微絮凝直接过滤的性能评价
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【摘 要】 文章综合讨论了各种反应过滤性能的单因子指标和综合指标，并在试验的基础上，对目前能够比较综合反应微絮凝直接过滤性能的综合指标I值进行了验证，I值能够在一定程度上准确反映出滤池的过滤性能。
【关键词】 均质滤料 直接过滤 评价指标 过滤性能
Indices for Micro flocculation direct filtering performance
Ren Bo
（China Railway Fifth Survey And Design Institute Group Co.，Ltd . Beijing 1102600）
【Abstract】 This article discussed various single factor index and comprehensive index which can reflect the direct filtering performance， and through a experiment， the value ‘I’ which was a comprehensive index that can reflect the micro flocculation filtering performance was verified.
【Key words】uniform media， direct filtration， evaluation index， filtration performance
过滤是水处理过程中不可缺少的一个重要处理单元，因此，保持过滤的高效性对于提高出水水质、降低设备运行成本具有十分重要的意义。在过滤过程中，影响过滤效果的因素很多，原水水温、水质、滤料性质（颗粒粒径、形状和级配）、混凝剂种类和投加量、过滤速度等因素都对过滤过程产生影响。通常评价过滤性能的指标有：过滤周期、浊度去除率、过滤速度、进水浊度、出水浊度、水头损失、滤层厚度、单位产水量等。
（1）过滤周期越长，反冲洗频率越短，反冲洗用水量相应减少，过滤产水量增加，过滤性能优良；
（2）浊度去除率越高，说明滤柱的去浊能力较强，过滤性能优良；
（3）当产水量相同时，过滤速度越快，则需要的滤池面积小，过滤性能优良；
（4）进水浊度大，表明滤池可承受的工作负荷达，过滤性能优良；
（5）出水浊度小，则过滤出水水质较好，过滤效果优良；
（6）水头损失小，过滤过程中的能量损失较小，过滤效果优良；
（7）滤层厚度涉及到滤池的建设高度，厚度越小，滤池的建造成本越低，过滤性能优良；
（8）微絮凝的加药量越小，则运行成本越低，过滤性能优良；
（9）单位产水量越大，过滤性能优良。
以上评价都是用单一指标衡量滤池的优劣，它们在评价过滤性能时，彼此之间的结论有差别，甚至相互矛盾。因此，为了更好的衡量滤池的过滤性能，采用能反映上述指标的一个综合指标是有必要的。
1 试验条件
本次试验原水采用某石化废水的二级出水，原水总磷约为2.0mg/L，浊度约为8NTU。试验所采用的混凝剂为聚硅酸铝铁，使用时首先进行稀释，然后通过蠕动泵进行加药。滤柱采用了均质石英砂作为滤料，滤层厚度60cm，保持等速过滤。
2 试验测试指标
测试指标主要包括：（1）进水总磷浓度；（2）出水总磷浓度；（3）加药量；（4）水头损失；（5）运行时间及过滤周期
3 过滤试验
1）混凝剂加药量
加药量是影响后续过滤的一个重要因素。加药量过大，则形成的絮体较大，容易造成滤柱内的表层过滤，不能充分发挥整个滤层的性能，并且容易提升能个滤层的水头损失，降低过滤周期；相反，投药量过小，絮体也较小，此时絮体容易穿透滤层，达不到接触絮凝的效果，导致出水水质下降。最佳投药量可通过烧杯小试试验确定。本次试验的投药量确定在15mg/L。
2）微絮凝过滤工况
加药量通过小试确定为15mg/L，滤层采用石英砂滤料，厚度为60cm，原水进水总磷浓度变化范围为2.0-3.0mg/L，分别采用滤速为6m/h和8m/h，进行等速过滤，连续运行一个周期。根据试验所得数据得图1及图2分别如下。
图1 过滤周期内出水水质
图2 过滤周期内水头损失
随过滤时间变化情况随过滤时间变化情况
4 理论分析
很多学者[1]从不同的角度提出了关于过滤性能的不同评价指标。Ives[2][3]采用了FN作为过滤效率因子来评价过滤工艺的整体性能。
（1）
式中，FN—过滤效率因子；
C0—进水浊度，NTU；
Ce--出水浊度，NTU；
V—过滤速度，m/h；
T—过滤周期，h；
H—水头损失，m。
FN是一个无量纲数，其值越小，滤池整体过滤性能越好，反之则越差。FN作为评价过滤性能的指标，考虑到了进出水浊度、过滤周期、水头损失、过滤速度等各指标对过滤过程的影响。在此基础上，景有海[3]提出了以以JP作为评价过滤性能的指标：
（2）
式中，JP—为无量纲因子；
L—滤柱滤层厚度，m。
同FN值一样，JP值越小，滤池整体过滤性能越好，反之则越差。FN、JP作为反映过滤性能的指标，均没有反映出加药量对过滤性能的影响。
Cleaby[4]提出的过滤性能评价指数为：
（3）
式中，--过滤系数；
--比沉淀量（mg/m2）；
-附加水头损失（m）
过滤系数代表了深层过滤的截留效率，根据岩琦方程[3][5]有：
（4）
式中，--过滤系数m-1；
C—滤层深度为Z出的悬浮物浓度，mg/L；
Z—滤层深度，m
是表示深层过滤性能的一个重要参数，值越小，滤层的截留能力越小，过滤性能较差。但是，此时水中杂质可以穿过滤层进入到滤层深处，充分发挥滤池的深层截污能力，减少滤池的水头损失速度，延长过滤周期。
式2-3、2-4反映了滤池由于截留杂质而使得水头损失增加的过滤状况。但是，公式中并未涉及到过滤周期对指数的影响，且、值不能够直接测得，使用不便。
Gaml和Rademadvher[6]提出的过滤性能评价指数如下：
（5）
式中，--过滤速度（m/h）；
--过滤周期（h）；
--水头损失（m）
式2-5综合了滤速、过滤周期以及水头损失等来衡量过滤性能，但不包括水质因素，不能全面反映过滤性能。
在以上基础上，有学者提出了以下I值的表达式的过滤性能评价指标：
（6）
式中，--清洁滤层的水头损失，m；
M—过滤周期内的平均加药量，mg/L；
C0—进水浊度，NTU；
Ce--出水浊度，NTU；
H—水头损失，m
I—每消耗单位质量的混凝剂量产出的水量，L/mg
上式中，过滤周期的控制指标以来体现，是由于过滤过程截留杂质而造成的水头损失。此外，还以出水水质作为辅助指标，I值越大，表明过滤性能越好。本次试验主要以总磷作为出水控制指标，故将上式中进出水浊度替换为总磷浓度来作为微絮凝过滤工艺的性能评价指数。
5 本次试验性能指标评价
通过量纲分析可知，I值的单位是L／mg，它反应的是每消耗单位混凝剂量所能产生的水量，I值越大，则微絮凝直接过滤性能越好。将试验所得数据代入式（6）中，分别计算1，2两组滤柱的过滤指数，计算结果见表1。
其中，C0为平均进水总磷浓度，mg/L
C为平均出水总磷浓度，mg/L
由表可已看出，在两组滤柱加药量相同，进水总磷浓度大体一致的情况下，虽然出水总磷浓度也相近，且滤速为6m/h的滤柱过滤周期要长于滤速为8m/h的滤柱，但第1组滤柱的过滤性能指数I值比第2组滤柱要高，故说明第2组的滤柱工况更为合理。另外，在实验所规定运行指标下，合理改变滤层高度或改变滤料组成，并调节更加合理的加药量，能更有效的提高过滤周期。
在滤速为8m/h的工况条件下，总磷的平均出水浓度为0.45mg/L，浊度的平均出水为2.0NTU，COD的平均出水浓度为31.52mg/L。
从上表中可以看出，微絮凝过滤对于总磷和浊度的去除效果较好，而对COD的去除效果则不如总磷和浊度的去除效果，且在过滤周期内，随着过滤时间的增加，各个指标的去除效果随之降低，当接近过滤终点时，去除效果最差，这是由于随着过滤的进行，滤层对于杂质的吸附达到饱和，过量的杂质随水流穿过滤层，导致出水水质较差，因此，在过滤达到终点时应当及时进行反冲洗，以保证出水水质。
6 结论
从前面的分析得知，I值反映了消耗单位量药剂的产水量，第2组试验的I值要大于第1组，即在相同的药剂使用量下，第2组比第1组的产水量要高，这对于提高水处理工艺的经济适用性具有一定的指导意义。但是，对于一个特定的滤池，是否存在一个最佳I值或I值的取值范围仍然是一个有待继续研究和讨论的课题。
参考文献
[1] 刘辉，夏群，王文标，等，直接过滤池过滤性能综合评价指标[J]，中国市政工程，2001（1）：56-59
[2] 张克锋，直接过滤阻力系数K的试验研究，山东建筑工程学院学报，1995年3月，第10卷，第1期
[3] 景有海，均质滤料直接过滤性能的评价指标，给水排水，2000， Vol.26， No.3
[4] J L Cleasby. Approaches to a filterability index for granular filters. J Am Wat Wks Assn， 1969：372-381
[5] 景有海，水的过滤理论基础，西安建筑科技大学，2001
[6] M B Gaml， G M Rademadvher. Measuring filter performance. Wat Wks Eng， 1959