连续式砂滤器低砂层过滤性能研究

王靖雯，唐华瑞

（河南理工大学万方科技学院建筑与测绘工程系，河南郑州450001）

连续式砂滤器低砂层过滤性能研究

王靖雯，唐华瑞

（河南理工大学万方科技学院建筑与测绘工程系，河南郑州450001）

连续式砂滤器是一种改良的生物滤池，具有投资及运行费用低、管理简单等多重优点。在50 cm低砂层条件下，研究了空气量、滤速、砂循环速率对过滤性能的影响，得出装置过滤的最优工作参数为：滤速4.0～5.6m/h，气量0.5～0.7m3/h，砂循环速率5.8～8.5mm/min，为连续式砂滤器的研发与优化提供参考。在最佳状态下运行，装置对SS去除效果明显。

连续式砂滤器；低砂层；滤速；气量；砂循环速率

连续式砂滤器是一种新型过滤设备，可实现过滤、反冲洗的不间断同时进行，具有投资及运行费用低、操作管理简单等优点，在污水深度处理和提标改造中具有越来越重要的地位〔1〕。目前，世界各地已安装有2万台连续式砂滤器，在50多个国家共有4 000多家用户〔2〕。

连续式砂滤器多采用逆流过滤，原水从底部经均匀布水后进入滤料层，经过滤后的清水在池体顶部的出水堰被收集排出，而水中的污染物被滤料拦截，如不及时对含污滤料进行清洗，随着污染物的累积，过滤吸附层界面逐渐上移，最终达到整个滤层饱和点，污染物泄漏，导致出水水质变差。连续式砂滤器在锥形底部设空气提升管，通过压缩空气将锥底的污砂提升至装置顶部的洗砂器，洗砂器内拥有曲折的通道，下落的污砂不断与其碰撞，使附着在砂表面的污染物与其脱离，洗净后的砂粒落到滤层顶部进行下一轮吸附与清洗；清水液位高于洗砂器内反洗水液位，在这个液位差的作用下，保证由洗砂器底部进入的清水多于气提管提升的水量，及时将洗掉的污染物一并带出。

由于连续式砂滤器可实现连续反冲洗，且反冲洗强度可通过压缩空气量来调节，使污砂层及时得到清洗，保证含污层位于滤料层底部，因此，连续式砂滤器工作区域主要在滤层的下部。有研究表明，低温水微絮凝过滤工作层约为40 cm〔3〕，过多的滤料在一定程度上并未充分发挥作用。在工程上，过高的滤层不仅增加土建费和设备材料费，还增加进水的阻力，造成资源能源的浪费。

因此，对连续式砂滤器低砂层厚度下的过滤性能进行了初步研究，得出装置运行的最优工作参数，为工程上连续式砂滤器的研发与结构优化提供参考。

1　试验装置与方法

1.1试验装置

试验装置如图1所示。

图1　连续式砂滤器试验装置

装置尺寸为D 600mm×1 500mm，由有机玻璃黏结而成。进水经泵打入进水管1，泵后设有回流管及电磁流量计（型号L-MAG-20），用于调节和计量进水量。进水打向反射锥9后均匀进入石英砂滤层2，经逆流式过滤后，清水经可调节高度的出水堰4进入出水管3排出。装置中心部位设有气提管11，其尺寸为D 28mm×1 200mm，下端设有喇叭口，压缩空气经气管8（内径6mm）对应喇叭口中心，进行提砂反冲洗，设有气体流量计（型号LZB-10）用于调节进气量，控制反冲洗强度。反洗水经出水管7流出。

1.2试验方法

利用新密市某城市污水处理厂二级生化处理出水进行试验，以粒径为2.0～2.5mm的石英砂作为滤料，有效滤层厚度为50 cm。改变工作参数，装置运行稳定后，连续3次进行测定并取平均值。使用哈希测定仪DR2800对COD、TN、TP、SS进行测定，使用直尺测定砂循环时下落高度。

2　结果与讨论

2.1空气量对砂循环速率的影响

控制滤速稳定在5.2m/h，保持装置连续稳定运行，在不同空气量条件下，测量砂层下落高度，结果如图2所示。

由图2可知，随着空气量的增加，砂循环速率不断增大，其增长速率逐渐减小，最后趋于一个稳定值。当气量小于0.1m3/h时，空气在提砂管中呈鼓泡型，虽能扰动提砂管底部的砂并提升一定的高度，但还未到达顶部洗砂器就开始下落了；当气量为0.1～0.6m3/h时，砂循环速率与空气量整体上成线性关系；当气量为0.6～0.8m3/h时，砂循环速率增长缓慢且趋于平稳，这是因为受到了提砂管管径的制约，使单位空气量的提砂效率有所下降；当气量大于0.8 m3/h时，砂循环速率趋于10.1mm/min，此时提砂量为2.85 L/min，提砂管直径成了最大提砂量的限制因素〔4〕。

图2　空气量对砂循环速率的影响

2.2滤速对过滤性能的影响

控制气量为0.6m3/h，改变进水量，装置稳定运行后，测定进出水SS，结果如图3所示。

图3　滤速对SS去除率的影响

由图3可知，随着滤速的增大，SS去除率整体上呈下降趋势。当滤速小于5.9m/h时，装置对SS的去除率能保持在45%以上；当滤速大于5.9m/h时，SS去除率逐渐下降。这是因为：滤速过大，进水会对砂层产生冲击，而砂层厚度低又易引起砂层松动，进水以较高流速穿过砂层，将已被滤料截留下来的污染物又冲出砂层，混入清水，从而引起出水水质变差；当滤速较低时，SS去除率较高，达到了60%以上。

2.3砂循环速率对过滤性能的影响

控制滤速稳定在5.2m/h，通过调节空气量来改变砂循环速率，装置稳定运行后，测定进出水SS，结果如图4所示。

图4　砂循环速率对SS去除率的影响

由图4可知，随着砂循环速率的增加，SS的去除率呈现先增大后减小的趋势。当砂循环速率较小时，由于砂循环速率小于过滤吸附层的上移速度，含污砂层不能及时得到清洗，砂层中污染物累积过多，达到了泄漏点，稳定的连续过滤过程受到破坏，故此时出水SS较高；当砂循环速率大于3.2mm/min时，砂循环速率大于过滤吸附层上移速度，连续过滤过程得以正常运行，SS去除效果较好；但是，当砂循环速率大于9.0mm/min时，提砂量较大，较多的污砂被提升到洗砂器中并拥挤在其中，造成水力阻力增大，此时液位差已不能有效地将洗下的悬浮物等污染物压出，反洗水进入清水区，造成出水水质恶化。

2.4最佳过滤状态对污染物的去除效果

控制滤速在4.0～5.2m/h、砂层高为50 cm、砂循环速率在7.2～8.4mm/min的状况下，连续运行15 d，对COD、TN、TP、SS每天测定1次，COD、TN、TP、SS平均去除率分别为17%、9%、8%、56%。可以看出，装置对SS有较好的去除效果，对COD的去除效果一般，对TN、TP的去除效果较差。大部分颗粒态污染物得以去除，主要是受滤料的物理过滤作用；另一方面，生化出水中含有的微生物附着于砂粒表面，对COD、TN、TP的去除也有一定作用，但受到碳源不足的影响，脱氮效果不明显。由砂循环速率可知，石英砂在池体中的清洗周期仅有几个小时，附着于石英砂表面的少量污泥中含有微生物，还未形成生物膜就被洗去带走，然而，洗砂过程中虽有剧烈摩擦，但石英砂凹面处仍残留一部分生物膜〔5〕，才使得砂滤器具有脱碳脱氮等微生物作用。因此，滤料的表面特性对连续式砂滤器的性能有重要作用。

3　结论

以连续式砂滤器为研究对象，处理二级生化出水，分析了砂滤器在50 cm砂层厚度下，空气量对砂循环速率以及滤速、砂循环速率对过滤性能的影响。

（1）空气量在0.6～0.8m3/h，滤速在4.0～5.2m/h，砂循环速率在7.2～8.4mm/min时，连续式砂滤器处于最佳过滤状态，直径28mm气提管最大提砂量为2.85 L/min。

（2）过滤吸附层的上移速度决定了最小砂循环速率，中心气提管直径以及洗砂器的构造限制了最大砂循环速率。然而，过大的气提管和洗砂器又会造成提砂过快和反洗水量增加，导致能源浪费。

（3）在最佳过滤状态下，SS平均去除率为56%，能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级B到一级A的提标改造，但由于碳源不足及较短的砂清洗周期，其对TN的去除效果较差。连续式砂滤器的滤料表面特性对其生物作用有重要意义，挂膜后生物处理效果有待后续研究。

［1］李俊生.活性砂过滤器在城镇污水厂节能减排中的应用［J］.中国给水排水，2010，26（1）：57-59.

［2］曾如婷，张鸿涛，程林波，等.活性滤料滤池的应用探讨［J］.中国给水排水，2013，29（20）：14-18.

［3］陈志强，吕炳南，温沁雪，等.内循环连续式砂滤器的微絮凝过滤试验［J］.中国给水排水，2002，18（1）：45-49.

［4］曾如婷，张鸿涛，程林波，等.活性滤料滤池气提系统影响因素研究［J］.环境科学学报，2013，33（5）：1239-1243.

［5］谭明，袁蕴俭，刘用林，等.连续砂滤池在低水温条件下的反硝化脱氮效果［J］.环境工程，2014，11（4）：46-50.

——————

Research on the filtration capacity of the low sand bed of continuous sand filter

Wang Jingwen，Tang Huarui
（Departmentof Architecture and Engineering of Surveying and Mapping，Wanfang CollegeofScience and Technology HPU，Zhengzhou 450001，China）

The continuous sand filter isa kind ofmodified biofilter，which hasmany advantages，such as low investment，low operating costs and simplemanagement，etc.The influences of the amount of air，filtration rate and sand circulating rate on filtration capacity has been studied，when the low sand bed condition is 50 cm.The optimum working parameters obtained for the installation of filtration are as follows:filtration rate is 4.0-5.6m/h，amount of air 0.5-0.7m3/h，and sand circulation rate 5.8-8.5mm/min，providing reference for the research，development and optimization of continuous sand filter.Under optimum operation conditions，the device has significant removing effecton SS.

continuous sand filter；low sand bed；filtering rate；amountofair；sand circulating rate

TU991.24

A

1005-829X（2016）03-0084-03

王靖雯（1989—），硕士。电话：13526605075，E-mail：simpe6475@163.com。

2016-01-19（修改稿）