摘要：為了優(yōu)化工業(yè)級(jí)過濾器布流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及提高其過濾性能，運(yùn)用多孔介質(zhì)模型對(duì)纖維球過濾器的過濾性能進(jìn)行了分析，研究了布流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)過濾性能的影響，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出：對(duì)于直徑為1.5 m，軸徑比約為1的過濾器，優(yōu)化后吐水口直徑為15～20 mm，吐水口個(gè)數(shù)為10～12，過濾性能提高了約25%；當(dāng)濾料層壓降達(dá)到15 000 Pa時(shí)，濾速和出水水質(zhì)不滿足生產(chǎn)要求，需要對(duì)濾料層進(jìn)行反沖洗。濾床截污量分布越均勻，濾床徑向過濾阻力差異越小，濾床“密封性”越好，過濾器運(yùn)行越穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：纖維球?yàn)V床；工業(yè)級(jí)過濾器；布流系統(tǒng)優(yōu)化；過濾性能

中圖分類號(hào)： TU991.24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ADOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2024.03.0040引言

21世紀(jì)，在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和人們生活水平提高的同時(shí)，工業(yè)廢水、廢氣及城市生活污水的問題也日趨嚴(yán)峻，由此帶來的大量污水處理成為亟需解決的難題。纖維過濾器具有過濾速度快、過濾精度高、對(duì)水質(zhì)寬容度高等優(yōu)勢(shì)，在過濾行業(yè)占有重要的地位[1-3]。由于纖維過濾技術(shù)不僅能夠保證過濾效率，而且具有成本低、工藝方便等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纖維球過濾器做了大量研究工作。Hellen等[4]提出一種新的隨機(jī)模型產(chǎn)生方法，可以通過給定纖維的方向分布及彎曲度來產(chǎn)生緊密的非重疊纖維過濾介質(zhì)。Wang [5]、Lux[6-7]等通過對(duì)纖維濾料的顯微圖像進(jìn)行分析，研究了顆粒直徑對(duì)捕集效率，填充密度對(duì)氣相場(chǎng)壓力損失的影響，得到了孔隙率、纖維和氣孔的尺寸分布的各向異性等微觀結(jié)構(gòu)信息。杜小磊[8]發(fā)現(xiàn)滌綸改性纖維球機(jī)械過濾器過率效果正比于濾床高度和纖維球填充密度。劉輝、權(quán)潔、孟慶利等[9-11]研究了入口傾角、濾層厚度、孔隙率、濾速、入口速度等參數(shù)對(duì)過濾器的過濾性能的影響，得出壓力損失與濾速和厚度近似呈線性關(guān)系，并針對(duì)各自研究的過濾器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

目前，學(xué)者對(duì)過濾器的研究以新型纖維過濾材料[12-13]和軸徑比較大的過濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化[8，9-11]為主，對(duì)軸徑比相當(dāng)?shù)倪^濾器的過濾性能及反洗耗能的研究較少。而軸徑比相當(dāng)?shù)倪^濾器，濾床的截污量沿徑向分布差異與污水布流系統(tǒng)息息相關(guān)。本文將針對(duì)軸徑比相當(dāng)?shù)倪^濾器，采用CFD技術(shù)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)影響過濾的因素進(jìn)行研究，為優(yōu)化過濾器結(jié)構(gòu)、提高過濾器過濾能力提供理論依據(jù)。

1過濾器過濾過程仿真模型

1.1仿真模型

本文以某公司的過濾器設(shè)備為模型基礎(chǔ)，忽略對(duì)過濾過程影響不大的結(jié)構(gòu)，且由于過濾階段為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減少計(jì)算時(shí)間，取整體1/4區(qū)域建立模型，圖1是過濾器的三維模型。

1.2基本假設(shè)

基于過濾器過濾過程的復(fù)雜性，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文針對(duì)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行如下假設(shè)：

1） 過濾器內(nèi)流體流動(dòng)為不可壓縮黏性流動(dòng)；

2） 將懸浮物處理為廣義流體；

3） 忽略油污對(duì)流體流動(dòng)的影響；

4） 過濾器內(nèi)表面與流體之間無滑移。

1.3計(jì)算方法及邊界條件

k-ε雙方程模型在工程實(shí)際與科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛，其模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合得很好，本文選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來對(duì)過濾器內(nèi)流體流動(dòng)進(jìn)行模擬。混合模型Euler多相流模型在工程數(shù)值模擬中應(yīng)用非常廣泛，本文選用簡(jiǎn)化的Mixture模型，將懸浮物看作廣義流體。過濾器濾床介質(zhì)為纖維球，研究中多采用多孔介質(zhì)模型來模擬纖維球[10]。另外，過濾器過濾過程流體的溫度變化不大，對(duì)流場(chǎng)的影響可忽略不計(jì)。

纖維球過濾器的出口為壓力出口，壓力等于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。入口為速度入口，根據(jù)入口的橫截面積和處理水量來計(jì)算入口的速度。其余壁面均為無滑移壁面。

2數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1吐水口直徑對(duì)過濾性能的影響

本節(jié)研究吐水口直徑對(duì)過濾性能的影響，以某公司的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)：濾速300 m3/h、濾床孔隙率93%、濾床厚度0.6 m、吐水口個(gè)數(shù)8個(gè)為初始參數(shù)。圖2～3為不同吐水口直徑對(duì)過濾器截污性能、流場(chǎng)和壓降的影響。

由圖2可知，吐水口直徑為15 mm和20 mm時(shí)，污水從吐水口流出后，下漩渦區(qū)域遠(yuǎn)大于上漩渦，湍流強(qiáng)度小于上漩渦，這樣在濾床上表面附近的區(qū)域，污水流動(dòng)較為平緩，有助于污水中的懸浮物在自重和水壓下均勻地沉降到濾床上。當(dāng)吐水口直徑為25 mm和30 mm時(shí)，由于吐水口直徑較大，污水射出速度較小，流出后“傾瀉”到濾床中部，形成左右兩個(gè)漩渦，湍流強(qiáng)度中間高兩邊低，懸浮物在兩側(cè)堆積，濾床截污分布的均勻性較差。

由圖3可知，濾床截污量分布的越均勻，過濾壓降越大。這是因?yàn)椋匚哿糠植疾痪鶆驎r(shí)，污水在濾床截污量少的區(qū)域流動(dòng)較快，過濾阻力小，因此壓力損失就小。濾床截污量分布越均勻，濾床沿徑向過濾阻力相差越小，壓力損失越均勻，越有利于濾床的穩(wěn)定。

圖4、5和6分別為不同吐水口直徑下的濾床上表面湍動(dòng)能徑向分布曲線、濾床中截面截污量徑向分布曲線和濾床壓力損失曲線（其他工藝參數(shù)恒定：濾速300 m3/h、濾床孔隙率93%、濾床厚度0.6 m、吐水口個(gè)數(shù)8個(gè)）。

由圖4和5可知，濾床上表面沿徑向湍動(dòng)能的大小直接影響著徑向截污量分布，在湍動(dòng)能大的位置，截污量少，湍動(dòng)能小的位置，截污量多。

由圖5和圖6可知，濾床在截污量多的區(qū)域壓降大，截污量少的區(qū)域壓降小，濾床沿徑向截污量分布越均勻，壓降大小沿徑向分布就越均勻。這是因?yàn)榻匚哿慷嗟膮^(qū)域過流阻力大，因此壓降梯度大，同樣的厚度下壓降就大。當(dāng)吐水口直徑為15 mm和20 mm時(shí)，濾床徑向方向不同位置截污量和壓降分布相對(duì)均勻，有利于濾床高度和過濾過程的的穩(wěn)定。因此，在吐水口個(gè)數(shù)一定的前提下，此過濾器的污水布流系統(tǒng)的吐水口直徑宜在15～20 mm之間。

2.2吐水口個(gè)數(shù)對(duì)過濾性能的影響

本節(jié)研究吐水口個(gè)數(shù)對(duì)過濾性能的影響，吐水口直徑為15 mm，其他工藝參數(shù)同2.1節(jié)。圖7～9為不同吐水口個(gè)數(shù)下濾床上表面湍動(dòng)能徑向分布曲線、濾床中截面截污量徑向分布曲線和吐水口個(gè)數(shù)對(duì)濾床壓力損失的影響曲線。

由圖7和8可知，隨著吐水口個(gè)數(shù)的增加，濾床上表面沿徑向湍動(dòng)能的大小差異越來越小，濾床徑向截污量分布也越來越均勻，吐水口個(gè)數(shù)為10～12個(gè)時(shí)，濾床徑向截污量分布差異較小。

由圖8和圖9可知，濾床不同位置的截污量隨著吐水口個(gè)數(shù)的增加而增加，濾床壓力損失也越來越大，但濾床徑向截污量和壓力損失差異變小。這是因?yàn)?，吐水口個(gè)數(shù)越多，污水布流越均勻，濾床徑向截污量分布越均勻，濾床厚度方向的壓力梯度損失沿徑向分布越均勻，濾床不容易“泄壓”，“保壓性”越好濾床的壓力損失就越大。

3過濾實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本文中的過濾器以秦皇島某公司生產(chǎn)的過濾器為原型，實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖10所示。本試驗(yàn)測(cè)定的主要參數(shù)有：進(jìn)、出水各取樣口濁度，濾床各測(cè)壓口壓力，出水口濾速等。濁度由在線濁度分析儀測(cè)定，壓力采用測(cè)壓管測(cè)量，濾速采用一體型電磁流量計(jì)測(cè)量。

3.1壓降實(shí)驗(yàn)

圖11是過濾器壁面附近濾料層縱向不同位置不同時(shí)刻的靜壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)。

由圖11可知，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的變化規(guī)律基本一致，證明本文建立的仿真模型是準(zhǔn)確的。濾料層厚度方向的靜壓與距濾料層底部距離的大小近似成拋物線增長(zhǎng)關(guān)系，隨著過濾時(shí)間的延長(zhǎng)，濾料層厚度方向各位置靜壓逐漸變大，且中上層靜壓增長(zhǎng)明顯高于中下層，不同位置的靜壓壓差逐漸變大。這是因?yàn)?，在過濾剛開始的階段，由于濾料層的孔隙率較大，且濾料較為干凈，濾料層上附著的懸浮物累積量較少，濾料層的孔隙率變化不大，因此在剛開始的階段，濾料層不同位置的壓差較小，隨著濾料層上附著懸浮物量的增長(zhǎng)，且由于懸浮物首先附著在濾料的中上層，再逐漸向中下層滲透，中上層的孔隙率隨著過濾時(shí)長(zhǎng)的增加急劇變小，這樣中上層的過濾阻力明顯大于中下層，因此中上層的靜壓增長(zhǎng)越來越快，導(dǎo)致濾料上下層的壓差越來越大。

為了驗(yàn)證優(yōu)化后的過濾器吐水口系統(tǒng)對(duì)過濾性能的提升效果，參考仿真分析結(jié)果：吐水口直徑在15～20 mm，吐水口個(gè)數(shù)在10～12個(gè)，選取吐水口直徑為20 mm、吐水口個(gè)數(shù)為10作為優(yōu)化后的過濾器結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行過濾性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)。優(yōu)化前后的吐水口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖12是過濾時(shí)長(zhǎng)6 h，過濾器吐水口結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后濾床的壓力損失的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由圖12可知，采用優(yōu)化后的吐水口進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，整個(gè)濾床的壓力損失沿濾料徑向方向更為均勻，優(yōu)化前壓力損失方差為328 055.6，優(yōu)化后為77 247.2，這樣有利于濾床徑向方向截留積泥的均勻分布，以便濾床更加穩(wěn)定地工作。

3.2過濾性能實(shí)驗(yàn)

圖13和圖14分別是采用優(yōu)化后的吐水口布流系統(tǒng)進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，得出的壓降-時(shí)間關(guān)系曲線圖和濾速-時(shí)間關(guān)系曲線圖，圖15是優(yōu)化前和優(yōu)化后出口濁度值-時(shí)間關(guān)系曲線圖。

由圖13、圖14和圖15可知，采用優(yōu)化后的布流系統(tǒng)進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，當(dāng)濾料層的壓降損失超過8 000 Pa后，隨著過濾時(shí)間的增加，濾料層壓降損失快速增加，當(dāng)壓降達(dá)到15 000 Pa附近時(shí)，濾料阻塞嚴(yán)重，濾速急劇減小，且出水質(zhì)量嚴(yán)重下降，達(dá)不到工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)，需要停止過濾階段，對(duì)濾料層進(jìn)行反沖洗過程。另外，由圖15可知，優(yōu)化后過濾時(shí)長(zhǎng)為5個(gè)多小時(shí)，優(yōu)化前過濾時(shí)長(zhǎng)大約為4小時(shí)，通過優(yōu)化布流系統(tǒng)提高了過濾時(shí)長(zhǎng)，過濾性能提升了約25%。

4結(jié)論

本文以直徑為1.5 m，軸徑比約為1的過濾器為研究對(duì)象，采用多孔介質(zhì)和多相流模型，研究了污水布流系統(tǒng)和填充密度等因素對(duì)濾床過濾性能的影響，對(duì)上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并開展了過濾實(shí)驗(yàn)，得出：

1） 濾床的靜壓大小與濾床截污量成正相關(guān)，截污量多的區(qū)域，靜壓和靜壓梯度變化大；濾床截污分布越均勻，濾床徑向過濾阻力差異越小，濾床“密封性”越好，越不易“泄壓”，有利于過濾的穩(wěn)定運(yùn)行；濾床在截污量多的區(qū)域壓降大，截污量少的區(qū)域壓降小。

2） 對(duì)纖維球過濾器的布流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和濾床填充密度進(jìn)行了優(yōu)化，得出：過濾器布流系統(tǒng)吐水口直徑在15～20 mm之間，吐水口個(gè)數(shù)在10～12個(gè)，優(yōu)化后的過濾器過濾性能提升了約25%。

3） 濾料層厚度方向的靜壓與距濾料層底部距離的大小近似成拋物線增長(zhǎng)關(guān)系；采用優(yōu)化后的吐水口，濾床壓力損失沿徑向方向更均勻，有利于濾床徑向截留積泥的均勻分布，有利于濾床的穩(wěn)定；當(dāng)濾料層的壓降損失超過8 000 Pa后，濾料層壓降損失快速增加，當(dāng)壓降達(dá)到15 000 Pa附近時(shí)，濾速急劇減小，且出水質(zhì)量嚴(yán)重下降，需停止過濾，對(duì)濾料進(jìn)行反沖洗。

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Study on distribution system optimization and

filtration performance of fiber ball filter

Abstract： In order to optimize the structural parameters of the industrial filter flow system and improve its filtration performance， the porous media model was used to analyze the filtration performance of the fiber ball filter， and the influence of the structural parameters of the flow system on the filtration behavior was analyzed， and experimental verification was carried out. The results are as follows： for the filter with diameter of 1.5 m and axial diameter ratio of about 1， the optimized outlet diameter is 15～20 mm and the number of outlet is 10～12，the filtration performance is improved about 25%. When the pressure drop of filter material reaches 15 000 Pa， the filtration rate and effluent quality do not meet the production requirements， and the filter material layer needs to be backwashed. The more uniform the distribution of filter bed pollution， the smaller the difference of filter bed radial filtration resistance， the better the \"sealing\" of filter bed， and the more stable the filter operation.

Keywords： fiber ball filter bed; industrial filter; distribution system optimization; filtration performance