摘要：論述了將彗星式纖維濾料應(yīng)用于壓力過濾器的中試情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)水濁度為15-60NTU，濾速20-100m/h的條件下，彗星式纖維濾料過濾器運(yùn)行穩(wěn)定。主要技術(shù)指標(biāo)為：出水濁度≤1NTU，懸浮物去除率≥96.1%，過濾周期2-16.5h，單位面積周期產(chǎn)水量250-560 m3/m2，截污量15-33kg/m3（濾料），反沖洗耗水率1-2%，剩余積泥率0.5-2%。

關(guān)鍵詞：彗星式纖維濾料 過濾 水處理

0 引言

彗星式纖維濾料是近年發(fā)展的結(jié)合顆粒濾料與纖維成形體濾料特點(diǎn)的一種新型濾料[1,2]，它既能發(fā)揮纖維濾料比表面積大的優(yōu)勢，又具備顆粒過濾材料反沖洗簡便的特點(diǎn)。本文考察了以彗星式纖維濾料應(yīng)用于壓力式過濾器的懸浮物去除率、過濾周期、水頭損失、截污量、反洗耗水率和剩余積泥率等指標(biāo)，并針對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了討論。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與裝置

試驗(yàn)采用投加絮凝劑進(jìn)行壓力式直接過濾的方法，工藝流程見圖1。原水為粘土和淤泥自配水。過濾器直徑Ф800mm，碳鋼焊制，上下隔板間距2.8m。采用聚合氯化鋁（PAC）溶液為絮凝劑，投加量5-8mg/L，接觸絮凝時(shí)間1-3min。濾速范圍20-100m/h，操作壓力0.04-0.35MPa，出水濁度≤1NTU。采用氣-水聯(lián)合方式進(jìn)行反沖洗。

1.2  試驗(yàn)濾料

濾料規(guī)格為Ф2.5×0.7×(25-30)（彗核直徑/mm×絲束直徑/mm×彗尾長度/mm），彗核相對密度為1.1，濾料所用纖維為聚酯纖維，纖維絲徑20-40μm，卷曲數(shù)為7-10個(gè)/cm。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 過濾試驗(yàn)

彗星式纖維濾料過濾器的操作方式為壓力式。出水濁度控制指標(biāo)為1NTU，試驗(yàn)過程中濾床的水頭損失處于操作壓力范圍之內(nèi)，因而最大過濾時(shí)間由出水泄漏濁度控制。

2.1.1 典型試驗(yàn)曲線

圖2為彗星式濾料過濾器在濾速80m/h下的過濾曲線。

2.1.2  試驗(yàn)結(jié)果
表1給出了彗星式纖維濾料壓力過濾器進(jìn)水平均濁度在17-61NTU之間、濾速為20-100m/h的試驗(yàn)結(jié)果[3]。

① 試驗(yàn)測得，1NTU計(jì)濁度相當(dāng)于1.2176mg/L計(jì)懸浮物濃度。

2.2 水頭損失

圖3為濾速分別在60m/h和80m/h下的水頭損失隨時(shí)間變化的情況；圖4為不同進(jìn)水濁度下水 頭損失隨時(shí)間的變化情況。

2.3 對懸浮顆粒的截留粒徑

采用測定進(jìn)出水顆粒粒徑的方法考察彗星式纖維濾料過濾器對不同粒徑顆粒的截留效果如下。

(1)   分別取過濾器進(jìn)出水水樣，用顯微圖像儀記錄水中顆粒狀況，采用劃線計(jì)數(shù)法直接測量水中大于2μm粒子的個(gè)數(shù)。對大于2μm的顆粒的去除效果見表2[4]。

(2)   金志剛的研究結(jié)果表明[5]：對進(jìn)水濁度約50NTU，粒徑小于5μm的顆粒在70%以上的高嶺土自配水進(jìn)行不加藥以20m/h濾速進(jìn)行直接過濾，出水平均濁度1NTU，10μm以上的顆粒全部去除。

2.4 反沖洗過程

2.4.1 反沖洗規(guī)程

彗星式纖維濾料的反沖洗采用氣-水聯(lián)合反沖洗。經(jīng)過試驗(yàn)確定反沖洗規(guī)程為：先以反沖洗水將濾床托起，使濾床略加膨脹，濾料間孔隙增大，然后進(jìn)氣反洗，進(jìn)一步將濾料沖散。操作條件見表3。

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果

(1) 反沖洗耗水率

彗星式纖維濾料過濾器的反沖洗耗水率約為1-2%。

(2) 剩余積泥率

反沖洗后濾料的剩余積泥率0.5-2%。反沖洗后濾料并不能恢復(fù)到使用前的狀態(tài)，但運(yùn)行穩(wěn)定后，濾層內(nèi)積泥量基本不變。試驗(yàn)中測得彗星式纖維濾料反沖洗后的積泥量：在濾速為40m/h和80m/h下，剩余積泥率分別為1.81%和1.08%。

2.5 濾料填裝量

過濾器內(nèi)濾料填裝量的不同會(huì)直接影響過濾性能和反沖洗效果。

表4為填裝量分別為160kg/m2和100 kg/m2下的進(jìn)出水濁度測量值和水頭損失值。當(dāng)繼續(xù)減少濾料填裝量至60kg/m2時(shí)，在過濾開始約1小時(shí)后出水濁度迅速升高，說明濾料填裝量不宜在60kg/m2以下。

3 分析與討論

3.1 彗星式纖維濾料與纖維球?yàn)V料各項(xiàng)性能指標(biāo)對比

表5為彗星式纖維濾料過濾器與纖維球?yàn)V料過濾器的各項(xiàng)指標(biāo)列表，其中纖維球數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[6] 。

3.1.1  截污量

在相同濾速下，彗星式纖維濾料的單位體積截污量大于纖維球?yàn)V料。

與其他纖維濾料類似，彗星式纖維濾料在過濾時(shí)，由于水流的壓力，使濾床上疏下密，孔隙率自上而下由大至小分布，濾床的納污能力強(qiáng)。濾速降低，截污量和過濾周期均有明顯增加。

與其他纖維濾料不同的是，通過實(shí)驗(yàn)室有機(jī)玻璃過濾器發(fā)現(xiàn)，彗星式纖維濾料濾床上部約150-200mm的區(qū)域內(nèi)，濾料層疏松，濃集懸浮物多，增加了截留懸浮物之間接觸、碰撞的機(jī)會(huì)，其作用類似于澄清池中的懸浮區(qū)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此區(qū)域內(nèi)水頭損失也很大，表明整個(gè)濾層的利用率增大，這是彗星式纖維濾料濾床納污量大的一個(gè)主要原因。此外由于彗星式濾料的特殊形狀，使得反沖洗效果良好，其剩余積泥率遠(yuǎn)小于纖維球?yàn)V料，進(jìn)而增大了濾床截污量。

3.1.2 濾床成熟期

深層過濾器在反沖洗后的過濾初期有一段水質(zhì)不穩(wěn)定階段，稱之為濾床的成熟期[7]或初濾階段。過濾開始階段對過濾器內(nèi)反洗水置換速度的大小、濾層壓縮的快慢和濾床橫向的孔隙結(jié)構(gòu)決定了成熟期的長短。較高的濾速不僅使彗星式纖維濾料濾層積留的反沖洗水很快被置換出去，同時(shí)也令濾層迅速壓縮達(dá)到足夠的致密度；而彗星式纖維濾料尺度小、結(jié)構(gòu)不對稱等因素，使其濾床的孔隙結(jié)構(gòu)在橫向的均勻性得到明顯改善。纖維球?yàn)V料的初濾階段約為1h，彗星式纖維過濾器在20-100m/h的濾速范圍內(nèi)初濾時(shí)間最大為3min，出水濁度便下降到1NTU以下。

3.1.3 反沖洗特點(diǎn)

由表5可知，相同濾速和進(jìn)水濁度條件下，纖維球?yàn)V料的反沖洗耗水率為5-8%，而彗星式纖維濾料的反沖洗耗水率為1-2%。反沖洗時(shí)通過過濾器的觀察窗發(fā)現(xiàn)，濾料被沖散后，單個(gè)濾料在水流和氣流的共同作用下在過濾器內(nèi)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，由于受到彗尾、彗核密度差（Δρ≥0.13）及不對稱結(jié)構(gòu)的影響，彗尾纖維散開并擺動(dòng)，產(chǎn)生較強(qiáng)的甩曳力，使附著的固體顆粒易于脫離。其中彗尾容易散開是因?yàn)槊總�(gè)濾料所包含的纖維根數(shù)少，一般24股×（24-48）根纖維單絲，故反洗時(shí)纖維絲與絲之間相互約束較弱。

3.2 濾床水頭損失

濾速增大或進(jìn)水濁度增大，濾層總水頭損失隨時(shí)間增長較快。

彗星式濾料的總水頭損失與過濾時(shí)間并不呈嚴(yán)格的線性關(guān)系，因?yàn)槌藶V速和進(jìn)水濁度增加而引起的濾床阻力增加外，截污量的增大引起濾床進(jìn)一步壓縮，濾床的孔隙率減小，使水頭損失上升。

3.3 濾料填裝量

濾料填裝量過少，會(huì)使濾床過早的穿透，出水濁度值迅速升高，達(dá)不到理想效果；反之濾料填裝量過多，會(huì)產(chǎn)生不必要的水頭損失，并且在相同的反沖洗條件下，濾料的流化程度降低，影響反沖洗效果。

3.4 運(yùn)行實(shí)例

彗星式纖維濾料過濾器在北京市酒仙橋污水處理廠的“污泥脫水車間中水回用”運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)表明，其對有機(jī)物有較強(qiáng)的去除能力。

該工藝為對二沉池出水投加絮凝劑后直接過濾。過濾器直徑Ф800mm，濾速40m/h，采用氣-水聯(lián)合反沖洗，絮凝劑為聚合氯化鋁，投加量2-8mg/L。表6為各測定項(xiàng)目的平均去除率情況。

其中因?yàn)檫M(jìn)水濁度值很低，故濁度去除率只有86.3%。

4 結(jié)論

(1) 水溫在8-17℃之間，彗星式纖維濾料過濾器的過濾速度為20-100m/h，過濾周期2-16.5h，出水濁度≤1NTU。

(2) 彗星式濾料截污量為15-33 kg/m3（濾料）。濾速降低，截污量增大。

(3) 初濾階段時(shí)間短，在20-100m/h的濾速范圍內(nèi)初濾時(shí)間小于3min。

(4) 彗星式纖維濾料應(yīng)用于壓力過濾器的濾料填裝量為60-100kg/m2。

(5) 采用先以反沖洗水將濾床托起，然后進(jìn)反沖洗空氣進(jìn)行反沖洗的方法，可實(shí)現(xiàn)濾料的充分清洗，反沖洗耗水率1-2%，剩余積泥率0.5-2%。

(6) 彗星式纖維濾料壓力過濾器用于污水過濾的運(yùn)行實(shí)例表明，其對有機(jī)物有較好的去除效果。

參考文獻(xiàn)
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[4]中國水產(chǎn)科學(xué)院黃海水產(chǎn)研究所. 工廠化養(yǎng)殖海水凈化和高效循環(huán)利用關(guān)鍵技術(shù). 國家八六三計(jì)劃項(xiàng)目驗(yàn)收報(bào)告, 2000, 9
[5]金志剛. 彗星式纖維濾料的初步研究. [學(xué)士學(xué)位論文]. 北京：清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系, 1999
[6]熊嵐等. 纖維球?yàn)V料直接過濾原水的試驗(yàn)研究. 中南工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，14（1）：33-37
[7]Nacem, et al. The effect of back washing rate on filter performance. Journal of the American Water Works Association, 1982(5): 242-248

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