饮用水处理厂过滤器性能的评估

陆 军

(西林县水利局，广西 百色 533500)

1 概 述

为实现农村饮用水安全、保证及时供应用水、逐步改善人民生活条件[1-3]，西林县水利局通过水处理厂来完成目标。已知水处理厂的产能可从2.000 L/s增加到2.400 L/s，但是为了保证出水质量，实际容量应保持在2.000 L/s。当温度升高时，水的产量随之减少，水的质量和数量也变得不稳定[4-6]。虽然改进容量的目的是增加水产量，但该目标未能顺利实现，因为这将导致反冲洗过滤器的频率随之增加。

分析从西林县水利局获得的数据得出，过滤器的平均浊度符合有关饮用水质量要求的规定，低于5NTU(浑浊度单位)。但是大部分的污水浊度值无法达到西林县水利局关键性能指标中规定的目标，即浊度值应低于1NTU。设置关键指标是为了保证浊度分布在最远的点上也可以保持在规定值内。因此，为了达到西林县水利局在产出水数量和质量方面的目标，需对过滤器进行评估，该评估将侧重于确定过滤装置的性能和反冲洗性能。

2 试验方法

本研究使用的设备如下：①浊度计；②分析尺度；③岩心取样工具：AW型PVC管，直径3.81 cm，长度152.4 cm；④水和介质样品的容器；⑤玻璃器皿：3个100 ml的锥形玻璃杯、3个500 ml的玻璃烧杯、3个玻璃漏斗和1个100 ml的量杯。

首先对14个过滤器单元进行评估，明确其总体性能；然后从第一次评估中选出3个过滤器单元，并对其进行二次评估。数据由主要数据和次要数据组成：主要数据来自实地测量，次要数据来自水处理厂收集的数据。

2.1 评估过滤器性能

首先评估14个过滤器单元，然后确定3个过滤器单元，应用过滤器取芯方法再进一步评估，主要包括以下3个步骤。

2.1.1 浊度值测量

测量收集流入和流出过滤器的样品，总共28个，然后用浊度计对样品进行测量。基于测量结果，计算过滤器去除效率。

2.1.2 反冲洗水量的比率

该计算使用辅助数据来确定每个单元使用的反冲洗水量，以百分比为单位，然后将结果与过滤器性能标准进行比较。用以下公式计算比率：

(1)

式中：比率单位为%；反冲洗水量单位为m3；生产水量单位为m3。

2.1.3UFRV计算

该计算使用辅助数据，根据过滤器单元的尺寸确定过滤器产量，然后将结果与过滤器性能标准进行比较。用以下公式计算UFRV：

UFRV=过滤率×工作时间

(2)

式中：UFRV单位为m3/m2；过滤率单位为m3/(m2·h)；工作时间单位为h。

2.2 评估反冲洗性能

基于上述评价结果，再进行一次评估，确定3个过滤器单元，应用过滤器取芯方法进行二次评估。其中，3个过滤器单元分别是性能最好、性能中等的和性能最差的过滤器单元。

2.2.1 目视检查过滤器

将过滤器排空并隔离，然后进行目视检查，主要查看过滤器表面的裂纹、泥球等现象。检查时，以梯子和胶合板为基础围绕过滤器进入，而不能直接踩在过滤器上。

2.2.2 岩心取样

在过滤介质中，选定3个点进行岩心取样。步骤也是排放和隔离过滤器，使用岩心取样工具根据不同的深度进行取样，每个取样点的深度分别为0～15.24、15.24～45.72和45.72～76.2 cm。见图1。使用絮凝物的积累程度进行来分析，主要分为以下步骤：①获得50 g的过滤介质样品；②将其与100 ml的水混合，然后摇动30 s；③将水从介质中分离，然后重复步骤②；④重复步骤②和步骤③，直到水量达到500 ml；⑤用浊度计测量浊度值，然后乘以2，获得100 g样品的测量值，并记录结果；⑥对每个岩心取样的样品重复步骤①-步骤⑤，然后将其与浊度值范围标准进行比较，确定过滤介质条件。

分析完成后，形成浊度值和岩心取样深度变化关系的剖面。

2.2.3 测量反冲洗后的浊度值

在过滤器再次开始运行的前30 min内，每通过5 min就对流出物取样并进行测量。根据测量结果，为每个流出物建立一个变化曲线，代表流出物浊度值和取样时间两者之间的关系。

3 结果和讨论

3.1 评估过滤器性能

3.1.1 浊度值测量

用Turb WTW 430 IR浊度仪对过滤器的流入和流出物再进行一次测量。测量结果表明，所有过滤器的出水浊度均符合国家规定，均小于或等于5NTU。但有5个过滤器不符合关键性能指标的标准，该指标设置为低于1NTU。完整的测量结果见表1。

表1 各过滤器的浊度值和去除效率

3.1.2 反冲洗水量的比率

基于表2的计算结果，得出符合标准的只有编号5至编号10的过滤器，其反冲洗比率为3%～7%，即所需的反冲洗水量占总产出水的3%～7%。当百分比低于标准时，表明实施的反冲洗持续时间与过滤器运行时间不一致。

表2 反冲洗水量的比率

3.1.3UFRV计算

图2为UFRV的计算结果。由图2可知，只有编号为2、3、4、11和12的过滤器符合300～500 m3/m2的标准。

图2 单位过滤器运行量(UFRV)

根据已有的测量数据进行计算，对其进行完整评估，评估结果见表3。

表3 过滤器性能得分

续表3

根据表3，选择编号为2、14和10的过滤器来代表以下3个性能类别：性能良好、性能中等和性能较差。然后对选定的过滤器进行专门评估，确定其反冲洗性能。

3.2 评估反冲洗性能

3.2.1 目视检查过滤器

根据目视检查结果，在2号和10号过滤器单元上发现过滤器通道。通过滤器壁上介质的标记高度和不规则介质表面显示得出，10号过滤器上的过滤介质数量在减少。2号和10号过滤器在反冲洗过程中，存在不规则的反冲洗分布死区。因此，可以确认孔上有堵塞，过滤器上存在的问题可能是介质发生老化。2号和10号过滤器在进行反冲洗过程中也发现了空气黏结现象。图3和图4为目视检查10号过滤器过滤介质的结果。

图3 过滤介质上的过滤通道

图4 空气黏在过滤介质上

3.2.2 岩心取样

该步骤在反冲洗之前进行，絮凝物的累积曲线见图5。

图5 取样点1、2和3絮凝物的累积曲线

图5中絮凝物的累积曲线表明，点1和点3在0～15.24 cm深度处积累了大量絮凝物，而点2在15.24～45.72 cm深度处有絮凝物累积，表明最大过滤过程发生在不同的时间点。见表4。砂介质顶部堆积的絮状物可能是无烟煤介质损失造成的，这将导致空气黏结，则各点的介质状况如下所示：

表4 10号过滤器岩心取样的每个点和深度的浊度值

点1：介质脏，形成许多泥球(600～1 200 NTU)。

点2：介质脏，形成许多泥球(600～1 200 NTU)。

点3：介质脏，有可能形成泥球并发展为成熟状态(300～600 NTU)。

3.2.3 测量反冲洗后的浊度值

根据测量结果，在2号和10号过滤器单元进行反冲洗之后，得到过滤器流出物的浊度曲线和浊度值，见图6和表5。

图6 2号和10号过滤器流出物的浊度曲线

表5 2号和10号过滤器流出物的浊度值

测量结果显示，在0.77 NTU的情况下，2号过滤器在开始的5-10 min期间，浊度值下降程度最大。10号过滤器的浊度值发生最大下降的时间点是10-15 min，NTU为0.51。30 min后，2号过滤器的出水质量已经优于10号过滤器；但是30 min时，两个过滤器流出物的浊度值均未低于1 NTU。

4 结 论

通过本文研究可知，所有过滤器都不符合3个性能标准：浊度值、反冲洗水量的比率和UFRV值，但所有标准都是相互关联的。影响过滤器性能的参数是反冲洗操作，包括反冲洗持续时间和反冲洗水量的比率。基于3个标准评估过滤器性能的计算表明，2号过滤器的性能最好，可得到10分；14号过滤器的性能中等，可得到8分；10号过滤器的性能最差，可得到6分。有10个过滤器的分数高于平均分数，4个过滤器的分数低于平均分数。评估反冲洗性能的结果表明，2号和10号过滤器单元应通过指定和设置新的反冲洗持续时间来改变反冲洗步骤。在2号和10号过滤器的介质中存在过滤通道，且在10号过滤介质中发现介质收缩和介质损失。岩心取样结果表明，各采样点累积絮状颗粒的介质条件不同。反冲洗后的浊度值曲线显示，2号过滤器在降低浊度值方面要比10号过滤器迅速。