微絮凝直接過濾的性能評價

【摘 要】 文章綜合討論了各種反應過濾性能的單因子指標和綜合指標，并在試驗的基礎上，對目前能夠比較綜合反應微絮凝直接過濾性能的綜合指標I值進行了驗證，I值能夠在一定程度上準確反映出濾池的過濾性能。

【關鍵詞】 均質濾料 直接過濾 評價指標 過濾性能

Indices for Micro flocculation direct filtering performance

Ren Bo

（China Railway Fifth Survey And Design Institute Group Co.，Ltd . Beijing 1102600）

【Abstract】 This article discussed various single factor index and comprehensive index which can reflect the direct filtering performance， and through a experiment， the value ‘I’ which was a comprehensive index that can reflect the micro flocculation filtering performance was verified.

【Key words】uniform media， direct filtration， evaluation index， filtration performance

過濾是水處理過程中不可缺少的一個重要處理單元，因此，保持過濾的高效性對于提高出水水質、降低設備運行成本具有十分重要的意義。在過濾過程中，影響過濾效果的因素很多，原水水溫、水質、濾料性質（顆粒粒徑、形狀和級配）、混凝劑種類和投加量、過濾速度等因素都對過濾過程產生影響。通常評價過濾性能的指標有：過濾周期、濁度去除率、過濾速度、進水濁度、出水濁度、水頭損失、濾層厚度、單位產水量等。

（1）過濾周期越長，反沖洗頻率越短，反沖洗用水量相應減少，過濾產水量增加，過濾性能優良；

（2）濁度去除率越高，說明濾柱的去濁能力較強，過濾性能優良；

（3）當產水量相同時，過濾速度越快，則需要的濾池面積小，過濾性能優良；

（4）進水濁度大，表明濾池可承受的工作負荷達，過濾性能優良；

（5）出水濁度小，則過濾出水水質較好，過濾效果優良；

（6）水頭損失小，過濾過程中的能量損失較小，過濾效果優良；

（7）濾層厚度涉及到濾池的建設高度，厚度越小，濾池的建造成本越低，過濾性能優良；

（8）微絮凝的加藥量越小，則運行成本越低，過濾性能優良；

（9）單位產水量越大，過濾性能優良。

以上評價都是用單一指標衡量濾池的優劣，它們在評價過濾性能時，彼此之間的結論有差別，甚至相互矛盾。因此，為了更好的衡量濾池的過濾性能，采用能反映上述指標的一個綜合指標是有必要的。

1 試驗條件

本次試驗原水采用某石化廢水的二級出水，原水總磷約為2.0mg/L，濁度約為8NTU。試驗所采用的混凝劑為聚硅酸鋁鐵，使用時首先進行稀釋，然后通過蠕動泵進行加藥。濾柱采用了均質石英砂作為濾料，濾層厚度60cm，保持等速過濾。

2 試驗測試指標

測試指標主要包括：（1）進水總磷濃度；（2）出水總磷濃度；（3）加藥量；（4）水頭損失；（5）運行時間及過濾周期

3 過濾試驗

1）混凝劑加藥量

加藥量是影響后續過濾的一個重要因素。加藥量過大，則形成的絮體較大，容易造成濾柱內的表層過濾，不能充分發揮整個濾層的性能，并且容易提升能個濾層的水頭損失，降低過濾周期；相反，投藥量過小，絮體也較小，此時絮體容易穿透濾層，達不到接觸絮凝的效果，導致出水水質下降。最佳投藥量可通過燒杯小試試驗確定。本次試驗的投藥量確定在15mg/L。

2）微絮凝過濾工況

加藥量通過小試確定為15mg/L，濾層采用石英砂濾料，厚度為60cm，原水進水總磷濃度變化范圍為2.0-3.0mg/L，分別采用濾速為6m/h和8m/h，進行等速過濾，連續運行一個周期。根據試驗所得數據得圖1及圖2分別如下。

圖1 過濾周期內出水水質

圖2 過濾周期內水頭損失

隨過濾時間變化情況隨過濾時間變化情況

4 理論分析

很多學者[1]從不同的角度提出了關于過濾性能的不同評價指標。Ives[2][3]采用了FN作為過濾效率因子來評價過濾工藝的整體性能。

（1）

式中，FN—過濾效率因子；

C0—進水濁度，NTU；

Ce--出水濁度，NTU；

V—過濾速度，m/h；

T—過濾周期，h；

H—水頭損失，m。

FN是一個無量綱數，其值越小，濾池整體過濾性能越好，反之則越差。FN作為評價過濾性能的指標，考慮到了進出水濁度、過濾周期、水頭損失、過濾速度等各指標對過濾過程的影響。在此基礎上，景有海[3]提出了以以JP作為評價過濾性能的指標：

（2）

式中，JP—為無量綱因子；

L—濾柱濾層厚度，m。

同FN值一樣，JP值越小，濾池整體過濾性能越好，反之則越差。FN、JP作為反映過濾性能的指標，均沒有反映出加藥量對過濾性能的影響。

Cleaby[4]提出的過濾性能評價指數為：

（3）

式中，--過濾系數；

--比沉淀量（mg/m2）；

-附加水頭損失（m）

過濾系數代表了深層過濾的截留效率，根據巖琦方程[3][5]有：

（4）

式中，--過濾系數m-1；

C—濾層深度為Z出的懸浮物濃度，mg/L；

Z—濾層深度，m

是表示深層過濾性能的一個重要參數，值越小，濾層的截留能力越小，過濾性能較差。但是，此時水中雜質可以穿過濾層進入到濾層深處，充分發揮濾池的深層截污能力，減少濾池的水頭損失速度，延長過濾周期。

式2-3、2-4反映了濾池由于截留雜質而使得水頭損失增加的過濾狀況。但是，公式中并未涉及到過濾周期對指數的影響，且、值不能夠直接測得，使用不便。

Gaml和Rademadvher[6]提出的過濾性能評價指數如下：

（5）

式中，--過濾速度（m/h）；

--過濾周期（h）；

--水頭損失（m）

式2-5綜合了濾速、過濾周期以及水頭損失等來衡量過濾性能，但不包括水質因素，不能全面反映過濾性能。

在以上基礎上，有學者提出了以下I值的表達式的過濾性能評價指標：

（6）

式中，--清潔濾層的水頭損失，m；

M—過濾周期內的平均加藥量，mg/L；

C0—進水濁度，NTU；

Ce--出水濁度，NTU；

H—水頭損失，m

I—每消耗單位質量的混凝劑量產出的水量，L/mg

上式中，過濾周期的控制指標以來體現，是由于過濾過程截留雜質而造成的水頭損失。此外，還以出水水質作為輔助指標，I值越大，表明過濾性能越好。本次試驗主要以總磷作為出水控制指標，故將上式中進出水濁度替換為總磷濃度來作為微絮凝過濾工藝的性能評價指數。

5 本次試驗性能指標評價

通過量綱分析可知，I值的單位是L／mg，它反應的是每消耗單位混凝劑量所能產生的水量，I值越大，則微絮凝直接過濾性能越好。將試驗所得數據代入式（6）中，分別計算1，2兩組濾柱的過濾指數，計算結果見表1。

其中，C0為平均進水總磷濃度，mg/L

C為平均出水總磷濃度，mg/L

由表可已看出，在兩組濾柱加藥量相同，進水總磷濃度大體一致的情況下，雖然出水總磷濃度也相近，且濾速為6m/h的濾柱過濾周期要長于濾速為8m/h的濾柱，但第1組濾柱的過濾性能指數I值比第2組濾柱要高，故說明第2組的濾柱工況更為合理。另外，在實驗所規定運行指標下，合理改變濾層高度或改變濾料組成，并調節更加合理的加藥量，能更有效的提高過濾周期。

在濾速為8m/h的工況條件下，總磷的平均出水濃度為0.45mg/L，濁度的平均出水為2.0NTU，COD的平均出水濃度為31.52mg/L。

從上表中可以看出，微絮凝過濾對于總磷和濁度的去除效果較好，而對COD的去除效果則不如總磷和濁度的去除效果，且在過濾周期內，隨著過濾時間的增加，各個指標的去除效果隨之降低，當接近過濾終點時，去除效果最差，這是由于隨著過濾的進行，濾層對于雜質的吸附達到飽和，過量的雜質隨水流穿過濾層，導致出水水質較差，因此，在過濾達到終點時應當及時進行反沖洗，以保證出水水質。

6 結論

從前面的分析得知，I值反映了消耗單位量藥劑的產水量，第2組試驗的I值要大于第1組，即在相同的藥劑使用量下，第2組比第1組的產水量要高，這對于提高水處理工藝的經濟適用性具有一定的指導意義。但是，對于一個特定的濾池，是否存在一個最佳I值或I值的取值范圍仍然是一個有待繼續研究和討論的課題。

參考文獻

[1] 劉輝，夏群，王文標，等，直接過濾池過濾性能綜合評價指標[J]，中國市政工程，2001（1）：56-59

[2] 張克鋒，直接過濾阻力系數K的試驗研究，山東建筑工程學院學報，1995年3月，第10卷，第1期

[3] 景有海，均質濾料直接過濾性能的評價指標，給水排水，2000， Vol.26， No.3

[4] J L Cleasby. Approaches to a filterability index for granular filters. J Am Wat Wks Assn， 1969：372-381

[5] 景有海，水的過濾理論基礎，西安建筑科技大學，2001

[6] M B Gaml， G M Rademadvher. Measuring filter performance. Wat Wks Eng， 1959