飲用水處理廠(chǎng)過(guò)濾器性能的評(píng)估

陸 軍

(西林縣水利局，廣西 百色 533500)

1 概 述

為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村飲用水安全、保證及時(shí)供應(yīng)用水、逐步改善人民生活條件[1-3]，西林縣水利局通過(guò)水處理廠(chǎng)來(lái)完成目標(biāo)。已知水處理廠(chǎng)的產(chǎn)能可從2.000 L/s增加到2.400 L/s，但是為了保證出水質(zhì)量，實(shí)際容量應(yīng)保持在2.000 L/s。當(dāng)溫度升高時(shí)，水的產(chǎn)量隨之減少，水的質(zhì)量和數(shù)量也變得不穩(wěn)定[4-6]。雖然改進(jìn)容量的目的是增加水產(chǎn)量，但該目標(biāo)未能順利實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@將導(dǎo)致反沖洗過(guò)濾器的頻率隨之增加。

分析從西林縣水利局獲得的數(shù)據(jù)得出，過(guò)濾器的平均濁度符合有關(guān)飲用水質(zhì)量要求的規(guī)定，低于5NTU(渾濁度單位)。但是大部分的污水濁度值無(wú)法達(dá)到西林縣水利局關(guān)鍵性能指標(biāo)中規(guī)定的目標(biāo)，即濁度值應(yīng)低于1NTU。設(shè)置關(guān)鍵指標(biāo)是為了保證濁度分布在最遠(yuǎn)的點(diǎn)上也可以保持在規(guī)定值內(nèi)。因此，為了達(dá)到西林縣水利局在產(chǎn)出水?dāng)?shù)量和質(zhì)量方面的目標(biāo)，需對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行評(píng)估，該評(píng)估將側(cè)重于確定過(guò)濾裝置的性能和反沖洗性能。

2 試驗(yàn)方法

本研究使用的設(shè)備如下：①濁度計(jì)；②分析尺度；③巖心取樣工具：AW型PVC管，直徑3.81 cm，長(zhǎng)度152.4 cm；④水和介質(zhì)樣品的容器；⑤玻璃器皿：3個(gè)100 ml的錐形玻璃杯、3個(gè)500 ml的玻璃燒杯、3個(gè)玻璃漏斗和1個(gè)100 ml的量杯。

首先對(duì)14個(gè)過(guò)濾器單元進(jìn)行評(píng)估，明確其總體性能；然后從第一次評(píng)估中選出3個(gè)過(guò)濾器單元，并對(duì)其進(jìn)行二次評(píng)估。數(shù)據(jù)由主要數(shù)據(jù)和次要數(shù)據(jù)組成：主要數(shù)據(jù)來(lái)自實(shí)地測(cè)量，次要數(shù)據(jù)來(lái)自水處理廠(chǎng)收集的數(shù)據(jù)。

2.1 評(píng)估過(guò)濾器性能

首先評(píng)估14個(gè)過(guò)濾器單元，然后確定3個(gè)過(guò)濾器單元，應(yīng)用過(guò)濾器取芯方法再進(jìn)一步評(píng)估，主要包括以下3個(gè)步驟。

2.1.1 濁度值測(cè)量

測(cè)量收集流入和流出過(guò)濾器的樣品，總共28個(gè)，然后用濁度計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量?；跍y(cè)量結(jié)果，計(jì)算過(guò)濾器去除效率。

2.1.2 反沖洗水量的比率

該計(jì)算使用輔助數(shù)據(jù)來(lái)確定每個(gè)單元使用的反沖洗水量，以百分比為單位，然后將結(jié)果與過(guò)濾器性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。用以下公式計(jì)算比率：

(1)

式中：比率單位為%；反沖洗水量單位為m3；生產(chǎn)水量單位為m3。

2.1.3UFRV計(jì)算

該計(jì)算使用輔助數(shù)據(jù)，根據(jù)過(guò)濾器單元的尺寸確定過(guò)濾器產(chǎn)量，然后將結(jié)果與過(guò)濾器性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。用以下公式計(jì)算UFRV：

UFRV=過(guò)濾率×工作時(shí)間

(2)

式中：UFRV單位為m3/m2；過(guò)濾率單位為m3/(m2·h)；工作時(shí)間單位為h。

2.2 評(píng)估反沖洗性能

基于上述評(píng)價(jià)結(jié)果，再進(jìn)行一次評(píng)估，確定3個(gè)過(guò)濾器單元，應(yīng)用過(guò)濾器取芯方法進(jìn)行二次評(píng)估。其中，3個(gè)過(guò)濾器單元分別是性能最好、性能中等的和性能最差的過(guò)濾器單元。

2.2.1 目視檢查過(guò)濾器

將過(guò)濾器排空并隔離，然后進(jìn)行目視檢查，主要查看過(guò)濾器表面的裂紋、泥球等現(xiàn)象。檢查時(shí)，以梯子和膠合板為基礎(chǔ)圍繞過(guò)濾器進(jìn)入，而不能直接踩在過(guò)濾器上。

2.2.2 巖心取樣

在過(guò)濾介質(zhì)中，選定3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行巖心取樣。步驟也是排放和隔離過(guò)濾器，使用巖心取樣工具根據(jù)不同的深度進(jìn)行取樣，每個(gè)取樣點(diǎn)的深度分別為0～15.24、15.24～45.72和45.72～76.2 cm。見(jiàn)圖1。使用絮凝物的積累程度進(jìn)行來(lái)分析，主要分為以下步驟：①獲得50 g的過(guò)濾介質(zhì)樣品；②將其與100 ml的水混合，然后搖動(dòng)30 s；③將水從介質(zhì)中分離，然后重復(fù)步驟②；④重復(fù)步驟②和步驟③，直到水量達(dá)到500 ml；⑤用濁度計(jì)測(cè)量濁度值，然后乘以2，獲得100 g樣品的測(cè)量值，并記錄結(jié)果；⑥對(duì)每個(gè)巖心取樣的樣品重復(fù)步驟①-步驟⑤，然后將其與濁度值范圍標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，確定過(guò)濾介質(zhì)條件。

分析完成后，形成濁度值和巖心取樣深度變化關(guān)系的剖面。

2.2.3 測(cè)量反沖洗后的濁度值

在過(guò)濾器再次開(kāi)始運(yùn)行的前30 min內(nèi)，每通過(guò)5 min就對(duì)流出物取樣并進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，為每個(gè)流出物建立一個(gè)變化曲線(xiàn)，代表流出物濁度值和取樣時(shí)間兩者之間的關(guān)系。

3 結(jié)果和討論

3.1 評(píng)估過(guò)濾器性能

3.1.1 濁度值測(cè)量

用Turb WTW 430 IR濁度儀對(duì)過(guò)濾器的流入和流出物再進(jìn)行一次測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，所有過(guò)濾器的出水濁度均符合國(guó)家規(guī)定，均小于或等于5NTU。但有5個(gè)過(guò)濾器不符合關(guān)鍵性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，該指標(biāo)設(shè)置為低于1NTU。完整的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各過(guò)濾器的濁度值和去除效率

3.1.2 反沖洗水量的比率

基于表2的計(jì)算結(jié)果，得出符合標(biāo)準(zhǔn)的只有編號(hào)5至編號(hào)10的過(guò)濾器，其反沖洗比率為3%～7%，即所需的反沖洗水量占總產(chǎn)出水的3%～7%。當(dāng)百分比低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，表明實(shí)施的反沖洗持續(xù)時(shí)間與過(guò)濾器運(yùn)行時(shí)間不一致。

表2 反沖洗水量的比率

3.1.3UFRV計(jì)算

圖2為UFRV的計(jì)算結(jié)果。由圖2可知，只有編號(hào)為2、3、4、11和12的過(guò)濾器符合300～500 m3/m2的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 單位過(guò)濾器運(yùn)行量(UFRV)

根據(jù)已有的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)其進(jìn)行完整評(píng)估，評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 過(guò)濾器性能得分

續(xù)表3

根據(jù)表3，選擇編號(hào)為2、14和10的過(guò)濾器來(lái)代表以下3個(gè)性能類(lèi)別：性能良好、性能中等和性能較差。然后對(duì)選定的過(guò)濾器進(jìn)行專(zhuān)門(mén)評(píng)估，確定其反沖洗性能。

3.2 評(píng)估反沖洗性能

3.2.1 目視檢查過(guò)濾器

根據(jù)目視檢查結(jié)果，在2號(hào)和10號(hào)過(guò)濾器單元上發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器通道。通過(guò)濾器壁上介質(zhì)的標(biāo)記高度和不規(guī)則介質(zhì)表面顯示得出，10號(hào)過(guò)濾器上的過(guò)濾介質(zhì)數(shù)量在減少。2號(hào)和10號(hào)過(guò)濾器在反沖洗過(guò)程中，存在不規(guī)則的反沖洗分布死區(qū)。因此，可以確認(rèn)孔上有堵塞，過(guò)濾器上存在的問(wèn)題可能是介質(zhì)發(fā)生老化。2號(hào)和10號(hào)過(guò)濾器在進(jìn)行反沖洗過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了空氣黏結(jié)現(xiàn)象。圖3和圖4為目視檢查10號(hào)過(guò)濾器過(guò)濾介質(zhì)的結(jié)果。

圖3 過(guò)濾介質(zhì)上的過(guò)濾通道

圖4 空氣黏在過(guò)濾介質(zhì)上

3.2.2 巖心取樣

該步驟在反沖洗之前進(jìn)行，絮凝物的累積曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5 取樣點(diǎn)1、2和3絮凝物的累積曲線(xiàn)

圖5中絮凝物的累積曲線(xiàn)表明，點(diǎn)1和點(diǎn)3在0～15.24 cm深度處積累了大量絮凝物，而點(diǎn)2在15.24～45.72 cm深度處有絮凝物累積，表明最大過(guò)濾過(guò)程發(fā)生在不同的時(shí)間點(diǎn)。見(jiàn)表4。砂介質(zhì)頂部堆積的絮狀物可能是無(wú)煙煤介質(zhì)損失造成的，這將導(dǎo)致空氣黏結(jié)，則各點(diǎn)的介質(zhì)狀況如下所示：

表4 10號(hào)過(guò)濾器巖心取樣的每個(gè)點(diǎn)和深度的濁度值

點(diǎn)1：介質(zhì)臟，形成許多泥球(600～1 200 NTU)。

點(diǎn)2：介質(zhì)臟，形成許多泥球(600～1 200 NTU)。

點(diǎn)3：介質(zhì)臟，有可能形成泥球并發(fā)展為成熟狀態(tài)(300～600 NTU)。

3.2.3 測(cè)量反沖洗后的濁度值

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，在2號(hào)和10號(hào)過(guò)濾器單元進(jìn)行反沖洗之后，得到過(guò)濾器流出物的濁度曲線(xiàn)和濁度值，見(jiàn)圖6和表5。

圖6 2號(hào)和10號(hào)過(guò)濾器流出物的濁度曲線(xiàn)

表5 2號(hào)和10號(hào)過(guò)濾器流出物的濁度值

測(cè)量結(jié)果顯示，在0.77 NTU的情況下，2號(hào)過(guò)濾器在開(kāi)始的5-10 min期間，濁度值下降程度最大。10號(hào)過(guò)濾器的濁度值發(fā)生最大下降的時(shí)間點(diǎn)是10-15 min，NTU為0.51。30 min后，2號(hào)過(guò)濾器的出水質(zhì)量已經(jīng)優(yōu)于10號(hào)過(guò)濾器；但是30 min時(shí)，兩個(gè)過(guò)濾器流出物的濁度值均未低于1 NTU。

4 結(jié) 論

通過(guò)本文研究可知，所有過(guò)濾器都不符合3個(gè)性能標(biāo)準(zhǔn)：濁度值、反沖洗水量的比率和UFRV值，但所有標(biāo)準(zhǔn)都是相互關(guān)聯(lián)的。影響過(guò)濾器性能的參數(shù)是反沖洗操作，包括反沖洗持續(xù)時(shí)間和反沖洗水量的比率。基于3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估過(guò)濾器性能的計(jì)算表明，2號(hào)過(guò)濾器的性能最好，可得到10分；14號(hào)過(guò)濾器的性能中等，可得到8分；10號(hào)過(guò)濾器的性能最差，可得到6分。有10個(gè)過(guò)濾器的分?jǐn)?shù)高于平均分?jǐn)?shù)，4個(gè)過(guò)濾器的分?jǐn)?shù)低于平均分?jǐn)?shù)。評(píng)估反沖洗性能的結(jié)果表明，2號(hào)和10號(hào)過(guò)濾器單元應(yīng)通過(guò)指定和設(shè)置新的反沖洗持續(xù)時(shí)間來(lái)改變反沖洗步驟。在2號(hào)和10號(hào)過(guò)濾器的介質(zhì)中存在過(guò)濾通道，且在10號(hào)過(guò)濾介質(zhì)中發(fā)現(xiàn)介質(zhì)收縮和介質(zhì)損失。巖心取樣結(jié)果表明，各采樣點(diǎn)累積絮狀顆粒的介質(zhì)條件不同。反沖洗后的濁度值曲線(xiàn)顯示，2號(hào)過(guò)濾器在降低濁度值方面要比10號(hào)過(guò)濾器迅速。