不同石英砂濾池系統過濾性能的研究

2023-09-14 02:31:54馮源

湖南有色金屬 2023年4期

馮源

（1.湖南新九方科技有限公司，湖南長沙 410000；2.湖南省環境科學學會，湖南長沙 410000）

在水處理工藝中，最常用的濾料有石英砂、無煙煤粒等。其中以石英砂使用最廣［1］。石英砂主要成分為二氧化硅，密度在2.65左右，在pH值2.1～6.5的酸性水環境中具良很好的化學穩定性。濾料的密度、化學性質以及機械強度等特性是決定生物砂濾池處理效果的重要因素［2］。石英砂濾料主要依靠其巨大的比表面積，對污染物的截留與吸附［3］。

目前很多污水處理設備廠家會在一體化設備后端附加生物砂濾池［4］，但從項目的實際應用中發現砂濾池容易堵塞，長時間運行后出水效率低，截污能力受到很大的限制，而主要原因是砂濾池石英砂粒徑選擇、填層高度以及反洗方式不合理等［5－7］。

本研究以石英砂砂濾池為研究對象，通過試驗探討不同石英砂粒徑、砂濾池填層高度以及反沖洗方式對砂濾池過濾性能的影響，以期為砂濾池的實際項目應用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本次試驗采用脫水污泥與自來水混合配置成一定SS濃度的泥水來模擬試驗進水，進水SS濃度為40～50mg／L。

石英砂為市場采購，有三種粒徑，分別為4～8 mm的粗砂、2～4mm的中砂和1～2mm的細砂。石英砂采購回來后用自來水進行清洗，然后烘干。

砂濾池為碳鋼材質，內部涂有防腐油漆，規格為Φ500mm×1500mm，設計濾速統一為8m／h。

1.2 試驗設計

1.2.1 砂濾裝置流程

試驗配置SS濃度為40～50mg／L，通過污泥與循環水混配的方式配置進水。配置好的試驗用水經進水泵輸送至4個砂濾池中（L1－L4），進水罐內設SS在線監測儀和攪拌裝置，保持進水水質的均勻性。四個砂濾池的進水流量通過流量計顯示，預設為0.25m3／h。進水罐前設進水儲罐，用來接收出水儲罐的來水。四個砂濾池后均配置流量計，以測量出水流量。此外，出水罐后設出水儲罐，出水儲罐通過循環泵，將出水回流至進水儲罐，減少整套試驗裝置的配水用量。砂濾池試驗裝置如圖1所示。

圖1 砂濾池試驗裝置流程示意圖

1.2.2 砂濾裝置設計

砂濾池為四個，編號L1～L4。砂濾池試驗濾料裝填和反洗方式設計表見表1。水反洗程序設計：每4h啟動水反洗，每次反洗10min。氣水聯合反沖洗程序設計：每4h啟動氣水反洗。反洗開始→單獨水反沖洗120s→氣水聯合反沖洗120s→單獨水反沖洗120s→氣水聯合反沖洗120s→單獨水反沖洗120s→反沖洗結束。

表1 砂濾池試驗濾料裝填和反洗方式設計表 mm

本研究驗證不同粒徑、不同裝填比例、不同反洗方式對砂濾池過濾性能的影響，在相同進水的條件下，研究不同砂濾池去除SS的效果。每天取樣三次，每次取樣時間為反沖洗前10min，每次取水1L，取樣后即測量水樣中SS濃度，取三次樣品SS濃度的平均值為當天SS濃度值。取樣包括進水與出水。

1.3 分析測定方

本試驗SS分析方法為《水質懸浮物的測定重量法》（GB 11901—1989），采用的檢測儀器為BSA224S型電子天平／CDJC－YQ－012。

2 結果與討論

2.1 不同粒徑石英砂對砂濾池過濾性能的影響

石英砂粒徑的大小是決定石英砂濾池過濾效果的重要影響因素。L1砂濾池和L2砂濾池的對比試驗結果如圖2所示，在開始階段L1與L2的過濾性能相差較少，隨著時間增加，L1與L2的過濾性能發生了較大的變化。其中，L1由于裝填的石英砂粒徑較小，其比表面積更大，對污染物的截留效率更高，第二周時，出水SS濃度保持在16～18mg／L。L2由于濾料粒徑較大，對污染物的截留效率相比L1較差，從第二周開始，出水SS濃度逐漸上升，表明過濾性能開始變差。第三周L1與L2的出水SS濃度均呈上升趨勢。同時L1濾層上端開始出現積液現象，表明L1中濾床出現了堵塞。到第四周L1的出水SS濃度出現急劇上升，甚至超過L2的出水SS濃度。這主要是由于L1在水反洗過程中，由于反洗受力不均出現了優勢流，導致濾層過濾性能急劇惡化。

圖2 不同粒徑的石英砂對砂濾池過濾性能的影響

因此在實際應用中，需要從出水水質、運行條件等方面來選擇石英砂粒徑，粒徑越大，理論上可容納懸浮物雜質就越多，即納污能力越強。但濾料粒徑太大時，濾料的比表面積隨之減小，嚴重削弱了濾料的過濾能力。粒徑越小，前期對污染物的截留效率更高，但濾床也比較容易被堵塞，從而造成過濾能力的降低。因此，要根據實際情況合理選擇。

2.2 不同裝填比例對砂濾池過濾性能的影響

L2砂濾池和L3砂濾池的對比試驗結果如圖3所示，第一周L2與L3的出水SS濃度相差較小。第二周與第三周時L2的出水SS濃度出現逐漸上升的趨勢，而L3的出水依舊保持較低的濃度。第四周L3的出水SS濃度也出現了緩慢上升的趨勢。可見，L3的過濾性能要優于L2。這主要是由于L3比L2砂濾池中粒徑為2～4mm的石英砂裝填比例高，細砂比例較高的濾料對顆粒物的截留受顆粒性質影響較小，表現出更穩定的截留效果。適當提高石英砂濾料中細砂比例雖然使過濾水頭損失略有增加，但能獲得更低的出水濁度和更穩定的顆粒物截留效果。

圖3 不同裝填比例對砂濾池過濾性能的影響

2.3 不同反沖洗方式對砂濾池過濾性能的影響

石英砂濾池在運行過程中，從進水中去除的雜質積聚在濾料表面和顆粒間的孔隙內，隨著砂濾池的持續運行，堆積在濾床中的雜質會導致濾池的空隙率降低，當水頭損失增加至最大允許水頭損失時，就需對砂濾池進行反沖洗，清除砂濾池過濾所截留的污染物以使其恢復過濾截污能力。

本試驗通過L2砂濾池和L4砂濾池的對比試驗研究了不同反洗方式對濾池過濾性能的影響。如圖4和圖5所示，長時間運行后，L2砂濾池表面污泥大量沉積，而L4砂濾池表層基本無污泥堆積。

圖4 單獨水反洗砂濾池情況

圖5 氣水聯合反洗砂濾池情況

不同反沖方式對砂濾池過濾性能的影響如圖6所示，采用氣水聯合反沖洗方式的濾池，出水SS濃度一直維持在16～19mg／L，SS降低率為56.8% ～67.7%。而采用單獨水反洗的濾池出水SS在第四周時已達到了23～25mg／L，SS降低率為43.2% ～53.5%。可見，采用氣水聯合反洗的方式比單獨水反洗能更有效地清除濾層中截留的污染物，有利于砂濾池保持較好的過濾性能。這主要是由于單獨采用水對砂濾池進行沖洗時，砂層基本沒有膨脹率，砂粒無法有效相互摩擦，砂層內粘附的泥垢不能被有效剝落；而當采用氣水聯合反沖洗時，強烈的攪動和環流作用會在砂濾池中產生，在氣體上升時產生氣泡形成氣流漩渦，會引起石英砂的翻滾和石英砂顆粒之間的碰撞和摩擦；同時因為石英砂的環流作用，在水流剪切力和石英砂相互摩擦的作用下，石英砂表面的附著雜質被充分的剝落和擊碎，從而在氣水聯合反沖洗的水洗階段，將雜質排出砂濾池［8－9］。