可调式纤维过滤装置的试验研究

胡海修 谢从波 杨向阳 姚吉伦 赵广健 吴恬 胡蓉 刘晓东

　　摘要：本文阐述了可调式纤维滤料过滤装置的试验研究。试验研究表明纤维滤料具有优越的过滤性能，能有效地提高滤速、出水水质，减轻设备重量，特别适用于中小型水处理装置。

　　我国水源大多受到不同程度的污染。军队后勤保障、抢险救灾、野外作业都需要移动式水处理装置。过滤工艺是其关键设备。研制重量轻、过滤效果好、截污量大的滤料及过滤技术是水处理研究的重要课题。
　　纤维滤料，化学稳定好、强度高、密度小。表面丝状结构形成网形分布，具有可压缩性。纤维滤料孔隙分布比较均匀，能较好克服表面堵塞，具有滤速高、过滤周期长、水头损失增长慢等优点。当今给水处理装置日益得到发展，可调式纤维滤料过滤技术与装置是一种有广泛应用前景的水处理装置。

1. 试验装置与流程

1.1试验装置
　　试验滤柱高1600mm，直径Ф300mm，纤维长度800mm。底部配水室高400mm，顶盖内设有布水板，使进水在过滤器内均匀分布；试验原水加混凝剂搅拌混合后进入过滤器过滤，溢流高度为4m，滤速由过滤水阀门进行调节。
　　流程如图1所示。

1.2水样配置
　　试验原水采用人工配制，模拟沉淀池出水，浊度为10～20NTU。
1.3滤料、混凝剂
　　采用纤维束滤料，纤维丝径2.5μm，纤维滤床松散高度为1000mm，纤维密度0.628g/cm³。
　　采用聚合氯化铝作为混凝剂，加药量为0.4～0.9mg/L。

2.试验结果与讨论

　　对可调式纤维滤料过滤技术性能进行了近一年的运行测试。研究表明，其去除原水浊度效果显著，滤速14.29m/h，出水量242.93m³/m²，周期为17h，反冲洗耗水量2.79m³/m²，占过滤水量的1.2%。（见图2～4）

2.1孔隙率
　　滤料层各局部的空隙率与滤料颗粒的排列状况关系密切。石英砂局限于硬质球状颗粒，因而孔隙率在26%-47.6%之间；纤维滤料空隙率主要由纤维直径来决定，为线状立体排列模型所构成的空隙分布。^[1]另外，纤维孔隙率与其弹性膨胀系数有关，其特有的伸缩性能使纤维滤料在过滤过程中能随水头损失的变化自动调整内部孔隙率，形成类似均粒滤床的性质，维持一种动态均衡。纤维束初装自然塌落的孔隙率为87.5%，根据试验情况选择三种孔隙率：84.8%、80.2%、78.4%，并由滤床孔隙率调节器调节实现。
2.2过滤周期
　　由于纤维滤料的可压缩性良好，形成上下层孔隙较为均匀，充分发挥了滤料层的截污功能，使过滤周期相应得到延长。实践证明，下向流过滤截留悬浮物质主要发生在滤料上层部分。在悬浮物随原水由上向下运动中，由于拦截、沉淀、吸附、惯性、扩散和水动力等作用，被粘附在滤料表面上。首先与顶层滤料接触，积沉在表层滤料中，在粘附同时还存在由于孔隙中水流剪力作用而导致悬浮物脱落，悬浮物进入深层滤床部分。常规石英砂滤料反冲洗后下层滤料粒径相对较大，表层滤料粒径较小，表层滤料截留悬浮物后，过滤水头损失绝大部分发生在滤床的上层，下层滤料发挥作用不充分。纤维束滤料经压缩调节所形成的孔隙呈网络状分布，有利于表面截留悬浮物继续向下渗透。
　　试验表明，在纤维滤料中，结构疏松，下层与上层滤料孔隙率接近，，悬浮物容易进入深床部分，水头损失增长较缓慢，因而过滤的周期得到延长。纤维滤料的过滤周期与压缩比有关，当孔隙率大于80%时，纤维过滤进程的终止是以滤层穿透致使浊度超标（2NTU）为控制指标；而当孔隙率在80%以下时，过滤中水头损失明显增加，以滤后水头损失达到了设计值停止运行时间。纤维滤料可调节最佳压缩比，当孔隙率80-84%时过滤周期最长，既不会过早突破浊度阈，也不会引起水头损失的快速增长，引起表面堵塞、水头损失增长率较高的现象，可形成良好的滤床截污能力。
2.3过滤水头损失
　　在过滤过程中，滤层水头损失是不断变化的。影响过滤水头损失的因素很多，如水质、温度、滤速、孔隙率、滤料级配和颗粒形状、悬浮物性质等。一般采用渗透曳力理论计算纤维滤料类高孔隙率滤床的过滤水头损失。将“拖曳”障碍物看作纤维状，作用在“纤维”上的力F等于三个相互垂直方向上作用力的简单加和或线性叠加。^[2]若原水条件（如浊度、悬浮物尺寸等）不变，滤料水头损失可用Darcy定律关系式计算：

　　dP/dL=μu/K