CN112604330A - 一种上向流的上浮式轻质滤料滤池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种上向流的上浮式轻质滤料滤池，包括滤池，滤池配置有进水管、出水管和配水管，在滤池中部设有滤料层，在滤料层上方还设置有带孔的机械活塞，滤池下部有贮泥槽，贮泥槽底部通过吸泥管连接有吸泥泵。是一种成本低、不需要传统反冲洗系统、去污能力强的上向流的上浮式轻质滤料滤池。可应用在各种不同水体净化，如：雨水收集预处理；在湖泊或者其他缓流水体的降浊、除藻；自来水厂来水进行预处理等。

Description

一种上向流的上浮式轻质滤料滤池
技术领域
本发明属于水处理设备技术领域，涉及一种滤池，尤其涉及一种上向流的上浮式轻质滤料滤池。
背景技术
在污水处理中过滤一般被用在深度处理的预处理，在饮用水处理中过滤一般放在混凝之后，去除生化处理不能去除的细小悬浮颗粒及胶体物质。在城市污水处理中，过滤已成为回用处理中必不可少的工艺。一般是指以石英砂等粒状滤料层截留被污染水体中的悬浮杂质，从而使水获得澄清的工艺。滤池作为一种最早利用过滤技术处理城市生活饮用水的简单水处理工艺，是保证饮用水卫生安全的重要措施。随着城市的发展，城市雨水、公园湖水、城市河流等水体，都受到不同程度的污染，其中，这些水体中悬浮物的增加使得水体感官效果严重下降，严重影响人们的生产和生活。所以，将传统过滤技术应用于雨水、湖水、河水等水体净化的研究也逐渐成为热点，滤池的过滤技术作为一种传统的过滤工艺被广泛研究。
目前滤池使用的过滤材料包括石英砂、颗粒态活性炭、天然沸石土工织物以及粒石等。在过滤过程中，水流中的细小悬浮颗粒和微生物能够通过截留和吸附作用被留在滤层中，随着过滤的进行，滤层孔隙被截留物堵塞，这时，通过反冲洗方式将滤层中所截留的污物清除出来，使得滤池恢复过滤能力。这是目前使用最广泛的一种滤池过滤技术。
然而，反冲洗方式在实际应用中也存在一些问题，主要是由于目前的滤床多以石英砂、天然沸石等为滤料，反冲洗方式虽然可以快速高效的去除水体的产浊物质，但由于传统滤床结构复杂，滤料不规则、质量大，使得滤床堵塞以后依然存在截留杂质不易被彻底清理，如果对传统滤床进行改造，则产生的费用高昂。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种上向流的上浮式轻质滤料滤池，该上向流的上浮式轻质滤料滤池不设置传统的反冲洗系统，且成本低、去污能力强。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种上向流的上浮式轻质滤料滤池，包括滤池，滤池配置有进水管、出水管和配水管；其特征在于，在滤池中部设有滤料层，在滤料层上方还设置有带孔的机械活塞，滤池下部有贮泥槽，贮泥槽底部通过吸泥管连接有吸泥泵。
根据本发明，所述滤料层中的滤料选择球形轻质陶粒，密度为0.65g/cm3，d50＝3mm，不均匀系数K取1.5。
进一步地，所述出水管靠滤池侧的出水口上装有带孔隔板，带孔隔板上的孔径小于球形轻质滤料的粒径。
优选地，所述出水管上接有初滤水管，初滤水管上接有初滤水管排放阀门。
进一步优选地，所述配水管位于贮泥槽与滤料层之间的空间内。
再优选地，所述配水管为穿孔管。
本发明的上向流的上浮式轻质滤料滤池，无需设置传统反冲洗系统，成本低、去污能力强，可以应用在各种不同水体净化，如：雨水收集预处理；在湖泊或者其他缓流水体的降浊、除藻；自来水厂来水进行预处理等。
和现有的滤池相比带来的技术效果在于：
1、滤料选择密度在0.65g/cm3左右、d50＝3mm、不均匀系数K取1.5的球形轻质陶粒，可达到以下作用：其一，滤料密度小于水且滤层被污染物附着后，滤料仍然可以自由上浮；其二，滤料密度不要太小，便于后期清洗完滤料以后将滤料层置于水面以下，使滤料层恢复原状。相较于其他轻质滤料其优点有：球形轻质陶粒强度大、孔隙率大、比表面积大、化学稳定性好、附着物不易板结、不产生纳米塑料、不易形变等诸多传统填料不具备的优点。
2、滤料层上部设置机械活塞的目的在于：滤层过滤时，机械活塞将滤料层置于水面之下，使滤料层发挥过滤作用，当滤料层堵塞时，上下活动机械活塞，滤料层受到带孔的机械活塞运动的冲击，可以进行反冲洗，滤料层间相对位置发生改变，使滤料层中截留的污物脱离滤料层进入清水区和配水区。
3、出水管靠滤池侧的出水口上装有孔径小于球形轻质滤料粒径的带孔隔板，可以防止滤料流失。
4、采用上向流进水方式，滤料层在机械活塞作用下的吸附相当于整个滤池的厚度，有很强的过滤效果。另外，滤料层反粒度上向流过滤的工作方式，可以实现单一滤料从粗到细的过滤，沿着向上过滤的方向无论是空隙空间还是颗粒尺寸，均为从粗到细的级配。
5、滤池没有设置传统的反冲洗系统，更加节能。
6、在过滤的过程中，由于浮力、水与颗粒间的摩擦力和颗粒本身重力的存在，使得少部分的固体颗粒悬浮也可以起到辅助过滤的作用，从而可以适当的减少滤料层厚度。
附图说明
图1是本发明的上向流的上浮式轻质滤料滤池平面示意图；
图2是本发明的上向流的上浮式轻质滤料滤池的配水图。
图3是图1的a-a断面视图。
图4是新河水水质图片，其中，(a)图是雨季河水水质图片，(b)图是洪水期河水水质图片；
图5是试验装置图片，其中，上图是刚注水状态，下图是运行状态；
图6是上向流5m/h滤速浊度曲线；
图7是上向流10m/h滤速浊度曲线；
图8是上向流15m/h滤速浊度曲线；
图9是上向流5m/h滤速SS曲线；
图10是上向流10m/h滤速SS曲线；
图11是上向流15m/h滤速SS曲线。
图中的标记分别表示：1、空腔区(清水区)，2、出水管，3、出水管阀门，4、初滤水管，5、初滤水排放管阀门，6、配水区，7、进水管，8、吸泥泵，9、吸泥管，10、机械活塞，11、滤料层，12、进水阀门，13、贮泥槽，14、配水管，15、带孔隔板。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
参见图1至图3，本实施例给出一种上向流的上浮式轻质滤料滤池，包括滤池，滤池配置有进水管7、出水管2和配水管14；在滤池中部设有滤料层11，在滤料层11上方还设置有带孔的机械活塞10，滤池下部有贮泥槽13，贮泥槽13底部通过吸泥管9连接有吸泥泵8。
本实施例中滤池的形状为方型，当然也可以是其它几何形状，例如五边形，平行四边形、圆柱形等。
从原理上说，本实施例给出的上向流的上浮式轻质滤料滤池可分为上、中、下三部分，滤池上部分为空腔区1(清水区)，滤池中间部分为配水区6，滤池下部分为进水及污物沉降区。
滤池下部分的进水及污物沉降区：设有进水管7、配水管14和贮泥槽13，部分固体颗粒在重力作用下沉降到贮泥槽13中，其中配水管14采用穿孔管，可均匀布水。
滤池中部的配水区6：设有滤料层11，滤料层11厚度为1.2m，滤料层11的上面设置带孔的机械活塞10，带孔的机械活塞10上孔的直径小于滤料粒径，正常过滤状态下，带孔的机械活塞10处于水面以下。在过滤的过程中，由于浮力、水与颗粒间的摩擦力和颗粒本身重力的存在，使得少部分的固体颗粒悬浮也可以起到辅助过滤的作用，从而可以适当的减少滤料层11的厚度。
当滤料层2需要反冲洗时，通过上下移动带孔的机械活塞10，可以达到清洗滤料的目的；
滤池上部的空腔区1(清水区)：配置出水管2，出水管2靠滤池侧的出水口上装有带孔隔板15，带孔隔板15上的孔径小于球形轻质滤料的粒径，以防止滤料流失。出水管2上接有出水管阀门3，初滤水管4和初滤水排放管阀门5，其中，初滤水管4用于初滤水的排放。
在本实施例中，滤料层11内的滤料选择密度为0.65g/cm3左右、d50＝3mm、不均匀系数K取1.5的球形轻质陶粒。由于球形轻质陶粒的密度小于水且被污染物附着后，仍然可以自由上浮；滤料的选择依据是，密度不选择太小，便于后期清洗完滤料以后其置于自由水面以下，使滤料层恢复原状。所选用的球形轻质陶粒，具有强度大、孔隙率大、比表面积大、化学稳定性好、附着物不易板结、不产生纳米塑料、不易变形等诸多传统填料不具备的优点。
当滤料层11发生堵塞时，滤池上部的空腔区1(清水区)为滤料提供足够的膨胀上浮空间，同时也为滤料层11中夹杂的污物提供脱落沉降的空间。
本实施例给出上向流的上浮式轻质滤料滤池，采用带孔的机械活塞10，主要用于滤料层11内的滤料清洗，故滤池不设置传统反冲洗系统。
本实施例给出的上向流的上浮式轻质滤料滤池，采用了上向流进水方式，相比于传统滤池下向流过滤方式，悬浮絮体在重力作用下向下沉淀，并粘附于滤料颗粒表面，滤料层在机械活塞作用下的吸附相当于整个滤池的厚度，有很强的过滤效果。另外，滤料层反粒度上向流过滤的工作方式，可以实现单一滤料从粗到细的过滤，沿着向上过滤的方向无论是空隙空间还是颗粒尺寸，均为从粗到细的级配。与下向流相比，上向流过滤的沉淀吸附作用效果更加显著，纳污量可达下向流滤池的500％。
开始过滤时，开启进水阀门12，原水经进水管7进入配水区6，原水以10m/h的滤速流经滤料层11进行过滤，刚开始过滤时，关闭出水管2上的出水管阀门3，开启初滤水管阀门5，排出初滤水，将初滤水排到附近的植草沟或者表流式人工湿地即可。待出水稳定后，关闭初滤水排放管阀门5开启出水管阀门3排出过滤水。
当滤料层11堵塞时，停止配水，进行反冲洗操作，此时关闭出水管2的出水管阀门3，带孔的机械活塞10做往复运动，滤料层11受到带孔的机械活塞10运动的冲击，滤料层11间的滤料相对位置发生改变，使滤料层2中截留的污物脱离滤料层2进入清水区1或者自由沉降进入贮泥槽13，反冲洗完成后，恢复配水，初滤水排放到附近的植草沟或者表流式人工湿地，当贮泥槽13中充满泥沙时启动吸泥泵8将泥沙吸出。
为了能够将本实施例的上向流的上浮式轻质滤料滤池用于产业化应用，以下是发明人所进行的小试相关试验：
小试实验使用粒径为3～5mm球形轻质陶粒和作为悬浮滤料，滤层厚度400mm。
取新河水作为原水。新河雨季河水水质颜色发黄(图4a)，洪水期河水水质颜色呈暗红色(图4b)。
采取3m/h～15m/h逐渐增加的滤速(原因：随着过滤的进行，孔隙率越来越小，导致滤速越来越大)，测量上向流各滤速下滤床对于浊度、SS、TP和COD等指标的去除效果。
试验装置(滤床)材质采用有机玻璃，尺寸为200mm×550mm×700mm，是依照本实施例的上向流的上浮式轻质滤料滤池的实际大规模应用尺寸按比例缩小制成(图5，上图为刚注水状态，下图为运行状态)。具有上下两个出水口，可以进行水平流和上向流的过滤。在侧面设有测压管以显示水头损失。实验过程中，依靠潜污泵将新河水提升至高位水箱，通过球阀与转子流量计控制进水流量。
滤料上覆玻璃钢滤板和铁丝网，依靠浮力固定在装置中。
试验取样间隔4～6h。
1、浊度指标：
通过滤层的过滤，出水的浊度可以小于3NTU。
上向流5m/h、上向流10m/h和上向流15m/h滤速的进水浊度、出水浊度、去除率以及平均去除率参见图6至图8所示，可以看出，上向流5m/h滤速的平均去除率为77.24％，上向流10m/h滤速的平均去除率为69.86％，上向流15m/h滤速的平均去除率为58.07％。
浊度的去除率会随着过滤时间的增加而增加。主要原因在于过滤初期滤料内部没有颗粒态物质的累积，滤料的孔隙率最大，进水中产浊物质的细小颗粒可以进入滤料深处，引起出水浊度偏大；随着试验的进行，滤料表面已经拦截有一部分颗粒态物质，装置进水侧滤料的孔隙率减小，有利于对进水中的细小颗粒物的去除。
上向流过滤对浊度的去除效果好于水平流；低滤速过滤对于浊度的去除效果好于高滤速。
2、SS指标：
上向流5m/h、上向流10m/h和上向流15m/h滤速的进水浊度、出水浊度、去除率以及平均去除率参见图9至图11所示，可以看出，上向流5m/h滤速的平均去除率为53.40％，上向流10m/h滤速的平均去除率为63.40％，上向流15m/h滤速的平均去除率为77.13％，
和对于浊度的去除类似，SS的去除率也会随着滤池运行逐步提高。
SS的去除率受进水水质影响较大。若以SS平均进水浓度为界，装置(滤床)对于高SS浓度进水的平均去除率显著高于低进水浓度(P＝0.024)。
此外，发明人还进行了COD的平均去除率试验，TP、TN的去除试验，观察了球形轻质陶粒粒径的去除效果，试验表明：
滤床对于COD的平均去除率为18.00％，但去除率曲线没有明显的规律性，这可能是由于两个原因：
第一方面，景观水中的有机污染物以溶解性为主。而滤床对COD的去除主要依靠对于固态有机颗粒物的截留和对胶体态有机污染物的吸附。
另一方面，使用河水原水作为进水，水质受来水组成、天气、河道施工等多方面影响，水质波动剧烈。
上向流过滤对于TP有着更好的去除效果。原因是由于水流方向与滤料所受浮力方向相同，滤料之间接触更为紧密，滤床的截留作用也更强。
滤床对TN的去除效果欠佳，各工况去除率在2％～8％之间。
河水中氮元素以溶解态氮为主。而滤床中的生物脱氮作用十分有限，滤床对TN的去除滤主要体现在对河水中大分子有机氮的截留。
悬浮过滤工艺对于浊度的平均去除率为66.51％，平均进水浊度24.02NTU，平均出水浊度7.23NTU；对于SS的平均去除率为71.52％，平均进水SS为19.83mg/L，平均出水SS为4.74mg/L。
在对于浊度的控制效果上，上向流显著优于水平流。上向流过滤中，滤层除了受到浮力的作用，也受到了水流的冲击作用，从而具有相对水平流更紧密的滤层。
由于浊度和SS的去除率受进水水质影响较大，各工况去除率平均标准偏差也普遍偏高。
不同流态对于TP、TN的控制效果影响显著。和浊度类似，上向流的效果明现优于水平流。
在COD的去除效果上，水平流过滤优于上向流。这可能是由于水平流试验期间为夏季汛期，进水SS和COD浓度较高，水中固态有机物比例也更高。
上向流、滤速5m/h的情况下，滤床对于TP的控制可以达到最好的去除效果。
水平过滤对于粒径在50μm～200μm的球形轻质陶粒有较好的去除效果，但对于体积小于50μm的球形轻质陶粒控制效果有限。
过滤过程中，水头损失前半程增长缓慢，后半程急剧增加。
在5m/h和10m/h的滤速下，滤床上向流过滤周期可达100h以上。
以上的实施例仅是较优的例子，本发明不限于上述实施例，凡是按照本发明提出的技术方案基础上所作的添加或简单的替换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种上向流的上浮式轻质滤料滤池，包括滤池，滤池配置有进水管(7)、出水管(2)和配水管(14)；其特征在于，在滤池中部设有滤料层(11)，在滤料层(11)上方还设置有带孔机械活塞(10)，滤池下部有贮泥槽(13)，贮泥槽(13)底部通过吸泥管(9)连接有吸泥泵(8)。
2.如权利要求1所述的上向流的上浮式轻质滤料滤池，其特征在于，所述滤料层(11)中的滤料选择球形轻质陶粒，密度为0.65g/cm3，d50＝3mm，不均匀系数K取1.5。
3.如权利要求1所述的上向流的上浮式轻质滤料滤池，其特征在于，所述出水管(2)靠滤池侧的出水口上装有带孔隔板(15)，带孔隔板(15)上的孔径小于球形轻质滤料的粒径。
4.如权利要求1所述的上向流的上浮式轻质滤料滤池，其特征在于，所述出水管(2)上接有初滤水管(4)，初滤水管(4)上接有初滤水管排放阀门(5)。
5.如权利要求1所述的上向流的上浮式轻质滤料滤池，其特征在于，所述配水管(14)位于贮泥槽(13)与滤料层(11)之间的空间内。
6.如权利要求1所述的上向流的上浮式轻质滤料滤池，其特征在于，所述配水管(14)为穿孔管。
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