纤维束滤料在给水滤池中的生产试验
摘要：重力式纤维束滤池与均粒滤池四年多对比性平行生产试验证明，纤维束滤池效果理想，效益显著，为老厂滤池的挖潜改造和新厂滤池的 经济 设计，提供了可推广和借鉴的经验。
关键词：纤维束滤料 给水滤池 均粒滤料 对比性 平行生产试验
0 引言
自1804年英国首次记载了慢滤池和1870年在美国现出了第一座普通快滤池后，过滤技术在世界范围内得到了迅速 发展 广泛 应用 。而粒状滤料作为水处理中过滤介质的核心，一百多年来一直在水处理中发挥着重要作用。
滤料的作用在于具有吸附悬浮物的表面积。粒状滤料的粒径都是mm级，比表面积小，其吸附悬浮颗粒浊质和胶体杂质的性能弱，再进下提高滤后水质比较难。滤料层的孔隙度是表征其储存所截留悬浮固体能力的。 目前 滤池常用的石英砂滤料的孔隙度为0.43，无烟煤为0.5。因受粒状滤料形状的限制也有困难。纤维球的比表面积及隙度度比较大，脱离了传统粒状滤料的束缚，为改变天然滤料的形状和特性迈出了第一步。但由于它有一个密实的纤维球心，故其仍属于粒状滤料的范围。
1996年二水厂进行改选，我们将4个普通快滤池反洗方式改为气水冲洗，3个滤池的过滤介质由普通海砂改为均粒滤料，其余1个滤池改为丙纶纤维束滤料，将两种滤料作对比性平行生产试验。现将试验情况介绍如下：
1 普通快滤池改造概况
普通快滤池两组4格，单池面积9m2。滤池深度4.2m，滤池与清水池最高水位高差2.6m，滤池最高水面与水力循环(加斜管)澄清池水面落差3.4m。
96年改造，在原滤池主体结构、水冲洗管道系统和清水系统不变的基础上，改进滤层，增加气洗系统。普通海砂滤料改为均粒滤料。
d=0.8=1.0mm,k80=1.3,滤层厚度1.0m。承托层厚度450mm。
1.1设计参数
滤池改造设计参数：滤速10m/h，单池产水能力2160m3/d，过滤周期24--48h，滤前浊度小于10度。气洗强度15--20l/(s.m2)，气洗时间3--5min。水冲强度10--151(s.m2)，水洗时间5-7min。4池处理水量8460m3。
1.2风路系统
贴靠原有大阻力穿孔管配水系统上部，设丰型管路穿孔配气系统。主管DN150mm，气流速10--15m/s;支管DN25mm，孔口气流速20-30m/s。设R223F-14.3/49型罗茨风机2台，一用一备。单台供气量14.3m3/min，气压49kpa，配套电机22kw。
2 策略式纤维束滤池
重力式纤维束滤池利用普通快滤池改造而成。
利用普通快滤池滤床空间，把束状纤维悬挂在上下两块孔板中间。底部孔固定，上部孔板有机械调节装置。过滤时，利用滤池中的水位由上而下的重力使滤层压缩，纤维束滤料处于密实状态，提高了滤层截留杂质的效能，保证了滤后水质。冲洗时，气水由下而上地冲击扰动，使束状滤料处于悬浮松状态，滤层中的吸附截留物得到洗脱。从而实现了束状纤维滤料无序装填过滤和有序装填反洗的最佳状态。
机械调节装置可根据出水水质和滤速的要求，迅速调节束状滤料的堆积密度。
2.1聚丙烯纤维
丙纶纤维丝的学名为聚丙烯，化学结构式为：
它是不带任何功能基团的高分子纤维材料。丙纶纤维丝的直径为um级，其表面积远比粒料大，易于吸附水中悬浮浊质和胶体杂质。其吸附能弱，纤维表面吸附水中悬浮浊质和胶体杂质。其吸附能弱，纤维表面吸附截留的泥渣等可用气水洗脱掉。
聚丙烯纤维的生产原料是聚丙烯树脂，聚丙烯树脂属于高分子聚合物。聚丙烯纤维生产过程是高分子物理变化过程，其化学成份不发生变化。经 中国 预防医学 科学 院环境卫生监测所对聚丙烯树脂进行急性经口毒性试验、蓄积性毒性试验、Ames试验、CHL细胞染色体畸变试验和有害物含量检测，结果为无毒、无明显蓄积性、无致突变性，符合我国有关食品卫生标准的规定。
聚丙烯纤维丝性能质地轻、强度高、弹性好、耐磨损、耐腐蚀、不吸水。做为滤水材料：
⑴具有足够的化学稳定性，滤水过程中无有害成分溶出;
⑵反冼气水高强度的摩擦、碰撞、剪切力不会发生破损和流失跑料;
⑶多年浸泡在水中耐久不腐。
2.2 气水冲洗系统
为充分利用原普通快滤池的过滤空间，保证一定的过滤深度，纤维束滤池气路系统不另设丰型配气管路，在池内原DN400mm的大阻力配水干管上开孔，直接与进池的DN150mm配气干管焊接，使配气管路系统与配水管路系统合二之一，既能气水单洗，又能气水混洗。
2.3 参数
孔板选用厚度20mm钢板，开孔率10%，孔径10mm。
根据滤池内配水干管与排水槽下缘空间深度，丙纶纤维束净长度取1.35m。
丙纶丝重量与滤池内纤维束滤料体积比为160kg/m3。
气水冲洗强度和冲洗历时，同改为均粒滤料的普通快滤池。
2.4 安装
钢板切割分块钻孔后，底层孔板紧贴池底配水干管上面，水平焊接为一整块，水平误差小于±5mm。孔板与池底、池壁固定牢靠，以防冲洗时松动上浮。孔板与四周池壁缝隙，挤压木条后用水泥砂浆抹严。
上层孔板预留人孔。吊入池内焊接成一整块后，吊起暂作固定，由人孔进入，按序悬挂束状纤维滤料，完毕封闭人孔。最后在池上安装机械调节装置，用以调节上层孔板。
3 效果 分析
3.1 水质
经分别试验，纤维束滤池上部设机械调整装置和孔板，不设机械调整装置只设孔板，不设调整装置和孔板，三种型式的滤后水质没有明显区别。
3.1.1 浑浊度
1996年～1999年，滤前水、均粒滤池和纤维束滤池滤后水浊度指标的检测统计，冬季1～3月和11月、12月5个月冰封期间，水库存原水浊度7--9度，经过澄清池 自然 沉淀，浊度降至5～7度，均粒滤池的去浊率为36～53%，纤维束滤池的去浊率为68～78%，纤维束滤料比均粒滤料的去浊率高47～54%。投絮凝剂期间，均粒滤池的去浊率为66～75%，纤维束滤池的去浊率为78～87%，纤维束滤料比较粒滤料的去浊率高47～52%。
见表1：96～99年滤池除浊对比性平行生产试验统计表。
浊度仪为无锡市光明浊度仪厂产STE-A12型浊度仪，浊度标准液为硅藻土配制
96～99年滤池除浊对比性平行生产试验统计表
表1
|
月份
|
滤前水(水)
|
均料滤后水(度)
|
均料除浊率(%)
|
纤料滤后水(度)
|
纤料除浊率(%)
|
纤料比均料提高率(%)
|
|
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
|
|
累计平均
|
6.73
|
2.44
|
64
|
1.23
|
82
|
50
|
3.1.2 水质其它指标
由于纤维束滤料除浊率高于均粒滤料，经对纤维束滤池的滤后水作常规化验，氨氮、亚硝酸盐氮含量比均粒滤料低20——25%，铁、锰低20——30%。耗氧量和微生物等指标，也均有降低。
见表2：滤池水质常规检测数据。
滤池水质常规检测数据
表2
|
日期
|
滤池
|
浊度(度)
|
PH值
|
氨氮 (mg/l)
|
亚硝酸盐氮 (mg/l)
|
耗氧量 (mg/l)
|
总硬度 (mg/l)
|
铁 (mg/l)
|
锰 (mg/l)
|
细菌总数 (个/ml)
|
大肠菌群 (个/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
|
|
纤维
|
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
|
|
纤维
|
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
|
|
纤维
|
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
|
|
纤维
|
1.1
|
6.4
|
0.21
|
0.10
|
1.60
|
46
|
0.13
|
0.04
|
6
|
<3
|
|
3.2 滤速、过滤周期、滤水量、水头损失
在相同工况下，纤维滤料和均粒滤料滤池历经4年雨季高浊期和冬季低温低浊期的生产运行，纤维束滤池的滤速、过滤周期、滤水量和水头损失等运行参数，均优于均粒滤料滤池。
详见表3：滤池运行参数测定数据。
滤池运行参数测定数据
表3
|
|
均粒滤池
|
纤维滤池
|
纤维与均粒比较率(%)
|
|
滤前平均浊度(度)
|
6.7
|
6.7
|
|
|
滤后平均浊度(度)
|
2.4
|
1.2
|
降低50%
|
|
平均滤速(m/h)
|
8.5
|
11.5
|
提高35%
|
|
过滤周期(h)
|
26
|
32
|
延长123%
|
|
周期产水量(m3/m2)
|
221
|
368
|
提高67%
|
|
初始水头(mH2O)
|
0.9
|
0.6
|
降低33%
|
|
期终水头(mH2O)
|
2.0
|
1.6
|
降低20%
|
|
单池水洗历时(min)
|
5
|
8
|
增加60%
|
|
单池水洗耗量(m3/次)
|
33.8
|
54
|
增加60%
|
|
均时滤水量(m3/m2)
|
8.3
|
11.3
|
提高36%
|
|
单池气洗历时(min)
|
3
|
5
|
提高67%
|
|
单池气洗耗量(m3/次)
|
28.4
|
47.3
|
增长67
|
|
冲洗耗水率(%)
|
1.43
|
1.43
|
相等
|
3.3 过滤性能
过滤性能指数(MSC)是综合评价滤池过滤性能的指标。
MSC=(Co-C)VT/△H
式中：Co-过滤周期内平均进水浊度(mg/l);
C--过滤周期内平均出水浊度(mg/l);
V--过滤周期内平均滤速(m/h);
T--用水质指标控制的过滤周期(h)
△H--过滤周期内水头损失增量;
H--滤床期终水头损失(m)
Ho--滤床初始水头损失(m)。
经 计算 ，均粒滤料MSC为664kg/m，纤维滤料的MSC为2024kg/m3，纤维滤料池比均粒滤料池高3倍，说明纤维束滤料的过滤性能优于均粒滤料。
4、效益 分析
4.1 经济 效益
4.1.1 冬季低温低浊期间
桦甸市地处吉林东南高寒山区，年平均气温3.9℃，最低气温-45℃。冬季水温0--2℃，水库原水浊度7--9度，低温低浊期达5个月之久。在此期间，原水经澄清池 自然 沉淀后，滤前浊度5——7度，均粒滤池去浊率36--53%，不加絮凝剂滤后浊度难以达到3度以下。纤维滤池去浊率68--78%，不加絮凝剂滤后浊度可达3度以下。
冬季低温低浊期间，二厂絮凝剂液体聚和铝投量需要15mg/l，液体聚和铝含运费单价1400元/t，每m3水费用0.021元，5个月药剂费为4.725万元。
加药泵功率0.75kw，动力费0.34元/(kw.h)，5个月为918元。
按三班8小时，每周5天工作制 计算 ，含串休三班需要5人，月人均工资按600元计，5个月为1.5万元。
以上三项费用6.3168万元，采用纤维滤料可减少这笔费用。
4.1.2 产量和收入
纤维滤池速较均粒滤池提高35%，过滤周期延123%，滤水量增加36%，每年可增加水量192万m3。按桦甸城区 目前 综合水价并剔出35%的产销差，每年水费收入增249.6万元。
4.1.3 均粒滤料直接费
滤料按福建晋江购货，滤料销售费、包装费、产地短途运费、铁路运费和水厂短途运费，每m3均粒滤料928.7元，每m3卵石1130.3元。滤床承托层厚度0.45m，滤料滤层厚度1.0m，折算承托层用量0.45m3/m2，滤层用量1.68m3/m2，含滤池出砂和铺砂人工费，普通快滤池更换一次每m2滤池直接费为1524元。
4.1.4 纤维滤料直接费
按只装底部孔板，上部为无调节装置与孔板的堆积式纤维滤池计算，聚丙烯材料费、汽车运输费、纤维加工费、孔板材料费、孔板切割钻孔费、零星购件费、短途装运和安装费，每m2纤维束滤料滤池直接费为5419元。
4.1.5 费用比较
聚丙烯纤维滤料使用年限可达15年，按使用周期10年计算。10年均粒滤料需要更换3次，每m2直接费为4572元，比纤维滤料低847元。按二厂目前生产规模计算，10年纤维滤池冬季减少支出63.168万元。上两项费用比较，纤维滤池节节省资金63.833万元。按水费价格不上调考虑，10年增加消费收入2496万元。此三项费用为2182万元，即纤维滤池10年可获得经济效益2559万元。
4.2 社会 效益
束状纤维软性滤料代替粒状滤料 应用 于普通滤池，突破了重力式滤池一直用粒状滤料的传统观念，开创了城市给水滤池使用束状滤料的先例，生产试验4年之久，效果显著，并已取得了国家专利权。
纤维束滤料避免了粒状滤料的粒径不能进下缩小的限制，使滤料的直径达到了μm级，大大增加了滤料的比表面积，使其达到了3000m2/m3，增加了水中悬浮固体与滤料的接触机会和滤料的吸附能力，从而提高了滤后水质，束状纤维滤料的孔隙度大于0.9，不增加过滤阻力就能增加截污容量，而且滤速高，过滤周期长，为老厂滤池的挖潜改造和新厂滤池的经济设计，提供了可推广和借鉴的经验。
纤维滤料使用周期10年以上，避免了海砂滤料经常填补和定期更换的麻烦，减少了工人劳动强度和停水检修的时间。
5 结 语
采用气水冲洗的均粒滤池由于吸取了法国V型滤池的优点，目前已为国内许多水厂所采用。运行证明，效果甚佳。但气水冲洗的纤维束滤池的过滤指数尚优于均粒滤滤池。如能采用纤束滤池过滤技术，可获得更加显著的技术经济效益和社会效益。
江河湖泊水库存水低温低浊的净化处理目前仍是一个难题。4年之久的生产试验证明，气水冲洗纤维束滤池对东北低浊水的处理，不失为一种有效、经济、可行的 方法 ，值得进一步 研究 和推广。
重力式纤维束滤池由于滤后水质好，有利于提高人民生活质量和 工业 产品质量，有利用于实现我国城镇供水行业2000年技术进步规划。由于滤速快，可减少水厂的占地面积，降低滤池单体构筑物的建设投资。纤维滤料使用周期长，可降低滤料更换费用，又由于重力式纤维束滤池便于自动控制，有利于实现计算机集散型生产自动化管理。
经过4年多的生产试验，我们在纤维束滤料重力式给水滤池应用方面，初步做了一些有益的尝试，取得了某些成功经验。纤维滤池的滤速高，过滤周期长，但其中洗历时也相对增加。由于纤维滤料的截污速高，过滤周期长，但其冲洗历时也相对增加。由于纤维过滤机理，滤池运行能力强，必须要用气水予以反冲洗。此外，在纤维过滤机理，滤池运行参数优化控制和用于低温浊水处理方面，尚需深层次研究和进一步探索。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
