煤砂雙層濾料濾池氣水反沖洗參數(shù)探究及應(yīng)用

張 歡,劉霄鵬,王 棟,谷雷嚴(yán),楊建華,馮 文

(1.中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司,北京 100120;2.濰坊市自來(lái)水有限公司,山東濰坊 261000;3.濟(jì)陽(yáng)水務(wù)發(fā)展有限公司,山東濟(jì)南 251400;4.聊城水務(wù)集團(tuán)有限公司,山東聊城 252000)

濾池是凈水處理工藝的重要組成單元之一,為了解決傳統(tǒng)砂濾池存在的不足,在此基礎(chǔ)上,發(fā)展了雙層濾料濾池[1-2]。煤砂雙層濾料濾池是以無(wú)煙煤替代上層石英砂,形成的上層為無(wú)煙煤、下層為石英砂的雙層濾料過(guò)濾體系。在過(guò)濾過(guò)程中,大顆粒懸浮物先經(jīng)上層大孔隙無(wú)煙煤濾料截留,殘存于水體中的小粒徑顆粒物再經(jīng)過(guò)孔隙率較小的下層石英砂濾料時(shí)繼續(xù)被攔截,充分發(fā)揮了上下兩層濾料的過(guò)濾效能,截污容積大幅度增加,使得過(guò)濾效率提升,濾池壽命延長(zhǎng)[3-5]。

反沖洗是清除濾料截留污染物,恢復(fù)濾池過(guò)濾能力的重要工序之一。目前,在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中,雙層濾料濾池常采用氣-水聯(lián)合反沖洗方式,基于均質(zhì)濾料濾池反沖洗理念,為防止濾料流失、規(guī)避混層風(fēng)險(xiǎn),《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013—2018)[6]設(shè)計(jì)反洗時(shí)濾料處于松動(dòng)微膨脹狀態(tài),但影響了輸泥排放和雜質(zhì)剝落效果,導(dǎo)致反洗不徹底,濾料截污能力減弱,過(guò)濾周期縮短。為防止濾料流失并提高反沖洗徹底性,瑞士蘇爾壽(Sulzer)公司開(kāi)發(fā)了氣水反沖洗翻板濾池[7],在后水沖階段提高水沖強(qiáng)度至15.0～17.0 L/(m2·s),使濾料膨脹率達(dá)到15%～25%,提高反沖洗效率,但也存在耗水量大的問(wèn)題。

濟(jì)陽(yáng)某水廠處理水量為10萬(wàn)m3/d,采用煤砂雙層濾料濾池過(guò)濾形式,共設(shè)置8格,單格濾池尺寸為L(zhǎng)×W×H=9.5 m×7.0 m×5.8 m。在濾料設(shè)計(jì)上,無(wú)煙煤和石英砂層高均為700 mm,其中石英砂有效粒徑d10=0.8 mm,不均勻系數(shù)為1.5,無(wú)煙煤有效粒徑d10=1.5 mm,不均勻系數(shù)為1.4。濾池采用氣水反沖洗方式,初始反沖洗設(shè)計(jì)參數(shù)為:氣沖階段,氣沖強(qiáng)度為17.0 L/(m2·s)、氣沖時(shí)間為3 min;水沖階段,水沖強(qiáng)度為8.0 L/(m2·s)、水沖時(shí)間為10 min。由于水沖階段反沖洗強(qiáng)度設(shè)為定值,造成水沖開(kāi)始階段強(qiáng)度偏大,在氣流的夾帶作用下造成濾料流失,結(jié)束階段強(qiáng)度偏低,濾層混層無(wú)法消除。后續(xù)廠區(qū)運(yùn)行過(guò)程中,為減少濾料流失,將氣沖時(shí)間提高至6 min,同時(shí)降低水沖強(qiáng)度為6.0 L/(m2·s),延長(zhǎng)水沖時(shí)間至15～20 min,雖然減少了濾料流失,但水沖洗強(qiáng)度不足,導(dǎo)致反沖洗不徹底,反沖洗后濾料含泥量在0.1%～0.15%,過(guò)濾周期為48 h。

因此,本文結(jié)合均質(zhì)濾池反沖洗以及翻板濾池反沖洗的優(yōu)點(diǎn),以濟(jì)陽(yáng)某水廠的煤砂雙層濾料濾池作為研究對(duì)象,通過(guò)開(kāi)展計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬,確定適合廠區(qū)濾池濾料高效反洗且可利用水力分層的水反沖洗參數(shù),指導(dǎo)氣水反沖洗中水沖結(jié)束階段參數(shù)選取;并通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化,確定氣水反沖洗參數(shù)控制方式和參數(shù)取值,提高反沖洗效率,減少濾料流失。

1 材料與方法

1.1 反沖洗模擬

1.1.1 動(dòng)力學(xué)理論

本文采用歐拉-歐拉雙流體模型對(duì)廠區(qū)雙層濾料反沖洗進(jìn)行數(shù)值模擬,建立適用于雙層濾料反沖洗過(guò)程的雙流體動(dòng)力學(xué)模型,研究濾池內(nèi)液體和固體顆粒的運(yùn)動(dòng)特征,分析不同水反沖洗強(qiáng)度下的濾池膨脹狀態(tài)以及濾料運(yùn)動(dòng)形態(tài)。描述流體流動(dòng)規(guī)律的控制方程表達(dá)[8-9]形式如下。

(1)連續(xù)性方程

氣相和顆粒相的連續(xù)性方程如式(1)～式(3)。

(1)

(2)

αg+αs=1

(3)

其中:αg——?dú)庀嗟捏w積分?jǐn)?shù);

ρg——?dú)庀嗟拿芏?g/cm3;

αs——固相的體積分?jǐn)?shù);

ρs——固相的密度,g/cm3;

t——模擬時(shí)間,s;

Sgs——化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)量源項(xiàng)。

(2)動(dòng)量守恒方程

顆粒相的動(dòng)量方程如式(4)～式(5)。

(4)

(5)

p——靜壓,Pa;

βgs——?dú)夤滔嚅g曳力系數(shù);

(3)封閉方程組

液固間相互作用系數(shù)模型采用Syamlal-OBrien模型,如式(6)～式(8)。曳力函數(shù)采用Dalla給出的形式。黏性流體本構(gòu)方程,根據(jù)費(fèi)祥麟[10]氣相應(yīng)力pgij,具體如式(9)～式(12)。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

其中:β——曳力函數(shù);

CD——曳力系數(shù);

vr,s——顆粒末端速度,m/s;

Re——雷諾數(shù);

ds——顆粒直徑,mm;

vg——?dú)庀嗨俣?m/s;

vs——固相速度,m/s;

αs,max——固體顆粒在自然堆積狀態(tài)下體積分?jǐn)?shù)的最大值;

μg——?dú)怏w動(dòng)力黏度,Pa·s;

vgi——?dú)庀嗨俣确至?m/s;

xi——空間坐標(biāo);

δij——羅內(nèi)克爾函數(shù);

vj——第j相速度,m/s;

vi——第i相速度,m/s;

μf——流體相黏度,Pa·s;

vsi——固相速度分量,m/s;

Θs——固相顆粒的顆粒溫度,℃;

Tf——固相摩擦應(yīng)力,Pa;

ps——固相壓力,Pa;

e——顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù),為0.9;

g0——徑向分布函數(shù),采用Ogawa等[11]提出的公式,通常αs,max=0.63。

1.1.2 網(wǎng)格劃分

為準(zhǔn)確捕捉反沖洗流場(chǎng)內(nèi)水流形態(tài),使用ICEM軟件劃分模型網(wǎng)格如圖1所示。由圖1可知,最大網(wǎng)格尺度不超過(guò)1 mm,網(wǎng)格總數(shù)為300萬(wàn)。

圖1 反沖洗模擬中網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

煤砂雙層濾料濾池過(guò)濾及反沖洗中試裝置如圖2所示,濾柱采用有機(jī)玻璃管,高為3 000 mm,內(nèi)徑為150 mm,安裝濾頭進(jìn)行配水、配氣。濾料填充與廠區(qū)一致,石英砂有效粒徑d10=0.8 mm,不均勻系數(shù)為1.5,填充高度為0.7 m;無(wú)煙煤有效粒徑d10=1.5 mm,不均勻系數(shù)為1.4,填充高度為0.7 m;承托層采用粗砂,粒徑為4～32 mm,厚度為0.15 m。

圖2 煤砂雙層濾料反沖洗裝置

試驗(yàn)期間水溫為20～25 ℃,待濾水取自水廠沉淀池出水,渾濁度為0.7～1.3 NTU,采用與廠區(qū)一致的恒水位過(guò)濾方式,當(dāng)濾池出水渾濁度到達(dá)0.5 NTU時(shí),即為過(guò)濾終點(diǎn),開(kāi)始進(jìn)行反沖洗。反沖洗供水裝置采用自吸增壓泵,從水廠清水池獲取,水沖強(qiáng)度由液體轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制;反沖洗供氣裝置采用鼓風(fēng)機(jī),氣沖強(qiáng)度由LZB-10F玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制。

在進(jìn)行過(guò)濾反沖洗前探究前,基于水力模擬,首先進(jìn)行氣水反沖洗強(qiáng)度和控制程序探究預(yù)備試驗(yàn),指導(dǎo)參數(shù)的選取。

1.3 檢測(cè)項(xiàng)目與方法

反沖洗水渾濁度是濾池反沖洗效果的表征方法之一。反沖洗時(shí),從反沖洗排水開(kāi)始每隔30 s取一次水樣,采用TL 2300濁度儀對(duì)不同條件下的反沖洗出水渾濁度測(cè)定。

濾后水渾濁度:反沖洗結(jié)束后,每隔1 h檢測(cè)一次過(guò)濾出水渾濁度,記錄過(guò)濾周期。

濾料含泥量測(cè)定:按照濾層表面以下15 cm處濾料含泥量≤0.2%作為衡量反沖洗效果的標(biāo)準(zhǔn)[12]。取濾層各深度處一定量的濾料置于105 ℃的烘箱中烘至恒重,并稱其質(zhì)量C1;將濾料清洗干凈,再次經(jīng)105 ℃烘干,稱其質(zhì)量C2,根據(jù)式(13)計(jì)算濾料含泥量。

(13)

其中:n——濾料含泥量;

C1——水洗前濾料的質(zhì)量,g;

C2——水洗后濾料的質(zhì)量,g。

2 結(jié)果與討論

2.1 CFD模擬

反沖洗過(guò)程中,各濾料層中濾料的運(yùn)動(dòng)速度影響濾層的膨脹和運(yùn)動(dòng)形態(tài),采用CFD對(duì)給定不同反沖洗速度的濾料模擬,為水反沖洗以及氣水聯(lián)合反沖洗中水沖階段確定合理的參數(shù)取值范圍。不同反沖洗速度下無(wú)煙煤和石英砂的濾料運(yùn)動(dòng)模擬(水溫為20 ℃)如圖3所示,圖中紅色區(qū)域代表濾料狀態(tài),縱向高度為反沖洗時(shí)濾料層高,膨脹率與反沖洗強(qiáng)度的關(guān)系如圖4所示。

圖3 無(wú)煙煤和石英砂運(yùn)動(dòng)及膨脹狀態(tài)模擬

圖4 煤砂雙層濾池膨脹率與反沖洗強(qiáng)度關(guān)系

由圖3、圖4及模擬效果可知,在反沖洗過(guò)程中,無(wú)煙煤首先開(kāi)始膨脹,當(dāng)反沖洗強(qiáng)度為12.5 L/(m2·s)時(shí),下層石英砂顆粒在水流的作用下開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[13],此時(shí)水反沖洗強(qiáng)度滿足最小流化沖洗強(qiáng)度為12.0 L/(m2·s),濾料層開(kāi)始發(fā)生膨脹;當(dāng)反沖洗強(qiáng)度為15.0 L/(m2·s)時(shí),濾料層發(fā)生反方向運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,形成回流,但石英砂層砂粒向下運(yùn)動(dòng)的速度較慢;當(dāng)反沖洗強(qiáng)度為17.5 L/(m2·s),石英砂層開(kāi)始形成穩(wěn)定的環(huán)流,膨脹率為16.4%;繼續(xù)增加反沖洗強(qiáng)度,環(huán)流作用更加明顯。

根據(jù)反沖洗過(guò)程中,濾層所受的合力計(jì)算公式[14-15]如式(14)。

(14)

其中:F——濾層所受合力,N;

Fi——第i層濾料所受上升曳力,N;

m1——石英砂層質(zhì)量,kg;

m2——無(wú)煙煤層質(zhì)量,kg;

g——重力加速度,N/kg;

f——濾料所受阻力,N。

這是由于隨著水沖強(qiáng)度增加,濾層中的流速高于空床流速,濾料層受到向上的曳力,同時(shí)在重力作用的影響下,濾料顆粒開(kāi)始減速,出現(xiàn)反方向的回流運(yùn)動(dòng),在一定區(qū)域內(nèi)形成環(huán)流。由于無(wú)煙煤和石英砂的密度差異,摻混在石英砂中的無(wú)煙煤在水流的作用下可繼續(xù)上升,無(wú)煙煤與石英砂分層。因此,若保證本試驗(yàn)設(shè)計(jì)下的雙層濾池濾料煤粒、砂粒不混層,水反沖洗強(qiáng)度至少應(yīng)控制在17.5 L/(m2·s)。

基于CFD模擬結(jié)論開(kāi)展中試試驗(yàn),驗(yàn)證了不同水反沖洗條件下的濾料膨脹率與反沖洗強(qiáng)度的關(guān)系,如圖5所示。

圖5 濾層膨脹高度模擬與試驗(yàn)值

由圖5可知,通過(guò)對(duì)比計(jì)算,石英砂和無(wú)煙煤試驗(yàn)膨脹高度與模擬膨脹高度誤差分別在3.4%和8.1%以內(nèi),誤差最大值在接受范圍內(nèi),說(shuō)明模擬結(jié)果準(zhǔn)確可信,可反映煤砂濾池反沖洗時(shí)濾料的運(yùn)動(dòng)及水流形態(tài)。

2.2 氣水反沖洗運(yùn)行控制

本試驗(yàn)先通過(guò)氣反沖洗強(qiáng)度下濾料流失、混層程度研究,確定合適的氣反沖洗強(qiáng)度選取范圍;再結(jié)合水力模擬,確定可保證濾料不流失且混層分離的水沖控制程序。氣沖3 min,不同氣反沖洗強(qiáng)度下濾料混層以及濾料運(yùn)動(dòng)情況如表1所示。

表1 不同氣反沖洗強(qiáng)度下濾料狀態(tài)

由表1可知,在氣反沖洗過(guò)程中,隨著氣反沖洗強(qiáng)度的逐漸增大,對(duì)濾料的攪動(dòng)能力增加,濾料間出現(xiàn)明顯的脈動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)反沖洗強(qiáng)度為11.1 L/(m2·s)時(shí),無(wú)煙煤和石英砂濾層中均出現(xiàn)小的氣孔,表層約1 cm高處無(wú)煙煤在氣水?dāng)噭?dòng)下向上漂浮約50 cm;繼續(xù)增加氣沖強(qiáng)度,當(dāng)氣沖強(qiáng)度高于13.0 L/(m2·s)時(shí),由于氣流在濾料層的快速穿行,被濾料分割的小氣泡難以形成大氣泡,水層受到氣流的擾動(dòng),無(wú)煙煤層和石英砂上層均出現(xiàn)明顯的翻滾、脈動(dòng),雙層濾料間出現(xiàn)混層現(xiàn)象,混層高度為3～5 cm;當(dāng)氣沖強(qiáng)度達(dá)到16.7 L/(m2·s)時(shí),擾動(dòng)作用增強(qiáng),濾料層翻卷、碰撞;氣沖強(qiáng)度為22.2 L/(m2·s)時(shí),上層5 cm高處煤層被氣流帶起,存在濾料流失的風(fēng)險(xiǎn)。因此,在保證濾料充分碰撞、摩擦以及盡量減少混層、流失的前提下,本試驗(yàn)設(shè)計(jì)下的雙層濾池氣沖強(qiáng)度可控制在16.7～20.4 L/(m2·s)。

高速氣反沖結(jié)束后,濾料層內(nèi)存在大量空氣,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)氣沖強(qiáng)度為16.7～20.4 L/(m2·s)時(shí),氣泡消失時(shí)間需4～5 min,附著于濾料層內(nèi)的小氣泡,在水沖強(qiáng)度的影響下,會(huì)使挾帶上來(lái)的濾料在氣泡破裂時(shí)流失或混層。因此,探究了包括廠區(qū)水沖控制方式在內(nèi)的4種控制程序,如表2所示。

表2 煤層靜置時(shí)間對(duì)水反沖洗的影響

由表2可知,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),在氣沖結(jié)束后,水反沖階段需先以較小反沖洗強(qiáng)度qw1=4.5 L/(m2·s)反沖排除濾料及孔隙內(nèi)的氣泡,防止濾料上氣泡夾帶著輕質(zhì)的無(wú)煙煤上浮,發(fā)生濾料流失,這與劉輝等[16]研究結(jié)論一致。然后梯度提升水反沖洗強(qiáng)度,完成排泥與混層的恢復(fù)。基于水反沖洗CFD模擬,將水沖強(qiáng)度qw3控制為17.5 L/(m2·s),保證了兩層濾料分別處于完全流化狀態(tài),利用濾料的級(jí)配與密度差異,將混層的濾料重新分層,混層高度降至2～3 cm。在水沖強(qiáng)度qw3=16.0 L/(m2·s)時(shí),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,此時(shí)石英砂層砂粒運(yùn)動(dòng)的速度相對(duì)緩慢,摻雜的濾料無(wú)法高效分離,仍存在8～10 cm的明顯混層,這也與CFD模擬結(jié)果相符。

2.3 氣水反沖洗效果

2.3.1 氣反沖洗強(qiáng)度對(duì)反沖洗效果的影響

基于2.2小節(jié)確定的氣沖強(qiáng)度范圍,在氣沖時(shí)間為3 min,水沖在第一種控制條件下時(shí),探究氣反沖洗強(qiáng)度對(duì)反沖洗效果的影響,如圖6所示。

圖6 反沖洗強(qiáng)度對(duì)反沖洗效果的影響

由圖6可知,氣洗時(shí)間為3 min,水沖為第一種控制條件下,隨著氣反沖洗強(qiáng)度的增加濾層含泥量逐漸減少,且同一反沖洗強(qiáng)度下,各濾層深度含泥量基本相同。在氣沖強(qiáng)度為16.0 L/(m2·s)時(shí),濾層深度為5 cm處含泥量為0.1%,比氣沖強(qiáng)度為17.0 L/(m2·s)的含泥量0.079%提高了21%,說(shuō)明低氣沖強(qiáng)度無(wú)法保證濾料充分碰撞、摩擦;參照美國(guó)芝加哥濾料含泥量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),含泥量低于0.1%時(shí),表示濾層清洗達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)[12],在反沖洗強(qiáng)度為20.0 L/(m2·s),濾層深度135 cm處含泥量可降至0.064%。因此,綜合運(yùn)行與經(jīng)濟(jì)控制條件,將氣洗強(qiáng)度控制為17.0 L/(m2·s)。

2.3.2 氣反沖洗時(shí)間對(duì)反沖洗效果的影響

基于2.2小節(jié)確定的參數(shù)范圍和水沖控制方式,探究在氣沖強(qiáng)度為17.0 L/(m2·s),水沖為第一種控制條件下,反沖洗時(shí)間對(duì)反沖洗效果的影響如圖7所示。

圖7 反沖洗時(shí)間對(duì)反沖洗效果的影響

由圖7(a)可知,初始渾濁度隨著氣反沖洗時(shí)間的延長(zhǎng)而升高,表明在長(zhǎng)時(shí)間的剪切作用下,可使濾料表面淤泥剝落更徹底。結(jié)合圖7(b)可知,氣沖時(shí)間增加,反沖洗后濾層含量逐漸降低,且各濾池深度處的含泥量均小于0.1%。因此,綜合運(yùn)行與經(jīng)濟(jì)控制條件,氣洗時(shí)間控制為3 min,水沖第三階段控制為3 min。

因此,對(duì)于本文中的濾池,最佳氣水反沖洗條件為:氣沖階段,qs=17.0 L/(m2·s),t=3 min;水沖階段,qw1=4.5 L/(m2·s)、t1=2 min,qw2=7.0 L/(m2·s)、t2=3 min,qw3=17.5 L/(m2·s)、t3=3 min。

2.4 工程應(yīng)用

將確定的最佳運(yùn)行參數(shù)應(yīng)用于濟(jì)陽(yáng)某水廠的一組濾池反沖洗控制中,應(yīng)用組與未應(yīng)用組的濾池各濾料層含泥量以及反沖洗后的濾池出水渾濁度對(duì)比如圖8所示。

圖8 工程應(yīng)用前后濾池含泥量和濾池出水渾濁度對(duì)比

由圖8(a)可知,工程應(yīng)用組濾池含泥量相較于未應(yīng)用組明顯降低,且應(yīng)用組在各濾層深處含泥量較為均勻,含泥量為0.077%～0.082%;未應(yīng)用組各濾層深度處變化較大,濾層深度為5 cm處含泥量為0.11%且與135 cm處含泥量相差0.024%。這是因?yàn)閺S區(qū)在水反沖洗時(shí),水沖強(qiáng)度不足,導(dǎo)致濾料無(wú)法徹底沖洗。應(yīng)用后,濾池可保持沿深度方向?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)濾料狀態(tài),恢復(fù)雙層濾料的截污能力,濾池反沖洗周期由48 h延長(zhǎng)至72 h。

此外,在原有反沖洗控制方式下,水廠單格反沖洗耗水量為352 m3,每次水洗總耗水量為2 816 m3;工程應(yīng)用后,單格反沖洗耗水量降至330 m3,每次水洗總耗水量為2 640 m3。結(jié)合反沖洗周期的延長(zhǎng),計(jì)算年度反沖洗耗水量可降低192 720 m3。

3 結(jié)論

(1)CFD模擬結(jié)果表明:對(duì)于無(wú)煙煤和石英砂層高均為700 mm,石英砂有效粒徑d10=0.8 mm,無(wú)煙煤有效粒徑d10=1.5 mm的雙層濾料濾池,在水溫為20 ℃,反沖洗強(qiáng)度為17.5 L/(m2·s)時(shí),無(wú)煙煤和石英砂層均膨脹流化,并形成穩(wěn)定的環(huán)流,在水力作用下無(wú)煙煤與石英砂分層。

(2)氣水反沖洗試驗(yàn)結(jié)果表明:該濾層設(shè)計(jì)下,控制氣沖階段,qs=17.0 L/(m2·s),t=3 min;水沖階段,基于CFD模擬結(jié)論,控制qw1=4.5 L/(m2·s)、t1=2 min,qw2=7.0 L/(m2·s)、t2=3 min,qw3=17.5 L/(m2·s)、t3=3 min,可保證濾料充分碰撞、摩擦,減少濾料流失,恢復(fù)氣沖階段形成的混層。

(3)在工程中應(yīng)用,在最佳參數(shù)下,廠區(qū)反沖洗后濾池含泥量降至0.08%左右,過(guò)濾周期延長(zhǎng)至72 h,年度反沖洗耗水量減少192 720 m3。