摘要：结合国外先进的连续过滤技术，针对原有的传统过滤器进行设备改造，过滤过程改为“上向流过滤”，滤料清洗技术采用“气提洗砂”技术。与改造前相比，该滤塔结构简单，维护和检修方便，工艺处理效率增加50％ ，效果稳定，运行成本降低50％ 。在相关的滤料过滤器系统中，连续动态过滤器改造技术符合我国水处理过滤行业现状，并充分利用原有设备和设施，通过最小投资获得新技术革新，使过滤工艺简单化，更适用于小型再生水回用系统。
关键词： 污水处理；中水回用；过滤；连续动态过滤器
中图分类号：X505 文献标识码：A 文章编号：1001—6929(2005)05—0056—03
河北省某发电有限责任公司污水站自2003年10月投产以来，出水水质稳定，能达到设计要求。但是平流滤塔设计存在着不足，滤料反冲洗效率低，导致反冲洗用水量增加，反冲洗周期从设计的2 d缩短到1 d，增加了运行和管理成本。调查表明，挪威Nordic Water公司在全球已经安装了15 000多台动态砂滤(Dynasand)塔，其中在沙特阿拉伯的大型再生水回用工程中，安装了216台动态砂滤塔。其他国家，如日本、澳大利亚等，也相继有类似产品应用于污水处理。这次技术改造，是在国外动态过滤器技术的基础上，通过试验研究对该技术进行了消化吸收，采用“连续动态过滤”技术对该污水处理站1号，2号平流滤塔进行改造，并达到了预期的效果。
l 平流滤塔改造原因
污水站采用的过滤装置为普通平流滤塔(高4 m，直径2．3 In)，改造前滤塔内部结构见图1。该滤塔采用双层滤料，上层为石英砂，下层为水淬渣，反冲洗方式采用大阻力配水系统气水联合反冲洗。平流滤塔存在的问题：①反冲洗采用大阻力配水系统，每天反冲洗15n1in，消耗大量水资源和电能；② 在传统的常压反冲洗系统中，存在着反冲洗不彻底、滤料需要定期更换的问题。
2 连续动态过滤技术
2．1 技术简介
“连续过滤”(continuous sand filter)是近年来国外研制成功的一种新型过滤技术，在此基础上，各国公司分别开发了新型的一体化水处理过滤设备。挪威Nordic Water公司的Dynasand，在过滤器中完成混合、混凝、过滤和反冲洗，连续过滤、连续反冲洗，无需反冲洗泵和反冲洗水箱，是一种高效节能的水处理设备。
“连续动态过滤技术”是在“连续过滤”技术的基础上，自行开发、设计和加工的新型过滤装置，采用沸石滤料，粒径为0．5～1．5 mm，孔隙率为20％ ～30％。天然沸石作为滤料不会增加水中有害金属离子浓度，将其作为滤料应用于连续动态过滤器中，可显著增强过滤单元去除悬浮物及氨氮的能力。连续动态过滤器的主要结构如图2所示。
过滤过程：经生化处理或投加混凝剂后的原水，由进水管进入均匀旋流布水器，均匀旋流布水器对水流起消能作用，使水流平稳地进入滤层，均匀旋流布水器下端的布水板起到均匀布水的作用。原水中的悬浮物等污染物在自下而上通过滤层的过程中，被滤料截流下来，过滤水上升到砂水分离器顶部的出水溢流堰，水流平稳地进入溢流堰，经出清水管流出过滤器，过滤方式为上向流过滤，整个过滤过程平稳安全。
反冲洗过程：在砂滤器的中心设置空气提砂管，空气提砂管直插过滤器底部，在气升泵人口将压缩空气通入时，在砂滤器底部形成负压，通过气提作用带动砂滤器底部的脏砂一同上升，底部的脏砂从空气提砂管底部提升到砂水分离器，砂粒随水流进入一体式砂水分离器。砂粒在反洗提升过程中，一直受到气体的搅动、砂粒之间的摩擦和水流的剪切力，使砂粒同污染物分离，在过滤出水与反冲洗出水水位差的作用下，提砂管内气提水混合洗砂器内的冲洗水一同从排污管排出滤池。在重力的作用下，洗净的滤料经导流砂斗回到滤层，在滤池内部完成滤料循环清洗过程。
2．2 过滤原理
连续动态过滤器以微絮凝过滤技术为理论基础，是微絮凝过滤技术与气固液流态化工程反洗技术的综合应用。过滤原理属于上向流过滤。
一般认为，过滤原理包括机械拦截、沉淀及吸附等作用。过滤初始时，滤料孔隙较绝大部分待滤杂质尺寸大，故其对悬浮杂质的截留以吸附作用为主。随着过滤的进行，滤料颗粒表面逐渐为截留杂质颗粒所占据，使孔隙尺寸变小而机械拦截作用加大。由于该设备采用孔隙尺寸较大(滤料粒径为0．5～1．5 rain)的粗滤料过滤，在过滤初期，几乎没有机械筛滤作用，起主要作用的是吸附。在滤速(8 m／h)较低的条件下，滤料对大部分杂质颗粒，尤其是较小颗粒的机械拦截作用不明显，吸附作用机理在上向流过滤中起主导作用。从水力学方面来看，在连续过滤时，砂滤料孔隙内水流呈层流状态，它产生的速度梯度使微絮凝体不断旋转，当其脱离自己的流线时，与砂粒接触，就会产生足够的吸引力被滤料吸附而从水中分离。
从胶体化学方面看，投加混凝剂后，混凝剂提供的大量正离子将扩散进入胶体扩散层甚至吸附层，r电位降低，为加强颗粒问的范德华力创造了条件。动态连续过滤器以接触絮凝作用为主，以机械筛滤及沉淀作用为辅。通过对 电位的测定证实：连续过滤的原理是以表面能和范德华力为主的接触絮凝作用，改变微絮凝体 电位为附着创造了条件。故连续过滤属于微絮凝深层过滤范畴。虽然在过滤后期有向表面过滤转变的趋势，但这不是主要的。附着力主要产生于絮体与滤料表面，以及和先附着的絮凝体相接触。因此，滤料或其沉积物与过滤微絮体问的吸附架桥是连续过滤附着的主要原理。
目前普通过滤器一般采用下向流过滤方式，因反冲洗后造成滤料粒径自上至下逐渐增大的滤层结构，上层的小粒度滤料起着主要截污作用，而下层的滤料很少参与过滤，因此是不合理的。为了改善水质并充分发挥整个滤层的截污作用，待滤水应该是先粗后细的过滤方式，即所谓的“反粒径过滤”。
作为“反粒径过滤”理论的应用，单一滤料的上向流过滤与传统的下向流式过滤相比，具有提高滤料截污量、延长过滤周期的潜力。“连续动态过滤”为单一滤料上向流过滤的具体应用，具有上述优点。
2．3 反冲洗原理
普通过滤器一般常用的反冲洗系统有3种：直接用冲洗水泵、水泵加上水缶及自动冲洗。不论采用哪种反冲洗系统，都需要采用大流量反冲洗水泵和气泵，需要有清水池或水箱。连续动态过滤器的反冲洗系统不需要外加管道和水池，利用流态化工程原理，将滤料提升至设备中自行清洗。清洗过程中使用的反冲洗水，一部分为进水，另一部分为过滤后水。
在空气提升管内，砂、泥、水流、空气在向上流动的过程中，发生了短期但强烈的反冲洗过程，其间的冲洗原理仍是利用水流及空气流的剪力以及颗粒间的摩擦力。但在空气提砂管内的滤料清洗主要是碰撞和摩擦作用，水流剪力作用是次要的。尽管在空气提升管内发生了强烈的反冲洗过程，但是由于时间较短，反冲洗并不彻底，需要二次清洗。冲洗并不彻底的砂粒随水流进入一体化砂水分离器，杂质与砂粒在分离器内彻底分离。在分离器内，由于颗粒并非规则的圆形，运动时其两侧的剪力并不相等，导致颗粒的翻动并与洗砂器相碰撞，此时颗粒在洗砂器内以错开的环行轨迹向下运动。由于分离器中的清水出水堰和反洗水水位差(△^)的存在，分离器的内环反洗水水流向上流动，对颗粒就产生了剪力，同时由于颗粒与器壁碰撞产生的振动及颗粒间的摩擦力，使泥砂分离，脱落的污物随上升水流排出。在洗砂器内进行的二次清洗过程，由于分离器内流体断面不断变化，水体的流速变化很大，可以认为在洗砂器内造成絮凝体与滤料分离的作用力以水流剪力为主。
与国外“连续过滤”技术不同的是，“连续动态过滤”在设计上采用了一体化分离器结构，清水出水管和反冲洗排污管都安装在一体化分离器上，连续过滤器的关键参数，如水位差(△ 和各流量(Q )，都体现在一体化分离器的设计上。
这种一体化分离器的设计，可方便地调节反冲洗的参数，如反冲洗水量和砂循环量，大幅提高了“连续过滤”运行的灵活性，检修维护方便(见图3)。
3 改造前后技术比较
3．1 处理能力
由于改造后的连续动态过滤器为上向流过滤，而上向流过滤为“反粒径过滤”，与传统的下向流过滤相比，具有提高滤料截污量、延长过滤周期的潜力。因此，改造后的连续动态过滤器处理能力得到增强，能够适应更大的进水流量。
3．2 处理效果
改造后过滤器和未改造过滤器运行30 d的出水浊度数据见图4。
由图4可看出，改造后的连续动态过滤器的出水水质更加稳定、，处理效果更佳。这主要是由于下向流过滤与上向流过滤截污机理的差别，上向流过滤在满足出水水质，防止絮体穿透的前提下，通过延缓水头损失增长速度来达到延长过滤周期的目的，并充分发挥下层滤料的截污作用，因此上向流过滤比下向流过滤结构更合理。
3．3 技术经济指标
由表1可见，改造后的连续动态过滤器与改造前的普通过滤器相比，其装机容量大幅降低，折合到24 h进行比较，其运行功率减少了50％，反冲洗自控装置简化。因此连续动态过滤器的设备成本和运行成本均优于普通过滤器，而且操作简单，运行安全。
4 结论
现场的实践表明，将传统过滤器改造为连续动态过滤器是经济可行的。改造后连续动态过滤器的处理能力比改造前增加了50％ ，处理效果更佳并且稳定；改造后的设备结构比改造前简化了，节省了反冲洗水泵和气泵，运行成本降低50％(折合到24 h的比较结果)。连续动态过滤器采用上向流过滤原理和气提洗砂技术，过滤效率和反洗砂效率均比传统过滤器有大幅提高，而且结构简化，运行安全，维护和检修容易。在相关的滤料过滤器系统中，连续动态过滤器的改造技术符合我国水处理过滤行业现状，达到了充分利用原有设备和设施，通过最小投资获得新技术的革新效果。
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