李錦梁¹，王建峰²
（1 福州城建設(shè)計(jì)研究院，福州市 350001；2 浙江德安新技術(shù)發(fā)展有限公司，寧波市 315040）

　　摘　要：“彗星”纖維濾料高速濾池可實(shí)現(xiàn)高速和高精度過濾，占地面積大大減少，大量節(jié)約工程投資，在污水處理廠和工業(yè)企業(yè)的中水回用項(xiàng)目工程中，對(duì)于充分發(fā)揮濾池的生產(chǎn)潛力，提高濾池的除濁能力，尤其具有特別重要的意義。
　　關(guān)鍵詞：“彗星”式纖維濾料；孔隙度；過濾精度；洗凈度；工程投資

　　當(dāng)今水處理技術(shù)中，大流量水體的懸浮顆粒分離工藝是制約水處理工程實(shí)際運(yùn)行的一個(gè)難題，評(píng)價(jià)過濾是否處于高效狀態(tài)，濾料的自適應(yīng)性是關(guān)鍵，即過濾時(shí)濾料構(gòu)成的濾層具有空隙率從上到下逐漸變小的“理想濾層”的特點(diǎn)，反沖洗后濾料充分清潔，并且不改變“理想濾層”的特點(diǎn)。
　　快濾池的過濾介質(zhì)是粒狀材料，這幾乎是一個(gè)固定概念，快濾池借粒狀材料的表面積附著懸浮固體，借顆粒間的孔隙來貯存所截留的懸浮固體。因此粒狀濾料所具有的比表面積和孔隙度大小也就反映了快濾池所具有的去除懸浮固體的極限能力。這個(gè)極限能力可以估計(jì)如下：1m³濾料約含有450L的孔隙，為了讓水流能繼續(xù)通過濾層，假定可供貯存懸浮固體的孔隙平均值只有10L，即25%的孔隙絕對(duì)值。按附著絮體所含于物質(zhì)濃度為10~60g/L計(jì)，得出1m³濾料所能截留的干物質(zhì)量大致在1100~6600g的范圍內(nèi)。過濾速度、過濾工作周期和所去除的懸浮固體濃度三者的乘積必然處在這個(gè)范圍內(nèi)。因此，要突破上述快濾池的截留懸浮固體的能力，必然用粒狀顆粒以外的材料作為過濾介質(zhì)。
　　清華大學(xué)研制成功的“彗星式纖維濾料”，形象地說即為——顆料狀的濾料象彗星一樣拖著長長的“尾巴”——纖維，將纖維濾料截污性能好的特征與顆粒濾料反沖洗效果好的特征相結(jié)合，形成一種全新的過濾材料。
　　顆粒過濾材料的重要特征是可以方便在濾池內(nèi)完成清洗，但是采用纖維材料作為過濾材料的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)是其比其他實(shí)體顆粒材料具有大得多的比表面積和空隙率，其孔隙度高達(dá)90~95%，對(duì)比之下，粒徑1 mm石英砂濾層孔隙度為45%，由此推斷，由纖維材料構(gòu)成的濾床具有比常規(guī)過濾材料大得多的納污量。納污量為單位體積濾床每周期截留的懸浮顆粒物的質(zhì)量，納污量的提高對(duì)濾池效率的提高具有決定性的意義。這也是在保證濾后水質(zhì)合乎要求及合適過濾周期的前提之下，應(yīng)用“彗星”式纖維濾料的濾池可以比常規(guī)砂濾料濾池濾速高4~5倍的高濾速運(yùn)行。
　　該過濾材料的特點(diǎn)是其一端為松散的纖維絲束，又稱“彗尾”，另一端纖維絲束固定在密度較大的“彗核”內(nèi)。過濾時(shí)，密度較大的“彗核”起到了對(duì)纖維絲束的壓密作用，同時(shí)，又由于“彗核”的尺寸較小，對(duì)過濾斷面空隙率分布的均勻性影響不大，從而提高了濾床的截污能力。氣水同時(shí)反沖洗時(shí)，由于 “彗核”和“彗尾”纖維絲束的密度差，“彗尾”纖維絲束隨反沖洗水流散開并擺，產(chǎn)生較強(qiáng)的甩曳力，過濾材料之間的相互碰撞也加劇了纖維在水中所受到的機(jī)械作用力，過濾材料的不規(guī)則形狀使過濾材料在反沖洗水流作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，強(qiáng)化了纖維在水中所受到的機(jī)械作用力，上述幾種力的共同作用結(jié)果使隨著在纖維表面的固體雜質(zhì)顆粒很容易脫落，從而提高了過濾材料的洗凈度。
　　彗星式纖維過濾材料構(gòu)成的過濾層其空隙率沿濾層高度呈梯度分布，下部過濾材料壓實(shí)程度高，空隙率相對(duì)較小，易于保證過濾精度。整個(gè)濾層空隙率由下而上逐漸增大，這種濾層空隙率的分布特性有利于實(shí)現(xiàn)高速和高精度過濾。
　　下面以150000m³/d規(guī)模的“彗星”式纖維濾料濾池的設(shè)計(jì)為例，進(jìn)一步論述其特性。

一、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料：

　　① 設(shè)計(jì)規(guī)模：150000m³/d；
　　② 采用“彗星”式纖維濾料；
　　③ 設(shè)計(jì)濾速≤30m/h；
　　④ 恒水位過濾；
　　⑤ 采用氣水反沖洗，采用長柄濾頭配水配氣系統(tǒng)。
　　設(shè)計(jì)參數(shù)如下表：

二、設(shè)計(jì)計(jì)算：

　　濾池共分8格，每格過濾水量Q=18750m³/d，擬根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)濾板的尺寸及安裝間隙進(jìn)行組合排列，根據(jù)濾速要求，確定單格濾池過濾面積為32m²，設(shè)計(jì)濾速24.4m/h。
　　⑴進(jìn)水系統(tǒng)
　　進(jìn)水系統(tǒng)由進(jìn)水閥、進(jìn)水堰、V型槽組成。每格濾池設(shè)1個(gè)DN450電動(dòng)（氣動(dòng)）進(jìn)水閥，進(jìn)水閥在反沖洗開始時(shí)部分關(guān)閉，減少進(jìn)水量，此時(shí)的濾池進(jìn)水量即為濾池的表面掃洗水量。表面掃洗水強(qiáng)度按2.0L/(s·m²)考慮，則表面掃洗水流量126L/s，即進(jìn)水閥部分關(guān)閉后減少75%的水量。進(jìn)水堰可平衡各濾池的進(jìn)水量。V型槽可使待濾水均勻進(jìn)入濾池，其底部的均布小孔可均勻分配表面掃洗水。
　　⑵過濾系統(tǒng)
　　過濾系統(tǒng)由濾層、濾板濾頭、清水槽、清水管、濾后水溢流水箱組成。
　　濾層采用“彗星”式纖維濾料，厚度0.8m；
　　濾板采用塑料濾板，也可考慮采用其它材質(zhì)。濾板的制作安裝要求較高，以設(shè)備及化工裝置要求進(jìn)行。濾板用螺栓固定在托梁上，濾板間的接縫材料具有很好的粘接強(qiáng)度和延展性，不漏氣、不漏水、無有害物質(zhì)滲出。濾頭采用特制長柄濾頭，安裝固定在濾板上，其配水孔和配氣孔的開孔面積與普通長柄濾頭不同，能達(dá)到小阻力配水和大阻力配氣功能，配水配氣均勻。
　　濾后水經(jīng)DN450出水閥進(jìn)入濾后水溢流水箱，濾后水溢流水箱的溢流出水堰的標(biāo)高根據(jù)濾池內(nèi)允許的最大水頭損失確定。
　　⑶反沖洗系統(tǒng)
　　采用長柄濾頭配水配氣系統(tǒng)和表面掃洗。因“彗星”式纖維濾料比重低須設(shè)置不銹鋼攔截網(wǎng)板防止濾料損失。配水配氣系統(tǒng)由進(jìn)氣管、進(jìn)水管、氣水分配槽、配氣配水室、布?xì)饪住㈤L柄濾頭組成；表面掃洗則是在V型槽底部的均布小孔，均勻分配表面掃洗水，孔中心線與排污渠堰頂齊平。
　　反沖洗按先單獨(dú)氣沖洗，再氣水同時(shí)沖洗，最后單獨(dú)水沖漂洗的步驟進(jìn)行。氣水反沖洗的均勻性非常重要，也是濾池設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。具體措施有如下幾點(diǎn)：
　　設(shè)置氣水分配槽，按進(jìn)水進(jìn)氣端高度大尾端高度小布置，槽側(cè)底部開配水孔，槽側(cè)上部開配氣孔，開孔面積及間距按一定的水頭損失計(jì)算確定，從而使氣、水較均勻地進(jìn)入濾板下的配氣配水室。
　　濾板底部托梁處設(shè)氣壓均衡槽，平衡托梁兩側(cè)的氣墊層。
　　選擇合適開孔率的長柄濾頭，使濾池內(nèi)各點(diǎn)氣壓氣量及水壓水量均一致。
　　濾板嚴(yán)格制作安裝，每塊濾板水平誤差不大于±2mm。
　　表面掃洗孔及配氣孔的標(biāo)高安裝亦須嚴(yán)格控制。
　　⑷排污系統(tǒng)
　　排污系統(tǒng)由排污堰、排污渠、排污閥、放空閥、事故溢流堰組成。
　　排污系統(tǒng)最關(guān)鍵的是排污堰。施工完成后，排污堰堰頂標(biāo)高各處須一致，否則因過水量不一致而影響反沖洗水的均勻性。
　　反沖洗伊始，受濾層底部上升水流及反沖洗空氣的頂托，整個(gè)濾層向上懸浮直至濾料攔截網(wǎng)，空氣逸出長柄濾頭的濾帽，以連續(xù)氣泡及氣團(tuán)的形式迅速上升，并且體積不斷擴(kuò)大，接觸至已懸浮在上部的濾層后，在懸浮的濾層中穿行，彗星式纖維濾料受到強(qiáng)烈擾動(dòng)，激烈相互碰撞，在反沖洗氣流及水流作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)及位移，將附著在彗星式纖維濾料的污泥擦洗脫落，猶如洗衣服時(shí)的搓擦；在氣水同時(shí)反沖洗階段，彗星式纖維濾料受到更加強(qiáng)烈的擾動(dòng)，濾料相互碰撞旋轉(zhuǎn)及位移更加劇烈，還產(chǎn)生上下循環(huán)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)脫落污泥上浮排出濾料層；在水反沖洗階段，主要目的是將濾層中的空氣及污泥排除，利于迅速進(jìn)入新的過濾周期。
　　反沖洗結(jié)束新的過濾周期開始時(shí)，反沖洗時(shí)懸浮在上部的濾層整體以一定的速度下降，接觸至濾板后濾層下部逐漸壓實(shí)，穩(wěn)定后，彗星式纖維過濾材料構(gòu)成的過濾層其空隙率沿濾層高度呈梯度分布，下部過濾材料壓實(shí)程度高，空隙率相對(duì)較小，易于保證過濾精度。整個(gè)濾層空隙率由下而上逐漸增大，這種濾層空隙率的分布特性有利于實(shí)現(xiàn)高速和高精度過濾。新的過濾周期開始時(shí)，由于彗星式纖維過濾材料構(gòu)成的過濾層尚較松散，濾層空隙率過大，此時(shí)過濾精度差，一般宜將初濾水排泄。

三、工程投資比較

　　一座150000m³/d規(guī)模的砂濾料濾池，過濾面積821m²，濾速7.6m/h，分8格，工程總投資額約900萬元，而150000m³/d規(guī)模的“彗星”式纖維濾料濾池，過濾面積256m²，濾速24.4m/h，分8格，工程總投資額約400萬元，節(jié)約工程投資一半以上，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。
　　由于“彗星”式纖維濾料高速濾池占地面積大大減小，大量節(jié)約工程投資，在污水處理廠和工業(yè)企業(yè)的中水回用項(xiàng)目工程中，對(duì)于充分發(fā)揮濾池的生產(chǎn)潛力、大大提高濾池的除濁能力、尤其具有特別重要的意義！