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        新型顆粒移動(dòng)床連續(xù)過濾裝置的特性研究

        2014-05-08 11:52:06王靜義賈青竹吳長春
        關(guān)鍵詞:濾層固定床濾料

        王 昶,王靜義,賈青竹,吳長春

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

        過濾是化學(xué)工業(yè)中常見的液固分離過程,也廣泛用于水處理過程,利用介質(zhì)濾除水中雜質(zhì).由于傳統(tǒng)固定床過濾需要停機(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],即使近年國內(nèi)外研發(fā)了幾種自動(dòng)反沖洗過濾器[2-5],仍存在過程不連續(xù)和占地面積大等問題[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,開發(fā)一種節(jié)能、操作便捷的連續(xù)過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)的過濾模式,開發(fā)了一種新型顆粒移動(dòng)床連續(xù)過濾裝置,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、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)入過濾器,沿著水平方向流動(dòng),水中顆粒物和膠體污染物通過過濾介質(zhì)的吸附和截留作用而被分離,過濾后的水由出水口排出.在過濾的同時(shí),也進(jìn)行著反沖洗過程,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、液體流速以及過濾介質(zhì)上升速度不同的條件下,吸附在過濾介質(zhì)上的污染物就被洗滌下來,一同進(jìn)入上部的三相分離器.從上部三相分離器下來的過濾介質(zhì)因位置偏離中心,沉降下來的濾料介質(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),通過控制面板可以調(diào)節(jié)流速、保持過濾器恒定液位.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

        過濾介質(zhì)可以是石英砂、樹脂、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)見表 1(其中化學(xué)需氧量(COD)采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法重鉻酸鉀法進(jìn)行測定).

        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)過濾裝置性能的一個(gè)重要指標(biāo).通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣速率和清洗水速率來控制氣提速率,測定單位時(shí)間內(nèi)活性炭的提升量來計(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總為過濾器中濾料的總體積.通過測定得到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).通過測定和計(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.

        過濾器對(duì) SS有非常好的處理效果,出水 SS沒有檢出.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,出水水質(zhì)越來越差,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^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,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?,所以仍然能去除一些較大的固體顆粒,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)床一開始也會(huì)出現(xiàn)和固定床出水相似的趨勢,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)通過脫附作用被及時(shí)排除,通過這樣一個(gè)傳質(zhì)過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,稱為“反粒徑”分布.“反粒徑”過濾相當(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,通過改變流量來調(diào)節(jié)HRT,HRT在 2.3~12.0,min.待流速固定 1,h后測定出水的 SS和 COD,3種水樣測定方法相同,測定結(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,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,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,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)不能通過活性炭截留作用進(jìn)行去除,只能通過活性炭吸附進(jìn)行去除.

        新型顆粒移動(dòng)床連續(xù)過濾裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作,而且還可以通過改變過濾介質(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)過濾裝置能連續(xù)運(yùn)行,無需停機(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)過濾裝置氣水比適宜的操作范圍為7~12.

        (3)固定床過濾一段時(shí)間后就容易被穿透而失去吸附能力,新型的顆粒移動(dòng)床過濾裝置能夠?qū)崿F(xiàn)過濾和反沖洗同時(shí)進(jìn)行,保持長期穩(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)過濾裝置對(duì) SS、COD和濁度具有很好的去除效果,通過調(diào)節(jié) HRT可以達(dá)到不同的出水水質(zhì).

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