（冶金工程专业论文）转炉浊环水处理新工艺的研究.pdf

鞍山科技大学硕士论文 摘要 摘要 转炉浊环水对转炉生产是非常重要的，目前有许多转炉炼钢生产过程 中由于转炉浊环水水质问题而经常有如下情况：1 、水质恶化，悬浮物超 标，导致系统内结垢严重，在净化系统的关键位置一文、二文喉口等处结 垢使得净化系统的机前吸力和机后压力无法满足生产要求，被迫停炉检 修；2 、造成风机叶轮积灰导致风机轴震动的增加，不得不停炉检修等。 所以加强对转炉浊环水处理的研究意义重大。 本文针对转炉浊环水处理的工艺进行了系统的研究，介绍了传统的处 理工艺，重点研究了转炉浊环水处理的新工艺。从理论和实践等方面对粗 颗粒机、电磁式磁水器、斜板沉淀器在转炉浊环水处理中的作用和机理进 行了详细分析，尤其对纤维束过滤器在转炉浊环水处理工艺中的首次应用 进行了比较细致的研究，结合过滤和吸附的基本理论，对纤维柬过滤器在 处理浊环水的过程中的水中悬浮物的变化规律进行了工业实验，得出纤维 束过滤器在浊环水处理新工艺中的特点和作用。 通过对浊环水处理新工艺的研究，总结出浊环水处理按照粗颗粒机、 电磁式磁水器、斜板沉淀器、纤维束过滤器的顺序符合颗粒的沉降规律( 去 除杂质的粒度从大到小) ，是一种效果比较好的处理工艺，值得推广。 关键词：转炉浊环水沉降过滤纤维束过滤器 鞍山科技大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o n v e r t e rt u r b i dc i r c u l a t i n gw a t e risv e r yi m p o r t a n tf o r t h ec o n v e r t e rp r o d u c t i o n a tp r e s e n t ，i nt h ep r o d u c t i v ep r o c e s so f m a n yc o n v e r t e r s ，t h ef o l l o w i n gp r o b l e m so f t e nh a p p e nt ot h et u r b i d c i r c u l a r i n gw a t e ro fc o n v e r t e r ：( 1 ) t h ed e t e r i o r a t i o no fw a t e r q u a l i t ya n ds u s p e n d e dm a t t e r se x c e e d i n gt h es t a n d a r dr e s u l ti nt h e h e a v ys c a l ef o r m a t i o ni nt h es y s t e ma n d t h es u c t i o nf o r c eb e f o r e m a c h i n ea n dt h ep r e s s u r ea f t e rm a c h i d ec a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t s f o rp r o d u c t i o f fa n dith a st ob es h u td o w n f o rm s i n t e n a n c eb e c a u s e t h ek e yp a r t si nt h ec l e a n i n gs y s t e m p r i m a r ya n ds e c o n d a r yv e n t u r i t h r o a ta r es c a l e d ：( 2 ) d u s ts e t t l e m e n ta tt h eb l o w e rb l a d e sr e s u l t s i nt h ei n c r e a s e d v i b r a t i o no fb l o w e rs h a f ta n d s t o p p a g ea n d m a i n t e n a n c eh a v et ob ec a r r i e do u t t h e r e f o r ei ti sm o r ei m p o r t a n t t om a k e t h er e s e a r c ho nt h ec o n v e r t e rt u r b id c i r c u l a t i n gw a t e r t r e a t m e n t t h i sa r t i c l em a k e sa ns y s t e m a t i c a lr e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g y o fc o n v e r t e rt u r b i dc i r c u l a r i n gw a t e rt r e a t m e n ta n dd e m o n s t r a t e s t h ec o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n dm a k e st h er e s e a r c ho nt h e n e wt e c h n o l o g yo ft h ec o n v e r t e rt u r b i dc i r c u l a t i n gw a t e rt r e a t m e n t f r o m t h ev i e wp o i n to ft h e o r ya n dp r a c t i c e ，t h ea r t i c l em a k e st h e d e t a il e da n a l y s i so ff u n c t i o na n dm e c h a n i s mo fc o a r s eg r a i nm a c h i n e ， e l e c t r o m a g n e t i cw a t e rt r e a t m e n td e v i c ea n ds k e w p l a t ep r e c i p i t a t o r i nt h ec o n v e r t e rt u r b i dc i r c u l a t i n gw a t e rt r e a t m e n t ，e s p e c i a l l y m o r ec a r e f u la n a l y s i so ft h ef i r s tu s a g eo ff i b e rb u n d l ef i l t e ri n c o n v e r t e rt u r b i dc i r c u l a t i n gw a t e rt r e a t m e n t o nt h eb a s iso ft h e c o m m e r c i a lt r a i lo ff i b e rb u n d l ef i l t e ri nt h et u r b i dc i r c u l a t i n g w a t e rt r e a t m e n ta n dc h a n g i n gr n l eo fs u s p e n d e dm a t t e r si nt h ew a t e r ， t h i sa r t i c l eh a sd r a w nt h ec h a r a c t e r is t i c sa n de f f e c to ff i b e r b u n d l ef il t e ri nt h en e wt e c h n o l o g yo ft u r b i dc i r c u l a t i n gw a t e r t r e a t m e n t i i ，dhl， 塑坐型垫奎堂堡圭堡苎 垒! 竺竺 t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h en e wt e c h n o l o g yo ft u r b i dc i r c u l a t i n g w a t e rt r e a t m e n t ，t h i sa r t i c l eh a sd r a w nt h ec o n c l u s i o nt h a tt h e s e q u e n c eo fc o a r s eg r a i l 2m a c h i n e ，e l e c t r o m a g n e t i cw a t e rt r e a t m e n t d e v i c ea n ds k e w p 1 a t ep r e c i p i t a t o ra n df i b e rb u n d l e f i l t e rf o r t u r b i dc i r c u l a t i n gw a t e rt r e a t m e n tb yi si nc o n f o r m i t yw i t ht h e1 a w o fg r a i ns e t t l e m e n t ( i m p u r i t yi se l i m i n a t e df r o m t h eb i g g e rt o s m a l l e rg r a i ns iz e ) i tis ab e t t e rt r e a t m e n tt e c h n 0 1 0 9 yw i t ha b e t t e re f f e c t ，w o r t h yo fa p p l i c a t i o na n dd i s s e m i n a t i o n k e yw o r d s ： c o n v e r t e rt u r b i dc i r c u l a t i n gw a t e r ， s e t t l e m e n t ， f i l t r a t i o n 。f i b e rb u n d l ef i i t e r i i i 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 转炉浊环水处理研究的目的和意义 水是人类生存环境中最重要的基本要素，又是一种极其重要的经济资 源。水与人类文明进步和社会发展息息相关，密不可分。目前全球一半的 河流水量大幅减少或被严重污染，世界上8 0 个国家占4 0 的人i i 严重缺 水。水资源危机已经成为当今世界许多国家社会经济发展的制约因素。水 是经济繁荣的保证，哪一个国家或地区缺少了水资源，它的社会进步和经 济发展就会遇到种种困难。可利用的水资源数量已成为一个国家综合国力 或一个地区综合实力的重要组成部分，水资源开发利用保护水平与社会经 济和科技发展水平紧密相连，水资源的调蓄能力往往决定着经济发展和抗 灾应变能力的大小。水的问题已越来越为全社会所关注【6 j 。 我国水资源总量为2 8 万亿立方米，居世界第六位；人均占有量2 3 4 0 立方米，排在世界第1 0 9 位，仅为世界人均占有量的四分之一，已被列入 世界1 2 个贫水国家的名单中。 建国以来至2 0 世纪9 0 年代，我国用水总量迅速增长，从1 9 4 9 年的 1 0 0 0 亿立方米增长到1 9 9 7 年的5 5 6 6 亿立方米，一直趋于稳定。我国往年 用水量情况见图1 1 。 图1 - 1 我国往年用水情况 我国是个水资源不足的国家，水资源分布不均，既患寡又患不均。在 时间方面，年降水的百分之七十至百分之九十集中在6 、7 、8 、9 四各月， 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 并多以暴雨形式出现，水资源百分之七十以上由洪水组成，利用难度很大。 在空间方面，水资源的分布是东南多西北少。长江流域及其以南地区水资 源占全国总量的百分之八十二以上，而耕地只有百分之三十六；长江流域 及其以北地区水资源不到全国的百分之十八，而耕地却占百分之六十四。 由于这种严重不平衡，往往在同一时候，有的地方赤日炎炎，土地龟裂， 河川断流，有的地方连降暴雨，洪水泛滥，农田、村庄被淹。目前，我国 6 6 0 多个城市有4 0 0 多个缺水，其中严重缺水l o o 多个，且大部分属于因 污染导致的水质型缺水。每年因缺水损失工业产值1 2 0 0 多亿元。全国农 村和牧区有8 0 0 0 万人，6 0 0 0 0 万头牲畜饮水困难。经济的高速发展，使缺 水问越来越严重。 2 0 0 0 年，全国城镇化水平已经从1 9 4 9 年的l o 6 提高到3 6 ，预计 我国2 0 2 0 年的城镇化水平将达到5 0 左右，城镇总人口约为7 5 亿。今后 城市发展和城镇化的加快必然进一步加剧缺水危机。根据中国科学院数 据，全国可用水资源量，不考虑从西南调水，扣除生态环境用水后约为 8 0 0 0 9 5 0 0 亿立方米，2 0 5 0 年全国需水量可能达到7 0 0 0 8 0 0 0 亿立方米， 届时将接近可利用水资源的极限。 更为严峻的是，我国江河污染的严重势态还没有得到有效遏制，整体 环境质量还在恶化。每年水污染造成的经济损失约为全年g n p 的 1 5 3 。2 0 0 2 年，七大水系7 4 1 个重点检测断面中，仅有2 9 1 的断面 满足i 类水质要求，3 0 的断面属于、v 类水质。主要湖泊氮、磷污 染严重，富营养化问题突出。此外，全国以地下水源为主的城市，地下水 几乎全部受到不同程度的污染。 2 1 世纪是协调人口、资源与发展的世纪，人类社会只有建立起物质循 环型的城市才能持续发展。水的健康循环是循环型社会的基础。城市污水、 污泥的再生利用是水健康循环的必由之路。污水再生利用在以色列、意大 利、澳大利亚、美国等发达国家已经得到广泛应用，取得了良好效果。 一所谓水的健康循环，是指在水的社会循环中，尊重水的自然运动规律 和品格，合理科学地使用水资源，同时将使用过的废水经过再生净化，使 得上游地区的用水循环不影响下游水域的水体功能，水的社会循环不影响 下游水域的水体功能，水的社会循环不损害水自然循环的客观规律，从而 i 07 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 维系或恢复城市乃至流域的良好水环境，实现水资源的可持续利用。 根据水健康循环的理念，水资源的利用将由过去的“取水一输水一用 水一排放”的单向开放型流动，转变为“取水一输水一用户一再生水循环” 的反馈式循环流程。见下图卜2 。 再生水循环鼻，9 j ；：= 节带4 地取水 污水深度处理 用户节约用水 f 3 ( 3 1 ) 三力平衡时，悬浮物的沉降速度为： v = ( p 1 一p 2 ) 1 8 p * g d 2 ( 3 - 2 ) 式中：v 为悬浮物沉降速度，c m s ；p 1 为固体悬浮物的真密度，g c m 3 ； p 2 为污水的真密度，g c m 3 ；肚为污水的粘滞系数g c m s ；g 为重力加速度， 9 8 1 c m s 2 ；d 为悬浮物的当量直径，c m 19 1 。 粗颗粒分离机包括沉淀池和螺旋输泥机两个主要部分组成，2 1 5 0 新区 鞍山科技大学硕士论文 第三章租颗粒机应用研究 选用的丹东北方的l x 6 6 0 0 型粗颗粒分离机，其处理水量g 0 0 立小时， 螺旋叶片直径6 0 0 m m ，转数5 r m i n ，螺旋输泥机安装角度2 5 度，螺旋输泥 机叶片与槽底间隙：l o m m ，沉淀池污水停留时间：原设计5 m i n 。其主要技 术特点为： 1 ) 采用有轴螺旋体避免了与u 型槽之间的硬磨损： 2 ) 采用锰钢螺旋叶片、不锈钢u 型槽，提高了设备的耐磨性、耐腐 蚀性； 3 ) 采用可拆式螺旋叶片、水中轴承组件，维修换件更容易； 4 ) 主机采用链传动形式，传动平稳； 5 ) 螺旋轴可整体由手动葫芦提起维修，操作简便。 3 3 粗颗粒机应用效果 粗颗粒机投入运行后出泥效果较好，经过近几个月的实际运行，螺旋 叶片所带出的粗颗粒的产量见表3 - 1 所示。 表3 - 12 1 5 0 转炉粗颗粒机泥量统计表 取样化验表明，转炉粗颗粒机所带出的粗颗粒具有含水量小，铁含量 较高的特点，是非常好的制造球团的材料，而且其粒度在2 0u m 到g ou m 所占的比例在5 0 以上，运行效果比较理想，粗颗粒成分见表3 2 ，粗颗 鞍山科技大学硕士论文 第三章粗颗粒机应用研究 粗颗粒机投入运行后粗颗粒机出水的悬浮物有明显的降低，经过取样 化验表明还是比较理想的，取样结果见表3 4 。 表3 - 4 粗颗粒机在吹氧期间进出水水质化验结果 上表中的取样时间是在转炉下枪吹氧后的第5 分钟、第8 分钟、第1 1 分钟、第1 4 分钟，同时取进出粗颗粒机的浊环水。从上表可以看出： 1 ) p h 值在转炉吹氧过程中的变化不大，基本在1 0 到1 2 之间波动； 2 ) 全硬度在吹氧期间有较大的变化，与吹氧过程中加料品种和时间 有一定关系； 3 ) 出水的悬浮物比进水悬浮物降低较多。 综上所述，2 1 5 0 新区转炉浊环水系统应用粗颗粒机总体上是比较成 功的，悬浮物是反映转炉浊环水的重要指标的，从进出水的悬浮物数值可 1 9 鞍山科技大学硕士论文 第三章租颗粒机应用研究 以看出粗颗粒机处理转炉浊环水的效果是比较理想的，悬浮物减少将近 6 0 ，浊环水中的大颗粒部分在粗颗粒机中被首先处理出来，其意义主要 体现在两方面： 一方面是采用物理的方式既用螺旋叶片将泥带出减少了后道工序污 泥经带式压滤机时絮凝剂的消耗量； 另一方面大颗粒的成分含铁量较高，硬度较大j 对管道的磨损很大， 而且因为比重较大特别容易将管道堵塞，老区转炉浊环浓缩池下部管道曾 经多次堵塞影响生产，而经过粗颗粒后其磨损会明显降低，管道堵塞也减 少很多。 鉴于以上的使用效果，老区1 8 0 吨转炉浊环水系统目前正在积极筹划 使用粗颗粒机。 2 0 鞍山科技大学硕士论文 第四章磁化及斜板对悬浮物去除的机理及应用效果 第四章磁化及斜板对悬浮物去除的机理及应用效果 4 1 磁化水简介 早在十三世纪，人们已经注意到磁化水的医疗作用。1 9 4 5 年比利时的 韦梅朗应用磁化水减少锅垢的形成并获得专利。由于装置简单，且不需要 任何化学药剂，该技术在美、日及前苏联等国家相继得到开发，被称为“奇 迹般的水处理”，我国的磁化水及磁水器研究始于六十年代初，针对锅炉 及冷却水防垢问题首先在冶金系统得到应用并取得一定效果 3 6 l 。 4 2 磁化水的水质特征 前苏联科学家通过较为全面的研究试验证明，磁化后的单相和多相水 系的物理化学及生物化学性质发生了变化。具体表现在： ( 1 ) 溶解度增大，磁化后水的溶解度增大，其程度取决于磁场强度及 处理后放置的时间等。实验证明，除了钙、镁和其它无机物在磁化水中能 较好溶解外，部分有机物的溶解性能也得到改善。同时发现磁化处理过程 中溶解氧具有某种化学活化作用，导致水的物理化学性质、润湿性及生物 活性都有变化。磁化水的杀菌作用也证明了这一点。 ( 2 ) 结晶速度增加：磁化后的溶液中的成晶物质生成晶粒的速度快， 与未磁化时结晶指标相比，晶粒体积小，数量多。 ( 3 ) 凝聚性增强：固体表面润湿性变化，颗粒稳定性降低，凝聚性增 强。这一特性可用于除尘、浮选及悬浮物浓缩等。 ( 4 ) 蒸发速度加快，有提高烘干效果的作用。 ( 5 ) 离子交换容量增加：溶液在与离子树脂接触之前进行磁化处理会 导致吸附容量的增加【3 6 】。 总之，经磁化处理后水的物理化学性质发生了变化，也正是这一变化 形成了磁化水处理实际应用的基础。实践确实证明了水系磁化处理后，与 2 l 鞍山科技大学硕士论文 第四章磁化及斜板对悬浮物去除的机理及应用效果 之相关的工艺与生物过程指标的到了改善。 4 3 磁化对转炉浊环水沉降和分离过程的强化机理 在磁化水的水质特性中，凝聚性增强这一点是增强转炉浊环水沉降和 分离的原因之一，另外，转炉浊环水中含有大量的铁使得磁化对转炉浊环 水的处理效果更加明显。 在第三章中已经对水中悬浮物沉降的条件做了研究，其中悬浮物的沉 降速度为： v = ( p 1 一p 2 ) 18 p * g d 2 ( 4 - 1 ) 式中：v 为悬浮物沉降速度，c m s ；p 1 为固体悬浮物的真密度，g c m 3 ； p 2 为污水的真密度，g c m 3 ；u 为污水的粘滞系数g c m s ；g 为重力加速度， 9 8 1 c m s2 ：d 为悬浮物的当量直径，c m 。 从上式可以看出，颗粒的沉降速度与颗粒直径的平方成正比，这是 转炉浊环水中微细尘粒净化效果低下的根本原因。 所以，要提高转炉浊环水中的悬浮物的沉降和分离速度，增大颗粒 表观粒度是强化沉降过程的主要途径。 在转炉浊环水中，浊环水在转炉的一文、二文等处与高温的转炉烟 气相接触，而转炉烟气中含有大量的铁、石灰粉及其他一些微粒就在喉口 处与水的微粒相融合，从而进入到浊环水中，这样转炉浊环水中的悬浮物 便是以铁为主的混合物。 这样成分的转炉浊环水，在磁场的作用下，浊环水中的铁磁性物质被 磁化，磁化后的磁性物质通过相互碰撞、电性巾和、网捕和自然沉降等作 用，颗粒由小逐渐到大，最终形成密实、粗大的絮团而沉降。 在强化固液分离的过程中，应分析团聚体受力情况，其公式为： f t = f g + f m + f a ( 4 - 2 ) 式中 f g 一一团聚体在液体中的净重力： f 。一一团聚体在磁分离器中的磁力； f d 一一团聚体在液体中的剪切阻力； 重力沉降时，主导力f g ，抗衡力f d ，磁力f 。为零，对细微粒f d f g ， 鞍山科技大学硕士论文第四章磁化及斜板对悬浮物去除的机理及应用效果 所以重力沉降时细微颗粒沉降比较困难。 磁分离时，主导力f 。，抗衡力f d 和f g ，对磁性物质，f m f d + f g 这是磁分离效果比重力沉降分离优越的原因 8 1 。 4 4 斜板沉淀器对转炉浊环水悬浮物的去除机理1 4 4 1 斜板浓密原理。 斜板能缩短沉降时间或增大 沉降面积已由实践证明而得到公 认。 在斜板间的固体颗粒，沿着流 体拖力和重力的合力移向板面， 一旦落到板上，颗粒将下滑并排 入静态区，澄清水则向上流动而 排出。 a - , - b j 图4 - 1 斜板沉淀原理示意图 图4 - l 中l 为板长，a 为水平倾角。固体颗粒进入下端a ，以自由沉 降速度v s 和板间上升流速v 的合速度v o 运动到上端c 。假定为自由沉降， 不同相界面摩擦力为零，当板间流速高达v i ( 垂直上升分量为v l s i n c t ) 时，仍能落在板面沉淀，达到固液分离的目的。同样条件下，仅当v 。 v s 时，该颗粒才能沉降， 比较可得 v l s i n a v ，- = l + 吉s i n a c 。s n ( 4 3 ) 将l = 2 0 0 0 m m 、d = 5 0 m m 、c t = 5 0 。代入，则v l s i n c d v l = 2 1 倍。实际上， 自由沉降极少，大多数为干涉沉降，斜板上沉淀物向下滑式流动，使斜板 间流体力学场大不相同，而其中的固体含量、粒度组成、板面性质等对斜 鞍山科技大学硕士论文第四章磁化及斜板对悬浮物去除的机理及应用效果 板的速度场都有影响。 4 4 2 斜板沉淀器对转炉浊环水中悬浮物的去除效果 对在生产过程中不同状态下斜板沉淀器的进出口水的悬浮物进行取样 化验，其结果如下： 表4 - 1 斜板沉淀器的进出口水的悬浮物进行取样化验结果表 从取样结果分析，斜板沉淀器对转炉浊环水的处理效果比较好，是一 种较好的转炉浊环水处理设备。 鞍山科技大学硕士论文 第五章纤维束过滤器在浊环水处理中的应用研究 第五章纤维束过滤器在浊环水处理中的应用研究 5 1 过滤器的概念及分类 水处理中的过滤器是指能将水中的固体颗粒或容易沉降的杂质去除 的水处理设备。按照过滤介质可分为两大类：粒状介质过滤器和纤维介质 过滤器。 粒状介质过滤器按滤料分布可分为单流式过滤器及多层滤料过滤器。 单流过滤器的滤料是以上洗下粗的方式排列，所以过滤效果不好，截污能 力不强，且阻力损失增加较快，生产效率比较低，运行成本比较高。多层 滤料过滤器是对单流过滤器的改进，滤料一般由无烟煤、石英沙等组成， 大粒径小比重的无烟煤在上层，中等粒径、中等比重的石英砂在中层，粒 径小而比重大的滤料在下层。这种滤料的分布使得滤料的截污能力增强， 过滤效果较好，滤速较高，可达3 0 米，小时以上。 以纤维为滤料的纤维过滤器是随着材料科学的发展而在最近十多年 的时间里迅猛发展且被广泛应用的过滤器。与粒状过滤器相比，纤维过滤 器的比表面积大，吸附能力强，而且纤维比较柔软，在过滤时能实现密度 调节或沿水流方向过滤孔径逐渐变小的合理过滤方式，使得设备出水质 量、截污能力、运行流量都得到大副提高。纤维过滤器可分为纤维球过滤 器和纤维束过滤器，纤维束过滤器又可分为胶囊式过滤器和压力式纤维束 过滤器【2 3 1 。 5 2 纤维过滤器的工作原理 5 2 1 纤维球过滤器 纤维球过滤器是在容器内填装纤维球形成过滤层，由于纤维球个体较 疏松，在过滤层中纤维球之间的纤维丝可实现相互穿插，此时纤维球的个 鞍山科技大学硕士论文第五章纤维束过滤器在浊环水处理中的应用研究 体特征已经不重要，而是形成了一个过滤层的整体。过滤层中纤维球受到 的压力为过滤水流的流体阻力、纤维球自身的重力以及截留悬浮物的重力 之和。如果水流从上至下通过过滤层，该力在滤层中沿水流方向是依次递 增的。因为纤维球具备一定弹性，在压力下滤层空隙率和过滤孔径由大到 小渐变分布，滤料的比表面积由小到大渐变分布。这是一种过滤效率由低 到高递增的理想过滤方式。直径较大、容易滤除的悬浮物可被上层滤层截 留，直径较小，不易滤除的悬浮物可被中层或下层滤层截留，在整个滤层 中，机械筛分和接触絮凝作用都得到充分发挥，从而实现较高滤速、截污 容量和较好的出水水质。实际运行表明在运行流速在1 5 4 0 m h 时截污容 量一般在l 1 2 k g m 3 之间，其运行流速和截污容量是砂滤的数倍，出水浊 度也明显提高。 该过滤器存在的不足是由于纤维球是呈辐射状的球体，靠近球中心部 位的纤维密实，反洗时无法实现疏松，截留的污物难于彻底清楚，在气、 水联合清洗时纤维球易流失，用机械搅拌清洗时纤维球易破碎。 篱啦山幽 筵 l 红壁韭 图5 - 1纤维球过滤器示意图 5 2 2 胶囊式纤维过滤器 将长纤维束挂装在设备中，纤维层中安装数个软质胶囊，过滤前将胶 囊充水，横向挤压长纤维，使纤维层空隙率和过滤孔径由大到小渐变分布， 这部分滤层特性与纤维球相似，过滤效果也比较接近。该过滤器的滤速一 般为2 0 4 0 m h ，在进水浊度相同的条件下，截污容量是砂滤器的2 4 倍。 清洗过滤器时，先排净胶囊中的水，使长纤维束得以疏松，在用气水混合 鞍山科技大学硕士论文 第五章纤维束过滤器在浊环水处理中的应用研究 清洗。在挂装的长纤维滤层中安装可充、排水的软质胶囊，解决了纤维层 的压实、疏松及纤维流失问题。 该过滤器的不足是一方面胶囊的寿命教短，价格也比较昂贵而且其更 换比较困难：另一方面是需要胶囊的充排水系统和充水的计量装置。 5 2 3 纤维束过滤器 图5 - 2 胶囊式纤维过滤器示意图 纤维束过滤器的典型结构为将长纤维束安装于过滤器内的 固定板和移动板之间，依靠水流的阻力产生压力，挤压下部纤维 层，形成过滤空间。反洗时水流能使纤维舒展，实现对纤维层的 清洗。， 图5 - 3 纤维束过滤器示意图 鞍山科技大学硕士论文第五章纤维柬过滤器在浊环水处理中的应用研究 5 3 过滤及吸附的基本理论 5 3 1 过滤及吸附机理 水处理中过滤的目的是除去水中的微小的悬浮物。过滤的过程一般 为：当污水进入滤料层时，悬浮物的颗粒被截流下来，而微细的颗粒则通 过与滤料颗粒或已附着的悬浮颗粒接触，出现吸附和凝聚而被截留下来， 那些附着不牢的颗粒在水流的作用下，随水流到下一层滤料中去，或者由 于滤料颗粒表面吸附量过大，空隙变得更小，于是水流速度增大，在水流 的冲刷下，被截留物也能被带到下一层。因此，随着过滤时间的延长，滤 层深处被截留的物质越来越多，甚至随水带出滤层，使出水水质变坏。 ( 1 ) 迁移机理 水中的悬浮物脱离流线而与滤料接触的过程就是迁移过程。颗粒迁移 主要有以下几种原因： a 筛滤作用比滤层空隙大的颗粒被机械筛分，截流于过滤表面上， 然后这些被截留的颗粒形成空隙更小的滤饼层，使过滤水头增加，甚至发 生堵塞。 b 拦截作用随流线流动的小颗粒，在流线会聚处与滤料表面接触。 其去附概率与颗粒直径的平方成正比，与滤料粒径的立方成反比，也是雷 诺准数的函数。 c 惯性作用当流线绕过滤料表面时，具有较大动量和密度的颗粒 因惯性冲击而脱离流线碰撞到滤料表面上。 d 沉淀作用在重力的作用下，粒径和密度较大的颗粒会偏离流线 沉淀到滤料表面上，沉淀效率取决于颗粒沉速和过滤水速的相对大小和方 向。此时，滤层中的每一个小孔隙起着一个浅层沉淀池的作用。 e 布朗运动对于微小悬浮物，由于布朗运动而扩散到滤料表面。 f 水力作用由于滤层中的孔隙和悬浮颗粒的形状是极不规则的，在 不均匀的剪切流场中，颗粒受到不平衡力的作用不断地转动而偏离流线。 在实际过滤中，颗粒的迁移受到上述各种机理的作用，它们的作用程 度取决于水流状况、滤层孔隙形状及颗粒本身的形状、粒度、密度等性质。 鞍山科技大学硕士论文第五章纤维束过滤器在浊环水处理中的应用研究 ( 2 ) 附着机理 在迁移过程中的悬浮颗粒，附着在滤料表面上不再脱离，就是附着过 程。引起附着的因素主要有接触凝聚、静电引力、分子引力和吸附作用。 接触凝聚是指在原水中投加凝聚剂，压缩悬浮物颗粒和滤料颗粒表面 的双电层后，但尚未生成微絮凝体时，立即进行过滤，此时水中脱稳的胶 体很容易与滤料表面凝聚，既发生接触凝聚作用，因此接触凝聚是主要附 着机理。 静电引力是由于颗粒表面上的电荷和由此形成的双电层产生静电引 力和斥力。当悬浮物颗粒和屡料颗粒带异号电荷则相吸，反之，则相斥。 分子引力是指原子、分子间的引力在颗粒附着时起重要作用，引力可 以叠加，其作用范围有限，与两分子的间距的6 次方成反比。 ( 3 ) 吸附作用机理 吸附是指固体表面的分子或原子因受力不均衡而具有剩余的表面能， 当某些物质碰撞固体表面时，受到这些不平衡力的吸引而停留在固体的表 面上的过程。这些不平衡力包括分子之间的引力、化学键力和静电引力。矗 根据表面吸附力的不同，吸附可以分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸 附三种类型。 ( 4 ) 脱落机理 滤池的反冲洗一般用水和压缩空气来完成。在反冲洗时，滤层膨胀一 定高度，滤料处于流化状态。截留和附着于滤料表面的悬浮物受到高速反 洗的气和水的冲刷而脱落，另外滤料颗粒在水流中旋转、碰撞和摩擦也使 悬浮物脱落。反冲洗的效果取决于冲洗强度和时间，在采用同向流冲洗时 还与冲洗流速的变动有关。 5 3 2 过滤方程 ( 1 ) 澄清方程 利用均匀滤床过滤澄清含均匀分散的非絮凝性颗粒的悬浊液时，液相 浓度随滤层深度z 和过滤时间t 而变化，即 c = f ( z ，t )( 5 - 1 ) 鞍山科技大学硕士论文第五章纤维束过滤器在浊环水处理中的应用研究 按全微分性质，有 生：丝堕+ 丝 ( 5 - 2 ) d t ed ta t 式中李为液体通过滤料实际空隙的速度，即 堕：! ：上r5 - 3 ) d t s o q p s 占。一盯 式中v 一一过滤空塔速度，m s ； 占。一一干净滤层的空隙率： q 一一单位体积滤层截流的悬浮物量，k g m 3 ； ps 一一悬浮物的密度，k g m 3 ； 仃一一比沉积量； 通常认为，悬浮物的去除速度与其浓度成正比，即d c = k c 。 因此，式( 5 - 2 ) 可以写为 l 丝+ 丝：k c( 5 - 4 ) s o 一盯8 z a t 上式左边第二项表示滤料空隙水中悬浮物浓度随时间的变化率，与第 一项相比其值甚小，可忽略不计，则简化为 一a c 旯c ( 5 - 5 ) 研 式中a 称为莲滤系数，2 - k ( 、6 0 _ - a 一) 。旯越大，澄清效率越高。 式( 5 - 5 ) 称为过滤澄清方程。该方程表明单位滤层厚度截留的悬浮物 量与该处液相的悬浮物浓度成正比，该规律已为试验验证。 在t = o 时，积分上式得c = c o e x p ( - 2 0 z ) ，c o 为悬浮物入e 1 浓度；2 0 为t = o 时过滤系数的初始值。由于颗粒沉积改变着空隙流态和滤料表面性 质，因此，不是常数，而是沉积量的函数。 艾夫斯导出了a 的如下通用计算式： 2 = 2 o 去) y ( 卜詈) z ( ，号r s ， 式中盯。为a = o 时滤层可能达到的最大比沉积量；y 、z 、x 为由实验确 鞍山科技大学硕士论文第五章纤维柬过滤器在浊环水处理中的应用研究 定的指数。 上式中第一括号项表示由于悬浮物颗粒沉积使滤料的比表面积增加。 第二括号项表示当沉积量达到一定程度后，水流通道收缩为一组毛细管， 此时滤层比表面积随比沉积量增加而减小，因而过滤系数也随着降低。第 三括号项表示由于沉积物增加，缩小过水断面，使孔隙流速加快，冲刷加 剧，因此过滤系数减小。 ( 2 ) 连续过滤方程式 在滤层中任取一厚度为d z 、体积为d v 的均匀微元段。流量为q ，浓度 为c 的原水流过该段时，水中的悬浮物浓度和滤料上的悬浮物量都发生变 化。 整理可得 v 塞+ ( g 0 - - o ) 宴o t 。宴o t ( 5 7 ) 院 上式称为过滤的连续性方程。若忽略等式左边第二项，则连续方程简 化为 v 宴：拿 ( 5 - 8 ) 瑟西 根据实测不同滤层深度处的浓度及运行时间，可用上述模式评价滤池 的工作状态。 ( 3 ) 阻力方程 过滤的水头损失包括干净滤层的水头损失和沉淀物产生的水头损失 两部分。 卡门一柯真尼从管道沿程阻力损失公式导出了干净滤层阻力的公式： 了h 0 2 詈掣2c 孚，喜粤d i c s - ， l g ps ：l急z 式中l 为滤料的球行因素，其值约为o 7 3 0 9 5 。为水的动力粘度系 数，其余符号意义同前。 随着过滤的进行，滤料层孔隙滤逐渐变小，水头损失随比沉积量增大 而增大。纳污滤层的水头损失可用( 氏- - 0 ) 代替上式中的岛，仍用式( 5 - 8 ) 鞍山科技大学硕士论文第五章纤维束过滤器在浊环水处理中的应用研究 计算。 另外，也可以在损失项叠加一个随比沉积量或时间增大而增大的阻力 项，如格里哥利公式： 日：k v c o 堕t( 5 - 9 ) 1 一占。 式中k 为经验系数。 从阻力方程可以看出，水头损失与滤速成正比，与滤料粒径的平方成 反比，与过滤时间和进水浓度成正比。 5 3 3 过滤效率的影响因素 过滤是悬浮颗粒与滤料的相互作用，悬浮物的分离效率受到这两方面 因素的影响。 ( 1 ) 滤料的影响 a 、粒度过滤效率与粒径d 3 ( 1 n 3 ) 成反比，即粒度越小，过滤 效率越高，但水头损失也增加越快。在小滤料过滤中，筛分与拦截机理起 重要作用。 b 、形状角形滤料的表面积比同体积的球形滤料的表面积大，因此 当孔隙率相同时，角形滤料过滤效率高。 c 、孔隙率球形滤料的孔隙率与粒径关系不大，一般都在0 4 3 左右。 但角形滤料的孔隙率取决于粒径及其分布。较小的孔隙率会产生较高的水 头损失和过滤效率，而较大的孔隙率提供较大的纳污空间和较长的过滤时 间。但悬浮物容易穿透。 d 、厚度滤床越厚，滤液越清，操作周期越长。 e 、表面性质滤料表面的不带电荷或者带有与悬浮物颗粒表面电荷 鞍山科技大学硕士论文 第五章纤维束过滤器在浊环水处理中的应用研究 相反的电荷有利于悬浮颗粒在其表面上吸附和接触凝聚。 ( 2 ) 悬浮物的影响 a 、粒度粒度越大，通过筛滤去除越易。 b 、形状角形颗粒因比表面积大，其去除效率比球形颗粒高。 c 、密度颗粒密度主要通过沉淀、惯性及布朗运动机理影响过滤效 率，因这些机理对过滤贡献不大，故影响程度较小。 d 、浓度过滤效率随原水浓度升高而降低，浓度越高，穿透越易， 水头损失增加越快。 e 、温度温度影响密度及粘度，进而通过沉积和附着机理影响过滤 效率。降低温度，对过滤不利。 f 、表面性质悬浮物的絮凝特性，电动电位等主要取决于表面性质。 因此，颗粒表面性质是影响过滤效率的重要因素【25 1 。 5 3 4 滤速变化及其控制 前已述及，过滤是一个间歇过程，过滤及反洗澡作交替进行，在过滤 阶段原水流过滤床，除去其中的悬浮物。由于滤层阻力不断增加，滤速将 相应减小。为了保持一定的滤速，应设置流量调节装置，以保持滤池进水 量与出水量平衡，防止因水位过低而滤层外露，或因水位过高而溢流。 在恒速过滤中，作用在滤池上的水头恒定，而滤层中的阻力增加，由 逐渐开大的出水阀来补偿，使总阻力和出水量维持不变。开始过滤时，滤 层是干净的，阻力很小。如果全部推动力都用于穿过滤池，则滤速会很高。 此时让一部分水头消耗在几乎是关闭的出水阀上。继续进行过滤，滤池逐 鞍山科技大学硕士论文 第五章纤维束过滤器在浊环水处理中的应用研究 渐被悬浮物阻塞，阻力增大，因而流量控制阀应逐渐开大。当出水阀全开 时，则过滤必须停止，否则滤速将下降。 随过滤的进行，滤池水头损失和滤后水浓度逐渐上升。当出水浊度超 过允许值或水头损失达到设定值，过滤阶段即告结束，滤池需要进行反洗。 滤池的过滤时间也叫过滤周期，随滤料组成、截污容量、原水浊度、滤速 而异。 5 3 5 滤池冲洗 滤池冲洗的目的是清除截留在滤料孔隙中的悬浮物，恢复其过滤能 力。一般滤池采用滤后水冲洗，并辅以表面冲洗或空气冲洗，用空气泡搅 动滤料层，使截留的悬浮物脱落下来，被水流冲走。同时靠水力剪切和滤 料摩擦抖动清洗滤料。 ( 1 ) 膨胀率 当上升的反冲洗水流对滤料施加的拖曳力等于滤料有效重量时，滤料 呈临界悬浮状态，此后，随冲洗强度加大，滤层进一步膨胀和流化，滤层 膨胀率e 可表示为： e ：丝 ( 5 1 0 ) 。2t 一 式中l 、1 e 分别为滤层膨胀前后的厚度。 膨胀率测定简单，常作为反冲洗操作的控制指标。e 太低，水流剪切 力小；e 过高，滤料摩擦抖动和碰撞次数少，对清洗污物不利。因此，e 应 适当。 鞍山科技大学硕士论文 第五章纤维束过滤器在浊环水处理中的应用研究 ( 2 ) 反冲洗强度 单位时间单位滤池面积通过的反冲洗水量称为反冲洗强度q ，通常用 1 ( m 2 s ) 表示，其值与滤料、水温、孔隙率和要求的膨胀率有关，可用 经验公式计算，也可用试验方法确定。 ( 3 ) 反冲洗时间 反冲洗时间依滤层污染程度而异，应根据运动情况来确定。在冲洗初 期，出水浊度急剧升高，达最大值后，通过测定反洗水浊度，可确定合适 的冲洗时间。 ( 4 ) 反冲洗水头 反冲洗所需水头等于滤层、配水系统及管路的水头损失之和，并留有 1 5 2 0 m 的富余水头。滤层阻力正好等于滤料在水中的重量，其水损 失 或由下式计算： h ，= ( p 。p 一1 )( 1 一e 。) l ( m )( 5 1 1 ) 式中p 和p ，分别为水和滤料的密度。 大阻力配水系统的孔眼水头损失为 h 。2 ( 击) 4 瓦l ( 5 1 2 ) 式中u 一孔眼流量系数，与孔眼直径和管壁的比值有关，其数值见表 ( 5 - 1 ) ： a 一孔眼总面积与滤池面积之比，一般为0 2 0 0 2 5 鞍山科技大学硕士论文第五章纤维束过滤器在浊环水处理中的应用研究 ( 5 ) 反冲洗水的供应和排除 反冲洗水可用水塔或水泵供给。水塔安装高度及水泵扬程取决于反冲 洗水头。反冲洗水量为滤池面积、反冲洗强度与时间的积，约占滤过水量 的1 2 。 ( 6 ) 空气冲洗 到目前为止，还没有从理论上推导出水一气联合冲洗的最佳空气冲洗 强度，只能从经验中获得。 5 4 纤维过滤器运行试验分析 5 4 1 概述 鞍钢新区2 1 5 0 转炉共有3 座，每座转炉浊环水系统配有4 台高效纤 维过滤器。其中一期工程为8 台高效纤维过滤器，二期工程为4 台高效纤 维过滤器。高效纤维过滤器主要性能及参数见表4 - 1 5 4 2 试验研究 ( 1 ) 滤前水浊度和滤后清水浊度 滤前水为经过粗颗粒机和斜板沉淀器的转炉浊环水水。由浊环水泵加 鞍山科技大学硕士论文 第五章纤维束过滤器在浊环水处理中的应用研究 压后进高效纤维过滤器。清水管出口浊度2 0 0 5 0 m g l ，滤后出口浊度 5 0 “l o m g l 。试验水温为3 8 c 左右。因其它水质指标对过滤效果影响不 明显，所以不在讨论之内。 表5 2 压力式高效纤维过滤器主要性能及参数表 规格( c m ) 3 2 0 料层厚度( m m ) 过滤速度( m h ) 滤水量( m 3 h ) 1 6 0 0 3 0 2 1 0 最大操作压力0 6 0 m p a 截污容量5 l o k g m 3 ( 滤料) 过滤压头损失过滤失效时入口、出口、压差一般0 1 0m p 。 滤前水悬浮物( 浊度)2 0 0 5 0 m g l ( 2 0 f t u ) 滤后水悬浮物( 浊度)5 0 1 0 m g l ( 1 o f t u ) 清洗操作压力0 0 5 0 1 5m p 。 反洗强度6 l o l m s ，相应上向洗流速3 0 m h 左右 清洗空气压力0 0 5m p 。；最大不得超过0 1 0m p 。 清洗空气强度约6 0 8 0 l m s 清洗时间 ( 2 ) 试验工艺及设备 a 、试验工艺 鞍山科技大学硕士论文第五章纤维束过滤器在浊环水处理中的应用研究 本次实验采用高效过滤器在不同工况下进出水悬浮物变化对比，总结 纤维束过滤器在转炉浊环水系统中运行的规律，并对其运行进行改进。试 验的方法。采用束状软填料一一纤维作为过滤器的滤元，滤料直径在几微 米到几十微米，试验工艺的主要技术参数与表5 - 2 同。 b 、试验设备 本次对a 炉4 台过滤器运行进行现场试验