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(guó)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(guò)濾器的過(guò)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(guó)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(guò)濾器,以過(guò)濾出水濁度、過(guò)濾周期和過(guò)濾能力指數(shù)為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察了濾床密度、濾速和聚合氯化鋁(PAC)投加量對(duì)過(guò)濾出水濁度的影響，并探究了在最佳運(yùn)行參數(shù)條件下不同濾層深度出水濁度隨時(shí)間的變化。結(jié)果表明，新型纖維過(guò)濾器的最佳運(yùn)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(yùn)行模式下平均過(guò)濾出水濁度低于0.01 NTU，過(guò)濾周期260 min，周期產(chǎn)水量5 200 L。濁度的去除主要通過(guò)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(hù)作用，最終過(guò)濾出水濁度均保持在了0.1 NTU以下。

纖維過(guò)濾器；過(guò)濾參數(shù)優(yōu)化；濾層特征

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

基于纖維濾料的上述特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)研發(fā)了多種不同形式的纖維過(guò)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(guò)濾器、日本的纖維球過(guò)濾器、瑞典的刷形纖維過(guò)濾器、韓國(guó)的扭扭舞型過(guò)濾器和中國(guó)的膠囊式纖維過(guò)濾器、無(wú)囊式纖維過(guò)濾器等[4-7]。

上述纖維過(guò)濾器按壓縮方式可分為水力壓縮和機(jī)械壓縮。水力壓縮式纖維過(guò)濾器主要依靠水流產(chǎn)生壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾床的壓縮，并且隨著過(guò)濾的進(jìn)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(guò)濾出水水質(zhì)也逐漸提高。水力壓縮式纖維過(guò)濾器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清洗方便等優(yōu)點(diǎn)，但由于水力壓縮產(chǎn)生的壓力過(guò)小，導(dǎo)致過(guò)濾初期出水水質(zhì)較差、整體過(guò)濾精度低[8-10]。針對(duì)此問(wèn)題，發(fā)展了機(jī)械壓縮式纖維過(guò)濾器，這種纖維過(guò)濾器通過(guò)機(jī)械壓縮機(jī)構(gòu)和一個(gè)與之相連的活動(dòng)的濾板沿過(guò)濾方向?qū)V床進(jìn)行壓縮，整體壓縮程度比水力壓縮的要高，但由于是沿著過(guò)濾方向進(jìn)行壓縮，導(dǎo)致濾床底部保護(hù)層的壓縮程度低，孔隙尺寸偏大，不能保證良好的過(guò)濾精度[11-12]。

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

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置及流程(圖1)

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

過(guò)濾裝置：過(guò)濾柱為用304不銹鋼材料制成的罐體，底面為邊長(zhǎng)200 mm的正方形、高1 360 mm；濾料組件為長(zhǎng)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(jī)由空壓機(jī)和一組由3個(gè)氣壓缸串聯(lián)成的三行程的氣壓缸組成，可實(shí)現(xiàn)不同濾床密度的調(diào)節(jié)。

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

當(dāng)過(guò)濾出水濁度超過(guò)0.5 NTU時(shí)，過(guò)濾實(shí)驗(yàn)即結(jié)束并進(jìn)行反沖洗。采用氣-水聯(lián)合反沖洗，水洗強(qiáng)度8 L·s-1·m-2，氣洗強(qiáng)度30 L·s-1·m-2。

1.3 方法

1.3.1 纖維過(guò)濾器操作方式

過(guò)濾時(shí)，打開(kāi)空壓機(jī)向氣缸正向充入一定體積的壓縮空氣，氣缸活動(dòng)桿向上推動(dòng)下濾板沿過(guò)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(guò)濾孔隙尺寸從上到下遞減分布，形成理想濾層。清洗時(shí)，打開(kāi)空壓機(jī)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(jìn)行氣-水聯(lián)合沖洗。

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

1.3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)濁度：采用2100N型濁度儀測(cè)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(cè)定不同時(shí)刻、不同深度處的出水濁度，用以研究濾層的除濁性能。

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

過(guò)濾能力指數(shù)=(C0-C)×v×t

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

1.3.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

纖維過(guò)濾出水水質(zhì)和過(guò)濾周期主要受濾床密度、濾速和PAC投加量等3個(gè)因素的影響，每個(gè)因素的變化都會(huì)對(duì)整個(gè)過(guò)濾體系產(chǎn)生影響。采用單因素實(shí)驗(yàn)優(yōu)化每個(gè)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(duì)出水水質(zhì)和過(guò)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(duì)出水水質(zhì)和過(guò)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(duì)出水水質(zhì)和過(guò)濾器性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表1)

2.2 濾床密度對(duì)出水水質(zhì)和過(guò)濾器性能的影響

通過(guò)3個(gè)不同行程(100 mm，200 mm，300 mm)的串聯(lián)組合氣壓缸分別對(duì)初始濾床密度為44.00 kg·m-3的濾床進(jìn)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(duì)新型纖維過(guò)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(guò)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(guò)濾器單因素實(shí)驗(yàn)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(guò)濾周期min過(guò)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(guò)濾周期隨濾床密度的增大逐漸延長(zhǎng)，未經(jīng)壓縮的濾床其過(guò)濾周期僅為80 min，濾床密度為62.86 kg·m-3的濾床其過(guò)濾周期則達(dá)到了230 min。過(guò)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(guò)濾要實(shí)現(xiàn)變孔徑過(guò)濾需要采用不同級(jí)配與密度的濾料，但由于其顆粒粒徑無(wú)法進(jìn)一步縮小，不能實(shí)現(xiàn)理想的深層過(guò)濾。而該新型纖維過(guò)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(guò)適當(dāng)逆向壓縮后的纖維濾床，形成了孔隙尺寸沿過(guò)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(guò)濾周期延長(zhǎng)，另一方面可以大大增加底部的密實(shí)程度，保證了過(guò)濾精度。

2.3 濾速對(duì)出水水質(zhì)和過(guò)濾器性能的影響

濾速是影響過(guò)濾出水水質(zhì)最重要的因素之一，在纖維過(guò)濾中濾速不僅影響過(guò)濾周期和原水在濾層中的水力停留時(shí)間，并且隨著濾速的增大，水流所產(chǎn)生的剪切力增大，同時(shí)濾速也可以配合機(jī)械壓縮裝置對(duì)濾床實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的壓縮形成理想濾床。濾速對(duì)新型纖維過(guò)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(shí)，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(dá)到37.5 m·h-1，平均出水濁度增大，達(dá)到0.23 NTU。

由表1可知，隨著濾速的增大，過(guò)濾周期逐漸縮短，當(dāng)濾速為15.0 m·h-1時(shí)，過(guò)濾周期最長(zhǎng)，為345 min；當(dāng)濾速為37.5 m·h-1時(shí)，過(guò)濾周期最短，為150 min。隨著濾速的增大，過(guò)濾能力指數(shù)先增大后減小，在濾速為30.0 m·h-1時(shí)，過(guò)濾能力指數(shù)最大；在濾速為37.5 m·h-1時(shí)，過(guò)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(duì)出水水質(zhì)和過(guò)濾器性能的影響

采用投加PAC直接過(guò)濾方式，投藥量決定絮體的結(jié)構(gòu)及大小，直接影響著過(guò)濾性能。PAC投加量對(duì)新型纖維過(guò)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(shí)，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(guò)濾周期先延長(zhǎng)后縮短，當(dāng)PAC投加量為40 mg·L-1時(shí)，過(guò)濾周期最長(zhǎng)，為250 min；當(dāng)PAC投加量增加到45 mg·L-1時(shí)，過(guò)濾周期為245 min。隨著PAC投加量的增加，過(guò)濾能力指數(shù)逐漸增大，PAC投加量超過(guò)40 mg·L-1后，過(guò)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(yùn)行參數(shù)條件下不同濾層深度對(duì)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(guò)逆過(guò)濾方向壓縮纖維濾層，使得濾層孔隙尺寸沿過(guò)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(hù)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(yùn)行條件下，濾床進(jìn)出水濁度變化和不同濾層深度出水濁度隨濾池運(yùn)行時(shí)間的變化如圖5、圖6所示。

圖5 高效纖維過(guò)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(yùn)行條件下平均出水濁度低于0.01 NTU，過(guò)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(lài)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(guò)濾的進(jìn)行，每層過(guò)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(hù)作用，保證了過(guò)濾精度。

3 結(jié)論

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

(1)新型纖維過(guò)濾器的濾床密度增大，平均出水濁度先減小后增大，過(guò)濾周期逐漸延長(zhǎng)；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(guò)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(guò)濾周期延長(zhǎng)。

(2)新型纖維過(guò)濾器的最佳運(yùn)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(guò)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(guò)濾中整個(gè)濾層都能充分發(fā)揮納污作用。出水濁度的去除主要通過(guò)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(hù)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(zhǎng)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(guò)濾器的過(guò)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.