纖維束濾料在給水濾池中的應(yīng)用研究
摘 要：濾料的作用在于具有吸附懸浮物的表面積。粒狀濾料的粒徑都是mm級，比表面積小，其吸附懸浮顆粒濁質(zhì)和膠體雜質(zhì)的性能弱，再進下提高濾后水質(zhì)比較難。濾料層的孔隙度是表征其儲存所截留懸浮固體能力的。目前濾池常用的石英砂濾料的孔隙度為0.43，無煙煤為0.5。因受粒狀濾料形狀的限制也有困難。纖維球的比表面積及隙度度比較大，脫離了傳統(tǒng)粒狀濾料的束縛，為改變天然濾料的形狀和特性邁出了第一步。但由于它有一個密實的纖維球心，故其仍屬于粒狀濾料的范圍。
0 引言
自1804年英國首次記載了慢濾池和1870年在美國現(xiàn)出了第一座普通快濾池后，過濾技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展廣泛應(yīng)用。而粒狀濾料作為水處理中過濾介質(zhì)的核心，一百多年來一直在水處理中發(fā)揮著重要作用。
濾料的作用在于具有吸附懸浮物的表面積。粒狀濾料的粒徑都是mm級，比表面積小，其吸附懸浮顆粒濁質(zhì)和膠體雜質(zhì)的性能弱，再進下提高濾后水質(zhì)比較難。濾料層的孔隙度是表征其儲存所截留懸浮固體能力的。目前濾池常用的石英砂濾料的孔隙度為0.43，無煙煤為0.5。因受粒狀濾料形狀的限制也有困難。纖維球的比表面積及隙度度比較大，脫離了傳統(tǒng)粒狀濾料的束縛，為改變天然濾料的形狀和特性邁出了第一步。但由于它有一個密實的纖維球心，故其仍屬于粒狀濾料的范圍。
1996年二水廠進行改選，我們將4個普通快濾池反洗方式改為氣水沖洗，3個濾池的過濾介質(zhì)由普通海砂改為均粒濾料，其余1個濾池改為丙綸纖維束濾料，將兩種濾料作對比性平行生產(chǎn)試驗。現(xiàn)將試驗情況介紹如下：
1 普通快濾池改造概況
普通快濾池兩組4格，單池面積9m2。濾池深度4.2m，濾池與清水池最高水位高差2.6m，濾池最高水面與水力循環(huán)(加斜管)澄清池水面落差3.4m。
96年改造，在原濾池主體結(jié)構(gòu)、水沖洗管道系統(tǒng)和清水系統(tǒng)不變的基礎(chǔ)上，改進濾層，增加氣洗系統(tǒng)。普通海砂濾料改為均粒濾料。
d=0.8=1.0mm,k80=1.3,濾層厚度1.0m。承托層厚度450mm。
1.1設(shè)計參數(shù)
濾池改造設(shè)計參數(shù)：濾速10m/h，單池產(chǎn)水能力2160m3/d，過濾周期24--48h，濾前濁度小于10度。氣洗強度15--20l/(s.m2)，氣洗時間3--5min。水沖強度10--151(s.m2)，水洗時間5-7min。4池處理水量8460m3。
1.2風路系統(tǒng)
貼靠原有大阻力穿孔管配水系統(tǒng)上部，設(shè)豐型管路穿孔配氣系統(tǒng)。主管DN150mm，氣流速10--15m/s；支管DN25mm，孔口氣流速20-30m/s。設(shè)R223F-14.3/49型羅茨風機2臺，一用一備。單臺供氣量14.3m3/min，氣壓49kpa，配套電機22kw。
2 策略式纖維束濾池
重力式纖維束濾池利用普通快濾池改造而成。
利用普通快濾池濾床空間，把束狀纖維懸掛在上下兩塊孔板中間。底部孔固定，上部孔板有機械調(diào)節(jié)裝置。過濾時，利用濾池中的水位由上而下的重力使濾層壓縮，纖維束濾料處于密實狀態(tài)，提高了濾層截留雜質(zhì)的效能，保證了濾后水質(zhì)。沖洗時，氣水由下而上地沖擊擾動，使束狀濾料處于懸浮松狀態(tài)，濾層中的吸附截留物得到洗脫。從而實現(xiàn)了束狀纖維濾料無序裝填過濾和有序裝填反洗的最佳狀態(tài)。
機械調(diào)節(jié)裝置可根據(jù)出水水質(zhì)和濾速的要求，迅速調(diào)節(jié)束狀濾料的堆積密度。
2.1聚丙烯纖維
丙綸纖維絲的學名為聚丙烯，化學結(jié)構(gòu)式為：
它是不帶任何功能基團的高分子纖維材料。丙綸纖維絲的直徑為um級，其表面積遠比粒料大，易于吸附水中懸浮濁質(zhì)和膠體雜質(zhì)。其吸附能弱，纖維表面吸附水中懸浮濁質(zhì)和膠體雜質(zhì)。其吸附能弱，纖維表面吸附截留的泥渣等可用氣水洗脫掉。
聚丙烯纖維的生產(chǎn)原料是聚丙烯樹脂，聚丙烯樹脂屬于高分子聚合物。聚丙烯纖維生產(chǎn)過程是高分子物理變化過程，其化學成份不發(fā)生變化。經(jīng)中國預(yù)防醫(yī)學科學院環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測所對聚丙烯樹脂進行急性經(jīng)口毒性試驗、蓄積性毒性試驗、Ames試驗、CHL細胞染色體畸變試驗和有害物含量檢測，結(jié)果為無毒、無明顯蓄積性、無致突變性，符合我國有關(guān)食品衛(wèi)生標準的規(guī)定。
聚丙烯纖維絲性能質(zhì)地輕、強度高、彈性好、耐磨損、耐腐蝕、不吸水。做為濾水材料：
⑴具有足夠的化學穩(wěn)定性，濾水過程中無有害成分溶出；
⑵反冼氣水高強度的摩擦、碰撞、剪切力不會發(fā)生破損和流失跑料；
⑶多年浸泡在水中耐久不腐。
2.2 氣水沖洗系統(tǒng)
為充分利用原普通快濾池的過濾空間，保證一定的過濾深度，纖維束濾池氣路系統(tǒng)不另設(shè)豐型配氣管路，在池內(nèi)原DN400mm的大阻力配水干管上開孔，直接與進池的DN150mm配氣干管焊接，使配氣管路系統(tǒng)與配水管路系統(tǒng)合二之一，既能氣水單洗，又能氣水混洗。
2.3 參數(shù)
孔板選用厚度20mm鋼板，開孔率10%，孔徑10mm。
根據(jù)濾池內(nèi)配水干管與排水槽下緣空間深度，丙綸纖維束凈長度取1.35m。
丙綸絲重量與濾池內(nèi)纖維束濾料體積比為160kg/m3。
氣水沖洗強度和沖洗歷時，同改為均粒濾料的普通快濾池。
2.4 安裝
鋼板切割分塊鉆孔后，底層孔板緊貼池底配水干管上面，水平焊接為一整塊，水平誤差小于±5mm。孔板與池底、池壁固定牢靠，以防沖洗時松動上浮。孔板與四周池壁縫隙，擠壓木條后用水泥砂漿抹嚴。
上層孔板預(yù)留人孔。吊入池內(nèi)焊接成一整塊后，吊起暫作固定，由人孔進入，按序懸掛束狀纖維濾料，完畢封閉人孔。最后在池上安裝機械調(diào)節(jié)裝置，用以調(diào)節(jié)上層孔板。
3 效果分析
3.1 水質(zhì)
經(jīng)分別試驗，纖維束濾池上部設(shè)機械調(diào)整裝置和孔板，不設(shè)機械調(diào)整裝置只設(shè)孔板，不設(shè)調(diào)整裝置和孔板，三種型式的濾后水質(zhì)沒有明顯區(qū)別。
3.1.1 渾濁度
1996年～1999年，濾前水、均粒濾池和纖維束濾池濾后水濁度指標的檢測統(tǒng)計，冬季1～3月和11月、12月5個月冰封期間，水庫存原水濁度7--9度，經(jīng)過澄清池自然沉淀，濁度降至5～7度，均粒濾池的去濁率為36～53%，纖維束濾池的去濁率為68～78%，纖維束濾料比均粒濾料的去濁率高47～54%。投絮凝劑期間，均粒濾池的去濁率為66～75%，纖維束濾池的去濁率為78～87%，纖維束濾料比較粒濾料的去濁率高47～52%。
見表1：96～99年濾池除濁對比性平行生產(chǎn)試驗統(tǒng)計表。
濁度儀為無錫市光明濁度儀廠產(chǎn)STE-A12型濁度儀，濁度標準液為硅藻土配制
96～99年濾池除濁對比性平行生產(chǎn)試驗統(tǒng)計表表1
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3.1.2 水質(zhì)其它指標
由于纖維束濾料除濁率高于均粒濾料，經(jīng)對纖維束濾池的濾后水作常規(guī)化驗，氨氮、亞硝酸鹽氮含量比均粒濾料低20——25%，鐵、錳低20——30%。耗氧量和微生物等指標，也均有降低。
見表2：濾池水質(zhì)常規(guī)檢測數(shù)據(jù)。
濾池水質(zhì)常規(guī)檢測數(shù)據(jù) 表2
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3.2 濾速、過濾周期、濾水量、水頭損失
在相同工況下，纖維濾料和均粒濾料濾池歷經(jīng)4年雨季高濁期和冬季低溫低濁期的生產(chǎn)運行，纖維束濾池的濾速、過濾周期、濾水量和水頭損失等運行參數(shù)，均優(yōu)于均粒濾料濾池。
詳見表3：濾池運行參數(shù)測定數(shù)據(jù)。
濾池運行參數(shù)測定數(shù)據(jù) 表3
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3.3 過濾性能
過濾性能指數(shù)(MSC)是綜合評價濾池過濾性能的指標。
MSC=(Co-C)VT/△H
式中：Co-過濾周期內(nèi)平均進水濁度(mg/l);
C--過濾周期內(nèi)平均出水濁度(mg/l)；
V--過濾周期內(nèi)平均濾速(m/h)；
T--用水質(zhì)指標控制的過濾周期(h)
△H--過濾周期內(nèi)水頭損失增量；
H--濾床期終水頭損失(m)
Ho--濾床初始水頭損失(m)。
經(jīng)計算，均粒濾料MSC為664kg/m，纖維濾料的MSC為2024kg/m3，纖維濾料池比均粒濾料池高3倍，說明纖維束濾料的過濾性能優(yōu)于均粒濾料。
4、效益分析
4.1 經(jīng)濟效益
4.1.1 冬季低溫低濁期間
樺甸市地處吉林東南高寒山區(qū)，年平均氣溫3.9℃，最低氣溫-45℃。冬季水溫0--2℃，水庫原水濁度7--9度，低溫低濁期達5個月之久。在此期間，原水經(jīng)澄清池自然沉淀后，濾前濁度5——7度，均粒濾池去濁率36--53%，不加絮凝劑濾后濁度難以達到3度以下。纖維濾池去濁率68--78%，不加絮凝劑濾后濁度可達3度以下。
冬季低溫低濁期間，二廠絮凝劑液體聚和鋁投量需要15mg/l，液體聚和鋁含運費單價1400元/t，每m3水費用0.021元，5個月藥劑費為4.725萬元。
加藥泵功率0.75kw，動力費0.34元/(kw.h)，5個月為918元。
按三班8小時，每周5天工作制計算，含串休三班需要5人，月人均工資按600元計，5個月為1.5萬元。
以上三項費用6.3168萬元，采用纖維濾料可減少這筆費用。
4.1.2 產(chǎn)量和收入
纖維濾池速較均粒濾池提高35%，過濾周期延123%，濾水量增加36%，每年可增加水量192萬m3。按樺甸城區(qū)目前綜合水價并剔出35%的產(chǎn)銷差，每年水費收入增249.6萬元。
4.1.3 均粒濾料直接費
濾料按福建晉江購貨，濾料銷售費、包裝費、產(chǎn)地短途運費、鐵路運費和水廠短途運費，每m3均粒濾料928.7元，每m3卵石1130.3元。濾床承托層厚度0.45m，濾料濾層厚度1.0m，折算承托層用量0.45m3/m2，濾層用量1.68m3/m2，含濾池出砂和鋪砂人工費，普通快濾池更換一次每m2濾池直接費為1524元。
4.1.4 纖維濾料直接費
按只裝底部孔板，上部為無調(diào)節(jié)裝置與孔板的堆積式纖維濾池計算，聚丙烯材料費、汽車運輸費、纖維加工費、孔板材料費、孔板切割鉆孔費、零星購件費、短途裝運和安裝費，每m2纖維束濾料濾池直接費為5419元。
4.1.5 費用比較
聚丙烯纖維濾料使用年限可達15年，按使用周期10年計算。10年均粒濾料需要更換3次，每m2直接費為4572元，比纖維濾料低847元。按二廠目前生產(chǎn)規(guī)模計算，10年纖維濾池冬季減少支出63.168萬元。上兩項費用比較，纖維濾池節(jié)節(jié)省資金63.833萬元。按水費價格不上調(diào)考慮，10年增加消費收入2496萬元。此三項費用為2182萬元，即纖維濾池10年可獲得經(jīng)濟效益2559萬元。
4.2 社會效益
束狀纖維軟性濾料代替粒狀濾料應(yīng)用于普通濾池，突破了重力式濾池一直用粒狀濾料的傳統(tǒng)觀念，開創(chuàng)了城市給水濾池使用束狀濾料的先例，生產(chǎn)試驗4年之久，效果顯著，并已取得了國家專利權(quán)。
纖維束濾料避免了粒狀濾料的粒徑不能進下縮小的限制，使濾料的直徑達到了μm級，大大增加了濾料的比表面積，使其達到了3000m2/m3，增加了水中懸浮固體與濾料的接觸機會和濾料的吸附能力，從而提高了濾后水質(zhì)，束狀纖維濾料的孔隙度大于0.9，不增加過濾阻力就能增加截污容量，而且濾速高，過濾周期長，為老廠濾池的挖潛改造和新廠濾池的經(jīng)濟設(shè)計，提供了可推廣和借鑒的經(jīng)驗。
纖維濾料使用周期10年以上，避免了海砂濾料經(jīng)常填補和定期更換的麻煩，減少了工人勞動強度和停水檢修的時間。
5 結(jié)語
采用氣水沖洗的均粒濾池由于吸取了法國V型濾池的優(yōu)點，目前已為國內(nèi)許多水廠所采用。運行證明，效果甚佳。但氣水沖洗的纖維束濾池的過濾指數(shù)尚優(yōu)于均粒濾濾池。如能采用纖束濾池過濾技術(shù)，可獲得更加顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益和社會效益。
江河湖泊水庫存水低溫低濁的凈化處理目前仍是一個難題。4年之久的生產(chǎn)試驗證明，氣水沖洗纖維束濾池對東北低濁水的處理，不失為一種有效、經(jīng)濟、可行的方法，值得進一步研究和推廣。
重力式纖維束濾池由于濾后水質(zhì)好，有利于提高人民生活質(zhì)量和工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量，有利用于實現(xiàn)我國城鎮(zhèn)供水行業(yè)2000年技術(shù)進步規(guī)劃。由于濾速快，可減少水廠的占地面積，降低濾池單體構(gòu)筑物的建設(shè)投資。纖維濾料使用周期長，可降低濾料更換費用，又由于重力式纖維束濾池便于自動控制，有利于實現(xiàn)計算機集散型生產(chǎn)自動化管理。
經(jīng)過4年多的生產(chǎn)試驗，我們在纖維束濾料重力式給水濾池應(yīng)用方面，初步做了一些有益的嘗試，取得了某些成功經(jīng)驗。纖維濾池的濾速高，過濾周期長，但其中洗歷時也相對增加。由于纖維濾料的截污速高，過濾周期長，但其沖洗歷時也相對增加。由于纖維過濾機理，濾池運行能力強，必須要用氣水予以反沖洗。此外，在纖維過濾機理，濾池運行參數(shù)優(yōu)化控制和用于低溫濁水處理方面，尚需深層次研究和進一步探索。
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