滴濾式砂濾池水力特性初步研究

李訓猛,潘 昀,桂福坤

(浙江海洋大學,國家海洋設施養(yǎng)殖工程技術研究中心,浙江舟山316022)

滴濾式砂濾池水力特性初步研究

李訓猛,潘 昀,桂福坤

(浙江海洋大學,國家海洋設施養(yǎng)殖工程技術研究中心,浙江舟山316022)

為增強砂濾池過濾性能,探究散水滴濾式砂濾池水力特性,掌握其過水規(guī)律,以石英砂為濾池填充濾料,通過物理模型試驗,研究飽和砂層散水滴濾模式下濾料粒徑、濾層厚度對砂濾池過水流量的影響,建立了關系曲線及函數(shù)表達式。結果顯示:濾層厚度為0～4 cm時,砂濾池中出水量約由100 cm3/s增加到600 cm3/s;砂濾池過水流量與濾層厚度呈單調遞增關系,濾料粒徑越大,流量增長越快;砂濾池過水流量與濾料粒徑呈二次函數(shù)遞增關系;濾層厚度大于40 cm,以粒徑為5～6mm石英砂作為濾料的砂濾池,過水流量約穩(wěn)定在410～420 cm3/s;以粒徑為7～8 mm石英砂作為濾料的砂濾池,過水流量穩(wěn)定在640～650 cm3/s;粒徑為1～2mm與粒徑為3～4mm對應的流量曲線較為接近,且均隨濾層厚度遞增。在濾層厚度恒定條件下,增大石英砂粒徑,濾池中的過水流量也逐漸增加,且不同濾層厚度對應的流量曲線平行遞增。試驗得出的砂濾池過水流量與濾料粒徑、濾層厚度的擬合曲線可為砂濾池的設計、建造及濾料選擇提供理論參考。

砂濾池;散水滴濾;過水流量;水力特性

水體凈化是工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要技術之一。目前常用的水體凈化方法有物理方法、化學方法和生物方法[1-4]。水體凈化裝置有池塘清淤機、水質凈化殺菌裝置、過濾機和砂濾池[5]。其中的砂濾池具有投資少、效率高、操作簡單的優(yōu)點[6-8],且能提供大容量的緩沖空間,始終保持循環(huán)水的穩(wěn)定性[9]。

砂濾池是以石英砂為填充濾料,水體在重力作用下透過濾層,利用濾料的截污作用將水中懸浮顆粒截留,從而達到凈化水體的效果[10]。此外,石英砂有較大的比表面積,可適應硝化細菌和亞硝化細菌的生長和繁殖,有利于凈化水質[11]。水處理過程中,砂濾池結構形式多種多樣,以石英砂作填充濾料的普通快濾池使用年代最久,應用范圍最廣。

國內已有關于石英砂砂濾池的散水滴濾研究[12-13],但對養(yǎng)殖砂濾池水力特性的研究尚未形成系統(tǒng)理論。本研究以石英砂砂濾池為研究對象,探究濾料粒徑、濾層厚度對過濾流量的影響,以期為設計養(yǎng)殖砂濾池提供理論基礎。

1 材料與裝置

1.1 試驗材料

均質石英砂粒徑大小均勻,可減小濾層表面堵塞的負面影響,從而使整體濾料共同承擔截污作用。將傳統(tǒng)濾料替換為均粒石英砂,產(chǎn)水量可提高5%[11]。

本試驗選用鞏義均質石英砂,經(jīng)清水洗滌,去除砂礫表面的粘附性雜質,篩網(wǎng)篩濾,按粒徑大小共分4組,依次為1～2 mm(1號)、3～4 mm(2號)、5～6 mm(3號)和7～8 mm(4號)。篩網(wǎng)網(wǎng)目2、4、8、12、16、20和24對應的粒徑分別是8.0、4.8、2.4、1.4、1.0、0.8和0.7 mm。

1.2 石英砂當量粒徑

石英砂的當量粒徑計算公式[14]:

式中:D—石英砂當量粒徑,mm;di—通過兩個相鄰篩孔的石英砂的幾何平均粒徑,mm;d1、d2—分別為相鄰兩個篩孔的標稱孔徑,mm;Xi—石英砂粒徑介于d1、d2間的石英砂量占總量的百分比,%。

經(jīng)計算得出本試驗所用4組石英砂當量粒徑分別為 1.41 mm(1號)、3.46 mm(2號)、5.48 mm(3號)和7.48 mm(4號)。

1.3 試驗裝置

試驗在浙江海洋大學國家海洋設施養(yǎng)殖工程技術研究中心的砂濾池中進行。砂濾池長1.45 m、寬0.82 m、高2.12 m,具有抽水、排水、計時、數(shù)據(jù)采集等配套裝置(圖1)。

圖1 砂濾池結構圖Fig.1 Structure of sand filter

砂濾池由A、B、C三個水槽組成,其中,A槽裝有調節(jié)閥流量槽,可控制滴淋管的流量恒定;B槽作為試驗槽放置石英砂,散水滴濾;C槽作為儲水槽,用于測定不同時刻水位高度,并換算為過水流量。在B槽下方安置鋼板承托層,用于支撐上部的石英砂。承托層上鋪設200目網(wǎng)片,底部設有球閥。常用的濾網(wǎng)網(wǎng)目可以過濾掉36%～67%的懸浮物。網(wǎng)目越小,其過濾效果越好[15-16]。

本試驗中,濾槽下方使用200目的網(wǎng)膜,而試驗測得的流量中也包含了濾膜的效果。

1.4 試驗工況

試驗分別測定1～4號石英砂在濾層厚度為10、20、30、40和50 cm時的流量大小。記錄C槽水位上升高度及對應時刻。通過調節(jié)A槽的出水球閥來控制B槽內的水位高度,并與濾料上表面齊平。每組試驗進行3次,取平均值。

2 結果

2.1 濾層厚度對流量的影響

圖2a給出了在上述工況的砂濾層厚度與流量的關系。分析數(shù)據(jù)可知:Q10

圖2 流量與濾層厚度關系Fig.2 The relationship between flow and thickness

1、2號砂對應的流量繼續(xù)增大,但增長幅度明顯減小。由此可得,濾層厚度為40 cm時,砂濾池的過水效果最好。此結果可應用于指導實際生產(chǎn)。以4號砂為例,當砂濾池所需的流量在600 cm3/s以上時,濾層厚度增加,過水流量幾乎不變。改變?yōu)V層厚度時,以5號砂作砂濾池填充濾料時,砂濾池中過水流量始終最大。為提高濾料截污能力,可通過增大濾層厚度提高砂濾池過濾性能。由圖 2b可知,擬合曲線斜率 k1= 5.148 6

其中,1、2號砂對應的流量曲線較為接近,斜率相差0.091 2,而當以大于2號砂作為砂濾池填充濾料時,流量增幅較大。濾層厚度小于10 cm,石英砂粒徑小于3號砂時,流量變化不明顯。實際生產(chǎn)中,此流量增速曲線可指導砂濾池濾料參數(shù)的選取與設定。

2.2 濾料粒徑對流量的影響

圖3a給出了不同粒徑條件下的流量變化情況。

圖3 流量與粒徑關系Fig.3 The relationship between flow and particle size

由圖可知:Q1號砂

2.3 濾料粒徑、厚度對流量的影響

圖2a中,1號砂曲線與2號砂曲線較為接近。因此可得出,濾料粒徑小于2號砂時,粒徑對流量的影響較小,而大于2號砂時影響較大;濾層厚度小于10 cm且粒徑小于3號砂時,流量大小幾乎相同,此時改變?yōu)V層厚度或改變?yōu)V料粒徑,流量變化不大。實際生產(chǎn)中,在保證出水水質的前提條件下,可適當選取粒徑大于4 mm的石英砂作濾料。濾層的截污能力主要取決于濾料間的孔隙大小。在濾層厚度不變的情況下,粒徑越大其孔隙也越大,過濾能力隨之減小。

圖3a給出了砂濾池過水流量與粒徑的關系。由圖可知,隨著濾料粒徑的增大,砂濾池中的過水流量呈二次函數(shù)遞增。濾層厚度為 40 cm和50 cm的兩條曲線相互接近,表明此時再繼續(xù)增大濾層厚度,流量變化較大。把濾料的當量粒徑、濾層厚度作為兩個自變量,過水流量作為因變量,利用TableCurve 3D軟件將三者進行擬合,結果如圖4所示。

圖4 流量與濾層厚度、粒徑的擬合曲面關系Fig.4 Fitting surface of flow,thickness and particle size

擬合表達式為:

式中:Q—砂濾池過水流量,cm3/s;x1—石英砂當量粒徑,mm;x2—濾層厚度,cm。

相關系數(shù)R2=0.98,擬合效果較好。

3 討論

3.1 流量曲線變化分析

濾料粒徑與濾層厚度有著密切聯(lián)系。粒徑越大,由于單位厚度的濾料與水體中的固體懸浮顆粒的接觸機率減小,同時又要保證出水水質,這就要求增大濾層厚度。粒徑越小,所要求的濾層厚度也越小。理論上,應選擇較大粒徑石英砂作砂濾池濾料。對濾后出現(xiàn)的水質問題,可采取適當增加濾層厚度的方法來彌補[17]。但如果濾料粒徑過大,且石英砂的含污層過深,這將增大后期反沖洗的難度,成本也會增加。

以1號、2號砂作填充濾料的砂濾池,其過水流量與濾層厚度呈線性遞增關系,3號、4號砂所對應的流量在濾層厚度大于40 cm后趨于穩(wěn)定。取3號、4號砂在濾層厚度40 cm前的流量數(shù)據(jù)分析,得出其過水流量與濾層厚度仍呈線性遞增關系(圖2b)。由擬合方程的斜率可知,隨著濾層厚度增加,粒徑較大的濾料,其流量增長越快。由圖3a可知,砂濾池過水流量與濾料粒徑的關系符合二次函數(shù)。例如,取3號砂、濾層厚度30 cm的工況進行分析可知,隨著濾料粒徑增大,砂濾池過水流量逐漸增大,且流量增長速度越來越快。

本試驗中,改變?yōu)V層厚度時,由于時刻保持水位與砂面齊平,故濾料層持水量也隨之變化,水位高,砂濾池中壓力大,出水管的流速快,過流量就大。說明壓力的作用大于砂層的阻力,當持續(xù)加厚砂層,阻力增加量與壓力增加量達到平衡,流量趨于穩(wěn)定。

3.2 L/d值對過濾性能的影響

砂濾池過濾機理即是濾料對水體中固體懸浮顆粒的截留過程,被截留的污染物填充于濾料間的空隙,石英砂濾層厚度增加,濾料粒徑增大,其外觀表象為過濾能力增強,納污能力增加[18]。此外,濾料粒徑越大,水體中污物越能被輸送至下一濾料層,在有足夠濾層厚度保證出水水質的條件下,將有更多懸浮顆粒被截留。這也便于中下層濾料更好地發(fā)揮截留作用。有學者[17-21]提出用L/d(L、d分別表示濾層厚度與濾料粒徑)描述砂濾池的過濾性能,因為L/d決定了濾料所能提供的表面積大小,進而決定了砂濾池的過濾性能。從技術角度分析,L/d值越大越好,但實際生產(chǎn)中,綜合考慮經(jīng)濟因素,應在滿足預期過濾出水水質的條件下,選取可提供最小表面積的L/d所對應濾層,濾料參數(shù)。本試驗中 L/d最大值為35.46,此時砂濾池中過水流量約為300 cm3/s。L/d最小值為1.34,此時砂濾池中過水流量約為250cm3/s。但并不是且隨著L/d增大砂濾池過水流量也逐漸增大。其具體原因有待進一步探究分析。

目前已有研究的較大粒徑大多在 0.8～ 1.2 mm間,濾層厚度為1 m左右[22],其主要應用于養(yǎng)殖污水處理,以去除水中的殘余餌料、排泄物等,砂濾池中過水流量較小。而在海水預處理階段,由于海水較為純凈,故可適當增大濾料粒徑,減小濾層厚度,提高過水流量。

4 結論

本試驗探究了在飽和砂層散水滴濾模式下,濾料粒徑、濾層厚度對砂濾池流量的影響,構建了影響關系曲線及其表達式。通過分析得出以下結論:(1)濾層厚度10～40 cm時,砂濾池過水流量與濾層厚度呈線性遞增關系;濾層厚度大于40cm后流量值趨于穩(wěn)定;40 cm可作為指導實際生產(chǎn)的理論參數(shù)。(2)濾料粒徑小于3～4 mm時,粒徑大小對流量的影響較小;濾料粒徑大于3～4mm后,粒徑大小對流量的影響較大。(3)根據(jù)實際生產(chǎn)要求,結合擬合出的流量、濾料粒徑、濾層厚度關系表達式,可使石英砂的規(guī)格選定更加高效。

[1] 丁永良.談工業(yè)化養(yǎng)魚[J].漁業(yè)機械儀器,1975(1):14 -15.

[2] 徐繼松.淺析水產(chǎn)養(yǎng)殖水處理技術[J].科技傳播,2010 (12):115-116.

[3] 竇碧霞.海水養(yǎng)殖污水的處理技術及其應用[J].工業(yè)科技,2015(6);46-50.

[4] 費明明,陳大勇,姜輝.凈水廠砂濾池運行管理探討[J].給水排水,2012,38(7):24-27.

[5] 王瑋,陳軍,劉晃,等.中國水產(chǎn)養(yǎng)殖水體凈化技術的發(fā)展概況[J].上海海洋大學學報,2010(1):41-49.

[6] 李勛.集約化養(yǎng)殖污水處理與工藝設計[D].山東:中國海洋大學,2004.

[7] 葛川.水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)養(yǎng)殖污水治理工程設計與效果研究[D].浙江:浙江大學,2013.

[8] 王建明.循環(huán)水鰻鱺養(yǎng)殖水處理技術應用研究[D].福建:集美大學,2010.

[9] 袁旭安.常規(guī)過濾工藝優(yōu)化研究[D].湖南:湖南大學,2003.

[10]王煒.水族館大水槽水處理流程初探[J].中國水產(chǎn),1998 (12);54-55.

[11]史笑非,賈寶秋,馬志明.均粒石英砂濾料快濾池的生產(chǎn)性試驗與應用[J].遼寧化工,2001(12):520-523.

[12]董文楚.微灌用砂過濾器的過濾與反沖洗[J].中國農(nóng)村水利水電(農(nóng)田水利與小水電),1996(12):15-19.

[13]王利平,張世華,王峰慧,等.均質石英砂濾料過濾性能的試驗研究[J].西安建筑科技大學學報,1996(28):65-69.

[14]董文楚.微灌用過濾砂料選擇與參數(shù)測定[J].噴灌技術, 1995(2):42-45.

[15]韓世成,曹廣斌,蔣樹義,等.工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的水處理技術[J].水產(chǎn)學雜志,2009,22(3):54-59.

[16]李來陽,謝衛(wèi)兵.海水養(yǎng)殖廢水處理技術研究進展[J].河北漁業(yè),2009(5):46-50.

[17]許保玖.給水處理理論[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2000:10.

[18]阮如新.濾料粒度對過濾的影響[J].給水排水,1997, 11(23):15-17.

[19]張宇.均質濾料過濾技術研究-濾料粒徑和濾層厚度對過濾特性的影響關系研究[D].陜西:西安建筑科技大學,2004.

[20]劉文娟.石英砂濾層過濾與反沖洗特性的實驗研究及數(shù)值模擬[D].北京:中國農(nóng)業(yè)科學院,2014.

[21]阮如新.濾料粒度對過濾的影響[J].給水排水,1997(11): 15-17.

[22]湯利華.濾料粒徑對過濾的影響[J].安徽建筑工業(yè)學院學報(自然科學版),2000,8(3):45-48.

Preliminary study on hydraulic characteristics of sprinkler sand filter

LI Xunmeng,PAN Yun,GUI Fukun
(National Engineering Research Center forMarine Aquaculture,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

In order to improve the performance of sand filter,explore the hydraulic characteristics of sprinkler sand filter and understand the special rules of water flow,effects of particle size and thickness on flow under sprinkler filtermode of saturated sand layer are studied through physicalmodel experimentwith quartz sand as filler,and relation curve and function expression are created.Results show thatwhen the filter layer thickness is 0-4 cm,the water flow in sand filter increases from about 100 cm3/s to 600 cm3/s;the flow and thickness presentamonotonic increasing relation,and the larger the particle size is,the faster the flow increases;the flow and particle size present a quadratic function increasing relation;when the thickness is above 40 cm,for sand filter with quartz sand of particle size 5-6mm as filler,the flow is stabilized at about410-420 cm3/s;for sand filter with quartz sand of particle size 7-8 mm as filler,the flow is stabilized at 640-650 cm3/s;for particle size of 1-2mm and 3-4mm,corresponding flow curves are close,and both increase with the thickness.When the thickness is constant,with increase of particle size of quartz sand,the flow in the filter also increases gradually,and corresponding flow curve at different thickness increases in parallel.The fitting curve of flow, particle size and thickness of sand filter obtained from the experimentmay provide theoretical reference for the design and construction of sand filter and the selection of filtermaterial.

sand filter;sprinkler filter;flow;hydraulic characteristics

S969.38

A

1007-9580(2017)03-041-05

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.03.007

2017-05-16

浙江省自然科學重點基金項目(Z16E090006);舟山市海洋專項(2015C41001)

李訓猛(1992—),男,碩士研究生,研究方向:設施漁業(yè)工程裝備,E-mail:1442960054@qq.com

桂福坤(1976—),男,教授,研究方向:海洋設施養(yǎng)殖工程技術,E-mail:gui2237@163.com