2.1 高岭土滤柱试验结果
(1)波动滤速对滤后水浊度的影响
试验滤柱出水浊度变化情况见图3,结果表明:在运行周期的前5个小时,波动滤速和恒滤速的出水浊度情况基本相同; 但在运行周期的最后4 h,相对于恒定滤速过滤,波动滤速的出水浊度变化幅度较大.其原因在于:运行初期清洁滤层空隙率大,此时水流剪力较小,粘附作用占优势,水中悬浮物主要被滤层上部分截留,波动中的高滤速可以把悬浮物带入较深滤层,但不足以带出滤层,因此出水浊度受滤速波动影响不明显.随着运行时间的推移,滤层截留的悬浮物逐渐增加,剪切力相对于粘附力逐渐明显,于是悬浮颗粒开始向下层推移,下层滤料的截留作用得到发挥.此时,高滤速将部分悬浮物带出滤层,最终表现为过滤出水浊度波动变化幅度增大[2].
图3 波动滤速试验出水浊度变化
Fig.3 Variation of effluent turbidity in fluctuating filtration rate test
对比四组试验滤柱运行周期最后四小时出水浊度值的变化,可以发现:四种滤速波动条件下,波动幅度最小的A-2组中,出水浊度变化幅度为0.49 NTU,其浊度峰值为0.83 NTU; 相同波动振幅的A-1、A-3组,高频率波动的A-3的出水浊度变化幅度大,变化幅度为0.92 NTU,浊度峰值1.19 NTU,而A-1出水浊度变化幅度为0.63 NTU,峰值为0.91 NTU; 振幅最大、频率最高的A-4的出水浊度变化幅度为1.11 NTU,峰值为1.41 NTU.以上表明,波动滤速的振幅和频率会导致滤池出水浊度波动差异,振幅大、频率高的波动滤速其滤池出水浊度高,浊度变化幅度大.造成以上特征的原因在于:振幅大的波动滤速,剪切力变化幅度大,较大的剪切力导致附着在滤料或杂质颗粒表面的悬浮固体剥落的数量增加,从而导致滤后水浊度升高; 频率高的波动滤速,其剪切力增加速度快,本身已被粘附的悬浮固体剥落的比较集中,表现为滤后水浊度变化幅度大[21].
(2)截留絮体分布的比较
图4给出了体积比沉积量σV与滤层深度之间的关系.在波动滤速和恒滤速下,滤层中絮体分布呈现上多下少的趋势,但在滤层上部,恒滤速(B)条件下滤层截留絮体比波动滤速多,在滤层深处则相反.
图4 σV与滤层深度关系
Fig.4 Relationship between σv and filter depth
在滤层深处考察絮体分布特征,A-3波动滤速与恒滤速B的偏差比A-1与B的偏差明显,滤速振幅最小的A-2絮体分布与B偏差最小,而振幅最大的A-4与B偏差最大.这表明:波动滤速会使滤层中絮体穿透性增强,从而可以更充分发挥整个滤层的截污作用; 波动滤速振幅越高,频率越大,对絮体在滤层中的分布影响就越大.恒滤速条件下絮体的粘附力和水流剪切力大小相对稳定,絮体被粘附的位置也是随着运行时间的推移,逐渐向下层推移,但在波动滤速条件下,还需要考虑滤速波动产生的水流速度梯度周期变化,这使得截留絮体在滤层中的穿透力增强、分布更均匀[21].随着滤速波动的频率和幅度加大,使得滤层絮体分布差异更加显著.
2.2 实际生产滤速波动特征
选取的滤池生产系列中同一进水廊道衔接的滤池共10格,按照生产调度,每格滤池的运行周期约为35 h.监测结果见图5.
图5 实际生产中滤池滤速和出水浊度变化
Fig.5 Changes of filter rate and effluent turbidity in actual production
从16#滤池滤速的测量结果来看,并没有呈现每3~4小时明显周期性变化特征(图5),这说明同一进水渠道相连接的其他滤池的反冲洗造成流量重新分配时,监测滤池(16#)的滤速,即强制滤速的变化特征并不明显,这与同组滤池个数较多的特征相吻合.
为探究滤速增加对滤后水浊度的影响,在监测滤池一个工作周期内选择滤速上升期、即图5中①、②、③、④所示的四个时间段进行分析,其对应的滤速变化特征见表1.
表1 16#滤池中滤速上升段的特征
Tab.1 Characteristics of filtration rate during rising period in 16# filter unit
四个时间段的滤速和滤后水浊度的变化特征显示:过滤前期的①、②段滤速增加率接近,②段滤速升幅超①段57.6%、起点滤速为①段41.9%,在待滤水浊度间断上升的情况下,①、②段内滤后水浊度未见明显增加; 过滤中后期第③段内随着滤速从5.76 m/h增加至9.74 m/h,滤后水的浊度从0.031 NTU上升到0.044 NTU; 时间段①和③的起点滤速和增幅接近,但与①段的滤后水浊度下降特征相反,③段滤后水浊度升高; 在过滤末期的④段,尽管滤速增加的起点值(2.20 m/h)较低,但过大的滤速增加率导致滤后水浊度从0.031 NTU急速升至0.054 NTU.在①至④的四组滤速上升段,滤后水浊度增加值分别为-0.021、0.013、0.013、0.022 NTU.这些特征表明:在实际滤池运行中,①滤层成熟期完成后过滤性能逐渐好转,此时一定范围内的滤速增加不会造成滤后水浊度上升的问题; ②在过滤后期,随着滤层中截污量的增加,滤速升高会导致过滤性能下降,这在反冲洗前的过滤末期尤为明显.此结论与高岭土絮凝模型过滤试验结果吻合.
进厂原水流量、16#滤池滤速、待滤水及滤后水四个要素监测数据的Person相关性分析表明(见表2),滤后水浊度主要受滤速和待滤水浊度影响,相对而言,滤速的影响更加显著.
表2 生产要素的相关性系数
Tab.2 Pearson correlation coefficient of production factors
生产滤池中滤速的波动包括周期性波动及间歇性波动,前者主要受滤池运行控制方式决定,后者则与进厂原水流量波动和其他滤池反冲洗有关.实际监测期水厂的总取水量显示,该厂取水泵房临近入海口、受潮汐作用影响,进厂水流量的周期性日变化特征明显.水厂进水流量与16#滤池滤速的相关系数为0.13,为弱相关.在整个水厂稳定运行期间,与进厂原水流量变化特征相比较,单格滤池滤速受前端絮凝池、沉淀池工况(主要是排泥过程)以及同廊道其他滤池进水流量扰动的影响明显.因此,在实际运行管理中,单格滤池出水流量受取水泵站流量变化的影响不明显,即在滤池管理中不能仅关注原水流量的变化,单格滤池的流量负荷应该独立计量.
另外,生产滤池滤后水浊度变化受影响因素较多,不仅与滤速有关,同时还受到诸如原水浊度、前处理效果等的影响.例如滤池在运行15 h后出现浊度升高的情况,经过核查确认为该时间段内平流沉淀池排泥引起待滤水浊度升高,从而导致滤后水浊度升高.