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纤维球滤料的多姿多彩
添加时间:2019-2-23 11:54:14
 

  纤维球滤料的多姿多彩

  投加混凝剂的地表水,经过有效过滤后,水中的肉眼可见物被全部去除,浊度通常降到3~5度以下。过滤还能去除大部分致病菌,减少消毒剂的消耗量,提高消毒的效果。过滤还能够去除部分有机物,减少水中的有害成分。可以说,过滤是提高给水水质的关键措施。

云南体彩网  给水过滤的历史悠久,最早用于城市供水的过滤技术是慢砂滤,其机理是借助滤料表面的微生物膜来吸附水中的悬浮物及部分溶解物,定期刮除表层堵塞的砂滤料。慢砂滤的滤料粒径只有0.3-1mm,滤速只有0.1-0.3m/h。由于微生物膜能够吸附部分溶解性杂质,故慢滤的水质很好,通常不必消毒即能饮用。但慢砂滤的滤速太小,产水量太低,而且刮除表层滤料后,水质不能保证,故没有获得广泛应用。混凝技术的发展,使过滤速度提高到8-10m/h,砂滤料的粒径增加到0.5-1.2 mm。其机理是通过滤料的接触凝聚作用吸附脱稳的胶体颗粒。

云南体彩网  影响过滤速度的主要因素是滤层的空隙率及比表面积。滤料越细,比表面积越大,过滤时越易截留固体杂质,但阻力也越大;反之,虽然阻力很小,但高速过滤时很容易穿透。而且由于反冲洗,细砂滤料都集中在滤层表面,过滤时,水中的悬浮物多在表层滤料中被截留,使得滤层的阻力迅速增加而超过极限值,而下层滤料仍然没有发挥截污作用。

  城市规模的扩大,城镇数量的增多及人们生活水准的提高,导致给水厂的规模和数量迅速增加,促使人们使用无烟煤粒、陶粒、塑料颗粒等多种滤料及多层滤料,但都未能很完善地解决上述问题。

  新型纤维球滤料由聚酯化学纤维制成,纤维丝直径20~50um,长度l0-30mm。纤维球外形为球体或扁球体,纤维球滤层的空隙率约为95%,比表面积约为10000m2/m3,过滤水质很好,滤速高达30-80m/h,比重轻、只有1.38,因此,反冲洗强度很低。

  最早的纤维球滤料是由日本发明的,我国也是发展纤维球滤料及纤维球过滤技术最早的国家之一,已经取得了一定的实际应用经验。

  1.试验情况

  为了全面深刻地认识纤维球过滤的特点,在给水现场进行了长期的纤维球滤料和石英滤料的同步试验,取得了一定的资料。

  1.1 给水处理现场

  给水处理试验在某工厂的给水净化车间进行。该车问的处理流程如图1所示。

纤维球取代砂滤料用于给水处理的应用特点和经济优势分析

  该车间所用混凝剂为碱式氯化铝,投加点为一级泵房到配水井的管线上,投加量为25—50mg/L(以Al203计)。借助于管道与配水井的水流紊动作用,完成水的混凝过程。

  试验期间,引用澄清池或配水井的出水, (分别为图1中的箭头A和箭头B),进行纤维球和石英砂的同步试验,观察不同条件下,两种滤料的运行特征。

  1.2 试验滤料

云南体彩网  从国产纤维球产生至今,已发展成系列化产品,原料纤维丝径范围多在20~75um之间,球径在10-55mm之间。国产纤维球的空隙率为90%-95%,比表面积和日本纤维球相似,约为3000-20000m2/m3,是传统石英砂滤料的几十倍。和砂滤料相比,不仅球径大,滤层孔径大,不易堵塞,而且滤料易压缩,滤层的孔隙分布较理想,上层空隙大、下层孔隙小,便于发挥深层滤料的截泥作用。由于纤维材料的吸附能力强,纤维球的比表面积很大,很容易截留水中的悬浮物质,即使高速运行时,仍不易穿透,为高速过滤和节省空间、占地提供了条件。

  试验中所用国产纤维球主要是I型及II型的,其性能见表1,纤维球滤层高为1m,石英砂滤料粒径为0.5-1.2mm,砂层高为0.75m。

纤维球取代砂滤料用于给水处理的应用特点和经济优势分析

云南体彩网  1.3试验结果及分析

  国产纤维球及石英砂过滤澄清池出水及配水井出水的试验情况分别见表2和表3。

纤维球取代砂滤料用于给水处理的应用特点和经济优势分析
纤维球取代砂滤料用于给水处理的应用特点和经济优势分析

  (1) 两种滤料过滤效果

  试验期问,两种滤料所有的滤出水中都不含有肉眼可见物。纤维球滤料的出水与砂滤料相仿。过滤澄清水时,滤出水浊度小于1.0度;过滤配水井出水时,滤出水的悬浮物浓度小于5mg/L,一般在2mg/L左右。每次过滤,出水水质良好和稳定,每次过滤终止都是因为滤阻超过极限值而停止。直到终点时,过滤出水的水质部很好。本次试验,滤阻的极限值为1.50m·H2O

  (2) 过滤阻力随时问的变化

  随着过滤的进行,滤层中截留的悬浮物不断增加,空隙率不断下降,阻力不断上升。砂滤层不可压缩,随着过滤时间的增加,滤层中有效空隙率逐渐减少。因此,滤层的阻力随过滤时间呈均匀上升趋势。纤维球滤层可以压缩,开始过滤时,滤层基本不压缩,此时,滤层的阻力很小,而且上升速度也很缓慢。当纤维球滤层的阻力上升到一定值时,由于压差的作用,滤层开始受到压缩,滤层的有效空隙率加速下降,导致滤层阻力的加速上升。滤层阻力的迅速上升,促进滤层更快地受到压缩,有效空隙率更快地下降。因此,纤维球滤层的过滤阻力不断呈现加速上升趋势。石英砂和纤维球的过滤阻力的变化情况见图2。

纤维球取代砂滤料用于给水处理的应用特点和经济优势分析

  (3) 过滤阻力沿滤层深度方向的分布

  由于砂滤料粒径很细,滤层的孔径很小,而且反冲洗使得细砂集中在滤层的上部。进行降流式过滤时,水流先经过表层滤料层,水中的悬浮物被迅速截留,水中的大固体颗粒甚至被阻挡在滤层的上方。砂滤层中,起截泥作用的滤料主要是表层5-10cm厚的滤层。本次试验的结果表明,砂层上部6-7cm厚的滤层的阻力占整个滤层的92%,下部90%的滤层基本没有发挥作用。因此,砂滤层的截泥量很低、周期产水量很小。滤层不同部位水头损失分布情况见图3。

纤维球取代砂滤料用于给水处理的应用特点和经济优势分析

  纤维球滤层空隙大,水中固体颗粒很容易进入滤层深处,不产生砂滤时的表层堵塞现象。滤层越深,压缩作用越强,孔隙率越低,深入滤层的悬浮物就不易穿透滤层底部。在滤层中间约20cm后的范围内。截污量最大,阻力上升最快,底层厚约20cm的滤层截污少,阻力小,只起保护作用。纤维球滤料层的压缩,虽然加剧了滤层阻力的上升,使其较快地超过极限值,但也通过底部滤料防止滤层穿透。压缩性适宜,可以最佳限度地发挥整个滤层的截污作用。纤维球过滤阻力沿滤层深度的变化情况见图4。

纤维球取代砂滤料用于给水处理的应用特点和经济优势分析

云南体彩网  (4)石英砂和纤维球滤速比较

  纤维球滤层孔隙率高,即使在高速过滤时,滤层的阻力仍然很小,而另一特点即纤维球的比表面积很大,再加纤维材料的吸附性能很强,能够有效地截留固体杂质,保证纤维球过滤的水质。试验过程中受现场条件局限,试验的最高滤速为50m/h,最低滤速为10m/h。事实证明,纤维球在各种滤速条件下,都能够起稳定而有效的过滤作用。和砂滤相比(其滤速为10m/h),纤维球过滤不仅滤速高,而且周期长,产水量大,截污量大。滤速对纤维球滤层的截污量有一定影响。滤速越高,纤维球滤层的截污量越小。试验表明,纤维球的最佳滤速为30m/h左右。此时,既能较好地发挥纤维球的产水能力,又能较好地发挥滤层的截污作用。

云南体彩网  (5)纤维球和砂层的反冲洗情况

  纤维球粒径大,比重轻,如果只用水反冲洗,将会使整个滤层浮起,纤维球没有摩擦作用,滤层较难冲洗干净。因此,纤维球滤层采用气、水同时反冲洗,气体起搅动作用,促使纤维球与悬浮物分离。反冲水的强度较小,一般为8-12l/m2·s,甚至可以更低;反冲气强度一般为20-40l/m2·s;反冲洗时间只要6-7min即可。反冲洗耗水量只占过滤水量的0.4%-0.6%。

  砂滤层可以只用水反冲洗,水的反冲洗强度为15l/m2·s,或者用气、水同时反冲洗,反冲气强度一般为15l/m2·s,反冲水强度为4-8/m2·s。反冲洗时间都为6-8min,反冲水量占过滤水量的1%以上。

  上述数据说明:纤维球滤层的反冲水量与过滤水量的比值只有砂滤层比值的一半左右,因此,纤维球过滤可以显著节省反冲洗水量,降低运行成本。虽然纤维球滤层的反冲气强度为20-40L/m2·s,而砂滤层的反冲气强度只有15l/m2·s,实际上,纤维球滤层的过滤面积只有砂滤层的1/3左右,即纤维球滤层总的反冲耗气量只有砂滤层的50%-80%,如果砂滤层只用水反冲洗,则必须增加反冲水强度,消耗更多的水。

  反冲试验表明,纤维球的反冲洗操作简便,不会引起滤料的散失,因为滤层上方的多孔挡板能够阻止纤维球穿过;纤维球层下面也不必设承托层,因为纤维球滤料的规格很大,稳定性很好。砂滤层正好相反,必须严格控制气、水反冲洗强度,从而既能保证滤层的反冲洗效果,又不致将砂滤料冲走,砂滤料的大小不一,必须缓慢启动和关闭反冲设施,以保证砂滤层的结构合理、滤层中的大小滤料不混杂及承托层的稳定。

  2。纤维球滤池及石英砂滤池的比较

  纤维球滤速是砂滤的3倍以上,这意味着,产水能力相同的纤维球滤池将远小于石英砂滤池,因此,造价将相应减少许多;纤维球滤料的用量也将远小于砂用量,但纤维球的价格较高;两种滤料的运行情况和反冲洗情况也不相同。总之,只有从两种滤池的造价、两种滤料的价格及两种过滤的运行费等多方面进行比较,才可以合理地评价两种过滤的经济性。考虑到目前水厂的规模都较大,现以产水量为10万m3/d的水厂为例,进行两种个过滤的综合比较。

  2.1两种滤料滤池的设计

  纤维球滤池,按滤速30m/h计算,一座日产10万m3的纤维球滤池,所需的过滤面积仅为160m2,根据经验,可采用10个单元,每个单元的面积为4。5m×3。6m,采取对称双排布置方式,则整座滤池的平面尺寸为9。8m×38m,因为纤维球滤池可以不设承托层,过滤阻力也不超过砂滤阻力,因此,滤池的深度可以略有减少,通常为3。0m左右。

  石英砂滤池,可按滤速8m/h计算,一座日产水量10万m3的普通快砂滤池,过滤面积将达576m2,是纤维球过滤面积的3。7倍以上。根据规范与经验,可以采用两座规格相同的砂滤池并联运行,每座砂滤池采用6格对称双排布置,平面尺寸为27m×32。8m,滤池高度为3。4m。

  2.2两种过滤池的投资和运行费用

  2。2。1总造价

云南体彩网  两种过滤池的总造价包括土建、管道费用及滤料费用两部分。

  (1)土建费用

  根据江苏省目前的工程经验,一座规模为5万m3/d的普通快砂滤池,其造价约为190万元。两座砂滤池的造价将达380万元左右。而一座日产水量为10万m3的纤维球滤池,总造价仅为140万元左右。可见,纤维球滤池的投资较普通快砂滤池明显节省。

  (2)滤料费用

  日产水量为10万m3的砂滤工艺,需要石英砂400m3、砾石300m3,两者的费用共计约30万元。同样产水量的纤维球滤池,纤维球滤料的费用约为20万元。纤维球的使用寿命按3年计,则每年的折旧费为6。8万元。如果不考虑砂滤料的补充或更换,则纤维球滤池更换滤料的费用应比砂滤池高6。8万元/年。

  从上述两项计算可知,两种过滤的投资差别主要是滤池部分的造价。两种滤料的费用及补充滤料的费用相差并不很大。

  2.2.2运行费用

  运行费用主要是反冲洗费用及反冲洗水外排的费用。

  (1)反冲洗费用

云南体彩网  普通快砂滤池的反冲耗水量为日产水量的5%左右,水费约为0.20元/m3,则一组日产10万m3的普通快滤池,每年的反冲水量为182.5万m3,水费达36.5万元。纤维球过滤的周期长,因此,反冲洗水量占产水量的比例只有1%-2%,即使按2%计,一座日产10万m3的纤维球滤池,年产水量仅78万m3,反冲洗水费约14.6万元/年。纤维球滤池用气、水同时反冲洗,风机年运行费用约3.5万元,即纤维球滤池总的反冲洗费用约为18.1万元/年,比砂滤池节省18.4万元/年。

  (2)排污费用

  江苏省的多数水厂,必须借助提升泵将反冲洗水排出厂外,由于下纤维球滤池的反冲洗水量比砂滤少109.5万m3/年,即可少抽109.5万m3的水,估计能减少排污费约10万元。

  上述各项计算入表4。

纤维球取代砂滤料用于给水处理的应用特点和经济优势分析

  从表4可以看出,纤维球滤池的投资将比石英砂滤池节省250万元;纤维球滤池的运行费用将节省21.6万元/年。即用纤维球滤池代替石英砂滤池,其经济效益是显著的。

  3结论

  纤维球滤料是新型滤料,和传统的粒状滤料不同,是软性可压缩滤料,而且比重小,比表面积大、空隙率高、空隙分布合理。过滤时,由于滤层下层压缩性大,上层压缩程度小,空隙率高的上层滤料截留能力强,有效地避免了表层局部堵塞的现象,而底层的压缩性好的滤料起保护作用。因此,纤维球过滤具有滤速高、出水水质好、截污量大、周期长、周期产水量大和冲洗水耗少等优点。在水处理厂中,代替砂滤池在技术上是可行的,经济上是合理的。

纤维球滤料的多姿多彩。

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