煤砂雙層濾料濾池氣水反沖洗參數探究及應用

張 歡,劉霄鵬,王 棟,谷雷嚴,楊建華,馮 文

(1.中國城市建設研究院有限公司,北京 100120;2.濰坊市自來水有限公司,山東濰坊 261000;3.濟陽水務發展有限公司,山東濟南 251400;4.聊城水務集團有限公司,山東聊城 252000)

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

反沖洗是清除濾料截留污染物,恢復濾池過濾能力的重要工序之一。目前,在實際生產運行中,雙層濾料濾池常采用氣-水聯合反沖洗方式,基于均質濾料濾池反沖洗理念,為防止濾料流失、規避混層風險,《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)[6]設計反洗時濾料處于松動微膨脹狀態,但影響了輸泥排放和雜質剝落效果,導致反洗不徹底,濾料截污能力減弱,過濾周期縮短。為防止濾料流失并提高反沖洗徹底性,瑞士蘇爾壽(Sulzer)公司開發了氣水反沖洗翻板濾池[7],在后水沖階段提高水沖強度至15.0～17.0 L/(m2·s),使濾料膨脹率達到15%～25%,提高反沖洗效率,但也存在耗水量大的問題。

濟陽某水廠處理水量為10萬m3/d,采用煤砂雙層濾料濾池過濾形式,共設置8格,單格濾池尺寸為L×W×H=9.5 m×7.0 m×5.8 m。在濾料設計上,無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,不均勻系數為1.5,無煙煤有效粒徑d10=1.5 mm,不均勻系數為1.4。濾池采用氣水反沖洗方式,初始反沖洗設計參數為:氣沖階段,氣沖強度為17.0 L/(m2·s)、氣沖時間為3 min;水沖階段,水沖強度為8.0 L/(m2·s)、水沖時間為10 min。由于水沖階段反沖洗強度設為定值,造成水沖開始階段強度偏大,在氣流的夾帶作用下造成濾料流失,結束階段強度偏低,濾層混層無法消除。后續廠區運行過程中,為減少濾料流失,將氣沖時間提高至6 min,同時降低水沖強度為6.0 L/(m2·s),延長水沖時間至15～20 min,雖然減少了濾料流失,但水沖洗強度不足,導致反沖洗不徹底,反沖洗后濾料含泥量在0.1%～0.15%,過濾周期為48 h。

因此,本文結合均質濾池反沖洗以及翻板濾池反沖洗的優點,以濟陽某水廠的煤砂雙層濾料濾池作為研究對象,通過開展計算流體力學(CFD)模擬,確定適合廠區濾池濾料高效反洗且可利用水力分層的水反沖洗參數,指導氣水反沖洗中水沖結束階段參數選取;并通過試驗優化,確定氣水反沖洗參數控制方式和參數取值,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 動力學理論

本文采用歐拉-歐拉雙流體模型對廠區雙層濾料反沖洗進行數值模擬,建立適用于雙層濾料反沖洗過程的雙流體動力學模型,研究濾池內液體和固體顆粒的運動特征,分析不同水反沖洗強度下的濾池膨脹狀態以及濾料運動形態。描述流體流動規律的控制方程表達[8-9]形式如下。

(1)連續性方程

氣相和顆粒相的連續性方程如式(1)～式(3)。

(1)

(2)

αg+αs=1

(3)

其中:αg——氣相的體積分數;

ρg——氣相的密度,g/cm3;

αs——固相的體積分數;

ρs——固相的密度,g/cm3;

t——模擬時間,s;

Sgs——化學反應產生的質量源項。

(2)動量守恒方程

顆粒相的動量方程如式(4)～式(5)。

(4)

(5)

p——靜壓,Pa;

βgs——氣固相間曳力系數;

(3)封閉方程組

液固間相互作用系數模型采用Syamlal-OBrien模型,如式(6)～式(8)。曳力函數采用Dalla給出的形式。黏性流體本構方程,根據費祥麟[10]氣相應力pgij,具體如式(9)～式(12)。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

其中:β——曳力函數;

CD——曳力系數;

vr,s——顆粒末端速度,m/s;

Re——雷諾數;

ds——顆粒直徑,mm;

vg——氣相速度,m/s;

vs——固相速度,m/s;

αs,max——固體顆粒在自然堆積狀態下體積分數的最大值;

μg——氣體動力黏度,Pa·s;

vgi——氣相速度分量,m/s;

xi——空間坐標;

δij——羅內克爾函數;

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——固相摩擦應力,Pa;

ps——固相壓力,Pa;

e——顆粒碰撞恢復系數,為0.9;

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

1.1.2 網格劃分

為準確捕捉反沖洗流場內水流形態,使用ICEM軟件劃分模型網格如圖1所示。由圖1可知,最大網格尺度不超過1 mm,網格總數為300萬。

圖1 反沖洗模擬中網格結構

1.2 試驗裝置與方法

煤砂雙層濾料濾池過濾及反沖洗中試裝置如圖2所示,濾柱采用有機玻璃管,高為3 000 mm,內徑為150 mm,安裝濾頭進行配水、配氣。濾料填充與廠區一致,石英砂有效粒徑d10=0.8 mm,不均勻系數為1.5,填充高度為0.7 m;無煙煤有效粒徑d10=1.5 mm,不均勻系數為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,采用與廠區一致的恒水位過濾方式,當濾池出水渾濁度到達0.5 NTU時,即為過濾終點,開始進行反沖洗。反沖洗供水裝置采用自吸增壓泵,從水廠清水池獲取,水沖強度由液體轉子流量計控制;反沖洗供氣裝置采用鼓風機,氣沖強度由LZB-10F玻璃轉子流量計控制。

在進行過濾反沖洗前探究前,基于水力模擬,首先進行氣水反沖洗強度和控制程序探究預備試驗,指導參數的選取。

1.3 檢測項目與方法

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,從反沖洗排水開始每隔30 s取一次水樣,采用TL 2300濁度儀對不同條件下的反沖洗出水渾濁度測定。

濾后水渾濁度:反沖洗結束后,每隔1 h檢測一次過濾出水渾濁度,記錄過濾周期。

濾料含泥量測定: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準[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,并稱其質量C1;將濾料清洗干凈,再次經105 ℃烘干,稱其質量C2,根據式(13)計算濾料含泥量。

(13)

其中:n——濾料含泥量;

C1——水洗前濾料的質量,g;

C2——水洗后濾料的質量,g。

2 結果與討論

2.1 CFD模擬

反沖洗過程中,各濾料層中濾料的運動速度影響濾層的膨脹和運動形態,采用CFD對給定不同反沖洗速度的濾料模擬,為水反沖洗以及氣水聯合反沖洗中水沖階段確定合理的參數取值范圍。不同反沖洗速度下無煙煤和石英砂的濾料運動模擬(水溫為20 ℃)如圖3所示,圖中紅色區域代表濾料狀態,縱向高度為反沖洗時濾料層高,膨脹率與反沖洗強度的關系如圖4所示。

圖3 無煙煤和石英砂運動及膨脹狀態模擬

圖4 煤砂雙層濾池膨脹率與反沖洗強度關系

由圖3、圖4及模擬效果可知,在反沖洗過程中,無煙煤首先開始膨脹,當反沖洗強度為12.5 L/(m2·s)時,下層石英砂顆粒在水流的作用下開始向上運動,根據經驗公式計算[13],此時水反沖洗強度滿足最小流化沖洗強度為12.0 L/(m2·s),濾料層開始發生膨脹;當反沖洗強度為15.0 L/(m2·s)時,濾料層發生反方向運動現象,形成回流,但石英砂層砂粒向下運動的速度較慢;當反沖洗強度為17.5 L/(m2·s),石英砂層開始形成穩定的環流,膨脹率為16.4%;繼續增加反沖洗強度,環流作用更加明顯。

根據反沖洗過程中,濾層所受的合力計算公式[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——石英砂層質量,kg;

m2——無煙煤層質量,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,同時在重力作用的影響下,濾料顆粒開始減速,出現反方向的回流運動,在一定區域內形成環流。由于無煙煤和石英砂的密度差異,摻混在石英砂中的無煙煤在水流的作用下可繼續上升,無煙煤與石英砂分層。因此,若保證本試驗設計下的雙層濾池濾料煤粒、砂粒不混層,水反沖洗強度至少應控制在17.5 L/(m2·s)。

基于CFD模擬結論開展中試試驗,驗證了不同水反沖洗條件下的濾料膨脹率與反沖洗強度的關系,如圖5所示。

圖5 濾層膨脹高度模擬與試驗值

由圖5可知,通過對比計算,石英砂和無煙煤試驗膨脹高度與模擬膨脹高度誤差分別在3.4%和8.1%以內,誤差最大值在接受范圍內,說明模擬結果準確可信,可反映煤砂濾池反沖洗時濾料的運動及水流形態。

2.2 氣水反沖洗運行控制

本試驗先通過氣反沖洗強度下濾料流失、混層程度研究,確定合適的氣反沖洗強度選取范圍;再結合水力模擬,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,不同氣反沖洗強度下濾料混層以及濾料運動情況如表1所示。

表1 不同氣反沖洗強度下濾料狀態

由表1可知,在氣反沖洗過程中,隨著氣反沖洗強度的逐漸增大,對濾料的攪動能力增加,濾料間出現明顯的脈動現象。當反沖洗強度為11.1 L/(m2·s)時,無煙煤和石英砂濾層中均出現小的氣孔,表層約1 cm高處無煙煤在氣水攪動下向上漂浮約50 cm;繼續增加氣沖強度,當氣沖強度高于13.0 L/(m2·s)時,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,無煙煤層和石英砂上層均出現明顯的翻滾、脈動,雙層濾料間出現混層現象,混層高度為3～5 cm;當氣沖強度達到16.7 L/(m2·s)時,擾動作用增強,濾料層翻卷、碰撞;氣沖強度為22.2 L/(m2·s)時,上層5 cm高處煤層被氣流帶起,存在濾料流失的風險。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,本試驗設計下的雙層濾池氣沖強度可控制在16.7～20.4 L/(m2·s)。

高速氣反沖結束后,濾料層內存在大量空氣,根據試驗結果,當氣沖強度為16.7～20.4 L/(m2·s)時,氣泡消失時間需4～5 min,附著于濾料層內的小氣泡,在水沖強度的影響下,會使挾帶上來的濾料在氣泡破裂時流失或混層。因此,探究了包括廠區水沖控制方式在內的4種控制程序,如表2所示。

表2 煤層靜置時間對水反沖洗的影響

由表2可知,結合現場試驗,在氣沖結束后,水反沖階段需先以較小反沖洗強度qw1=4.5 L/(m2·s)反沖排除濾料及孔隙內的氣泡,防止濾料上氣泡夾帶著輕質的無煙煤上浮,發生濾料流失,這與劉輝等[16]研究結論一致。然后梯度提升水反沖洗強度,完成排泥與混層的恢復。基于水反沖洗CFD模擬,將水沖強度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,利用濾料的級配與密度差異,將混層的濾料重新分層,混層高度降至2～3 cm。在水沖強度qw3=16.0 L/(m2·s)時,根據試驗結果,此時石英砂層砂粒運動的速度相對緩慢,摻雜的濾料無法高效分離,仍存在8～10 cm的明顯混層,這也與CFD模擬結果相符。

2.3 氣水反沖洗效果

2.3.1 氣反沖洗強度對反沖洗效果的影響

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

圖6 反沖洗強度對反沖洗效果的影響

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

2.3.2 氣反沖洗時間對反沖洗效果的影響

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

圖7 反沖洗時間對反沖洗效果的影響

由圖7(a)可知,初始渾濁度隨著氣反沖洗時間的延長而升高,表明在長時間的剪切作用下,可使濾料表面淤泥剝落更徹底。結合圖7(b)可知,氣沖時間增加,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,綜合運行與經濟控制條件,氣洗時間控制為3 min,水沖第三階段控制為3 min。

因此,對于本文中的濾池,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 工程應用

將確定的最佳運行參數應用于濟陽某水廠的一組濾池反沖洗控制中,應用組與未應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比如圖8所示。

圖8 工程應用前后濾池含泥量和濾池出水渾濁度對比

由圖8(a)可知,工程應用組濾池含泥量相較于未應用組明顯降低,且應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%。這是因為廠區在水反沖洗時,水沖強度不足,導致濾料無法徹底沖洗。應用后,濾池可保持沿深度方向實現最優濾料狀態,恢復雙層濾料的截污能力,濾池反沖洗周期由48 h延長至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。結合反沖洗周期的延長,計算年度反沖洗耗水量可降低192 720 m3。

3 結論

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

(2)氣水反沖洗試驗結果表明:該濾層設計下,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,恢復氣沖階段形成的混層。

(3)在工程中應用,在最佳參數下,廠區反沖洗后濾池含泥量降至0.08%左右,過濾周期延長至72 h,年度反沖洗耗水量減少192 720 m3。