（模式识别与智能系统专业论文）长纤维高速过滤技术在净水厂应用的生产性试验研究.pdf

摘要 长纤维高速过滤技术在；争水厂应用的生产性试验研究 硕士研究生：吴铭铭 导师：王世和教授 学校：东南大学 摘要 纤维滤料以其优良的过滤性能和“理想滤层”的床层结构，在实际应用中显示出巨大的 优势，并获得了迅速的发展。本文以自行开发、并获国家发明专利的长纤维高速过滤技术为 基础建立了生产规模的长纤维滤池，通过对净水厂沉淀出水较长期的过滤试验，对其过滤及 反冲洗特性进行了系统、深入的研究，验证了长纤维高速过滤技术的性能优势，并筛选出可 用于实际工程的长纤维高速滤池的优化操作条件( 过滤和反冲洗条件) ，为长纤维高速过滤 技术的工程化推广应用提供了示范。研究结果表明，即使在生产性试验中，长纤维高速滤池 仍表现出良好的性能，在过滤和反冲洗特性上均具有明显的技术优势：初滤时间短，最长5 分钟出水浊度便降至0 3 n t u 以下；滤后水质好，有效过滤期内滤出水浊度稳定在0 3 n t u 以下；过滤周期长、纳污量大，有效过滤期内长纤维滤池的截污量仍可达6 9 2k g m 3 滤料； 反冲洗性能良好；长期运行稳定。 论文还通过对长纤维高速过滤技术的性能评价及效益分析，进一步论证了长纤维高速滤 池优良的性能及良好的应用前景，在实际工程中采用长纤维高速过滤技术可产生良好的社会 效益、经济效益和环境效益。 关键词：长纤维：高速过滤；生产性试验；效益分析 东南大学硕士学位论文 s t u d yo nt h ep r o d u c t i v ef 冱卫ro ft h el o n gf m e r e f f i c i e n tf t r 棚o nt e c h n o l o g yu s 州g 呵 s u p p l 瞩、7 i 编t e rl 魄c t o r y b y r l jm i n g - m i n g s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gs h i h e s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t w 拍i t se x c e l l e n tf i l t r a t i o np e r f o r m a n c ea n dp e r f e c tf i l t e r i n gb e ds t r u c t u r e ，f i b r o u sf i l t e rm e d i ai s s h o w i n gg r e a ts u p e r i o r i t yi nu s i n ga n dt h e r e f o r eg e tg r e a tp r o m o t i o n b a s e do nt h es e l f - d e v e l o p e d l o n gf i b e rf i l t e r se f f i c i e n tf i l t r a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hh a sb e e na w a r d e dan a t i o n a li n v e n t i o n p a t e n t ，ap r o d u c t i o ns c a l e dl o n gf i b e rf i l t e ri sc o n s t r u c t e d t h r o u g hl o n gt i m ef i l t e r i n ge x p e r i m e n t f o rs e d i m e n t a t i o ne f f l u e n ti ns u p p l y - w a t e rf a c t o r y , t h ef i l t r a t i o na n db a c k w a s h i n gp e r f o r m a n c eo f t h el o n gf i b e re f f i c i e n tf i l t e ri ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l ya n dd e e p l yi nt h i sd i s s e r t a t i o nt oc e r t i f i c a t e i t sa d v a n t a g e t h eo p t i m i z e do p e r a t i n gc o n d i t i o n ( f i l t e r i n ga n db a c k w a s h i n gc o n d i t i o n ) o ft h el o n g f i b e rf i l t e ri sa l s o s e l e c t e do u tt oo f f e rd e m o n s t r a t i o nf o rt h ep r o m o t i o n 眦o ft h el o n gf i b e r e f f i c i e n tf i l t r a t i o nt e c h n o l o g y t h er e s u l t ss h o wt h a tb o t hi nf i l t e r i n ga n db a c k w a s h i n go f p r o d u c t i v ee x p e r i m e n t s ，t h el o n gf i b e re f f i c i e n tf i l t e rh a ss h o w no b v i o u ss u p e r i o r i t y ：l e s st i m ef o r f i b r o u sb e dg r o w i n g ( t h et u r b i d i t yw i l ld r o pt o0 3 n t ow i t h i n5m i n u t e s ) ；b e t t e rq u a l i t yo ft h e f i l t e r i n ge f f l u e n t ( t h et u r b i d i t yo fe f f l u e n ti sa l w a y sk e p tb e l o w0 3 n t u ) ；l o n g e rf i l t e r i n gp e r i o d a n dl a r g e rc a p a c i t yo fr e m o v e dp o l l u t a n t ( t h ec a p a c i t yo fr e m o v e dp o l l u t a n tr e a c h e s6 9 2k g m 3 ) ； l e s su s a g eo fb a c k w a s h i n gw a t e ra n ds t e a d yo p e r a t i o ni nl o n gt i m ef i l t r a t i o n t h es u p e r i o r i t yo ft h el o n gf i b e re f f i c i e n tf i l t e ri sf u r t h e rd e m o m t r a t e db yt h ep e r f o r m a n c e e v a l u a t i o na n db e n e f i ta n a l y s i s t h el o n gf i b e re f f i c i e n tf i l t e ri sb o u n dt oh a v ew i d er a n g eo f a p p l i c a t i o m ，a n du s i n go fl o n gf i b e rf i l t e rm a yh a v ee x c e l l e n ts o c i a lb e n e f i t s ，e c o n o m i cb e n e f i t s a n de n v i r o n m e n tb e n e f i t s k e y w o r d s ：l o n gf i b e r ；e f f i c i e n tf i l t r a t i o n tp r o d u c t i v ee x p e r i m e n t ：b e n e f i ta n a l y s i s 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。 研究生签名：虽盐遂 日期：丝鲑! 塑。q 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：苤盈超 导师签名：兰= 基錾步 期：塑：堡j 口 第一章绪论 第一章绪论 过滤是水处理中用以去除悬浮物、浊质及其相关物质的最常用、最有效的手段之一，也 是城乡给水净化、污水回收利用、工业废水达标排放、城市景观水体循环净化中不可或缺的 关键技术设备。在饮用水的净化工程中，过滤对于澄清水质起着至关重要的作用，是保证饮 用水安全的重要措施。 随着社会经济的不断发展及人民生活水平的提高，给水工业的发展进入到一个崭新的 阶段。而随着水资源严重短缺、水源污染加重和对水质要求的提高，对传统水处理技术也提 出了更高的要求。作为常规水处理工艺，即混凝沉淀一过滤一消毒工艺中的关键环节，过 滤技术的发展也进入新的发展阶段。 1 1 过滤技术的发展 过滤技术中，滤料及滤料层的构成是决定过滤设备性能优劣的关键，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l l l o 一般来说，能作为过滤介质的滤料必须满足以下条件：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，以保证冲洗时滤料不会产生严重磨损和破碎现象： 有足够的化学稳定性，以免滤料溶解于水或与水发生化学反应而影响水质及降低滤料使用寿 命1 2 1 。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，还要求其货源充足、价格便宜、滤速大、过滤周期长、纳污量大、滤层水头损失 增长慢、反冲洗彻底等。 从1 8 2 9 年英国伦敦的c h e l s e a 供水公司建成了世界上第一座用于实际生产的慢砂滤池【3 l 开始，滤料的发展经历了粒状滤料以及以纤维滤料为代表的软填料的发展阶段。 1 1 1 粒状滤料及过滤技术的发展 随着给水工业的发展，围绕着提高过滤效率、增大滤层截污容量、延长过滤周期及改善 反冲洗性能等几个方面的技术问题，过滤技术得到不断的推动与发展。在粒状滤料的传统观 念下，滤料经历了从单层石英砂滤料到多层滤料、均质滤料、人工轻质陶粒滤料、硅藻土滤 料、改性粒状滤料、专用滤料等新型滤料的发展历程。 ( 1 ) 石英砂滤料的发展 传统的过滤以石英砂、无烟煤等粒状滤料采用散堆的方式构成滤床，石英砂滤料具有来 源广、价格低、机械强度高和化学稳定性好等优点，因此应用较早也较为广泛。石英砂滤料 不仅能进一步降低水的浊度，而且水中有机物、细菌乃至病毒等都会随着水浊度的降低而被 部分的去除，为滤后水消毒创造了条件具有良好的过滤效果1 2 】。长期以来，传统石英砂滤 料以其独特的优势在给水工业中发挥着重要作用。 随着社会经济的发展，人们不断围绕着改变石英砂滤料的粒径、密度的方法来调整滤速、 过滤周期、截污容量及滤料清洗方式以适应不断发展的水工业的需求，石英砂滤料的发展也 东南大学硕上学位论文 经历了从单层石英砂滤料到多层石英砂滤料、均质滤料的发展阶段。 传统单层石英砂滤料由于受水力筛分作用，往往在下层滤料截留悬浮颗粒作用远未得到 充分发挥时，过滤就得停止。这主要是因为，滤料经过反冲洗后，滤层因膨胀而分层，滤料 粒径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 质首先被表层滤料截留，随着过滤的进行，杂质将随水流向下层推进。但由于表层滤料粒径 最小，粘附比表面积却最大，因此截留的悬浮颗粒量也最多，而孔隙尺寸又最小，因而，过 滤到一定时间后，表层滤料间孔隙将逐渐被杂质堵塞，甚至产生筛滤作用而形成泥膜，使整 个滤层的过滤阻力剧增。其结果是，在一定过滤水头下滤速锐减( 或在一定滤速下水头损失 达到极限值) ，或因滤层表面受力不均而使泥膜产生裂缝时，大量水流从自然裂缝中流出， 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【2 一】。这种过滤效率随滤层从上到下由高而低的不合理现象，导致部分床 层不能充分发挥过滤效果，过滤设备的滤速、过滤效率和截污容量都难以得到大幅度的提高 明。 为了克服传统单层砂滤“水力分级”的缺陷，改变滤层中杂质分布的严重不均匀现象， 2 0 世纪5 0 年代，研究者提出了“理想滤层”的概念，即在滤层中，沿过滤方向孔隙尺寸按 由大到小递减分布。按“理想滤层”的方式进行过滤时，水流先通过粗粒滤料再通过细粒滤 料，克服过滤时上部滤层水头损失快速升高的缺点，从而使更多的悬浮物有机会进入更深的 滤层得以截留，如此，在过滤终了时，整个滤层的效能均能得以充分发挥。基于此，研究人 员相继开发出双层滤料、三层滤料及多层滤料，即沿着过滤的水流方向，滤层滤料的粒经从 大到小递减。例如，双层滤料的组成为：上层采用密度较小、粒径较大的轻质滤料( 如无烟 煤) ，下层采用密度较大、粒径较小的重质滤料( 如石英砂) 。三层滤料组成：上层为大粒径、 小密度的轻质滤料( 如无烟煤) ，中层为中等粒径、中等密度的滤料( 如石英砂) ，下层为小 粒径、大密度的重质滤料( 如石榴石、磁铁矿等) 【2 l 。由于不同滤料的密度差，在一定的反 冲洗强度下，反冲后轻质滤料仍在上层，重质滤料在下层。虽然每层滤料粒径仍由上而下递 增，但就整个滤层而言，上层平均粒径总是大于下层平均粒径。水流流经多层滤料时，先通 过粒径较大的滤料再通过粒径较小的滤料，过滤初期的悬浮固体被带到滤层深处，使得滤层 很大部分在整个过滤周期都起作用，水头损失增长缓慢，提高了滤池的生产能力。多层滤料 在一定程度上提高了滤速和过滤效率，增加了床层含污能力，减少了滤料上层聚集截留悬浮 物而易发生堵塞的现象，延长了过滤周期。然而，多层滤料在实际应用中却出现许多问题， 如滤料来源受限制、加工复杂、相邻两层滤料间易混杂、滤料的流失、反冲洗效果差及滤料 的厚度和力度的合理设计选用问题等，此外，每层滤料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l “l8 1 。另外，多层滤料主要是靠增大上层滤料粒径来实现的， 因而减小了滤料的比表面积，这使得床层对悬浮物的截留有效容量下降，很容易被穿透 9 1 。 这些都制约了多层石英砂滤料的推广应用 为解决非均粒滤料存在的问题，2 0 世纪8 0 年代，研究人员开发出均质滤料。所谓。均 2 第一章绪论 质滤料”并非指滤料粒径完全相同，而是指沿整个滤层深度方向的任一横断面上，滤料组成 和平均粒径均匀一致。由于均质滤料粒径均匀，达到沿滤层厚度均的孔隙，从而避免了反 冲洗时的水力分级现象，能较好地克服表面阻塞的缺点，发挥整个滤床的共同截污作用，其 过滤速度、过滤效率、过滤周期及床层纳污量都得到了明显的提高【2 h 们。 但随着社会经济的发展，传统石英砂过滤反冲洗时所存在的跑砂、漏砂以及比表面积小 导致的过滤周期短、滤速较低、水质难以提高等缺陷制约着给水工业的发展。人们开始探寻 将其他新型滤料及将石英砂滤料进行改性应用于水处理工业中。 ( 2 ) 新型粒状滤料的发展 2 0 世纪7 0 年代以来，国内外开始了新型人工滤料的研究。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。由此，对于 新型滤料的研究主要是采用均匀滤料和新型材料，先后出现了人工轻质新型陶粒滤料、瓷砂 滤料、轻质泡沫塑料球粒滤料、橡胶粒滤料等。这些滤料均具有较高的孔隙率，较大的比表 面积，在水处理应用中都取得了不错的效果。 人工轻质新型陶粒滤料最早在前苏联开发应用，是用黏土或类似材料经适当处理后，高 温焙烧制成，由于外表粗糙多棱角，内部及表面孔洞很多，作为滤料具有孔隙率高，比表面 积大，密度小等优点。我国在2 0 世纪7 0 年代中期开始研究并逐步得到应用。陶粒滤料的缺 点是机械强度较差，多次冲洗易破碎而损耗，价格偏高。 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。瓷砂一般为粒径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，易清洗而且具有耐腐蚀、抗冲击、抗氧化、硬度大等优点，使用寿命 长，可达1 0 - 2 0 年。瓷砂滤料过滤效果好且反冲洗容易，省时、省水，管理方便，特别适用 于污水再生利用的过滤。 而轻质泡沫塑料球粒、橡胶粒滤料具有孔隙均一，密度小，水头损失低，易搬运等优点， 在过滤过程中，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 8 】。 此外，为强化滤料的去污能力，增强滤池的处理能力，研究者还采取了一些强化措施对 石英砂滤料的表面进行改性处理。改性滤料即在普通石英砂滤料的表面通过化学反应涂上一 层改性剂( 通常为金属氧化物和氢氧化物) ，从而改变原滤料颗粒表面物理化学性质，以提 高滤料对某些特殊物质的吸附能力及增强滤料的截污能力，达到改善出水水质的目的【j 。 比如p i e r c e 等用氢氧化铁改性砂来吸附水中的a s 3 + 和a s s + ，结果表明：在吸附剂和砷浓度 比例恰当及适当的p h 值条件下，可以使砷的去除率达到9 2 1 1 2 1 ；f a r r a h l 等人用a i ( o h ) 3 、 f e ( o h ) 3 改性的石英砂滤料来去除水中病毒，实验表明：同时覆盖a i ( o h ) 3 和f e ( o n ) 3 的滤 料在p h 值为7 时，脊髓灰质炎病毒l 的去除率为8 6 4 - 1 ，大肠噬菌体m s 2 的去除率达 3 东南大学硕士学位论文 1 0 0 【l 引。将二氧化锰涂渍到石英砂滤料表面，改变石英砂的表面吸附能力以对水中的有机 污染物如硝基化合物、三卤甲烷等消毒副产物进行强化去除，对一些臭味有机物的去除能力 甚至超过臭氧对它们的氧化作用。再比如在石英砂滤料表面培养附着一层超薄生物膜，使保 持传统快滤池过滤能力的同时，可以去除原水中的微量有机物。采用不同的改性剂能达到对 水中重金属离子，阴离子型有害物质，有机物，微生物及其他物质较好的去除效果1 1 1 9 1 。 除常用滤料外，还有为去除水中某种杂质的专用滤料，如用于去除地下水中铁的锰砂滤 料，用于去除水中臭味和游离性余氯的活性炭滤料等。1 9 8 4 年美国d o nh e s k e t t 发明了一种 由高纯度铜锌合金制成的多功能k d f 滤料【2 0 j 。k d f 滤料主要通过氧化还原反应机理，能高 效除氯，除铁，能有效去除硫化氢、重金属等有害物质，并对微生物有很好的抑制作用。 与此同时，人们也从过滤工艺方面对过滤设备做了研究，并发展了上向流过滤技术和双 向流过滤技术。在上向流过滤中，滤液自下而上穿过滤层，充分利用了反冲洗后水力筛分所 形成的滤层孔隙尺寸下大上小的分布，从而增加了悬浮物穿透滤层的深度，提高了滤层的截 污量。但上向流过滤时，滤速不能过大，否则会导致滤层膨胀并呈流态化，不仅会使滤层失 去截污能力，而且还可能使已截留的悬浮物被冲出。这极大地限制了上向流过滤的处理能力。 双向流过滤为上下双向进水、中部集水的过滤方式，它解决了上向流过滤滤层膨胀的问题， 并且由于上下同时过滤，生产能力得以大大提高。但双向流过滤下层滤料难以获得有效的反 冲洗，且设备结构复杂，操作困难，故至今未能在实际生产中得以推广应用1 2 1 1 。 综上所述，在“理想滤层”概念下，粒状滤料围绕着提高滤速，改善过滤效率，提高过 滤能力等方面从滤料组成及过滤水流方向两个方向对过滤技术进行了发展。但粒状滤料自身 存在缺矧2 2 j ：首先，常规粒状滤料虽可采用缩小粒径的办法来提高其滤床横断面上的均匀 致密性和增大其比表面积，以提高过滤效果，但考虑到反冲洗效果的降低、过滤阻力的增大 及设备增加等，粒状滤料的粒径最小不得小于o 3 0 5 m m ；另外，粒状滤料滤层在反冲洗 后仍会产生水力分级现象，颗粒重新按从上到下粒径由小到大的顺序排列，孔隙尺寸也从上 到下逐渐增大。这样，当下向流过滤时，水中悬浮颗粒大部分被截留在上部数厘米深度内， 表现为悬浮固体的截留量沿滤层厚度方向呈指数级递减，从而使滤层上部孔隙迅速被悬浮固 体堵塞，滤床水头损失迅速上升，而下部滤层大部分容量尚未发挥作用便不得不终止过滤 团】。这些缺陷使得采用粒状滤料对于提高滤速，增大滤层截污容量、提高过滤效率及反冲 洗几个方面的研究未能取得突破，很难适应现代水处理工业中高效过滤的要求，人们开始探 寻粒状滤料以外的替代材料作为滤料来适应水工业的发展。 1 1 2 纤维过滤技术的发展 从2 0 世纪8 0 年开始，纤维滤料以其自身的优越性开始走进人们的视野，可以说以富有 弹性的软填料纤维代替传统的粒状滤料是过滤技术发展史上一种崭新的思维和尝试，也 标志着以纤维滤料为核心的现代过滤技术的开始。 纤维材料不仅具有较高的机械强度、良好的化学稳定性及较强的吸附能力，而且与传统 的石英砂及其他刚性粒状滤料相比，其性能稳定，密度较小，具有更大的比表面积和孔隙率， 4 第一章绪论 在不增加过滤阻力的同时能使滤料粒径达到几十微米甚至几微米，极大地增加了滤料的比表 面积和表面自由能，增加了水中杂质颗粒与滤料的接触机会和滤料的吸附能力，从而具有更 大的截污和纳污能力。这也就决定了纤维滤料过滤设备中的滤速可以很大，而床层阻力很小， 反冲洗性能较好，可获得较高的脱除率和容量负荷。而且纤维材料是一种弹性材料，在其构 成的滤层内沿滤层深度方向由于水的静压作用空隙率逐渐减小，更符合理想滤层的概念。这 也是纤维滤料的另一个优点。此外，由于纤维丝束不会发生流失，纤维滤池在反冲强度的控 制上较粒状滤料滤池要求低，可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 能用于气体除尘过滤，由于缺乏有效的清洗手段，直到1 9 8 1 年才开始应用于对水的过滤中 【2 4 1 。 纤维滤料用于去除水中杂质已有几十年的历史，从2 0 世纪8 0 年代初期的短纤维单丝乱 堆过滤材料开始，纤维滤料开始了其规格化发展历程，陆续有低卷曲纤维椭球过滤材料、。布 帛片”、实心纤维球、中心结扎纤维球、卷缩纤维中心结扎纤维球、棒状纤维和彗星式纤维 过滤材料等出现。近年来，随着合成纤维工业的发展，可供选择的纤维种类也比较多，主要 有聚酯纤维、丙纶纤维、玻璃纤维、尼龙、碳纤维等。此外，出现了以化学及物理方法对纤 维的某些性能( 如吸湿性、抗静电性、阻燃性等) 进行改进的改性纤维，如改性黏胶纤维、 改性聚酯纤维、改性聚丙烯腈纤维、改性聚乙烯醇纤维等，纤维的物理和化学性能也有了很 大的提高1 2 5 1 。 本课题组从纤维过滤器的床型结构不同将目前存在的纤维过滤器分为。散堆式”纤维过 滤器与“规整式”纤维过滤器两大类【2 6 l 。 ( 1 ) 。散堆式”纤维滤料的发展 所谓“散堆式”纤维过滤器，是指床型结构类同于颗粒床，仅是以纤维滤料代替了颗粒 滤料，局部上保持了纤维的特点，整体上具有粒状滤料的特性。目前，主要的散堆式纤维过 滤器有：短纤维过滤器、纤维球过滤器、彗星式纤维过滤器及h w 深层过滤器。 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 7 1 。此后，国内也开始了对短纤维过滤器的研究1 2 s - - 3 0 。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o 1 - 3 0um ，长 1 0 3 0 m m 。研究表明，短纤维滤料具有优良的过滤效果：过滤出水水质好，悬浮物脱除效 率高( 可达9 6 8 ) ，截泥量大( 可达6 0 k g m 3 滤层) ，滤速高( 大于2 0 m h ) ，过滤周期长( 大 于1 6 h ) ，阻力小。这主要是缘于纤维自身的优越性能和短纤维滤床保留了颗粒状散堆滤床 的群体优势孔隙率较高且分布均匀【2 们。但短纤维散堆滤床的缺点是纤维易流失，滤床体 积较大，反冲洗不彻底，限制了其工程化应用。 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 p 1 1 3 3 】。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，并采用不同规模的纤维球对多种水质进行了长期的试验和应用研究 5 东南大学硕士学位论文 1 3 4 3 引。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o 5 1 0i tm 的微小颗粒，截污能力强( 3 1 0 k g m 3 滤料) ，且滤速高( 最高可达5 0 m h ) ， 过滤周期长。适用于直接过滤给水和废水，具有良好的过滤适应性和稳定性，经简单的反冲 洗可重复使用。但积留在纤维球内部的积泥反洗时不容易被洗出，过滤时容易释放，影响出 水水质。 针对纤维球滤料的不足，彗星式纤维过滤材料以其新颖的不对称构型，而使其在过滤与 反冲洗两方面的性能均得到较大的改善1 4 2 】。该型滤料目前有单尾型、双尾型和多尾型三 种，如图1 1 、1 2 。研究表明：彗星式纤维过滤材料的出水水质、滤床成熟期、截泥量和过 滤周期等相对于纤维球过滤器均大为改善，并且反洗水耗低( 1 - - - 2 ) 、残留积泥量小( 占 滤料重0 5 - - 2 ) ，是一种值得进一步深入研究和发展的“规格化”散堆纤维过滤材料。但 彗星式纤维过滤材料在使用过程中也存在如下问题：在“彗核”处依然存在一定的过滤不均 匀性和反洗“死区”；反冲洗时出现“彗尾”团在“彗核”上而成球，以及多个填料相互缠 绕在一起严重影响反冲洗效果的现象。这些不足之处在一定程度上影响了彗星式纤维过滤材 料设计思路的实现。 图1 1 彗星式纤维过滤材料( 单尾型)图1 3 彗星式纤维过滤材料( 双尾型、多尾型) 以上三类散堆式纤维滤料都是依靠过滤流体的压力作用来实现对纤维滤料的压缩以达 到。理想滤层”的孔隙分布，但由于流体压力有限，当过滤精度较高时很难达到较高的过滤 效率。为此，英国e x e t e r 大学分离中心研制出h w 深层过滤器，通过机械加压的方式来实 现对弹性纤维滤料的压缩以达到对滤料较大程度的压缩：同时，借助机械的往复运动形成对 滤料的振荡来增强反洗的效果，可省去反洗气【4 3 】。其结构图如图1 3 。 h w 过滤器以富有弹性的羊毛和碳纤维束等充填在过滤器滤柱内构成过滤床层，纤维丝 径1 1 0 p m ，滤层厚度2 0 - - - 6 0 c m 。采用活塞对滤层进行压缩，可根据需要在较大的范围内 调整滤床的压缩程度，因而可在滤料装填量较小的情况下，达到较高的过滤精度，设备尺寸 也因此可减小，部分弥补了水力压缩式纤维过滤器的不足。研究表明，h w 具有较好的处理 效果且可广泛应用于医学和化工领域i l ，但过滤耗能较大，且过滤器中纤维容易磨损。 6 第一章绪论 待 反 蒸汽 图1 3 删深层过滤器 ( 2 ) _ 规整式”纤维滤料的发展 所谓“规整式”纤维过滤器，是对应着“散堆式”纤维滤床的“将规格化的纤维滤料通 过乱堆的方式，堆积成无固定约束的单体滤料的集合体”的，其特点为“将纤维材料以预先 精心加工好的组件的形式组装在过滤器( 池) 中而构成纤维滤床”。“规整式”纤维过滤器 主要有：短纤维束过滤器、刷形过滤器、胶囊挤压式纤维过滤器、滑板式纤维过滤器、自压 式纤维过滤器、机械压缩式纤维束过滤器以及本组开发的长纤维高速过滤器。 纤维束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m 】。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，纤维束滤料的床层水头损失小，增速缓慢。整个滤床均能发挥截污 作用。 瑞士人h a n sm u l l e r 在上世纪七十年代发明的刷形过滤器是将长度1 5 3 0 c m 的纤维长 丝制成纤维束，然后将每束纤维或粘或压在支撑板上构成纤维床层7 i 。为了提高过滤效 率和反洗效果，纤维之间也可编织起来。过滤时流体压缩纤维束，形成滤层，使通过的液体 或气体得到过滤。反冲洗时，从相反方向通入反洗液，压紧的纤维束伸展，易于去除其中的 杂质。该过滤器结构简单，操作方便，但由于纤维呈刷状，容易缠绕，给反冲洗带来困难， 而且纤维床层一般较薄，过滤性能不稳定，容易形成表面过滤。 1 9 9 0 年，东北电力学院研制成功l l y - 高效过滤器即胶囊挤压式纤维过滤器【4 2 1 。如图 1 4 所示，采取一种独特而简单的方式，即在设备中悬挂长纤维束，上端固定，下端悬挂重 锤，中间安装若干软质密封胶囊，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。研究表明：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l ”州，其构造复杂， 7 东南大学硕士学位论文 操作繁琐，设备中胶囊易破碎，反洗时纤维也易出现缠绕和乱层现象，影响生产，给检修和 维护带来麻烦。 为了克服胶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l 。7 1 。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。国内研究表明：滑板式纤维过滤器保留了胶囊挤压式纤维过滤器滤速高、出水质 量好等优点，取消了体积庞大的胶囊，使设备结构得以简化易于操作，且提高了滤柱截面滤 水利用率，设备的反洗效果、过滤周期、截物量等均有所提高。但过滤中滑动孔板易出现卡 塞现象，影响稳定运行；并且，由于滑动孔板有一定重量，而在进行气、水联合反冲洗时， 滑动孔板与纤维束间在反冲洗时会产生纵向相对运动，使滑动孔板的开孔被纤维堵塞，不仅 影响反冲气、水流通，而且还使得过滤器难以恢复到起始过滤状态【2 们。 机械压缩式纤维束过滤器则是结合了h w 深层过滤器与滑板式纤维过滤器的结构特点， 通过机械加压对纤维滤料实施压缩，实现对纤维滤层较大程度的压缩；同时，借助机械的往 复运动形成对滤料的振荡来增强反洗的效果，可省去反冲气。机械压缩式纤维束过滤器结构 形式和过滤时工作原理如图1 5 所示【5 嘲。该过滤器通过对纤维的加压可以取得较好的过滤效 果，但是需要配套较为复杂的机械传动装置和自控装置；压缩过大时，易形成表面过滤；反 洗时通过机械装置振荡纤维，也使纤维极易磨损，并且耗能较大。 拉藏 图1 4 胶囊挤压式纤维过滤器 图1 5 机械压缩式纤维束过滤器 1 1 3 过滤机理的研究进展 ( 1 ) 石英砂过滤机理一两阶段理论 对于粒状石英砂滤料，经过众多科学工作者的研究，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 9 6 2 j 。 8 第一章绪论 颗粒迁移 在过滤过程中，悬浮颗粒脱离流线与滤料接触的过程就是迁移过程。引起颗粒迁移的原 因主要有：拦截、沉淀、惯性、布朗运动及水动力作用等。迁移机理所受影响因素较复杂， 如滤料的尺寸、形状，滤速，水温以及悬浮颗粒的粒径、形状和密度等，在不同情况下，引 起迁移的上述几种原因所起的作用不同。 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 时会扩散至滤料表面，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表面接触， 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料表面产生拦截作用；在 滤料表面存在速度梯度，非球体颗粒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【2 j 。 对于上述机理，目前只能定性描述，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题。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。 颗粒粘附 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 电力相互作用下，以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用下，被粘附于滤料颗粒表面， 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。粘附作用主 要决定于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质。不过，在过滤过程中，特别是过滤后期也会 出现表层滤料的筛滤作用。 c2 ) 纤维束过滤机理一深层过滤理论 6 3 t 删 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，一部分已附着的悬浮颗粒从滤料表面脱落下来，被水流带入下 一层滤料，重新被吸附截留，称之为滤料深层过滤。 纤维束过滤过程中，滤层孔隙率自上而下由大n , b 分布。这种变孔径过滤通道主要靠分 子间作用力将颗粒吸附。水中有机物的存在形式主要有两种：一种是胶体形式，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 能力要比无机吸附如石英砂或无烟煤强的多。 研究表明，纤维束过滤机理与石英砂过滤机理有相似之处，即都具有迁移和吸附过程， 但石英砂过滤主要是表层过滤，而纤维束过滤则同时具有表层过滤和深层过滤双重作用，且 更多实现的是深层过滤，因此截污容量更大。此外，就吸附而言，纤维束对有机物的吸附有 9 东南大学硕士学位论文 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，但不具有物理吸附和化学 吸附双重性能。 1 2 长纤维高速过滤技术的研究进展 溢流口 进水 反冲洗水 反冲洗气 滤出水 图1 6 长纤维高速过滤器 本课题组在深入分析和理解纤维过滤的机理并总结已有各类纤维过滤器优劣的基础上， 开发出一种结构简单、性能优良的s e f - 1 型长纤维高速过滤器( 图1 6 ) ，并已获得国家发明 专利( 专利号：z l 0 3 1 1 2 8 1 7 3 ) 1 6 5 】和实用新型专利【6 6 j 两项专利授权。长纤维高速过滤器主 要结构特点如下：将纤维束一端按专门方法编制在具有特定结构的固定件上，另一端自由， 制成纤维组件；再将纤维组件安装在过滤器滤柱中，构成长纤维高速过滤器。在设备结构上， 长纤维高速过滤器采取如下创新突破：取消了所有挤压和限制纤维束的构件，保持纤维束一 端充分自由；采用独特的纤维束编制方式和纤维处理技术，以保证滤料压实密度和阻力分配 均匀，最大限度地减少过滤器在运行和反洗时的壁流、沟流、偏流现象；强化反冲洗系统配 水、布气设置，以提高反洗效剁训。长纤维丝具有强度高、无毒性、不易流失、孔隙率高、 比表面积大等特性，使得过滤中长纤维过滤器的滤速快、周期长、纳污量大、出水水质好、 反冲洗彻底、耗水率低。 1 2 1 长纤维高速过滤器过滤机理 长纤维高速过滤器过滤时，悬浮液自上而下通过纤维滤层，滤液流经纤维滤层所产生的 阻力损失对纤维层施加向下的纵向压力，且越往下纤维层所受向下的压力越大。由于纤维纵 向刚度很小，在此纵向压力下纤维束弯曲，进而纤维层整体下移。在此过程中，最下部纤维 首先弯曲并被压缩，此弯曲、压缩的过程逐渐上移，直至纤维层的支撑力与纤维层的水流阻 力平衡。由于纤维层所受的纵向压力沿水流方向依次递增，因而纤维层沿水流方向被压缩弯 曲的程度也依次增大，形成沿水流方向滤层孔隙率和孔隙尺寸均由大到小分布的“理想滤层” l o 第一章绪论 过滤方式，并且上端自由的构置、合理的纤维编制技术以及沿程逐渐增大的压力，不仅使越 接近出水的位置纤维压缩比越大，而且压缩大都呈横向状态，即更接近于短纤维散堆床层的 过滤状态，故滤床横断面空隙率分布相对均匀，壁流、沟流现象得以有效控制，避免了水流 短路现象，过滤速度和过滤效率均能得到有效提高，出水水质因而得以充分保障。 反冲洗时，在反冲洗水流作用下，长纤维滤料得以伸展、舒张；长纤维滤料下端固定、 上端自由的结构且纤维之间又无任何填充物和限制装置，因而在反冲洗水流、气流的联合作 用下，可造成纤维的剧烈运动，不仅有纵向的抖动，还有横向的甩动、颤动，产生很高的冲 击力、振荡力和摩擦力，因而截留的悬浮物能最大限度地迅速脱离滤料；加之，均匀的气流、 水流分布，因而对比于其它各种“规整式”和“散堆式”纤维过滤器，反洗效果大为提高， 良好的反冲洗效果是该型纤维过滤器最为明显的优势，也是其持续、稳定运行的技术保障； 此外，由于挤压和限制纤维相对位置构件的取消，该型过滤器的设备结构大为简化，操作过 程更加方便，组件加工更为便利，有效过滤面积和操作灵活性等均得以提高。 1 2 2 长纤维高速过滤器运行特性研究 近年来，本课题组在深入分析长纤维高速过滤技术过滤机理的基础上，对长纤维高速过 滤器分别进行了净水厂沉淀出水、混凝出水及污水厂二沉池出水等不同水质和不同滤速的过 滤试验研究。研究结果表明，长纤维高速过滤技术对于净水厂沉淀出水、混凝出水及污水厂 二沉池出水均具有很好的过滤效果。通过与石英砂过滤器的对比试验，进一步比较了长纤维 高速过滤器的性能优势。 ( 1 ) 长纤维高速过滤器对净水厂沉淀出水及混凝出水的过滤性能研究 本课题组已对长纤维高速过滤器进行了净水厂沉淀出水( 平均浊度1 0 n t u ) 及混凝出 水( 平均浊度7 0 n t u ) 的过滤试验研究( 滤速 0 5 6 m h ) 和反冲洗特性研究。试验结果列 于表1 1 1 2 6 6 7 1 。 表1 1 长纤维高速过滤器不同过滤条件下的过滤特性变化规律【2 6 7 1 试验表明，长纤维高速过滤器的滤床成熟期短，在试验的各种初始滤速下，初滤水浊度 均可在4 分钟内迅速降至0 2 n t u 以下；滤后水质好，有效过滤期内滤出水浊度稳定在 0 2 n t u 以下；过滤周期长，过滤沉淀出水时，初始滤速分别为5 6 m h ，2 7m h ，1 0m h 时， 长纤维高速过滤器的过滤周期分别达2 4 3 小时，9 0 小时及7 0 小时以上；纳污量大，有效过 东南大学硕士学位论文 滤期内的截污量在2 0 - - - , 3 0 k g m 3 滤料；水头损失小；反冲洗彻底、反洗水耗低，反洗后残留 积泥占滤料重量的比率不超过0 5 ；长期运行稳定；同时适用于净水厂源水的直接过滤。 长纤维高速过滤器在过滤和反冲洗特性上，对比于其它各种深层过滤设备，均具有明显的技 术性能优势。 本课题组对长纤维高速过滤器的反冲洗性能主要从反冲洗方式及不同条件下反冲洗的 效果进行了详细的研究。研究表明，长纤维高速过滤器采用先单水梳理，继而气、水联合反 冲洗，最后单水漂洗的方式具有很好的反冲洗效果。 ( 2 ) 长纤维高速过滤器与石英砂过滤器的过滤特性对比 为进一步比较长纤维高速过滤技术与普通石英砂过滤技术的过滤性能，赵欢等在不同的 初始滤速( 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，比较其 过滤性能及反冲洗性能。具体结果如下表所示： 表1 2 长纤维高速过滤器与石英砂过滤器各项指标比较【删 备注：表中砂滤数据结合石英砂对比试验数据和本试验所在水厂实际运行数据 研究结果表明，长纤维高速过滤器滤速高、过滤周期长、出水水质好且滤料反冲洗彻底、 耗水率低，无论在过滤或反冲洗性能上均较石英砂滤池有较大的优势。研究进一步分析了对 石英砂滤池进行长纤维高速过滤技术改造可能具有的效益，分析认为，对水厂已有石英砂滤 池进行长纤维高速过滤技术改造将具有很好的经济和社会效益。 ( 3 ) 长纤维高速过滤器对污水厂二沉池出水的过滤研究 为进一步探讨长纤维高速过滤技术在污水资源化中应用的可行性，本课题组对污水厂二 沉池出水进行了长纤维高速过滤技术的试验研究，试验结果列于表1 3 。结果表明，即使用 于污水厂二沉池出水，长纤维过滤器仍具有巨大的优势，在实现高速过滤的基础上，仍能达 到较长的过滤周期，且对浊度的去除效果显著，平均去除率可达9 0 以上。不同初始滤速 下，初滤水浊度在3 0 分钟内均可降到0 5 n t u 以下；对耗氧量、氨氮、总氮、总磷等其他 指标的去除率总体不高，在滤速为5 3 2 n g h 时，分别可达3 9 4 、1 6