玻璃球滤料在微灌过滤装置试验研究

导读:玻璃球滤料对于杂质颗粒的过滤在过滤初期第一阶段以拦截为主，随着过滤的进行浑水的过滤出水浊度、过滤出水瞬时流量、进出口压差趋于稳定，此时过滤进入第二阶段，对于浑水中

来源：未知发布日期：2019-09-20 14:00【大中小】

引言

砂石过滤器是目前微灌工程中常用的过滤器[，近年来由于石英砂的成本提高且大量开采石英砂对环境造成了严重污染，极大地限制了砂石过滤器在微灌上的应用与推广。评价微灌砂石过滤器优劣指标主要是其过滤及反冲洗性能。国内外的专家学者对砂石过滤器的过滤及反冲洗特性研究较多。例如：以出水浊度为指标研究了均质滤料的微灌过滤器过滤参数与反冲洗参数之间的变化规律；采用石英砂、粉碎回收玻璃颗粒、改性玻璃颗粒、微玻璃球体4种性质不同的材料，在试验室内利用纯净水在有机玻璃柱体测试分析了砂石过滤器运行过程中的能量损耗（水头损失）碎玻璃在饮用水中的过滤效果较石英砂滤料在后期的应用效果好于前期，长周期应用后，颗粒去除率相差不明显；基于通过正交试验和回归分析，提出了固定床颗粒层稳态和非稳态过滤压力损失与表观过滤速度、过滤层厚度、颗粒层滤料平均粒径、粉尘质量分数和过滤时间等5个影响因素的回归关联计算式。由于玻璃滤料的物理性质与石英砂相似，且原料廉价易得，有利于工业及日常生活产生的玻璃垃圾回收再利用，近年来国内外水处理领域成功地将回收玻璃作为替代滤料用于水过滤，但是玻璃滤料作为滤料的过滤效果及机理还尚不明确。国内对于玻璃滤料在微灌过滤器上的应用研究较少，故以玻璃球滤料为研究对象，设置不同梯度的过滤速度及过滤浑水质量分数，探讨其对过滤出水浊度、进出口压力及过滤瞬时流量的影响，为玻璃球滤料在微灌用过滤器上的应用及推广提供一定理论依据及参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置及配套设施
参考之前实验室石英砂滤料过滤模型，结合现阶段对玻璃球滤料过滤模型的改进，试验装置，包括内径160 mm、高度1 200 mm的有机玻璃柱，试验用滤料为玻璃球滤料，滤层厚度500 mm，试验室有2个水池，分别用于配制过滤的浑水及反冲洗用水，配套设施有潜水泵、电磁流量计、压力传感器、上海昕瑞浊度计、玻璃棒、烧杯等。实验室所用的配制浑水的泥沙取自引黄灌区人民胜利渠，所用的平均粒径分别为275、215、153、103 μm。试验前对其进行晾晒、烘干、筛分，按照等质量比例混合配置成质量分数0.01%、0.03%、0.05%的浑水进行过滤。

1.2 试验设计
试验室有潜水泵3台，原水水池容积2 m3 ,反冲洗清水水池容积1 m3 ,供水水池容积50 m3 ,另有一眼水井向供水水池补充清水；2个水池分别用来供给配制浑水和反冲洗用清水，浑水池中安装搅拌装置和离心泵，保证过滤过程中浑水的颗粒质量分数稳定不变。试验前进行预试验，对不同粒径的玻璃球滤料的过滤效果进行比对以及结合之前砂石滤料粒径，最终拟定试验用玻璃球滤料的平均粒径大小为0.7 mm，过滤速度分别为 0.015、0.020、0.025、0.030 m/s。过滤时间控制为60 min。过滤出水浊度取样频率，过滤出水瞬时流量及滤柱进出口压力值测定均为2 min/次。每组试验重复进行3次取平均值。

1.3 试验测试指标
过滤后采集的水样，采用浊度计测量其浊度，重复3次，取其平均值作为过滤出水浊度；分别记录滤柱进水口及出水口的压力值，二者之间的差值即为滤层进出口压差；过滤开始时，每2 min记录1次过滤出水流量。

2 结果与分析

2.1 玻璃球滤料出水浊度随时间的变化规律
为不同浑水质量分数条件下过滤出水浊度随时间的变化。当浑水质量分数较低时，随着过滤时间的增加，不同过滤速度条件下的过滤出水浊度较低，浊度波动范围较小并很快趋于稳定，相互之间差异较小。当浑水质量分数增加时，同一过滤速度条件下的过滤初始出水浊度增加。当初始过滤速度为0.015 m/s时，随着过滤浑水质量分数的增加，过滤出水浊度呈现出较大的波动性，这是因为过滤速度较小时，单位时间通过滤层的颗粒少，不易对滤层造成堵塞，随着过滤浑水质量分数的增加，透过滤层的杂质颗粒增多，但由于过滤速度较小，因此未对滤层形成较为严重的堵塞，故随着过滤浑水质量分数的增加，过滤出水浊度呈现出增大且不稳定的浮动趋势，当过滤速度0.015 m/s时，质量分数越大，过滤出水的浮动趋势越明显；当过滤速度分别为0.020、0.025和0.030 m/s时，随着过滤浑水质量分数的增加，过滤速度越高对于滤层初始出水浊度的影响越明显，但对于整个过滤周期中浊度的变化趋势影响不大。这是因为过滤初始时，浑水中的杂质比较容易通过滤层的空隙，随着过滤的进行，在较大的过滤速度下，杂质堵塞空隙，先后在滤层内部和表面堆积形成新的过滤滤层，其实质就是在玻璃球滤料与杂质颗粒形成的双重滤层下进行过滤，此时玻璃球滤料空隙之间的通道也较为固定，因此在过滤速度为0.020、0.025和 0.030 m/s时，过滤浑水质量分数对后续过滤出水浊度的影响不大。当过滤速度较小时，滤料空隙之间的通道不固定，因此过滤后出水浊度呈现出不稳定性。

2.2 玻璃球滤料过滤出水瞬时流量随时间的变化规律
为不同过滤速度条件下过滤出水瞬时流量随时间的变化情况。如图3所示，在同一初始过滤速度条件下，过滤瞬时流量随着时间呈递减趋势且过滤浑水质量分数越大在整个过滤周期内瞬时流量减小的幅度越大。随着过滤的进行，滤料之间的空隙逐渐被杂质颗粒所填充，造成过滤瞬时流量减小。在同一初始过滤速度下，浑水质量分数越大，单位时间内通过滤层的杂质颗粒越多，滤层之间的空隙被杂质颗粒填充的概率越大，因此过滤出水流量随时间的延长而减小。在同一种浑水质量分数条件下，随着过滤初始速度的增大，过滤瞬时流量在一个过滤周期内的减少量依次增大。在同一种过滤初始速度条件下，随着过滤浑水质量分数的增加，过滤瞬时流量在一个过滤周期内的减少量也随之增加。

3 讨论

在同一浑水质量分数和过滤初始速度条件下，过滤出水瞬时流量随着过滤时间减小，滤层进出口压差随着过滤时间增大，二者的变化趋势相反，这与已有研究结果[ 一致。杂质颗粒在玻璃球滤料滤层中的运动分为 2个阶段，第一阶段，杂质颗粒透过滤层，颗粒较小的杂质透过滤层随着过滤水排出，颗粒较大的杂质被截留而逐渐填充滤层之间的空隙而在滤层之间形成新的过滤层；第二阶段，随着过滤的进行，滤层内部的孔隙逐渐被杂质填充，此时滤层内部孔隙结构比较固定，而在滤层的上表面杂质颗粒开始堆积，过滤流量进一步减少。此时，滤层进出口压差与过滤出水流量的变化较小。

因为玻璃球滤料的表面比较光滑，在过滤初期对于浑水中杂质颗粒的过滤主要以拦截为主，当过滤速度较小时，滤层之间的空隙被杂质颗粒完全填充所需的时间较长，此时由于滤料滤层之间的空隙通道不固定，所以在过滤初期过滤出水浊度呈现出不稳定性；当过滤速度较大时，滤层之间的空隙被杂质颗粒完全填充所需的时间也相应缩短，当滤料之间的空隙被填充完全时，此时的过滤主要依靠玻璃球滤料的拦截及填充于玻璃滤料空隙之间杂质的吸附作用，出水浊度、滤层进出口压降及出水瞬时流量趋于稳定。而传统的石英砂过滤滤料在过滤速度较小时，过滤出水浊度随着过滤时间减小，这是因为石英砂滤料的过滤机理是拦截与吸附双重作用，这种滤料的优点是能较大限度的拦截浑水中的杂质颗粒，通常适用于对水质条件要求较高的过滤，但是对滴头不造成堵塞杂质颗粒的拦截缩短了砂石过滤器的使用周期，下层滤料还未充分发挥过滤作用即开始进行反冲洗。而玻璃滤料能够较大限度发挥滤料的拦截作用，从而延长了过滤器的使用周期。

4 结论

1）在过滤速度为0.015 m/s时，随着浑水质量分数的增大，滤后水浊度呈现出一定的波动性，且随着浑水质量分数的增大，滤后水浊度的波动性越大。增大过滤水速度，当过滤速度分别达到0.020、0.025、0.030 m/s 时，随着过滤浑水质量分数的增大，滤后水的初始浊度也随之增大。

2）在同一过滤速度下，玻璃球滤料的过滤出水瞬时流量随着过滤时间呈递减趋势，且过滤水质量分数越大，在一个过滤周期内瞬时流量减小的幅度就越大；在同一过滤浑水质量分数下，在一个过滤周期内瞬时流量随着过滤速度的增加而呈减小的趋势，且过滤速度越大，减小幅度越大。

3）采用浑水过滤时，瞬时流量的变化与滤层过滤进出口压降的变化趋势相反，即进出口压降随着过滤时间增大。随着过滤的进行，滤层瞬时过滤流量的减小及滤层进出口压降增大的取决因素主要是单位时间内通过滤层并集聚在滤层表面杂质颗粒。

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玻璃球滤料在微灌过滤装置试验研究

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