（市政工程专业论文）纤维毯过滤实验研究.pdf

摘要 摘要 在传统的净水工艺中，若能省略沉淀池而对原水直接过滤，不仅可节省投资和 占地面积，还将带来良好的经济效益。在深入理解纤维过滤的机理和总结已有各类 纤维过滤器优劣的基础上，开发了一种新型高含污量的纤维毯过滤器，节省了沉淀 设施。 纤维过滤具有过滤速度高、出水水质好、阻力小、截污容量大等优点然而， 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。因此，对纤 维毯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。 论文主要内容如下： 开展了不同浓度、不同滤速等操作参数下的直接过滤实验，实验结果给出了浓 度、滤速等操作参数下的过滤效果及水头损失，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，为进一步研究开发及应用纤维毯奠定了基 础。 实验结果表明： ( 1 ) 调整纤维滤料密度，可相应调节设备运行产水量。密实度越小则产水量越 大，密实度越大则产水量越小。 ( 2 ) 清洗时间为4 0 m i n ，反洗进水流速约7 0 m h 时，清洗效果最佳 ( 3 ) 纳污容量大，反冲洗彻底，运行稳定，与净水厂常规砂滤相比具有明显的 技术优势，展现了良好的技术前景。 通过对纤维毯过滤性能实验的研究，证明了纤维毯在过滤性能指标上均能满足 一般过滤工艺的要求 图1 8 表1 2 参6 2 关键词；纤维毯；过滤；水头损失；动力学 分类号：t u 9 9 1 2 4 a b s t r a c t i th a sb e e na t 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 l u e n tq u a l i t ya n d e f f i c i e n c yo ff 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 r p o l l u t i o na n ds h o r t a g eo f w a t e rr e s o u r c e s a sal l 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 l a n k e tm e d i af i l t e r , w i t ht h ef e a t u r e so f l l 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 l lr e s i s t a n c et of l o wa n dg r e a tr e t a i n i n g c 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 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 yi ti s ，f o rt h ed e s i g n i n ga n do p e r a t i n go f f i l t e r 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 f d i f f e r e n td e n s i t y , s u p e r f i c i a lf i l t r a t i o n v 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 so nc h a r a c t e r i s t i c so f f i l t r a t i o np r o c e s s e s t h ee 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 td i f f e r e n t d e n s i t ya n d d i f f e r e n t s 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 nf i l t e re f f e c ta n db e a dl o s so ff i b r o u sb l a n k e tm e d i ad i r e c t f i l t r a t i o n t h er e l e v a n td a t ao f t h ee x p e r i m e n tw i l lc o n t r i b u t et ot h ee s t a b l i s h m e n to f h e a d l o s se q u a t i o na n dd y n a m i c sm o d e l ，a n dm a k ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n to ff i b e r b l a n k e tf i l t e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l td e m o n s t r a t e ： ( 1 ) t h ed e p u r a t i v ea b i l i t yo fe q u i p m e n t sc 髓b ei m p r o v e dt h r o u g ha d j u s t i n gt h e d e n s i t yo ff i b e rf i l t e rm a t e r i a l 1 1 ”d e n s i t yi sm o r es m a l lt ot h e nt h ew a t e ry i e l di sm o r e b i g ，a n dt h ed e n s i t yi sm o r eb i gt ot h e nt h ew a t e ry i e l di sm o r es m a l l ( 2 ) w h e nw a s h i n gt i m ei s4 0m i n u t e s , a n dw a s h i n gv e l o c i t yi sa b o u t7 0 m h , t h e w a s h i n gr e s u l ti sb e s t ( 3 ) w i 血l e s st i m eo ff i l t e r i n gb e dg r o w i n gm o r eq u a n t i t i e so fs a v e dd i r t ，t h o r o u g h l y b a c k w a s h i n ga n ds t e a d yf i l t e r i n gp r o c e s s , w h i c hi sc o m m o n l yu s e di ns u p p l yw a t e rp l a n t , t h i sf i l t e rh a so b v i o u ss u p e r i o r i t yi nt e c h n o l o g ya n d p r o m i s i n gi na p p l i c a t i o n w et e s t i f yf i b r o u sb l a n k e tm e d i af i l t r a t i o n t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tt h eq u o t ac a l l s a t i s f yt h ed e m a n do f g e n e r u lf i l t r a t i o np r o c e s s f i g u r e18 ，t a b l e1 2 ，r e f e r e n c e6 2 k e y w o r d s ：f i b r o u sb u n d l e ，b e df i l t r a t i o n , b r a c t a lh e a dl o s s ，d y n a m i c s c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t u 9 9 1 2 4 1 1 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的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 河北理工大学或其他教育机构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任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表 示了谓十意。 签名：瑟垂鉴日期：丝丑年皇月丝日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 签名：趔翮签名龇魄盟年皇月坐日 引言 引言 水的处理工艺中，除混凝、沉淀( 澄清) 工艺外，过滤工艺也是必不可少的， 它是处理工艺的最后一道工序，过滤效果的好坏影响到整个水处理的效果。在水处 理过程中，由于环境的复杂性，原水经常受到外界的污染，主要体现在浊度的增 加。 过滤是利用一种介质使各种固一液、固一气、液一气混合物相分离的操作单 元。在固一液分离中，即利用过滤介质，将被过滤液体中悬浮的固相颗粒留下来， 从而实现固一液分离。过滤过程中，过滤的推动力为过滤介质两侧的压强差，过滤 的速率取决于推动力和阻力。过滤的精度和适应能力取决于过滤介质性质因而过 滤介质的性能对过滤过程影响极大。通常，理想的过滤介质应该具备下列性能： 1 用取之方便的材料制作；2 尽可能高的过滤速率和精度，且过滤阻力和物料 损耗小；3 抗污染能力高，使用寿命长，再生能力强；4 能适应特殊环境的要求。 纤维作为滤料应用于水的过滤处理，具有比表面积大、孔隙率高、纳污能力强 等优点，是目前认为的最理想的过滤材料之一，因此得到越来越多的开发和应用， 如人们熟知的纤维球过滤器、短纤维过滤器、胶囊式纤维束过滤器等。有关研究表 明，这些纤维过滤器均可达到较高的滤速，但由于各自结构和过滤机理的不同，都 存在不同的缺陷，如纤维球内部积泥难以去除，短纤维反洗时易流失，胶囊式纤维 束过滤器胶囊易破损，需频繁更换等。而本试验采用的纤维过滤是近年来发展起来 的一种高效经济的过滤和回用技术，具有良好的过滤精度和运行稳定性与料状过 滤材料相比，纤维过滤材料克服了粒状过滤材料的很多缺点，它具有比表面积大、 吸附能力强、水头损失小、运行流速高、滤料密度可调等诸多优点。纤维过滤器也 属压力式过滤器。基于上述优点，纤维过滤器在近十几年得到较广泛的应用。 实验采用的纤维过滤器以按一定结构、密度编织的软性纤维束为过滤介质。 主要工作是以滤料一滤床一过滤器为线索全面分析与评价过滤器的性能及影响 因素，通过理论分析寻求提高过滤器效率的途径。在此基础上设计出适应预处理工 艺需要的以纤维为滤料的过滤器，通过进行纤维过滤器的应用性试验，考察其运行 情况和对水处理效果和处理能力，结合文献及试验数据全面分析过滤器的性能指标 及其影响因素，为提高过滤器的性能提供理论和实践依据；依据试验研究结果做出 过滤器的性能曲线，为过滤器的运行和过滤理论的发展提供参考；通过研究过滤器 河北理工大学硕士学位论文 运行数据和过滤器性能的数学表达两方面研究变水量、变水质条件下过滤器的多参 数设计与运行控制方法。 2 l 文献综述 l 1 研究课题的提出及意义 l 文献综述 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 效的操作单元，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。 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 2 1 。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 r 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t 2 l 。从此，有关过滤的研究逐渐增 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，人们对过滤进行了更广泛而深入的实验和理论研 究，因而促进了过滤技术的发展，拓宽了应用范围1 2 , i s l 。 1 2 纤维过滤器的研究现状 1 2 1 纤维毯过滤器 1 纤维毯的定义+ 纤维毯是利用聚丙烯纤维或聚乙烯纤维按一定规律上下交错织成毯，要求有一 定的厚度和形状。过滤时进水的一面有较长的绒毛，可起初步过滤的作用，固定在 建筑物上。纤维毯的缺点是成本高。 2 纤维过滤技术特点 纤维过滤技术特点可归纳为如下几点： 1 ) 过滤介质为直径2 0 1 a m 5 0 t t m 的纤维丝构成有较大的比表面积； 2 ) 纤维滤料构成的滤层有较大的孔隙率； 3 ) 纤维滤料层为柔性丝状材料，密度较小，便于以各种结构状态构成过滤介 质，以适应过滤工艺的需要： 4 ) 纤维滤料阻力小，易实现深层过滤过程。 3 。目前研究情况： 3 河北理工大学硕士学位论文 纤维毯国内外研究的比较少，基本上没有。清华大学王占生教授( 已退休) 曾 做过类似的纤维球过滤研究。 1 2 2 其它纤维过滤器 1 纤维球过滤器 1 ) 纤维球过滤器的制作：取一束短纤维，在其中心紧密结扎或热熔粘结，使短 纤维形成呈辐射状的球体结构。这种纤维球的个体特征是球中心纤维密实，越靠近 球边缘则纤维越疏松，孔隙率分布不均。 2 ) 纤维球过滤器的机理：纤维球过滤器是在容器内填装纤维球形成床层，由于 纤维球个体较疏松，在床层中纤维球之间的纤维丝可实现相互穿插，此时纤维球的 个体特征已不重要，床层形成了一个整体。床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床 层，该力在滤层中沿水流方向是依次递增的) 。因纤维球具备一定弹性，在压力下滤层 孔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，从而实现较高的滤速、截污容量和较好 的出水水质。纤维球过滤污水的现场试验数据表明，当运行流速在1 5 m h 4 0m h 时截污容量一般在2 k g m 3 1 2 k g m 3 之间，运行流速和截污容量均是砂滤池的数 倍，出水浊度明显好于砂滤池 该过滤器存在的不足是：因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除；用气，水联合清洗时纤维 球易流失 2 , 2 6 2 8 1 。 2 胶囊挤压式纤维过滤器 1 ) 胶囊挤压式纤维过滤器的做法：将长纤维束挂装在设备中，纤维束下挂重 锤，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，使纤维层孔 隙率和过滤孔径由大到小渐变分布，此段滤层特性与纤维球滤层相似，过滤效果也 比较接近。 2 ) 胶囊挤压式纤维过滤器的过滤机理： 一4 l 文献综述 进水 图1胶囊挤压式纤维过滤器示意图 f i g 1c a p s u l ep r e s s i n gf i b r ef i l t e r i n gi m p l e m e n tc h a r t 在过滤初期，滤层就会产生较大推力，靠近出水侧的上部纤维会受到很大的纵 向压力。因纤维丝纵向刚度极小，在此压力下必然弯曲，使纤维层整体上移。当纤 维层截留一定悬浮物后，随着床层水头阻力增大，此上移距离会更大。因胶囊中心用 钢管( 用于进、排水) 贯通，胶囊下端与钢管下端连接( 这样做便于安装时插入纤 维层中) ，所以胶囊不会随纤维层的上移而移动，胶囊外壁在纤维的磨擦力作用下 产生向上的拉力另一方面，因上部纤维受压力弯曲产生横向堆积，占用的横向空 间增大使上部胶囊受到挤压而体积减少，追使胶囊下部水体积增大胶囊下部既受 到向上的拉力，又受到内部向外的压力，这应该是胶囊易破损且大多从下部破损的 主要原因。胶囊挤压式过滤器对纤维的压实是靠胶囊，这占用了较大过滤面积，在 最大挤压部位( 即纤维孔隙率最小部位) 的过滤线速度最高，滤速高不利于滤料吸 附、截留悬浮物，所以此部位不会有截留悬浮物。上部纤维层因被压缩产生横向弯 曲并压实，且过滤面积较大，所以，起到保证出水水质作用的应该是该层 2 , 2 6 , 2 1 q 。 3 压力板式纤维过滤器 此种过滤器有两种结构形式，一种是压力板在上部，另一种是压力板( 也叫推 力板) 在下部( 原理见图2 ) 。 设计思路( 以压力板在上部为例) ；将长纤维束与出水孔板固定，另一端设置 于有一定开孔率的压力板上( 压力板设计成双层结构或外加浮桶以使其整体密度与 水接近) 。另外，设计有压力板的导向和限位装置，运行初期靠水流对压力板的水 5 河北理l 大学硕士学位论文 头阻力，首先，将靠近压力板侧的纤维压弯，使水头阻力增大后产生向下压力，进 一步挤压下部纤维层。当压力板下压至适当位置时，限位装置使之停止下移。反洗 对，因压力板设计的整体密度与水接近，能够被水流冲起，使纤维层舒展，实现对 纤维层的彻底清洗f 2 1 。 遴水压力板 出水 图2压力板式纤维过滤器 f i g 2 p r e s s u r eb o a r df i b r ef i l t e r i n gi m p l e m e n tc h a r t 压力板式过滤器克服了胶囊挤压式过滤器的些不足，但有时压力板易出现卡塞 现象，影响稳定运行。事实上，压力板( 或推力板) 对纤维的推压作用是值得商榷的。 4 双级纤维过滤装置 在无囊式双孔板纤维过滤装置( 第一级过滤) 基础上，附设第二级过滤装置， 实现在同一过滤装置内同时实施第一级和第二级两级过滤，以提高其过滤精度。结 构示意图如图3 所示。 为充分发挥双级纤维过滤技术的特点，采用独特的工艺过程实施过滤和反冲洗 运行。过滤过程如图4 所示，水流自上而下推动活动孔板压实纤维，在活动孔板与固 定孔板间实旌第一级过滤；一级滤出水经设置在固定孔板上的第二级滤元实施第二 级过滤，二级滤出水经滤元芯汇集于母管送出罐外。 另外，还有重力式纤维滤池，运行时进水由布水槽流入池内，靠水压差和活动 孔板重力压实纤维，滤后水经集水装置收集送入清水箱1 2 , 2 6 2 8 1 。 6 一 l 文献综述 图3双级纤维过滤器结构示意图 f 嘻3t w i n - s t a g ef i b r ef i l t e r i n gs t r u c t u r ec h a r t 围4双级纤维过滤示意圈 f i g 4t w i n - s t a g ef i b r ef i l t e r i n gc h a r t j ：i 缝 c 装五 5 滤布 滤布是由经线和纬线按一定规律上下交错而织成的，上下交错的规律称为滤布 的组织。在流体流过多纤维布的过程中，通过纱线的流量和绕过纱线的流量，将取 决于纱线的搓捻程度和纱线之间小孔的尺寸，而小孔的尺寸，又决定于布的编织图 形( 平纹、斜纹等) 。 分为以下两类：单层组织( 包括平纹、斜纹、缎纹等基本组织、演变组织、特 殊组织) ；双层组织( 包括纵向双层组织、横向双层组织、纵横双向组织、特殊组 织) 7 河北理工大学硕士学位论文 最常用的滤布组织是平纹、斜纹及其演变形式。双层组织用于特殊用途。其 中，平纹组织力量致密，可用来获得清洁的滤液；但其孔隙容易堵塞，滤饼也稍难剥 离。斜纹组织的强度高、微孔不易堵塞、流量大，因此应用最广泛。缎纹组织因其 纵丝集中配置，所以滤饼剥离性好；但粒子捕捉能力差，故用得较少。 每种滤布都有其专有的性质。单纤维布和多纤维布特别适于在液体环境下分离 黏胶物质。在污水处理设备上捕捉小粒子，取决于能否迅速地在单纤维布上形成粒 子层。 由于滤布本身的特点，所以滤布的含污量低。 霉菌、细菌及藻类都会引起介质的堵塞。在流速低的地方，这种滋生尤甚。如 果固体粒子的尺寸与滤布孔隙尺寸相当，那么粒子就进入多纤维布的纱线空隙，并 留在那里。这些固体粒子很难用反冲洗法除掉。如果过滤介质支撑得不好，或者滤 板上采用了不正确的排水流道，那么将会造成过滤的困难。 从加压过滤机中往外排水的管径过小，也会造成过滤困难。加压过滤时，由于 刚开始加入的粒子浓度较稀，介质上不会出现粒子架桥效应。介质上架桥不成，会 导致粒子沉淀在滤布孔隙罩面，即造成了堵塞。 每个过滤系统都有各自的临界压力。超过该压力值后，介质上的粒子架桥就会 崩坏，粒子将直接沉淀在滤布里面。在实验室中，通过逐渐增大压力进行过滤，便 可得到临界压力。 在过滤时，总会涉及粒子尺寸分布范围很宽的悬浮液。在朝向介质的重力和流体 拽力作用下，粒子在滤布上沉淀之前总是分成细组分和粗组分在中央给料的厢式 滤板中，细粒子被冲到滤板的边缘，造成滤布上粒子分布不好” 悬浮液中含有空气或气泡时，会导致粒子分级，胶质倾向于集中在气泡表面 上。 为了保证过滤的正常持续进行，在一个过滤循环结束时，滤饼必须能从滤布上 剥离下来。滤饼剥离的难易程度不仅与其黏性等因素有关，而且与滤饼的厚度有 关。一般地说，滤饼薄有助于提高过滤速度，但是，过于薄的滤饼却不易从滤布上 剥离，反而降低了过滤机的能力。滤饼的剥离性对连续式真空过滤机来说尤其重 要。小于一定厚度的滤饼不能从滤布上剥离下来。 纤维过滤技术及设备经二十几年的研究、开发、应用，显示出具有过滤精度 高、出水量大、阻力小、设备结构新颖、多样等诸多特点，对传统的过滤技术与设 备正起着更新换代的变革作用，应用前景十分广阔。过滤纤维毯的研究对纤维过滤 8 l 文献综述 技术的研究是重要的补充，有重要价值。 1 3 过滤过程理论分析 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。 1 3 1 固液分离、过滤 1 固液分离、过滤 近些年来，人们进一步认识了固液分离的重要性，认识到它与资源、能源的有 效利用及环境问题密切相关，因而在理论上和技术上都做了大量研究工作，并取得 了可喜的成果。 固液分离是指将离散的难溶固体颗粒从液体中分离出来的机械方法，其中包括 过滤、重力沉降、浮选以及在离心机和旋流器中借助离心力进行分离等方法。这些 方法明显有别于蒸馏、结晶、吸附以及扩散等单元操作。那些单元操作的物料均为 溶液，而不是固液两相混合物。 固液分离技术的应用领域极其广泛，从环境控制，到化工和食品产品的生产， 从水净化到保护飞行器的敏感液压回路，液体中固体颗粒的质量分数从大于百万分 五十，到低于百万分之几，均能用到分离技术。 随着工业的迅猛发展和多样化，有大量的固液分离问题需要解决，这就促进了 固液分离机械及其附属设备的发展这种良性的互相促进作用，对固液分离的理论 和实践的进步均有益处。 2 过滤 过滤是固液分离的组成部分，它利用过滤介质或多孔膜截留液体中的难溶颗 粒。有时也将用离子交换床软化水、用白土床给矿物油除酸、脱色归入过滤。过滤 过程中，由其表面或内部留住固体粒子的任何有渗透性的材料，称为过滤介质。 最早的过滤技术，是用于酒的澄清。至今过滤技术仍广泛应用在与饮料有关的 行业，目的在于排除饮料中的微小而又难排除的固体颗粒，同时还要避免将有香味 的蛋白质滤掉。 净水处理不仅是要从大量的水中除掉各种固体物，包括细菌，而且成本必须很 低。它依靠重力的砂过滤来满足这一需要，但近来已e l 益被加压砂过滤所取代，还 - 9 一 河北理工大学硕士学位论文 有部分为预敖层过滤所取代。游泳池水的净化，是水净化的现代分支，可逆过滤机 为其典型过滤装置。 污水处理厂的兴建，极大地促进了压滤机和真空转鼓过滤机的发展，并使带式 压滤机上升到突出地位。 制糖工业除了使用过滤机外，更集中地使用了过滤式离心机，因而大大刺激了 该类离心机的发展。造纸工业的大量排水需用真空圆盘过滤机等装置予以处理，这 样也促进了过滤机的发展。现代化学工业及与其相关领域的发展，例如石油、煤 气、选矿和塑料等行业的发展，促进了新型过滤机和附属设备的开发。 过滤是利用过滤介质将固体和液体分离的单元操作，可分为澄清过滤和滤饼过 滤两大类别。 澄清过滤又分为以下四类：1 ) 颗粒过滤；2 ) 微孔过滤；3 ) 超过滤；4 ) 反渗 透。其中，颗粒过滤又称内部过滤或深层过滤或粒状层过滤。 以网、布、烧结金属、陶瓷及叠层金属板等为过滤介质所进行的固液分离，称 为直接过滤。 粒状层过滤由砂子、活性炭等粒状物的间隙( 1 0 0 9 r a 2 0 0 0 m ) 来截留直径远小 于间隙的悬浮粒子。适于质量分数在几个百万分之一至万分之一的悬浮液的过滤， 目的在于获得澄清液，过滤精度为数十微米1 5 忍2 “。 1 3 2 悬浮颗粒的去除机理 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5 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。 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 l 岬1 ) ，当滤层孔隙内存在浓度梯度时， 1 0 1 文献综述 通过布朗运动扩散到收集器表面。 扩 效应 集器 图5 各种迁移机理示意图 f i g 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f v a i l o u st r a n s p o r tm e c h a n i s m s 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。 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。悬浮颗粒与收集器侧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，悬浮颗粒的去除还是由于筛滤作用( s t r a i n i n g ) j 5 , 2 3 , 2 1 1 。 聚合物、矿物到金属均可制成以纤维、纱线、颗粒或薄膜形态存在的过滤材 料。合成纤维常制成非织结构，并通过热、机械、化学或自粘方法赋予其强度。湿 法成网的高效玻璃纤维滤材非常适用于高温环境。纤维状材料具有比表面积大的优 l_l- tl-i u 1 0 -i 河北理工大学硕+ 学位论文 点，因而就具有较低的压降和较高的过滤效率。纱线制成的机织物或针织物具有较 高的强度。由上所述可知，人们在这几方面已经取得了一些成果，但仍有一些问题 没能合理解决，尤其是纤维束滤料过滤器，对它的理论研究更有待于深入进行。 1 3 3 过滤动力学模型的研究 描述悬浮颗粒在滤床中去除效率的动力学模型对于指导滤床的设计与操作具有 重要意义，因此一直受到人们的广泛重视。多年来，人们在过滤动力学模型研究方 面做了大量的工作。按对过滤现象模型化方法的不同，数学模型主要有以下几种： 唯象模型( p h e n o m e n o l o g i c a lm o d e l s ) 或经验模型( e m p i r i c a lm o d e l s ) ，轨迹分析模 型( m o d e l sb a s e do nt r a j e c t o r ya n a l y s i s ) ，网络模型( n e t w o r km o d e l s ) ，随机模型 ( s t o c h a s t i cm o d e l s ) 和有效介质近似模型( e f f e c t i v em e d i aa p p r o x i m a t i o nm o d e l s ， e m a ) 网络模型仅适用于粒状介质而不适用于纤维介质，对二者均适用的是有效 介质近似模型。然而，随介质中孔隙堵塞，介质渗透率急聚降低，不能准确地计算 介质的渗透率【1 5 ，2 3 工”。 1 2 2 系统的技术理论与性能测试方法 2 系统的技术理论与性能测试方法 2 1 模型实验概述 有人认为，在许多影响快速滤池性能的因素中，存在着很复杂的相互联系。用 试验方法确定过程的参数总是不可缺少的。 现场小型装置模拟法是在现场建造小型装置模拟水厂构筑物的生产条件，找出 模拟装置出水与水厂构筑物如水之间的水质和加药量的关系，得出最优混凝剂投加 量的方法，包括模拟沉淀法、模拟滤池法。 模拟滤池法是模拟水厂混凝、沉淀、过滤操作过程。2 0 世纪7 0 年代，美国的 一些水厂开始采用，取得了一些成果。它考虑了水厂的处理过程中的各种因素，运 行的技术要求高，关键是模拟装置与水厂构筑物之间有足够的相关性。 模拟滤池可以研究絮体经过滤池时的变化情况，确定合理的滤池参数。 影响过滤过程的因素主要有：滤料( 包括已附着的积泥) 、床层结构、悬浮颗 粒的有效粒径及密度、滤速、化学处理及水的密度、粘度等。因此研究过滤过程的 特性具有重要意义纤维毯具有巨大的比表面积，较高的孔隙率，因而具有过滤速 度高，运行周期长、截污容量大等优点，特别适合于过滤，是一种非常有前景的新 型过滤装置，但其过滤过程的特性及相关研究还有待提高。 图6 过滤试验工艺流程图 f i g 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f e x p e r i m e n t a la p 伴玳m 珞 1 3 河北理工大学硕士学位论文 本试验以硫酸铝为絮凝剂进行纤维毯过滤实验研究，为过滤过程的理论研究提 供依据纤维毯的纤维丝直径，床层初始孔隙率等己确定，在一定温度下水的密 度、粘度确定，故本试验仅研究不同浊度和不同滤速下纤维毯过滤过程特性。 本试验采用重力过滤，为保证恒压过滤和反洗排水，上部设溢流口。 2 2 纤维毯过滤理论研究 i 过滤理论的研究方法 过滤理论的研究分为数值模拟方法和实验研究两种方法，它们相互依存、相互 促进，推动了过滤理论的发展为了解决过滤理论的基本问题，必须把压力损失 z i p 和过滤效率开都表示为微粒特性、分散介质和过滤器的参数的函数。研究压力损 失4 p 和过滤效率玎与其它各参数的关系，努力提高过滤器过滤效率及降低滤速是 过滤理论及实验研究的核心任务。 在过滤过程中有三种物体参与过滤的全过程：分散的微粒、弥散的流体和纤维 材料。 影响分散的微粒的要素有：1 ) 微粒的直径咖及其尺寸分布ff 勿j ；2 ) 微粒 的形状；3 ) 微粒的质量m 和密度p 0 ；4 ) 微粒的电荷：5 ) 介电常数和化学成分； 6 ) 微粒的浓度f 。 流体流动的相关参数有：1 ) 过滤速度y d ；2 ) 密度服；3 ) 绝对温度死4 ) 压 力p ；5 ) 动力粘度玎；6 ) 运动粘度v 。 纤维材料的性能要素为；1 ) 滤料的几何尺寸：过滤器表面积彳和过滤器厚度 工；2 ) 过滤器的各个结构原件的尺寸及其分布和捧列；3 ) 过滤器的孔隙率8 ； 4 ) 过滤器的表面系数、电荷量、介电常数和化学成分。 因此，过滤理论研究的基本课题可视为研究过滤的压力降4 p 和过滤效率叩对 于分散微粒、过滤介质和纤维材料的全部相关参数的函数关系。 理论研究需对过程及诸种影响因素进行合理简化及假设，抓住问题的主要核心 影响因素，建立数学模型，进行理论求解。 2 过滤的数学模型 过滤理论的研究的方法是将流场及滤料进行简化，建立数学模型，目前存在的 流场模型有：1 ) 势流；2 ) l a m b 流场；3 ) d a v i e s 流场；4 ) k u w a b a r a 流场；3 ) 单 双纤维p o d g o v s h i 流场1 2 1 。 滤料的数学模型可用不同的模型： 1 4 2 系统的技术理论与性能测试方法 1 ) 平行毛细管模型：即把过滤器看作成一系列平行的毛细管，毛细管尺寸可从 实际滤料的水流阻力计算求得2 ) 单根纤维模型：把水流阻力看作是由流场中存在 一个某长度的圆柱障碍物引起。随着纤维制造技术的发展，出现了一些非圆形截面 的异形纤维。对于这些类的纤维的过滤机理需建立新的数学模型，进行流场数值计 算及研究的探讨。3 ) 独立纤维模型4 ) 阵列纤维模型。5 ) 微孔系统模型：将滤料 看作一个微孔系统，然后把微孔看作圆形来进行计算，此圆的大小与实际过滤器内 连续过滤层中的微孔相当，并需考虑微孔的路径弯曲度。6 ) 多孔连续介质模型：将 滤料视为多孔介质，可以运用多孔介质流体动力学的理论来研究滤料的过滤性能。 根据多孔介质的数学方程及过滤器的实际初始条件和边界条件进行数值计算， 可以算出此过滤器不同时空的进出口压力，过滤速度、固体颗粒浓度等分布，因而 可以得到除过滤效率以外的其他重要的特性指标如滤速、过渡水头损失等参数，就 可更全面地评价过滤器的性能。 2 3 过滤水头损失的研究 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，水流施加在已沉积颗粒上 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。 旱在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： ， 一老z k h - ( 1 ) 口= 或以向量形式表示： 一即= 譬 ( 2 ) 式中： 嘭卜压强梯度； 足- 渗透率： m 流体粘度； u 表观滤速。 1 5 河北理工大学硕十学位论文 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1 k 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，r f 不超过l o 时，流体的运动才符合 d a r c y 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面深入的研究。结果表 明当床层孔隙率小于0 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；当孔隙率在o 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。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。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p 为 常数，则n s 方程向量形式表示为： p 等= 一印4 - 2 u + 一( 3 ) 式中： p 等表示单位体积流体所具有的惯性力； 肼 v p 作用在单位体积流体上的净的压力； 胛2 ”作用于单位体积流体表面上的净的粘滞力； p f 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；二是采用数值计算方法求解n s 方程，而得到水头损失方程。所采用的近似 包括s t o k e s 近似、o s e e n 近似和b r i n k m a n 近似。在这些近似基础上研究者针对不同 的纤维排列方式导出了不同的水头损失方程。 1 s t o k e s 近似【2 7 ，3 _ 7 1 1 6 2 系统的技术理论与性能测试方法 纤维床层的特性尺寸较小，基于孔隙尺寸的雷诺数很小，即r e l ，流动中的惯 性项相对于粘性项可忽略，于是n s 方程可简化为s t o k e s 方程： v p = 胛2 “( 4 ) 式中： v 作用在单位体积流体上的净的压力； v 哈米尔顿算符； v 2 拉普拉斯算符； g v 2l 卜作用于单位体积流体表面上的净的粘滞力 纤维在床层中排列方式不同，在流体中所受拉力也不同，水头损失变化也不 同。因之，导出水头损失方程首先需要确定水流方向与纤维轴向问的关系，为研究 方便将其分为三类：1 ) 水流方向与纤维轴向平行；2 ) 水流方向与纤维轴向垂直； 3 ) 通过三维随机排列纤维的流动。 1 ) 流动方向与纤维轴向平行 h a p p e 应用圆形池和零剪切应力条件，在柱坐标下求解s t o k e s 方程，得到水头 损失方程。为表述方便，下文中采用渗透系数k 表达水头损失： 砉= 南 h ) - 1 5 + 2 0 叫一扣占) 2 式中： 乎一床层空隙率； 扣掺透系数； 玉断维直径 2 ) 流动方向与纤维轴向垂直 h a p p e 应用圆形池和零剪切应力条件求得流动方向与纤维轴向垂直的s t o k e s 方 程的解，得水头损失方程： 砉= 珂1 - 1 0 - 0 + 剐 万2 珂+ 南i 一 式中： 争床层空隙率； k 渗透系数； 乒纤维直径。 3 ) 通过三维随机排列纤维的流动 - 1 7 - 河北理工大学硕士学位论文 实际上，床层中纤维的取向多是三维随机的，按力的分解原则，总水头损失等 于三个相互垂直方向水头损失的加合，如图7 所示。 z 一向斜交 f l o wp a s s i n g o b l i q u ef i b e r 综上结果可知，基于池模型导得的水头损失方程时池的形式及求解s t o k e s 方程 的方法并不重要，关键是水流方向与纤维轴向问的关系。 2 o s e e n 近似 实际上，粘性的影响往往主要表现在纤维附近的薄层内，在纤维附近粘性效应 是主要的而惯性效应在某些情况下可以忽略不计，但随着距离纤维的距离的加大， 粘性作用逐渐下降以致在一定距离处粘性项终于下降到与惯性项相同的数量级，甚 至更小，在这些地方s t o k e s 近似显然已经不再成立。为了解决这个矛盾，o s e e n 部 分地考虑了n - s 方程中的惯性项，但又不使它们成非线性项，假定 = ，+ “( 7 ) 则n s 方程可简化为： 明，v u 7 = 一v p + , v 2 “( 8 ) 式中： ”一表观速度； 如一自由流速度； “l 脉动速度。 3 b r i n k m a n 近似 b i i n k m a n 考虑了相邻纤维对中心纤维周围流场的影响，提出了下列n s 方程的 简化方程： 1 8 2 系统的技术理论与性能测试方法 即= 2 甜一华( 9 ) 正 式中： v 作用在单位体积流体上的净的压力； v 哈米尔顿算符； v 2 拉普拉斯算符； u 表观速度： p v 2l 卜作用于单位体积流体表面上的净的粘滞力。 这一方程实际上是s t o k e s 方程和d a r c y 定律的叠加1 2 1 。 2 4 纤维毯实验原理及工艺技术路线 2 4 1 纤维毯实验原理 1 过滤实验 过滤性能是表征过滤器在过滤中对物料适应程度的重要指标之一，也是表示在 恒压状态下，过滤器对某种物料的初始过滤能力。在实际应用中，对于低浓度的 固液悬浮物的过滤或对滤液澄清度有一定要求的过滤，在选择纤维毯时，此项性 能有重要的参考价值。过滤性能可用过滤水头损失和滤液浊度这两个值来表示。 分两阶段进行试验，第一阶段进行变浓度混凝水过滤试验并对纤维毯的适应性 分析t 第二阶段连续2 4 h 进行进水浊度小于5 n t u 的过滤试验并对过滤性能进行分 析 1 ) 测定原理 过滤性能测定的原理是；对浓度很稀的固液悬浮物施加一定的压力，使液相 穿过纤维毯，固相被截留，测定在过滤过程中不同时刻流过纤维毯的滤液累加量， 由此计算纤维毯过滤器在各个时问间隔内的滤速，绘制滤速随累积滤液量的变化曲 线。该曲线可以反映出由纤维毯过滤到滤饼层过滤的过滤过程中，滤速变化情况和 纤维毯初始过滤性能。同时测定初始滤液浊度，这两项指标可反映纤维毯对过滤物 料是否适合。 2 ) 所采用的计