王 昶，王靜義，賈青竹，吳長(zhǎng)春

(天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457)

過(guò)濾是化學(xué)工業(yè)中常見(jiàn)的液固分離過(guò)程，也廣泛用于水處理過(guò)程，利用介質(zhì)濾除水中雜質(zhì)．由于傳統(tǒng)固定床過(guò)濾需要停機(jī)反沖洗，實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作還需要反沖洗再生的輔助設(shè)備，投資大、操作復(fù)雜、能耗高[1]，即使近年國(guó)內(nèi)外研發(fā)了幾種自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器[2-5]，仍存在過(guò)程不連續(xù)和占地面積大等問(wèn)題[4]，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)．由于氣提和反沖洗是獨(dú)立進(jìn)行的，影響著氣提過(guò)程的穩(wěn)定性和連續(xù)性，而且還會(huì)因?yàn)V料和清洗液沒(méi)有很好地湍動(dòng)接觸而得不到充分清洗，這在一定程度上增大了洗滌液的用量和處理負(fù)荷．為此，開(kāi)發(fā)一種節(jié)能、操作便捷的連續(xù)過(guò)濾裝置是非常重要的.

本研究采用清洗洗滌器、三相分離器及濾料“反粒徑”[6]分布三項(xiàng)技術(shù)，改變傳統(tǒng)的過(guò)濾模式，開(kāi)發(fā)了一種新型顆粒移動(dòng)床連續(xù)過(guò)濾裝置，調(diào)查進(jìn)氣速率、清洗水速率以及移動(dòng)床濾層更新速率之間的相互關(guān)系，探討最佳運(yùn)行條件，為實(shí)際應(yīng)用提供有用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)．

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，長(zhǎng)、寬、高分別為200、150、520,mm，恒定液位高度為470,mm，濾層高度150,mm．

圖1 新型顆粒移動(dòng)床連續(xù)過(guò)濾裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the new type continuous filtration device with particle-moving bed

待處理液體由進(jìn)水口進(jìn)入過(guò)濾器，沿著水平方向流動(dòng)，水中顆粒物和膠體污染物通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的吸附和截留作用而被分離，過(guò)濾后的水由出水口排出．在過(guò)濾的同時(shí)，也進(jìn)行著反沖洗過(guò)程，裝置偏下方的中央，有一個(gè)臺(tái)柱體，臺(tái)柱的下方有一個(gè)直通管，一端進(jìn)入裝置底部的過(guò)濾介質(zhì)，另一端進(jìn)入臺(tái)柱體中部，直接與一個(gè)管徑較大的直通管相連，兩管之間有一定的間隙，較大的直通管的另一端一直向上，與三相分離器相連．在臺(tái)柱體中還有另外兩只自上而下的直管，一個(gè)為壓縮空氣管用于通氣體，另一個(gè)為清洗水管用于通洗滌清水，氣體和洗滌清水在臺(tái)柱體中經(jīng)過(guò)中央兩管之間的空隙，快速流入向上的直通管，在間隙的上部產(chǎn)生負(fù)壓，使下方的直管內(nèi)的過(guò)濾介質(zhì)在下方的水壓和上方的氣提作用下，吸入到提升管中，在氣速、液體流速以及過(guò)濾介質(zhì)上升速度不同的條件下，吸附在過(guò)濾介質(zhì)上的污染物就被洗滌下來(lái)，一同進(jìn)入上部的三相分離器．從上部三相分離器下來(lái)的過(guò)濾介質(zhì)因位置偏離中心，沉降下來(lái)的濾料介質(zhì)將會(huì)自然形成“反粒徑”分布，即進(jìn)口處粒徑較大，出口處粒徑較小，有利于降低過(guò)濾阻力．

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程如圖 2所示．污水由離心泵從收集槽輸送到高位槽中，高位槽中的污水以一定的流速流入過(guò)濾器，收集槽、高位槽和配液槽內(nèi)部都安裝攪拌器，確保水質(zhì)均勻一致．過(guò)濾后的清水由出口排出，其中進(jìn)水口和出水口安裝了可調(diào)節(jié)流量計(jì)，通過(guò)控制面板可以調(diào)節(jié)流速、保持過(guò)濾器恒定液位．氣提洗滌器中的含泥污水由三相分離器側(cè)口排出，與過(guò)濾后的清水一同進(jìn)入配液槽重復(fù)利用，整體裝置基本實(shí)現(xiàn)次生廢水的“零”排放．

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.2 Experimental process

1.3 運(yùn)行條件和方法

過(guò)濾介質(zhì)可以是石英砂、樹(shù)脂、活性炭等[7]．本實(shí)驗(yàn)采用活性炭作為濾料，顆粒粒徑為 0.7～2.1,mm．設(shè)計(jì)最大進(jìn)水流量為160,L/h，操作溫度為室溫．

1.4 實(shí)驗(yàn)用水

配制高、中、低三種不同濃度泥漿水作為處理對(duì)象，水樣指標(biāo)見(jiàn)表 1(其中化學(xué)需氧量(COD)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法重鉻酸鉀法進(jìn)行測(cè)定)．

表1 泥漿水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Mud water quality index

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)氣速率和清洗水速率對(duì)濾層更新速率和濾料

循環(huán)周期的影響

濾層的更新速率和濾料循環(huán)周期是反映新型顆粒移動(dòng)床連續(xù)過(guò)濾裝置性能的一個(gè)重要指標(biāo)．通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣速率和清洗水速率來(lái)控制氣提速率，測(cè)定單位時(shí)間內(nèi)活性炭的提升量來(lái)計(jì)算濾層更新速率和濾料循環(huán)周期．

式中：v為單位時(shí)間內(nèi)清洗濾料的體積；V為取樣器中濾料體積；t為取樣時(shí)間．

濾層更新速率可以由式(2)求得

式中：C為濾層更新速率；S為過(guò)濾器水平截面積．

濾料循環(huán)周期可以由式(3)求得

式中：T為濾料循環(huán)周期；V總為過(guò)濾器中濾料的總體積．通過(guò)測(cè)定得到V總＝5,600,mL．

采用自制的取樣器在三相分離器下端進(jìn)行取樣，并用秒表計(jì)時(shí)．通過(guò)測(cè)定和計(jì)算，得到不同清洗水速率和進(jìn)氣速率下的濾層更新速率和循環(huán)周期，結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 不同條件下的濾層更新速率和濾料循環(huán)周期Tab.2 The updating rate and cycle of the filter layer under different conditions

由表2可以看出：濾層更新速率和濾料循環(huán)周期主要是由進(jìn)氣速率決定的，而清洗水速率決定了反沖洗效果和設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性(氣、液、固三相能夠有效分離)．如果進(jìn)氣量過(guò)大，因清洗水很少，氣提不穩(wěn)定且濾料不能得到有效的清洗；反之，若清洗水量太大，不僅造成清洗水量增加，而且還會(huì)導(dǎo)致三相流在提升管中速度過(guò)快，影響進(jìn)入三相分離器的分離效果．由表2可知，適宜的氣水比操作范圍為7～12．

圖3表示的是氣水比在7～12，濾層更新速率和濾料循環(huán)周期的變化．

圖3 進(jìn)氣速率對(duì)濾層更新速率和濾料循環(huán)周期的影響Fig.3 Influence of intake rate on the cycle and updating rate of the filter layer

由圖3可知：進(jìn)氣速率對(duì)濾層更新速率和濾料循環(huán)周期具有顯著影響．進(jìn)氣速率越大，濾層更新越快，濾料循環(huán)周期越短，反之亦然．在設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，濾料循環(huán)周期是可以控制的，本實(shí)驗(yàn)的最小值為12,min．

2.2 處理負(fù)荷對(duì)固定床和移動(dòng)床處理效果的影響

處理負(fù)荷會(huì)影響出水水質(zhì)，為了證明移動(dòng)床比固定床有更高的處理負(fù)荷和更好的出水水質(zhì)，分別研究了處理負(fù)荷對(duì)固定床和移動(dòng)床處理效果的影響．

2.2.1 處理負(fù)荷對(duì)固定床處理效果的影響

為了研究處理負(fù)荷對(duì)固定床處理效果的影響，裝置運(yùn)行時(shí)不通入壓縮空氣和清洗水(此時(shí)為固定床)，以濁度為 57.9,NTU、COD 為 27.6,mg/L、SS為153.0,mg/L的水樣作為進(jìn)水，運(yùn)行 10,h內(nèi)出水水質(zhì)隨運(yùn)行時(shí)間的變化如圖4所示．

過(guò)濾器對(duì) SS有非常好的處理效果，出水 SS沒(méi)有檢出．由圖4可以看出：在初始1.5,h內(nèi)，固定床對(duì)污水有較好的處理效果，此時(shí)出水 COD和濁度分別為 2.7,mg/L和 5.81,NTU；但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，出水水質(zhì)越來(lái)越差，COD和濁度逐漸增大，9,h后出水COD和濁度分別為 14.4,mg/L和 15.5,NTU，此后出水水質(zhì)趨于穩(wěn)定．

圖4 固定床出水水質(zhì)隨運(yùn)行時(shí)間的變化Fig.4 The fixed bed effluent quality with the running time

初始 1.5,h內(nèi)固定床對(duì)泥漿水有很好的處理效果，這是因?yàn)榛钚蕴靠梢酝ㄟ^(guò)截留和吸附去除水中的大部分顆粒物和溶解性有機(jī)物．但是，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，出水水質(zhì)變差，出水的 COD和濁度逐漸升高．這是因?yàn)殡S著處理量的增加，越來(lái)越多的顆粒物和溶解性物質(zhì)被吸附在活性炭中，由于不能及時(shí)得到反沖洗，活性炭的吸附達(dá)到飽和，此后很難對(duì)微型顆粒物和溶解性物質(zhì)進(jìn)行吸附．當(dāng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為 9,h時(shí)，即處理量達(dá)到 360,L時(shí)，出水濁度和 COD的值達(dá)到最大并趨于恒定．因?yàn)榛钚蕴康慕亓糇饔萌匀淮嬖冢匀匀荒苋コ恍┹^大的固體顆粒，從而降低出水COD和濁度．

2.2.2 處理負(fù)荷對(duì)移動(dòng)床處理效果的影響

為了研究處理負(fù)荷對(duì)移動(dòng)床處理效果的影響，裝置運(yùn)行同時(shí)通入壓縮空氣和清洗水(此時(shí)為移動(dòng)床)，以濁度為 57.9,NTU、COD 為 27.6,mg/L、SS為153.0,mg/L的水樣作為進(jìn)水，運(yùn)行 10,h內(nèi)出水水質(zhì)隨運(yùn)行時(shí)間的變化如圖5所示．

圖5 移動(dòng)床出水水質(zhì)隨運(yùn)行時(shí)間的變化Fig.5 The moving bed effluent quality with the running time

由圖5可以看出，移動(dòng)床一開(kāi)始也會(huì)出現(xiàn)和固定床出水相似的趨勢(shì)，1.5,h內(nèi)出水效果很好，此時(shí)出水COD和濁度分別為2.6,mg/L和5.59,NTU，此后出水水質(zhì)會(huì)有所下降，但仍有較好的處理效果，7,h后出水 COD和濁度分別為 9.57,mg/L和 8.6,NTU，并趨于穩(wěn)定．

初始 1.5,h內(nèi)移動(dòng)床對(duì)泥漿水有很好的處理效果，這與固定床的原理是一樣的．7,h后出水水質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定，COD和濁度分別為 9.57,mg/L和 8.6,NTU，去除率分別為 65.33%和 85.15%(比固定床的 47.83%和 73.23%要高)．這是因?yàn)橐苿?dòng)床在過(guò)濾的同時(shí)進(jìn)行了濾料反沖洗，活性炭吸附和截留的物質(zhì)通過(guò)脫附作用被及時(shí)排除，通過(guò)這樣一個(gè)傳質(zhì)過(guò)程活性炭就能得到及時(shí)再生，當(dāng)處理7,h后，即處理量達(dá)到280,L時(shí)，移動(dòng)床中活性炭的截留和吸附作用與再生作用達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡．

2.2.3 固定床和移動(dòng)床中濾料清潔程度的比較

運(yùn)行 10,h后固定床和移動(dòng)床中的濾料清潔程度如圖6所示．從圖6中可以看出：移動(dòng)床層中的濾料因?yàn)樵诓粩嗲逑丛偕?，比固定床中的濾料潔凈．

圖6 固定床與移動(dòng)床中的濾料Fig.6 Filter of the fixed bed and the moving bed

2.3 濾料“反粒徑”分布的測(cè)定

濾料粒徑從進(jìn)水口到出水口方向上由大到小的分布，稱(chēng)為“反粒徑”分布．“反粒徑”過(guò)濾相當(dāng)于逐級(jí)分步處理，能改善水質(zhì)并充分發(fā)揮整個(gè)濾層的截污作用，提高濾料截污量，降低過(guò)濾阻力，減少能耗．

為研究本裝置濾料分布情況，裝置運(yùn)行 1,h后，從進(jìn)水口方向到出水口水平位置 0、5、10、15、20,cm(本裝置濾層寬 20,cm)處分別采取一定量的活性炭，用離線粒度分析儀測(cè)得各處活性炭的平均粒徑，結(jié)果如圖7所示．

圖7 濾床不同位置處顆粒粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of different positions of the filter bed

由圖7可知：從進(jìn)水口到出水口處濾料平均粒徑逐漸變小，進(jìn)水口處濾料平均粒徑為 1,302,μm，出水口處濾料平均粒徑為 1,133,μm，形成了明顯的粒徑梯度分布，“反粒徑”分布效果很好．

2.4 水力停留時(shí)間(HRT)對(duì)不同濃度泥漿水去除效果的影響

HRT決定了污水與濾料的接觸時(shí)間，影響著出水水質(zhì)．為測(cè)定 HRT對(duì)出水水質(zhì)的影響，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)水流量控制在 15～80,L/h，通過(guò)改變流量來(lái)調(diào)節(jié)HRT，HRT在 2.3～12.0,min．待流速固定 1,h后測(cè)定出水的 SS和 COD，3種水樣測(cè)定方法相同，測(cè)定結(jié)果如圖8和圖9所示．

圖8 HRT對(duì)不同水樣出水濁度的影響Fig.8 Effects of HRT on effluent turbidity of different samples

圖9 HRT對(duì)不同水樣出水COD的影響Fig.9 Effects of HRT on effluent COD of different samples

由圖 8可以看出：HRT與濁度處理有很重要的關(guān)系，HRT越長(zhǎng)，處理效果越好，去除率越高，反之亦然．同時(shí)，在HRT相同的條件下，高濃度泥漿水的出水水質(zhì)雖然比低濃度要差，但是去除率相對(duì)較高，這可能是因?yàn)闈舛雀邥r(shí)，水樣中粒徑大的顆粒對(duì)濁度貢獻(xiàn)較大，而這些大粒徑顆粒物質(zhì)都能通過(guò)活性炭的截留作用去除，這樣就大大提高了濁度的去除率；低濃度水樣中小粒徑物質(zhì)和一些膠體物質(zhì)對(duì)濁度貢獻(xiàn)較大，這些物質(zhì)主要靠活性炭的吸附作用去除，而活性炭吸附作用不能完全去除這些物質(zhì)，所以去除率相對(duì)較低．

由水樣 1的處理效果可知：當(dāng) HRT為 12,min時(shí)，出水濁度為 3.11,NTU，所以對(duì)于低濃度污水只要保持 HRT足夠長(zhǎng)，出水濁度就能小于 5,NTU，完全能達(dá)到GB/T 18920—2002《城市污水再生利用·城市雜用水水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)中濁度小于5,NTU的要求．對(duì)于較高濃度泥漿水濁度的去除率可以達(dá)到 88.89%，說(shuō)明此設(shè)備也適用于鉆井泥漿等高濃度泥漿水的處理．

由圖9可以看出：HRT對(duì)COD的影響和對(duì)濁度的影響基本一致，HRT越長(zhǎng)，處理效果越好，去除率越高，反之亦然．當(dāng) HRT為 12,min時(shí)，對(duì)水樣 1、水樣 2、水樣 3的 COD去除率可以分別達(dá)到 80.00%、83.48%和 79.71%．還可以看出：水樣變化對(duì) COD的去除率的影響相對(duì)較小，這可能是因?yàn)樗畼又械腃OD主要是由溶解性的有機(jī)物造成的，而這些物質(zhì)不能通過(guò)活性炭截留作用進(jìn)行去除，只能通過(guò)活性炭吸附進(jìn)行去除．

新型顆粒移動(dòng)床連續(xù)過(guò)濾裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作，而且還可以通過(guò)改變過(guò)濾介質(zhì)實(shí)現(xiàn)不同的分離效果，這一點(diǎn)也是本研究今后的重要內(nèi)容之一．

3 結(jié) 論

(1)新型顆粒移動(dòng)床連續(xù)過(guò)濾裝置能連續(xù)運(yùn)行，無(wú)需停機(jī)反沖洗和備用設(shè)備，減少投資和占地面積．

(2)進(jìn)氣速率決定了濾層更新速率和濾料循環(huán)周期，清洗水速率決定了反沖洗的效果和三相分離的穩(wěn)定性，新型顆粒移動(dòng)床連續(xù)過(guò)濾裝置氣水比適宜的操作范圍為7～12．

(3)固定床過(guò)濾一段時(shí)間后就容易被穿透而失去吸附能力，新型的顆粒移動(dòng)床過(guò)濾裝置能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)濾和反沖洗同時(shí)進(jìn)行，保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的處理效果，具有很高的抗沖擊性．

(4)新型顆粒移動(dòng)床連續(xù)過(guò)濾裝置能夠?qū)崿F(xiàn)濾料的“反粒徑”分布．

(5)新型顆粒移動(dòng)床連續(xù)過(guò)濾裝置對(duì) SS、COD和濁度具有很好的去除效果，通過(guò)調(diào)節(jié) HRT可以達(dá)到不同的出水水質(zhì)．

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