纤维束滤料在给水滤池中的应用研究
摘 要：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。
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
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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
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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
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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。
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