濾池氣水分布系統(tǒng)

　　1.1.1概述

　　在常規(guī)的水處理過程中，過濾一般是指以石英砂等粒狀濾料層截留水中懸浮雜質(zhì)，從而使水獲得澄清的工藝過程。濾池通常置于沉淀池或澄清池之后。過濾的功效，不僅在于進(jìn)一步降低水的濁度，而且水中有機(jī)物、細(xì)菌乃至病毒等都將隨水的濁度的降低而被部分去除。至于殘留于濾后水中的細(xì)菌、病毒等在失去渾濁顆粒物的保護(hù)或依附時(shí)，在濾后消毒過程中也將容易被殺滅，這就為濾后消毒創(chuàng)造了良好條件。在飲用水的凈化工藝中，有時(shí)沉淀池或澄清池可省略，但過濾是不可缺少的，它是保證飲用水衛(wèi)生安全的重要措施。

　　濾池的形式種類有很多，其中使用歷史較為悠久的是以石英砂作為濾料的普通快濾池。從不同的工藝角度出發(fā)，在此基礎(chǔ)之上發(fā)展了多種其他形式的快濾池。其中V型濾池就是在20世紀(jì)70年代由法國德格雷蒙(Degremont)公司發(fā)展的一種重力式快濾池。因其兩側(cè)(或一側(cè)也可)的進(jìn)水槽設(shè)計(jì)成了V字型而得名。

　　水廠中濾池是過濾工藝中的重要構(gòu)筑物，而濾池穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵是濾層過濾能力的再生。若采用的反沖洗技術(shù)較好，使濾池的工作狀態(tài)常處于較好條件，不僅可以節(jié)能、節(jié)水，還能使得水質(zhì)提高，濾層的截污能力增大，工作周期延長，產(chǎn)水量提高。V型濾池過濾能力的再生，就是采用了成熟的氣、水反沖洗兼表面掃洗這一反沖洗技術(shù)。V型濾池在氣沖洗過程中，由于使用鼓風(fēng)機(jī)將空氣壓入濾層，因而使得濾池的過濾性能從以下幾方面得到改善，如表1.1示:

　　相信隨著我們對水資源利用問題越來越重視，V型濾池的普及和運(yùn)用也會(huì)越來越廣泛

　　.1.2反沖洗技術(shù)的發(fā)展

　　在濾池的運(yùn)行過程中，從進(jìn)水中去除的雜質(zhì)積聚在濾料表面和顆粒間的孔隙內(nèi)，隨著濾池的繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，貯集在濾床中的雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致濾床的孔隙率降低，濾床所能截留的雜質(zhì)量不斷減少，當(dāng)水頭損失增加至水流按預(yù)定流量通過時(shí)所需的水頭即最大允許水頭損失時(shí)，或是由懸浮物質(zhì)的穿透最后導(dǎo)致濾后水水質(zhì)下降時(shí)，最終將使濾池停運(yùn)，此時(shí)，需對濾池進(jìn)行反沖洗，以去除截留的雜質(zhì)，恢復(fù)濾池的運(yùn)行能力。

　　所謂“反沖洗”，就是為恢復(fù)濾池的正常工作所采用的反向水流沖洗濾層的操作過程，是讓經(jīng)過過濾后的清潔水反向(由下而上)高速通過過濾層，截留在濾料表面的懸浮雜質(zhì)依靠高速水流的作用沖洗下來，被水流帶出濾層。反沖洗的效果好壞會(huì)直接影響過濾行為，如果濾池沖洗的效果不佳，就會(huì)產(chǎn)生一系列的有害作用。

　　對于老式的慢濾池，絕大多數(shù)從水中去除的雜質(zhì)會(huì)積聚在濾床表面，當(dāng)過濾水的水質(zhì)下降時(shí)，上層濾料用清潔的砂子替換，以恢復(fù)濾池的運(yùn)行能力。早期的砂濾料快濾池清潔的方法是通過對砂顆粒進(jìn)行輕輕的清洗}s}，以便使得濾床表面上留下一層未受破壞的有機(jī)膜，在對砂濾料慢濾池的過濾工藝沿襲下來的認(rèn)識和理解的基礎(chǔ)上，認(rèn)為進(jìn)行有效過濾是需要這一薄膜的。在美國較早出現(xiàn)的砂濾料濾池中裝設(shè)有環(huán)形攪動(dòng)耙子，用來在清洗過程中攪動(dòng)砂子，來幫助雜質(zhì)與砂分離開來。但此類濾池反沖洗的強(qiáng)度僅有1.7 -3.4L/s m2。自然，濾床在這種低速弱強(qiáng)度的沖洗下得不到徹底的清潔，效果并不理想。

　　而早在十九世紀(jì)末的英國，就有人開始對浸濕了的濾料進(jìn)行空氣吹洗，然后再用水進(jìn)行反沖洗，這可以被認(rèn)為是氣一水反沖洗的雛形。到了1900年，美國新澤西州小福爾裝置的重力快濾池采用了空氣攪動(dòng)代替旋轉(zhuǎn)的攪動(dòng)耙子，這被認(rèn)為是氣一水反沖洗技術(shù)的較早運(yùn)用。之后幾年哈佛大學(xué)所做的實(shí)驗(yàn)表明，空氣沖洗是打碎濾池砂層表面形成的泥漿或者泥塊所需要的。

　　1903年到1905年間，在美國辛辛那提過濾水廠的實(shí)驗(yàn)研究過程當(dāng)中，開始采用了所謂的“高速?zèng)_洗法”，即反沖洗強(qiáng)度為10-16L/sm2，放棄了旋轉(zhuǎn)耙和空氣沖洗。這樣，在較高的反沖洗強(qiáng)度沖洗下，整個(gè)濾層都處于懸浮狀態(tài)，濾層處于流化狀態(tài)，這時(shí)濾料顆粒上吸附的污物被上升水流中濾料間相互的接觸碰撞沖洗下來然后被沖洗水帶出池外，從而使濾料得到“清潔”。由于此法的構(gòu)造簡單，運(yùn)行管理較方便，且沖洗效果明顯，因而在美國以及日本等國家得到了長期廣泛的應(yīng)用。但若是采用此種沖洗方式，就必須使水流達(dá)到足以使濾料膨脹流化的要求，即濾層表觀體積在膨脹后至少增加15%. 1929年Hublert和Herring根據(jù)高強(qiáng)度反沖洗研究成果表明，反沖洗膨脹率為50%較宜，此后高速反沖洗為世界各國廣泛采用。

　　在反沖洗過程中，不管是水流的剪切力還是顆粒間的碰撞摩擦力都是由水的速度梯度G值產(chǎn)生的，高速水流反沖洗實(shí)際產(chǎn)生的G值一般并不高，通常砂粒產(chǎn)生的。值為300-400s-1，煤粒為150-300s-1，是一種弱沖洗的方式。另外加之濾層膨脹所造成的水流渦動(dòng)作用，使得會(huì)有一部分在濾料表面形成的密實(shí)污泥層被帶入到濾層的深部并逐步形成大個(gè)、堅(jiān)硬的泥球，這樣若是在通常的設(shè)計(jì)反沖洗強(qiáng)度下，濾池反沖洗的效果就不佳，且隨著沖洗時(shí)間延長，泥球現(xiàn)象就更趨嚴(yán)重，反沖洗的耗水量增加，由此形成惡性循環(huán)。除此之外，高速水反沖洗也易造成濾池濾料的流失，因此在后來的應(yīng)用當(dāng)中通常加以表面沖洗輔助。在1908年首次于加利福利亞州的OKlahom自來水公司出現(xiàn)了第一套表面沖洗設(shè)備。最初采用輔助的沖洗方法是利用機(jī)械攪拌或者水力攪拌來促使表層濾料的摩擦碰撞作用加強(qiáng)，以達(dá)到更好的效果。

　　從1910年起，英國設(shè)計(jì)的大多數(shù)快濾池均是采用了先用空氣清洗或者旋轉(zhuǎn)耙沖洗或表面沖洗然后再進(jìn)行水反沖洗，例外的是于1948年建造的邦福德((Bamford)濾池和1958年伯明翰建造的一個(gè)著名濾池均是采用了美國式的高速水流反沖洗，但后者又于后來添置了空氣沖洗設(shè)備用以節(jié)省沖洗水。盡管如此，鑒于配氣的設(shè)施不過關(guān)等原因，故一直使得氣一水反沖洗技術(shù)的推廣應(yīng)用受到影響。直至在瑞典召開的第四次國際供水會(huì)議上提出采用長柄濾頭作為布?xì)庋b置，以及在六十年代后粗粒、均勻粒徑的深床濾池的興起，氣動(dòng)、電動(dòng)閥門質(zhì)量的提高等，濾池氣一水反沖洗技術(shù)才開始慢慢得到人們的青睞，尤其是在英法等歐洲國家普遍流行起來。到了70年代，美國一些學(xué)者開始注意到其他國家正在使用的不同沖洗方法，并試圖評價(jià)這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)。而其中氣一水反沖洗相比較于單水反沖洗來講，在濾池截污容量的充分利用、濾速的提高、過濾周期的延長以及濾層泥球的消除等方面具有著明顯的優(yōu)勢，于是對于濾池氣一水反沖洗相關(guān)問題的研究工作紛紛展開。艾某泰拉耶(Amirtharajah)、克里斯拜(Cleasby)等人在此方面取得了很重大的成果。隨著研究的不斷進(jìn)行和對其認(rèn)識的不斷深入，英、法等歐洲國家以及前蘇聯(lián)和日本都大力開展了對氣一水反沖洗濾池在工藝設(shè)計(jì)方面更新與完善的工作，使得在實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中氣一水反沖洗的技術(shù)日趨成熟。如法國德格雷蒙((Degremont)公司的優(yōu)秀專利產(chǎn)品Aquazer一V型濾池，采用了單一均勻?yàn)V料，通過應(yīng)用兩極PLC可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)過濾一沖洗的自動(dòng)化，氣一水反沖洗與表面掃洗相結(jié)合，完全的實(shí)現(xiàn)恒水位等速過濾?，F(xiàn)在己經(jīng)作為一種比較成熟的濾池氣一水反沖洗技術(shù)在歐洲各國廣為應(yīng)用，而且許多發(fā)展中國家也引進(jìn)了此項(xiàng)技術(shù)。目前在我國就己經(jīng)有14個(gè)城市直接從法國引進(jìn)了此種濾池，其中淄博新城水廠設(shè)計(jì)的能力達(dá)到100萬m3/d。

　　我國自從三十年代的撫順東公園水廠首次采用了氣一水反沖洗技術(shù)以來，迄今己有了七十多年的歷史。但同樣是因?yàn)榇嬖谂錃庠O(shè)施的不過關(guān)等原因而一直未得到廣泛的應(yīng)用。直至八十年代的中期，中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究院以珠海拱北水廠引進(jìn)的KI型長柄濾頭的資料作為基礎(chǔ)，經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，研制出的半圓形長柄濾頭的問世;均勻粒徑的濾料在普通快濾池、虹吸濾池、V型濾池中的應(yīng)用;氣動(dòng)、電動(dòng)閥門質(zhì)量的提高等，才使得氣一水反沖洗濾池有了長足的發(fā)展。根據(jù)不完全的統(tǒng)計(jì)，十幾年來全國己經(jīng)有50多個(gè)新建的水廠濾池采用氣一水反沖洗技術(shù)，日供水能力已超過650萬m3/d，國內(nèi)外水處理工作者也再度對氣一水反沖洗技術(shù)有了高度重視。在有關(guān)于濾池氣一水反沖洗的理論以及實(shí)驗(yàn)研究的方面，哈爾濱建筑大學(xué)的李圭白教授、同濟(jì)大學(xué)的朱月海教授以及天津大學(xué)的安鼎年教授等一大批的科研工作者做了大量富有成效的工作。中國土木工程學(xué)會(huì)給水委員會(huì)還于1992年10月和1993年4月分別在廣州和杭州召開了兩次氣一水反沖洗技術(shù)的專題研討會(huì)，總結(jié)和交流了氣一水反沖洗技術(shù)在科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與施工管理等方面的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并有提出進(jìn)一步提高與完善的設(shè)想。氣一水反沖洗技術(shù)在推廣應(yīng)用實(shí)踐等方面，有采用長柄濾頭配水配氣的普通快濾池、有采用電動(dòng)閥門控制排水的雙閥濾池、有采用壓板閥控制的虹吸濾池、有將單水沖洗的舊池改造為氣一水反沖洗的新池等多種形式，均有運(yùn)行成功的實(shí)例。事實(shí)證明，近年來所引進(jìn)的V型濾池運(yùn)行效果良好。