（化学工程专业论文）纤维束滤床深层过滤的研究.pdf

摘要 摘要 深层过滤技术自诞生以来，在人类的生活和生产实践中始终起着举足轻重的作用。 尤其在当前水资源日趋短缺、水污染加居的形势下，提高过滤工艺的出水水质和处理效 能，拓宽应用范围已成为国内外水处理领域新的研究课题。 纤维束滤床为一种新型深层过滤装置，具有过滤速度高、出水水质好、阻力小、截 污容量大等优点，目前已在许多工艺中应用。然而，由于过滤过程的固有复杂性和瞬时 性，迄今人们对它的研究尚不充分，还仅局限于床层结构、出水水质、水头损失等宏观 现象的观察，没能对滤床过滤的动力学和水头损失特性进行深入的研究，也没能对积泥 形态进行科学、合理的描述，更没能建立过滤过程的水头损失方程和动力学模型。因此， 对纤维束滤床过滤过程理论的深入研究以指导滤床的设计与操作十分必要。 本文开展不同直径的悬浮颗粒、不同表观滤速等操作参数下的对比实验，探讨悬浮 颗粒直径、表观滤速等操作参数对纤维束滤床过滤过程特性的影响，在此基础上，对积 泥形态学的研究方法进行了探讨，建立了过滤水头损失方程及动力学模型，并甩级数解 法求解了建立的动力学模型。论文主要内容如下： 论文概述了目前国内外深层滤料，特别是纤维滤料及过滤工艺技术的研究成果及进 展，简要介绍了悬浮颗粒的去除机理，概述了积泥形态学的最新研究成果，并讨论了积 泥形态对过滤过程特性的影响，综述了纤维滤床的水头损失的研究进展，并重点讨论了 基于池模型的水头损失方程，较详尽地评述了比较实用的动力学模型的最新研究进展。 本文开展了不同直径的悬浮颗粒、不同表观滤速等操作参数下的直接过滤实验，实 验结果给出了悬浮颗粒直径、表观滤速等操作参数下的颗粒去除率及水头损失，实验获 取的相关数据为过滤动力学模型和水头损失方程的建立提供依据。 传统的积泥形态学研究难以客观，真实地反映积泥的本质，也难以为过滤的水头损 失方程、动力学模型的研究提供科学的依据。本文应用分形几何理论分别描述了积泥孔 隙周界曲线，孑l 隙尺寸分布及积泥表面的分形特性。结果表明，不仅积泥孑l 隙自身是一 个分形结构，积泥孔隙尺寸分布具有分形特性。而且积泥表面也具有自相似性的特点， 其生长已具有分形动力学的特征。各种方法测定的分维数均与过滤的动力学和水头损失 特性具有相关性。因此，积泥孔隙周界曲线的分维数、孔隙尺寸分布的分维数和积泥表 面的分维数可作为描述积泥形态的重要参数，并且有可能为过滤的动力学模型和水头损 失方程的建立提供新思路。 简要讨论了适用于描述纤维滤料的多孑l 介质模型，鉴于纤维束滤床的结构特点，选 捅璺 择圆柱池模型用于建立过滤的水头损失方程，并首次提出了“方向系数”的概念用以修 正水流方向与纤维轴向间的关系。方程计算值与实验结果比较表明，二者合理一致。水 头损失方程的建立为进步研究开发及应用纤维束滤床奠定了基础。 关联无量纲重力数群、伦敦数群及相对尺寸数群得到纤维束滤床初始收集效率表达 式，并由所得结果可知，上向流纤维束滤床过滤时悬浮颗粒的去除以截阻和伦敦一范德 华力作用为主，重力作用甚微，这与颗粒状滤料下向流过滤时悬浮颗粒的去除机理完全 不同。在应用单位床单元概念和圆柱池多孔介质模型基础上导得了清洁滤床过滤系数的 无量纲数群关联式，并在“过滤系数是滤床比表面积和空隙流速的函数”假设条件下， 得到了以无量纲数群和比积泥量表达的的过滤系数半经验公式。公式计算值与实验结果 比较表明，二者吻合良好。最后得到了上向流纤维束滤床过滤的动力学模型。 用级数解法求解了建立的动力学模型。模型预测值与实验数据比较表明，二者吻合 良好。这说明级数解法是可行的，从而也证明了所建立的动力学模型的正确性。该模型 的建立为预测纤维束滤床过滤动力学行为提供了一种可靠的方法。 关键词：纤维束；深层过滤；积泥形态；分形；水头损失；动力学 i l a b s t r a c t i th a sb e e nat o p i co fg r e a ts i g n i f i c a n c es of a rt or e s e a r c ht h ee f f t u e n t q u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fd e p t hf i l t r a t i o na n de x t e n s i o no fi t sa p p l i c a t i o n ， d u et oi n t e n s i f i c a t i o no fw a t e rp o l l u t i o na n ds h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e s a san e wt y p eo ff i l t e r i n gd e v i c e ，f i b r o u sb u n d l em e d i af i i t e r ，w i t ht h e f e a t u r e so fh i g hr a t ef i l t r a t i o n ，h i g hq u a l i t ye f f l u e n t ，s m a ll r e s i s t a n c et o f l o wa n dg r e a t r e t a i n i n gc a p a c i t y ，i se m p l o y e di nm a n yt e c h n i q u e s h o w e v e r ， t h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o nh a v e n o tb e e na s s u c c e s s f u l ，m a i n l y d u et ot h e i n h e r e n t c o m p l e x i t i e sa n dt h et r a n s i e n c eo ff i l t r a t i o n p r o c e s s e s i ti s ， t h e r e f o r e ，f u n d a m e n t a lw o r kt oi n v e s t i g a t et h et h e o r i e s n e c e s s a r yf o r t h e d e s i g n i n ga n do p e r a t i n go ff i l t e r a ne x p e r i m e n tf o rc o m p a r i s o no fs u s p e n d e dp a r t i c l e so fd i f f e r e n td i a m e t e r ， d i f f e r e n ts u p e r f i c i a lf i l t r a t i o nv e l o c i t ya n dd i f f e r e n to p e r a t i o np a r a m e t e r s w a sc o n d u c t e d t h er e s u l t so f e x p e r i m e n ts h o wt h ei n f l u e n c eo fd i a m e t e ro f s u s p e n d e dp a r t i c l e s ，s u p e r f i c i a lf i i t r a t i o nv e l o c i t ya n do p e r a t i o np a r a m e t e r s o nc h a r a c t e r i s t i c so ff i l t r a t i o np r o c e s s e s o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a ls t u d y a na n a l y s i so fd e p o s i tm o r p h o l o g y ，h e a dl o s s e q u a t i o na n dd y n a m i c sm o d e lo f f i b r o u sb u n d l em e d i ad e p t hf i i t r a t i o nw a se s t a b l i s h e d a n e x p e r i m e n t a ls t u d yw a sc o n d u c t e da b o u tt h ei n f l u e n c eo fd i a m e t e ro f s u s p e n d e dp a r t i c l e sa n dd i f f e r e n ts u p e r f i c i a lf i l t r a t i o nv e l o c i t yo nr e m o v a l e f f i c i e n c yo fp a r t i c l e sa n dh e a dl o s so f t h er e l e v a n td a t ao ft h ee x p e r i m e n tw i l l l o s se q u a t i o na n dd y n a m i c sm o d e l f i b r o u sb u n d l em e d i ad i r e c tf i i t r a t i o n c o n t r i b u t et ot h ee s t a b l i s h m e n to fh e a d t h em o r p h o l o g yo fd e p o s i t sf o r m e dd u r i n gf i i t r a t i o nw a s p h o t o g r a p h e dw i t h s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n dw a sd e t e r m i n e db yu s i n gt h ef r a c t a l t h e o r y t h er e s u l t ss h o wt h a tn o to n l yt h ep o r es t r u c t u r eo f d e p o s i t si saf r a c t a lo b j e c t ， a b sl r a c t b u ta l s ot h ed i s t r i b u t i o no fp o r es i z e sp o s s e s s e sf r a e t a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n d t h es u r f a c eo fd e p o s i t sh a sas e l f s i m i l a rs t r u c t u r e a ne q u a t i o no fh e a dl o s so ff i b r o u sb u n d l em e d i af i l t e ri sd e r i v e do nt h e b a s i so fc y i i n d e rc e l lm o d e l ，a n df o rt h ef i r s tt i m e ，an e wc o n c e p to fd i r e c t i o n f a c t o ri sa d v a n c e da n du s e dt or e v i s et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l o wd i r e c t i o n a n da x e so ff i b e r m o r e o v e r ，c o m p a r i s o nb e t w e e nd i m e n s i o n l e s sp e r m e a b i l i t y p r e d i c t e db y v a r i o u se q u a t i o n sa n de x p e r i m e n t a ld a t ai n d i c a t e st h a tt h en e w e q u a t i o ne s t a b l i s h e da g r e e sr e a s o n a b l yw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a l d a t a 。 o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a l s t u d y ，a n db yu s i n gu n i t b e de l e m e n ta n d c y l i n d e rc e l lm o d e l ，c l e a nb e df i l t e rc o e f f i c i e n tw a sd e r i v e db yc o r r e l a t i n g d i m e n s i o n l e s sg r o u p sf o rl o n d o n r e l a t i v es i z ea n dg r a v i t y i th a ss h o w nt h a t t h e s u s p e n d e dp a r t i c l e r e m o v a lm e c h a n i s mc a nb ed e s c r i b e d b yp a r a m e t e r s r e p r e s e n t i n gt h ei n t e r c e p t i o n a n dl o n d o n y e nd e rw a l l s f o r c e s e m i e m p i r i c e x p r e s s i o n o ff i l t e rc o e f f i c i e n tw a se s t a b l i s h e du n d e rt h ea s s u m p t i o nt h a t f i l t e rc o e f f i c i e n ti st h ef u n c t i o no ft h es p e c i f i ca r e aa n dt h ei n t e r s t i t i a l v e l o c i t y f u r t h e r m o r e ，o nt h eb a s i so fp h e n o m e n o l o g i c a lm o d e la n dc y l i n d e rc e l l p o r o u sm e d i am o d e l ，ad y n a m i c sm o d e lw a sd e v e l o p e d m o r e o v e r ，c o m p a r i s o nb e t w e e n t h es e m i e m p i r i ce x p r e s s i o np r e d i c t i o n sa n de x p e r i m e n t a ld a t as h o wt h a tb o t h a g r e ew i t he a c ho t h e r t h es e r i e sm e t h o dh a sb e e nd e v e l o p e dt os o l v et h ed y n a m i c sm o d e l r e s u l t s f r o mt h e s es o l u t i o n sa r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，a n dt h ep r e d i c t e d r e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a i ti sa l s oi n d i c a t e d t h a tt h ed y n a m i c sm o d e li sr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：f i b r o u sb u n d l e ，d e e pb e df il t r a t i o n ，d e p o s i tm o r p h o l o g y ，f r a c t a l h e a dl o s s ，d y n a m i c s i v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 第一章绪论 第1 章绪 论 1 1 研究课题的提出及意义 深层过滤是一个广泛应用于去除水和废水中悬浮物、胶体微粒和微生物等经济而有 效的单元操作，在国民经济的建设和发展及保障人类健康中起着非常重要的作用。 深层过滤是人类技术史上出现较早的一种用来改善水质的方法。自有记载以来，最 早将过滤用于水处理的是在3 0 0 0 年前的印度和中国。过滤的现代工程始于1 8 世纪。1 7 6 4 年法国巴黎批准了第一个过滤技术专利。1 8 2 9 年英格兰安装了世界上第一座慢速砂滤 池。这种慢速滤池能有效地处理英格兰的地表水，但却无法有效地处理美国的地表水。 于是开始出现了滤前的絮凝。1 8 9 5 年，g u l l e t 成功地研究了絮凝和快滤，并于1 9 0 9 年 在美国建造了第一座快滤池。1 。从此，有关深层过滤的研究逐渐增多和深入，尤其是第 三次科技革命以来，随着工业的迅猛发展和人口的急剧增加，水污染加剧，水资源日趋 短缺，人们对深层过滤进行了更广泛而深入的实验和理论研究，因而促进了深层过滤技 术的发展，拓宽了应用范围o 。7 1 。 深层过滤的研究主要内容包括过滤过程理论和过滤工艺技术两个方面。人们在过滤 过程理论研究方面己做了大量的工作，然而，由于过滤过程的固有复杂性和瞬时性，过 滤过程理论研究还远远落后予过滤技术的发展。因此，对过滤过程理论的研究一直受到 人们的重视“”。 深层过滤是通过滤料层来去除水中颗粒的，因此，深层过滤技术的关键是过滤介质 一滤料，并且过滤过程理论研究也需依滤料及床层结构不同而进行。石英砂滤料应用较 早也较广泛，但传统的石英砂滤层存在孔隙分布不合理的缺陷。为了克服这一缺陷，自 2 0 世纪5 0 年代始，研究人员先后开发了双层、三层和均质滤料“”“3 。上述颗粒状滤料 存在床层孔隙率低，过滤阻力大和截污容量小等不足。2 0 世纪8 0 年代初期，研究人员 成功地将纤维按规定的设计要求制成某种形式的成形体一规格化纤维滤料，从而解决了 纤维的清洗问题，使纤维开始应用于水的过滤处理。纤维滤料具有巨大的比表面积，较 高的床层孔隙率和渗透率，这是粒状滤料所不及的，进而为拓宽过滤工艺的应用范围， 提高过滤效能，降低过滤阻力及增加床层截污容量创造了前提条件。目前，规格化纤维 滤料有多种形式“矧，其中纤维束滤料床层孑l 隙分布合理，且易于清洗，在诸多工艺中 应用，获得满意效果“。 大连理工大学僻二f ：学位论卫 目前，广泛应用的纤维束滤料过滤器可分为3 种：胶囊挤压式，活动孔扳式及自压 式“。胶囊挤压式是最早研制开发出来的，它较粒状滤料过滤器有许多优点，如过滤效 率高，过滤速度快，过滤阻力小，截污容量大等。但也存在一些问题，如辅助部件较多， 因而操作复杂；操作不慎时，胶囊易损坏等。针对胶囊挤压式存在的问题，研究人员开 发成功了活动孔板式。这种形式的过滤器有两种过滤方式，即上向流和下向流。 活动孔板式较胶囊挤压式有一定的改进，但也存在不足，如活动孔板有时出现卡涩 现象，因而影响出水水质。 更进一步，人们最近又研制成功了自压式纤维过滤器。这种过滤器与活动孔板式过 滤器的区别是前者以质量较小的诸多构件代替活动孔板。自压式过滤器的过滤效率优于 前两种，并且设备结构简单，易于操作，故障率低。 纤维束滤床尽管在多种工艺中应用，并获得满意效果，然而迄今对它的研究还仅局 限于床层结构，出水水质，水头损失等宏观现象的观察，尚未对过滤过程特性，颗粒的 捕获机理，过滤过程动力学，过滤过程的水头损失变化规律等进行研究。显然，对纤维 束滤床进行更深入的研究，以更有效地指导实践十分必要。 1 2 本文的研究内容 本文通过纤维束滤床直接过滤过程特性的实验研究及积泥形态分析，探讨不同工况 变化对过滤过程特性的影响。在此基础上建立积泥形态学的研究方法，水头损失方程， 动力学模型及动力学模型的求解方法。主要内容包括： 1 2 1 直接过滤过程特性的实验研究 过滤过程特性系指过滤中悬浮颗粒的去除及因悬浮颗粒积留而引起的流动阻力( 或 水头损失，或压强降) 的变化。它是深层过滤理论研究的重要前提条件之一。本论文对 纤维柬滤床直接过滤过程中悬浮颗粒的去除及水头损失变化进行实验研究。实验内容包 括混凝剂适宜投加量的确定；不同滤速，不同颗粒尺寸时床层去浊及水头损失随床层深 度及时间的变化规律。实验获得的有关数据为动力学模型及水头损失方程的建立提供依 据。 1 2 2 积泥形态学的实验研究 积泥形态学的研究是建立合理的过滤过程数学模型及水头损失方程的先决条件。本 论文对纤维束滤床直接过滤积泥形态学进行实验研究。内容包括不同过滤历时，不同床 第一覃绪论 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 鼍! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼垫! ! ! 层深度的积泥形态及其表征。研究结果为过滤过程数学模型及水头损失方程的建立奠定 基础。 1 2 3 水头损失方程的研究 过滤时水流经滤床所产生的水头损失是过滤水力学的一项基本内容，也是过滤理论 的一个重要内容。本论文主要内容包括多孔介质模型的选择；水头损失方程的建立及比 较不同方程计算值与实验结果。 1 2 4 动力学模型的研究 过滤动力学模型描述悬浮颗粒在床层中的去除率，因此，动力学模型是过滤过程理 论的最重要内容。本论文研究的主要内容包括清洁滤床过滤系数的无量纲数群关联式； 过滤系数与比积泥量关系的表达式及动力学模型的建立等。 1 2 5 动力学模型的求解及预测 求解动力学模型也是动力学模型研究的重要内容之一。本论文探讨了动力学模型的 级数解法，用实验结果进行了验证，并预测了滤床的过滤过程行为。 ，：。，： ，。，：。：。：奎垂堡三查兰堡圭兰堡尘兰：。一，。! ! ， 第2 章文献综述 自深床过滤用于现代水处理工程以来，人们在深层过滤的理论与技术研究方面做了 大量的工作，尤其是第三次科技革命以来，由于水污染加剧和水资源 三| 趋短缺，人们进 行了更深入而广泛的研究，不断探索提高过滤工艺效能，拓宽应用范围的途径，在滤料、 过滤工艺技术及过滤理论方面取得了很大发展。本章评述近年来的一些主要研究和应用 进展。 2 1 深层滤料及过滤工艺技术的国内外研究进展 深层过滤是通过滤料层来去除水中颗粒的，因此，深层过滤工艺技术的关键是过滤 介质一滤料。石英砂滤料具有来源广、价格低、机械强度和化学稳定性好等优点，因此 应用较早也较广泛。但传统的石英砂滤料存在一定的缺陷。石英砂滤层在反冲洗后由于 水力筛分作用，佼得沿水流方向的砂子粒径逐渐变大，孔隙尺寸也是沿水流方向逐渐变 大。当下向流过滤时，水流先经过粒径小、孔隙也小的上部砂层，再到粒径大、孔隙也 大的下部砂层。水中颗粒大部分截留在上部数厘米深度内，床层上部孔隙容易堵塞，床 层的水头损失上升迅速，下部滤层大部分容量尚未发挥出来就不得不终止过滤。 为了克服这一缺陷，在五十年代研究人员开发了双层滤料，即在石英砂滤层上部放 置一层粒径较大，密度较小的轻质滤料，使用较早也较广泛的轻质滤料是无烟煤。后来 使用的轻质滤料还有人工陶粒、人工合成纤维等1 2 3 。2 6 】。双层滤料过滤在一定程度上提高 了滤速和过滤效率，增加了床层截污容量，延长了过滤周期。 双层滤料体现了水先通过粗粒滤料后通过细粒滤料的理想滤层的概念。基于理想滤 层的原理，三层滤料【1 8 】，即在双层滤料下部再加一层密度大，粒径小的滤料。这最下 层滤料一般用石榴石、磁铁矿等。三层滤料比双层滤料床层结构更为合理。三层滤料是 沿着双层滤料的思路追求理想滤层的结果。随后又出现了四层滤料和五层滤料 1 9 - 2 0 】。 s e m b i 和i c e s 2 7 1 用计算机模拟了十层滤料滤层的过滤情况。沿着过滤的水流方向，滤层 中滤料的粒径从大n d , 递减，颗粒问孔隙也沿水流方向从大到小递减。依此推演，滤料 层数越多，滤层结构越合理，越符合理想滤层的概念。然而在实际应用中存在许多问题， 如相邻两层滤料问的混杂和滤料流失 2 8 - 3 0 1 ，加之滤料来源有限，加工复杂等因素，生产 中所采用的仍然是双层和三层滤料。 第二覃文献练述 双层和三层滤料滤床实质上不过是两个或三个不同的单层滤料滤床串联组成，而每 层内仍存在水力筛分作用，主要担负截污作用的仍为表面部分。八十年代以来开发应用 的均粒滤料在很大程度上解决了非均粒滤料存在的问题，过滤速度，过滤效率及床层截 污容量都得到了明显提高【l 。 人工合成纤维，如丙纶、涤纶等，具有作为滤料的基本条件，并且具有巨大的比表 面积和较高的床层孔隙率，这是粒状滤料所不及的，从而为拓展过滤工艺的适应范围， 提高过滤效率，增加床层截污容量，降低过滤阻力创造了前提条件2 5 , 2 6 。然而初期仅能 用于气体除尘过滤。对于水的过滤，由于缺乏有效的清洗手段，直到1 9 8 1 年才开始应 用。1 9 8 1 年日本龙尼奇卡公司研究人员将长纤维改成短纤维，形成杂乱短纤维深层床， 当反冲洗时纤维像颗粒床层一样膨胀，容易反冲洗 3 13 。然而，尽管有挡板，短纤维仍 然容易流失。以后又进一步改进，用静电植毛方法，将2 5 0 m m 短纤维植在多面体载 体表面 3 23 ，形成如图2 1 所示形式滤料。实验表明，当原水悬浮物为1 2 2 8 m g 1 ，滤 速为5 5 m h ，出水悬浮物为o 5 一1 8 m 胡。然而这种滤料加工比较困难。尤尼奇卡公司 继续改进，用热处理方法进行加工，使纤维成为纤维球d ”，见图2 。2 。 这种纤维球滤床的滤速为砂滤床的5 8 倍，能有效的去除o 5 1 0 9 m 的微小颗粒。 经简单的反冲洗可重复使用。但积留在纤维球内部的积泥不容易反冲洗出来，过滤时容 易释放，影响出水水质。 清华大学环境工程研究所用短纤维束结扎而形成的纤维球滤料其剖面形状见图 2 r 3 。这种纤维球充填形成的床层结构较为合理，上部孔除尺寸大，下部孔隙尺寸小，形 成了类似理想的孔隙分布。这种纤维球同样存在着内部积泥难以清洗的问题【3 ”。类似的 图2 1 植毛纤维块 f i g 2 1w o o | p l a n t e df i b r o u s p i e c e 圈2 2 卷曲纤维球 f i g 2 2w i n d i n gf i b r o u sp i e c e 圈2 3 纤维球剖面图 f i g 2 3s e c t i o nf i g u r eo f f i b r o u sb a l i 大连理工大学博士学位论文 还有彗星式纤维滤料【3 ”。 不同于传统的滤料形式一块( 球) 状的纤维束滤料以近于平行水流方向垂直置于设 备中，过滤时沿水流方向孔隙逐渐变小，近于理想滤层，而反冲洗时床层处于疏松状态， 因此清洗更彻底，且气、水用量少，清洗时间短【2 2 】。 早期研制的纤维束滤料床为胶囊挤压式。纤维束垂直悬挂在设备上部孑l 板上，下部 悬挂重坠，床层中安装数个胶囊( 见图2 4 ) 。 图2 4 胶囊挤压式纤维束过滤器示意图 f i g 2 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f f i b r o u sf i l t e rp r e s s u r e db yr u b b e r 过滤前将胶囊充水以挤压纤维，从而实现床层孔隙自下而上由大到小分布。反冲洗 时，先将胶囊中的水排出，使床层处于疏松状态，因此清洗更彻底，且气、水用量少， 清洗时间短，但这种形式的过滤器也存在一些问题，如辅助部件增多，因而操作复杂， 另外，操作不当时，胶囊损坏也是一个问题。 随后研制开发的活动孔板式纤维束过滤器解决了胶囊挤式存在的上述问题【2 2 。这种 形式的过滤器有两种过滤方式，即上向流和下向流。上向流过滤的纤维束置于上部固定 孔板和下部活动孔板之间；下向流过滤的纤维束置于上部活动孔板和下部固定孔板之 间。见图2 5 ( a ) 、( b ) 。过滤时，活动孔板随纤维一起在水流作用下使床层处于压实状 态，有利于过滤：反冲洗时，床层在水流作用下处于疏松状态，易于反冲洗。 活动孔板式较胶囊挤压式虽然有一定的改进，但也存在不足，如活动孔板有时出现 卡涩现象，因而影响出水水质。 第二章文献综述 更进一步，人们又将活动孔板改换为质量较小的诸多构件。这种过滤器称之为自压 式纤维过滤器。它的过滤效能等优于前两种，且设备结构简单，易于操作，故障率低口2 1 。 ( a ) 下向流 ( a ) d o w n f l o w ( b ) 上向流 ( b ) u p f l o w 圈2 5 括动孔扳式纤维束过滤器示意图 f i g 2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f f i b r o u sb u n d l ei nm o v i n gh o l e - i n - b o a r d 王德英等对纤维束滤料进行了应用研究。实验表明 3 6 1 ，纤维束滤料可用于反渗透 法脱盐等对水质要求较严格的预处理。在原水浊度为3 8 4 6 f t u ，滤速达3 0 4 0 r r l h ，滤 后水浊度小于l f t u ，淤塞指数s d i ( 1 5 r a i n ) 小于2 ，完全可满足反渗透膜分离过程对进 水水质的要求，且滤层阻力小，截污容量大。 纤维束滤料也可以用于污水回用的过滤处理。研究表明f 3 7 】，当城市二级生化处理出 水达标时。经投药后的直接过滤出水可满足一般的回用要求。 石灰处理后的过滤与其它水处理系统的过滤不同在于截留物的性质是石灰处理的 c a 、m g 过饱和残留物具有一定的粘结性、生长性和更细微。为此要求过滤时不要形成 表面滤膜，允许高强度的彻底清洗。研究表明 3 引，纤维束滤料可满足这些要求。 双层、多层、均质及纤维滤料的出现，不仅改变了滤床的结构，提高了滤床的性能， 大连理工大学博士学位论文 而且改变了水处理厂的整体设计与操作概念。传统水处理过程中混凝与过滤是分属两个 独立的操作单元。直接过滤则是混凝与过滤过程有机结合成一体而形成新的单元处理过 程。它是五十年代由p i t m a n 和c o n l o y 用双层滤料实验成功。由于直接过滤具有设计简 单，节省占地面积以及减少投资和运行费用等优点。7 0 年代以来，随着双层、多层、均 质及纤维滤料、高分子聚合电解质的应用以及过滤过程理论研究的不断深入，直接过滤 得到了迅速发展。8 0 年代后在西方发达国家，如美国、欧洲及澳大利亚得到了更广泛的 应用，目前新建水厂很多都采用了直接过滤工艺，滤料主要采用均质粗粒，粒径达 1 2 1 8 r a m ，滤层厚度3 m 以上，滤速达2 0 m h 1 3 】。 2 2 过滤过程理论的国内外研究进展 深层过滤过程理论可分为两类：微观和宏观。微观理论研究颗粒捕获机理，积泥形 态及其对过滤过程的影响；宏观理论研究过滤过程现象，动力学行为及渗透率变化等。 2 2 1 悬浮颗粒的去除机理 扩散 图2 6 各种迁移机理示意图 f i 2 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f v a r l o u st r a n s p o r tm e c h a n i s m s 8 笫二章文献综述 水处理过程中，过滤的主要目的是去除水中的悬浮颗粒物，悬浮颗粒的去除须经过 迁移和附着两个过程才能完成。 悬浮颗粒在滤层孔隙水流中的迁移是由于下列五种基本作用：( 1 ) 沉淀或重力；( 2 ) 惯性；( 3 ) 截阻；( 4 ) 布朗扩散 ( 5 ) 动力效应。各种作用见示意图2 , 6 。 沉淀作用：悬浮颗粒在水流中受重力作用致使粒子尤其是大粒径粒子偏离其运动轨 迹沉淀到收集器表面。 惯性作用：水流中运动的悬浮粒子具有一定的惯性，当惯性力足够大时，以致把它 抛到收集器表面。惯性作用对气体中夹带的颗粒是重要的，但对水中的颗粒则不然。这 是由于颗粒一水密度差小，而且水的粘度较高，阻碍着颗粒相对于水的运动1 3 9 1 。 截阻作用：当悬浮颗粒物沿着未扰动流体的流线运动直至颗粒与滤料表面相接触。 扩散作用：对较小的悬浮粒子( 直径 1f m ) ，当滤层孔隙内存在浓度梯度时，通过 布朗运动扩散到收集器表面。 动力效应：在滤层孔隙的非均匀层流流场中。水流剪力或流速梯度使悬浮颗粒产生 旋转运动，并跨越流线作横向运动，最终达到收集器表面。 对于一个颗粒来说，可能同时受到多种作用，但占主导作用的只能是其中的几种。 主要取决于悬浮颗粒的大小，滤料尺寸及过滤方式等f 58 4 0 4 8 】。 当悬浮颗粒迁移到滤料表面，在表面力的作用下附着在滤料表面才完成了去除过程， 即被俘获a 悬浮颗粒与收集器间存在多种物理化学作用力，这些力主要包括伦敦一范德 华力( l o n d o n v a nd e rw a a l s ) 、双电层作用力。这些力将影响到颗粒的粘附与脱落。 除此之外，悬浮颗粒的去除还可能是由于筛滤作用( s t r a i n i n g ) “。 2 2 2 积泥形态及其对过滤过程的影响 过滤时水流经滤床，水中颗粒由于沉淀、惯性、截阻、扩散和动力效应等作用从水 中传输到滤料表两，在范德华力等作用下附着在上面形成具有一定形态结构的积泥，积 泥使得滤料表面及床层孔隙结构发生改变，从而导致滤床的过滤效率和水头损失的变 化。因此，对积泥形态结构的合理描述是认识深层过滤的基础，也是建立合理的过滤动 力学模型和水头损失方程的先决条件。然而，由于过滤过程的固有复杂性和瞬时性，目前 尚无法定量地描述积泥形态对过滤过程的影响，而只能采用定性或半定量的方法进行处 理。 t i e n 和p a y a t a k e s 【6 j 对1 9 7 9 年以前的深层过滤积泥形态学及其对过滤过程特性的影 响的研究进行了较详尽的概括和总结。 大连理工大学博士学位论文 c o a d 和i v e s 4 9 1 采用示踪实验的方法研究了滤层中沉积物的沉积模型，m a t s u i 等弘u j 采用n a c i 作为示踪剂，研究了微絮凝过滤过程中积泥量的变化，张建锋等口l 】也采用n a c l 作示踪剂，测定滤层内水流电导率的变化，通过分析、计算可以得到滤层内絮体的体积 比截留量，进而建立了均质滤料过滤阻力的数学模型。 近年来，高新技术也被用于过滤积泥形态学的研究。p a y a t a k e s 等【52 j 采用光学蚀刻技 术，在玻璃片上蚀刻出类似实际石英砂滤床中尺寸大小的孔隙通道，用2 灶的乳胶悬浊 液进行过滤实验。同时使用配有照相机，电视监视器的显微镜直接观察，并用录相机录 像，对几种不同的p h 值和化学药剂用量的过滤过程及积泥形态进行观察，发现：( 1 ) 滤 床上下部滤料积泥形态不同，过滤初期滤床上部滤料的积泥呈“雪帽”( s n o wc a p ) 状， 随着过滤的进行水流剪切力逐渐增大，一旦大于附着力，滤料上“雪帽”的一部分会脱 落，随着水流进入滤床深处，重新截留；( 2 ) 滤床堵塞一般发生在过滤后期，连接通道被 堵塞后，借助积泥本身的孔隙仍可使水以渗流方式通过，并继续使颗粒不断沉积于连接 通道处，也称作“内部滤饼”过滤。 i v e s ” 首次使用光导纤维内窥镜直接插入石英砂滤柱内，现场观察石英砂内部过滤 过程。内窥镜直径6 8 m m ，可进行4 5 。到1 8 0 。角度观察，视场范围达5 1 0 个砂粒， 悬浮粒子通过视场的时间达1 秒钟，用电视监察器观察积泥形态，用照相机或录相机记 录，研究结果表明，( 1 ) 积泥不均匀，表面有类似蛀孔的孔隙，没有观察到积泥的“树枝” ( d e n d r i t e s ) 状结构；( 2 ) 可观察到脱落的颗粒在滤料表面滚动；( 3 ) 对经过絮凝的粘土颗粒， 其去除机理中沉淀作用占主导地位。 ( a ) 投加p a m + ( a ) w i t hp a m + 上：2 8 0 0 ，下i 5 6 0 u p ：x 2 8 0 0 ， d o 、m ：x 5 6 0 圈2 7 积泥“树枝”状结构 f i g 2 7d e n d r i t es t r u c t u r eo f d e p o s i t 1 0 ( b ) 投加p x y ( b ) w i c hp x y 上：2 8 0 0 ，下：5 6 0 u p ：x 2 8 0 0 ，d o w n ：x 5 5 0 第二荜文献综述 周北海5 q 借助扫描电镜对纤维球砂过滤积泥形态进行了研究，结果发现在加药条 件下：f 1 ) 垂直于水流方向的纤维丝上积泥呈阴阳面现象：( 2 ) 平行于水流方向的纤维丝 上积泥呈均匀涂层结构；( 3 ) 随着过滤的进行，纤维丝上积泥存在着大量“树枝”状结构， 见图2 ，7 。这与不加药过滤时的情况完全不同。砂积泥没有“树枝”生成。 周北海1 5 4 1 认为纤维丝上“树枝”状结构的生成一是由于微粒依靠高分子的吸附架桥 作用同已沉积的颗粒集结：二是由于纤维球床层孔隙率高( 约9 5 ) ，床层内水流缓慢， 水力剪切作用较弱，因而形成具有一定形态结构的“树枝”状结构。而砂滤床孑l 隙率较 低( 约4 2 ) ，水力剪切作用较强，不利于“树枝”生成，即使生成也易塌折。“树枝” 的生成对过滤产生一定的影响，为捕获后来的颗粒提供新的表面，尤其为捕获流线方向 在该处与纤维方向平行的颗粒更为有利。当然，“树枝”的生成也使得床层的水头损失 增大。周北海 5 4 1 尚发现，表层砂积泥呈滤饼状，而下层砂积泥呈喉管状。看来在建立砂 滤床过滤数学模型时假设砂滤床孔隙通道为喉管状是有其客观基础的。 研究表明m 5 5 1 ，过滤条件不同，积泥却可能有相同的宏观结构。显然对于影响过滤 过程行为的积泥形态仅用只言片语与形态相配合的方法，是不足以揭示积泥形态本质 的，也难以合理的描述积泥形态对过滤过程的影响。为此，必须探索合理的描述方法。 2 2 3 过滤水头损失的研究进展 过滤时水流经滤床，水中颗粒附着在滤料表面使得滤料表面及床层孔隙结构发生改 变，从而导致水头损失的增大。在表观滤速不变时，水流施加在己沉积颗粒上的剪切力 增大，进而导致过滤效率的降低。因此，过滤时水头损失的重要性不仅在于它是滤床设 计的水力学和经济学参数。而且还在于它对过滤效率的影响。 早在1 8 5 6 年，法国的d a r c y 研究了水通过砂滤柱的实验，发现推动力与流体传输 遵循下列关系： 一生：兰“ ( 2 1 ) 如k 或以向量形式表示： 一即；詈u ( 2 一l a ) 式中v p 为压强梯度，k 为渗透率，为流体粘度，1 1 为表观滤速。 此式表明，在层流状态下水头损失与过滤表观速度、粘度成正比，系数包括了其 余一切影响因素，主要是床层结构特性。 d a r c y 定律有一定的适用范围。实验表明，船不超过1 0 时，流体的运动才符合d a r c y 大连理工大学博士学位论文 定律。 随后，人们对水流经滤床所产生的水头损失进行了广泛而深入的研究。结果表明【2 6 j 当床层孔隙率小于o 7 时可用水力半径理论计算，其代表方程为c a r m a n - - k o z e n y 方程 【5 6 】：当7 l 隙率在0 7 以上时则用曳力理论计算。纤维床层孔隙率高，适用于曳力理论。 近二十年来，由于纤维滤料的广泛应用，曳力理论受到了人们的重视口”。 曳力理论首先由e m e r s l e b e n 于1 9 2 4 年提出，试图用数学方法解流体对平行于流动 方向排列的粘滞流体曳力动力学问题 6 1 1 。 曳力理论认为介质对流体是一种障碍物，当流体流过障碍物时产生了水头损失，其 值可通过在给定的初始和边界条件下求解n a v i e r - - s t o k e s 方程得到。 n a v i e r - - s t o k e s 方程为牛顿流体的运动方程，简称n s 方程。这一方程于1 8 2 1 年由 法国力学家n a v i e r 提出，1 8 4 5 年英国力学家s t o k e s 完成最终的形式。如果为常数， 则n s 方程向量形式表示为 p 芸= 一即+ 胛2 u + 印 ( 2 2 ) 式中p 粤表示单位体积流体所具有的惯性力； l 盯 即为作用在单位体积流体上的净的压力； 厕瞳u 为作用于单位体积流体表面上的净的粘滞力； 卢f 为单位体积流体的质量力。 n s 方程为一组非线性二阶偏微分方程组，目前尚不能求得水流过纤维n s 方程 的精确解，只能求得近似解。求得近似解的方法主要有两种：一是首先选择一种合理的 多孔介质模型，然后简化n s 方程，进而求解简化的n s 方程得到水头损失方程卧5 “ 6 1 舰 ；