陳升權(quán),林自力,李建勇,閆海賀

(秦皇島萊特流體設(shè)備制造有限公司,河北秦皇島 066004）

1 前言

鋼性顆粒狀過(guò)濾材料在循環(huán)水系統(tǒng)過(guò)濾中做為填料得到廣泛的應(yīng)用，隨著對(duì)循環(huán)水質(zhì)的需求的提高，鋼性顆粒狀過(guò)濾器的亂層、跑料、過(guò)濾精度低、反沖洗難度大、再生效率低等缺點(diǎn)也日漸顯現(xiàn)。隨著高分子合成纖維工業(yè)的發(fā)展,纖維的物理、化學(xué)性能也有了很大的提高，可供選擇的特種功能性纖維種類和數(shù)量越來(lái)越多。同時(shí),由于廣大科技工作者的努力,不斷革新床層結(jié)構(gòu),促使其容易反洗再生,導(dǎo)致纖維深層過(guò)濾器的應(yīng)用日益廣泛。各種形式的柔性纖維濾料應(yīng)用而生，各種結(jié)構(gòu)纖維過(guò)濾器技術(shù)的發(fā)展，也越來(lái)越多的應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)際中。纖維材料構(gòu)成的濾床具有比常規(guī)顆粒過(guò)濾材料更大的截污容量和過(guò)濾精度。

經(jīng)過(guò)特殊技術(shù)及工藝處理過(guò)的特種功能柔性纖維材料在具有納污高、過(guò)濾精度好的特點(diǎn)的同時(shí)還具有疏油性好、便于反洗再生、不易板結(jié)的特殊屬性。

2 雙旋流高效自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器工作原理

2.1 纖維過(guò)濾器的種類

目前應(yīng)用于工業(yè)水處理的纖維過(guò)濾器有很多種，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?？煞譃椋?/p>

（1）膠囊擠壓式纖維束過(guò)濾器

膠囊擠壓式纖維過(guò)濾器。將長(zhǎng)纖維束懸掛孔板上，裝在過(guò)濾設(shè)備中，纖維束下掛重錘，纖維層中安裝數(shù)個(gè)軟質(zhì)膠囊，運(yùn)行時(shí)將膠囊充水，橫向擠壓長(zhǎng)纖維。使纖維層孔隙率和過(guò)濾孔徑由大到小漸變分布。反洗時(shí)先排凈膠囊中的水，使長(zhǎng)纖維束床層得以疏松。再用氣水聯(lián)合清洗。在掛裝的長(zhǎng)纖維濾層中安裝可充、排水的軟質(zhì)膠囊，解決了纖維層的壓實(shí)、疏松及纖維流失問(wèn)題,過(guò)濾器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

目前使用中存在的一些問(wèn)題是設(shè)備較復(fù)雜，除膠囊外，需設(shè)有膠囊充、排水系統(tǒng)及充水計(jì)量裝置；使推廣使用受到限制。

主要存在問(wèn)題有以下幾個(gè)方面：

圖1 過(guò)濾器結(jié)構(gòu)示意圖

a、由于膠囊經(jīng)常頻繁的充水、排水而導(dǎo)致破裂需經(jīng)常更換。

b、由于膠囊的阻隔，減小了有效的過(guò)濾面積，使過(guò)濾器的流量減小，達(dá)不到設(shè)計(jì)流量。

具體見(jiàn)表1 所示。

表1 膠囊擠壓式纖維束過(guò)濾有關(guān)參數(shù)

c、由于膠囊的阻隔，使得過(guò)濾器得不到徹底的反洗，纖維濾層內(nèi)積 泥嚴(yán)重，濾料老化，過(guò)濾器的過(guò)濾、吸附能力下降，出水水質(zhì)下降。

（2）無(wú)囊式纖維束過(guò)濾器(又稱雙孔板式纖維束過(guò)濾器)

無(wú)囊式纖維束過(guò)濾器將纖維束縱向有序地固定在上下兩塊孔板之間，其中一塊孔板可以在設(shè)備內(nèi)部上、下運(yùn)動(dòng)，是活動(dòng)孔板；另一塊是固定孔板.根據(jù)水流方向?qū)⒃撨^(guò)濾器分為下向流和上向流兩種類型。圖2 所示的是下向流式，即上孔板是活動(dòng)孔板，下孔板是固定孔板，其工作原理是利用水流壓力使纖維濾料層呈壓實(shí)狀態(tài)，過(guò)濾時(shí)水流自上而下推動(dòng)上孔板(活動(dòng)板)落下，壓實(shí)纖維束見(jiàn)圖3，反沖洗時(shí)在反向力的作用下與過(guò)濾時(shí)反向運(yùn)動(dòng)，水流由下而上托起活動(dòng)孔板，拉直纖維束，使濾料層疏松，配合壓縮空氣在氣--水的聯(lián)合反沖洗作用下使截留在纖維濾料層中的懸浮物得以清除。雙孔板式纖維過(guò)濾器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有效過(guò)濾面積較膠囊式的有所提高，是一種新型的纖維過(guò)濾裝置。

圖2 無(wú)囊式纖維束過(guò)濾器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 無(wú)囊式纖維束過(guò)濾器過(guò)濾狀態(tài)示意圖

該過(guò)濾器在使用中存在的問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面：

a、過(guò)濾時(shí)容易出現(xiàn)偏流、壁流的間題，出現(xiàn)短路的現(xiàn)象，水流擊穿濾層，使出水的水質(zhì)質(zhì)量得不到保證。

b、活動(dòng)板的壓緊裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作難度大。

c、纖維床層一般較薄，過(guò)濾性能不穩(wěn)定，故容易形成表面過(guò)濾，截污量小，影響過(guò)濾流量。

（3）自壓式纖維球過(guò)濾器

纖維球過(guò)濾器是在容器內(nèi)填裝纖維球?yàn)V料形成濾床，纖維球?yàn)V料是由直徑為30～40 μm 的纖維絲制成的球體，由于纖維球個(gè)體較疏松，在濾料床層中纖維球之間的纖維絲可以實(shí)現(xiàn)相互穿插，此時(shí)纖維球的個(gè)體特征已不重要，濾料床層形成了一個(gè)整體。床層中纖維球受到的壓力為過(guò)濾水流的流體阻力、纖維球自身的重力以及截留懸浮物的重力之和(如果水流從上至下通過(guò)濾料層，該壓力在濾料層中沿水流方向是依次遞增的。

所謂自壓，是指不依靠其他裝置，僅靠水流阻力、纖維球自身的重力以及截留懸浮物的重力之和對(duì)纖維層的壓縮。當(dāng)水流自上而下通過(guò)濾層時(shí)，濾層承受向下的縱向壓力且越往下纖維所受的向下壓力越大。因纖維球其備一定彈性，在壓力作用下濾料層孔隙率和過(guò)濾孔徑由大到小漸變分布，濾料的比表面積由小到大漸變分布。這樣就達(dá)到了過(guò)濾效率由低到高遞增的理想過(guò)濾方式，直徑較大、容易濾除的懸浮物可被上層濾層截留，直徑較小、不易濾除的懸浮物可被中層下層濾層截留。在整個(gè)濾層中，機(jī)械篩分和接觸絮凝作用都得到充分發(fā)揮，從而實(shí)現(xiàn)較高的濾速、截污容量和較好的出水水質(zhì)。纖維球過(guò)濾污水的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)運(yùn)行流速在40 m/h 時(shí)，運(yùn)行流速和截污容量均是砂濾池的數(shù)倍，出水濁度明顯好于砂濾池。

普通纖維球過(guò)濾器存在的不足是：因纖維球表面未經(jīng)化學(xué)處理，具有憎水親油的特性，所以靠近球中心部位截留的雜質(zhì)難以徹底清除，且設(shè)備本體反沖洗結(jié)構(gòu)不合理，效果也不理想，

（3）雙旋流高效自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器

雙旋流高效自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器是一種自壓式纖維球過(guò)濾器，見(jiàn)圖4。

圖4 雙旋流高效自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器

在保持了一般自壓式纖維球過(guò)濾器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，獨(dú)特的反沖洗方式使他對(duì)纖維濾料的剪切力和碰撞摩擦力同時(shí)發(fā)生，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)反沖水流和氣流的強(qiáng)弱，對(duì)剪切力和碰撞摩擦力進(jìn)行調(diào)節(jié)。模擬人工對(duì)濾料反復(fù)揉搓，特種纖維球?yàn)V料具有親水憎油的特性，使得反洗更加的徹底有效。

特點(diǎn)：

A、徑向無(wú)極變速的反沖洗模式

為實(shí)現(xiàn)上述目的，雙旋流高效自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器在其圓形筒體壁上，設(shè)計(jì)了上下兩個(gè)反沖洗流體環(huán)形分配器，在其內(nèi)部的圓形筒壁的切線方向上，設(shè)計(jì)有多個(gè)特殊孔型的射流孔，這兩個(gè)環(huán)形分配器內(nèi)的射流孔的方向相反，當(dāng)反沖洗的水流或氣流交替反沖洗時(shí)，如上面一個(gè)環(huán)形分配器處的水流（氣流）帶動(dòng)纖維球?yàn)V料順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，下面的環(huán)形分配器處的水流（氣流）帶動(dòng)纖維球?yàn)V料就會(huì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，這兩個(gè)旋向不同的水流（氣流）的結(jié)合處就會(huì)產(chǎn)生巨大的剪切力或碰撞力對(duì)纖維球?yàn)V料進(jìn)行反復(fù)揉搓，達(dá)到徹底、有效地清洗纖維球?yàn)V料的作用。

當(dāng)調(diào)整水流（氣流）的壓力時(shí)，這兩個(gè)旋向不同的水流（氣流）的旋轉(zhuǎn)速度相應(yīng)也會(huì)發(fā)生變化，剪切力或碰撞力也隨之產(chǎn)生變化，能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)創(chuàng)的徑向無(wú)極變速的反沖洗模式。這樣就避免了一般填料式過(guò)濾器在反沖洗時(shí)濾料只能隨水流（氣流）同時(shí)流動(dòng)，剪切力或碰撞力只能依靠濾料自重而產(chǎn)生的微動(dòng)力，清洗效果不徹底，且清洗周期長(zhǎng)，費(fèi)時(shí)、費(fèi)水。也避免了一般機(jī)械攪拌式清洗時(shí)，機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗大，濾料易損壞的弊病。

B、迷宮均流式軸向反沖洗模式

另外，雙旋流高效自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器在過(guò)濾器的底部還設(shè)計(jì)了迷宮式均流軸向反沖洗裝置。該清洗裝置將過(guò)濾器底部軸向分為若干個(gè)清洗區(qū)域，使反洗水流（氣流）均勻的分配到每一個(gè)清洗區(qū)域，使每一個(gè)反洗區(qū)域的流量、壓力相等。在過(guò)濾器實(shí)現(xiàn)過(guò)濾方向的軸向清洗時(shí)，保證過(guò)濾器整體均勻的清洗。避免了一般過(guò)濾器底部反沖洗進(jìn)氣（進(jìn)水）為一個(gè)容室，一旦濾料層的某個(gè)部位先于其他部位松動(dòng)、膨脹，造成泄壓，其他的濾料就無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效地反沖洗，造成反洗短路，形成反洗失敗。

雙旋流高效自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器在反沖洗操作時(shí)，徑向反沖洗和軸向反沖洗在自動(dòng)控制器的控制下，交替進(jìn)行。有效、徹底的對(duì)濾料進(jìn)行清洗，保證了濾料再生。

C、先進(jìn)的纖維改性技術(shù)

一般的纖維濾料的改性處理，常采用的簡(jiǎn)單工藝，及藥液浸泡或藥液浸泡加培烘的工藝，致使藥液不能進(jìn)入纖維濾料內(nèi)部，只是在濾料表面附著，所以，用該種工藝處理的濾料壽命短。

特種纖維濾料制作工藝是目前專有技術(shù)，它是經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)研發(fā)出的一種獨(dú)特復(fù)雜工藝。

加工工藝:清洗處理—高溫藥劑浸泡—常溫真空浸潤(rùn)—中高溫蒸烤—冷卻整理等過(guò)程。

經(jīng)過(guò)該種工藝處理的纖維濾料，藥液能夠在高溫高壓狀態(tài)下，進(jìn)入分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部，長(zhǎng)期、有效地發(fā)揮親水憎油的效果，對(duì)油及懸浮物吸附能力強(qiáng)，反洗再生能力好，即使在原油中長(zhǎng)時(shí)間浸泡，也能利用常溫水在短時(shí)間內(nèi)清洗干凈的特點(diǎn)。

3 雙旋流高效自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器應(yīng)用效果

3.1 雙旋流高效自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器與普通過(guò)濾器性能對(duì)比

（1）雙旋流高效自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器的濾速大，周期長(zhǎng)，解決了傳統(tǒng)石英砂過(guò)濾器濾速和周期的矛盾，試驗(yàn)中的纖維過(guò)濾最高濾速可達(dá)55 m/h 以上，是傳統(tǒng)砂濾器的3 倍以上。一臺(tái)纖維過(guò)濾器的處理流量是傳統(tǒng)砂濾器的2.5 倍。

（2）雙旋流高效自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器的出水水質(zhì)好，優(yōu)于傳統(tǒng)砂濾器，在各種濾速下周期出水濁度均穩(wěn)定在0.2 NTU 左右。

（3）纖維過(guò)濾器截污量大，經(jīng)計(jì)算可達(dá)17～35 kg/m3，是普通砂濾器的3 倍以上。

（4）與普通砂濾器相比纖維過(guò)濾器分區(qū)反沖洗更徹底，反洗耗水率低，運(yùn)行費(fèi)用低，性價(jià)比高，保證了過(guò)濾器長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行。

（5）經(jīng)過(guò)特殊處理后的獨(dú)特功能纖維過(guò)濾器對(duì)不良水質(zhì)的適用范圍更寬，對(duì)含油污水的處理更有其獨(dú)特性。

3.2 雙旋流高效自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器與普通過(guò)濾器參數(shù)對(duì)比

對(duì)比參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 雙旋流高效自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器與普通過(guò)濾器參數(shù)對(duì)比

4 實(shí)例

雙旋流高效自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器在宣鋼、承鋼等十幾個(gè)含油污水循環(huán)系統(tǒng)中已經(jīng)大量投入使用，經(jīng)檢測(cè)，當(dāng)過(guò)濾器進(jìn)水SS(懸浮物)在80～90 mg/L 時(shí)，出水的SS(懸浮物)在8～9 mg/L 之間。當(dāng)過(guò)濾器進(jìn)水油含量在25～30 mg/L 時(shí)，出水的油含量在3～5 mg/L 之間。

5 結(jié)論

雙旋流高效自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器 是一種新型高效過(guò)濾設(shè)備，除具有普通纖維球過(guò)濾器的優(yōu)點(diǎn)外，同時(shí)也克服了普通纖維球過(guò)濾器的缺點(diǎn)。它是一種高效、高精度、耐油污、截污量大的較為理想的過(guò)濾設(shè)備，在冶金、石油、煤化工等含油污水的處理中，有較大的推廣、適用價(jià)值。