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联减母渡纤维球过滤特性的砸 究与应用 第二章纤维球过滤的实验装置及实验方法 2 1 深层过滤技术的工作原理 深层过滤是圆液分离静重要方法，其特点爱国体颗粒静搪捉在床层内部形 成的孑l 隙中进行彦可以嫩挡比床层孑l 隙更小的颗粒。处理自来水用的砂滤操 作即为典型的深层j 遣滤。膈于城节集中供水的过滤技术是慢砂滤池过滤，其特 煮是援粒弪必0 2 o 3 r a m 豹缨秽作为过滤分矮，砂层浸没在浅水中，表层厚 约2 3 c m 的细砂朦的砂粒表面形成生物膜。当过滤水由上往下缀过滤鼷时， 酋先每该生物膜层稿揍簸。峦予生物貘豹啜辩作耀，窳中懿胶体鬏粒基本上都 被截嬲在此表层中并且得到一定的降解，水中的某些溶解性物质乃至色度物质 也可被吸附与降解，因此，其出水水质很好。当过滤运行一段时间后，袋层的 缓砂鼷出于吸斑了较多躲胶粒等，孔隙率缀低，呈现魄郛状态。她时，必须进 行人工刮砂，将表层的饱和层刮除，才能实现滤层的再生。慢砂滤的主要缺点 是滤逮太疆，鬟有0 1 3 m h ，灏焉滤涟豹糕模稻占逢臻较大，并基滤瀑绞再 生也不易实现，不熊满足工业生产日盏发展的需要。 俊砂滤漶中采用了敉径为0 5 1 2 m m 的石英砂粒，使滤速提高瓢8 1 2 m h i l 8 l 。由于滤逮提癌r 几十傣。快妙滤中，悬浮犍颗粒不仅被表层滤料截 留，而且能够深入到滤层深处被深处滤层截留。悬浮颗粒也不再通过生物膜的 渡隆佟溺舔糖结在滤糕圭，蠢是缮韵蠡赛酶零朗运动、溪热运羲袋淀淀镩雳等 与滤料表面相接近艏，再借助悬浮颗粒与砂滤料之间的静电引力、范德= f 量力或 氢键作用力等，将懋浮物截留在移滤糕的表面，遴丽实现永豹净纯。由予悬浮 物否仪婷留在表层，丽且能够进入滤层深处，且随骜过滤的进行莉继续向下移 动，刚此，快砂滤朦的厚度有一定要求，一般达7 0 e m 左右。当过滤进行到一 定露粼，藏鼙麓窭疆悬浮绣在滤瀑中逐澎下移妻到努过滤鬃豹瑗蘩，逛爵戆因 为滤朦截留的悬浮物很多，滤料层的有效空隙很少，过滤水流阻力很高，超过 了允许的陋淀。诧时，必须使滤朦再玺，才能薹新遴行过滤。魏誉遴行再生， 过滤将无法进行。 快砂滤池一般采用水力反冲洗的滤层再生方式，即从滤层底部向上喷射一 1 6 工程硕量号业学位论丈 定强度的水流，使褥滤层膨胀上浮。借助于水流的剪切力及砂滤料相互阉的摩 擦力束实现滤料的褥生。和慢砂滤相比快砂滤池虽然能够高速道滤水鬣并 显在一定程发u 上发摆了深黧遗麟瓣截涎俦爆。瞧是抉移滤波熬秀熏方式饕遮采 用了水力反冲洗结果使滤层呈现反粒度分布，即粒径小的细砂发冲洗时的膨 涨程浚天， 疆砂静鹈簇程液，j 、。反滓洗结束辩，粗移沉积稔滤层豹底部，两缡 砂则集中在滤层的上部。戆个滤层从e 到下滤料粒径逐渐加大。 逃行降流式过滤时，过滤水流首先经过纫砂滤料层。由于细砂滤料鼷的孔 皴银夺，毙表垂获强大，过滤翳摄容易被本中效悬浮物堵塞，铁簿阻止懋浮镌 进入滤层深处，过滤接近终点时，滤层表层厚约5 l o c m 的滤层( 约占熬个滤 篷厚黪1 0 亳老泣过滤黻力终必整令滤层过滤隘杰熬粥，说爨过滤戳力在 滤层中的分布是极不均匀的，集中在滤层的表层。由于表层的不断截泥，滤层 孔隙率不断减小，滤层阻力不断上升，赢至达到极戳值，不得不停止过滤，进 行反冲洗。姥时，深层滤屡截泥很少，阻力墩很小，远没鸯发挥墩有的截污能 力。 悛砂滤麴优势跫显然浆，楚其存簌和发黢懿蒙因。餐楚，澹漤反粒绞分枣 这特点又程很大程度上抑制着快砂滤充分发挥作用，并髓逐渐成为过滤技术 发展的制约鞠素。为既，入们逡行了多释尝试和努力，驻求亮稚这一箭约隧素 的消极影嚷。大体上，可以姆这些研究分为改变水流方向葶珏改变滤屡结构这砖 大类。 ( | ) 改变本滚穷囱 为了使水中悬浮物不仅被截留在滤层表面，而且能够深入列滤层深处，改 交过滤豹水流方向，避苻上流式过滤楚藏蓠荦易抒酌办法。由于承流麸滤屡底 部进入，滤料粒径人，孔隙大。悬浮物容易进入滤料深层，发挥了深层滤料的 截泥作用。滤层中的水流越往上走，接触的滤粒也越细，滤层对悬浮物的截泥 揍遥瞧越强，麸露蠖予缳涯良好豹出承农质。 谈法的主要缺点是滤速不能过高，一般情况下，不应越过1 0 1 2 m h ，否 鬟| j 会将整个滤茁冲动，篌滤辩彩强，遴褥捷遭滤失羧。另一缺点是，反狰洗薅， 截泥爨很大的底层滤料，由于颗粒大、重量大，不熊够充分膨胀和运动，颗粒 闻相赢摩擦的作用较弱，污物不易脱离砂滤料，冈丽滤料艨冲洗不干净a 而且 联碱母涟纤维雉过滤特性的研究与应用 即使被冲洗下来的悬浮物，也必须在滤层中逐渐上升直到流出滤料膨胀隧，因 此，难免有少量悬浮物不易很快流出滤料膨胀区，最终必将停留在滤层的不同 整曼。嚣透过滤鞑膨胀区靛粒经较大麴悬浮鬏粒，巍予滤秘黪胀隧戳上熬集东 区的实际水流速度有所降低，从而难以随水流走。反冲洗结束时，这些大粒径 的固体颓粒仍将流弦在滤鬃的表凝。 由于上述原因，滤料层不易反冲洗千净，将影响出水水质、降低滤层的周 期截污量，从而影响过滤的有效进行，有时，还会在滤层中形成漉饼或漉球等， 使过滤豹终惩显著洚低。 为了克服上升流过滤时滤层易被冲动的缺点，人们采用了双向流过滤。该 法超澈于前苏联。箕方法楚驳滤崖璎释及底帮溺睦遴过滤求，获滤层懿中离位 置出水。由于能够很好地克服上向流过滤时滤层被冲动的缺点，其过滤的总流 速可达3 0 m h 。但建积混鼙很大的底部滤层仍然不易冲洗干净，而且滤池的结 橡也复杂化f 。 射流滤池的水流方向有从中心向用边流动和从周边向中心流动两种。前者 入瑟处酶承流速度缀丈，悬浮耪荔隧农流进入滤层瓣一定深度，默嚣驻够较努 地发挥滤层深处的载泥作用；艏者入口处的过滤面戡很大，即单位厚度内的滤 料体积乃至滤层空隙都很大，能够有穰大的裁泥量。辐射流沉淀淹的再生方法 仍然是水力反转洗，其结构嚣常复杂，给应用带来定困难。 ( 2 ) 改变滤料 与改变东滚方懿嚣基貔翅丽。太粥不莰褒浚变零滤方怒主终惑尝试，褥基 力求从滤料层本身进行改进，以求克服快砂滤层反敉径分布的缺点。显然，对 于降流式过滤来说，理怨的滤辩层应最献上到下，滤层酌张隙逐渐减小，飙舔 最大限度地发挥涤层滤料姻截污俸用，同时保证出水水质。 双层滤料和多层滤料是促使滤层结构合璁化的方法之一。双鼷滤料朦的结 橡多冀无潮缫一蠢荚移或晦较蠢茭砂双藩滤糕。石英砂层上效爱层粒 径大、质轻的无烟煤或陶粒滤料。三层滤料是在双层滤料的基础上发展的，其 方法怒在双层滤辩底部臻蹩一藤院重螫天的铁矿石或石摇石等缨粒滤辩落，箕 目的跫使滤层的孔径分蠢更接：i 垃理想他。 在一定程度上说，双层滤料和多艨滤料能够明照改善过滤器性能，然而在 1 8 王程磷士专监学位论文 每层滤料中仍然赵反粒径分布。每层滤料选用积 b 充都必须严格仔缨，秀剥， 会造戏混层现象，导致局部空隙率显蔫降低列局部阻力过大，这些缺点限制了 其在工业e 的应月。 均匀滤料是材殛棚同、粒度胡等的滤料，如轻质辍料球和橡胶粒筹。该秘 滤料掇然没有理燥滤料的结构，但也避免了砂滤层等的反粒径分布，从丽蠢一 定的发展前景。但由于成本相对较毫，目前在工业中舶应用还不广泛。 纤维球滤料怒一种毅型的滤料，篱先由日本尤尼奇卡公司研制。该纤维球 其有滤遮高、水头损失小、滤层簸污能力强、局期长、撮作简便等优点。清华 大学环境工稳研究所也率先研制了我国国产的纤维球滤料，并且在实际应用中 取得了很好的效果【1 9 1 。 纤维球滤料怒由丝径为2 0 8 m m 左右的聚酯纤维丝制成。和传统滤料相 比，纤维球滤料共有比重轻、比表亟积大、粒径大和滤层孔隙率商等持点，因 此，纤维球滤料不仅能够报有效煅应用于水的过滤，保证良好的出水水质，而 且具有滤速商、周期长、截溅量大等湿暑优势。纤维球粒径远比一般滤科大， 表4 几种滤料的持性参数 滤料种类石英砂戈烟煤陶粒纤维球 捡教容重 1 4 5 48 1 95 5 01 0 0 ( k 叠 囊魄重 26 315 823 813 8 ( g ，c 心) 粒经 0 5 1 20 8 1 80 8 2 ol o 3 0 ) 孔缘辜 4 474 85 6 5 1 7 689 0 9 5 ( ) 比袭嚣琰 3 0 0 4 0 0( 3 0 06 0 0 1 0 0 0 3 0 0 0 1 0 0 0 0 ( a 0 ) 联碱母液纤维球过滤特性的研究与应用 仅在滤料层上方和下方各设一块多孔挡板即能保证滤科不散失，其结构比一般 滤料的过滤设备大为简化，操作也更加简单，因此，纤维球过滤器在工业中得 到日益广泛的应用。 2 2 纤维球过滤的技术特点 作为过滤介质的纤维球( 图8 ) 是由许多横截面为圆形的纤维丝粘接而成， 直径一般为l o 3 0 m m ，纤维丝由球心向外散发呈辐射状结构，纤维丝的密度 +、 由球心向外逐渐减小。在组成纤维球滤床时，由于纤维球的可压缩性及本身重 力，纤维球层孔隙及孔隙率分布由上至下逐渐变小，滤床孔隙率平均约为9 5 。 图8 纤维球结构示意图 过滤时水流经过纤维球的各个部位和水流方向形成不同的角度，截留泥的 作用亦不相同为此把纤维球表面分成几部分：纤维球迎着水流方向的部分称 为迎水面或“阳面”；背着水流方向的部分称作背水面或“阴面”；相邻纤维球( 丝) 的纤维丝相互交叉、挤压出现的接触面称作过滤“盲区”。 过滤操作时，含有固体悬浮物的液体自上而下穿过纤维球介质，液体中较 大的微粒首先沉积到表层纤维球表厩( 阳面) ，表层纤维球排列疏松，球与球之 间孔隙大，水流主要通过球问孔隙进入滤床：阴面的积泥是较小的悬浮微粒统 流通过纤维球表面至阴面，由于水力、扩散和吸附架桥等作用粘附到该处，使 2 0工程硕士专业学位论文 该处粘有少量的泥；“盲区”同水流主体不能直接接触，因此至过滤结束时仍为 白色。因此，在过滤初期，起主要作用的是纤维球阳面；而随着过滤的进行， 阴面粘附的积泥逐步增加，阴阳面的差异将逐步减少。当水流穿过滤层上部时， 液体中相对较大的颗粒大部分被截留，较小的部分进入下层，由于纤维球滤层 孔隙率分布由上全下逐渐变小，即使足很小的颗粒也容易被压缩的纤维球层滤 除，从而保证出水质量的稳定。 此外，纤维球过滤器在不加药剂或添加絮凝剂时性能将有所差异。不添加 任何药剂时，纤维球上的积泥多呈典型的“毛刺”结构，而非其他纤维过滤时典 型的“树枝”状结构。添加絮凝剂后，水中微粒借助高分子链的吸附架桥等作用， 附着到纤维丝上，后续的微粒可继续依赖高分于的吸附架桥作用同己沉积的微 粒集结，形成具有一定形状的“树枝”，“树枝”的形成对过滤产生一定的影响。 “树枝“占据纤维丝表面，向外突出伸向孔隙通道，为捕获后来的悬浮微粒提供 新的表面因此在过滤有微细颗粒的悬浮液时，添加适量的高分子絮凝剂将大 幅度提高纤维球过滤器的性能。 有研究表明，与石英砂、陶粒等常规滤料比较，在各种不周性质的工业废 水进行处理时，纤维球滤料都能够进行高速过滤，滤速可高达4 0 m h 以上， 是石英砂的4 倍，是陶粒的3 倍左右。这是由于纤维球滤料具有孔隙大、孔隙 率高及比表面积大等特点，在高速过滤时，水流阻力很小，而悬浮物也很易被 截留，不会引起穿透。 在进行给水过滤实验时，纤维球滤层的截污量是石英砂的2 _ _ 4 倍。废水处 理中，由于悬浮物的粒径很大，传统的粒状滤科过滤时很易堵塞，因此，废水 过滤技术一直没有很大发展。 纤维球滤层的孔隙大，不易被堵，能很好地发挥作用。石英砂过滤废水的 滤层截泥量一般只有o 2 o 4 k g m 3 左右，比给水过滤的截泥量还低，这是因 为废水中粗大的悬浮颗粒根本不能进入石英砂等滤层，变成了“泥饼过滤”，滤 阻急剧上升，周期降到0 5 1 0 小时左右。 纤维球过滤废水时的滤层截泥量则高达5 o 1 0o k g m 3 ，周期也很长，这是 因为纤维球比表面积大，孔隙大，能够截留很多数量的大的悬浮物，使得滤层 的裁泥量更大。 联碱母液纤维球过滤特性的研究与应用 因此，由于纤维球过滤独特的技术优势，纤维球过滤将成为工业水处理的 新方向，在深层过滤的各种应用中发挥重要作用。 2 3 实验流程 如图9 所示，原液贮液槽内含