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砂、煤双层滤料滤池积泥原因与解决途径

时间:2020/05/18点击:

砂、煤双层滤料滤池出现泥粒、泥球、泥板等积泥现象,严重时甚至出现大面积泥塘,影响快滤池的效率和滤后水质。滤池积泥原因与冲洗是密不可分的,同时和滤料自身性质有关。本文试图从微观层面入手,分析砂、煤双层滤料滤池的积泥原因,并试图从中找出解决问题的途径。

1、滤池冲洗时的状态分析

1.1 冲洗开始时,滤层动态状况分析。

滤池冲洗时,随着闸门的开启,冲洗水量逐步加大,通过滤料的流速逐步提高,滤料受水的冲击力也逐步加大,滤料由静止状态逐步向流化状态过渡,滤料的流化状态又称液化状态,这种状态使固体滤料具有了液体的性质,如流动性、压力传递、等压面等。

滤池在使用中,有一个泥膜的形成和滤料被过滤水头压实的过程。在滤池冲洗初期,冲洗水冲破压实的滤料和表面泥膜,先在一点或几点突破,此时泥膜开裂,部分滤料冲出滤床表面,被压紧的滤床松动,滤床表面上升。随着冲洗水量的加大,泥膜表面继续开裂、破碎,滤床表面继续上升,一直达到和冲洗强度相匹配的膨胀高度。这种情况,前人已做了实验并有著述,故在这里不多述。

1.2 滤池冲洗中的滤料状态分析。

滤池冲洗时,滤料在水中并非处于相对静止的悬浮状态,而成上下翻腾的对流状态,一部分滤料随水流上升,另一部分滤料下降。这种情况,在实验滤柱中可以显而易见。分析原因有以下几方面:

①冲洗水分配不均匀,造成滤料上下翻腾。

滤池冲洗水的配水管是具有沿途出流的非均匀流,沿途水力损失各不相同,而出流孔口直径相同。所以,各孔口出流量都不相同,造成滤池中冲洗水不均匀。

②由承托层流向滤料层的冲洗水呈股流状态,引起滤料对流。

③滤料层内的冲洗水旋涡卷带作用,使滤料上下翻腾。

④滤料是不规则的多面体,也是产生翻腾的重要因素。

1.3 冲洗结束时,滤料粒径沿滤层纵向分布状况的分析。

滤池冲洗中滤料处于悬浮的对流状态。但由于粒径不同,在对流中上升高度不同,粒径大的滤料上升度低,粒径小的滤料上升度较高。在任意水平断面上,都不会存在单一粒径的滤料,而是各种粒径的滤料相互惨混,区别点仅在于上层滤料的平均粒径偏小,下层滤料的平均粒径偏大。

当停止反冲洗时,随着反冲洗水量的减少,膨胀起来的滤料开始回落,在回落过程中,会产生滤料颗粒彼此干扰的“拥挤沉淀”。又称“分层沉淀”。在这种沉淀中,粒径大小不同的滤料相互干扰,以相同的速度下沉。大颗粒的滤料受小颗粒滤料的干扰而减缓了沉速,小颗粒的滤料受大颗粒滤料的带动而加大了沉速,结果表现为大、小粒径的滤料以相同的沉速下沉。

2、对滤池冲洗机理的理解和认识

传统的滤池冲洗被认为是用一定强度的水流由下而上地通过滤料层,使滤层在上升的水流中逐渐膨胀到一定高度,由滤料间的高速水流所产生的剪力,使滤料上粘附的絮体脱落下来,并随反冲洗水流出滤池。

通过对滤池冲洗过程的微观分析,可见冲洗有以下功能和作用:

2.1 冲洗水使滤床流化,产生对流;

2.2 “滤料对流”对滤料上粘附污物有剥离作用;

2.3 “滤料对流”对泥粒的研碎作用;

2.4 冲洗水对污物的剪切、输送作用;

2.5 滤料液化、对流的副作用:“滤料对流”虽然对洗净滤料起到了很大作用,但也有不容忽视的副作用。“对流”可以将滤料层表面的脏滤料,带入滤床深部,使下部滤床的洁净度恶化。当停止冲洗时,未冲净的滤料滞留在下部,当新的过滤周期开始时,影响初期过滤水质。所以,在传统滤池运行时,都规定先排放一定时间的初滤水后,再投入使用。尽管采取排放初滤水的措施,仍需1-2小时滤后水质才能稳定。另外,在这种冲洗方式下,当进一步要求降低滤后水浊度时,比较困难。法国“V”型滤池,由于采用“非膨胀冲洗”技术,避免了滤料液化,对流的副作用,提高了滤后水质。

3、双层滤料滤池积泥原因的分析

3.1 滤料比重的影响。

前面已对砂、煤双层滤池流速分布做了分析,造成流速差异的主要原因是滤料材质比重,比重大的滤料膨胀率低。砂、煤滤料比重不同,砂滤料比重约2.6,而煤滤料的比重约为1.4,两者相差约1.8倍。在标准冲洗强度下,砂滤料冲洗膨胀率25%-30%,煤滤料冲洗膨胀率45% -50%。膨胀率也相差近1.8倍,由此可见,膨胀率和比重有很强的相关性。提高煤滤料比重可以降低冲洗膨胀率,提高冲洗水在煤滤层的流速。降低砂、煤滤料的流速差距,减少煤滤料中的积泥。

3.2 排水槽高程的影响。

前面已对冲洗水在滤池中的速度分布做了分析,冲洗水通过砂滤层流速为0.024m/s-0.028m/s,通过煤滤层流速为0.0194m/s-0.0224m/s,流速最小的区域是滤料上表面至排水槽底,流速约为0.013-0.015m/s,和煤滤料中的流速相比,降低约33%。已被冲洗水带出滤床的颗粒较小的污物可以被冲洗水带入排水槽排掉;而部分较大颗粒,由于冲洗水流速突然降低,不能再继续上升至排水槽,仅在这一区域上下翻滚,并且继续粘结其他絮体,象滚雪球一样逐渐长大,日积月累形成较大的泥球、泥饼。

3.3 排水槽形状的影响。

滤池排水槽有两个功能:分配进水和收集洗池排水。收集洗池排水时,沿水流出方向不断有冲洗水汇入,所以,设计时采用不断加大过水断面办法,排水槽设计成起端小、终端大的变截面槽。滤池冲洗时,滤料发生膨胀,即使最良好的设计和操作,滤床表面也只能接近排水槽终端的下底,而不能超过,一旦超过终端下底,将会发生滤料流失。此时,排水槽始端下面仍有一段为低流速区,这部分区域仍会造成污物滞留,日积月累也会造成滤池积泥。

3.4 冲洗水强度的影响。

冲洗强度对滤池的影响,是明显的。一般不应低于13L/m3·s,过低的冲洗强度会造成滤池积泥;过大的冲洗强度会造成滤料流失,并且浪费冲洗水。在生产中,一座滤站由多组滤池组成,由于各个滤池所在的位置不同,冲洗水沿途水力损失不同,所以各个滤他很难做到冲洗强度完全相同,这就需要通过分别测定,确定能满足各组滤池要求的冲洗强度。

4、解决滤池积泥的途径

4.1 严格控制煤滤料的比重。

在生产中,应当提高对煤滤料比重的重视程度,减少煤滤中的积泥。建议煤滤料的比重不小于1.4。如果能筛选出一种比重在1.6-2.0的新过滤材料,将是大有前途的。

4.2 选择适宜的排水槽形状。

通过上面的分析,笔者认为应把排水槽变截面设计改为等截面设计,始端、终端一样。这有两个好处:第一、消灭了排水槽下面的低流速积泥区。第二、等截面排水槽加工容易,减少施工难度。只要过流断面够大,冲洗时不发生壅水即可。

4.3 确定合理的排水槽高程。

在以前的设计中,往往对各滤料层厚度、膨胀后的高度,注意不够。为了在较高冲洗强度下,不发生滤料流失,在滤床上表面至排水槽底,予留了较大空间,这实际是十分有害的,会造成严重积泥。例如,某水厂在滤池改造时,因受各种条件限制,被迫将排水槽升高,结果造成改造后的滤池严重积泥。又如,某水厂原滤池是单层砂滤池,为提高产水量,改造成砂、煤双层滤料池,滤料总厚度的增加,缩小了滤料上表面至排水槽底的空间,使用数十年,很少产生积泥。

4.4 增加辅助冲洗。

辅助冲洗是传统滤池解决积泥经常采用的一种方法,行之有效,能解决实际问题,各种辅助冲洗的原理和作用是有所区别的。

①固定式表面冲洗:冲洗压力2.0kg/cm2,冲洗强度2-3L/m2·s。以等间距的冲洗管布满全池,冲洗管上等间距打孔。

工作原理:笔者认为有两方面的作用。第一、高速水流增加了滤料内的水流剪切力,增加了滤料间的翻腾作用和相互摩擦,使滤料剥离、研碎。第二、增加了滤料表面以上的流速。如果原冲洗强度为15L/m2·s,加上固定式表面冲洗强度3L/m2·s,共计冲洗强度为18L/m2·s。此时,滤料上表面至排水槽的上升流速为0.018m/s,接近煤滤料中的流速0.0194m/s-0.022m/s。在这种流速下,只要被水流带出滤料层的污物,几乎就可以被冲人排水槽。笔者认为在固定式表面冲洗第二种作用更为突出。

固定式表面冲洗的优点有两方面:第一、水压低,使用出厂水即可,不需要加压设备,节约投资,便于实现。第二、分布全池,不留死角。缺点:第一、冲洗强度较大。因此,需要较大口径的冲洗水管,对于已建成的滤站,管路布置有难度。第二、点阵式喷水口布置,留下大量的弱作用区。

②旋转式表面冲洗:冲洗压力5.0kg/cm2,冲洗强度0.75-1.0L/m2·s。根据滤池面积的大小,在池内布置一至数个旋转式表冲器,表冲器为高压水管下按装一旋转头,旋转头上装有非均匀打孔的布水管,管的起端孔间距大末端孔间距小,运行时,借助高速水流的反作用力,布水管产生旋转。工作原理:表冲管在池内作旋转运动,高压水流对滤料表面的粘结污物进行剪切、剥离。增加滤料间的翻腾作用和相互摩擦,使剥离的污物进一步研磨、粉碎。因此,笔者认为,旋转式表面冲洗主要作用是高速水流增加了滤料内的水流剪切力,增加了滤料间的翻腾作用和相互摩擦。而对滤料上表面至排水槽的水流速度增加作用不大。此种方式的优点:第一、因冲洗强度小,节约冲洗水。第二、冲洗水压力高,对滤料的搅拌作用强。第三、池内管路少,便于滤池维修。缺点:第一、旋转头易损。第二、存在死角区。第三、需要加压设备。

③加气冲洗;加气冲洗历史很悠久,可以上溯到几十年以前。当前,加气冲洗有两种方式,一种为传统的“丰”字管布气方式,这种方式缺点很多。后来发展了另一种布气方式,为长、短柄滤头布气。新建滤站多采用后一种。

工作原理:空气以小气泡的形式进入滤池,使滤床成为气、液、固的三相体,气体以气泡的形式高速冲向水面,带动水流也以较高的速度上升,造成较高的水流剪切力,使滤料与污物分离,同时空气的搅动使滤料与滤料之间产生剧烈的摩擦,使污物研碎,以便上升水流将研碎的污物带入排水槽。所以,笔者认为,加气冲洗主要功能是产生高强度的剪切力和高强度的研碎作用。

优点:第一、洗净度高。第二、节约冲洗水量。第三、不局限于滤料表面,在整个滤料层内均起作用。缺点:第一、有较复杂的设备,维修管理难度大。第二、操作条件要求严格,否则易产生滤料流失。第三、传统“丰”字管式布气,加气初期局部气量过大,易造成垫层扰动。

4.5 加强生产运行的技术管理:

①冲洗强度的控制:有条件的单位可以安装冲洗水流量计,对冲洗强度监测控制。无条件的单位应进行膨胀率的监测。

②滤池含泥量的监测:滤料含泥量是滤池冲洗效果的综合反映,含泥量的监测,可以及时发现问题,采取处理措施。

③滤速的控制:笔者认为传统的变速滤池有两点须注意,第一,初滤水应坚持排放,以保证滤后水质。第二、滤池投入使用初期,滤速不宜过大。第三、滤池使用末期水头损失不宜过大,以免滤料、泥饼过份压实。

总之,滤池积泥是经常发生的,涉及多方面因素,要进行综合的治理。限于作者水平,难免挂一漏万,请批评指正。