曹國憑，劉彥彬

（河北聯(lián)合大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山063009）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，給水需求量的日益增長，使給水工業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期。傳統(tǒng)給水處理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)石英砂過濾，因其自身的缺陷正制約著給水工業(yè)的發(fā)展。纖維濾料的出現(xiàn)，為過濾技術(shù)和給水工業(yè)帶來了新的生機(jī)。纖維過濾技術(shù)自上世紀(jì)80年代應(yīng)用于水處理領(lǐng)域以來，以其優(yōu)越的工作性能和良好的處理效果得到了迅速發(fā)展。

纖維是柔性絲狀過濾介質(zhì)，可以根據(jù)工藝特點(diǎn)采用束狀、捆狀、球狀或纏繞或織物狀等裝填方式。纖維性能穩(wěn)定，直徑為微米級，具有過濾精度高、水流阻力小等特點(diǎn)，近些年來，以纖維為濾料的過濾裝置發(fā)展很快，并且纖維過濾技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)給水、鋼鐵生產(chǎn)廢水、地下水除鐵除錳、含油廢水處理、循環(huán)水處理、醫(yī)學(xué)用水處理等方面得到了廣泛的應(yīng)用。本試驗(yàn)以短纖維為過濾材料構(gòu)建一種毯式過濾器，通過試驗(yàn)摸索出毯式纖維過濾的特性，討論其替代傳統(tǒng)工藝中沉淀池和石英砂濾池的可能性，在理論和實(shí)踐上為凈水工業(yè)提供一種實(shí)用可行的水處理濾料。

1 纖維過濾機(jī)理—深層過濾

纖維過濾的積泥形態(tài)的研究表明，當(dāng)水經(jīng)過纖維濾料時(shí)，水中挾帶的懸浮顆粒在一些物理因素如：攔截、慣性擴(kuò)散、沉降和流體動(dòng)力等作用下脫離水流流線，向?yàn)V料表面靠近，在靜電力、范德華力和物理化學(xué)吸附力的作用下，水中懸浮顆粒會(huì)粘附在濾料表面或粘附在已被吸附的顆粒表面，這稱之為表層過濾。但是濾料與懸浮顆粒之間的粘結(jié)并不牢靠，在水流的作用下，一部分已經(jīng)附著的顆粒從濾料上脫離下來，被水流帶入下一層濾料，重新被吸附截留，這稱之為深層過濾［1］。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)過濾器主體結(jié)構(gòu)采用外徑600mm、內(nèi)徑570mm、壁厚15mm、高1 040mm的有機(jī)玻璃桶，桶底和隔層采用10mm厚有機(jī)玻璃板。過濾器的內(nèi)截面面積為0.255m2，有效容積為255L，試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作一組（7個(gè)）圓臺形的過濾單元，并按梅花狀布置。如圖1所示。

圓臺支撐的尺寸：下底圓直徑為30mm，上底圓直徑為120mm，高187mm。濾毯采用一面針織一面植入短纖維的植毛密度加大的毛毯，濾毯敷在圓臺支撐的外側(cè)，纖維一側(cè)在外，濾毯裁成半徑為281mm、圓心角為93.2°的扇形單個(gè)圓臺的過濾面積為0.0 485m2，整個(gè)過濾器的過濾面積為0.3 395m2，與過濾器的內(nèi)截面面積之比為1.33。濾毯支撐用3mm粗的鐵絲彎成并刷清漆防銹。過濾單元設(shè)置成圓臺形意在在有限的容器或池體的橫截面積上能得到更大的實(shí)際過濾面積，從而在實(shí)際應(yīng)用中可以大大減少池體的占地面積。

在距過濾器桶底300mm處，設(shè)置一隔層，隔層上按梅花狀均布7個(gè)過濾單體，如圖2所示。隔層上開7個(gè)直徑130mm的圓孔，用來裝入過濾單體，并在每一個(gè)圓孔周圍開8個(gè)直徑為10mm的孔，8個(gè)圓孔均布，用來固定濾毯；濾毯壓環(huán)采用10mm厚的灰板，濾毯壓環(huán)內(nèi)徑130mm，外徑180mm，環(huán)上同樣開8個(gè)直徑為10mm的孔，8個(gè)圓孔均布，如圖2所示。

圖1 毯式過濾器

圖2 隔層

2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)研究以唐山市北郊凈水廠的絮凝出水為原水，以濁度作為懸浮固體含量指標(biāo)考察毯式過濾器對懸浮物的去除效果，通過研究不同濾速下過濾器的出水濁度探討其過濾性能。試驗(yàn)的工藝流程如圖3所示。

基本工作過程為：從絮凝池出水口通過虹吸的方式引絮凝后的水通過進(jìn)水調(diào)節(jié)閥（關(guān)閉反沖洗排水閥）進(jìn)入過濾器，水流自下而上透過濾毯進(jìn)行過濾，過濾后的水通過溢流堰流出，并進(jìn)入三角堰流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。待到出水水質(zhì)不符合要求時(shí)進(jìn)行反沖洗。反沖洗時(shí)，關(guān)閉進(jìn)水閥，打開排水閥水流自上而下對濾毯進(jìn)行反沖洗，同時(shí)提升桿將濾毯底部提升至上部，而后再將底部緩緩下放，濾毯在此過程中會(huì)形成一個(gè)彎角，此處沖洗強(qiáng)度最大且纖維向外張開，便于截留在深層的污物被沖洗干凈，當(dāng)濾毯底部恢復(fù)原狀，反沖洗結(jié)束。反沖洗水由底部排泥管排出。

2.3 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)于2014年3月至2014年6月在唐山市北郊凈水廠進(jìn)行。過濾器的進(jìn)水濁度范圍為2－20NTU。濁度由WGZ－100型散射式光電濁度儀測定，試驗(yàn)流量測定采用三角堰流量計(jì)，三角形缺口夾角為60°。薄壁三角堰流量計(jì)算公式［2］為：

式中：Q—過堰流量，m3／s；

Ce—流量系數(shù)，60°三角堰Ce為0.577；

he—有效堰頂水頭，he＝h＋Kh；

h—實(shí)測堰頂水頭；

Kh—水頭修正值，θ＝60°，Kh＝1.2mm；

θ—三角形缺口夾角。

圖3 試驗(yàn)工藝流程圖

3 結(jié)果與討論

圖4和圖5分別為在20m／h和30m／h的濾速下出水濁度的變化情況。

試驗(yàn)表明在20m／h和30m／h的濾速下，毯式過濾器的出水濁度穩(wěn)定，均在1NTU以下，符合國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，且其抗進(jìn)水濁度波動(dòng)沖擊的能力較強(qiáng)，在進(jìn)水濁度突然成倍提高的情況下，仍有良好的出水水質(zhì)。過濾周期較長，均在48小時(shí)左右。但是在下雨過后水廠原水濁度提高，絮凝出水濁度相應(yīng)提高，水中懸浮物質(zhì)增多，濾毯納污容量較正常情況會(huì)提前飽和。并且，試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，絮凝池對原水的絮凝效果的好壞也對過濾器的過濾效果有一定程度的影響。

經(jīng)過分析認(rèn)為，致密均勻的纖維濾毯在水壓的作用下，纖維絲層層緊密壓縮，外層相對疏松而內(nèi)層在擠壓的作用下變得比較密實(shí)，這樣整體形成一個(gè)級配非常好的濾料，使得纖維濾毯在具有較高的孔隙率的同時(shí)水流的阻力較小，濾料的比表面積大大增加、吸附能力增強(qiáng)、截污納污容量也大大提高。隨著過濾的進(jìn)行，水流流過濾層時(shí)產(chǎn)生的阻力進(jìn)一步將濾層壓實(shí)，這不僅使濾層的孔隙分布更加符合理想濾料的多層結(jié)構(gòu)，還保證了出水水質(zhì)，使整個(gè)濾層的截污能力得以充分利用，從而使過濾器的過濾周期得以有效的延長。

由于過濾器采用水流從下往上的過濾方式，所以反沖洗選定為單獨(dú)水清洗，反沖洗水選用過濾器濾后出水，沖洗流量為10～13L／m2˙s，反沖洗時(shí)間為5min。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種沖洗方式能一定程度上將截留的懸浮物從濾毯內(nèi)沖洗出去，滿足反沖洗的基本要求，且反沖洗耗水量低。但沖洗效果仍然并不十分理想，所以接下來本試驗(yàn)將繼續(xù)進(jìn)行，尋找一種對濾毯反沖洗更優(yōu)的方法。

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)可知毯式纖維過濾器出水濁度穩(wěn)定，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749－2006）規(guī)定的濁度要求，且抗進(jìn)水濁度沖擊能力較強(qiáng)。具有纖維過濾設(shè)備由纖維自身特性所決定的的濾速高、過濾阻力小、納污量大、過濾周期長等優(yōu)點(diǎn)；但毯式過濾器還具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、纖維固定牢固有序、反沖洗水量低等優(yōu)勢，這為其替代傳統(tǒng)工藝中的沉淀池和砂濾池提供了理論基礎(chǔ)。毯式過濾器作為一種新型的過濾設(shè)備要想投入到實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)進(jìn)一步探究過濾機(jī)理及影響因素等補(bǔ)充理論，還需要在材料選擇、設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化、現(xiàn)場應(yīng)用等方面做更深入的開發(fā)、研究和完善，為其的實(shí)用化提供更可靠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

圖4 濁度隨時(shí)間的變化（濾速20m／h）

圖5 濁度隨時(shí)間的變化（濾速30m／h）

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