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滤池在给水处理中的发展及应用

发布时间:2020/11/16     浏览:

摘要:文章介绍了各种类型滤池在给水处理中的工作原理、技术特点,叙述了滤池和滤料在国内外水处理技术中的发展与应用情况,提出了过滤技术中还存在的一些问题。

前言

人们通过研究知道清洁的井水是通过地层的过滤作用获得的,这就启发了人们用过滤方法来处理经过沉淀但仍然浑浊的地表水的想法,早期的过滤设备就是一种类似地层过滤作用的横向水流滤池,后来才发展为竖向水流,即慢滤池。早期的慢滤池是1827年罗伯特·汤姆为苏格兰格林奥克设计的慢砂滤池。随后又出现了快滤池,快滤池克服了慢滤池滤速慢、占地大的缺点,现已成为地表水厂中不可缺少的净水构筑物。

1、滤池技术的发展

过滤是给水处理过程中非常重要的工艺,是消毒前的最后一道工艺,经滤池处理后的水,浊度要求达到《生活饮用水卫生标准》规定的1度以下,否则出厂水的浊度将无法合格。自来水的水质与人们的生活息息相关,开发高效低耗的滤池工艺是国内外学者长期以来研究的课题。

1.1慢滤池

慢滤池所用的滤料为砂滤料,过滤的水流速度很慢,其过滤作用主要依靠滤料顶部几厘米厚,由藻类、原生动物和细菌等微生物大量繁殖形成的滤膜,捕捉水中的杂质,依靠氧化分解作用进行净化,实际上是起着生物滤池的作用。慢滤池能有效地去除水的色度、嗅和味,但对有机物和化学污染含量高的原水,处理效果不太有效。更主要的是其过滤速度慢(约0.1~0.3m/h),占地面积大,不能满足大规模生产的需要,现在国内已很少采用。慢滤池净化主要为生物净化作用,因而对有机物、微生物的去除,起到一般快滤池不能达到的作用,由于这个原因,国外更重视慢滤池的使用,国外尤其是欧洲国家为保持水质,很多以慢滤池作为最后把关设施。

1.2快滤池

快滤池自1840年问世以来,至今有100多年的历史,快滤技术在世界范围内已得到广泛应用。在这期间,虽然对过滤方式和滤池池型作了不少改进,但改进的重点是增加滤池含污能力,其次则是从节约滤池的阀门及便利操作向着自动化和连续操作的方向中作了许多改进和革新。

快滤池通常使用的是石英砂滤料,石英砂有足够的机械强度,价格低,材料易得,在中性水及PH值在2.1-6.5的范围内的酸性水中都很稳定。滤池利用滤层中粒状材料所提供的表面积,而不是利用滤料的筛除作用,截留水中经过混凝处理的悬浮固体。在过滤时,由于砂粒表面不断粘着絮体,使砂粒间的孔隙减小,水流的阻力不断增长,当过滤的水头损失达到较大值时,如果滤池继续运行,过滤的速度将大大低于预定值;若出现滤出的浊度或者其它预定的水质参数不合格,则需要停止过滤,进行滤池的反冲洗。此外,当过滤时间过长,如超过50-60h,也需要停止过滤,进行反冲洗,防止滤料颗粒粘着的颗粒物过于紧密,造成板结,不易冲洗下来。反冲洗是用滤后的清洁水对滤料进行清洗,反冲洗时水流方向和过滤时完全相反,利用水流的冲击作用和滤料间的摩擦去掉滤层在工作时间内所截留的悬浮固体。从停止过滤到冲洗完毕,一般需要20-30min,在这段时间内,滤池停止生产,冲洗所消耗的清水,约占滤池该工作周期产水量的1-3%。冲洗完成后,又重复过滤过程。

1.3滤料

(1)单层滤料:单层滤料滤层厚度(L)一般为70-90cm,粒径(d)0.45-1.0mm,有效粒径(de)约为0.5-0.55mm,均匀系数(UC)约为1.3-1.4,滤速标准为5m/h。滤层结构在反冲洗水水流作用下,沿水流方向由细颗粒到粗颗粒排列,过滤时表层孔隙阻塞和水流阻力增长迅速,过滤周期较短,整个滤层的作用不能充分发挥。为了提高滤池的截污能力,不断发展了上向流过滤、多层滤料、混合滤料等过滤技术。

(2)多层滤料:多层滤料在应用上使用较多的是双层滤料和三层滤料。1940年,美国首先发展了双层滤料滤池。这种滤池在上层采用比重小,粒径大的轻质滤料,在下层采用比重大,料径小的重质滤料。上层大颗粒起粗滤作用,下层细颗粒起精滤作用,整个滤床较单层滤床发挥更大的截污作用。运行资料表明,双层滤料含污能力比传统单层滤料高1倍,滤速提高0.5倍以上。但是,双层滤料床每一层中的滤料仍属上小下大的级配,表层截留阻塞现象在各滤层中仍未能避免。双层滤料国内外水厂主要采用的是煤-砂双层滤料,煤粒径1.0-2.0mm, de-1.1-1.2mm,UC=1.3-1.4,滤层厚30-40cm;砂粒径0.5-1.0mm,de=0.55mm,UC=1.3-1.4,滤层厚30-40cm,总滤层厚70-90cm,滤速一般为10-12m/h,过滤周期通常不超过36h。

三层滤料技术的研究开始于二十世纪60年代,三层滤料通常采用煤、砂、石榴石,粒径分别为0.8-2.0,0.5-0.8,0.25-0.5mm,三者厚度分别占60-65%、25-45%、5-10%,总厚度约为75cm。这种滤池在初滤时滤速可为单层快滤池的3倍,煤-砂双层滤池的2倍。但随后滤速降低,且过滤周期较短。根据有关资料称其总滤出水量不及双层滤池,滤层有堵塞现象,石榴石比煤滤料价格要高很多,也有流失情况。总的来说在造价上和管理维护上不如双层滤池。

(3)混合滤料:混合滤料滤池是由混合在一起的滤料组成。滤料亦为煤、砂、石榴石,所占滤层比例为60%、30%、10%,配合比为煤1-2mm,60cm;砂0.6-0.8m/m,22.5cm;石榴石0.4-0.8mm,7.5cm,总厚度90cm,三种滤料掺合在一起,但上层煤粒多、中层砂粒多、下层石榴石多。这种滤料不是三层滤料,与双层滤料比,在效果上各有优点,实际相差无几。

(4)陶粒滤料:这种滤料是由俄国引入到国内的,使用的陶粒为一种多孔材料,由熔化的粘土在快速焙烧时膨胀制得,一般制成直径5-40mm的块状物质,然后将上述块状物加以辗碎、筛选而得。它富有棱角表面积大,及机械强度和化学稳定性都合乎标准的特性,滤速可达10-40m/h。

(5)均质滤料:这种滤料形成的滤床从上到下,每个剖面都有大、中、小粒径的颗粒,它们各自的量相等或接近,这样它们滤床上下方向的滤料孔隙率相同,而使滤床水的流态也相同,滤料能更好地克服表面阻塞,絮体深入滤床,以达到滤出水量多、水质好的效果。为了达到上述目的,主要的一个因素是滤床不膨胀或是稍有微膨胀,使其始终保持原有填料时滤床滤池的原有状态。均质滤料一般采用砂滤料,de=0.95-1.35mm,粒径范围0.7-2.0mm,均匀系数1.2-1.6或1.8,滤层厚度0.95-1.5m,也可再厚一些,滤速一般为8-10m/h。

(6)纤维滤料:纤维滤料突破了粒状滤料的料径不能进一步缩小的限制,使滤料的直径达到了μm级,大大增加了滤料的比表面积和吸附能力。其中,彗星式纤维滤料是国家863科技成果、国家火炬项目、国家重点新产品(也称863滤料)。

该滤料纤维球上带着细小纤维,散开时形状如彗星,具有足够的化学稳定性,滤水过程无有害成分溶出。其中纤维球呈球状或扁平椭圆体,粒径2mm-3mm,纤维长度15mm-20mm,纤维径20um-50um,空隙率90%以上,比表面积达3000m2/m3。由于纤维丝的相互穿插,形成了一个孔隙大、比表面积大的纤维层整体,在自重及水力作用下,滤料愈接近滤床下部堆积得愈密实,使滤床横断面空隙率均匀、纵断面呈合理的上疏下密梯度,悬浮物易于深入滤层。底层20cm厚的纤维被压实,细小颗粒无法穿透滤层,使整个滤床都发挥作用,确保了高速过滤、高精度过滤和高纳污量三者得以同时实现。反冲洗时滤料在水中充分散开后,随着反冲洗水流和气流充分摆动,形成了较强的甩曳力和机械作用力,滤层中的吸附截留物得到洗脱,冲后会自适应形成上疏下密的理想滤床结构。该滤料具有很好的化学稳定性、耐腐蚀性,不会发生滤料破损和流失,反冲洗效果好、洗净度高,剩余积泥率小于1%,强制最大滤速可达50m/h。

(7)复合生物活性滤料:随着工农业生产的不断发展,对水源的污染也日趋严重,给水处理与污水处理的界限也越来越模糊,污水处理中的许多技术也开始用于给水处理中。复合生物活性滤料由活性和惰性滤料复合构成滤床,在保持滤池去除悬浮物功能的基础上强化滤池去除有机物的能力,其中的活性滤料由极性和非极性滤料复合构成,用以提高吸附、去除有机物的能力,对氨氮的去除效果较好,也可去除水中的部分COD。

(8)臭氧-生物活性炭滤料(O3+BAC):试验表明如果水中含有充分的溶解氧,活性炭滤床有细菌孽生,产生生物活性,去除水中有机物。利用活性炭的吸附量并采用臭氧消毒的技术,在活性炭前加臭氧,增加生物活性炭活性。O3+BAC有着大量去除合成和天然有机物、溶解无机物及铁、锰等的效果。生物活性炭滤料比活性炭滤料使用寿命增加2-9倍,使用寿命更长,一般一次可使用5年。O3+BAC受活性炭滤层厚度、温度及去除氨氮的影响。不足处是生物膜由滤料中脱落,有进入清水池中的可能,对水质有损害。

2、滤池的应用

2.1快滤池

2.1.1普通快滤池

普通快滤池应用较广、运行稳定可靠,一般用于大、中型水厂。滤池每一滤格有4个阀门,过滤时,打开进水和清水阀门,关闭反冲洗水和排水阀门,待过滤水流入冲洗排水槽后从槽的两边流出,使水量可以均匀分布在滤池整个面积上。反冲洗过程和过滤过程水流方向正好相反,关闭进水和清水阀门,打开反冲洗水和排水阀门,清洁水经配水系统和承托层均匀分配后,从下自上流过滤层,带走滤料表面的污物,流入冲洗排水槽后排出。

2.1.2双阀滤池

为减少阀门和减轻检修工作,将普通快滤池的进水阀和冲洗水排水阀用两条虹吸管代替,只保留清水阀和冲洗水阀,就成为双阀滤池。这两种滤池的构造、滤速、滤料和配水系统等相同,减少了阀门,但需一套真空系统,运行管理比普通快滤池复杂,一般用于中型水厂。

2.1.3虹吸滤池

该滤池是利用滤池本身的出水水头进行反冲洗的滤池,因进水和冲洗水的排出均由虹吸管完成,故称为虹吸滤池。它是二十世纪50年代在美国发明并应用的,又名绿叶滤池(Green Leaf)。进水时用小虹吸管,而冲洗水排出时用大虹吸管,其运行均靠真空系统,由真空泵、真空罐、管路和进水、冲洗虹吸管组成,可以自动化运行。

虹吸滤池不需要大型的阀门及相应的启闭控制设备,也无管廊;可利用滤池本身的出水量、水头进行冲洗、不需要设置冲洗高位水箱或水泵;可以在一定范围内,根据来水量的变化自动均衡地调节各个单元滤池的滤速,不需要滤速控制设施;滤出水位高于滤层,不会发生负水头现象;各控制闸阀及管路均集中在滤池中央真空罐周,操作管理方便,不仅可降低工程投资20%-30%(同快滤池比),且可节省金属材料30%-40%。但因该滤池深度较大(一般5~6m),采用小阻力配水系统,致使单位滤池面积不宜过大,不适用于大型规模的给水厂。此外它反冲洗耗水量大(约占产水量的3.8%),不能排除初滤水,冲洗效果较气水反冲洗滤池差,冲洗水头相对不高,常发生滤料、滤层冲洗不干净的情况,保持滤层清洁的能力和提高滤出水水质的能力不如普通快滤池。

2.1.4无阀滤池

无阀滤池在中、小水厂中用得较多,分重力式和压力式,两者工作原理和设计参数相似。无阀滤池的特点是运行全部自动,操作方便,工作稳定可靠,在运转过程中滤层内不会出现负水头;结构简单、材料节省、造价比同规模普通滤池低;不用大型阀门,采用低水头反冲冼,小阻力配水系统。但无阀滤池的管件较多,并且安装时对管道标高的要求严格,三角连通渠的断面很小,施工时搭模、拆模和浇混凝土都很困难。反冲洗开始时冲洗强度较高,易出现跑砂、跑煤现象,冲洗末期强度下降,又使滤层难以洗净。另外单池面积较小,滤料装卸不便且处于封闭池体中,无法了解水处理的过程。

2.1.5单阀滤池

单阀滤池一般由无阀滤池改建而成,和无阀滤池结构基本相同。不同之处是在清水池内设置冲洗水箱,取代无阀滤池上部冲洗水箱,各滤池底部连通,滤后水由池底管道通向清水池,取消了反冲洗虹吸管,在反冲洗管上安装阀门,单阀滤池的土建和管道费用比无阀滤池降低40%左右。

2.1.6V型滤池

V型滤池是法国德利满(Degremont)公司开发的一种高速均质滤料滤池,有截污量大、冲洗效果好的显著优势,近年来在新建的大、中型水厂应用较多。该滤池采用单层加厚均质石英砂滤料,深层截污,滤料有效料径为0.95-1.35m/h;滤速可达720m/h,一般为12.5-15m/h;砂上水深-般为1.2m;气冲洗强度为50-60m3/m2h,水冲洗强度为13-15m3/m2h,表面扫洗强度为5-6m3/m2h。进水槽设计成v型,底部有进水孔,在反冲洗时兼做反冲洗时表面清扫布水槽。反冲洗采用空气、滤后水和原水三种流体,用较小的水头损失和电耗获得理想的冲洗效果,底部采用带长柄滤头的配水系统,可不设或可设很薄的承托层。缺点是设备费用、土建施工技术要求较高,反冲洗水量较大(约占产水量的2.6%)。

2.1.7移动冲洗罩滤池

二十世纪40年代后期,美国Handing公司首先提出了在一只滤池中分成若干长条小格,利用装在移动桁车上的冲洗泵和排水泵对各滤池依次冲洗,而未被冲洗、保持持续过滤的滤池,又称为Hardinge滤池。移动冲洗罩滤池按冲洗废水排出条件,分为虹吸式和泵吸式两种,它吸取虹吸滤池和无阀滤池的优点,主要特点是滤池的冲洗水量由工作滤格的过滤水供给,不需另设冲洗塔或冲洗水泵,而且各滤格共用一套冲洗设备,简化了滤池构造。滤池各格顺序进行冲洗,不会出现全部滤层处于较大积污情况,因而其水头损失要比其它各类型滤池小。该滤池一般池深较浅,土建构造简单,故基建投资较省,造价约为普通快滤池的65%-80%,而且占地面积少,节约能源消耗。但这种滤池不能排掉初滤水,无主动控制滤速设备,对过滤初期的水质控制能力较差。另外,冲洗过程一般都采用程序控制,因此须配备一定的管理和维修技术力量。

2.1.8翻板滤池

翻板滤池是瑞士苏尔寿(Sulzer)公司下属的技术工程部(现称瑞士VA TECH WABAG Winterthur)的研究成果。所谓“翻板”,是因为该型滤池的反冲洗排水舌阀(板)在工作过程中是在0°-90°范围内来回翻转而得名。

该型滤池的工作原理与其它类型气水反冲滤池相似:原水通过进水渠经溢流堰均匀流入滤池,水以重力渗透穿过滤料层,并以恒水头过滤后汇入集水室,滤池反冲洗时,先关进水阀门,然后按气冲、气水冲、水冲3个阶段开关相应的阀门。一般重复两次后关闭排水舌阀(板),开进水阀门,恢复到正常过滤工况。该型滤池具有出水水质好、反冲洗水量少、反冲洗时间短、反冲周期长、基建投资省、运行费用低以及施工简单、工期短等特点。但其设备较多,一次投资较大,运行电耗也较高。

2.2其它类型的滤池

2.2.1上向流滤池

该滤池水流自下而上,符合过滤机理,整个滤床含污较多。为避免滤料流化,滤速不过高,一般只能控制在5m/h,不产生负水头和气阻现象。过滤时滤后水在池上部出流,可以随时观察到滤出水的情况,但出水也易被污染,未过滤的水首先经过配水系统,易在系统内积泥和滋生细菌,使水质变差。污物大多集中在下部粗滤料中,反冲洗时滤料不易流化,很难冲洗干净。

2.2.2双向流滤池

过滤时,水流由底部自下而上及由上部自上而下过滤,滤后水通过设在滤料层中的集中管出流。双向流可使滤层下部受到上部的压力,所以无论滤速多高,滤料也不会移动,解决了滤料的膨胀问题,并且由于上下同时过滤,对单位过滤面积而言,生产能力可大提高,周期产水量为普通快滤池的1倍,而冲洗耗水量仅为普通快滤池的70%。双向流滤池同样有下层滤料难以冲洗干净的缺点,且设备结构复杂,操作困难,实际应用的较少。

2.2.3压力滤池

该滤池为一个密闭的钢罐,也叫压力过滤器。移动方便,滤后水可以直接送到用水点,占地少,运转管理方便,对于小型供水特别方便,在工业中采用较广。但其也有耗费钢材多、投资大、清砂不方便等缺点。

2.2.4辐射流滤池

辐射流滤池中原水由圆形滤层的中心流向四周,由于流动方向上流动截面逐渐增加,所以滤速在流入处较大,向四围逐渐减小,在流出处较小。进口处滤速大,悬浮固体的穿透深度也大,不易发生入口处的表面沉积,滤层水头损失增加缓慢,过滤周期延长,滤层含污量近于相同,使整个滤层发挥作用。此外,该滤池具有占地面积小,反冲洗水耗小的优点。但由于集水系统和反冲洗配水系统是垂直配置的,所以过滤各反冲洗过程各需要一套配水和集水系统。另外,其设备结构复杂,滤料不容易冲洗干净,这些因素限制了它的推广应用。

2.2.5连续过滤池(器)

连续式过滤器体现了一种新的过滤和滤层清洗方式,当前被认为是较有发展过滤器之一,它将滤料的清洗移至滤池外,使滤池连续运行,无停产冲洗的过程,水头损失较低且相对恒定。该种过滤器的缺点是结构复杂,不能大量供水。

3、目前常用滤池存在的问题

现在国内正使用的滤池多为普通快滤池,一般选用的滤料为单层或多层砂滤料,滤料粒径偏细,滤料砂粒大小不均匀程度大,滤层孔隙率低,含污能力小。过滤水头损失大,大部分杂质截留在滤层表面,杂质穿透深度小,表层截污量比例大,堵塞速度和水头损失增长很快,滤池工作周期短,反冲洗水耗大。反冲洗时,为满足一定的膨胀率要求,细砂粒易被冲出滤池而流失,且层间易产生混杂、板结等问题。滤料粒径循水流方向由小到大的滤层结构则是造成上述问题的主要原因。

滤池的土建及设备造价和运行管理费用是滤池选用首先要考虑的问题。从普通快滤池到双阀滤池,再到虹吸滤池,对滤池的不断改进,降低了大型阀门的购置和维护费用,但其管理和运行却相对变得复杂了,其它的诸如V型滤池、移动冲洗罩滤池等也都存在运行费用高、能耗大的缺点。所以,如何解决好管理和造价的关系,是选用和改造滤池的重点问题。

4、结束语

了解滤池的过滤原理及其发展的过程,可以帮助我们更好地理解滤池在运行中出现的问题的实质,找出解决的方法,并为我们优化设计出水力条件更佳、运行管理方便,费用低廉的滤池提供较好的依据。

在以地表水为饮用水的净化工艺中,有时沉淀池或澄清池可省略,但过滤是不可缺少的一项工艺,它是保证饮用水的卫生安全的重要措施。快滤池虽然经过了一百多年的使用,发展出多种类型,但各种滤池都有自身的优点和不足之处,需要在运行和管理上作进一步的优化。

采用均质滤料可以较好地解决滤层含污能力小、水头损失大、滤料流失等问题,所以应加大对均质滤料滤池的关注。另外,随着社会的不断发展,对水质的要求逐渐提高,水源的污染问题也日益引起人们的注意,如何在常规处理的基础上较好地去除水中的有毒、有害污染物质,也是今后水的净化技术发展的重要方面。

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