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HD智能高效過濾器在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用

歐陽群文-湖南城建學(xué)院材料工程系     湖南湘潭

摘要   HD智能高效過濾器(以下簡稱“HD”)是一種高速、高效、智能過濾器。該過濾器是采用自適應(yīng)長纖維濾料，小阻力配水系統(tǒng)，氣水聯(lián)合沖洗方式，具備傳統(tǒng)過濾器的主要優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)多方面優(yōu)于傳統(tǒng)過濾器以及其他輕質(zhì)填料過濾池的特點(diǎn)，是一種更適應(yīng)、新型、高效的過濾技術(shù)。HD特別適合農(nóng)村自來水廠處理農(nóng)村生活污水處理中的過濾設(shè)備。

關(guān)鍵詞   HD、傳統(tǒng)過濾器、農(nóng)村生活污水、自適應(yīng)長纖維濾料

1 前言   

解決農(nóng)村生活污水，改善環(huán)境衛(wèi)生，一直以來是困擾著農(nóng)村自來水處理中的一大問題。近年來，隨著城市工業(yè)的發(fā)展，以及農(nóng)村生活的狀況提高，使得農(nóng)村生活污水源更加復(fù)雜化。針對源水濁度≤50NTU，采用微絮凝+接觸過濾+消毒的工藝，過濾設(shè)備可采用HD，消毒設(shè)備可采用二氧化氯。處理后的水達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749～2006）》。

2 農(nóng)村生活水環(huán)境污染現(xiàn)狀和特點(diǎn)  

2.1農(nóng)村生活水環(huán)境污染現(xiàn)狀 
　　農(nóng)村水環(huán)境是指分布在廣大農(nóng)村的河流、湖沼、溝渠、池塘、水庫等地表水體、土壤水和地下水體的總稱。我國總計(jì)有鄉(xiāng)鎮(zhèn)45412個(gè)，村民委員會739980個(gè)，鄉(xiāng)村戶數(shù)23692.7萬戶，鄉(xiāng)村人口達(dá)91960萬人。農(nóng)村人口分散，人口數(shù)量多，沒有任何生活污水的收集和處理設(shè)施，這使農(nóng)村生活污染源成為影響水環(huán)境的重要因素。據(jù)測算，全國農(nóng)村每年產(chǎn)生生活污水80多億噸，嚴(yán)重污染了農(nóng)村地區(qū)居住環(huán)境，農(nóng)村大部分地區(qū)河、湖等水體普遍受到污染，飲用水水質(zhì)安全受到嚴(yán)重威脅，直接危害農(nóng)民的身體健康，嚴(yán)重影響農(nóng)村地區(qū)的環(huán)境衛(wèi)生，極易導(dǎo)致一些流行性疾病的發(fā)生與傳播。據(jù)估算，農(nóng)村環(huán)境問題每年造成的經(jīng)濟(jì)損失已超過千億元，我國農(nóng)村環(huán)境與生態(tài)狀況令人擔(dān)憂。 
　　改革開放的三十多年來，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力獲得了較大幅度的提高。畜禽散養(yǎng)戶的不斷增多，大量畜禽糞便沒有處理就直接排放，糞便污染逐年加重。有資料顯示，養(yǎng)殖一頭豬所產(chǎn)生的廢水是一個(gè)人的7倍，而養(yǎng)殖一頭牛則是22倍。這些有機(jī)物未經(jīng)處理，滲入地下或進(jìn)入地表水，使水環(huán)境中硝態(tài)氮、硬度和細(xì)菌總數(shù)超標(biāo)，嚴(yán)重威脅著居民飲用水的安全。 
2.1.2農(nóng)村污水特點(diǎn)  
　　農(nóng)村生活污水的特點(diǎn)：廚房炊事用水、沐浴、洗滌用水和沖洗廁所用水，這些用水分散，農(nóng)村沒有任何收集的設(shè)施，隨著雨水的沖刷，隨著地表流入河流、湖沼、溝渠、池塘、水庫等地表水體、土壤水和地下水體，其中有機(jī)物含量大是其主要的特點(diǎn)。

   （1）水質(zhì)特點(diǎn)。a農(nóng)村村鎮(zhèn)人口較少，分布廣泛且分散，大部分沒有污水排放管網(wǎng)；b農(nóng)村生活污水濃度低，變化大；c大部分農(nóng)村生活污水的性質(zhì)相差不大，水中基本上不含有重金屬和有毒有害物質(zhì)（但隨著人們生活水平的提高，部分生活污水中可能含有重金屬和有毒有害物質(zhì)），含一定量的氮、磷，水質(zhì)波動大，可生化性強(qiáng)；d不同時(shí)段的水質(zhì)不同；e廁所排放的污水水質(zhì)較差，但可進(jìn)入化糞池用作肥料。 
   （2）水量特征。a一般農(nóng)村的生活污水量都比較小，除小城鎮(zhèn)外，農(nóng)村人口居住分散，水量相對較少，相應(yīng)地產(chǎn)生的生活污水量也較小；b變化系數(shù)大，居民生活規(guī)律相近，導(dǎo)致農(nóng)村生活污水排放量早晚比白天大，夜間排水量小，甚至可能斷流，水量變化明顯，即無水排放呈不連續(xù)狀態(tài)，具有變化幅度大的特點(diǎn)；c在上午、中午、下午都有一個(gè)高峰時(shí)段。

   （3）排放體制特征。農(nóng)村生活污水一般呈粗放型排放。很多農(nóng)村尚無完善的污水排放系統(tǒng)，污水沿道路邊溝或路面排放至就近的水體。少部分地區(qū)具有完善的污水排放系統(tǒng)。農(nóng)村生活污水中有機(jī)物含量高，N、P含量增多。人們無意識的排放和雨水的沖刷，使大量的有機(jī)質(zhì)和N、P等物質(zhì)流入湖泊等水體，如果不加以處理利用，常常會引起富營養(yǎng)化，給人們的身體健康帶來不利影響。 

3 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)路線 
　　農(nóng)村污水處理技術(shù)的選擇要量力而行，充分考慮到農(nóng)村地區(qū)財(cái)力狀況薄弱、農(nóng)民實(shí)際承受能力較低這一普遍情況，處理工藝的選擇不能盲目攀比，不能一味地選擇時(shí)髦先進(jìn)、處理效果好、自動化控制水平很高的處理工藝，而著重應(yīng)該考慮選用既成熟可靠，又適合農(nóng)村特點(diǎn)和實(shí)際的污水處理適用技術(shù)。建議污水處理技術(shù)的選擇優(yōu)先達(dá)到兩個(gè)目標(biāo)：一是達(dá)標(biāo)排放或回用；二是注重經(jīng)濟(jì)適用，運(yùn)行成本低，管理維護(hù)簡單。而污水在通過前提的處理后，到達(dá)過濾裝置中運(yùn)用HD。HD是一種高速、高效、智能過濾器。該過濾器是采用自適應(yīng)纖維濾料，小阻力配水系統(tǒng)，氣水聯(lián)合沖洗方式。具備傳統(tǒng)過濾器的主要優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)多方面優(yōu)于傳統(tǒng)過濾器以及其他輕質(zhì)填料過濾池的特點(diǎn)，是一種更適應(yīng)、新型、高效的過濾技術(shù)。在采用HD裝置處理的污水后使其各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都能達(dá)標(biāo)。

4 HD簡介

   傳統(tǒng)過濾器過濾設(shè)備采用砂層過濾，砂濾的缺點(diǎn)是占地大、跑濾料、維護(hù)管理困難。而HD采用自適應(yīng)纖維濾料作為一種新型的過濾器過濾濾料，該濾料具有出水水質(zhì)好、占地小、不跑料、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)管理方便等優(yōu)點(diǎn)，是農(nóng)村生活污水處理的理想設(shè)備。

4.1 自適應(yīng)纖維濾料

HD是采用自適應(yīng)纖維球?yàn)V料，自適應(yīng)纖維濾料器有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是出水孔板在下部，一種是出水孔板在上部，長纖維束一端固定在出水孔板上，另一端與一質(zhì)量極小的限制纖維束相對位置的構(gòu)件連接。所謂自適應(yīng)，是指不依靠其他裝置，僅靠水流對纖維層的水頭阻力實(shí)現(xiàn)對纖維層的壓縮。實(shí)際上，長纖維絲的縱向剛度很小，只要對纖維進(jìn)行適當(dāng)處理并保持適宜的裝填密度，依靠濾層的水頭阻力就完全可以像纖維球過濾器一樣將纖維層壓縮。

    當(dāng)水流自上向下通過纖維層時(shí)，在水頭阻力作用下，纖維承受向下的縱向壓力且越往下則纖維所受的向下壓力越大。由于纖維縱向剛度很小，當(dāng)縱向壓力足夠大時(shí)就會產(chǎn)生彎曲，進(jìn)而纖維層會整體下移，最下部纖維首先彎曲并被壓縮，此彎曲、壓縮的過程逐漸上移，直至纖維層的支撐力與纖維層的水頭阻力平衡（壓縮過程需3～5min ）。由于纖維層所受的縱向壓力沿水流方向依次遞增，所以纖維層沿水流方向被壓縮彎曲的程度也依次增大，濾層孔隙率和過濾孔徑沿水流方向由大到小分布，這樣就達(dá)到了高效截留懸浮物的理想床層狀態(tài)。清潔床層壓縮達(dá)到平衡后的壓縮情況見表 1。

注： 流速為30m/h ，水溫為13℃ 。

4.1.2  自適應(yīng)纖維濾料特點(diǎn)

自適應(yīng)纖維過濾器的有效過濾面積大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，出現(xiàn)機(jī)械故障的因素極少，且接近出水位置的纖維壓縮比大，大都呈橫向狀態(tài)。自適應(yīng)纖維系統(tǒng)在纖維束濾料基礎(chǔ)上，增加了出水孔板，使其兼有纖維濾料和顆粒濾料的優(yōu)點(diǎn)，由于濾料特殊的結(jié)構(gòu)，使濾床孔隙率很快形成上大下小的梯度密度，使過濾器濾速快、截污量大、易反沖洗，通過特殊的設(shè)計(jì)，使加藥、混合、絮凝、過濾等過程在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，使設(shè)備能有效除去養(yǎng)殖水體中懸浮有機(jī)物，降低水體COD、氨氮、亞硝酸鹽等，特別適合于暫養(yǎng)池循環(huán)水固體懸浮物過濾。

4.1.3   HD工作原理

在進(jìn)水泵的吸收管段投加絮凝劑，絮凝劑和原水通過水泵葉輪攪拌作用將兩者快速均勻混合，并和原水中的細(xì)小懸浮物和膠體物質(zhì)進(jìn)行微絮反應(yīng)。原水經(jīng)過增壓后進(jìn)入過濾器內(nèi)部水結(jié)構(gòu)進(jìn)行均勻布水，絮凝反應(yīng)后的原水通過濾床，大量的微絮凝絮體被截留。剛開始過濾的出水濁度一般達(dá)不到要求，這時(shí)的出水叫正排水，排水經(jīng)過管道排放處理。排水時(shí)間一般為2～3分鐘后，切換閥門，將合格水送至清水池或者其他用水點(diǎn)。直到過濾水頭損失達(dá)到設(shè)定值或者達(dá)到設(shè)定的過濾時(shí)間，即一個(gè)過濾周期，此時(shí)將進(jìn)行反沖洗。反沖洗時(shí)，清水由反沖洗泵送入，經(jīng)過過濾器底部，由下至上對濾床進(jìn)行松動1～2分鐘，而后停止松動，由反沖洗風(fēng)機(jī)供應(yīng)空氣沖洗3～5分鐘，再氣水同時(shí)反沖洗8～10分鐘，最后水漂1～2分鐘，整個(gè)反沖洗過程約15～20分鐘。

 JY 加藥管 QS 清水管 KQ空氣管FX 反洗管XD 消毒管1.原水增壓泵 2.加藥設(shè)備3.羅茨風(fēng)機(jī) 4.HD高效過濾器 5.反洗水泵 6.消毒設(shè)備V1 原水進(jìn)水閥 v2 正洗排水閥 v3 過濾出水閥 v4 水沖閥 v5 排水閥 v6 進(jìn)氣閥 v7 排尾閥

4.1.4 HD與傳統(tǒng)過濾器的對比

傳統(tǒng)過濾器過濾設(shè)備采用砂層過濾，砂濾的缺點(diǎn)是占地大、跑濾料、維護(hù)管理困難。自適應(yīng)纖維濾料作為一種新型的過濾器過濾濾料，具有出水水質(zhì)好、占地小、不跑料、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)管理方便等優(yōu)點(diǎn)，是水處理的理想設(shè)備。HD結(jié)構(gòu)如圖3所示。它是由兩個(gè)支座支撐濾布的垂直安裝于中央集水管的平行過濾轉(zhuǎn)盤串聯(lián)起來的，一套裝置的過濾轉(zhuǎn)盤數(shù)量一般為2～20個(gè)，每個(gè)過濾轉(zhuǎn)盤由4小塊扇形組合而成。過濾轉(zhuǎn)盤與HD先連接，原水進(jìn)口通過原水泵到達(dá)HD，再經(jīng)過反洗風(fēng)機(jī)使得進(jìn)來的水通過反洗水泵后，達(dá)到達(dá)標(biāo)排放清水。

5 HD與傳統(tǒng)過濾器設(shè)計(jì)參數(shù)

5.1 HD與傳統(tǒng)過濾器設(shè)計(jì)參數(shù)及應(yīng)用特點(diǎn)

目前傳統(tǒng)過濾器一般采用向下流過濾方式，因而反沖洗過后造成濾料粒徑自上至下逐漸增大了濾層結(jié)構(gòu)，上層的小粒徑濾料起著主要的載污作用，因此大大增加了各種過濾條件，使得傳統(tǒng)過濾器在過濾中得到許多限制因素，而HD在采用傳統(tǒng)過濾器的基礎(chǔ)上在過濾器核心上下部位加了過濾纖維，使得在過濾中起到了很好的作用。以下是兩種過濾的應(yīng)用對比，見下表2。

表2   HD與傳統(tǒng)過濾器設(shè)計(jì)參數(shù)及應(yīng)用特點(diǎn)

由表2知，在兩種設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，HD各方面的特點(diǎn)都強(qiáng)于傳統(tǒng)過濾器，從而能使HD更好的運(yùn)用在農(nóng)村生活污水處理的實(shí)際工程當(dāng)中。

5.2 HD反沖洗設(shè)備

反沖洗是為恢復(fù)濾池正常工作所采用的反向水流沖洗濾層的操作過程。操作反沖洗設(shè)備時(shí)水流經(jīng)底部排水系統(tǒng)反向通過濾池，以沖洗掉濾料中的堵塞物質(zhì)，并減少產(chǎn)生水頭損失的因素。反沖洗設(shè)備中水泵和風(fēng)機(jī)的好壞直接關(guān)系到反沖洗的效率。傳統(tǒng)過濾器的反沖洗設(shè)備落后使得過濾效果到不到理想的要求，而HD過濾器采用優(yōu)良的水泵和風(fēng)機(jī)，使得效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)過濾器。下表是HD與傳統(tǒng)過濾器反沖洗設(shè)備參數(shù)對比：

表3  參數(shù)對比表

    其中HD需要的空氣壓力為：34～80Kpa，水壓力為：0.1～0.2Mpa，反沖時(shí)間更是只需15～20min；而傳統(tǒng)的過濾器這些參數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于HD。

5.3 HD設(shè)備規(guī)格

HD主體材質(zhì)采用碳鋼、不銹鋼。大大提高了設(shè)備的使用壽命，為此，在設(shè)備制造過程中同樣是節(jié)約了設(shè)備原材料的使用，從而大大降低了生產(chǎn)成本和運(yùn)用成本；每個(gè)設(shè)備的規(guī)格在設(shè)計(jì)的同時(shí)都考慮了在實(shí)際當(dāng)中運(yùn)用的效果。以下是HD在設(shè)備規(guī)格及選型上與傳統(tǒng)過濾器的對比：

                                         表4  設(shè)備規(guī)格對比

 注：濾前水質(zhì)若含有各種金屬離子時(shí),則應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理。