反粒度过滤的实验研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇反粒度过滤的实验研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要:反粒度过滤与传统石英砂过滤相比，它具有过滤速度快，截污能力强、产水量大，过滤周期长，能适用较高的反冲洗强度等优点。通过两种均质石英砂滤料的组合进行反粒度过滤实验，在滤速为16m/h，待滤水浊度为25NTU左右的条件下，通过实验研究，得出该滤池浊度、COD、氨氮、TP、TN等指标的去除率分别为90%，25%,30%,90%,30%左右，并通过过滤与反冲洗的研究，分析该反粒度过滤的特征参数。

关键词:反粒度过滤；指标去除率；特征参数

Study on Reverse Grain Filtration

LIU De-hua,LIU Gang,LI Dong

(Development Center of Water Company，HYDROCHINAZhongnanEngineeringCorportion，

ChangSha，410014，China)

[Abstract]compared with Quartz sand filter ，Reverse Grain Filtration has the advantages of the Filtering speed, stronger Cut pollution ability, more water yield, longer Filter cycle, can apply higher back flush intensity. This study has Filtering experiment on Homogeneous filter material reverse grain filtration. When the filtering speed is 16m/h，the turbidity of required treatment Sewage is about 25NTU，Through This Experimental Test，obtained the Removal rate of turbidity，COD，NH3-N，TP，TN，is respectively about 90%，25%,30%,90%,30%，After study the filter and Reverse wash，analysis the Characteristic parameters of Reverse Grain Filtration.

Key words: Reverse Grain Filtration; The rate of index removal; feature parameters

1 绪论

传统的石英砂过滤方式是下向流过滤,上向流反冲洗，在反冲洗的作用下，粒径较大滤料分布在滤层的下部，而粒径较小的滤料分布在滤层上端，因此，在刚开始过滤的一段时间内出水浊度很低，处理效果很好。但随着过滤的进行，表面粒径较小的滤料截污量越来越多，孔隙越来越小，孔隙中水流速越来越大，整个滤床的水头损失亦越来越大，并且在表面滤料截污量达到一定的时候，待滤水中的杂质大量移向下层粗滤料。由于下层滤料粒径粗，孔隙直径大，细小的杂质很难被其截留而穿透整个滤床，故滤后水浊度逐步升高。当表层细滤料截污达到饱和，大量杂质穿透整个滤床时，出水水质恶化，此时过滤结束。

理论上较理想的过滤技术应是杂质先通过滤层中粒径较大的滤料，然后再通过粒径较小的滤料，从而达到充分截留的效果。待滤水先经过粗滤料再经过细滤料的过滤，即为反粒度过滤。反粒度过滤中的过滤和反冲洗均采用上向流方式，过滤时它能较好地克服表面堵塞的缺点，充分发挥整个滤床的截污作用，具有过滤周期长,水头损失小,反冲洗耗水率低等特点，能在较高滤速下提供优质的滤后水。

1.1 反粒度过滤有以下特点：

（1）出水水质好，当进水浊度在10-20NTU时，平均出水浊度在1NTU度左右，并且过滤周期长。

（2）平均滤速高，在保证出水水质的前提下，理想滤速为16-20m/h。

（3）过滤水头小，滤速为16m/h时，水头损失仅不到3×10-3MPa。

（4） 截污量大，过滤周期长。一般单一石英砂滤料层正向过滤的截污量是2-3kg/m3，而粗反过滤的滤层截污量是10-15kg/m3。

但同时反粒度过滤也存在着一些问题：

（1）滤料不易冲洗干净。由于污泥主要是截留在靠下层滤料的孔隙中，大量污泥在冲洗时要通过整个滤层才能排出，冲洗水和过滤水水流方向又是一致的，因此影响冲洗效果。

（2）当滤速过高时，会使滤层流态化，使原已截留的污物穿过滤层，进入滤后水中，从而限制了高速反冲洗的应用。

20世纪80年代末，湖南大学土木工程学院吴光春教授针对“反粒度过滤”存在的问题，提出了粗滤料反粒度过滤的技术思路，通过采用提高滤层中最小滤料颗粒的粒度，改变滤粒配比，取得了较好的过滤效果。

1.2过滤机理

反粒度过滤在过滤开始的很长的一段时间内筛滤作用较小，是因为下层滤料孔隙大，而水中悬浮颗粒粒径很小，杂质不可能被筛除。待滤水中的杂质主要是重力沉淀到滤料的表面再和滤料接触凝聚而被拦截。

随水流从滤床下部进入的杂质颗粒，粒径大(也即自身的重量大)的先在底层最粗滤料的大孔隙中沉淀：越往上杂质粒径越来越小，而杂质所接触的滤料粒径也相应的越来越小(相应的孔隙直径亦越来越小)。这样的水流状态非常有利于细颗粒杂质的沉降。

滤柱顶层厚10cm左右的滤层几乎没有截污，通过含污量分析可以证明这部份滤料截污量甚微，它们起着水质保护层的作用。投了絮凝剂的原水，悬浮杂质会在最下层最粗石英砂滤料中进行着异向接触絮凝，从而使杂质颗粒增大，反过来又加速了颗粒的沉降速度，提高了过滤效率。

到过滤的后期，在整个滤层孔隙直径越来越小的情况下，杂质与被杂质包裹的滤料之间的接触凝聚作用就更为显著了。筛滤在表层细石英砂滤料中和下层孔隙越来越小的粗石英砂滤料中也起着一定的作用。上述就是粗反过滤的机理，它主要依靠吸附与筛滤去除水中悬浮物。

2 实验目的与实验内容

2.1 实验目的

研究滤速为16m/h，待滤水浊度为25NTU等条件下，进行反粒度过滤的实验，通过实验结果，分析反粒度过滤浊度、NH3-N等指标的去除效果，并研究其过滤周期、滤料的截污量、反冲洗周期等的特点，从理论上摸索出反粒度过滤的规律与 特性，为今后的实验的深入研究做好准备工作。

2.2 实验内容

本实验通过对一般浊度的污水进行反粒度过滤试验，研究了反粒度过滤的运行特性。具体研究内容如下：

(1) 本实验初始滤速采用16m/h，待滤水浊度约25NTU，通过实验分析反粒度实验对污水中浊度，氨氮，COD等的去除效果。

(2) 通过反粒度过滤实验，得出过滤周期，截污量，反冲洗，过滤水头损失等特点。

(3) 在长期研究石英砂过滤获得的成果的基础上，通过比较得出反粒度过滤的各方面的优势。

3 实验装置

实验装置包括以下几个组成部分，具体如图1所示：

图1实验装置图

Fig.1 The experiment device figure

3.1 过滤柱

过滤柱由内径为200的有机玻璃管制作而成，壁厚10mm.过滤柱上每相隔10cm布置一根测压管，测压管与刻度板相连，滤柱上有取砂样孔10个，用以更换滤料和取样用。

3.2 滤料

实验滤料采用粒径为0.95-1.35mm和0.71-2.0mm的两种均质滤料，滤层总厚度为85cm，其中上层为0.95-1.35mm粒径的滤料，滤层厚度45cm、下层为0.71-2.0mm粒径滤料，滤层厚度40cm，两滤料之间由多孔板隔开，并分别设置承托层。承托层厚度为15cm，由上到下分别为2-4mm(5cm)、4-8mm(5cm)和8-16mm(5cm)粒径的粗颗粒石英砂和卵石组成。

3.3 配水、配气系统

配水室和滤柱用法兰连接，配水室高300mm，过滤和反冲洗时，水和气通过配气室，均匀的进入滤料层。实验中配水系统采用有机玻璃多孔滤板，滤板上均匀分布直径为4mm的滤孔，滤板的开孔率ε=7.85%.配气系统为多孔管，多孔管一端封闭，另一段连接输气管，反冲洗空气在空压机压力下，进入配水室，在配气管的作用下，空气与水均匀混合。

3.4 水箱

（1）平衡水箱：主要用来储存原水和维持过滤柱进水水位的稳定。配水箱中的水由原水水泵抽到平衡水箱中，原水在平衡水箱中有一定的停留时间与絮凝剂反应。

（2）配水箱：配水箱由隔板分为两格，在一格工作的时候，另一格可以进行人工配水工作，这样可以使原水不间断的进入平衡水箱。配水所用水为二沉池出水，将水放入箱中，根据需要投加一定量的黄泥浆，人工搅拌后，通过浊度仪测量，达到所需浊度时，就成为所需浊度的原水。

（3）加药箱：用来配制所需浓度的絮凝剂溶液，通过计量水泵将药剂抽入原水输水管中与原水混合。

（4）反冲洗水箱：用于储备反冲洗所用的自来水，通过反冲洗水泵作用，对过滤后的滤料进行反冲洗。

3.5 反冲洗系统

本实验反冲洗采用气水联合反冲洗方式，先用自来水反冲洗两分钟，然后气水反联合冲洗两分钟，最后再用自来水反冲洗一分钟。先单独用自来水冲洗，可以将过滤截留的大部分物质冲洗出来，再通过气水联合反冲洗，将滤层中板结或者难冲洗的物质冲洗出来，最后反冲洗一分钟将滤层中气水反冲洗过程中残留下来的气体排净。通过气水反冲洗后，反冲洗出水浊度一般能达到3NTU以下。

3.6 其它

（1）浊度仪：型号BZ-1Z，测量范围 1-200NTU.

（2）原水泵： 型号 ISG20-110 流量2.5m3/h，扬程 15m，电机功率：0.37kw.

（3）反冲洗水泵：单相自吸泵，型号 1W2B30-0.37D 流量：2m3/h扬程：30m功率 0.37kw，吸程 7.5m.

（4）加药计量泵：型号CT-15-01，流量 1.5L/h，最大工作压力0.1MPa，功率 16w.

（5）空气压缩机：型号 V-0.17/8，工作压力 0.8MPa，电源AC-220V 排气量0.17m3/min，功率 1.5kw.

（6）转子流量计：测量范围0-4000L/h.

（7）空气流量计：测量范围1-10m3/h.

（8）量筒，秒表。

4 实验方法

由于水厂出水浊度比较低，没有达到一般浊度水要求，实验原水由二沉池出水和黄泥浆配置而成，浊度约25NTU。待滤水中投加的药剂为聚氯化铝（PAC），投加质量为4mg/L，通过加药计量泵，将絮凝剂注入输送原水的的管道中，在管道中水的流动作用下与原水混合混合均匀，进入平衡水箱，药剂与原水在平衡水箱中有一定的反应时间，在絮凝剂的作用下，过滤效果有所提高。

本实验采用重力过滤，实验时平衡水箱一直处于溢流状态，以维持水位恒定，从而使滤柱进水水压和水量保持不变，通过阀门和流量计来调节流量的大小，从而控制滤速，在整个过滤过程中，滤层中水头损失逐渐增大，因此滤速随过滤时间逐渐减小。

实验平均水温为10℃，过滤滤速16m/h，当出水浊度>5NTU时，停止过滤，并采用气水反联合冲洗。

实验测量指标主要有浊度、COD、NH3-N、TP、TN，其中浊度由浊度仪测量，COD、NH3-N、TP、TN测量方法分别为重铬酸钾法、纳氏试剂光度法、钼锑抗分光光度法、紫外分光光度法。

反冲洗采用气水联合反冲洗方式，先由水洗两分钟，将大部分悬浮物冲洗出来，，再通过气水反冲洗方式，将顽固的残留物冲洗出来，最后通过水冲洗，将残留在滤层中的空气冲洗出来。

反冲洗空气由空压机提供，由于空压机额定工作压力为0.8MPa，通过调节空压机的压力阀门，使其工作压力稳定在0.1-0.2MPa，并在排气管上安装减压阀，确保反冲洗气压不至于太大。通过阀门和空气流量计调节反冲洗气量大小，反冲洗气通过输气管，进入配气室，与水混合均匀后进入滤层。

5 实验结果分析

5.1 过滤效果

在滤速为16m/h条件下，双级均质反粒度过滤对浊度，COD，NH3-N，TP，TN的去除效果如下列图所示，通过图中曲线分析，可以得出反粒度过滤去除各种指标的规律。

（1）浊度去除效果

图2 反粒度过滤浊度的去除效果

Fig.2 The effect on turbidity removal in Reverse Grain Filtration

从图2分析可知，过滤周期在14小时左右，反粒度过滤时，浊度的平均去除率在90%以上，在过滤的前10小时内，滤后出水浊度相对稳定，并维持在较低的范围，过滤10小时之后，滤出水浊度上升速度较快。

表1 滤后出水的指标

经过几天实验水质的测量，待滤水COD，NH3-N，TP，TN平均约5.43mg/L，4.28mg/L，0.14mg/L，5.02mg/L，经反粒度过滤处理后，各指标出水浓度如表1所示，分析滤后水实验数据，双级均质滤料反粒度过滤对COD NH3-N TP TN的去除率分别为25%,30%,90%,30%左右。由于这些指标的测量工序复杂，耗时较长，加上实验室实验条件的限制，每种指标一天最多测量三组，只能凭借这几天测量的经验数据，绘制这几种指标的去除效果图如下：

5.2过滤水头损失及滤速变化规律

在滤柱侧面，每隔10cm安装一根测压管，测压管与滤柱旁边的刻度板相连，从上到下编号为1到10，相邻的两测压管读数差值表示过滤时两测压管之间滤层的水头损失值，通过测压管差值的变化，可以分析滤层的截污规律。测压管差值表如图2所示。从表2中数据可以看出，在过滤开始阶段，下层滤料测压管差值变化比较均匀，说明反粒度过滤截留并不是简单的表面截留，基本上是整个滤层同时截在留。

开始过滤一段时间之后，3号测压管与2号测压管差值增大速度较快，4号测压管与3号测压管差值也有一定的增加，此时2到3号测压管之间的滤层起主要过滤作用。

从表2可以看出，刚开始过滤阶段，下层滤料处于过滤阶段，过滤周期的前半段时间内， 2到5号测压管测压管上升的比较快，而随着过滤的进行，下层滤料（0.71-2.0mm）逐渐达到饱和状态，此时，起主要过滤作用的是上层滤料，6到10号测压管水头上升速度较快。

表2 测压管随时间变化

Tab.2change over time of the piezometer tube

2号测压管与1号测压管差值在整个过滤期间变化幅度比较小，原因是最上层厚度10cm左右小粒径滤料截污量并不大，它在过滤期间起到保护与稳定出水水质的作用。从总水头损失变化可以看出，过滤水头损失在3×10-3MPa左右。

由于滤层水头损失不断增大，使得过滤时滤速逐渐减小。实验过程中，每隔一小时测量一次过滤的瞬时滤速值，通过数据分析后绘制曲线图，从图中可以看出，滤速在整个周期中是逐渐减小的，但减小的幅度不大，基本上可以认为是等速过滤。

5.3 反冲洗

本实验反冲洗采用气水相结合反冲洗，清水池中的自来水，在反冲洗水泵的作用下，以一定的水压和流量从配水室进入过滤柱，反冲洗空气在空气压缩机的压力下，进入配水室与反冲洗水混合后进入滤层。本实验中反冲洗水强度和反冲洗空气强度如表2所示，反冲洗5分钟能冲洗出98%以上过滤时截留的悬浮物。通过计算可得，反冲洗耗水率低于整个周期产水量的1%。

表2 反冲洗强度表

Tab.2The strength of reverse wash

反冲洗时每隔30s取一次反冲洗水水样，待反冲洗结束时，测量浊度，并记录数值，由于反冲洗刚开始阶段，出水浊度非常高超出了浊度仪最大量程，对于这些高浊度水样，委托郴州第三污水处理厂专业水质检测员测量，通过测量水样的SS，然后换算为浊度。由于刚开始单水洗和刚开始通入空气瞬间，反冲洗出水浊度变化比较大，因此每隔10秒钟取一次水样，测量结果如图8所示。

从图8可以看出经气水联合反冲洗后，滤层中截留的悬浮物基本已经完全去除，为了除去滤层中残留的空气，再进行一分钟单独水洗，此时，滤料中悬浮物去除率达到98%以上，反冲洗完成。

6 结论

1）通过本次试验研究，确定了一些反粒度过滤的实验参数，初步掌握了反粒度过滤的运行特征。

2）反粒度过滤具有平均出水浊度较低，反冲洗周期长，截污量大，过滤水头损失小，反冲洗容易且用水少等特点。

3）长时间以来，人们对石英砂石英砂过滤参数有了丰富的经验。在此基础上，通过与传统石英砂过滤经验参数对比，得出了反粒度过滤的优势。

参考资料：

[1] 肖伟民.粗滤料反粒度过滤技术及其在饮用水处理中的应用研究[D].广州：中国科学院广州地球化学研究所，2004.1-90.

[2] 吴光春，陈治安，许仕荣. “反粒度”过滤技术的研究与应用[J].中国给水排水，1996，12(2):16-20.

[3] 李波.粗滤料反粒度过滤技术的成功应用[J].冶金矿山设计与建设，2000,32(3)：32-35.

[4] 黄京敏，黄永强.反粒度上向流过滤实验[J].中国给排水，1995，11(1)：46-49.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。