新型纖維過濾器的過濾參數(shù)優(yōu)化及濾層特征研究

劉 坤，周寧玉*，謝朝新，牟 彪，黃澤明，艾毅寧

(1.后勤工程學(xué)院國防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系，重慶 401311； 2.西寧保障中心成都房管局工程監(jiān)督站，四川 成都 610041)

新型纖維過濾器的過濾參數(shù)優(yōu)化及濾層特征研究

劉 坤1，周寧玉1*，謝朝新1，牟 彪1，黃澤明1，艾毅寧2

(1.后勤工程學(xué)院國防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系，重慶 401311； 2.西寧保障中心成都房管局工程監(jiān)督站，四川 成都 610041)

研發(fā)了一種新型高效纖維束過濾器,以過濾出水濁度、過濾周期和過濾能力指數(shù)為綜合評價指標(biāo)，考察了濾床密度、濾速和聚合氯化鋁(PAC)投加量對過濾出水濁度的影響，并探究了在最佳運行參數(shù)條件下不同濾層深度出水濁度隨時間的變化。結(jié)果表明，新型纖維過濾器的最佳運行參數(shù)為：濾床密度62.86 kg·m-3，濾速30.0 m·h-1，PAC投加量40 mg·L-1，在該運行模式下平均過濾出水濁度低于0.01 NTU，過濾周期260 min，周期產(chǎn)水量5 200 L。濁度的去除主要通過200～500 mm濾層，該段濾層濁度下降最快，濁度去除率85%左右，而600～700 mm段濾層經(jīng)壓縮后孔隙尺寸極小，起到了良好的濁度保護作用，最終過濾出水濁度均保持在了0.1 NTU以下。

纖維過濾器；過濾參數(shù)優(yōu)化；濾層特征

由于傳統(tǒng)粒狀濾料過濾受粒徑、級配等因素的限制，存在濾速低、占地面積大、過濾精度低、反沖洗不徹底等諸多問題。與傳統(tǒng)的粒狀濾料過濾技術(shù)相比，高效纖維過濾技術(shù)展現(xiàn)出極大優(yōu)勢。高效纖維過濾具有對水阻力小、過濾速度快、截污容量大等特點，為深層過濾技術(shù)的發(fā)展帶來了質(zhì)的飛躍[1-3]。纖維濾料具有質(zhì)地軟、強度高、體輕、質(zhì)柔、易于壓縮的特點，在一定壓力條件下，可形成孔隙尺寸沿過濾方向逐漸減小的理想濾床。

基于纖維濾料的上述特點，國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計研發(fā)了多種不同形式的纖維過濾器。具有代表性的成果有前蘇聯(lián)的濾層高度可調(diào)型纖維過濾器、日本的纖維球過濾器、瑞典的刷形纖維過濾器、韓國的扭扭舞型過濾器和中國的膠囊式纖維過濾器、無囊式纖維過濾器等[4-7]。

上述纖維過濾器按壓縮方式可分為水力壓縮和機械壓縮。水力壓縮式纖維過濾器主要依靠水流產(chǎn)生壓力，實現(xiàn)對濾床的壓縮，并且隨著過濾的進行水頭損失逐漸增大，所產(chǎn)生的壓力越大，濾床的壓縮程度逐漸提高，過濾出水水質(zhì)也逐漸提高。水力壓縮式纖維過濾器具有結(jié)構(gòu)簡單、清洗方便等優(yōu)點，但由于水力壓縮產(chǎn)生的壓力過小，導(dǎo)致過濾初期出水水質(zhì)較差、整體過濾精度低[8-10]。針對此問題，發(fā)展了機械壓縮式纖維過濾器，這種纖維過濾器通過機械壓縮機構(gòu)和一個與之相連的活動的濾板沿過濾方向?qū)V床進行壓縮，整體壓縮程度比水力壓縮的要高，但由于是沿著過濾方向進行壓縮，導(dǎo)致濾床底部保護層的壓縮程度低，孔隙尺寸偏大，不能保證良好的過濾精度[11-12]。

針對上述纖維過濾器存在的問題，作者研發(fā)了一種逆過濾方向壓縮的新型纖維過濾器，過濾方式為下向流，采用氣壓缸和活動濾板由下至上對濾床進行壓縮，構(gòu)建孔隙尺寸沿過濾方向逐漸減小的理想濾床，并對新型纖維過濾器的濾床密度、濾速、聚合氯化鋁(PAC)投加量等3個運行參數(shù)進行優(yōu)化。

1 實驗

1.1 材料

實驗原水采用高嶺土原水，水質(zhì)為：濁度295～305 NTU，溫度35.5～42.8 °C，pH值7.13～8.12。

聚合氯化鋁(PAC，固體產(chǎn)品，含量32%，堿化度65%)，內(nèi)蒙古天之驕高嶺土有限公司。

1.2 實驗裝置及流程(圖1)

圖1 實驗裝置及流程

過濾裝置：過濾柱為用304不銹鋼材料制成的罐體，底面為邊長200 mm的正方形、高1 360 mm；濾料組件為長1 000 mm、直徑30μm的聚丙烯纖維束，其上端和下端分別固定于上濾板和下濾板；壓縮機由空壓機和一組由3個氣壓缸串聯(lián)成的三行程的氣壓缸組成，可實現(xiàn)不同濾床密度的調(diào)節(jié)。

原水經(jīng)過管道混合器時，由計量泵將PAC溶液注入管道混合器，原水和PAC溶液經(jīng)過初步混合后進入高效纖維過濾器,再經(jīng)過上濾板上的配水孔進入濾層過濾，過濾出水再經(jīng)過濾集水裝置后進入凈化水箱。

當(dāng)過濾出水濁度超過0.5 NTU時，過濾實驗即結(jié)束并進行反沖洗。采用氣-水聯(lián)合反沖洗，水洗強度8 L·s-1·m-2，氣洗強度30 L·s-1·m-2。

1.3 方法

1.3.1 纖維過濾器操作方式

過濾時，打開空壓機向氣缸正向充入一定體積的壓縮空氣，氣缸活動桿向上推動下濾板沿過濾反方向?qū)V層施加壓縮力，使濾層壓縮至一定高度，從而使濾層的過濾孔隙尺寸從上到下遞減分布，形成理想濾層。清洗時，打開空壓機向氣缸反向充入一定體積的壓縮空氣，使纖維束得以疏松，采用壓縮空氣和反沖洗水進行氣-水聯(lián)合沖洗。

現(xiàn)場中試試驗采用壓力式過濾，下向流直接過濾的方法。濾速范圍15.0～37.5 m·h-1，過濾水量600～1 500 L·h-1。濾速和反沖洗水強度由LZM-25G型管道式浮子流量計調(diào)控；反沖洗氣強度由VA10S-150型氣體轉(zhuǎn)子流量計調(diào)控。

1.3.2 評價指標(biāo)

(1)濁度：采用2100N型濁度儀測定。從距濾料下端高100 mm處起，在濾柱上間隔100 mm設(shè)置取樣孔，將濾層分為10段，取樣孔用于測定不同時刻、不同深度處的出水濁度，用以研究濾層的除濁性能。

(2)過濾能力指數(shù)：采用過濾能力指數(shù)評價纖維過濾器的綜合性能，過濾能力指數(shù)反映了過濾周期內(nèi)過濾器的截污能力，表示為：過濾進出水濁度差(即截留濁度)與周期產(chǎn)水量的乘積。

過濾能力指數(shù)=(C0-C)×v×t

式中：C0為過濾周期內(nèi)平均進水濁度；C為過濾周期內(nèi)平均出水濁度；v為過濾周期內(nèi)平均濾速；t為過濾周期。

1.3.3 實驗方案設(shè)計

纖維過濾出水水質(zhì)和過濾周期主要受濾床密度、濾速和PAC投加量等3個因素的影響，每個因素的變化都會對整個過濾體系產(chǎn)生影響。采用單因素實驗優(yōu)化每個因素的最佳水平。

固定濾速為30.0 m·h-1、PAC投加量為35 mg·L-1，考察濾床密度對出水水質(zhì)和過濾器性能的影響。

固定濾床密度為62.86 kg·m-3、PAC投加量為35 mg·L-1，考察濾速對出水水質(zhì)和過濾器性能的影響。

固定濾床密度為62.86 kg·m-3、濾速為30.0 m·h-1，考察PAC投加量對出水水質(zhì)和過濾器性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗結(jié)果(表1)

2.2 濾床密度對出水水質(zhì)和過濾器性能的影響

通過3個不同行程(100 mm，200 mm，300 mm)的串聯(lián)組合氣壓缸分別對初始濾床密度為44.00 kg·m-3的濾床進行壓縮，壓縮后濾床密度分別為48.89 kg·m-3、55.00 kg·m-3、62.86 kg·m-3。不同濾床密度對新型纖維過濾器的濁度去除效果如圖2所示。

由圖2和表1可知，濾床經(jīng)過壓縮后其平均出水濁度均保持在0.1 NTU以下，而未經(jīng)壓縮的濾床平均出水濁度為0.319 NTU。

表1 纖維過濾器單因素實驗結(jié)果

Tab.1 Results of single factor experiment of fiber filter

濾床密度kg·m-3濾速m·h-1PAC投加量mg·L-1平均出水濁度NTU過濾周期min過濾能力指數(shù)44．0030．0350．3195801198448．8930．0350．09401652474255．0030．0350．08542252699262．8630．0350．09342303823862．8615．0350．07543452586862．8622．5350．09622703036562．8630．0350．08492303448762．8637．5350．23001502810362．8630．0300．08062203299462．8630．0350．08002403599062．8630．0400．07982503749362．8630．0450．077324536740

圖2 不同濾床密度的濁度去除效果

由表1可知，過濾周期隨濾床密度的增大逐漸延長，未經(jīng)壓縮的濾床其過濾周期僅為80 min，濾床密度為62.86 kg·m-3的濾床其過濾周期則達到了230 min。過濾能力指數(shù)隨濾床密度的增大而增大。綜合考慮，確定最佳濾床密度為62.86 kg·m-3。

傳統(tǒng)的顆粒過濾要實現(xiàn)變孔徑過濾需要采用不同級配與密度的濾料，但由于其顆粒粒徑無法進一步縮小，不能實現(xiàn)理想的深層過濾。而該新型纖維過濾器采用由直徑為30μm的纖維絲組合而成的纖維束為濾料，其比表面積大且表面自由能高。經(jīng)過適當(dāng)逆向壓縮后的纖維濾床，形成了孔隙尺寸沿過濾方向逐漸減小的理想濾層。一方面增大了濾床的納污量使得過濾周期延長，另一方面可以大大增加底部的密實程度，保證了過濾精度。

2.3 濾速對出水水質(zhì)和過濾器性能的影響

濾速是影響過濾出水水質(zhì)最重要的因素之一，在纖維過濾中濾速不僅影響過濾周期和原水在濾層中的水力停留時間，并且隨著濾速的增大，水流所產(chǎn)生的剪切力增大，同時濾速也可以配合機械壓縮裝置對濾床實現(xiàn)進一步的壓縮形成理想濾床。濾速對新型纖維過濾器的濁度去除效果如圖3所示。

圖3 不同濾速的濁度去除效果

由圖3和表1可知，當(dāng)濾速小于或等于30.0 m·h-1時，隨著濾速的增大，平均出水濁度變化不明顯，均保持在0.1 NTU以下；但當(dāng)濾速達到37.5 m·h-1，平均出水濁度增大，達到0.23 NTU。

由表1可知，隨著濾速的增大，過濾周期逐漸縮短，當(dāng)濾速為15.0 m·h-1時，過濾周期最長，為345 min；當(dāng)濾速為37.5 m·h-1時，過濾周期最短，為150 min。隨著濾速的增大，過濾能力指數(shù)先增大后減小，在濾速為30.0 m·h-1時，過濾能力指數(shù)最大；在濾速為37.5 m·h-1時，過濾能力指數(shù)反而減小。綜合考慮，確定最佳濾速為30.0 m·h-1。

2.4 PAC投加量對出水水質(zhì)和過濾器性能的影響

采用投加PAC直接過濾方式，投藥量決定絮體的結(jié)構(gòu)及大小，直接影響著過濾性能。PAC投加量對新型纖維過濾器的濁度去除效果如圖4所示。

圖4 不同PAC投加量的濁度去除效果

由圖4和表1可知，隨著PAC投加量的增加，平均出水濁度逐漸降低，且均低于0.1 NTU；當(dāng)PAC投加量為45 mg·L-1時，平均出水濁度最低，為0.077 NTU。

由表1可知，隨著PAC投加量的增加，過濾周期先延長后縮短，當(dāng)PAC投加量為40 mg·L-1時，過濾周期最長，為250 min；當(dāng)PAC投加量增加到45 mg·L-1時，過濾周期為245 min。隨著PAC投加量的增加，過濾能力指數(shù)逐漸增大，PAC投加量超過40 mg·L-1后，過濾能力指數(shù)略有減小。綜合考慮，確定最佳PAC投加量為40 mg·L-1。

2.5 最佳運行參數(shù)條件下不同濾層深度對出水濁度的影響

纖維束濾料具有大的比表面積，體輕質(zhì)柔，具有良好的壓縮性能，本裝置通過逆過濾方向壓縮纖維濾層，使得濾層孔隙尺寸沿過濾方向呈指數(shù)型減小，形成理想濾層，大大降低了底部保護層的孔隙尺寸。在濾床密度為62.86 kg·m-3、濾速為30.0 m·h-1、PAC投加量為40 mg·L-1的最佳運行條件下，濾床進出水濁度變化和不同濾層深度出水濁度隨濾池運行時間的變化如圖5、圖6所示。

圖5 高效纖維過濾器的濁度去除效果

圖6 不同濾層深度的濁度去除效果

由圖5可知，在最佳運行條件下平均出水濁度低于0.01 NTU，過濾周期260 min，周期產(chǎn)水量5 200 L。

由圖6可知，出水濁度的去除主要是依賴于200～500 mm段濾層，在該段濾層出水濁度下降最快，出水濁度的去除率在85%左右；隨著過濾的進行，每層過濾出水濁度均有所上升，但最終出水濁度均保持在了0.1 NTU以下，表明600～700 mm段濾層經(jīng)壓縮后孔隙尺寸極小，起到了良好的濁度保護作用，保證了過濾精度。

3 結(jié)論

研發(fā)了一種逆過濾方向壓縮的新型高效纖維過濾器，過濾方式為下向流，采用氣壓缸和活動濾板由下至上對濾床進行壓縮，構(gòu)建孔隙尺寸沿過濾方向逐漸減小的理想濾床，對其運行參數(shù)進行了優(yōu)化，并對不同濾層深度的除濁特性進行了研究。

(1)新型纖維過濾器的濾床密度增大，平均出水濁度先減小后增大，過濾周期逐漸延長；在一定濾速范圍內(nèi)，隨濾速的增大，平均出水濁度逐漸升高，過濾周期縮短；隨著PAC投加量的增大，平均出水濁度逐漸減小，過濾周期延長。

(2)新型纖維過濾器的最佳運行參數(shù)為：濾床密度62.86 kg·m-3，濾速30.0 m·h-1，PAC投加量40 mg·L-1。在此條件下，平均出水濁度低于0.01 NTU，過濾周期260 min，周期產(chǎn)水量5 200 L。

(3)纖維束濾床孔隙尺寸分布合理，形成理想濾層，在過濾中整個濾層都能充分發(fā)揮納污作用。出水濁度的去除主要通過200～500 mm濾層，該段濾層出水濁度的去除率在85%左右,出水濁度下降最快；而600～700 mm段濾層經(jīng)壓縮后孔隙尺寸極小，起到了良好的濁度保護作用，最終出水濁度均保持在0.1 NTU以下。

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Filter Parameter Optimization and Filter Layer Characteristic of New Type Fiber Filter

LIU Kun1，ZHOU Ning-yu1*，XIE Chao-xin1，MOU Biao1，HUANG Ze-ming1，AI Yi-ning2

(1.DepartmentofDefenceArchitecturePlanningandEnvironmentEngineering,LogisticalEngineeringUniversity，Chongqing401311,China;2.TheEngineeringSupervisionStationofXiningServiceCentreChengduHousingAuthority,Chengdu610041,China)

Anewtypeofefficientfiberbundlefilterwasdevelopedinthispaper.Usingthefiltereffluentturbidity，filtrationcycleandfiltercapacityindexascomprehensiveevaluationindexestoinvestigatetheeffectsoffilterbeddensity，filtrationrateandthePACdosageonthefiltereffluentturbidity，theeffluentturbidityofdifferentfilterlayerdepthschangingovertimewasemployed.Theresultsshowedthat，theoptimumrunningparameterswereasfollows:filterbeddensity62.86kg·m-3，filtrationrate30.0m·h-1andPACdosage40mg·L-1.Underaboveconditions，theaveragefiltereffluentturbiditywasbelow0.01NTU，filtrationcyclewas260min，cyclewaterproductionwas5 200L.Theeffluentturbidityremovalmainlydependedonthe200～500mmfilterlayer，turbidityremovalratewasabout85%，andturbiditydecreasedmostfastinthisperiod.But600～700mmfilterlayerplayedagoodturbidityprotectionaftercompressiontinyporesize，andthefinalfiltereffluentturbidityarebelow0.1NTU.

fiberfilter;filterparametersoptimization;filtercharacteristics

2016-10-18

劉坤(1992-)，男，湖南長沙人，碩士研究生，研究方向：軍事給排水技術(shù)與裝備，E-mail:13883133840@163.com；

周寧玉，副教授，E-mail:415525869@qq.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.03.014

TQ085.41

A

1672-5425(2017)03-0057-05

劉坤，周寧玉，謝朝新，等.新型纖維過濾器的過濾參數(shù)優(yōu)化及濾層特征研究[J].化學(xué)與生物工程，2017，34(3)：57-61.