投药量以水厂现有工艺确定的最佳投药量(4 mg/L

作者:快彩平台网站 | 2020-05-22 17:21

  微絮凝 中图分类号:TU991.2 文献标识码:A 文章编号:1000-4602(2002)04-0014-05 Study on the Micro-flocculation/Deep Bed Direct Filtration and Its Process Parameters LUAN Zhao kun, LI Gui ping, WANG Shu guang (State Key Lab of Environment and Aquatic Chemistry,Research Center for Eco-envi ronmental Science,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100085,China) Abstract: Pilot study on micro-flocculation/deep bed direct filtration process with the addition of polyaluminum chloride (PAC) was made in accordance with the quality of low turbidity water in Beijing No.9 Water Supply Plant.The study focused on the preference of bed height and homogeneous media with ultra size,and the optimal chemical and hydraulic parameters of direct filtration process,as well as the op timization of backwashing.All of these were compared with overall treatment effi ciency and economic benefit in the existing water plant,and thus providing a bas is for the practical application of micro-flocculation/deep bed filtration process. Keywords: micro-flocculation/deep bed direct filtration; polyaluminum chloride 微絮凝—深床直接过滤又简称直接过滤工艺[1]。它实际是在对混凝、过滤 作用机理及其工艺过程深入研究的基础上,将混凝与过滤过程有机集成为一体, 形成了当今水处理的高新技术系统[2、3]。近年来,采用该过滤工艺处理低温、低 浊、有色水质已成为发达国家水厂选择的主流[4]。 1 中试装置及流程 1.1 装置 中试装置及工艺流程如图 1 所示。 中试是在小型模拟试验[5]基础上进行的优化放大,最大设计处理量为 1.2m3/h 。滤床采用有机玻璃管,高为 5 000 mm、内径为 200mm、取样管间隔为 300 mm、承托层为 20 0 mm。由于小试选用滤料的粒径相对较小,导致截污分布 相对不均,过滤周期未能达到最佳状况,故中试选用了超大粒径的无烟煤滤料(粒 径为 3.5~4 mm,有效粒径 d10 为 3.8 mm,不均匀系数为 1.05),滤料填充高度 为 1000~2500mm。为保证布水、布气均匀,采用长柄滤头布水并在滤层底部铺 垫粒径为 16~32mm、8~16mm、4~8 mm 的卵石承托层。 1.2 工艺流程 原水直接与水厂配水管路相连,用水泵提升。絮凝剂与原水通过管式混合器 混合、经旋流混合槽后直接进入滤床进行过滤处理。管式混合器前由高精度电子 蠕动计量泵控制加药量,管道混合停留时间设定为 1~2min。旋流混合槽出口处 安装流动电流检测仪在线检测混合水质的流动电流变化状况。出水浊度采用美国 Great Lake 公司的在线浊度监测仪进行瞬时监测并传输至 Hitachi Cor.的记录 仪进行记录。 1.3 控制标准 采用下向流等速变水头过滤,滤速为 16~32 m/h,水头损失穿透标准设定 为 250cm(25 kPa),水质穿透标准设定为浊度<0.3 NTU、色度<0.5 倍,与国外 控制标准一致[4]。 所用药剂分别为碱化度为 40%~60%、Al2O3 含量为 10%和 16%的液体聚合氯化 铝,投药量以水厂现有工艺确定的最佳投药量(4 mg/L)作基准。 2 结果与讨论 2.1 运行结果 北京第九水厂源水取自密云水库,以怀柔水库作调节水库。由于密云水库环 境保护良好,源水基本未受污染。除每年一周左右的高浊期(平均为 68 NTU)外, 浊度最高为 3.2NTU,最低为 0.69 NTU,平均为 2~3 NTU,而且取水口深(水下 40 m)、水质波动较小、水温较低。中试进行了两年,其中不同床深和投药量条 件下部分典型过滤周期结果见表 1。 浊度(NTU) 编 号 进水 出水 表 1 第九水厂中试结果 投药 床 深 (m) 量 (mg/L 以 滤速 (m/h) 水头 损失 (kPa) 水头增 长速率 (cm/h) 过滤 周期 (h) FN(10-6) 周期产 水率 (m3/m2) Al2O3 计) 1* 1.23~ 1.93 0.43~ 0.56 1 0.4 24 7 3.5 20 2 1.19~ 1.43 0.21~ 0.27 1.5 0.4 25.5 10.3 9.36 11 642 280.5 3 1.34~ 1.76 0.23~ 0.52 1.5 0.4 24 11.1 6.82 17 343 340 4 1.07~ 1.50 0.20~ 0.28 2 0.4 16 14.0 2.26 90 241 1433.5 5 1.27~ 1.83 0.21~ 0.32 2 0.4 24.5 22.0 4.47 46 201 1098 6 1.26~ 1.67 0.13~ 0.25 2.5 0.4 16 20.0 7.14 104 179 1512.7 7 0.92~ 2.38 0.18~ 0.27 2.5 0.5 24 20.1 3.24 63 211 1420 8 0.92~ 1.37 0.21~ 0.28 2.5 0.5 24 23.0 2.12 96.4 148 2316.8 注: ①1*表示在过滤周期为 20 h 时,因床浅致出水水质 超过控制 标准,试验失败;②FN 表示过滤效能综合因子,其值越小,过滤效能越 好。 2.2 深床直接过滤的影响因素 ① 滤料粒径 滤料粒径是影响直接过滤过程水头损失(H)的最重要因素之一,H 可用下式 计算: H=f(L0/D2) (1) 式(1)表明水头损失与滤料粒径(D)的平方成反比,与滤层厚度(L0)成正比, 当滤 料粒径增加时水头损失将大大减小。国外目前直接过滤选用的均质滤料粒 径范围一般为 1.5 ~2.0 mm。小试中发现,采用有效粒径 d10=2.0 mm 的均质无 烟煤滤料及滤床深度为 2 m 时,大部分絮体颗粒聚集在滤料表层上半部分,过滤 周期仅为 20 h 左右,表明滤料有 效粒径相对较小,滤层截污分布相对不均,因 此中试采用 d10=3.8mm 的超大粒径滤料并将滤床厚度加深为 2.5 m,此时的截污 分布如图 2 所示。 结果表明,在相同滤速下中试滤料粒径为 3.8 mm 时的水头增长比小试(粒径 为 2.0 mm)慢得多,可有效增加滤层絮体沉积速率以及絮体在滤层内的穿透深度, 防止过早堵塞而使水头损失减至最小,因而可显著提高过滤运行周期和产水率。 ② 滤层厚度 滤层厚度的影响需从滤料表面吸附和沉积作用两方面考虑,而对吸附和沉积 起决定性作用的是滤料表面积。 对于一定粒径的滤料,滤料表面积实际由 L/d(L 为滤层厚度,d 为粒径)决 定。普通滤料厚度一般根据藤田贤二的经验公式[6],认为 L/d10=1 000 或 L/de=800 时是安全的但它是在常规滤速(V=10 m/h 左右)得到的,在深床过滤的 高滤速下此值的安全性值得怀疑。Hazen 认为滤层深度需满足下列公式: L=Qhd3/B (2) 式中 d——粒径,mm Q——截面流量,L/(m2·s) h——水头损失,Pa B——穿透指数,一般取 B=1×10-3 因滤速(V)越大,所需滤层厚度越大(L 与 V1/3 成正比,如滤速提高 1 倍,L 相应增加 21/3),而 L 越大,滤后浊度变化越慢;d 越大,水头损失增长越慢, 因此,增大 L 和 d 值可以延长过滤周期。 当床深<2.0 m 会出现出水不达标或水质过早穿透,导致过滤周期过短。床 深为 2.5 m、滤速为 24 m/h 和 16 m/h 时水质达标(浊度<0.3 NTU),过滤周期 分别达到 78、104h,表明以 2.5 m 床深运行较安全,而此时 L/de 值(658)仍低 于藤田所提出的 800~1000 的范围,说明直接过滤滤速与滤床厚度之间存在一定 关系,依据现有常规滤料的经验公式并不能准确反映深床直接过滤中滤床厚度与 滤速的关系以及选择适宜滤床深度。 ③ 滤速 在滤速高时滤池工作 周期的长短主要由水头损失决定,而起始水头损失小 是大粒径滤料的优点之一(可延长过滤工作周期)。此外,颗粒物在滤床中的迁移 取决于水流的剪切力,而水流剪切力则由流速和滤料粒径及形状决定。滤料粒径 及深度一定时,滤速越大颗粒污染物在滤床中向下迁移得越快,过滤周期也越短。 3 种滤速下的试验结果见图 3。 在投药量为 4 mg/L、滤速为 32 m/h 时,过滤周期仅为 26 h。降低投药量和 滤速(16~24 m/h) ,过滤周期分别达到 78、96 h,表明在此 L/d 情况下,16~ 24 m/h 是最佳直接过滤滤速。 ④ 最佳投药量与滤前絮凝反应时间 最佳投药量与滤前絮凝反应时间对直接过滤的最佳过滤周期具有显著的影 响。试验表明,聚合氯化铝稍低或稍高的投量均会显著影响出水水质和过滤周期, 因此精确控制其最佳 投量是获得最佳过滤净化处理效能的关键。滤前最佳投量 和絮凝反应时间必须依 据絮凝剂的化学反应特性和源水悬浊胶体颗粒特性及浓 度而随机调整,使其形成不仅能够透过较深滤层,同时又能与负电滤料表面发生 接触粘结絮凝反应而被截留于滤料表面的一定微尺度的正电性微絮凝颗粒。 图 4 等滤速、不同投药量的试验结果在投药量为 2 mg/L(相当于 0.32 mg/LAl2O3)、滤速为 16 m/h 的条件下,出水浊度<0.3 NTU,稳定运行周期长达 96~110 h。水厂现有过滤工艺是以 7~8 m/h 的滤速运行,过滤周期为 48 h, 液体 PAC 投加量为 4 mg/L(相当于 0.64 mg/LAl2O3),是微絮凝—深床直接过滤工 艺的一倍,表明聚合氯化铝高效絮凝特性更适用于大粒径深床直接过滤,并能在 较低投药量下获得较好的出水水质。 国外在直接过滤工艺中,采用传统絮凝剂(硫酸铝、氯化铁等)的滤前停留时 间多控制在 3~7 min。如前所述,聚合铝絮凝剂具有较强的电中和脱稳能力、 快速的絮凝反应动力学及结团 絮凝反应特征。因此微絮凝—直接过滤滤前絮凝 反应停留时间只需控制在 1~2 min,停留时间延长将导致水头损失增大、过滤 周期缩短。 2.3 反冲洗参数 超大均质滤料反冲洗的优点是不会因为冲洗强度过大而将小粒径滤料冲出 滤池而造成滤料损失,也不会因冲洗强度过小而导致粗滤料不能完全流态化。均 质大粒径滤料有利于截留的悬 浮物向下渗透,使污染物分布较均匀,但同时也 存在反冲洗问题。采用常规水冲洗方法不能达到较好效果,会导致滤池不能恢复 净水能力、截污能力下降以及冲洗水耗上升等不良后果。因此,深床直接过滤工 艺过程的反冲洗最好采用气水联合反冲洗方式,分三步进行:①气冲;②气、水 混合冲;③水漂洗。目前所有反冲洗强度的经验公式都是针对水反冲洗的,对于 大粒径深床的气水反冲洗参数国内尚无数据提供。笔者针对所采用的滤料及填料 厚度,对深床直接过滤的合适反冲洗参数进行了试验,计算结果见表 2。 表 2 反冲洗参数及水量计算 冲洗强度(L/m2·s) 流量(m3/h) 冲洗方式 气 水 气 水 历时 (min) 气冲 20 2.3 2~3 气—水混 合冲 15 15 1.7 1.7 4 水漂洗 25 2.8 4 耗水量 (m3 ) 0.113 0.187 ① 气冲强度的确定。气冲的目的是使气泡通过滤层时局部滤料发生移动, 滤料颗粒相互填充、碰撞、摩擦,使得附着在滤料表面的杂质脱落,也可通过气 泡对滤料颗粒的冲击使滤料 产生振动而导致杂质脱落,即以滤层开始搅动临界 冲洗强度为下限,但不能使滤层膨胀而致动力消耗过大。研究表明,在柱上水头 为 10 kPa 时,使滤层搅动的反冲洗强度为 18L/(m2·s),强度增长至 26L/(m2·s) 时滤层开始膨胀,因此选取 20L/(m2·s)为气冲洗强度,冲洗时间为 2~3 min。 ② 混合冲洗阶段强度确定。混合冲洗阶段水流处理起到剪切、剥落污染物 的作用,还要将剥离的污染物与滤料层分开。在此阶段应以滤料流化为准,滤层 膨胀率按经验控制在 30%左右。气冲强度过高会导致紊动程度过大而不利污染物 随水流上升。因此,将气冲强度减小至 15L/(m2·s),此条件下使滤层膨胀率达 到 30%的水冲洗强度为 15 L/(m2·s),冲洗时间为 4 min。 ③ 水漂洗。此阶段的目的是将前两阶段从滤层中剥落的污染物与滤料层分 开。为 防止污染物重新回到滤层下方,应保持第二阶段的膨胀率不变。此阶段 的水力强度应加 大为 25L/(m2·s),冲洗 4 min。 ④ 表面扫洗。在实际工程中,最好结合表面扫洗使随气泡或水流上浮的杂 质及时被清除[扫洗强度可按经验数据取 7~8/(m2·s)]。在有表面扫洗时,混 合冲洗阶段、单水漂 洗阶段气和水的强度均可适当减小。 综合上述结果,在第二阶段的冲洗水用量为 0.113m3,第三阶段的冲洗水用 量为 0.187m3,反冲洗过程中总耗水量为 0.3m3,若按第 8 周期产水量计算,该周 期内总产水量为 46.5m3,反冲洗用水量仅占产水量的 0.6%。 2.4 综合效能评价 表 3 是直接过滤与传统工艺处理结果对比。 表 3 微絮凝—深床直接过滤工艺与水厂二期处理工艺的初步比较 项 目 工艺流程 滤速 (m/h) 投药量 (mg/LAI2O3) 出水浊 度 (NTU) 周期产 水率 (m3/m2) 反冲洗 用水率 (%) 水厂现有 传统处理 工艺 源水→混合池 →三级反应池 →斜板沉淀池 →煤滤池→炭 滤池 →出水 7~8 0.6~0.8 0.5~ 1.0 336~ 384 1.5 微絮凝— 直接过滤 源水→混合池 →深床过滤→ 炭滤池→出水 16~32 0.35~0. 5 0.2~ 0.5 1 200~ 0.7~ 1 500 1.2 工艺优点 省去三级反应 池和斜板沉淀 池 提高滤 速 2~4 倍 减少投药量 降低出 1/ 2~1/3 水浊度 产水量 提高 3~4 倍 用水率 减少 由表 3 可见,聚合氯化铝的微絮凝—深床直接过滤工艺在净化处理低温、低 浊水质方面具有显著的社会与经济效益,具体体现在:①流程方面,该工艺省去 了现有三级絮凝反应池 和斜板沉淀池,缩短了工艺流程,可节省投资近 1/3; ②产率方面,现有滤池滤速为 7~8 m/h,过滤周期为 48 h,而直接过滤滤速可 达 16~32 m/h,可稳定运行 80~104 h,滤速提高 2~3 倍,过滤周期也提高 1~ 2 倍,产水率至少提高 2~4 倍;③药剂方面,使用碱化度为 60% 的液体聚合铝, 在床深为 2.5 m、滤速为 16 m/h、投药量仅为 2 mg/L 时,稳定运行达到 90~104 h,仅为水厂现有投药量的 1/2。北京九厂现处理水量为 100×104m3/d,现有工艺 用药量为 4 t/d,而采用微絮凝—深床直接过滤工艺可节省药剂 2t/d,按液体 PAC(Al2O3 含量为 16%)市售 1600 元/t 计算,仅药剂费就可节省 3200 元/d。④出 水水质方面,试验水质控制标准为浊度<0.3 NTU,明显地提高水厂出水水质(现 有水厂出水浊度标准<1 NTU) ,使出水水质可达到发达国家水厂处理标准。 3 结论 ① 中试从工程可行性及实用性的角度进行研究。针对北京水源九厂的低温 低浊水质实际处理所得试验结果表明,该试验设计适合于采用聚合铝絮凝剂的微 絮凝—深 床直 接过滤工艺,对于处理低温低浊水是可行的且可实用化,同时也 验证了所提出的超大粒径滤 料深床完全适合于聚合氯化铝的高效絮凝反应特 征。 ② 微絮凝—直接过滤工艺的最佳化学及水力学参数如下:选用粒径>3~4 mm 的无烟煤滤料;采用大粒径滤料、大滤速进行直接过滤时,L/d 值所需满足的 范围可比藤田等人提 出的经验公式都小;大粒径深床过滤工艺可采用比常规粒 径滤料大得多的滤速,出水标准控制在浊度<0.3 NTU,滤速提高到 30 m/h,过 滤周期可达到 24 h。如出水浊度标准控制在 0.5 NTU、滤速为 30 m/h,过滤周 期可达到 50 h 以上。采用 16 m/h 或更低滤速时,则可大大延长过滤周期,而这 一滤速也接近常规滤速(8~10 m/h)的一倍。 ③ 微絮凝—深床直接过滤工艺在处理低温、低浊水质方面具有显著的社会 与经济效益,不仅明显节省投资费用及占地,而且可显著提高产水率和出水质量, 显著节省运行处理费用。 参考文献: [1] Raymond D,Letterman.An overview of filtration[J].J AWWA,1987, 79(12):26-32. 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