三层滤料高速过滤应用于再生水生产的研究.pdf

三层滤料高速过滤应用于再生水生产的研究 * 王辰妮孙力平向传宝 天津城市建设学院环境与市政工程系 天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384 摘要 试验在传统混凝沉淀三层滤料过滤工艺的基础上， 通过对滤料级配的改进， 将三层滤料高速过滤工艺应用 于再生水的生产， 对其可行性进行分析研究。结果表明 在最佳工艺条件下出水浊度的去除率可达 97． 5 ～ 98． 5 ， COD 去除率在 43 左右。同时研究发现， 在高速过滤条件下， 通过絮凝剂在滤床中发挥的微絮凝作用， 可以起到良好 的除污效果且出水水质稳定。 关键词 三层滤料; 微絮凝; 高速过滤; 再生水 STUDY ON THE TRIPLE MEDIA FILTER- HIGH SPEED FILTRATION PROCESS FOR THE PRODUCTION OF RECYCLED WATER Wang ChenniSun LipingXiang Chuanbao Tianjin Key Laboratory of Water Quality Science and Technology，Department of Environmental and Municipal Engineering， Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin 300384，China AbstractThe test is，on the basis of traditional coagulationsedimentationtriple media filtration technique，through the improvement of the gradation，studying the feasibility of triple media filtration technique used in the micro flocculation-high- speed filtration of the recycled water production． The results show that in the optimum conditions，effluent turbidity removal rate can be up to 97． 5 ～ 98． 5 ， and COD removal rate is 43 ． The study found that in the conditions of high-speed filteration， through the effect of the micro flocculation with the flocculant playing the role of flocculation in filter bed，good decontamination effect can be got and the effluent quality is stable． Keywordstriple media filter;micro-flocculation;high-speed filtration;recycled water *国家水体污染控制与治理科技重大专项 2009ZX07419 。 0引言 近年， 污水再生利用已成为水处理领域的焦点， 如何对城市现有污水处理厂进行改造升级使其出水 达到回用标准成为研究的重要方向 ［1- 6］。 在传统工艺中， 过滤技术由于其经济、 高效， 因而 广泛应用于再生水厂中。但由于传统滤池存在滤料 流失及层间混杂等问题， 使得过滤技术未能得到较大 发展。本课题组前期的研究发现， 通过提高滤池的滤 速， 可实现污水再生回用的高速过滤 ［7］。同时， 在常 规过滤的基础上， 通过实现微絮凝高速过滤不仅可以 提高出水水质， 且由于絮凝剂的助凝作用可以使出水 PO － 3 4 -P 和 COD 的去除率有大幅提高 ［8- 9］。 本试验在传统混凝沉淀三层滤料过滤工艺 的基础上， 通过对滤料级配的改进， 实现三层滤料微 絮凝高速过滤， 对其性能进行分析， 以期为城市污水 再生回用及传统过滤技术的改进提供一定的技术 支持。 1材料与方法 1． 1进水水质及试验装置 原水模拟某污水厂二级出水。其中悬浮物质采 用高岭土溶解稀释配制， 有机物采用腐植酸配制。 试验装置如图 1 所示。 图 1试验装置 52 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 原水 经 加 药 后 流 入 滤 柱，有 机 玻 璃 滤 柱 高 2． 5 m， 直径 40 mm。选用三层滤料， 上层为无烟煤 L 60 cm， d 1． 0 ～ 2． 0 mm ， 中层为石英砂 L 15 cm， d 0． 6 ～ 1． 0 mm ， 下层为磁铁矿 L 7 cm， d 0． 3 ～ 0． 5 mm 。 1． 2试验方法 试验选用无烟煤 /石英砂 /磁铁矿三层滤料， 同时 选定硫酸铝作为絮凝剂， 滤速为 30 m/h， 采用上述工 况连续运行， 同时采用过滤水头作为结束指标， 即当 水头损失达到 2 400 mm 水柱时便停止过滤， 立即进 行反冲洗， 反冲洗采用水洗方式。其中， 反冲洗过程 采用 1 18 L/ m2s 流速下反冲洗 5 min， 完成对滤 床的清洗; 2 11 L/ m2s 流速下反冲洗 2 min， 然后 以 5 L/ m2s 流速下反冲洗 2 min， 完成滤床的自然 分层。 2结果与讨论 2． 1过滤系统对水中污染物的去除效能 2． 1． 1过滤系统对浊度的去除效能 试验将高岭土贮备液配制成所需的各种浊度， 以 分析不同进水浊度下过滤系统对浊度的去除效能， 如 图 2 所示。 图 2不同进水浊度下的浊度去除效果 由图 2 可以看出 当平均进水浊度由 3． 8NTU 增 大到 10NTU 时， 出水浊度基本不受其影响， 保持在很 低的水平， 且去除率较高， 为 97． 5 ～ 98． 5 ， 说明 三层滤料微絮凝高速过滤去除浊度， 具有高效性与稳 定性。 试验结果表明 在高速过滤的作用下， 由于水流 流速大， 剪切作用较强， 可以避免微絮体的不合理长 大， 利于过滤吸附截留; 同时， 没有粘附的颗粒以及粘 附力较弱而脱落的颗粒会被水流夹带向下层推移， 下 层滤料的截留作用渐次得到发挥， 因而使得出水浊度 降低。 2． 1． 2过滤系统对 COD 的去除效能 由图 3 可以看出 当进水 COD 浓度不断波动时， 出水浓度基本不变， 且去除率稳定在 43 左右， 这说 明三层滤料微絮凝高速过滤对 COD 的去除稳定性 较好。 图 3不同进水 COD 下的 COD 去除效果 试验结果表明 在高速过滤条件下， 水流流速较 高， 促进了絮凝剂的凝聚吸附作用。有机物被输送到 滤料表面后， 通过絮凝剂形成的絮凝体的吸附， 促进 了滤料对絮体的截留， 因而保证了有机物的去除效 果。同时， 有研究表明， 投加絮凝剂后， 水中胶体颗粒 的 zeta 电位降低， 影响了水中溶解性有机物的亲水性 能， 使得絮凝剂更加有利于和有机物作用， 从而使得 有机物浓度降低 ［10］。 2． 2滤层截留杂质规律的分析 通过在滤层不同深度取样， 对其颗粒粒径及其 zeta 电位进行测定， 研究滤层截留杂质规律， 进而分 析其过滤机理。其中， 取样口由上至下编号分别为 1 号、 2 号、 3 号。1 号位置在无烟煤和石英砂交界面上 20 cm 处， 2 号在无烟煤和石英砂交界处， 3 号在石英 砂和磁铁矿交界处。其中， 测定颗粒粒径时， 主要对 5 μm 以下的进行测定。同时， 测得试验用水 pH 在 7． 4 ～ 8． 3。 如图 4 所示， 进水采用人工配水时， 原水颗粒粒 径主要分布在 70 ～ 100 nm。水流经过滤柱后， 1 号取 样口粒径增大到 350 ～ 530 nm; 到 2 号取样口粒径达 到最大值， 约为 1 μm， 之后颗粒粒径逐渐减小， 到 3 号取样口粒径降低到 100 ～ 160 nm。最终， 出水颗粒 粒径主要分布在 250 ～ 350 nm。 图 4过滤过程中粒径的变化 由此表明， 水流进入滤柱时， 水中颗粒物在絮凝 剂的作用下不断絮凝成大颗粒， 通过滤层的吸附截 留， 大部分颗粒物被去除。同时， 由于磁铁矿强大的 62 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 吸附作用， 使得出水中仅有少量大粒径吸附差的颗 粒， 保证了良好的出水水质。 由图 5 可以看出 进水颗粒 zeta 电位在 － 25 ～ － 8 mV， 表 面 电 位 较 高， 1 号 取 样 口 zeta 电 位 在 － 28 ～ － 15 mV。经过滤柱后， 颗粒物 zeta 电位开始 增大 绝对值减小 ， 到达 2 号、 3 号取样口处， zeta 电 位分别在 － 15 ～ 0 mV、 8 ～ 20 mV。最终出水 zeta 电 位为 － 0． 8 mV。 图 5过滤过程中 zeta 电位的变化 有研究表明， 直接过滤是当絮凝体 zeta 电位达到 最高值时进入滤层的， zeta 电位降低， 微粒间的吸引 力就开始发挥作用; 当 zeta 电位接近 0 时， 吸引力达 到最大值， 脱稳微粒相互吸附絮凝而不断被滤料截留 去除 ［11］。因此， 分析可知， 在过滤过程中， 颗粒物主 要是在经过滤料下层时被吸附截留去除的。 同时， 通过对滤床不同深度出水浊度剩余率进行 比较， 发现其下层单位厚度滤料的浊度去除率要大于 上层。由此得出， 滤层截留杂质的作用不仅局限于表 层滤料， 而是多层滤料共同发挥作用。过滤开始时， 水中颗粒物在絮凝剂的作用下聚集成大颗粒， 由于表 层无烟煤滤料的粒径较大， 空隙率大， 因此， 水中颗粒 物不断被输送至下层滤料， 通过滤料的吸附截留， 大 部分杂质颗粒达到去除， 得到了良好的除污效果。其 中， 磁铁矿滤料层在过滤中起到了精滤的作用， 保证 了良好的出水水质。 上述表明， 三层滤料微絮凝高速过滤并没有出现 传统过滤过程中由于滤速提高而造成污染物去除率 低， 运行周期短的现象。高速过滤时， 滤层颗粒间水 流流态为紊流， 这为絮凝剂的进一步混合反应及凝聚 吸附创造了有利条件， 易形成以滤料颗粒为中心的絮 团， 该絮团对水中的悬浮颗粒有较强的粘附和机械截 留作用。同时， 随着杂质在滤层中的积累， 导致整体 滤速下降， 但滤层内局部滤速增加， 被滤料吸附的颗 粒在水流剪力作用下脱落， 使得下层滤料的吸附作用 渐次得到发挥， 保证了出水水质的稳定 ［9］。这也是 高速过滤技术优于传统过滤技术之处。 3结论 1 三层滤料微絮凝高速过滤的出水浊度基本不 受进水浊度的影响， 始终保持一个较高的去除率， 维 持在 97． 5 ～ 98． 5 ; COD 平均去除率为 43 。 2 采用高岭土配水， 颗粒粒径主要分布在 70 ～ 100 nm， 经过无烟煤层的微絮凝作用， 粒径逐渐增大， 达到 1 μm 左右。出水粒径主要是小粒径的悬浮物 质， 粒径大约为 250 ～ 350 nm。 3 试验对不同位置出水的 zeta 电位进行分析， 得出过滤过程中， 微絮凝过程主要在滤柱内进行， 最 终出水时 zeta 电位在等电点附近。 4 三层滤料微絮凝高速过滤的起始滤速较高， 进入滤层过滤前的絮凝时间很短， 在此时间内足够形成 微絮体。进入滤层后， 随着水流的下行通过扩散、 沉淀、 吸附等作用去除部分絮体。更重要的是在此过程中， 微 絮体在絮凝剂的作用下继续结合， 逐渐形成粒径较大的 絮体。此时， 下部滤料开始发挥其吸附截留作用， 从而 保证在起始滤速较高的条件下出水水质仍保持稳定。 参考文献 ［1］周彤． 污水回用是解决城市缺水的有效途径［J］． 给水排水， 2001， 27 11 1- 6． ［2］聂梅生． 美国污水回用技术调研分析［J］． 给水排水， 2001， 27 9 2- 3． ［3］李国新， 颜昌宙， 李庆召． 污水回用技术进展及发展趋势［J］． 环境科学与技术， 2009， 32 1 79- 83． ［4］金兆丰， 王健． 我国污水回用现状及发展趋势［J］． 环境保护， 2001 11 39- 41． ［5］刘如平． 浅析城市污水再生回用之前景［J］． 山西建筑， 2003， 29 5 126- 127． ［6］张智， 阳春． 城市污水回用技术［J］． 重庆建筑大学学报， 2000， 22 4 103- 107． ［7］李秀敏， 孙力平， 杨聪和， 等． 高速过滤技术处理再生污水的试 验研究［J］． 天津城市建设学院学报， 2005， 11 1 29- 32． ［8］Van der Graaf Jhjm． What to do after nutrient removal［J］． Water Science and Technology， 2001， 44 1 129- 135． ［9］孙力平， 贾 仁 勇， 齐 兆 涛， 等． 污 水 超 高 速 过 滤 的 水 质 过 程 ［C］/ /2008 年全国给水排水技术交流会暨全国水网理事会换 届大会论文集． 北京 全国给水排水技术信息网， 2008 115- 119． ［ 10］陈士明， 刘玲． 微絮凝直接过滤 － 超滤深度处理印染废水试验 研究［J］． 水处理技术， 2011， 37 4 76- 79． ［ 11］赵奎霞， 李晓粤， 张传义． 微絮凝-直接过滤技术的研究与应用 进展［J］． 环境保护科学， 2003， 119 29 12- 14． 作者通信处王辰妮300384天津市西青区津静公路 26 号 E- mailbluewindfly2006 163． com 2011 － 11 － 07 收稿 72 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期