（环境工程专业论文）长纤维过滤与石英砂过滤的性能对比研究.pdf

东南大学硕士学位论文 s t u d yo nc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c eo fl o n gf i b e rf n t e r i n ga n d q u a r t zs a n df i l t e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y g r a d u a t e ：z h a oh u a ns u p e r v i s o r ：p r o l w a n gs h i h e a b s t r a c t t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h el o n gf i b e rf i l t e ra n dq u a r t z8 a n df i l t e rf i l m f i n gt h ee f f l u e n to f s e d i m e n m f i o nt a n ki ns u p p l y - w a t e rf a c t o r yw a ss t u d i e di n t h i sp a p e r i nt h ep r o c e s so ft h et e s t , t h el o n g f i b e rf i l t e f i n ga n dt h eq u a r t zs a n df i l t e r i n gw a so p e r a t e da tt h em e a n t i m e 1 l - ea u t h o rt r a c i n gd e t e r m i n e d s o l l tf i l t e t i n gp a r a m e t e r so ft h et w o “n d so ff i l t e r i n gs y s t e mi nd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n i n c l u d i n g f i l t e d n gv e l o c i t y , f i l t e r i n gp e r i o d i c ，f i l t e r i n gr e s i s t a n c ea n dt h eq u a l i t yo fy i e l d i n gw a t e r a c c o r d i n gt ot h e f i l t e r i n gp a r a m e t e r s , t h ea a l h o rc a l c u l a t e dt i ea v e r a g ef i l t e r i n gv e l e c i t y , p e r i o d i ct r a p p i n gs u s p e n d e dl o a d m n o u m , p e r i o d i cy i e l d i n gw a t e ra m o u n ta n dt h ea v e r a g er e m o v i n go f t h ep o l l u t a n t n ea u t h o ra n a l y z e d 帅 r u n n i n gr e g u l a r i t ya n di n n e rr i n ko ft h ef i l t e r i n gp a r a m e t e r sb a s e do nt h em e c h a n i c so ft h el o n gf i b e r f i l t e r i n ga n dt h eq u a r t zs a n df i l t e r i n g a c c o r d i n gt ot h et m q u i mo fb a c kw a s h i n gc o n d i t i o no ft h et w o f i l t e r i n gs y s t e m , t h el o n gf i b e rf i l t e ra n dt h eq u a r t zr a n df i l m rw g t eb a c kw a s h e dw i t ht h em o d eo fa i ra n d w a t e rc o m b i n a t i o ni nd i f f c r e mf o r c e a n dd i 矗e r e n tu n i t i nr e s p o n s et ot h el e s te o o s e q n e l t e e , t h ea u t h o r d e f i n e dt h ep r o p e rb a c kw a s h i n gm o d e ，t i m ea n df o r c eo ft h et w of i l t e t i n gs y s t e t lo nt h eg r o u n do ft h e s o l d yo fc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h el o n gf i b e rf i l t e r i n ga n dt h eq u a r t zs a n df i l t e r i n g , t h ep r e d o m i n a n c eo ft h e l o n g6 b e if i l t e r i n gw a s c e r t i f i c a t e d m f i l t e r i n gp r o c e s so nt h ee f f l u e n to f d i m e n t a t i o nl a n ki n $ n o j i n c t ms e w a g et r e a t m e n tp l a n tb y t h el o n gf i b e rf i l t e rw a sa l s os t u d i e di nt h i sp a p e r o nt h eg r o u n do f t h eo r i g i n a ld e v i c e ，t h ea u t h o rc h a n g e d t h e f i b e r f i l t e r m a t e r i a l w i t h t h e m o t ec o a r s e f i b e r f i l t e r m a t e r i a l i n t h ec 0 0 s eo f t h e t e s t , t h ea u t h o r m a c i n g d e t e r m i n e ds o l n c f i l t e r i n gp a r a m e t e r s o f t h e l o n g f i b e r f i l t e r i n g i n d i f f e r e n t w o r k c o n d i t i o n a n d a n a l y z e d t h e r u n n i n gr e g u l a r i t y a n d i n n e r l i n k o f t h e f i l t e r i n g p a r a m e t e r s f r o m t h e m s u l t so f t h e f i l m f i n g t e s t , d ea u t h o r a n a l y z e d t h ed i f f e r e a c eb e t w e e ns u p p l y w a t e rf i l m r i n ga n dw a s t e - w a t e rf i l m r i n g t h i ss t u d ya p p r o a c h e dr h e a p p f i c a t i o no ft h el o n gf i b e rf i l t e r i n gi nt h ef i e l dn fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t , a n dt h es t u d yi sa l s ot h e s u p p l e m e n t i n f o r n m l i o n o f t h e l o n g f i b e r f i l m r i n g i nt h el a s to ft h ep a p e r , t h ea u t h o ra n a l y z e dt h en e e e s s i t ya n df e a s i b i f i t yo ft h ew o j n c ti nw h i c ht h e q u a r t zs a n df i l t e r i n gb a n kw i l lb er e b u i l ti nt h el o n gf i b e rf i l t e r i n gb a n k mi n f o r m a t i o ns h o u l db ea n e c o n o m i ca n dt e c h n o l o g i c a lr e f e r e n e ei ne n g i n e e r i n gf i e l d k e y w o r d s ：l o n g f i b e r , q u a r t zg 艇f i l t e r i n g , c o r r e l a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 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 表或撰写过的研究成果。也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 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已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 纽! 窆 导师签名：监日期：型：立! r 第一章绪论 第一章绪论 过滤是水处理中最常用的工艺。在饮用水的净化中，过滤是不可缺少的；在废水处理中，过滤 也是一种被广泛应用的工艺。过滤不仅能去除水中的悬浮物，而且随着悬浮物的去除，还能降低化 学需氧量、生化需氧量、重金属离子浓度、吉油量及色度等。 社会经济的迅速发展，给水需求宣的日益增长。使给水工业进入新的发展时期。作为传统给水 处理中关键性环节的石英砂过滤。自身存在的缺陷正制约着给水工业的发展。纤维滤料的出现，为 过滤工艺和给水工业注入了新的生机。纤维过滤技术自上世纪8 0 年代应用于水处理领域以来，以其 卓越的工作性能和良好的处理效果而得到了迅速的发展。 1 1 粒状滤料及过滤技术的发展 过滤技术中，滤料及滤科层的构成是决定过滤设各性能优劣的关键，它们决定着滤后水的水质， 决定着过滤设备的基本性能。因此，过滤技术的发展在很大程度上取决于对滤料和滤料层构成的研 究与改进“i 。 一般来说，能作为过滤介质的滤料必须有较规则的外形，以便滤料堆积时有适当的孔隙率；有 足够的机械强度，i = | 保证冲洗时滤料不会产生严重磨损和破碎；有足够的化学稳定性，以免滤料溶 解于水或发生化学反应而影响水质及降低滤料使用寿命。随着过滤技术的发展，人们对滤料的要求 越来越高。一种好的滤料除了满足上述基本要求外，还要求其滤速太、过滤周期长，纳污量大、 滤层水头损失增长慢，反冲洗彻底等。 l - 1 1 单层石英砂滤料 最早的滤料只限于天然的石英砂。作为传统滤料，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。 传统单层石英砂滤料由于受水力筛分作用，滤料粒经循水流方向由小到大，滤层的孔隙尺寸也 循水流方向由小到大。过滤开始阶段，大量杂质首先妓表层滤料截留随着过滤的进行，杂质将随 水流向下层推进。但e l l 于表层滤料最细，孔隙尺寸最小，而吸附表面积却最大，因此截留的杂质量 也最多。当过滤到一定时日j 后，表层滤料间孑l 隙将逐渐被杂质堵塞，使整个滤层的阻力剧增，波速 锐减严重时甚至产生穿透现象致使出水水质恶化。此时下层滤料对杂质的截留作用尚未达到充 分发挥，而过滤却不得不终止口l 。 1 1 2 双层、多层淀料的研究与应用 为了克服传统单层砂滤的缺陷，2 0 世纪5 0 年代，研究人员开发出双层滤料，即在石英砂滤层 上部放置一层粒经较大、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。其后使用 的轻厦滤料还有人1 二陶粒、人工台成纤维等。双层滤料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再通过细粒滤料的理想滤层的概念。基于理想滤层的原理， 三层滤料应运而生，即在双层滤料下部再加一层密度大，粒经小的滤料，如石榴石、磁铁矿等。三 层滤料比双层滤料床层结构更为合理，它是沿着双层滤料的思路追求理想滤层的结果。后来人们又 研究了四层、五层滤料，s e m b i 和i r e s 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，滤层滤科的粒经从大到小递减。依次推演，滤料层数越多，滤层结构越合理，越接近于理想 滤层，过滤效果越好。然而，在实际应用中却出现许多问题，如相邻两层滤料问的混杂、滤料的流 乐南大学硕士学位论文 失及反冲洗效果差等，加之滤料来塬有限，加工复杂，故工业生产中采用的滤科仍然以双层和三层 滤料为主1 2 1 1 3 1 1 4 1 。 1 1 3 均质石英砂滤料的开发应用 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，而每层内仍然存 在水力筛分作用，主要担负截污作用的仍然为表面部分。2 0 世纪8 0 年代以来，开发应用的均质滤 辩在很大程度上解决了非均粒滤料存在魄问题，过滤速度，过滤效率及床层纳污量都得到了明显的 提高【2 】口 所谓均质滤料是指滤科粒径比较均匀。滤料粒径的均匀程度通常用涟料的不均匀系数k 蜘表示 ( k = d s j d i o ) ，飚。越小，滤科粒径越均匀。但滤料k s 0 值为多大时可称为均质滤料，目前仍没有 统一的规定。从给水生产的角度而言，i 【b o 越接近于1 ，过滤效能越好，滤料加工难度也越大。从9 0 年代开始，均质石英砂滤料开始代替快滤池中传统的石英砂滤料。事实证明，均质石英砂滤料粒径 均匀，能较好地克服表面阻塞的缺点杂质能够渗入砂层深处，整个滤床共同承担截污作用，在保 证出水水质的条件下，具有产水量高，滤速快，过滤周期长，水头损失增欧缓慢等优点”j 。 在均质石英砂滤科的实际应用中，滤料幸立径的选择至关重要。从保证滤后水水质的角度出发， 粒径较小的滤料比较有利，在滤层厚度一定的条件下，滤层截留悬浮颗粒的数量随着滤料粒径的减 小而增大。因此。减小滤料粒径有利于保障滤后水水质。但另一方面，滤料拉径较小对提高滤速， 延长过滤周期，提高滤层产水量，减缓水头损失的增长都是不利的。滤料粒径小到一定程度，甚至 会产生表层过滤现象。因此，尽管小粒径滤料具有自身的优点，但选择谲料粒径的原则仍应以保证 出水水质为前提，尽量选择粒径较大的滤料”l 。 髓着过滤技术的发展。针对双层、多层滤辩及均质滤料存在的问题，人们又研究了反粒度过滤 闭、上向流过滤、取向流过滤等过滤形式，但仍存在反冲洗困难，滤池构造复杂等缺点。此外，传 统石英砂滤料比重较大，反冲洗强度大，滤科易流失，也是目前过滤工艺中存在的缺陷之一。因此， 人们对关于替代传统石英砂滤料的研究一直在进行中。 1 1 4 新壅粒状滹料的开发应用 在永处理中，早期的石英砂、无烟煤等天然滤料被广泛选用，但由于其比表面积小。孔隙率小， 截污能力受到限制。如世纪7 0 年代以来，国内外开始新型滤料的研究。过滤新工艺、新材料是目 前水处理研究的重要谭题之一，而适于工业化生产。孔隙率高，比表面积大，适宜去除水中胶体杂 质的新型滤料是过滤技术发展的突破口。 1 1 4 1 人工轻质新型陶粒漕辩 人t 轻质新型陶粒滤料最早在原苏联开发应用，是用黏土或类似材科经适当处理后高温焙烧 制成。由于其外表粗糙多棱角，内部及表面孔洞很多，作为滤料具有孔隙率高，比表面积大，比重 轻等优点。我国在2 0 世纪7 0 年代中期开始研究并逐步得到应用。人工轻质新型陶牲滤料的缺点是 机械强度差，多次冲洗易破碎而损耗，价格偏高。 1 1 a 2 瓷砂t 辑 瓷砂滤料是以优质高岭土为原料，掺和一定的成孔剂，黏合剂和发泡剂，经过炼泥、陈腐、成 型、干燥，经高温焙烧而成的一种球形均质滤料。瓷砂一般为粒经1 5 - 2 5 m m 的圆形颗粒，颗粒表 面粗糙坚硬，外观白色，呈麻点状，内部多微孔，作为滤料不仅孔隙率高，比表面积大，密度小， 易清洗而且具有酎腐蚀抗冲击、抗氧化、硬度大等优点，使用寿命长，可达l o 2 0 年。瓷砂滤科 2 第一章绪论 过滤效果好且反冲洗容易，省时、省水，管理方便，特别是用于污水再生利用的过滤。 1 0 i a , 3 硅蕞土慧料 随着过滤概念的发展，许多粉末材料以及滤膜等多孔材料被包宙在滤料的范围当中。硅藻土滤 料就是其中的一种。硅藻土滤料是将硅藻土矿经过破碎、研磨、筛选、干燥、焙烧以及加助熔剂焙 烧而成。焙烧处理进一步改善了硅藻土颗粒的表面性能。使颗粒结台成更适宜的粒度。硅藻土滤料 可形成孔隙很小的滤层。能筛除车立径5 0 a m 以上的颗粒如采用适当的顿除剂，对细荫的滤除率可 达到9 9 5 咀上。若投入少量混凝剂，则可明显降低水头损失增长速度，延长过滤周期。然而，硅 藻土滤料滤层孔隙小。水头损失增长快滤速慢，一般只适用于过滤精度高，且原水水质较好的场 合吲”。 1 1 4 1 4 轻质泡沫塑科球粒，橡胶粒滤抖 轻质泡沫塑料球粒、橡胶粒滤料具有孔隙均一，密度小，易搬运等特点a 在过滤中，可避免发 生反冲洗后的水力分级造成滤料表面悬浮颗粒聚集的现象从而使整个滤层都能发挥截污作用。与 传统滤料相比，具有滤速大，截污能力强，反冲洗耗水少，运行周期长等优点具有较好的应用前 景。 1 2 纤维过滤技术的发展 1 乙l 纤维滤料的出现 在粒状滤料的传统观念下，围绕着提高滤速增大截污容量。提高过滤效率及反冲洗等几个方 面的技术问翘，滤辩经历了从单层石英砂滤料到双层滤料、三层滤料、均质滤料、人工轻质陶粒滤 科、硅藻土滤料等新型滤料的发展历程。但由于粒状滤料自身的缺陷，使以上几方面的问题未能取 得突破。人们开始探寻拉状滤料以外的替代材料作为滤料。纤维滤料以其优越的性能优势开始走进 人们的视野。 以软填料歼维代替传统的粒状滤料是深层过滤技术发展史上一种崭新的思维和尝试。也标 志着咀纤维滤料为核心的现代过滤技术的开始。 与传统的刚性粒状滤料相比，纤维滤料堆积孔隙较大，密度较小- 这决定了纤维滤料过滤器中 的滤速可以很大，而床层阻力很小，反冲洗性能较好。并且，由于纤维的吸水率很高纤维的毛细 孔较大。具有较高的比表面积，作为滤料可畈附太量悬浮物，因此可获得较高的脱除率和容量负荷。 此外由于纤维丝束不会发生流失，因此，纤维滤池在反冲强度的控制上较粒状滤料滤池要求低， 町使滤料反冲洗更彻底”。 由于纤维滤料在过滤特性和反冲洗方面所具备的优势近年来，纤维过滤技术越来越被人们重 视。然而，人工合成纤维在初期仅能用于气体除坐过滤，对于水的过滤，由于缺乏有效的清洗手段， 直到上世纪8 0 年代才开始应用。 1 2 。2 短纤维过滤 1 9 8 1 年，日本尤尼奇卡公司研究人员采用短纤维作滤料，形成杂乱短纤维深层滤床，并对其进 行研究“】 1 2 1 。此后，国内也开始了对短纤维过滤器的研究。 短纤维过滤器采用杂乱无章的短纤维作为滤料，形成深层过滤床。通常纤维的平均直径为 0 1 3 0 u r n ，长l o 一3 0 m m ，滤床的缺点是纤维易流失，滤床体积较大，反冲洗不彻底。但短纤维过滤 器过滤效果较好，其悬浮物脱除效率高，达到9 6 8 ，比纤维球滤料高3 1 7 。截泥量大，过滤周期 3 东南大学硕士学位论文 长，阻力小，滤料加工简单。然而对于滤后短纤维滤料的反冲洗方式及条件，尚需进行系统研究。 1 - 2 3 纤维球过漕 在短纤维滤料的基础上，日本尤尼奇卡公司经过反复的研究改进，制成了纤维球滤料。国内清 华大学环境工程研究所从1 9 8 3 年起也对纤维球滤料进行了大量的试验研究研制了国产纤维球滤 料，井用不同规模，对多种水质进行了长期的试验和席用研究”引 1 4 c ”川q 。 纤维球滤料过滤时，由于水流经过滤层所产生的阻力，加上滤层截污后的自身重力，使滤层上 松下紧，孔隙率自上而下由大到小分布，这样的滤层结构较为合理，形成了近似理想的孔隙分布。 截留的杂质随过滤的进行逐渐深入到滤层内部，几乎分布于整个滤层，能有效去除0 5 1 0 u m 的微小 颗粒，截污能力强，造滤周期长，且滤速快，为砂滤床的5 - 8 倍。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洗出，过滤时容易释放影响出水水质。 1 2 4 纤维束过渡 鉴于纤维球和短纤维滤料的优点和不足，人们进步对纤维滤料进行改进，出现了纤维柬滤料。 研究人员对纤维柬滤料进行了大量的试验研究。实践表明，纤维柬滤料不同于传统的滤料形式，纤 维束近似于平行水流方向置于过滤设备中，床层孔隙可人为调节。过滤时，由于重力作用，滤床孔 隙沿水流方向逐渐变小，近似于理想滤层：而反冲时，水流自下而上可使床层处于松散状态，因 此清洗更彻底，且气、水用量少，清洗时间短。此外纤维柬滤料的床层水头损失小，增加速度缓 慢。整个滤床均能发挥截污作用。 由于纤维束滤料真正做到了过滤和反冲洗操作条件的优化，国内外纷纷出现了各种纤维束过滤 器，并对此进行了大量的试验研究。 1 2 4 1 尉式过滤器 瑞典人h a n sm u l l e r 在七十年代发明了刷式过滤器“7 ，将纤维长丝制成纤维柬，每束纤维可粘或 压在支撑板上，长度一般为1 5 3 0 c m 。为了提高过滤效率和反洗效果纤维之问也可编织起来。过 滤时流体压缩纤维柬，形成滤层，使通过的液体或气体得到过滤。反洗时，从相反方向流入反洗液， 压紧的纤维束伸展，易于去除其中的杂质。 这种过滤器结构简单，操作方便，侣由于纤维呈刷状容易缠绕，给反冲洗带来困难，纤维床 层般较薄，过滤性能不稳定，容易形成表面过滤。 1 2 4 1 机攮加压式纤维过滤器 英国e r i ccg r e e n 公司研制了一种旋压式纤维过滤器【1 硼。其纤维一般采用尼龙、聚酯纤维、丙 纶等，纤维直径1 5 0 u m ，长度0 3 - 2 m 。将纤维两端编织起来制成薄片，缠于接头之上，再用夹紧 或粘结的方法固定。过滤时，通过传动机构推动活接头向下移动，并旋转一定角度缠绕在内筒上， 形成滤层。反洗时，活接头上升，松开纤维，反方向加入清洗液。 英国e x e t e r 大学分离中心研制的h w 深层过滤器，特点是采用活塞压缩纤维介质，过滤介质选 用富有弹性的纤维材料，如羊毛、碳纤维等，纤维直径l 一1 0 u r n ，滤层厚度2 0 2 5 e m 。过滤时活塞 压缩滤层，括塞对纤维的压缩程度决定可滤除颗粒的细度。反洗时，从底部通入反洗液，活塞上升， 并在一定高度振荡可加速滤层的再生速度，并节省反洗液。 这两种纤维过滤器对纤维进行机械加压，也能达到较好的过滤效果，在医学、化工等方面有着 广泛的应用但是，这种过滤器能耗较大。且过滤器中的纤维容易磨损。 4 裙一章绪论 i 工4 i 胶囊式纤雄垃潼器 1 9 9 0 年，东北电力学院研制成功u - y 高效过滤器 1 9 1 2 0 l 2 1 1 2 5 1 。l l y - 高教过滤器是一种结构新颖 的纤维过滤器。它采取一种独特而简单的方式，解决了纤维滤料在过滤和清洗过程中存在的各种问 题充分发挥了纤维的特长。 u * 高教过滤器以纤维束为滤料，若干纤维柬以一定密度排布于过滤器中，构成一松散的、易 于清洗的滤层。为调节滤层的密度，在过滤器内部设置了由不透水的柔性材料构成的加压室。过滤 时，在加压室内冲入一定体积的水( 或其他流体) ，使纤维处于一定的压实状态，待过滤的水在压力 作用下，沿纤维束的伸展方向流过，即得到过滤。清洗时，纤维束被放松，用水沿纤维柬伸展方向 洗出截留物，即使纤维得到反洗再生。 1 9 9 6 年，辽宁发电厂化学分厂以胶囊式纤维过滤器代替粒状滤科过滤器”。过滤器内部有许多 长纤维柬挂在其中，纤维柬的下端由重锤牵引。在纤维柬中安装有数个软质胶囊，装置设有加压室 为胶囊充水。运行时，由下部进水，上部出水。充水后的胶囊横向挤压纤维起压实纤维的作爿j ，保 证过滤效果。清洗时将加压室腔囊中的水挤出使纤维处于完全松散状态以达到良好的冲洗效 果。 实践证明，胶囊式纤维过滤器过滤效果好，过滤速度快，截污容量大，可调性强，占地面积小， 容易彻底清洗，是一种较理想的过滤器，某些特征是石英砂等颗粒滤料过滤器无可比拟的。尽管如 此，胶囊式纤维过滤器仍然存在许多不足，其构造复杂，操作繁琐，设备中胶囊易破碎，给检修和 维护带来麻烦。 1 2 4 1 精板式纤维过滤暑 为了克服腔囊式纤维过滤器的不足，辽宁发电厂化学分厂进一步将胶囊式纤维过滤器改进为无 囊式纤维过滤器，即滑板式纤维过滤器o ”。滑板式纤维过滤器有两种形式：一种是滑板在上部一 种是滑板在下部。辽宁发电厂化学分厂采用的是滑板在下部结构形式的纤维过滤器。 在过滤器内部，纤维束一端同定在出水孔板上，另一端固定在滑板上，滑板为不锈钢孔板，其 开孔率为出水孔板的5 0 ，且滑板与过滤器内壁间留有2 0 r a m 的缝隙。运行时，水流自下而上，依 靠水流压力对滑板的水头阻力，将滑板托起，靠近滑板侧的纤维首先被压弯，被压弯的纤维水头阻 力增大，进一步挤压上部纤维，使纤维密度逐渐加大，相应的滤层孔隙逐渐减小，达到过滤的目的。 反抗时，采用气、水联合清洗，空气由下而上，纤维渔层拉开，处于松散状态：水流自上而下，进 行搓洗达到纤维滤料再生目的。 捐板式纤维过滤器保留了胶囊式纤维过滤器的许多优点，由于以滑板代替胶囊挤压纤维滤层， 克服了胶囊经常损坏的弊病，大大降低了维护费用，而且滑板式纤维过滤器结构简单易于操作， 正在被越来越广泛的应用在水处理过程中。 1 2 1 “昔星式，纤维过滤拳 为了使滤料达到“理想滤料”的特点，充分发挥滤料的自适应性使过滤器处于高效状态，清华 大学成功研制了“彗星式”纤维滤料斟“擒。它将纤维滤料截污性能好与颗粒滤料反冲洗效果好的特征 相结合，形成种新的过滤材料。 “彗星式”纤维滤料的特点是其一端为松散的纤维柬，又称“慧尾”，另一端纤维缝柬同定在密度 较大的“慧核”内。过滤时，密度较大的“慧核”起到对纤维丝束的压宴作用，同时，又由于“慧核”的尺 寸较小。对过滤断面孔隙率分布的均匀性影响不大，从而提高了滤床的截污能力。气、水同时反冲 洗时，由于“慧核”和“慧尾”纤维丝束的密度差“慧尾”纤维丝束随反冲洗水流散开并摆动，产生较强 东南大学硕士学位论文 的剪切力过滤材料之间的相互碰撞，也加剧了纤维在水中所受到的机械作用力。过滤材料不规则 的形状使滤料在反冲洗水流作用下产生旋转，强化了纤维在水中受到的机械作用力上述几种力的 共同作用使附着在纤维表面的固体杂质很容易脱落，从而提高了过滤材料的洗净度。 “彗星式”纤维过滤器滤料构成的滤层孔隙率沿滤层高度呈梯度分布，下部滤料压实程度高，孔 隙率相对较小，易于保证过滤精度。整个滤层孔隙率由下而上逐渐增大，这种滤层孔隙率分布特征 有利于实现高速和高精度过滤一此外，由于“彗星式”纤维过滤器占地面积小节约工程投资，适用 于新建水厂及现有老水厂的技术改造，不仅增加滤池的流量，提高滤池的截污能力。而且提高滤池 的出水水质。 除上述几种纤维柬过滤器外，还有关于其他新型过滤器的研究与应用，如变孔隙纤维过滤器等， 这些过滤器的过滤原理及特性大体与前述几种过滤器相似也具有过滤运度快，截污容量大，反冲 洗彻底等特点，都是值得进一步研究与开发的。 1 “1 长纤维高速过蕾器 为适应水处理段污水资源化的需要，在总结国内外已有过滤器及备粪填料优缺点的基础上，本 研制组开发成功s e f - ) 型长纤维高速过滤器，如图1 - 1 所示。试验及使用证明，本产品具有目前过滤 器所不具备的诸多优点，为污水处理资源化的理想装备，目前已获国家发明专利授权( 专利号：z l 0 3 1 1 2 8 1 7 3 ) 【。 长纤维过滤器采用强度高、不易流失及无毒性的长纤维丝束滤料，孔隙率高，比表面积大。过 滤过程中滤速快，周期长，阻力小，纳污量大，出永水质优良。过滤器反冲洗彻底，反洗时问短， 反洗耗水率低。此外，过滤器结构简单，过滤组件更换方便由手其良好的过滤效果，大大降低了 造价，节省了能耗减少了战地面积，降低了制水成本。 长纤维过滤器适用范围广泛，可适用于； ( 1 ) 城乡净水厂的给水净化，可取代一般自来水厂的石英砂过滤池，对于原水水质较好的水厂， 可进行直接过滤； ( 2 ) 农村边远地区用水的简易处理； ( 3 ) 城市污水及工业废水的深度处理与回用； ( 4 ) 人工湖泊、景观水体及游泳池用水的循环净化； ( 5 ) 海水淡化及超滤、超纯水的预处理： ( 6 ) 部分工矿企业有用物抖的回收； ( 7 ) 其它工业分离过程。 6 第一章绪论 1 。3 石英砂过滤和纤维束过滤的机理研究 1 & 1 石英砂过渡机理两阶段理论 对于粒径为0 5 - 1 2 r a m 的石英砂滤科，最早认为的过滤机理为机械筛滤，但后来人们发现，经 反洗分层后，滤料直径自上而下大致按由细到粗排列，假设滤料为球状，则滤料表层的孔隙尺寸约 为8 0u m ，但进入滤池的悬浮物颗粒尺寸大部分小于3 0u m 。仍然能被滤层截留下来，而且在滤层深 处也能被截留，说明过滤显然不是机械筛滤的结果。经过众多科学工作看的研究，悬浮颗粒必须经 过迁移和附着两个过程才能完成它们的去除，因此完整的去除机理必须包括对这两个过程的定量 描述。这就是两阶段理论1 2 8 i f 2 9 1 1 3 0 1 。 迁移 l v e s 等人认为，颗粒的迁移分为五种情况，包括沉淀、扩散，惯性、# 且截和水动力。颗粒沉速 较大时会在重力作用下脱离流线，产生沉淀作用；颗粒较小、布朗运动较剧烈时会扩散 滤料表面， 产生扩散作用；颗粒具有较大惯性时也可以脱离流线与滤料接触，产生惯性作用：颗粒尺寸较大时， 处于流线中的颗粒会直接碰到滤挈 表面产生拦截作： ；在滤料表面存在速度梯度，非球体颗柱由于 在速度梯度作用下，会产生转动而脱离流线与滤料表面接触，产生水动力作用。 o m e l i a 认为三种物理迁移辖悬浮颗粒从流体中迁移至滤料表面。第一个是颗粒的布朗运动或分 子扩散，这种随机运动的动力与水分子的动能k t ( k 为玻尔兹曼常数，t 为绝对温度) 密切相关， 因水分子的动能在连续不断的碰撞过程中转移给微小颗粒。影响悬浮颗牲向滤料表面迁移的第二个 过程为流体的流动t 在过滤过程中，悬浮颗粒随流体的运动与滤料颗粒相撞，发生阻截。第三个作 用是重力，它健使悬浮颗粒垂直运动。 对于上述机理，耳前只齄定性描述，其相对作用大小尚无法定量估算。虽然也有某些数学模型， 但还不能解决实际问腰。可能几种机理同时存在，也可能只有其中某些机理起作用。这些迁移机理 所受影响因素较复杂如滤料尺寸、形状、滤速、水温、水中颗粒尺寸、形状和密度等。 吸附 吸附作用是一种物理化学作用。当水中悬浮颗粒迁移到滤料表面时，在范德华引力和静电力相 互作用，以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用、f ，被吸附于滤料颗粒表面，或者粘附在滤 料表面原先吸附的颗粒上。此外，絮凝颗粒的架桥作用也会存在。吸附作用主要决定于滤料和水中 颗粒的表面物理化学性质。 1 & 2 纤维柬过滤机理深层过滤理论 纤维过滤的积泥形态学研究表明，当水经过纤维滤层时，被水流夹带的悬浮颗粒在某些物理因 素如：拦截、惯性扩散、沉降和流体动力等作用下会脱离水流流线，向滤料表面靠近，在范德华力、 静电力以及物理化学吸附力的作用下，悬浮颗粒会粘附在滤料的表面上或粘附在原来已被吸附的悬 浮颗粒表面，称之为表层过滤。但滤料和悬浮颗粒之间粘合程度并不十分牢固，因此在水力作用下， 一部分已跗着的悬浮颗粒从滤料表面脱落下来，被水流带入下一层滤科，重新被吸附截留，称之为 滤料深层过滤t ”j i 。 纤维裹过滤过程中滤层孔隙率自上而下由大到小分布，如图1 - 2 所示。这种变孔径过滤通道 主要靠分子问作用力将颗粒吸附。水中有机物的存在形式主要由两种：一种是胶体彤式，另一种是 真溶液分子形式。对于胶体形式的有机物主要靠脱稳后的物理吸附和未脱稳的静电吸附去除。由于 纤维本身就是一种有机物，根据“相似相容”原理，纤维对真溶液的有机物分子的吸附能力耍比无机 吸附( 如石英砂或无烟煤) 强的多。 7 东南大学硕士学位论文 术鼍方一 lllll 耋 t l 簟虞) 圈1 - 2 试验纤隼柬滤科形吝及孔尊事分布示意圈 研究表明。纤维束过滤机理与石英砂过滤机理有相似之处，即部具有迁移和吸附过程，但石英 砂过滤主要是表层过滤，而纤维束过滤刚同时具有表层过滤和深层过滤积重作用，且更多实现的是 深层过滤，因此截污窖量更大。此外，就吸附而言，纤维束对有机物的吸附有物理吸附和化学吸附， 而石英砂只是机械截留( 可能有物理吸附) ，不其有物理吸附和化学吸附双重性能。 1 4 本研究的目的及意义 通过自行研制的长纤维过滤器( s e f - 1 型长纤维高速过滤器) 和石英砂过漓器对净水厂沉淀出 水的过滤对比试验，研究了长纤维过滤的过滤和反洗特性，详细探讨了较之石英砂过滤的诸多优势。 在此基础上，l ：l 长纤维过滤器对污水厂二沉池出水进行了过滤试验，为长纤维过滤特性作了补充和 完善，进一步探讨了长纤维过滤在污水处理中应用的可行性。 本课题研究的目的在于在深入了解纤维束过滤机理和总结现有各种纤维束过滤器优缺点的基础 上，开发出一种过滤效率高、出水水质好、纳污量大且结构简单、运行操作方便的新型纤维过滤器。 通过与石英砂过滤的对比，摸索出长纤维过滤的规律与特性，在理论和实践上为净水工业和污水资 源化提供一种实用可行的水处理设备。 8 第二章试验概况 第二章试验概况 2 1 试验装置及方法 试验于2 0 0 4 年7 月至2 0 0 5 年7 月在南京市浦i = 1 自来水厂进行。试验装置采用自制的形状、尺 寸相同的长纤维过滤嚣和石英砂过滤器，如图2 1 所示。 圈2 - 1 试验装置示意圈 为便于观察，装置主体以有机玻璃管制成，内径3 0 0 m m ，总高2 5 m 。长纤维过滤器的纤维组件 采刚本组发明的国家发明专利技术捌；石英砂过滤器中石英砂滤料自由填充于反应器中石英砂滤料 下部铺设承托层。装置底部设多孔板，以使反洗时均匀布水布气，上部设溢流口，以保证恒压过滤 和反洗排水。进水采用虹吸管由净水j 沉淀弛直接进水。 本试验采用重力过滤。过滤时，水从装置顶部进入。经滤层厉由装置底部排出：反洗时，反冲 洗水经流量计由过滤器底韶进入，从顶部溢流口排出，反冲洗气由空压机供给，从装置底郡进入， 由装置顶部溢出。 2 2 试验滤料 试验滤料分别采用人工合成聚酯纤维材料和普通石英砂滤料。聚酯纤维经专门方法按一定密度 编织成长纤维组件。滤料具体参数见表2 - 1 。 褒2 - 1 慧辩基本特性参羲 由表2 1 中数据可以看出，长纤维滤料较石英砂滤料孔隙率高，比表面积大，这是长纤维滤科 9 东南大学硕士学位论文 优越性的重要前提条件。 2 3 试验水质 本试验以净水厂沉淀池出水为进水，其水质情况列于表2 - 2 。 表2 - 2 试验进水水质 温度色度浊度 一 耗氧量 氨氮亚硝酸盐氮 细菌总数总大肠茸群数 ( ) ( 度) ( n 1 u ) p h 值 ( n ，l )( m g 几)( 】o d m g ，l ) ( c f u n l )( m p n ) 0 1 5 57 1 47 8 54 8n 1 0 4 8 1 4 2 0 0 3 0 01 5 2 5 2 4 试验内容 试验的主要内容包括：在不同的起始滤速( 6 5 5 m h ) 下，以长纤维过滤器和石英砂过滤器同 步过滤水厂沉淀出水跟踪测定进出水浊度、滤速滤床阻力损失及其它水质指标等，并采用不同 的气、水强度组合对滤料进行再生，达到者在过滤和反冲洗特性上的对比。 2 5 铡定参数及分析仪器 过滤出水水质参数的选择参考了净水厂日常测定的水质指标，主要包括：浊度、耗氧量、氨氮、 亚硝酸盐氨、细菌总数及总大肠菌群数。各水质参数是在水厂分析室测定的。浊度由t s z - 4 0 0 a 型 台式智能散射光浊度仪澳i 定。耗氧量采用高锰酸钾氧化法测定，氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定 亚硝酸盐氰采用重氮偶合分光光度法测定，细菌总数和总大肠杆菌群数分别采用平皿培养法和多管 发酵法测定。 此外，试验过程中还对滤速、过滤阻力损失及反冲洗气、水强度进行了监测。滤建采用体积法 测定，过滤阻力由测压管测定，反冲沈水，气强度分别由l z b - 5 0 型液体转子流量计和i z b 4 0 型气 体转子流量计测定。 1 0 第三章试验结果分析 第三章试验结果及分析 3 1 滤速及过滤周期对比 图3 - 1 ，图3 2 分别为不同初始滤述下长纤维和石英砂过滤的浊度变化。由圈3 1 可以看出，为 确保出水水质，长纤维过滤在9 5 5 m h 较宽的初始滤速范围内，均可达到5 0 小时以上的过滤周期 低滤速时的最长过滤周期可达1 0 0 小时阱上，且在周期内的出水浊度均稳定在0 2 n 1 u 咀下。图3 ，2 则表明石英砂过滤只有在初始滤速为1 4 m m 、9 椭和6 m h 条件下，才有1 0 小时以上的过滤周期； 在起始滤速为2 3 m h 和5 1 n j h 的条件下，出水浊度始终在0 ，5 n t u 以上，超出2 0 0 1 年最新实施的生 活饮用水卫生规范要求”。这表明普通右英砂过滤h 有在较小的滤速下才能选到一定的过滤效果和 周期。 懒h 圈3 - 1 不同黼下长纤堆过滤出水浊度 时目a 时闻肛 田3 2 不同滤速下石英砂过滤出水浊度 时回，h 3 - 3 不同韧始蕾琏下长纤堆过蠢港追变化田3 - 4 不同初始鹭遗下石英砂过滤洼速变化 图3 - 3 、图3 - 4 分别为不同初始滤逮下长纤维和石英砂过游滤遮历时变化可以看出，无论长纤 维过滤还是石英砂过滤。随着过滤的进行，过滤速度逐渐减小，直至临近穿透时又开始回升；且在 不同韧始滤速下滤速下降的速率不同，初始滤逮越大。过滤速度下降得越快；初始滤速很小时( 9 m h ) ， 过滤周期内滤速下降缓慢，运行极为平稳。分析认为，随着初始滤速的提高，滤科的起始压缩程度 和积泥截留速率加快，滤阻增幅也随之加大，油速的下降速率因而增加；当初始滤速较低时，滤层 起始压缩程度较小，孔隙率较大，积泥沿层下穆，澹阻上升平缓，故滤速也下降缓慢。 i l 兰 溉戳 焉 三一 ：专婆 i叠 东南大学硕士学位论文 利用周期内滤速变化关系，通过近似计算，可得不同初始滤速和进水浊度下的平均滤速和单位 滤料体积( 以压缩前滤料高度计算) 的纳污量。表3 - 1 为不同初始滤速下长纤维过滤和石英砂过滤 的过滤周期、平均滤速及纳污量对比从表中可看出，长纤维过滤在各种滤速下，平均滤速和纳污 量均远大于石英砂过滤。即使在低滤速( g m h ) 下，长纤维过滤在过滤周期、平均滤速及纳污量方 面也比石英砂过滤具有较大优势。表3 - 1 同时说明，长纤维过滤在初始滤速为3 8 m h 的条件下过滤 效果最为理想，即在保证较大的平均滤速的前提下能获得较大的过滤周期和纳污量。比较而言，石 英砂在滤速为9 m h 的条件下过滤效果最为理想。这也与水厂石英砂滤池实际运行的8 l o m h 滤速 相一致i 。 衰3 - 1 不同初始糖遗下长纤雏和石英秒的平均涟遗和纳污量 由以上试验结果可知石英砂过滤只有在8 1 4 m h 的滤速范围内才能达到一定的过滤效果。滤 速过小虽能延长过滤周期，但平均滤速太小滤料纳污量很低；滤速过大，过滤周期太短，纳污 量低，滤后水水质难以保证。因此，长纤维过滤与石英砂过滤的特性比较均建立在各自理想的溏速 范用内。试验过程中，石英砂过滤在滤速为9 m h 的条件下过滤效果最为理想。 图3 5 为长纤维和石英砂过滤在9 m h 和1 4 m h 两种滤速时滤后水浊度变化。从中可看出，在这 两种滤速下，长纤维过滤较石英砂过滤出水浊度低，过滤周期长显示了良好的过滤性能。 时阃h 啊3 - 5 相同江遗下长纤雉和石英砂过滤出承浊度 分析认为。长纤维过滤之所以较普通砂滤在滤速和过滤周期等方面具有明显优势，最主要的原 因在于滤料及滤料层结构。长纤维滤料上端自由，下端固定过滤时由于水流的阻力和滤层截污后 的自重，使滤层上松下紧，孔隙率自上而下由大到小分布，实现了深层过滤，很好地解决了滤速和 过滤周期的矛盾。长纤维滤料巨大的孔隙率和比表面积又使深层过滤效果更好，截污量更大。 1 2 n上n，倒羁 第三章试验结果分析 3 2 滤后水水质对比 滤后水水质参数的选择参考了净水厂日常测定的水质指标，主要包括浊度和其它化学及卫生学 指标，如耗氧量、氨氦、亚硝酸盐氮、细菌总数及总大肠苗群数等。 3 乞1 浊度 图3 - 6 为长纤维过滤和石英砂过滤在不同初始滤