摘要：結合國外先進的連續過濾技術，針對原有的傳統過濾器進行設備改造，過濾過程改為“上向流過濾”，濾料清洗技術采用“氣提洗砂”技術。與改造前相比，該濾塔結構簡單，維護和檢修方便，工藝處理效率增加50％ ，效果穩定，運行成本降低50％ 。在相關的濾料過濾器系統中，連續動態過濾器改造技術符合我國水處理過濾行業現狀，并充分利用原有設備和設施，通過最小投資獲得新技術革新，使過濾工藝簡單化，更適用于小型再生水回用系統。
關鍵詞： 污水處理；中水回用；過濾；連續動態過濾器
中圖分類號：X505 文獻標識碼：A 文章編號：1001—6929(2005)05—0056—03
河北省某發電有限責任公司污水站自2003年10月投產以來，出水水質穩定，能達到設計要求。但是平流濾塔設計存在著不足，濾料反沖洗效率低，導致反沖洗用水量增加，反沖洗周期從設計的2 d縮短到1 d，增加了運行和管理成本。調查表明，挪威Nordic Water公司在全球已經安裝了15 000多臺動態砂濾(Dynasand)塔，其中在沙特阿拉伯的大型再生水回用工程中，安裝了216臺動態砂濾塔。其他國家，如日本、澳大利亞等，也相繼有類似產品應用于污水處理。這次技術改造，是在國外動態過濾器技術的基礎上，通過試驗研究對該技術進行了消化吸收，采用“連續動態過濾”技術對該污水處理站1號，2號平流濾塔進行改造，并達到了預期的效果。
l 平流濾塔改造原因
污水站采用的過濾裝置為普通平流濾塔(高4 m，直徑2．3 In)，改造前濾塔內部結構見圖1。該濾塔采用雙層濾料，上層為石英砂，下層為水淬渣，反沖洗方式采用大阻力配水系統氣水聯合反沖洗。平流濾塔存在的問題：①反沖洗采用大阻力配水系統，每天反沖洗15n1in，消耗大量水資源和電能；② 在傳統的常壓反沖洗系統中，存在著反沖洗不徹底、濾料需要定期更換的問題。
2 連續動態過濾技術
2．1 技術簡介
“連續過濾”(continuous sand filter)是近年來國外研制成功的一種新型過濾技術，在此基礎上，各國公司分別開發了新型的一體化水處理過濾設備。挪威Nordic Water公司的Dynasand，在過濾器中完成混合、混凝、過濾和反沖洗，連續過濾、連續反沖洗，無需反沖洗泵和反沖洗水箱，是一種高效節能的水處理設備。
“連續動態過濾技術”是在“連續過濾”技術的基礎上，自行開發、設計和加工的新型過濾裝置，采用沸石濾料，粒徑為0．5～1．5 mm，孔隙率為20％ ～30％。天然沸石作為濾料不會增加水中有害金屬離子濃度，將其作為濾料應用于連續動態過濾器中，可顯著增強過濾單元去除懸浮物及氨氮的能力。連續動態過濾器的主要結構如圖2所示。
過濾過程：經生化處理或投加混凝劑后的原水，由進水管進入均勻旋流布水器，均勻旋流布水器對水流起消能作用，使水流平穩地進入濾層，均勻旋流布水器下端的布水板起到均勻布水的作用。原水中的懸浮物等污染物在自下而上通過濾層的過程中，被濾料截流下來，過濾水上升到砂水分離器頂部的出水溢流堰，水流平穩地進入溢流堰，經出清水管流出過濾器，過濾方式為上向流過濾，整個過濾過程平穩安全。
反沖洗過程：在砂濾器的中心設置空氣提砂管，空氣提砂管直插過濾器底部，在氣升泵人口將壓縮空氣通入時，在砂濾器底部形成負壓，通過氣提作用帶動砂濾器底部的臟砂一同上升，底部的臟砂從空氣提砂管底部提升到砂水分離器，砂粒隨水流進入一體式砂水分離器。砂粒在反洗提升過程中，一直受到氣體的攪動、砂粒之間的摩擦和水流的剪切力，使砂粒同污染物分離，在過濾出水與反沖洗出水水位差的作用下，提砂管內氣提水混合洗砂器內的沖洗水一同從排污管排出濾池。在重力的作用下，洗凈的濾料經導流砂斗回到濾層，在濾池內部完成濾料循環清洗過程。
2．2 過濾原理
連續動態過濾器以微絮凝過濾技術為理論基礎，是微絮凝過濾技術與氣固液流態化工程反洗技術的綜合應用。過濾原理屬于上向流過濾。
一般認為，過濾原理包括機械攔截、沉淀及吸附等作用。過濾初始時，濾料孔隙較絕大部分待濾雜質尺寸大，故其對懸浮雜質的截留以吸附作用為主。隨著過濾的進行，濾料顆粒表面逐漸為截留雜質顆粒所占據，使孔隙尺寸變小而機械攔截作用加大。由于該設備采用孔隙尺寸較大(濾料粒徑為0．5～1．5 rain)的粗濾料過濾，在過濾初期，幾乎沒有機械篩濾作用，起主要作用的是吸附。在濾速(8 m／h)較低的條件下，濾料對大部分雜質顆粒，尤其是較小顆粒的機械攔截作用不明顯，吸附作用機理在上向流過濾中起主導作用。從水力學方面來看，在連續過濾時，砂濾料孔隙內水流呈層流狀態，它產生的速度梯度使微絮凝體不斷旋轉，當其脫離自己的流線時，與砂粒接觸，就會產生足夠的吸引力被濾料吸附而從水中分離。
從膠體化學方面看，投加混凝劑后，混凝劑提供的大量正離子將擴散進入膠體擴散層甚至吸附層，r電位降低，為加強顆粒問的范德華力創造了條件。動態連續過濾器以接觸絮凝作用為主，以機械篩濾及沉淀作用為輔。通過對 電位的測定證實：連續過濾的原理是以表面能和范德華力為主的接觸絮凝作用，改變微絮凝體 電位為附著創造了條件。故連續過濾屬于微絮凝深層過濾范疇。雖然在過濾后期有向表面過濾轉變的趨勢，但這不是主要的。附著力主要產生于絮體與濾料表面，以及和先附著的絮凝體相接觸。因此，濾料或其沉積物與過濾微絮體問的吸附架橋是連續過濾附著的主要原理。
目前普通過濾器一般采用下向流過濾方式，因反沖洗后造成濾料粒徑自上至下逐漸增大的濾層結構，上層的小粒度濾料起著主要截污作用，而下層的濾料很少參與過濾，因此是不合理的。為了改善水質并充分發揮整個濾層的截污作用，待濾水應該是先粗后細的過濾方式，即所謂的“反粒徑過濾”。
作為“反粒徑過濾”理論的應用，單一濾料的上向流過濾與傳統的下向流式過濾相比，具有提高濾料截污量、延長過濾周期的潛力。“連續動態過濾”為單一濾料上向流過濾的具體應用，具有上述優點。
2．3 反沖洗原理
普通過濾器一般常用的反沖洗系統有3種：直接用沖洗水泵、水泵加上水缶及自動沖洗。不論采用哪種反沖洗系統，都需要采用大流量反沖洗水泵和氣泵，需要有清水池或水箱。連續動態過濾器的反沖洗系統不需要外加管道和水池，利用流態化工程原理，將濾料提升至設備中自行清洗。清洗過程中使用的反沖洗水，一部分為進水，另一部分為過濾后水。
在空氣提升管內，砂、泥、水流、空氣在向上流動的過程中，發生了短期但強烈的反沖洗過程，其間的沖洗原理仍是利用水流及空氣流的剪力以及顆粒間的摩擦力。但在空氣提砂管內的濾料清洗主要是碰撞和摩擦作用，水流剪力作用是次要的。盡管在空氣提升管內發生了強烈的反沖洗過程，但是由于時間較短，反沖洗并不徹底，需要二次清洗。沖洗并不徹底的砂粒隨水流進入一體化砂水分離器，雜質與砂粒在分離器內徹底分離。在分離器內，由于顆粒并非規則的圓形，運動時其兩側的剪力并不相等，導致顆粒的翻動并與洗砂器相碰撞，此時顆粒在洗砂器內以錯開的環行軌跡向下運動。由于分離器中的清水出水堰和反洗水水位差(△^)的存在，分離器的內環反洗水水流向上流動，對顆粒就產生了剪力，同時由于顆粒與器壁碰撞產生的振動及顆粒間的摩擦力，使泥砂分離，脫落的污物隨上升水流排出。在洗砂器內進行的二次清洗過程，由于分離器內流體斷面不斷變化，水體的流速變化很大，可以認為在洗砂器內造成絮凝體與濾料分離的作用力以水流剪力為主。
與國外“連續過濾”技術不同的是，“連續動態過濾”在設計上采用了一體化分離器結構，清水出水管和反沖洗排污管都安裝在一體化分離器上，連續過濾器的關鍵參數，如水位差(△ 和各流量(Q )，都體現在一體化分離器的設計上。
這種一體化分離器的設計，可方便地調節反沖洗的參數，如反沖洗水量和砂循環量，大幅提高了“連續過濾”運行的靈活性，檢修維護方便(見圖3)。
3 改造前后技術比較
3．1 處理能力
由于改造后的連續動態過濾器為上向流過濾，而上向流過濾為“反粒徑過濾”，與傳統的下向流過濾相比，具有提高濾料截污量、延長過濾周期的潛力。因此，改造后的連續動態過濾器處理能力得到增強，能夠適應更大的進水流量。
3．2 處理效果
改造后過濾器和未改造過濾器運行30 d的出水濁度數據見圖4。
由圖4可看出，改造后的連續動態過濾器的出水水質更加穩定、，處理效果更佳。這主要是由于下向流過濾與上向流過濾截污機理的差別，上向流過濾在滿足出水水質，防止絮體穿透的前提下，通過延緩水頭損失增長速度來達到延長過濾周期的目的，并充分發揮下層濾料的截污作用，因此上向流過濾比下向流過濾結構更合理。
3．3 技術經濟指標
由表1可見，改造后的連續動態過濾器與改造前的普通過濾器相比，其裝機容量大幅降低，折合到24 h進行比較，其運行功率減少了50％，反沖洗自控裝置簡化。因此連續動態過濾器的設備成本和運行成本均優于普通過濾器，而且操作簡單，運行安全。
4 結論
現場的實踐表明，將傳統過濾器改造為連續動態過濾器是經濟可行的。改造后連續動態過濾器的處理能力比改造前增加了50％ ，處理效果更佳并且穩定；改造后的設備結構比改造前簡化了，節省了反沖洗水泵和氣泵，運行成本降低50％(折合到24 h的比較結果)。連續動態過濾器采用上向流過濾原理和氣提洗砂技術，過濾效率和反洗砂效率均比傳統過濾器有大幅提高，而且結構簡化，運行安全，維護和檢修容易。在相關的濾料過濾器系統中，連續動態過濾器的改造技術符合我國水處理過濾行業現狀，達到了充分利用原有設備和設施，通過最小投資獲得新技術的革新效果。
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