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HD智能高效過濾器在農村生活污水處理中的應用
歐陽群文-湖南城建學院材料工程系 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長纖維濾料，小阻力配水系統，氣水聯合沖洗方式，具備傳統過濾器的主要優點，同時多方面優于傳統過濾器以及其他輕質填料過濾池的特點，是一種更適應、新型、高效的過濾技術。HD特別適合農村自來水廠處理農村生活污水處理中的過濾設備。
關鍵詞 HD、傳統過濾器、農村生活污水、自適應長纖維濾料
1前言
解決農村生活污水，改善環境衛生，一直以來是困擾著農村自來水處理中的一大問題。近年來，隨著城市工業的發展，以及農村生活的狀況提高，使得農村生活污水源更加復雜化。針對源水濁度≤50NTU，采用微絮凝+接觸過濾+消毒的工藝，過濾設備可采用HD，消毒設備可采用二氧化氯。處理后的水達到國家標準《生活飲用水衛生標準（GB5749～2006）》。
2農村生活水環境污染現狀和特點
2.1農村生活水環境污染現狀
農村水環境是指分布在廣大農村的河流、湖沼、溝渠、池塘、水庫等地表水體、土壤水和地下水體的總稱。我國總計有鄉鎮45412個，村民委員會739980個，鄉村戶數23692.7萬戶，鄉村人口達91960萬人。農村人口分散，人口數量多，沒有任何生活污水的收集和處理設施，這使農村生活污染源成為影響水環境的重要因素。據測算，全國農村每年產生生活污水80多億噸，嚴重污染了農村地區居住環境，農村大部分地區河、湖等水體普遍受到污染，飲用水水質安全受到嚴重威脅，直接危害農民的身體健康，嚴重影響農村地區的環境衛生，極易導致一些流行性疾病的發生與傳播。據估算，農村環境問題每年造成的經濟損失已超過千億元，我國農村環境與生態狀況令人擔憂。
改革開放的三十多年來，我國農業生產能力獲得了較大幅度的提高。畜禽散養戶的不斷增多，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，養殖一頭豬所產生的廢水是一個人的7倍，而養殖一頭牛則是22倍。這些有機物未經處理，滲入地下或進入地表水，使水環境中硝態氮、硬度和細菌總數超標，嚴重威脅著居民飲用水的安全。
2.1.2農村污水特點
農村生活污水的特點：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，農村沒有任何收集的設施，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，其中有機物含量大是其主要的特點。
（1）水質特點。a農村村鎮人口較少，分布廣泛且分散，大部分沒有污水排放管網；b農村生活污水濃度低，變化大；c大部分農村生活污水的性質相差不大，水中基本上不含有重金屬和有毒有害物質（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），含一定量的氮、磷，水質波動大，可生化性強；d不同時段的水質不同；e廁所排放的污水水質較差，但可進入化糞池用作肥料。
（2）水量特征。a一般農村的生活污水量都比較小，除小城鎮外，農村人口居住分散，水量相對較少，相應地產生的生活污水量也較小；b變化系數大，居民生活規律相近，導致農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狀態，具有變化幅度大的特點；c在上午、中午、下午都有一個高峰時段。
（3）排放體制特征。農村生活污水一般呈粗放型排放。很多農村尚無完善的污水排放系統，污水沿道路邊溝或路面排放至就近的水體。少部分地區具有完善的污水排放系統。農村生活污水中有機物含量高，N、P含量增多。人們無意識的排放和雨水的沖刷，使大量的有機質和N、P等物質流入湖泊等水體，如果不加以處理利用，常常會引起富營養化，給人們的身體健康帶來不利影響。
3農村生活污水處理技術路線
農村污水處理技術的選擇要量力而行，充分考慮到農村地區財力狀況薄弱、農民實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，不能一味地選擇時髦先進、處理效果好、自動化控制水平很高的處理工藝，而著重應該考慮選用既成熟可靠，又適合農村特點和實際的污水處理適用技術。建議污水處理技術的選擇優先達到兩個目標：一是達標排放或回用；二是注重經濟適用，運行成本低，管理維護簡單。而污水在通過前提的處理后，到達過濾裝置中運用HD。HD是一種高速、高效、智能過濾器。該過濾器是采用自適應纖維濾料，小阻力配水系統，氣水聯合沖洗方式。具備傳統過濾器的主要優點，同時多方面優于傳統過濾器以及其他輕質填料過濾池的特點，是一種更適應、新型、高效的過濾技術。在采用HD裝置處理的污水后使其各項標準都能達標。
4 HD簡介
傳統過濾器過濾設備采用砂層過濾，砂濾的缺點是占地大、跑濾料、維護管理困難。而HD采用自適應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好、占地小、不跑料、運行費用低、維護管理方便等優點，是農村生活污水處理的理想設備。
4.1自適應纖維濾料
HD是采用自適應纖維球濾料，自適應纖維濾料器有兩種結構形式，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，另一端與一質量極小的限制纖維束相對位置的構件連接。所謂自適應，是指不依靠其他裝置，僅靠水流對纖維層的水頭阻力實現對纖維層的壓縮。實際上，長纖維絲的縱向剛度很小，只要對纖維進行適當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。
當水流自上向下通過纖維層時，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，當縱向壓力足夠大時就會產生彎曲，進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，這樣就達到了高效截留懸浮物的理想床層狀態。清潔床層壓縮達到平衡后的壓縮情況見表 1。
表1 自壓式纖維過濾裝置壓縮達到平衡時的情況
纖維層位置由上至下cm
纖維層各段初始高度cm
各段被壓縮后高度cm
0
20
20
20 78.3 99 119.5
78.3 99 119.5 136.5
58.3 20.7 20.5 17
136.5
150
13.5
壓縮比（壓后高/壓前高）
1
0.91 0.63 0.46 0.41
0.37
注： 流速為30m/h ，水溫為13℃ 。
4.1.2 自適應纖維濾料特點
自適應纖維過濾器的有效過濾面積大，設備結構簡單，出現機械故障的因素極少，且接近出水位置的纖維壓縮比大，大都呈橫向狀態。自適應纖維系統在纖維束濾料基礎上，增加了出水孔板，使其兼有纖維濾料和顆粒濾料的優點，由于濾料特殊的結構，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，通過特殊的設計，使加藥、混合、絮凝、過濾等過程在一個反應器內進行，使設備能有效除去養殖水體中懸浮有機物，降低水體COD、氨氮、亞硝酸鹽等，特別適合于暫養池循環水固體懸浮物過濾。
4.1.3 HD工作原理
在進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，并和原水中的細小懸浮物和膠體物質進行微絮反應。原水經過增壓后進入過濾器內部水結構進行均勻布水，絮凝反應后的原水通過濾床，大量的微絮凝絮體被截留。剛開始過濾的出水濁度一般達不到要求，這時的出水叫正排水，排水經過管道排放處理。排水時間一般為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。直到過濾水頭損失達到設定值或者達到設定的過濾時間，即一個過濾周期，此時將進行反沖洗。反沖洗時，清水由反沖洗泵送入，經過過濾器底部，由下至上對濾床進行松動1～2分鐘，而后停止松動，由反沖洗風機供應空氣沖洗3～5分鐘，再氣水同時反沖洗8～10分鐘，最后水漂1～2分鐘，整個反沖洗過程約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.加藥設備3.羅茨風機 4.HD高效過濾器 5.反洗水泵 6.消毒設備V1 原水進水閥 v2 正洗排水閥 v3 過濾出水閥 v4 水沖閥 v5 排水閥 v6 進氣閥 v7 排尾閥
4.1.4 HD與傳統過濾器的對比
傳統過濾器過濾設備采用砂層過濾，砂濾的缺點是占地大、跑濾料、維護管理困難。自適應纖維濾料作為一種新型的過濾器過濾濾料，具有出水水質好、占地小、不跑料、運行費用低、維護管理方便等優點，是水處理的理想設備。HD結構如圖3所示。它是由兩個支座支撐濾布的垂直安裝于中央集水管的平行過濾轉盤串聯起來的，一套裝置的過濾轉盤數量一般為2～20個，每個過濾轉盤由4小塊扇形組合而成。過濾轉盤與HD先連接，原水進口通過原水泵到達HD，再經過反洗風機使得進來的水通過反洗水泵后，達到達標排放清水。
5 HD與傳統過濾器設計參數
5.1 HD與傳統過濾器設計參數及應用特點
目前傳統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構，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，使得傳統過濾器在過濾中得到許多限制因素，而HD在采用傳統過濾器的基礎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用對比，見下表2。
表2 HD與傳統過濾器設計參數及應用特點
類型
工作壓力
Mpa
工作溫度
℃
水頭損失
Mpa
納污量
kg/m³
反沖洗耗水
過濾介質
過濾周期
特點
HD
＜0.4
5～55
0.05～0.1
16～36
1%～1.5%
HD自適應短纖維濾料
8～24h（視水情況而定）
工藝路線成熟可靠，應用廣泛；運行穩定，操作簡單；自適應性，不對稱結構濾料；反沖洗采用氣～水聯合反沖洗；主體材質可采用碳鋼、不銹鋼。
傳統過濾器
＜0.6
5～45
0.55～0.3
4～9
2%～
3.5%
傳統砂濾
16～ 32h（視水情況而定）
納污量小，運行不穩定；操作過于復雜，反沖洗運行麻煩；主體結構主要是鐵制，易于老化。
由表2知，在兩種設備正常運行的情況下，HD各方面的特點都強于傳統過濾器，從而能使HD更好的運用在農村生活污水處理的實際工程當中。
5.2 HD反沖洗設備
反沖洗是為恢復濾池正常工作所采用的反向水流沖洗濾層的操作過程。操作反沖洗設備時水流經底部排水系統反向通過濾池，以沖洗掉濾料中的堵塞物質，并減少產生水頭損失的因素。反沖洗設備中水泵和風機的好壞直接關系到反沖洗的效率。傳統過濾器的反沖洗設備落后使得過濾效果到不到理想的要求，而HD過濾器采用優良的水泵和風機，使得效率遠遠高于傳統過濾器。下表是HD與傳統過濾器反沖洗設備參數對比：
表3 參數對比表
直徑mm
項目
類型
350
800
1000
1600
2000
HD效過濾器
水泵
流量m³/h
3.9
11
17.5
50
70
揚程（m）
10.6
10
13.7
12.5
13.6
電機功率kw
0.37
0.75
1.5
3
5.5
風機
風量m³/min
0.34
1.81
2.84
7.14
11.44
升壓Kpa
39
60
60
60
60
電機功率Kw
0.75
5.5
5.5
15
22
傳統過濾器
水泵
流量m³/h
2.8
9.2
15
40
60
揚程（m）
12
12
13.5
13.0
13.6
電機功率kw
0.37
0.75
1.5
3
5.5
風機
風量m³/min
0.25
0.65
1.2
2.5
4.8
升壓Kpa
25
50
50
50
50
電機功率Kw
0.75
5.5
5.5
15
22
其中HD需要的空氣壓力為：34～80Kpa，水壓力為：0.1～0.2Mpa，反沖時間更是只需15～20min；而傳統的過濾器這些參數都遠遠差于HD。
5.3 HD設備規格
HD主體材質采用碳鋼、不銹鋼。大大提高了設備的使用壽命，為此，在設備制造過程中同樣是節約了設備原材料的使用，從而大大降低了生產成本和運用成本；每個設備的規格在設計的同時都考慮了在實際當中運用的效果。以下是HD在設備規格及選型上與傳統過濾器的對比：
表4 設備規格對比
直 徑（mm）
處理水量m³/h
濾料重量/kg
設備凈重/kg
設備高度/mm
HD
350
4.2
5.6
135
2200
800
22
48
580
3540
1000
31
77
890
3660
1600
80
193
2160
4200
2000
125
298
3690
4500
傳統過濾器
350
3.1
6.6
160
2300
800
18
60
680
3650
1000
28
95
1120
3810
1600
70
218
2380
4500
2000
105
320
4050
5000
注：濾前水質若含有各種金屬離子時,則應進行預處理。
6結論
HD經濟適用，運行成本低，管理維護簡單；小阻力配水系統，氣水聯合沖洗方式, 具有出水水質好、占地小、不跑料、運行費用低、維護管理方便等優點，是水處理的理想設備。同時HD具備傳統過濾器的主要優點，且多方面優于傳統過濾器以及其他輕質填料過濾池的特點，是一種更適應、新型、高效的過濾技術。HD在小流量農村生活污水處理中具有比傳統過濾器更先進更快速的過濾時間，未來更是需改進其更先進的技術，達到更大量處理更多污水的污水達標。
參 考 文 獻
[1]何剛，等．新農村污水治理工作的探討[J]．北京水務，2007，（6）．
[2]肖剛，肖勁中，等．廣州恒德水處理科技有限公司．
[3]成先雄，嚴群．農村生活污水土地處理技術[J]．四川環境，2005，（2）．
[4]洪嘉年．農村水環境污染防治的認識和建議[J]．給水排水，2006，（1）．
[5] 生活飲用水衛生標準（GB5749～85）國家衛生標準,1986.8
致謝詞
時光荏苒，歲月如梭，這世上唯一不變的就是變化。轉眼間，真的是轉眼間，隨著畢業答辯的到來也宣布著大學時光即將結束。
首先誠摯的感謝我的論文指導老師曹老師。在本論文寫作工廠中我的導師傾注了大量心血，從選題到到審查到修改，到一遍的指出論文的具體問題，嚴格把關，循偱善誘，在此我表示衷心的感謝。同時我還要感謝在學習期間給我極大關心和支持的各位老師及支持我的同學和朋友。
本論文是在曹老師的多次來來回回的修改之下才得以完成的。論文的最終定稿使我復雜的心情煙消云散，自己甚至還有那么一點點小成就。
我要感謝，非常感謝咱們可敬可愛的曹紅葵老師，是曹老師的嘔心瀝血的指導才使得論文的完成。曹老師淵博的專業知識，嚴謹的治學態度，精益求精的工作作風使我深受其感。在論文的寫作和措詞方面她總會以專業標準來嚴格要求我，從選題到定題，一直到論文的反反復復修改曹老師總以耐心的指導，幫助我開拓思路指明錯誤。曹老師的時間是寶貴的，而指導的學生不止是我一個，除此之外她還要在教學方面備課備案。我甚至能夠想象曹老師那單薄的影子在深夜的燈光下不知疲倦地為我們的論文指圈劃點。在此我衷心地向咱們可敬可愛的曹老師說一聲：老師，您辛苦了，謝謝您！
我要感謝，非常感謝董俊明老師。他為人隨和熱情，治學嚴謹細心，文房四寶樣樣精通。在平時的閑聊中他總是像知心朋友一樣鼓勵你；在論文開始寫作之前，他總是給我灌輸思論文的各種要求，等等。總之，在董老師身上學到了太多太多。謝謝，謝謝您董老師！
我要感謝，非常感謝寧群華老師、吳岳云老師、曹世暉老師、豐寒平老師。特別是咱們的班主任寧老師，雖不曾與我們有過課程上的接觸，但對整個班級特別是對我在生活上，學習上給了我無微不至的關懷。寧老師在生活及學習上對我的關懷，也讓我在大學期間備受其益，著實感動。
我要感謝，我要感謝咱們班每一位同學特別是咱們211寢室的每一位同學。你們在三年的大學生活給了我太多太多的幫助和支持。謝謝你們，謝謝您們。“創建綠色校園，美化學習環境，我們是精誠團結、奮發向上的環保0901班。”
最后我要感謝我親愛的爸媽，謝謝你們二十年來對我的養育，是您們賜予了我的生命，才能讓我有的今天。我將會在以后的時光中努力再努力，好好的報答您的養育之恩。
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