（市政工程专业论文）PDF技术处理洗浴废水的研究及过滤器内流场分析.pdf

摘要 针对目前我国中水回用的现状，在硅藻土过滤技术( d e f ) 的基础上，首次 将p d f ( p a c d e ) 即硅藻土与粉末活性炭联用预涂膜过滤技术应用于洗浴废水 的处理中。本课题将学校公共浴室的洗浴废水作为实验原水，通过烧杯试验和中 试实验详细研究了p d f 技术用于洗浴废水处理的可行性并对该技术各影响因素 进行了最优化分析，此外采用c f ) ( 5 6 软件对硅藻土过滤器内的流场进行了数值 模拟，希望通过数值模拟了解过滤器内的流场，进而解释试验中出现的现象并对 过滤器结构的改进提供依据。同时通过数值模拟也可以对该类型袋式过滤器结构 尺寸的优化设计提供一定的理论依据。 首先，通过混凝实验对混凝法的各影响因素：混凝剂种类、投加量及水力条 件等进行分析，并通过正交实验得出针对试验原水的最佳实验工况。 其次，通过过滤和吸附试验，结果表明预涂膜过滤技术处理洗浴废水是可行 的，硅藻土与粉末活性炭的组合对原水的去除效果优于单独使用硅藻土的效果。 再次，通过中试实验分别对预涂量、p a c 种类、p a c 和d e 配比及附加剂种 类和配比等影响因素进行了考察，对实验结果从出水流量随运行时间的变化关 系、各污染物的去除率和经济因素等方面综合考虑，建议本试验设备最优运行工 况为采用小于2 0 0 目的p a c ，预涂量8 0 0 9 、预涂剂配比d e ：p a c _ 3 ：l ，附加剂投 加量6 2 5 m g l ，附加剂配比d e ：p a c = i 5 ：l 。初始过滤速率为1 5 5 m 3 h 。 此外，本课题采用计算流体力学软件c f x 对单根过滤组件和三根过滤组件 过滤器内的流场进行了数值模拟，得出过滤器内速度和压力的分布规律，模拟结 果表明该方法对于此类过滤器流场的数值模拟是适用的。 通过分析比较得出增加过滤组件数目可以有效地提高过滤器内流体的速度， 从而提高过滤效率，由此可见增加过滤组件后出水流量不是过滤组件数目之间的 倍数关系，而是要大于该倍数，但过滤组件的平面布置也直接影响着过滤效率。 在进水流量和过滤器断面尺寸一定的情况下，对不同高度过滤器的速度场和 压力场进行分析，结果表明：随着高度的降低，速度和压力的死区均在逐渐减小， 但并不是随高度的降低成比例减小的，这说明了对于一定断面尺寸的过滤器，高 度对其速度场和压力场影响很大，且存在一个最佳的高度。针对本课题所采用的 过滤器，当高度为0 7 m 时，过滤器内的速度较大且造成的死区较小，过滤效率 较好。这与实验中出现的现象吻合，实验中过滤器顶部大约有2 0 c m 左右区域出 现涂膜效果较差，过滤效果不好的现象。 关键词：p d f ；洗浴废水；影响因素；数值模拟；流场分析 a b s t r a c t a i m i n g a to u rc o u n t r y se c t u a l i t yo fm i d d l e w a t e r 朗l s ea n db a s i n go nd i a t o m i t e e a r t h f i l t r a t i o n ( d e f ) t e c h n i q u e ，w e a p p l y p d f ( p a c - d e ) p r e c o a t f i l t r a t i o n t e c h n i q u e i nt h et r e a t m e n to fb a t h i n gw a s t e w a t e rf l r s t l y w eu s e db a t h i n gw a s t e w a t e ro fs c h o o l b a t h r o o mi nt h ee x p e r i m e n t t h r o u g hs m a l l - e x p e r i m e n ta n dm i d d l e - e x p e r i m e n t , w e s t u d yf e a s i b i i i t yo fp d ft e c h n i q u ea n da n a l y z ee v e r yi m p a c tf a c t o r s f u r t h e r m o r e ， a d o p 血gc f x 5 6s o f t w a r e ，t h i ss u b j e c ts i m u l a t e sf l o wf i e l dd i s l l i b u t i o no fd e f i l t e r a i m i n ga te x p l a i n i n gp h e n o m e n ai nt h ee x p e r i m e n ta n dp r o v i d eb a s i st h a tu s i n gi n m e n d i n gs t r u c t u r eo ff i l t e r t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , i ta l s oc a ns u p p l ys o m e b a s i sf o ro p t i m i z a t i o nd e s i g no f b a gf i l t e ri nt h e o r y f i r s t l y , t h r o u g hc o a g u l a t ee x p e r i m e n t ，w ea n a l y z ee v e r yi m p a c tf a c t o ro fs u c ha s c o a g u l a n t 、d o s i n ga n dh y d r a u l i cc o n d i t i o na n d o n o r t h o g o n a le x p e r i m e n t s r e s u l t e d u c e st h eb e s to p e r a t i n gc o n d i t i o nf o rt h ew a s t e w a t e r s e c o n d l y , t h e r e s u l t so ff i l t r a t i o na n da b s o r b i n ge x p e r i m e n ti n d i c a t e t h a t p r e c o a t i n gf i l t r a t i o nt e c h n i q u ei sa v a i l a b l ei nt r e a t i n gb a t h i n gw a s t e w a t e ra n dw h e n d ea n dp a cc o m b i n a t i o n , t h er e m o v a le 仃b c ti sb e t t e rt h a no n l yu s i n gd e t h r o u g hm i d d l e - e x p e r i m e n t , w es t u d yi m p a c tf a c t o r so f p d f t e c h n i q u es u c ha s t h ea m o u n to f d ei np r e c o a t i n g 、t h em a s sr a t i oo f d ea n dp a ci nt h ep r e c o a t i n ga n d f i l t r a t i o nv e l o c i t ya n ds oo n t h r o u g hc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no f c h a n o n go f f l u xa l o n gw i t ho p e r a t i n gt i m e 、r e m o v a lr a t i oo f c o n t a m i n a t i o n 、t h ew a t e rq u a l i t yo f o u t l e ta n de c o n o m i cf a c t o r , t h ee x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e s t h eb e s to p e r a t i n g c o n d i t i o nt h a ti su s i n gl e s st h a n2 0 0m e s hp a ca n dd e ，u n d e rc o n d i t i o no f a m o u n to f p r e c o a t i n gi s8 0 0 9 、m a s sr a t i oo fd ea n dp a ci s3 、a d d i t i o na g e n td o s i n gi s 6 2 5 m g l 、m a s sr a t i oo f d ea n dp a c i s1 5a n di n i t i a lf i l t r a t i o nv e l o c i t yi s1 5 5 m h a tt h es a m et i m e ，b a s i n go nc f x 5 6s o f i a v a r e ，t h i ss u b j e c ts i m u l a t e sf l o wf i e l d d i s t r i b u t i o no fd ef i l t e rt h a tc o n t a i n i n go n ef i l t r a t i o nm o d u l ea n dt h r e ef i l t r a t i o n m o d u l e s t h er e s u l te d u c e sp r o f i l eo fv e l o c i t ya n dp r e s s u r ei nt h ef i l t e ra n di n d i c a t e s t h i sm e t h o di ss u i t a b l ef o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff i l t e r t h r o u g ha n a n y z i n ga n dc o m p a r i n gw i t ht h er e s u l t , i ts h o w st h a ta d d i n gt h e a m o u n to ff i l t e rp a c kc 粕i m p r o v ev e l o c i t y , a c c o r d i n g l yi m p r o v i n gf i l t r a t i o ne f f e c t t h u si tc a nb es e e nt h a tw h e na d d i n gf i l t e rp a c ka m o u n t , t h er e l a t i o n s h i po f o u t f l o wr a t ei sn o tt i m s a m ea st h em u l t i p l er e l a t i o no f a m o u n ta n di tw i l lb el a r g e rt h a nt h i sm u l t i p l e b u tp l a nl a y o u to f f i l t e rp a c ka f f e c tf i l t r a t i o ne f f e c td i r e c t l y w h e ni n f l o wr a t ea n ds e c t i o n a ld i m e n s i o na g ef i x e dv a l u e s ，c o m p a r i n gw i t h 北京丁业人学t 学硕 学位论文 v e l o c i t ya n dp r e s s u r ep r o f i l e so ff i l t e r st h a th a v ed i f f e r e n th e i g h t ，t h er e s u l ti n d i c a t e s t h a tt h ed e a da r e ao fv e l o c i t ya n d p r e s s u r ed e c r e a s ea l o n gw i t ht h eh e i g h t sr e d u c i n g b u tt h ed e c r e s er a t ei sn o tt h e 懿l n l ea st h a to fh e i g h t t h u si tc a nb es e e nt h a tt h e h e i g h ta f f e c tv e l o c i t yf i e l da n dp r e s s u r ef i e l dl a r g e l ya n dt h e r ei sao p t i m a lh e i g h t f o r t h ef i l t e ru s i n gi nt h i ss u b j e c t , w h e nf i l t e rh e i g h ti s0 7 m t h ev e l o c i t yi sh i g h e ra n dt h e d e a dz o n ei ss m a l l e r , f i l t r a t i o ne f f e c ti sb e t t e r 1 1 1 i sc o n c l u s i o ni 8t h e5 a n l ea st h e p h e n o m e n o nt h a ta p p e a r i n gi ne x p e r i m e n t i ne x p e r i m e n t ，t h e r ei sa b o u t2 0 c ma r e a t h a ta p p e a r c i n gp r e c o a t i n ga n df i l t r a t i o ne f f e c t sa r eh a da tt h et o po ff i l t e r k e yw o r d ：p a c - d ef i l t r a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n b a t h i n gw a s t e w a t e ri m p a c tf a c t o r a n a l y z i n go f f l o wf i e l d i v 独创性声明 本人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，也不包含为获得北京工业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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 张雌导师张丝曩吼丑丝 1 1 课题背景 第l 章绪论 1 1 1 我国中水回用现状 我国城市中水回用的研究早在“六五”己开展，“八五”期问，分别开展以大连、 太原、天津、泰安、燕山石化等为依托的工程性试验。2 0 0 0 年以“十五”纲要为 目标，中水回用被正式写入文件，表明全国开始全面启动中水回用工程1 1 1 。近几 年来，中水回用工作日益受到重视，国内许多城市都建设了中水回用工程。北京 是我国中水回用发展较快的城市，到2 0 0 1 年底已建成中水设施1 0 0 余个，日处 理水量约2 万m 3 ，另有1 0 0 余套中水设施正在建设中。如果全部投入使用，每 日可节水3 万n ，。随着大量中水设施的投入使用，在一定程度上缓解了北京市 供水紧张的压力，为北京市节水工作做出了重要贡献。尽管城市中水回用已经开 始，并有了一些成效，使用中水所具有的优越性越来越得到人们的认可，但是还 存在一些问题，如目前中水回用设施设计、运行管理良莠不齐，影响使用效果， 因此完善的中水回用处理技术是促进中水回用进一步发展的保证，今后需要对已 有的技术不断改进和更新，加强新工艺、新流程、新技术和设备产品的研究、开 发和推广；另外中水价格是影响中水回用的重要因素，其中中水处理成本又是中 水价格的决定性因素，由调查资料统计表明：北京市的中水平均处理成本( 包括 设备折旧费) 在2 0 元岔左右 2 1 ，由此可见通过不断降低中水处理成本，也可以 促进中水回用的发展。 1 1 2 洗浴废水处理工艺的研究现状 1 1 2 1 洗浴废水回用的意义 在中水回用原水中，洗浴废水是污染程度较轻的污水，属优质杂排水，处理 难度相对较小；而且洗浴废水排水量较大( 住宅占3 0 左右，宾馆占7 0 左右) ， 容易分流，便于收集是优先选择的中水回用原水【3 】。对洗浴废水进行处理回用是 实现废水资源化，缓解水资源的重要途径，具有重要的社会效益和经济效益。 1 1 2 2 洗浴废水的处理工艺 目前洗浴废水的处理方法有以物化处理为主的工艺流程，以生物处理为主的 工艺流程及物化处理和生物处理相结合的工艺流程。 ( 1 ) 以物化处理为主的工艺流程 这一类工艺主要包括传统的处理工艺，如混凝沉淀或气浮，过滤( 炭滤和砂滤) 以及氧化法和膜滤法等。通常在主工艺的前后阶段需投加混凝剂和消毒剂。 北京i 业人学i 学碗j 学位论文 李海军等采用气浮法处理洗浴废水，结果表明，气浮对处理洗浴废水有较强 适用性，不仅净化出水水质可满足冲厕、绿化等回用水要求；而且具有易于调试、 投资小，占地面积省等特点，可降低中水系统管理难度及成本费用【6 1 。 试验研究表明在洗浴废水处理中，混凝是预处理的有效手段，混凝沉淀可以有 效地去除洗浴废水中的污染物，显著地减少污染物负荷，为后续处理创造良好条 件。因此，近年来人们对混凝剂的种类、投加剂量及影响因素等进行了大量研究。 臭氧能够有效地氧化分解废水中的有机物合氨氮，反应接触时间短、处理效 率高，并具有杀菌、除味、脱色等功能。吴青霞等采用臭氧氧化技术对经混凝过 滤后的洗浴废水进行回用的深度处理试验研究，结果表明臭氧对洗浴废水中的污 染物具有较好的去除作用f 4 】。 刘静纬等采用的工艺流程为微絮凝过滤器中空纤维超滤膜联用，处理后的 水用于绿化、冲洗汽车、淋洒道路和厕所等杂用。张洪国等采用微絮凝直接过滤 一中空纤维超滤膜方法处理，以浊度、悬浮物固体、l a s 和有机物为主要处理对 象，处理后的水达到作为杂用水的标准，可作为中水回用。这些处理工艺在膜反 应器前只进行物化处理而没有进行生物处理。 ( 2 ) 以生物处理为主的工艺流程 生物处理主要是是用以去除污水中的呈溶解状态和胶体状态的有机污染物。 生物处理法是降解、去除污水中所含有机物经济、有效的工艺。目前使用较多的 生物处理法有生物接触氧化法和生物活性炭法等。 但是，实践表明，用生物法处理洗浴废水有一定的不适应性。生物法停留时 间较长，处理设施庞大，占地面积及投资较大，同时洗浴废水中有机物含量较低， 微生物营养物质不足，容易进行内源消耗，不利于启动过程中活性污泥及生物膜 的培养驯化，给中水系统的运行管理增加了难度。在实际应用中还发现阴离子洗 涤剂( l a s ) 通过生物处理难以去除的现象。同时生物处理管理要求较高，臭气、 噪声问题要妥善解决好1 6 j 。 ( 3 ) 物化处理和生物处理相结合的工艺流程 物化处理和生物处理相结合可以弥补各自的不足，充分发挥彼此的性能，进 一步提高出水水质。 目前北京市的中水工程选用生物一物化结合的工艺中，采用生物接触氧化为 主的生物和物化结合的处理方法最多，占8 0 1 2 。这些工艺一般是经过必要的预 处理之后，然后进行生物接触氧化，之后投加混凝剂并进行石英砂过滤和活性炭 过滤，最后进行消毒，虽然出水水质达到生活杂用水水质标准，处理费用也适中， 但是处理工艺较长，管理和维护较复杂。 臭氧- 生物活性炭联用技术，由于洗浴废水中经常含有大分子物质或者胶体， 而活性炭只能吸附溶解性的有机小分子，所以常常在污水处理前采用臭氧预处理 2 第1 荦绪论 装置。采用臭氧装置可以选择性地降生物大分子、胶体等分解成溶解性小分子， 大大增加了可生物降解有机物，改变了所处理废水不同种类有机物所占的比例， 这有助于生物活性炭性能的发挥。一般说来，臭氧生物活性炭联用可以提高污 水的处理效果，尤其是含有难降解物质的污水，但是如果经过臭氧氧化后的大分 子物质被分解成了大量不易吸附的小分子物质，那么臭氧和生物活性炭联用的效 果反而有可能下降。 膜生物反应器【5 】( m b r ) 是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的水处 理技术。与传统的生化水处理技术相比，m b r 具有处理效率高、出水水质好； 设备紧凑、占地面积小；易实现自动控制、运行管理简单等特点，但是在实际应 用中也存在着膜造价较高和膜污染等问题【3 7 1 。今后随着膜价格的降低与使用寿命 的延长，新型高效低能耗m b r 的开发，m b r 将得到进一步的应用。刘锐等用一 体式中空纤维膜生物反应器处理学生浴池的水，试验监测了s s 、n f l 3 一n 、c o d 、 b o d 、l a s 、色度、浊度、嗅和大肠菌群等指标，出水水质符合生活杂用水标准。 b r e n n e r 等采用2 种工艺流程处理污水，一是用序批式反应器s b r 单元和微粒过滤 器联用，另一是s b r 单元和微滤膜联用。s b r 是一个有效的生物处理单元，其出 水含有较低的b o d 和s s ，对细菌、大肠菌群和粪大肠菌群等具有非常有效的去 除作用。处理后的水完全可以用于农业生产，甚至达到任意再利用标准的要求。 江霜英等采用气浮一曝气生物滤池工艺对洗衣、洗浴废水进行处理，结果表明该 工艺能够取得很好的处理效果，处理出水完全可以达到城市生活杂用水的标准。 1 2d e f 技术和p d f 技术的应用现状 1 2 1 硅藻土的特性及处理机理 硅藻土是以硅藻遗骸( 壳体) 为主的硅质生物沉积岩，其颗粒很小，一般在几 微米至3 0 微米以上。硅藻土的化学组成主要是二氧化硅( 一级土s i 0 它8 5 ) ，结构 为非晶质( 无定形s i 0 2 ) ，硅藻壳体为多孔构造，故亦称“天然分子筛”。硅藻壳体 是由非晶质二氧化硅和果胶组成，壳壁外层呈不同形式排列的微孔。我国硅藻土 资源丰富，储量1 0 x l o 、以上，为助凝剂的生产提供了物质基础。硅藻土助凝剂 是用优质硅藻土为基本原料加工制成粉状产品，在工业生产过滤中用来帮助被过 滤液体提高滤速、提高澄清度的过滤材料。由于其具有独特的孔结构，不同力度 分布范围和稳定的化学物质，因此可使被过滤的液体获得高流速比并能滤除微细 的固体悬浮物，最小可截留0 1 1 微米的杂质粒子。硅藻土的基本组成和特征 构造使其具有真密度、堆密度小，稳定性高，耐酸、耐热，吸附性、悬浮性、分 散性好等特点，表面被大量硅羟基所覆盖，通常其颗粒表面带有负电荷，因此， 在水溶液中可用于吸附金属离子、有机化合物、高分子聚合物，还可以吸附蛋白 质。硅藻土主要是借助硅藻土将简单的介质表面过滤变为深层过滤，提高滤液的 北京i 业人学1 学坝l 学位论文 澄清度，并用其疏松滤饼层，提高过滤速度。实际应用证明，硅藻土助凝剂过滤 可去除悬浮物、胶体物质、细菌病毒等，其过滤作用主要是对杂质的机械截留作 用和吸附作用。硅藻土由于孔隙率高孔径小，有较大的比表面积，能滤除l 微 米以上的固体悬浮物，对大肠杆菌等细菌、藻类等的去除率高达9 9 5 以上，病 毒去除率可达8 5 以上，自来水经d e 过滤后，c o d ，1 d c 的去除率在1 0 左 右。硅藻土具有独特的微孔结构，比表面积大，堆密度小，孔体积大，因而其吸 附能力强，但并不能表明硅藻土对任何物质都具有强吸附能力。由于硅藻土吸附 剂多呈负电性，因而对带负电的有机物的吸附就受到一定的限制。发生在硅藻土 孔隙内的吸附主要是物理吸附，既可以发生单分子吸附，也可以形成多分子吸附， 吸附速度较快【9 q j 6 】 1 2 2 硅藻土过滤技术( d e f ) 的应用现状 硅藻土过滤技术( d e f ) 用于水处理中，最初是被美国部队试验成功的。由 于该工艺设备简单、运行灵活、移动方便，并能有效地去除阿米巴孢囊，贾第虫 孢子等野外常见的致病微生物，在第二次世界大战的野外给水方面，发挥了重要 的作用。5 0 年代后，美国自来水厂协会( a w w a ) 逐渐把它发展到民用水处理上。 在美国，仅2 0 世纪5 0 6 0 年代就有6 0 以上的公共游泳池采用硅藻土( d e ) 过滤循 环处理池水。而在日本的广岛亚运会游泳馆、1 9 8 8 年汉城奥运会游泳馆、2 0 0 0 年悉尼奥运会的游泳馆均采用硅藻土( d e ) 过滤。实践证明，硅藻土过滤是游泳池 循环水处理比较经济有效的方法。工业用水量很大，各行业用水指标不尽相同。 因此处理方法有所不同，但多数都需要过滤净化，硅藻土过滤是应用方式之一， 主要用于造纸工业用水、锅炉供水、饮料用水、电子工业洁净水和再利用水，如 冷凝水的过滤回用作锅炉回水等。应用中发现硅藻土过滤地下水具有除铁、除锰 作用，如泵出的地下水经曝气氧化后过滤，铁、锰去除效果更好。国夕 - 7 0 年代初 已开始用其去除地下水中的铁、锰。据统计国内硅藻土产品用于过滤材料仅占2 批，而在国外占6 4 6 6 ，因此应该加速开拓硅藻土的应用领域，优先发展高性能 硅藻土材料，使国内的硅藻土过滤技术及应用赶上世界发达国家【l 7 1 。 我国首次研究硅藻土，是在1 9 6 4 1 9 6 6 年期间，由同济大学给排水教研室 与上海轻工业设计院合作进行。在约两年的研究工作中，经过小试、中试已初步 探索到硅藻土过滤器的过滤性能和操作方法。近些年来，硅藻土过滤技术在我国 的水处理领域也有了一定程度的研究和应用。同济大学范瑾初课题组历时三年就 硅藻土过滤机理、过滤方程、除铁除锰技术、游泳池循环水处理、活性炭一硅藻 土吸附过滤技术。硅藻土过滤器制造技术和国产硅藻土助滤剂的性能等进行流量 全面的研列“j 。1 9 9 4 年浙江宁海县体育中心游泳馆首次将同济大学研制的硅藻土 过滤器有用于游泳池水循环处理中。高乃云硅藻土过滤作为纯水制备的预处理工 艺进行了研究，并在进行了生产性试验，结果表明：硅藻土过滤可作为纯水的有 4 第1 苹绪论 效预处理工艺。硅藻土过滤具有除浊、除菌、除铁、除锰等特点，使离子交换膜 和离子交换树脂的使用寿命延长，出水水质提高。硅藻土过滤在污水处理中也有 广泛的应用，目前已经应用于城市污水、造纸废水、印染废水、屠宰废水、含油 废水和重金属废水的处理中【7 1 9 】。硅藻土过滤技术在污水处理中的应用主要是作 为处理工艺的预处理和深度处理，减小后续处理工艺的负荷或对处理水进行深度 处理。根据中水、污水的性质和综合条件，污水处理工艺可选择目前最新型的处 理工艺硅藻精土水处理并结合生化的处理工艺。该工艺无论在投资、占地、运 行。还是在出水水质方面均优于目前广泛应用的生物处理工艺p 6 j 。 1 2 3 粉末活性炭一硅藻土联用( p d f ) 技术的应用现状 1 2 3 1 粉末活性炭的吸附特性及其应用 活性炭吸附法目前用得较多的是在给水处理中去除微量有害物质及嗅、味。 在污水处理中则基本应用于深度处理，去除难于生物降解的少量有害物质，如除 色度、杀虫剂、洗涤剂以及一些金属离子如汞、锑、铋、铬、镉、银、铅、镍等。 活性炭对有机物的吸附与有机物的溶解度、极性、分子量大小有关。活性炭对有 机物的吸附速度与颗粒内部的扩散速度有关。对同系有机物，吸附量一般随分子 量的增大而增加。但分子量过大会降低吸附速度。一般认为选择吸附剂有效的细 孔直径时，采用吸附质直径的3 6 倍为宜。用活性炭去除有机物时，吸附质有机 物的分子量在1 0 0 0 以下为宜。在处理流程上，吸附法可以与其他物化法联合，组 成所谓的物化流程。例如，先用混凝沉淀、过滤等去除悬浮物和胶体，然后用吸 附法去除溶解性有机物。吸附法也可以与生化法联用，如向曝气池中投加粉状活 性炭，利用粒状吸附剂作为微生物的生长载体或作为生物流化床的介质；或在生 物处理之后进行吸附深度处理等，这些联用工艺都在工业上得到了应用。粉末活 性炭( p a c ) 与粒状活性炭( g a c ) 相比，主要优点是设备投资省，价格较便宜，吸 附速度快，对短期及突变性水质污染适应能力强，故英、美、日等国至今仍广泛 应用。但与g a c 相比，p a c 吸附能力往往得不到充分发挥，影响了它的处理水平 和经济效果。因此，研究和开发粉末活性炭吸附新技术，为p a c 的应用提供一种 新的应用形式，使其的吸附特点和吸附容量充分发挥，具有十分重要的意义。范 瑾初等对饮用水处理中粉末活性炭应用的一种新方法粉末活性炭悬浮吸附 技术( p a c f ) 进行了研究，该技术吸取了粒状活性炭和粉末活性炭各自的优点， 在给水处理方面颇有应用前景。研究采用密度小于水的聚苯乙烯小球作为p a c 附 着载体，使p a c 的吸附容量得到充分的发挥。本课题将开发研制固定活性炭吸附 技术与硅藻土联用进行预涂膜过滤，为粉末活性炭提供另一种新的应用形式。 1 2 3 2 粉末活性炭硅藻土联用 根据活性炭和硅藻土各自的结构及其附特性，将两者联用可以更有效地去除 水中污染物。首先，活性炭对污水中有机物的吸附与有机物的分子量有关，一般 认为宜控制在1 0 0 0 以内，所以对一些大分子有机物不能很好地去除并且可能堵塞 活性炭微孔，而硅藻土是一种多孔介质，孔隙尺寸较大，对不易被活性碳微孔吸 附和容易堵塞活性炭的大分子有机物有一定的吸附作用。所以，活性炭与硅藻土 联用有利于活性炭对小分子有机物的吸附。同时，硅藻土对有机物的吸附能力是 有限的，很可能是随浊度的降低而去除有机物的。硅藻土作为除浊、去菌非常有 效，但不能有效地去除水中的有机污染物。由此可知，活性炭与硅藻土联用可以 相互弥补不足，更有效地去除水中污染物。 1 2 3 3p d f 技术的应用 粉末活性炭一硅藻土联用技术最初是由叶翠莲提出的，并针对饮用水的深度 处理进行了试验和研究，研究结果表明，该技术在进一步降低水浊度的同时，能 有效地去除水中微量的溶解性有机物，同时对卤代烃也有一定的去除效果，且在 过滤的过程中不存在微生物滋长的问题，并认为该工艺可用于浊度低于2 0 度的 微污染水的处理，具有广泛的应用前景1 2 6 】。金伟采用粉末活性炭和硅藻土过滤技 术对自来水进行深度处理，试验结果表明：p d f 技术可以取得稳定的有机物去除 效果，c o d m i l 平均去除率为6 0 左右，u v 2 s 4 平均去除率为9 0 以上，对三氯 甲烷、四氯乙烯的去除率分别为6 1 6 1 和8 4 2 6 ，并且在过滤过程中不存在微生 物滋长的问题。纪任旺等对粉末活性炭与硅藻土联用( p d f ) 用于饮用水深度处理 进行了研究，结果表明在最佳工况下，u v 2 5 4 去除率达9 0 ，t o c 去除率达4 0 ， 挥发性卤代烃总去除率大于9 0 ，其运行关键为d e 和p a c 配比。目前在水处 理中，粉末活性炭一硅藻土联用即p d f 技术还停留在对饮用水深度处理的研究 和应用中【1 2 】f 1 4 】。 综上所述，在国家水资源短缺，提倡废水资源化的大背景下，结合目前洗浴 废水各种处理工艺的优点和缺点，同时根据硅藻土和活性炭的处理特性及其应 用，提出了活性炭一硅藻土联用为主的工艺处理洗浴废水。 1 3 过滤器内流场分析 目前，对于采用袋式过滤器处理工艺的研究中大多数都是过多的强调工艺组 合和处理效果，仅停留在对过滤器进水方式、过滤介质的材质及一些设计参数等 层面上的研究来提高其处理效果，而忽视了对过滤器内流场的分析，虽然这些措 施在一定程度上能解决问题，但由于没有对过滤器内的流动规律进行完全详细的 了解，会对过滤器的利用效率、操作运行及运行周期等造成了影响，所以要成根 本上解决问题，首先就必须了解过滤器内的流场。由于直接对流场中的参数进行 测量或通过数学公式计算直接推导难度都很大，因此提出一种行之有效的方法对 过滤器的流场进行分析对提高出水效果及工艺的生产性应用和推广都具有重要 的意义。 6 1 3 1 分析方法 目前，对于流场的研究方法主要有两种：实验测量和理论分析计算，其中理 论分析计算又以流场数值模拟为主f 4 8 j 。 1 3 1 1 实验测量 现行的实验测量手段有很多种类，这其中包括l d v ( 激光多普勒测速仪) 、 p w ( 粒子图像测速仪) 、热线热膜流速计等等。近年来迅猛发展的数字粒子图像 测速( d p i v ) 技术给反应器全场瞬时流动的研究提供了一个有力的工具。运用粒子 图像测速技术，不但可以进行多点同步澳0 量，获得速度随时间变化的平面和空分 布，而且测量是非接触式的，不会干扰流场，提高了测量的准确性和可靠性。但 是该技术对流场的测量往往只能获得一些局部的信息，而且流场测量的实验装置 一般比较昂贵，实验过程比较费时。对某些过程有时是无法进行实验测量的，在 某些时候显得也不够方便【4 8 】。 1 3 1 2 数值模拟 在数值模拟方面，自从1 9 8 2 年h a r v e y 第一次将计算流体力学( c f d ) i j i ) k 到搅拌槽内二维流动场的预报开始，对搅拌槽内流动特性的数值模拟研究就已经 迅速地发展起来。从二维数值模拟到三维数值模拟，从单相流到多相流，桨叶边 界条件开始被处理为“黑箱”模型，依靠实验数据确定，后来发展了动量源法， 多重参考系( m u l t i r e f e r e n c ef r a m e ) 和滑移网格( s l i d i n gm e s h ) 等技术，不再依靠实 验数据。尤其是近年来非结构化网格技术的发展，使得人们能够描述复杂的几何 形状，极大地促进了c f d 的发展。数值模拟已经发展成为一种独立和有效的研 究工具。由于数值模拟可大大减少实验工作量和缩短实验周期，并能提供实验方 法所不能获得的详尽信息，因而越来越受到人们的重视。国内应用c f d 技术对 污水处理反应器流场的数值模拟国内还很少见。但从目前的文献来看，c f d 在 国内已经逐渐兴起【4 s 】。 1 3 2c f x 软件的介绍 1 3 2 1c f d 商业软件综合介绍 计算流体力学( c f d ) 是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物， 是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的 数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解 决各种实际问题。计算流体力学和相关的计算传热学，计算燃烧学的原理是用数 值方法求解非线性联立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组， 求解结果能预报流动、传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和 放大定量设计的有力工具。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验， 它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备， 7 在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。目前比较好的c f d 软件有：f l u e n t 、 c f x ，p h o e n i c s 、s t a r - c d ，除了f l u e n t 是美国公司的软件外，其它三个都是英国 公司的产品1 “。 1 3 2 2c f x 软件概述1 3 l 】 c f x 是由英国a e a 公司开发，是一种实用流体工程分析工具，用于模拟流 体流动、传热、多相流、化学反应、燃烧问题。2 0 0 3 年，c f x 加入了全球最大 的c a e 仿真软件公司a n s y s 公司，使其进而可以为包括固体力学、流体力学、 传热学、电学、磁学等在内的多物理场及多场耦合的问题提供整体解决方案。加 入a n s y s 后，c f ) ( 在单元模拟中建立几何结构及生成网格的过程由a n s y s 的 相应模块来实现，其他前处理过程集中到c f x p r e 平台来完成，求解就由c f x s o l v e rm a n a g e r 平台来完成，而后处理就由c f x p o s t 平台来完成。目前，c f x 的应用已经遍及过程工业、航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、 汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等各个行业。 c f x 4 是c f x 的主要仿真平台之一，可以用于对直角坐标系、柱坐标系、 旋转坐标系和多重参考坐标系的- - 三维定常和非定常流动进行模拟。c f x 4 可以 模拟的对象包括可压不可压流动、浮力驱动流、非牛顿流、多孔介质内的流动、 湍流流动、多组分流体流动、多相流、传热( 对流传热及热传导) 、流固耦合传热、 辐射传热及各种化学反应过程。 c f x 4 采用有限体积法，隐式的基于压力修正的算法，基于s i m p l e 的算法 和p i s o 耦合算法。c f x 4 有多种差分格式供选择，包括混合差分、迎风格式、 高阶迎风格式、q u i c k 格式、c o n d i f 格式、t v d m u s c l 格式和c c c t 格式。 c f x 4 的求解器包括代数多网格求解器、i c c g 求解器和线性、s t o n e 或块状s t o n e 求解器。 c f x 5 在c f x 4 的基础上，c f x 5 加强了旋转坐标系和多重参考坐标系下流 动问题的模拟能力，新增了对粘性加热和自由表面现象的模拟能力。此外，c f x 5 还强化了在可压不可压流动、湍流流动、辐射、多相流和燃烧等方面模拟功能。 c f x 5 对复杂几何体的模拟功能更强一些。c f x 5 可直接读入第三方生成的网格， 对非匹配的多块网格、任意大小形状和拓扑结构的六面体单元网格块均可用通用 网格接口进行粘接或和循环连接，从而可为复杂几何边界问题快速生成精确而 且求解性能非常好的网格。c f x 5 还可采用嵌套网格以加密局部网格和基于流场 分布的自适应网格。c f x 5 采用代数多网格耦合求解器同时求解质量和动量方程， 并采用最先进的代数多网格线性求解器和不完全高低分解平滑器( i l u o ) ，求解 过程迅速且极为稳定可靠。c f x 5 的求解速度与模型规模无关，小型网格和大型 网格均有相同的求解速度。在差分格式上，c f x 5 提供了基于物理规律的高阶差 分格式，对任何流动问题都非常稳定，包括迎风格式( u d s ) 、质量加权的斜上游 8 第1 荦绪论 差分格式c m w s ) 、线性分布的斜上游差分格式( l p s ) 。 1 3 2 3c f x 的技术优势 c f x 的优势在于处理流动物理现象简单而几何形状复杂的问题。适用于直 角柱面旋转坐标系，稳态月e 稳态流动，瞬态滑移网格，不可压缩弱可压缩同 压缩流体，浮力流，多相流，非牛顿流体，化学反应，燃烧，n o x 生成，辐射， 多孔介质及混合传热过程。c f x 采用有限元法，自动时间步长控制，s i m p l e 算 法，代数多网格、i c c g gl i n e ，s t o n e 和b l o c ks t o n e 解法。能有效、精确地表达复 杂几何形状，任意连接模块即可构造所需的几何图形。在每一个模块内，网格的 生成可以确保迅速、可靠地进行，这种多块式网格允许扩展和变形，例如计算气 缸中活塞的运动和自由表面的运动。滑动网格功能允许网格的各部分可以相对滑 动或旋转，这种功能可以用于计算牙轮钻头与井壁间流体的相互作用。c f x 引 进了各种公认的湍流模型。例如：k - s 模型，低雷诺数k - 8 模型，r n gk - e 模型， 代数雷诺应力模型，微分雷诺应力模型，微分雷诺通量模型等。c f x 的多相流 模型可用于分析工业生产中出现的各种流动。包括单体颗粒运动模型，连续相及 分散相的多相流模型和自由表面的流动模型。 c f x 具有较强的计算通用性与丰富的显示功能，对工程应用灵活方便。她 可以分析过滤器内受到测量手段和计算推导限制而难以实现的流场研究问题；它 可以对各种几何结构、各种流动介质的工程实例问题进行模拟计算；强大的后处 理功能，可以形象的显示出流场中各个参数在模拟对象内的分布，并可以用动画 的形式模拟各参数变化的动态过程等等。利用现成的商业软件进行数值模拟在工 程应用领域是一个很有发展前景的方向，它将成为越来越多研究者解决实际工程 问题的一个有效手段。 1 4 本课题研究的内容及意义 针对目前我国中水回用的现状，在硅藻土过滤技术的基础上，首次将 p d f ( p a c d e ) 即硅藻土与粉末活性炭联用预涂膜过滤技术应用于洗浴废水的处 理中。本课题主要从实验和数值模拟两个方面对p d f 技术进行研究： 一、实验部分 本课题将以学校公共浴室的洗浴废水作为实验原水，通过烧杯试验和中试 实验研究p d f 技术用于洗浴废水处理的可行性并对该技术各影响因素进行最优 化分析，得出针对实验原水的最佳实验工况，为该技术的生产性应用提供操作技 术及运行参数。 二、数值模拟 采用计算流体力学的软件c f x 5 6 对硅藻土过滤器内的流场进行了数值模 拟，希望通过数值模拟了解过滤器内的流场，进而解释试验中出现的现象并对过 9 北京t 业人学t 掌硕f 学位论文 滤器结构的改进