无烟煤均质滤层过滤技术试验研究及工程应用

1、无烟煤均质滤层过滤技术试验研究及工程应用                        摘要：本文介绍了无烟煤均质滤层过滤技术试验研究内容和结果；简略阐述了滤速与产水量的关系、滤料粒度对过滤效能的影响、L/d值的重要性以及为保证滤层均质状态的气水反冲洗过程；文章还介绍了北京市第九水厂二期无烟煤均质滤层滤池的主要设计参数和生产运行测定结果。 关键词：无烟煤 均

2、质滤层 过滤效能  自从快滤池取代慢滤池以来的几十年间，普通砂滤料过滤技术已经十分成熟，得到极广泛的应用。但是普通砂滤池滤层经膨胀状态下反冲洗后形成上细下粗颗粒的逆向级配，在一般正向过滤的情况下纳污能力距理想滤层相距甚远。煤砂双层滤料滤池和煤砂磁铁矿三层滤料滤池在滤层结构上取得了重大进展，但由于铺设、分层、反冲洗等问题，使建立在快滤机理上的过滤潜力难以充分发挥。以不膨胀或低膨胀、气水反冲洗为基础条件的均质滤层过滤由于滤料颗粒在滤层垂直方向分布的均匀性，在滤厚度与滤料粒径比合理的情况下，滤料粒径适当加大，提高了纳污能力；滤层厚度适当加深，保证了滤后水质。这样使滤池单位面积周期产水量增加

3、，即或可提高滤速或可延长过滤周期，同时降低反冲洗耗水率，降低建设投资，带来更多的经济和社会效益。虽然近几年法国V型滤池引入我国，但我国尚缺乏一套完整、系统的科学理性认识和参数群，为此建设部立项、北京市市政工程设计研究院开展了均质滤层过滤技术研究。该项目是建设部“八五”重点科技项目，其成果获九八年建设部科技成果二等奖、九九年建设部重点科技推广项目。本文仅就无烟煤均质滤层过滤试验研究及在北京市第九水厂二期工程中应用情况作简要介绍。1 试验流程与试验内容 1.1 试验流程及装置试验工艺流程见图1。混合采用快速轴流式机械搅拌。絮凝采用波形板竖流式三段絮凝。沉淀为侧向流波形斜板沉淀。试验滤池为钢管筒式结

4、构，构造示意见图1。滤池筒体直径1.2m，总高5.2m，过滤面积1.13m2。垫层为级配河卵石。滤头为窄缝式长柄滤头。应当指出，本试验滤池规模已达到生产性规模，试验水量大是本试验与一般过滤试验显著不同的特点之外，由于滤池直径大而大大降低了湿周对过滤的影响，使试验滤池反冲时的状况特别是形成的滤层与实际生产更为接近。 1.2试验方案与内容2.s、历时3min；气水同时冲洗阶段气冲强度不变、水冲强度4-5 L/m2.s、历时3-5min; 水冲阶段强度6-20 L/m2.s、历时5-8min。过滤方式为等滤速定水头过滤。2 试验结果与讨论2.1 试验结果将试验变量恰当组合安排，组合排列过滤试验8组，

5、每组试验分别进行3-6个过滤周期，试验结果见表1。无烟煤滤料过滤结果统计 表1序进水条件前处理条件有效粒径厚度m滤速m/h膨胀率%进水浊度ntu沉淀出水浊度ntu过滤出水浊度ntu周期h产水量m3/m2试验次数1自然浊常规1.101.51070.730.630.174646032自然浊常规1.331.51070.760.630.195555033自然浊常规1.101.52071.08o.730.232346054自然浊常规1.331.52070.860.640.192856065配浊常规1.101.510724.341.200.133838046配浊常规1.101.520726.303.430

6、.202040047配浊直接1.101.110710.20 0.212222038配浊直接1.481.110710.20 0.25282803试验结果表明，对于本试验用原水，选取本试验用参数，可获得高质量的过滤出水，周期过滤出水平均浊度低于0.3NTU。2.2讨论与分析将表1中滤料粒径相同、前处理条件相同、滤速不同的过滤试验滤出水浊度和单位面积滤池周期产水量整理，得表2。滤速与周期产水量对应统计 表2粒径mm前处理条件单位面积周期产水量m3/m2差值试验序号滤速10m/h滤速 20m/h1.10自然浊常规46046001 ；31.33自然浊常规550560102 ；41.1

7、0配浊常规380400205 ；6从表2可以看出，10m/h滤速时单位面积滤池周期产水量和20m/h滤速时相差无几，有的滤程没有差别。这说明滤速的大小（至少在10m/h-20m/h范围内）对过滤周期产水量影响不大。美国洛杉矶水厂粗滤料厚滤层滤池建设前的研究报告( Weter Treatment Pilot Studies for the Los Angeles Aqueduet ) 称：“试验原水经预臭氧，通过厚6英尺的无烟煤滤层过滤，滤速13.5加仑/英尺2.分，其滤程为28小时；滤速18加仑/英尺2.分，其滤程为22小时。两者滤程产水量分别为22700加仑/英尺2和23800加仑/英尺2无

8、烟煤滤料不同粒径过滤能力比较 表3组别试验序号有效粒径mm滤速m/h进水浊度NTU出水浊度NTU截留浊度NTU周期产水量m3/m2过滤能力指数比值A11.10100.630.170.464602111:1.1521.33100.630.190.44550242 B31.10200.730.230.504602301:1.1041.33200.640.190.45560252 C71.101010.200.219.9922021971:1.2681.481010.200.259.952802786 从严格的理论上讲，滤层所具有的对悬浮物的截留作用来自滤料所具有的表面

9、积。慢滤池的过滤能力主要地来自筛除作用，而快滤池的过滤能力主要来自滤料颗粒表面的吸附作用，这是快滤池与慢滤池过滤机理最主要的不同之处。在过滤过程中滤料所提供的表面积越大，对水中悬浮物的附着力越强。为要达到一定的预期的水质要求，滤料所提供的表面积应表现为：单位面积滤层所提供的表面积必须满足某一最低量值的要求，相互关系可以参考如下数学表达：从上式各参数的相互关系可以看出，随着滤料颗粒粒径加大，孔隙度加大，所提供的表面积变小。滤层表面积减少的结果必然会降低过滤能力。这反映出粒度加大对过滤效果带来的负作用。这个式子同时也清楚地表明，在滤料球形度一定也即滤料种类一定的情况下，能够抵消粒度变化负面影响的只

10、有滤层厚度、即L。这样，此式中的L/d成为关键因素，它决定了滤料所能提供的表面积的大小也就决定了过滤性能。由此引伸出L/d这一概念。从技术角度讲，L/d值越大越好。而综合经济因素，工程中应以最小L/d值满足提供最低量值的滤料表面积达到预期的过滤出水水质要求。在实践中，选用优良的滤料级配和滤层厚度正是保证过滤效能的关键。因此，L/d受到滤池设计人员的日益重视。我国城市供水行业2000年技术进步发展规划提出：“为保证水质滤层深度与粒径之比应大于800。”在其子课题改善过滤效能中指出：“运用L/Dm800判别式判断分析滤池滤料级配的合理性或比较其优越性。”这里的Dm为平均粒径。美国Intergrat

11、ed Design of Water Treatment Facilities提出，“1.5mmd1.0mm的单层滤料滤池L/d1250。”这里的d为有效粒径。本试验用滤料L/d值见表4。试验用滤料L/d 表4d mmL/dLmm有 效 粒 径 mm平 均 粒 径 mm1.481.331.101.831.651.361500 10281364 90911031100743 1000601 809将试验中除粒径不同而其他条件特别是进水浊度相同时的L/d值和试验结果列表如表5。L/d与过滤结果 表5组别试验序号有效粒径mm滤速m/h进水浊度NTU出水浊度NT

12、UL/dA11.10100.630.171364 21.33100.630.191028B71.101010.200.211000 81.481010.200.25743注：d为有效粒径                             3 北京市第九水厂二期工程滤池 3.1 滤池主要设计参数

13、北京市第九水厂二期工程滤池设计应用上述研究成果，建成无烟煤滤料均质滤层滤池，处理能力50万m3/d。其主要设计参数如下：滤料粒径范围dmaxdmin=2.01.0mm; 有效粒径d10=1.10mm; 均匀系数K60=1.35; 滤料层厚L=1.5m。设计滤速V=7.60m/h; 强制滤速V=7.93m/h。三段式气水反冲洗，气冲阶段气冲强度q=20L/m2.s、历时t=3min; 气水同时冲洗阶段气冲强度不变，水冲强度q=34L/ m2.s、历时t=23min; 水冲阶段水冲强度q=8L/ m2.s、历时t=5min。膨胀率=0。3.2 生产运行测定结果该工程96年投产，97年6-8月进行了

14、生产运行测定。结果见表6。 北京市第九水厂二期工程滤池生产运行测定结果 表6序号日期原水浊度NTU滤池进水浊度NTU滤池出水浊度NTU周期h最高最低平均最高最低平均最高最低平均平均16.24-6.281.290.600.841.150.510.680.230.060.144827.31-8.45.001.653.303.301.102.040.230.030.113838.21-8.2437.810.819.79.404.607.440.690.090.2636需要指出的是，表中所列过滤周期终止时水头损失并未达到设计最大值，其时水头损失只有设计值的三分之二。应当特别说明的是，生产运行的膨胀率与试验用膨胀率不同，实际运行滤料确无膨胀。测定结果表明，滤池过滤性能良好，获得高质量的出水。4 简要结论 4.1 试验研究和生产实践表明，无烟煤均质滤层过滤可获得满意的过滤效果，证明均质滤层过滤是一项先进的水净化技术。4.2在试验选择的粒径范围内，粗滤料的过滤周期产水量大于相对较细的滤料，并有一定程度的定量概念。但为要达到相同的滤后水质，滤料表面积大小是决定截留作用大小的因素。然而粒度粗的单位面积滤料所具有的表面积小，能够抵消粒度增大带来这种负面影响的因素只有靠滤层厚度的增加。这样便形成了为要满足某一最低单