不同石英砂滤池系统过滤性能的研究

2023-09-14冯源

湖南有色金属 2023年4期

冯源

（1.湖南新九方科技有限公司，湖南长沙 410000；2.湖南省环境科学学会，湖南长沙 410000）

在水处理工艺中，最常用的滤料有石英砂、无烟煤粒等。其中以石英砂使用最广［1］。石英砂主要成分为二氧化硅，密度在2.65左右，在pH值2.1～6.5的酸性水环境中具良很好的化学稳定性。滤料的密度、化学性质以及机械强度等特性是决定生物砂滤池处理效果的重要因素［2］。石英砂滤料主要依靠其巨大的比表面积，对污染物的截留与吸附［3］。

目前很多污水处理设备厂家会在一体化设备后端附加生物砂滤池［4］，但从项目的实际应用中发现砂滤池容易堵塞，长时间运行后出水效率低，截污能力受到很大的限制，而主要原因是砂滤池石英砂粒径选择、填层高度以及反洗方式不合理等［5－7］。

本研究以石英砂砂滤池为研究对象，通过试验探讨不同石英砂粒径、砂滤池填层高度以及反冲洗方式对砂滤池过滤性能的影响，以期为砂滤池的实际项目应用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本次试验采用脱水污泥与自来水混合配置成一定SS浓度的泥水来模拟试验进水，进水SS浓度为40～50mg／L。

石英砂为市场采购，有三种粒径，分别为4～8 mm的粗砂、2～4mm的中砂和1～2mm的细砂。石英砂采购回来后用自来水进行清洗，然后烘干。

砂滤池为碳钢材质，内部涂有防腐油漆，规格为Φ500mm×1500mm，设计滤速统一为8m／h。

1.2 试验设计

1.2.1 砂滤装置流程

试验配置SS浓度为40～50mg／L，通过污泥与循环水混配的方式配置进水。配置好的试验用水经进水泵输送至4个砂滤池中（L1－L4），进水罐内设SS在线监测仪和搅拌装置，保持进水水质的均匀性。四个砂滤池的进水流量通过流量计显示，预设为0.25m3／h。进水罐前设进水储罐，用来接收出水储罐的来水。四个砂滤池后均配置流量计，以测量出水流量。此外，出水罐后设出水储罐，出水储罐通过循环泵，将出水回流至进水储罐，减少整套试验装置的配水用量。砂滤池试验装置如图1所示。

图1 砂滤池试验装置流程示意图

1.2.2 砂滤装置设计

砂滤池为四个，编号L1～L4。砂滤池试验滤料装填和反洗方式设计表见表1。水反洗程序设计：每4h启动水反洗，每次反洗10min。气水联合反冲洗程序设计：每4h启动气水反洗。反洗开始→单独水反冲洗120s→气水联合反冲洗120s→单独水反冲洗120s→气水联合反冲洗120s→单独水反冲洗120s→反冲洗结束。

表1 砂滤池试验滤料装填和反洗方式设计表 mm

本研究验证不同粒径、不同装填比例、不同反洗方式对砂滤池过滤性能的影响，在相同进水的条件下，研究不同砂滤池去除SS的效果。每天取样三次，每次取样时间为反冲洗前10min，每次取水1L，取样后即测量水样中SS浓度，取三次样品SS浓度的平均值为当天SS浓度值。取样包括进水与出水。

1.3 分析测定方

本试验SS分析方法为《水质悬浮物的测定重量法》（GB 11901—1989），采用的检测仪器为BSA224S型电子天平／CDJC－YQ－012。

2 结果与讨论

2.1 不同粒径石英砂对砂滤池过滤性能的影响

石英砂粒径的大小是决定石英砂滤池过滤效果的重要影响因素。L1砂滤池和L2砂滤池的对比试验结果如图2所示，在开始阶段L1与L2的过滤性能相差较少，随着时间增加，L1与L2的过滤性能发生了较大的变化。其中，L1由于装填的石英砂粒径较小，其比表面积更大，对污染物的截留效率更高，第二周时，出水SS浓度保持在16～18mg／L。L2由于滤料粒径较大，对污染物的截留效率相比L1较差，从第二周开始，出水SS浓度逐渐上升，表明过滤性能开始变差。第三周L1与L2的出水SS浓度均呈上升趋势。同时L1滤层上端开始出现积液现象，表明L1中滤床出现了堵塞。到第四周L1的出水SS浓度出现急剧上升，甚至超过L2的出水SS浓度。这主要是由于L1在水反洗过程中，由于反洗受力不均出现了优势流，导致滤层过滤性能急剧恶化。

图2 不同粒径的石英砂对砂滤池过滤性能的影响

因此在实际应用中，需要从出水水质、运行条件等方面来选择石英砂粒径，粒径越大，理论上可容纳悬浮物杂质就越多，即纳污能力越强。但滤料粒径太大时，滤料的比表面积随之减小，严重削弱了滤料的过滤能力。粒径越小，前期对污染物的截留效率更高，但滤床也比较容易被堵塞，从而造成过滤能力的降低。因此，要根据实际情况合理选择。

2.2 不同装填比例对砂滤池过滤性能的影响

L2砂滤池和L3砂滤池的对比试验结果如图3所示，第一周L2与L3的出水SS浓度相差较小。第二周与第三周时L2的出水SS浓度出现逐渐上升的趋势，而L3的出水依旧保持较低的浓度。第四周L3的出水SS浓度也出现了缓慢上升的趋势。可见，L3的过滤性能要优于L2。这主要是由于L3比L2砂滤池中粒径为2～4mm的石英砂装填比例高，细砂比例较高的滤料对颗粒物的截留受颗粒性质影响较小，表现出更稳定的截留效果。适当提高石英砂滤料中细砂比例虽然使过滤水头损失略有增加，但能获得更低的出水浊度和更稳定的颗粒物截留效果。

图3 不同装填比例对砂滤池过滤性能的影响

2.3 不同反冲洗方式对砂滤池过滤性能的影响

石英砂滤池在运行过程中，从进水中去除的杂质积聚在滤料表面和颗粒间的孔隙内，随着砂滤池的持续运行，堆积在滤床中的杂质会导致滤池的空隙率降低，当水头损失增加至最大允许水头损失时，就需对砂滤池进行反冲洗，清除砂滤池过滤所截留的污染物以使其恢复过滤截污能力。

本试验通过L2砂滤池和L4砂滤池的对比试验研究了不同反洗方式对滤池过滤性能的影响。如图4和图5所示，长时间运行后，L2砂滤池表面污泥大量沉积，而L4砂滤池表层基本无污泥堆积。

图4 单独水反洗砂滤池情况

图5 气水联合反洗砂滤池情况

不同反冲方式对砂滤池过滤性能的影响如图6所示，采用气水联合反冲洗方式的滤池，出水SS浓度一直维持在16～19mg／L，SS降低率为56.8% ～67.7%。而采用单独水反洗的滤池出水SS在第四周时已达到了23～25mg／L，SS降低率为43.2% ～53.5%。可见，采用气水联合反洗的方式比单独水反洗能更有效地清除滤层中截留的污染物，有利于砂滤池保持较好的过滤性能。这主要是由于单独采用水对砂滤池进行冲洗时，砂层基本没有膨胀率，砂粒无法有效相互摩擦，砂层内粘附的泥垢不能被有效剥落；而当采用气水联合反冲洗时，强烈的搅动和环流作用会在砂滤池中产生，在气体上升时产生气泡形成气流漩涡，会引起石英砂的翻滚和石英砂颗粒之间的碰撞和摩擦；同时因为石英砂的环流作用，在水流剪切力和石英砂相互摩擦的作用下，石英砂表面的附着杂质被充分的剥落和击碎，从而在气水联合反冲洗的水洗阶段，将杂质排出砂滤池［8－9］。