（化工过程机械专业论文）纤维球过滤器的结构设计与数值模拟.pdf

学位论文数据集 中图分类号t e 9 9 2 2 学科分类号 5 3 0 3 1 论文编号1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 6 5 2密级非保密 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名赵军学号2 0 0 9 0 0 0 6 5 2 获学位专业名称l 乏：一l ：过程机械获学位专业代码0 8 0 7 0 6 课题来源自选研究方向计算机辅助一 一：料 论文题目纤维球过滤器的结构设计与数值模拟 关键漏 纤维球过滤器，深层过滤，数擅模拟，多孑l 介质，压降 论文答辩日期2 0 1 2 5 2 9t 论文类型应州研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称王佟单位学科专长 指导教师钱才富教授北京化：r 大学化工过程机械 评阅人l戴凌汉高一l北京化工大学 化一l ：过群机械 评阕入2段成红教授j 艺京化：j ：犬学 化工过程枫械 答辩委员会主席蔡纪宁高t 北京化一i ：入学 化j ：过程机械 答辩委受1储立五：教授北京化。l ：人学化l ：过程机械 答辩委员2陈平副教授 北京化1 ：大学化 过程机械 答辩委员3张秋翔 高：l ： 北京化l ：大学化r 过程机械 答辩委员4 戴凌汉 高l ： j 艺京化。l ：大学化l ：过程机槭 答辩委员5段成红副教授j 艺京化：】：大学化：e 过程枫械 全国锅炉压力容器 答辩委员6 陈朝晖高工化：e 过程机械 标准化技术委员会 注：一。论文类型：l 。基礁研究2 。庶磺藜秀究3 。开发研究4 。其它 二中圈分类号在中国图二帮资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国圈家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号鑫专后蹬婉缀成。 摘要 纤维球过滤器的结构设计与数值模拟 摘要 纤维球过滤器作为一种深层过滤器在油田污水处理、市政污水处 理、工业废水处理等领域有着广泛的应用，与此同时，纤维球滤料及 过滤器的结构也得到不断改进，出现了多种不同结构的纤维球及纤维 球过滤器。 本论文对目前出现的几种纤维球及纤维球过滤器的结构形式进 行了总结，分析各自的优缺点，对纤维球过滤器在应用过程中出现的 一些问题进行了讨论，并分析了产生的原因及可能的解决办法，并提 出了一种新的纤维球过滤器的结构形式，绘制出了装配图和零件图。 本论文应用f l u e n t 软件对纤维球过滤器反洗过程进行了数值 模拟，对出现的腾涌现象进行了分析，提出了结构改进措施，有限元 模拟表明，改进后的结构能有效地避免反洗过程中腾涌现象的出现， 有助于纤维球过滤器过滤效率的提高。本论文还首次应用f l u e n t 多孔介质模型对纤维球过滤器在使用过程中的压降进行模拟，并与试 验进行对比，发现两结果比较接近，说明应用f l u e n t 多孔介质模 型对纤维球过滤压降进行模拟是可行的。此外，本论文还应用 f l u e n t 软件对压紧板的作用进行了数值分析，得出了不同提升高度 下，滤床中流场的分布情况，发现压紧板提升高度对滤床流场的分布 有一定的影响。因此，在实际应用中，可选择合适的压紧板提升高度， j | ：京纯工大学颟士学位论文 保持纤维球过滤器处于最佳过滤效果。 关键词：纤维球过滤器，深层过滤，数值模拟，多孔介质，压降 a b s t r a c t s t r u c t u r a ld e s i g na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ff i b e rb a l lf i l t e r a b s t r a c t t h ef i b e rb a l lf i l t e r , a sad e p t hf i l t e r , h a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s f o rt r e a t m e n to fw a s t e r w a t e ri no i l f i e l d s ，m u n i c i p a lw a s t e w a t e ra n d i n d u s t r i a l w a s t e r w a t e r m e a n w h i l e ，w i t h t h e i m p r o v e m e n to f t h e s t r u c t u r e s ，s o m ed i f f e r e n tf i b e rb a l l sa n dt h ef i b e rb a l lf i l t e r sh a v eb e e n d e v e l o p e d i nt h i st h e s i s ，s t r u c t u r e so ft h ep r e s s e n tu s e df i b e rb a l la n dt h ef i b e r b a l l sf i l t e r sw e r es u m m a r i z e da n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s w e r ea n a l y z e d p r o b l e m so ft h ef i b e rb a l lf i l t e r si na p p l i c a t i o n sw e r ea l s o d i s c u s s e d b ya n a l y z i n gt h ep o s s i b l er e a s o n s ，s o m es o l u t i o n sa r eg i v e n b a s e do nt h ea n a l y s i s ，an e ws t r u c t u r eo ft h ef i b e rb a l lf i l t e rw a sp r o p o s e d a n da l lt h ed r a w i n g sa b o u tt h ef i l t e ra r ec o m p l e t e d i nt h et h e s i s ，t h eb a c k w a s hp r o c e s so ft h ef i b e rb a l lf i l t e rw a s s i m u l a t e dw i t ht h es o f t w a r ef l u e n t s u r g ep h e n o m e n o nw a sf o u n da n d t h ec a u s ew a sa n a l y z e d 。b a s e do nt h ea n a l y s i s ，an e ws t r u c t u r eo ff i b e r b a l lf i l t e rw a sp r o p o s e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a tw i t ht h e p r o p o s e dn e ws t r u c t u r e ，t h es u r g ep h e n o m e n o ni nt h eb a c k w a s hp r o c e s s c a nb ea v o i d e da n dt h u st h et i l t i n ge f f i c i e n c yc a nb ei m p r o v e d a l s oi n j 乏家化工大学 羲士学位论文 t h i st h e s i s ，t h ep o r o u sm e d i am o d e li nf l u e n tw a sf i r s t l ya p p l i e dt o s i m u l a t et h ep r e s s u r ed r o po ft h ef i b e rb a l lf i l t e ri nu s e t h er e s u l t sw e r e c o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s i ti s f o u n dt h a tb o t hr e s u l t s a r ev e r yc l o s e ，i n d i c a t i n gt h a tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hf l u e n tf o rt h e p r e s s u r ed r o pi nt h ef i b e rb a l lf i l t e ri sa p p l i c a b l ea n dc r e d i t a b l e f i n a l l y , n u m e r i c a la n a l y s i sw a sa l s op e r f o r m e df o rt h ee f f e c t so ft h e p e r m e a b l ec o m p r e s s i o np l a t e o nt h e t i l t i n gp r o c e s s f l o w f i e l d d i s t r i b u t i o ni nt h ef i l t e rb e dc o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n th e i g h t so ft h e p e r m e a b l ec o m p r e s s i o np l a t ei so b t a i n e d i ti sf o u n dt h a tt h eh e i g h to ft h e p l a t ed o e sa f f e c tt h et i l t i n gp r o c e s s t h e r e f o r ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ， t h eh e i g h to ft h ep r e m e a b l ec o m p r e s s i o np l a t es h o u l db eo p t i m i z e di n o r d e rt oh a v eah i g ht i l t i n ge f f i c i e n c y k e y w o r d s ：t h ef i b e rb a l lf i l t e r , d e p t hf i l t e r , n u m e r i c a lsi m u l a t i o n ， p o r o u sm e d i a ，p r e s s u r ed r o p i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 本课题研究的背景1 l 。2 国杰外纤维球过滤器的技术简贪。l l 。2 。l国外纤维球过滤器简介l 1 2 2 国内纤维球过滤器简介3 1 2 2 1 纤维球滤料的简介3 l 。2 2 。2 纤维球过滤器结构简介6 1 3 课题的研究内容1 3 1 4 本课题的研究方法1 3 1 4 1 计算流体力学的简介1 4 1 4 2f l u e n 簟分析软件简介。1 4 1 5 本课题研究的意义1 4 第二章深层过滤理论的概述1 5 2 1 深层过滤的机理1 5 2 2 影响深层过滤效率的因素1 6 2 - 3 深层过滤数学模型1 7 2 4 深层过滤理论压降的主要计算方法1 8 2 5 本章小结2 2 第三章新型纤维球过滤器的结构设计2 3 3 1 新型纤维球过滤器总体结构介绍2 3 3 2 新型纤维球过滤器的工作过程2 5 3 。3 新型纤维球过滤器的优点2 7 3 4 本章小结2 8 第四章纤维球过滤器过滤与反冲洗过程的数值模拟2 9 4 1 基本物理方程2 9 4 1 1 质量守恒定律2 9 4 1 。2 动量守恒定律2 9 4 1 。3 能量守恒定律2 9 v j 艺家纯工大学硕士学位论文 4 2 物理模型3 0 4 2 1 湍流模型3 0 4 2 2 多孔介质模型3 l 4 。2 。3 多相流模型3 2 4 3 纤维球过滤器滤床压降的数值模拟以及与试验值的对比3 2 4 3 。1 模型的建立3 2 4 3 2 数值模拟3 3 4 。4 应用多孔介膜模型对纤维球过滤器与砂滤器的数值模拟3 9 4 4 1 模型的建立3 9 4 4 2 数值模拟3 9 4 4 3 理论值与数值模拟结果的对比4 5 4 5 对反洗阶段腾涌现象的模拟4 9 4 5 1 模型的建立4 9 4 5 2 数值模拟4 9 4 6 反洗阶段对纤维球过滤器的结构进行改进后的数值模拟5 l 4 6 1 模型的建立5 l 4 6 。2 数值模拟5 1 4 7 过滤阶段滤床与压紧板之间不同距离的流场模拟5 5 4 。7 。1 模型的建立5 5 4 7 2 数值模拟5 6 4 8 本章小结5 8 第五章结论与展望6 l 5 1 结论6 l 5 2 展望6 2 参考文献6 3 致谢6 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 9 作者和导师简介。7 l v l c o n t e n t s c o n t e n t s c h ap t e r1o v e r v i e w 1 1 1r e s e a l + c hb a c k g r o u n d 。1 1 2i n t r o d u c t i o nt of i b e rb a t lf i l t e r s 。l l 。2 。lf i b e rb a l lf i l t e r su s e do u t s i d e 。l 1 2 。2f i b e rb a l lf i l t e r su s e di nc h i n a 3 l 。2 。2 。lb r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ef i b e rb a l lf i l t e rm a t e r i a l 。3 1 2 2 2i n t r o d u c t i o nt ot h ef i b e rb a l lf i l t e r 。ss t r u c t u r e 6 1 3c o n t e n to f t h i st h e s i s 1 3 1 4s t u d ym e t h o d si nt h i st h e s i s 13 1 4 1i n t r o d u c t i o nt oc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 1 4 1 4 2i n t r o d u c t i o nt o f i u e n t a n a l y s i ss o f t w a r e 1 4 1 5s i g n i f i c a n c eo f t h i ss t u d y 1 4 c h a p t e r2o u t l i n eo fd e e pf i l t r a t i o nt h e o r y l5 2 。lm e c h a n i s mo f d e e pf i l t r a t i o n 。1 5 2 。2f a c t o r sa f f e c t e dd e e pf i l t r a t i o ne f f i c i e n c y 16 2 3m a t h e m a t i c a lm o d e lo fd e e pf i l t r a t i o n 17 2 4m a i nc a l c u l a t i o nm e t h o da b o u tp r e s s u r ed r o po fd e e pf i l t r a t i o nt h e o r y l8 2 5s u m m a r y 2 2 c h a p t e r3s t r u c t u r a ld e s i g no fn e w f i b e rb a l lf i l t e r 。2 3 3 1o v e r a l ls t r u c t u r eo f n e wf i b e rb a l lf i l t e r 2 3 3 2w o r k i n gp r o c e s so f n e wf i b e rb a l lf i l t e r 。，。+ 。2 5 3 。3a d v a n t a g e so f n e w f i b e rb a l lf i l t e r 。，。+ 。+ 。+ 。+ + 。+ 。2 7 3 4s u m m a r y 。，。，。2 8 c h a p t e r4n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h ef i l t i n ga n db a c k w a s h i n g p r o c e s so f t h ef i b e rb a l if i l t e r ：1 9 4 1b a s i cp h y s i c se q u a t i o n s 2 9 4 1 1l a wo f c o n s e r v a t i o no f m a s s 2 9 4 1 2l a wo f c o n s e r v a t i o no f m o m e n t u m 。+ 2 9 4 1 3l a wo f c o n s e r v a t i o no f e n e r g y 。2 9 4 。2p h y s i c a lm o d e l 。3 0 4 2 。lt u r b u l e n c em o d e l 一3 0 v l l j 京纯工大学颈二b 学位论文 4 2 2p o r o u sm e d i am o d e l 。31 4 2 3m u l t i p h a s ef l o wm o d e l 。+ 。3 2 4 3s i m u l a t i o no ft h ep r e s s u r ed r o p si nt h ef i l t i n gb e da n dc o m p a r i s o nw i t ht h e e x p e r i m e n t s 。3 2 4 3 1b u i l d i n gm o d e l 3 2 4 。：；。2n u m e r i c a ls i m u l a t i o n + + 。，。+ 。+ 。+ 。+ 。+ 。+ 。+ 。+ 。3 3 4 4 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff i b e rb a l lf i l t e ra n ds a n df i l t e ra p p l y i n gp o r o u sm e d i a m o d e l 。3 9 4 4 1b u i l d i n gm o d e 3 9 4 4 2n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 。+ ，3 9 4 4 。3c o m p a r i s o nb e t w e e nt h e o r e t i c a lv a l u e sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 4 5 4 5s i m u l a t i o no f t h es u r g ep h e n o m e n o ni nb a c k w a s h 4 9 4 。5 1b u i l d i n gm o d e 。+ + 。z s 4 5 2n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 4 9 4 。6n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h eb a c k w a s h i n gp r o c e s sf o rt h ei m p r o v e ds t r u c t u r eo f f i b e rb a l l ，。5l 4 6 。1b u i l d i n gm o d e 。+ 。，。，。5l 4 6 2n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 。5l 4 7f l o wf i e l ds i m u l a t i o no ff i l t e rb e da n dp r e s s i n gp l a t ea td i 脯r e n td i s t a n c e si n f i l t e rs t a g e 。+ 。5 5 4 7 1b u i l d i n gm o d e 5 5 4 。7 。2n u m e r i c a ls i m u l 蠢i o n 。5 6 4 8s u m m a r y 5 8 c h a p t e r5c o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n s 6 l 5 1c o n c l u s i o n + 6 l 5 2s u g g e s t i o n s t 。6 2 r e f e f e n c e s 6 3 ak no w l e d g e m e nt s 。6 7 l i s to fp u b l i s h e dp a p e r so rp a t e n t s 6 9 b i o g r a p h i e so f t h ea u t h o r a n dt h es u p e r v i s o r 。7 1 v l l l 符号说明 n p v 2 ，2 9 符号说明 比积泥量 过滤时间，s 滤层深度x 处的单位时间内的面积微粒浓度 过滤速度，m s 过滤系数，为滤料粒径、滤速和微粒的函数 清洁滤层的过滤系数 常数，为滤料粒径、滤速和微粒的函数 清洁滤料层的孔隙率 最大比沉积量 管长，m 管径，m 几何因子，l m 颗粒的比表面积( 颗粒表面积颗粒体积) ，m 2 m 3 科泽尼常数，计算时一般取k i = 5 滤床的厚度，m 水头损失，m 水的运动粘度，m 2 s 滤层缝隙直径，m 滤层孔隙度 滤材形状系数 有效纤维直径，m 流体的粘性系数 流体的密度，k g m 3 流场某点沿某方向的速度，r r d s 多孔介质的渗透率 惯性阻力系数 平均颗粒直径，m 床层厚度，m 试验常数 过滤介质厚度，m 表面上的孔隙总数； 速度水头； i x cb o o c u 九h b 吼。d 眦踮k h h 丫如p 也 p p 口 q 砩l k j 匕京化工大学硕士学位论文 x 第l 章绪论 1 1 本课题研究背景 第l 章绪论 固液分离实际上就是将固相和液相在混合液中进行分开的操作过程，按照过 滤机理来分主要分为表层过滤和深层过滤。目前深层过滤器已经广泛应用于饮用 水净化、市政污水处理及工业污水的处理与回用，而纤维球过滤器作为一种典型 的深层过滤器由于具有自身独特的优势，使得在目前的深层过滤市场上占有很重 要的地位。 本课题是北京化工大学c a e 中心关于环保设备研究的一部分，目的是开发 高效纤维球过滤器。 1 2 国内外纤维球过滤器的技术简介 1 2 1 国外纤维球过滤器简介 上世纪八十年代，日本的一家公司率先将纤维球作为过滤器的过滤介质应用 在固液分离领域。其纤维球的制作工艺是将纤维制成球形结构，故称为纤维球， 这些纤维球大小不一，最大的直径超过3 5 m m ，最小的直径在1 5 m m 左右。将这 些纤维球放入过滤器中，依靠这些纤维球卷曲的纤维所提供的巨大比表面积和较 高的孔隙率达到过滤污水的效果。其纤维球结构如图1 1 所示，其过滤器如图1 2 所示。 图1 1 卷曲纤维球剖面示意图 f i g l 1 t h es e c t i o ns c h e m a t i co f t h ec u r i 舶e r b aj l 图1 2 纤维球过滤器的示意图【2 l f i g l 一2 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h en b e fb a jj n l t e r j 艺京纯工大学硕士学位论文 图l 一2 为过滤器内填充的过滤介质为纤维球，在过滤过程中待处理液从进水 管进入过滤器内部。在重力的作用下，待处理液通过过滤床的过程中纤维球将待 处理液中的固体颗粒截留，过滤后的液体从冲洗水管出去。当滤出液的水质变差， 或者过滤器的压降达到一定程度时，就开始对纤维球滤料进行反冲洗。反冲洗时， 反洗液从冲洗水管进入，从排水管出去。期反冲洗一定程度后，反洗结束，又开 始新一轮的过滤过程，如此餍而复始。这里冲洗水管有两个作用：在过滤过程中 作为过滤后液体的出水阴；在反洗时作为反冲洗水的入水口。 恁来对这神过滤器进行了一定的改进，过滤阶段待处理液体由下面的冲洗水 管进入，处理后的液体e l j 上面的进水管出去。而当反洗阶段，反洗液由排水管进 入由冲洗水管出去。对过滤器进行这样的改进有利于纤维球发挥更大的过滤效 果，将使其过滤时间增加，从而在一定程度上提高过滤效率，但需要动力机械， 从而增加设备投入，而且设备操作维护费用也相应的增加。 这种形式过滤器一经推出，就受到很多厂商的关注，在应溺中有缀多的优点： 纤维球过滤器的滤床具有孔隙率高、比表而积大、吸附性能好，而且过 滤介质具有体轻质柔等特点，从而可以提高滤床的过滤效率； 纤维材料是一种弹性较好的材料，其形成的纤维球较为柔软，在过滤床 中纤维球之间的纤维丝是相互交叠在一起的，此时单个纤维球的过滤特性已经可 以忽略，纤维球滤床形成个整体。床层中纤维球受到的压力为过滤过程中的流 体阻力、纤维球自重以及截留污染物的重力之和。因纤维具有一定的弹性，在上 述压力联合作用下滤层孔隙率、过滤孔径、滤料比表面积沿滤层深度方向由大到 小渐变分布。这是一种过滤效率囱低到高的“理想床层”结构。直径较大容易滤 除鲶悬浮物可被上层滤料截留，直径较小不易滤除的悬浮物被中层或下层滤料截 留。在整个滤床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、截污容量及较好的擞水永质； 相对于石英砂、无烟煤等滤料，纤维球滤料的过滤速度更快、滤床的截 泥量更大、工作周期持续的时闻更长、纤维球滤料的寿命更长，而且纤维球过滤 器的过滤精度相对于其它类型的过滤器来说要高出很多，从而可以使出水的水质 更高； 纤维球过滤器的反冲洗麓力较强，即使滤料长时间侵泡在污水中也可以 在常温条件下在相对不长的时间清洗干净； 纤维球过滤器的过滤速度大，这使得纤维球过滤器与其它深层过滤器械 相比，在单位时间内可以处理更多的污水，从而可以从整体上降低成本； 纤维球过滤器相对于其它的深层过滤器来说，易损坏机械少，动设备数 量相对减少，从而使得操作和维护相对简单，易于实现自动控制，操作与维护的 2 第l 黎绪论 成本也就相对降低； 设备占地面积小，过滤过程中的压降也比其他过滤器要低许多，从而使 能耗相对于其它深层过滤器来说也降低不少，设备在全寿命期的运行费用也将降 低； 纤维球过滤器的使用范围较广，除了可以用于油水分离，还可以用于固液 分离、气固分离； 但是纤维球过滤器在实际应用过程中也出现了各种问题，下面对其在应用中 出现的各静闯题进行总结： 过滤和反洗过程中出现纤维丝跑漏的现象，在应用一段时期后就需要添 加纤维球。而且纤维丝的跑漏还会堵塞管线，从而导致设备无法正常工作，这将 大大增加设备全寿命期的运行维护成本； 由于纤维球比较柔软，设备刚开始运行阶段，在过滤的过程中没有将纤 维床压实，过滤后凄水水质不能达到设计要求。只有当设备运行一段时期怎，巍 于滤床的重量增加，增大了对滤床的压实，这样过滤质量得到提高； 由于纤维球内部比较硬，当纤维球在过滤过程中内部积聚污泥时，不易 将其清洗干净。大量的实际应用证明，在反洗时对纤维球的清洗效果不够理想； 由于容器内部无其它有利于清洗的辅助部件，这将使得对滤床的清洗效 果不理想，清洗不够均匀。在实际应用中开罐检验时发现，有些纤维球根本没有 清洗，而有些则清洗效果明显； 无论是上流式还是下流式结构在过滤过程中，待处理液的分布不均匀。 在开罐检查时发现有些纤维球根本没有发挥过滤介质应有的作用。在容器中部纤 维球充分的发挥着过滤待处理液的作用，但是在容器壁面附近区域，有些纤维球 仍然保持原色，没有迹象显示这些纤维球发挥了过滤的 乍用。产生这种问题的主 要原因是待处理液分布不均匀所致； 后来一些学者对纤维球进行了改进。1 9 8 1 年一位置本学者将纤维球在制造 上做了一定的改进，将短纤维粘在一个多面体上。这种纤维球在应用过程中出现 的跑丝现象明显减少，但是由于球心空闻未得到有效的乖j 用，而且这种制造方法 的成本较昂贵，所以应用不是特别的广泛。 1 2 。2 国内纤维球过滤器简介 1 2 2 1 纤维球滤料的简介 2 0 世纪8 0 年代中期国志开始进行纤维球过滤器的系统研究，清华大学对当 时使用的纤维球过滤器进行了详尽的研究，在总结纤维球过滤器在使用过程中出 北京化工大学硕士学位论文 现优缺点的基础上对过滤器进行了改进【3 j 。首先对纤维球本身的制造工艺进行了 改进，使其加工更方便、结构更合理，其工艺是用一根细细的绳在一束纤维丝中 部扎成一个节形成一个质量轻、柔软性好、高弹性的球型体。这种新型滤料装填 进过滤器后过滤速度明显提高，根据实际的使用经验，其过滤速度可以达到 7 0 m h ，而这么高的过滤速度对于过滤器的出水水质则没有太大的影响。而且这 种滤床的截污能力也较之前的日本纤维球滤床的截污能力要高出很多【4 8 】，使得 这种新型滤料形成的过滤器的过滤周期与过滤效率有了很大的提升，其适应性与 稳定性也得到了很大的提高。而这种纤维球加工简单，制造成本低，其应用起来 更方便，其纤维球结构如图1 3 所示。但是当时的纤维是亲油疏水性的，对于处 理一些含油废水来说，这种纤维球一旦将油滴截留在纤维球内部，由于纤维本身 的特性使得清洗这些纤维球将是非常困难的。在未被改性前，纤维球过滤器在处 理含油污水时，由于反洗含油纤维球的效果不是很理想，所以当纤维球过滤器在 过滤一段时间后滤出液的水质开始变差时，就开罐将纤维球取出来，换一批新的 纤维球，这样对于纤维球来说是极大的浪费，而且对于使用和维护成本来说，也 是不可承受的。 为了发挥纤维球过滤器在处理含油污水方面的优势，对其表面进行了改性。 经过不断的努力，在1 9 9 2 年终于将纤维改性成为亲水疏油的性质，无论改性纤 维球的表面是粘结上油还是含油的颗粒物，都可以在过滤阶段将其截留并在反洗 时将滤床清洗干净。下图1 4 为含油纤维球在改性前与改性后在反洗之后洁净度 的对比。黑色的为未被改性的纤维球过滤器在处理含油污水进行反洗后的纤维 球，白色的为经过表面改性后的纤维球过滤器在处理含油污水进行反洗后的纤维 球。从图上可以清晰的看出改性前与改性后的对比，这种改性使得纤维球过滤器 在处理含油污水方面更具优势。 图1 - 3 纤维球剖面示意图1 9 】 f i g l - 3 s e c t i o ns c h e m a t i co f t h ef i b e rb a l l 4 图1 - 4 含油纤维球在改性前与改性后在反洗 之后洁净度的对比【1 0 】 f i g l - 4 t h ec l e a n l i n e s sc o n t r a d i s t i n c t i o n b e t w e e nu n m o d i f i n ga n dm o d i f i n go f t h eo i l y n b e rb a l la f l e rb a c k w a s h 1 0 】 第l 章绪论 图1 5 为在2 0 0 1 年王占生又提出一种新的纤维球结构】，如图l 一5 这种结 构就像一个扇子一样，提出这种结构主要是针对纤维球在过滤过程中内部积泥的 情况下做出的一种改进。由于纤维球的内部较硬，随着过滤的进行，纤维球内部 必定积聚一定的污泥，而在反洗的过程中纤维球中心处的污泥无法清洗干净，久 而久之就在纤维球的中心形成了一个硬泥块，这对于纤维球过滤效率的提高产生 一定的影响。这种新型的滤料是由一束纤维将其一端自由，另一端设置机械焊接 节点，看起来就像一个扇子，而纤维的表面有亲水化合物。这种滤料在反冲洗时， 在同样的时间内扇形滤料的清洗效果要比纤维球滤料的清洗效果好，而且在一定 程度上克服了纤维球滤料靠近球心处污染物无法清理干净的缺点。 图1 6 为在2 0 0 2 年我国的学者又提出一种新型滤料结构i l2 | ，这种纤维球结 构的提出也是针对纤维球在反洗过程中所表现出来的球心截泥、清洗效果不理想 提出来的。这种结构就像是一个彗星一样由慧核拖着一条长长的尾巴。其设计思 想是过滤时，纤维球的彗尾彼此相互交错，形成许多细小、分布均匀的孔隙，这 些孔隙就像一个个的小孔道，起着截留污泥的作用。同时，这种纤维球的节点“彗 核”相对于纤维球的球心节点来说，尺度要小得多，因而对于整体纤维球滤床的 孔隙率分布均匀性来说影响就相对小得多，从而使得纤维球滤床的孔隙率分布更 加的合理，更倾向于“理想滤床”的结构形式。在过滤时这种滤床提高了截泥能力， 而反洗时由于彗核的密度更大，而彗尾的密度相对要轻得多。在气水反冲洗时， 彗尾在气水的联合作用下，散开并进行强烈的摆动，就像是一个高速旋转的拖布， 这时纤维丝间相互的碰撞和摩擦将使得截留在纤维丝上的污泥清洗干净；另外彗 星式纤维球由于整个形状的不规则，在气水联合的作用下也会使过滤材料在反冲 洗水的作用下产生强烈的旋转，增强粘结在滤料的污泥的去除效果【1 3 】。 图1 5 扇形纤维球 f i g l - 5 f a n s h a p e df i b e rb a l l 图1 - 6 单垂尾彗星式纤维球 f i g l 一6 s i n g l ev e r t i c a lt a i lc o m e tf i b e rb a l l 北京化1 一大学硕士学位论文 为了强化纤维球过滤器的过滤效果、提高过滤效率，一些学者又对彗星式纤 维球进行了一定的改进。其目的是减少彗核在滤床中所占的空间，进一步优化滤 床孔隙的分布使滤床孔隙分布更趋向于理想滤床的结构。一些学者提出了双尾型 彗星纤维球如图1 7 、1 8 所示。 图1 7 双