纖維束濾料在給水濾池中的生產試驗
摘要：重力式纖維束濾池與均粒濾池四年多對比性平行生產試驗證明，纖維束濾池效果理想，效益顯著，為老廠濾池的挖潛改造和新廠濾池的 經濟 設計，提供了可推廣和借鑒的經驗。
關鍵詞：纖維束濾料 給水濾池 均粒濾料 對比性 平行生產試驗
0 引言
自1804年英國首次記載了慢濾池和1870年在美國現出了第一座普通快濾池后，過濾技術在世界范圍內得到了迅速 發(fā)展 廣泛 應用 。而粒狀濾料作為水處理中過濾介質的核心，一百多年來一直在水處理中發(fā)揮著重要作用。
濾料的作用在于具有吸附懸浮物的表面積。粒狀濾料的粒徑都是mm級，比表面積小，其吸附懸浮顆粒濁質和膠體雜質的性能弱，再進下提高濾后水質比較難。濾料層的孔隙度是表征其儲存所截留懸浮固體能力的。 目前 濾池常用的石英砂濾料的孔隙度為0.43，無煙煤為0.5。因受粒狀濾料形狀的限制也有困難。纖維球的比表面積及隙度度比較大，脫離了傳統粒狀濾料的束縛，為改變天然濾料的形狀和特性邁出了第一步。但由于它有一個密實的纖維球心，故其仍屬于粒狀濾料的范圍。
1996年二水廠進行改選，我們將4個普通快濾池反洗方式改為氣水沖洗，3個濾池的過濾介質由普通海砂改為均粒濾料，其余1個濾池改為丙綸纖維束濾料，將兩種濾料作對比性平行生產試驗。現將試驗情況介紹如下：
1 普通快濾池改造概況
普通快濾池兩組4格，單池面積9m2。濾池深度4.2m，濾池與清水池最高水位高差2.6m，濾池最高水面與水力循環(huán)(加斜管)澄清池水面落差3.4m。
96年改造，在原濾池主體結構、水沖洗管道系統和清水系統不變的基礎上，改進濾層，增加氣洗系統。普通海砂濾料改為均粒濾料。
d=0.8=1.0mm,k80=1.3,濾層厚度1.0m。承托層厚度450mm。
1.1設計參數
濾池改造設計參數：濾速10m/h，單池產水能力2160m3/d，過濾周期24--48h，濾前濁度小于10度。氣洗強度15--20l/(s.m2)，氣洗時間3--5min。水沖強度10--151(s.m2)，水洗時間5-7min。4池處理水量8460m3。
1.2風路系統
貼靠原有大阻力穿孔管配水系統上部，設豐型管路穿孔配氣系統。主管DN150mm，氣流速10--15m/s;支管DN25mm，孔口氣流速20-30m/s。設R223F-14.3/49型羅茨風機2臺，一用一備。單臺供氣量14.3m3/min，氣壓49kpa，配套電機22kw。
2 策略式纖維束濾池
重力式纖維束濾池利用普通快濾池改造而成。
利用普通快濾池濾床空間，把束狀纖維懸掛在上下兩塊孔板中間。底部孔固定，上部孔板有機械調節(jié)裝置。過濾時，利用濾池中的水位由上而下的重力使濾層壓縮，纖維束濾料處于密實狀態(tài)，提高了濾層截留雜質的效能，保證了濾后水質。沖洗時，氣水由下而上地沖擊擾動，使束狀濾料處于懸浮松狀態(tài)，濾層中的吸附截留物得到洗脫。從而實現了束狀纖維濾料無序裝填過濾和有序裝填反洗的最佳狀態(tài)。
機械調節(jié)裝置可根據出水水質和濾速的要求，迅速調節(jié)束狀濾料的堆積密度。
2.1聚丙烯纖維
丙綸纖維絲的學名為聚丙烯，化學結構式為：
它是不帶任何功能基團的高分子纖維材料。丙綸纖維絲的直徑為um級，其表面積遠比粒料大，易于吸附水中懸浮濁質和膠體雜質。其吸附能弱，纖維表面吸附水中懸浮濁質和膠體雜質。其吸附能弱，纖維表面吸附截留的泥渣等可用氣水洗脫掉。
聚丙烯纖維的生產原料是聚丙烯樹脂，聚丙烯樹脂屬于高分子聚合物。聚丙烯纖維生產過程是高分子物理變化過程，其化學成份不發(fā)生變化。經 中國 預防醫(yī)學 科學 院環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測所對聚丙烯樹脂進行急性經口毒性試驗、蓄積性毒性試驗、Ames試驗、CHL細胞染色體畸變試驗和有害物含量檢測，結果為無毒、無明顯蓄積性、無致突變性，符合我國有關食品衛(wèi)生標準的規(guī)定。
聚丙烯纖維絲性能質地輕、強度高、彈性好、耐磨損、耐腐蝕、不吸水。做為濾水材料：
⑴具有足夠的化學穩(wěn)定性，濾水過程中無有害成分溶出;
⑵反冼氣水高強度的摩擦、碰撞、剪切力不會發(fā)生破損和流失跑料;
⑶多年浸泡在水中耐久不腐。
2.2 氣水沖洗系統
為充分利用原普通快濾池的過濾空間，保證一定的過濾深度，纖維束濾池氣路系統不另設豐型配氣管路，在池內原DN400mm的大阻力配水干管上開孔，直接與進池的DN150mm配氣干管焊接，使配氣管路系統與配水管路系統合二之一，既能氣水單洗，又能氣水混洗。
2.3 參數
孔板選用厚度20mm鋼板，開孔率10%，孔徑10mm。
根據濾池內配水干管與排水槽下緣空間深度，丙綸纖維束凈長度取1.35m。
丙綸絲重量與濾池內纖維束濾料體積比為160kg/m3。
氣水沖洗強度和沖洗歷時，同改為均粒濾料的普通快濾池。
2.4 安裝
鋼板切割分塊鉆孔后，底層孔板緊貼池底配水干管上面，水平焊接為一整塊，水平誤差小于±5mm。孔板與池底、池壁固定牢靠，以防沖洗時松動上浮。孔板與四周池壁縫隙，擠壓木條后用水泥砂漿抹嚴。
上層孔板預留人孔。吊入池內焊接成一整塊后，吊起暫作固定，由人孔進入，按序懸掛束狀纖維濾料，完畢封閉人孔。最后在池上安裝機械調節(jié)裝置，用以調節(jié)上層孔板。
3 效果 分析
3.1 水質
經分別試驗，纖維束濾池上部設機械調整裝置和孔板，不設機械調整裝置只設孔板，不設調整裝置和孔板，三種型式的濾后水質沒有明顯區(qū)別。
3.1.1 渾濁度
1996年～1999年，濾前水、均粒濾池和纖維束濾池濾后水濁度指標的檢測統計，冬季1～3月和11月、12月5個月冰封期間，水庫存原水濁度7--9度，經過澄清池 自然 沉淀，濁度降至5～7度，均粒濾池的去濁率為36～53%，纖維束濾池的去濁率為68～78%，纖維束濾料比均粒濾料的去濁率高47～54%。投絮凝劑期間，均粒濾池的去濁率為66～75%，纖維束濾池的去濁率為78～87%，纖維束濾料比較粒濾料的去濁率高47～52%。
見表1：96～99年濾池除濁對比性平行生產試驗統計表。
濁度儀為無錫市光明濁度儀廠產STE-A12型濁度儀，濁度標準液為硅藻土配制
96～99年濾池除濁對比性平行生產試驗統計表
表1
|
月份
|
濾前水(水)
|
均料濾后水(度)
|
均料除濁率(%)
|
纖料濾后水(度)
|
纖料除濁率(%)
|
纖料比均料提高率(%)
|
|
1
|
3.2
|
1.7
|
47
|
0.8
|
75
|
53
|
|
2
|
3.0
|
1.6
|
47
|
0.8
|
73
|
50
|
|
3
|
3.1
|
2.0
|
36
|
1.0
|
68
|
50
|
|
4
|
9.0
|
3.1
|
66
|
1.6
|
82
|
48
|
|
5
|
8.2
|
2.1
|
75
|
1.1
|
87
|
48
|
|
6
|
8.7
|
2.9
|
67
|
1.4
|
84
|
52
|
|
7
|
7.1
|
3.0
|
58
|
1.6
|
78
|
47
|
|
8
|
8.6
|
2.4
|
72
|
1.2
|
86
|
50
|
|
9
|
7.4
|
2.1
|
72
|
1.1
|
85
|
48
|
|
10
|
6.9
|
2.6
|
62
|
1.3
|
82
|
50
|
|
11
|
6.1
|
3.2
|
53
|
1.7
|
72
|
47
|
|
12
|
5.4
|
2.6
|
52
|
1.2
|
78
|
54
|
|
累計平均
|
6.73
|
2.44
|
64
|
1.23
|
82
|
50
|
3.1.2 水質其它指標
由于纖維束濾料除濁率高于均粒濾料，經對纖維束濾池的濾后水作常規(guī)化驗，氨氮、亞硝酸鹽氮含量比均粒濾料低20——25%，鐵、錳低20——30%。耗氧量和微生物等指標，也均有降低。
見表2：濾池水質常規(guī)檢測數據。
濾池水質常規(guī)檢測數據
表2
|
日期
|
濾池
|
濁度(度)
|
PH值
|
氨氮 (mg/l)
|
亞硝酸鹽氮 (mg/l)
|
耗氧量 (mg/l)
|
總硬度 (mg/l)
|
鐵 (mg/l)
|
錳 (mg/l)
|
細菌總數 (個/ml)
|
大腸菌群 (個/1)
|
|
2000年4月3日
|
均粒
|
2.6
|
6.5
|
0.89
|
0.13
|
1.64
|
64
|
0.15
|
0.06
|
21
|
<3
|
|
纖維
|
1.4
|
6.5
|
0.70
|
0.10
|
1.44
|
50
|
0.13
|
0.04
|
15
|
<3
|
|
|
2000年5月8日
|
均粒
|
3.0
|
6.4
|
0.56
|
0.09
|
1.60
|
56
|
0.18
|
0.05
|
10
|
<3
|
|
纖維
|
1.5
|
6.4
|
0.42
|
0.07
|
1.28
|
48
|
0.15
|
0.04
|
6
|
<3
|
|
|
2000年6月5日
|
均粒
|
2.9
|
6.3
|
0.38
|
0.10
|
1.76
|
45
|
0.21
|
0.07
|
7
|
<3
|
|
纖維
|
1.5
|
6.3
|
0.31
|
0.85
|
1.52
|
38
|
0.17
|
0.05
|
2
|
<3
|
|
|
2000年7月3日
|
均粒
|
2.4
|
6.4
|
0.28
|
0.12
|
1.84
|
52
|
0.16
|
0.06
|
11
|
<3
|
|
纖維
|
1.1
|
6.4
|
0.21
|
0.10
|
1.60
|
46
|
0.13
|
0.04
|
6
|
<3
|
|
3.2 濾速、過濾周期、濾水量、水頭損失
在相同工況下，纖維濾料和均粒濾料濾池歷經4年雨季高濁期和冬季低溫低濁期的生產運行，纖維束濾池的濾速、過濾周期、濾水量和水頭損失等運行參數，均優(yōu)于均粒濾料濾池。
詳見表3：濾池運行參數測定數據。
濾池運行參數測定數據
表3
|
|
均粒濾池
|
纖維濾池
|
纖維與均粒比較率(%)
|
|
濾前平均濁度(度)
|
6.7
|
6.7
|
|
|
濾后平均濁度(度)
|
2.4
|
1.2
|
降低50%
|
|
平均濾速(m/h)
|
8.5
|
11.5
|
提高35%
|
|
過濾周期(h)
|
26
|
32
|
延長123%
|
|
周期產水量(m3/m2)
|
221
|
368
|
提高67%
|
|
初始水頭(mH2O)
|
0.9
|
0.6
|
降低33%
|
|
期終水頭(mH2O)
|
2.0
|
1.6
|
降低20%
|
|
單池水洗歷時(min)
|
5
|
8
|
增加60%
|
|
單池水洗耗量(m3/次)
|
33.8
|
54
|
增加60%
|
|
均時濾水量(m3/m2)
|
8.3
|
11.3
|
提高36%
|
|
單池氣洗歷時(min)
|
3
|
5
|
提高67%
|
|
單池氣洗耗量(m3/次)
|
28.4
|
47.3
|
增長67
|
|
沖洗耗水率(%)
|
1.43
|
1.43
|
相等
|
3.3 過濾性能
過濾性能指數(MSC)是綜合評價濾池過濾性能的指標。
MSC=(Co-C)VT/△H
式中：Co-過濾周期內平均進水濁度(mg/l);
C--過濾周期內平均出水濁度(mg/l);
V--過濾周期內平均濾速(m/h);
T--用水質指標控制的過濾周期(h)
△H--過濾周期內水頭損失增量;
H--濾床期終水頭損失(m)
Ho--濾床初始水頭損失(m)。
經 計算 ，均粒濾料MSC為664kg/m，纖維濾料的MSC為2024kg/m3，纖維濾料池比均粒濾料池高3倍，說明纖維束濾料的過濾性能優(yōu)于均粒濾料。
4、效益 分析
4.1 經濟 效益
4.1.1 冬季低溫低濁期間
樺甸市地處吉林東南高寒山區(qū)，年平均氣溫3.9℃，最低氣溫-45℃。冬季水溫0--2℃，水庫原水濁度7--9度，低溫低濁期達5個月之久。在此期間，原水經澄清池 自然 沉淀后，濾前濁度5——7度，均粒濾池去濁率36--53%，不加絮凝劑濾后濁度難以達到3度以下。纖維濾池去濁率68--78%，不加絮凝劑濾后濁度可達3度以下。
冬季低溫低濁期間，二廠絮凝劑液體聚和鋁投量需要15mg/l，液體聚和鋁含運費單價1400元/t，每m3水費用0.021元，5個月藥劑費為4.725萬元。
加藥泵功率0.75kw，動力費0.34元/(kw.h)，5個月為918元。
按三班8小時，每周5天工作制 計算 ，含串休三班需要5人，月人均工資按600元計，5個月為1.5萬元。
以上三項費用6.3168萬元，采用纖維濾料可減少這筆費用。
4.1.2 產量和收入
纖維濾池速較均粒濾池提高35%，過濾周期延123%，濾水量增加36%，每年可增加水量192萬m3。按樺甸城區(qū) 目前 綜合水價并剔出35%的產銷差，每年水費收入增249.6萬元。
4.1.3 均粒濾料直接費
濾料按福建晉江購貨，濾料銷售費、包裝費、產地短途運費、鐵路運費和水廠短途運費，每m3均粒濾料928.7元，每m3卵石1130.3元。濾床承托層厚度0.45m，濾料濾層厚度1.0m，折算承托層用量0.45m3/m2，濾層用量1.68m3/m2，含濾池出砂和鋪砂人工費，普通快濾池更換一次每m2濾池直接費為1524元。
4.1.4 纖維濾料直接費
按只裝底部孔板，上部為無調節(jié)裝置與孔板的堆積式纖維濾池計算，聚丙烯材料費、汽車運輸費、纖維加工費、孔板材料費、孔板切割鉆孔費、零星購件費、短途裝運和安裝費，每m2纖維束濾料濾池直接費為5419元。
4.1.5 費用比較
聚丙烯纖維濾料使用年限可達15年，按使用周期10年計算。10年均粒濾料需要更換3次，每m2直接費為4572元，比纖維濾料低847元。按二廠目前生產規(guī)模計算，10年纖維濾池冬季減少支出63.168萬元。上兩項費用比較，纖維濾池節(jié)節(jié)省資金63.833萬元。按水費價格不上調考慮，10年增加消費收入2496萬元。此三項費用為2182萬元，即纖維濾池10年可獲得經濟效益2559萬元。
4.2 社會 效益
束狀纖維軟性濾料代替粒狀濾料 應用 于普通濾池，突破了重力式濾池一直用粒狀濾料的傳統觀念，開創(chuàng)了城市給水濾池使用束狀濾料的先例，生產試驗4年之久，效果顯著，并已取得了國家專利權。
纖維束濾料避免了粒狀濾料的粒徑不能進下縮小的限制，使濾料的直徑達到了μm級，大大增加了濾料的比表面積，使其達到了3000m2/m3，增加了水中懸浮固體與濾料的接觸機會和濾料的吸附能力，從而提高了濾后水質，束狀纖維濾料的孔隙度大于0.9，不增加過濾阻力就能增加截污容量，而且濾速高，過濾周期長，為老廠濾池的挖潛改造和新廠濾池的經濟設計，提供了可推廣和借鑒的經驗。
纖維濾料使用周期10年以上，避免了海砂濾料經常填補和定期更換的麻煩，減少了工人勞動強度和停水檢修的時間。
5 結 語
采用氣水沖洗的均粒濾池由于吸取了法國V型濾池的優(yōu)點，目前已為國內許多水廠所采用。運行證明，效果甚佳。但氣水沖洗的纖維束濾池的過濾指數尚優(yōu)于均粒濾濾池。如能采用纖束濾池過濾技術，可獲得更加顯著的技術經濟效益和社會效益。
江河湖泊水庫存水低溫低濁的凈化處理目前仍是一個難題。4年之久的生產試驗證明，氣水沖洗纖維束濾池對東北低濁水的處理，不失為一種有效、經濟、可行的 方法 ，值得進一步 研究 和推廣。
重力式纖維束濾池由于濾后水質好，有利于提高人民生活質量和 工業(yè) 產品質量，有利用于實現我國城鎮(zhèn)供水行業(yè)2000年技術進步規(guī)劃。由于濾速快，可減少水廠的占地面積，降低濾池單體構筑物的建設投資。纖維濾料使用周期長，可降低濾料更換費用，又由于重力式纖維束濾池便于自動控制，有利于實現計算機集散型生產自動化管理。
經過4年多的生產試驗，我們在纖維束濾料重力式給水濾池應用方面，初步做了一些有益的嘗試，取得了某些成功經驗。纖維濾池的濾速高，過濾周期長，但其中洗歷時也相對增加。由于纖維濾料的截污速高，過濾周期長，但其沖洗歷時也相對增加。由于纖維過濾機理，濾池運行能力強，必須要用氣水予以反沖洗。此外，在纖維過濾機理，濾池運行參數優(yōu)化控制和用于低溫濁水處理方面，尚需深層次研究和進一步探索。
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