾池進(jìn)出水SS≤20 mg/L，出水SS要求≤10 mg/L。

3.2 工藝設(shè)計(jì)與選型

3.2.1 設(shè)計(jì)與選型

設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)流量為40×104m3/d，總變化系數(shù)為1.30，取設(shè)計(jì)平均濾速為8.50 m/h，總有效過(guò)濾面積為1 960.78 m2。選用纖維轉(zhuǎn)盤濾布濾池，過(guò)濾方式為外進(jìn)內(nèi)出，濾布材質(zhì)為聚酯底面支撐+尼龍纖維表層，抗氯型，濾布過(guò)濾精度為10 μm，常用轉(zhuǎn)盤濾池直徑分別有Φ2.0 m和Φ3.0 m。

方案1：直徑Φ2.0 m，單盤過(guò)濾面積為5.7 m2，計(jì)算濾盤總數(shù)量344盤；單組最大盤數(shù)為20盤，最小組數(shù)為18組，濾盤總數(shù)為360盤；單組處理水量為2.2×104m3/d，單組最大處理能力為2.9×104m3/d，估算占地約39.5 m×27.0 m，濾池深度為3.5 m。

方案2：直徑Φ3.0 m，單盤過(guò)濾面積為12.6 m2，計(jì)算濾盤總數(shù)量為156盤；單組最大盤數(shù)為20盤，最小組數(shù)為8組，濾盤總數(shù)為160盤；單組處理水量為5.0×104m3/d，單組最大處理能力為6.5×104m3/d，估算占地約27.4 m×27.2 m，濾池深度為4.7 m。

對(duì)比方案1和方案2，方案2單組處理能力更大，設(shè)備更少，占地更少，且留出足夠操作空間，選擇方案2直徑Φ3.0 m進(jìn)行設(shè)計(jì)。

單組處理水量為5.0×104m3/d，共8組，單套過(guò)濾面積為252 m2，總有效過(guò)濾面積為2 016 m2，復(fù)核平均濾速為8.27 m/h，復(fù)核強(qiáng)制濾速為9.45 m/h<15 m/h，復(fù)核峰值濾速為10.75 m/h<15 m/h，復(fù)核最大固體負(fù)荷為5.16 kg/(m2·d)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 水力計(jì)算

進(jìn)口水力損失h1，計(jì)算如式(1)。

(1)

其中：h1—進(jìn)口水力損失，m；ξ—局部阻力系數(shù)；v—進(jìn)口流速，m/s；g—重力加速度，m/s2。

其中，ξ查表為1.06[7]，v=0.58 m/s，g=9.81 m/s2。根據(jù)式(1)計(jì)算進(jìn)口水力損失h1=0.018 m。

布水堰水頭損失h2，計(jì)算如式(2)。

(2)

其中：Q—最大流量，m3/s；m—流量系數(shù)；b—堰寬，m；g—重力加速度，m/s2；h2—布水堰水頭損失，m。

其中，Q=0.75 m3/s，m查表0.42[7]，b=4 m，g=9.81 m/s2。根據(jù)式(2)計(jì)算布水堰水頭損失h2=0.217 m；布水堰跌落水頭h3：取0.03 m；反洗經(jīng)濟(jì)液位h4：取0.3 m；濾布水頭損失h5：取0.05 m；出水堰水頭損失h6：出水堰與進(jìn)水堰同寬，計(jì)算同h2，出水堰水頭損失為0.217 m；出水堰跌落水頭h7：取0.05 m；總水頭損失為h1～h7之和：0.882 m，取0.9 m(進(jìn)水渠至出水渠)。

單池進(jìn)水相對(duì)標(biāo)高+7.30 m，修正后的單池水力高程如圖2所示，單池出水相對(duì)標(biāo)高+6.4 m。

3.2.3 配套設(shè)備

進(jìn)水閘門：8臺(tái)；進(jìn)水堰板：8套；出水堰板：8套；濾布支架/中心桶/吸盤：8套；驅(qū)動(dòng)電機(jī)：1臺(tái)/套，8臺(tái)，功率為0.75 kW；反沖洗泵：4臺(tái)/套，32臺(tái)，流量為50 m3/h，揚(yáng)程為7 m，功率為2.2 kW；反沖洗電動(dòng)球閥：12臺(tái)/套，96臺(tái)，功率為0.04 kW；液位控制器：8套；控制柜：8套；管配件：8套。

圖2 單池高程圖Fig.2 Elevation Diagram of Revised Filter

3.3 運(yùn)行參數(shù)估算

單臺(tái)裝機(jī)功率為10.03 kW，總裝機(jī)功率為80.24 kW。

運(yùn)行功率：?jiǎn)谓M濾池每次反洗運(yùn)轉(zhuǎn)2臺(tái)水泵、2臺(tái)電動(dòng)閥和1臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；反洗間隔為1～2 h(按照2 h計(jì)算，每天12次)，單組每次反沖洗時(shí)長(zhǎng)為12 min，每天反洗運(yùn)行2.4 h；排泥間隔為6～8 h/次，單組每次排泥持續(xù)30 s，忽略不計(jì)；單臺(tái)平均運(yùn)行功率為0.52 kW，總運(yùn)行功率為4.16 kW。

單位產(chǎn)水能耗：0.000 25 kW·h/m3。

反洗耗水量：1 920 m3/d ，占總水量比0.48%。

4 結(jié)語(yǔ)

濾布濾池是污水深度處理和再生利用的重要工藝，具有出水水質(zhì)好、水頭損失小、運(yùn)行費(fèi)用低、水力負(fù)荷高、占地面積小、連續(xù)運(yùn)行、全自動(dòng)運(yùn)行、操作及保養(yǎng)簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)。本文主要從設(shè)計(jì)及設(shè)備選型方面對(duì)濾布濾池進(jìn)行介紹，結(jié)合濾布濾池在污水深度處理工程中的設(shè)計(jì)實(shí)例，詳細(xì)介紹了濾布濾池設(shè)計(jì)與選型參數(shù)，為今后濾布濾池在大型污水深度處理和再生利用工程的應(yīng)用提供借鑒。

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