陳建平，曹冬冬

（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

水資源短缺和水污染已經(jīng)成為阻礙社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素之一.面對日益嚴(yán)重的水資源短缺和水污染問題，城市污水回用因其水量大、水質(zhì)穩(wěn)定且供給可靠等特點(diǎn)越來越受到當(dāng)今世界各國的推崇.目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的中水回用工藝是混凝-沉淀-過濾-消毒工藝和膜處理工藝，其中混凝-沉淀-過濾-消毒工藝因其工藝流程長、占地面積大，建設(shè)投資較大的缺點(diǎn)，不適宜在土地資源緊張的地區(qū)或舊污水處理廠增加污水回用工藝的改造工程中使用；膜處理工藝因膜造價(jià)高且易污染等問題，在我國的發(fā)展比較緩慢.水處理的最基本原理之一就是通過工藝技術(shù)和方法將水體中各種污染物凈化去除，過濾單元技術(shù)能有效地截留去除水體中各種懸浮顆粒物.因此，過濾是中水回用工藝中最重要的物理操作單元技術(shù)之一，在污水深度處理中起到至關(guān)重要的作用，提高過濾效率能明顯地提高污水處理效率[1].本文通過對微濾理論模型的分析，得出微濾過程中堵塞問題及原因，然后對提高過濾效率的方法進(jìn)行試驗(yàn)分析，找到解決堵塞問題和提高過濾效率的最佳方法。

1 微濾機(jī)的研究現(xiàn)狀

目前過濾一般分為3種類型:深床過濾、膜過濾和表面過濾.表面過濾是利用過濾介質(zhì)表面或過濾過程中所生成的濾餅表面來攔截固體顆粒，使固體與液體分離.這種過濾一直廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)和造紙行業(yè).近年來，集成化的表面過濾設(shè)備剛開始應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域，以濾布為過濾介質(zhì)的設(shè)備主要有轉(zhuǎn)盤微濾機(jī)和轉(zhuǎn)鼓微濾機(jī)等[2].

根據(jù)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)研究分析發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)因其具有原理簡單等優(yōu)點(diǎn)，在國外已被成功應(yīng)用于城市污水二級處理后的中水回用領(lǐng)域.但現(xiàn)有微濾機(jī)仍存在以下問題.

（1）制造成本較高.現(xiàn)有裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不銹鋼濾布裁剪浪費(fèi)情況較為嚴(yán)重.

（2）占地面積大.由于現(xiàn)有微濾機(jī)過濾效率低，所以當(dāng)需要處理較大污水量時(shí)，只能增加微濾機(jī)的數(shù)目，因此占地面積大.

（3）過濾效率低.由于濾布目數(shù)較高，孔徑一般在10～100 μm，濾布容易被堵死，影響過濾效率.同時(shí)，裝置被堵塞后，需停機(jī)進(jìn)行濾布的清洗和更換，大大減少了有效的過濾時(shí)間，過濾能力降低.在顯微鏡下，試驗(yàn)所用不銹鋼濾布為1200目不銹鋼濾布（孔徑約為0.01 mm）過濾前后的觀察效果如圖1所示.

圖1 不銹鋼濾布過濾前后在顯微鏡下觀察效果Fig.1 Observed effect of stainless steel filter cloth before and after filtering under microscope

（4）濾布更換頻繁.現(xiàn)有微濾機(jī)無法及時(shí)進(jìn)行反清洗，濾孔堵塞嚴(yán)重；必須進(jìn)行停機(jī)清洗，并且濾布更換較頻繁.因此濾布的更換較為耗時(shí)，延長了停機(jī)的時(shí)間，并且增加了勞動成本.

針對目前微濾機(jī)存在的問題，以過濾過程中過濾阻力和顆粒受力分析為基礎(chǔ)，建立微濾理論模型，分析其微濾過程中的堵塞機(jī)理及原因，采用試驗(yàn)分析探討了微濾過程的堵塞問題并提出了相應(yīng)的解決方法.以下分別從理論和試驗(yàn)兩方面分析微濾的堵塞問題及提高過濾能力措施的可行性.

2 微濾理論模型分析

微濾是一種靜態(tài)過濾，水中的顆粒雜質(zhì)將在濾布表面截留形成污染層，污堵類型屬于表面層截留，因此研究過濾阻力的構(gòu)成對提出增加濾布通透量的措施有重要的指導(dǎo)作用[3].

水是連續(xù)介質(zhì)，水中的顆粒雜質(zhì)的速度分布也是連續(xù)的.由于范德華力和其他高分子物質(zhì)作用下相互碰撞，在流體運(yùn)動中發(fā)生架橋和絮凝反應(yīng)，因此可建立過濾堵塞的覆蓋層模型，即起源于經(jīng)典過濾理論，是以通透量、覆蓋層阻力和濾布的阻力之間的關(guān)聯(lián)為出發(fā)點(diǎn)的[4－5]，其一般表現(xiàn)形式為:

式中:J為過濾速度，即通透量（m3·（m2·s）－1）；ΔP 為濾液流動的推動力過濾差（Pa）；μ為濾液粘度（Pa·s）；Rm為濾布膜固有阻力（m－1）；Rp為濾布膜孔堵塞阻力（m－1）；Rc為濾布膜面濾餅阻力（m－1）；Rt為濾布膜過濾結(jié)束時(shí)阻力（m－1）.

即濾布的過濾速度和濾布阻力成反比，隨著時(shí)間的延長，微粒開始堵塞膜孔，濾布表面截留沉積不溶物急劇增多，引起流體力學(xué)阻力增大，過濾速率下降，由此可得到微濾時(shí)間t與流量Q的關(guān)系如圖2所示[6].

圖2 微濾時(shí)間與流量的關(guān)系Fig.2 Relation between micro-filtration time and flow

以濾布過濾的剛性固體顆粒為研究對象，通過對水溶液中的顆粒的受力分析，結(jié)合阻塞過濾模型和傳統(tǒng)阻力覆蓋模型，考慮孔徑和顆粒大小等因素的影響，可以建立微濾工藝模型，預(yù)測微濾過程中的通透量，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析其吻合性.

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)理論模型中濾布通透量、覆蓋層阻力和濾布的阻力之間關(guān)系的分析，設(shè)計(jì)了如圖3所示的微濾工藝裝置分別從過濾水位、過濾時(shí)間和反清洗對過濾能力和堵塞問題的影響進(jìn)行試驗(yàn)分析.

微濾的工藝基本流程為:污水經(jīng)進(jìn)水泵進(jìn)入進(jìn)水箱，經(jīng)1200目不銹鋼濾布（孔徑約為0.01 mm），大于孔徑的懸浮物顆粒被攔截，截留的顆粒隨著時(shí)間增多，使得濾布被堵塞，過濾速度下降，通過往復(fù)移動篩板結(jié)構(gòu)，反沖洗裝置將水汽混合一定比例沖掉粘附在濾布上的污染物，以提高過濾速度.

圖3 微濾工藝裝置Fig.3 Microfiltration process system

配制進(jìn)水質(zhì)量濃度為30 mg/L的懸濁液，經(jīng)沉淀后使用，作為過濾實(shí)驗(yàn)用水，溶液中顆粒直徑小于0.1 mm，粒度分布為平均粒徑（D50）=0.045 mm，濾后水的懸浮物（SS）值達(dá)到10 mg/L的國標(biāo)一級A的水平.

3.1 進(jìn)水濃度與過濾時(shí)間相同時(shí)，不同過濾水位對

SS負(fù)荷的影響

3.1.1 測試試驗(yàn)方法

將配置的懸濁液加入到實(shí)驗(yàn)工藝裝置中，測試水位高度為 30、50、70、90、110、130 和 150 cm 重復(fù)試驗(yàn).

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在30 s的過濾時(shí)間內(nèi)，保持不同的過濾水位高，SS負(fù)荷（單位面積濾布單位時(shí)間內(nèi)所能截留的SS質(zhì)量）結(jié)果如圖4所示.

圖4 不同過濾水位高時(shí)的SS負(fù)荷變化情況Fig.4 SS load changes at different filter water level

由圖4可知，隨著過濾水位的升高，SS負(fù)荷增加，說明SS負(fù)荷與過濾面受到的水壓有關(guān)，壓力升高時(shí)，SS負(fù)荷增加，即驗(yàn)證了理論模型中過濾速度與濾布兩側(cè)壓力差成正比的關(guān)系，為提高過濾效率的方法的提出奠定了基礎(chǔ).

3.2 進(jìn)水濃度與過濾水位相同時(shí)，不同過濾時(shí)間對SS負(fù)荷的影響

3.2.1 測試試驗(yàn)方法

保證測試水位高為 15 cm，檢測 30 s、1 min、2 min、3 min、4 min、5 min、6 min、7 min、8 min、9 min 和10 min收集到的濾后水的體積，平行測定3次.改變測試水位高度為50 cm、70 cm，重復(fù)試驗(yàn).

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

當(dāng)過濾水位分別為15、50、70 cm時(shí)，不同過濾時(shí)間分別對SS負(fù)荷的影響如圖5所示.

圖5 不同過濾時(shí)間對SS負(fù)荷的影響Fig.5 Effects on the SS load at different filtration time

由圖5可以看出，過濾時(shí)間小于180 s時(shí)，SS負(fù)荷較大，隨著過濾時(shí)間的增長，濾布孔隙堵塞加劇，濾布覆蓋層阻力增大，使得SS負(fù)荷減小，得到的結(jié)果與理論模型分析部分對微濾時(shí)間t與流量Q的關(guān)系一致.

3.3 不同反沖壓力和不同的反沖時(shí)間對過濾的影響

3.3.1 測試試驗(yàn)方法

（1）設(shè)置反沖壓力0.6 MPa進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，當(dāng)水位到達(dá)70 cm時(shí)，開啟反沖洗和電機(jī)，反沖時(shí)間15 s，至少再進(jìn)行一次過濾和反沖，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，開始記錄過濾時(shí)間，至少記錄5組.

（2）改變反沖時(shí)間為 20、30、40、50 和 60 s，重復(fù)步驟（1）的試驗(yàn)方法.

（3）改變反沖壓力為0.7、0.8和1.0 MPa.重復(fù)步驟（1）～（2）的試驗(yàn)方法.

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了避免重復(fù)啟動電機(jī)帶來的電耗和設(shè)備損耗，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以通過反沖時(shí)間與反沖間隔時(shí)間來比較.設(shè)計(jì)中希望反沖時(shí)間短，反沖間隔時(shí)間長.在進(jìn)水SS質(zhì)量濃度為30 mg/L，反沖壓力為0.6、0.7、0.8和1.0 MPa，反沖時(shí)間為 15、20、30、40、50 和 60 s時(shí)，反沖時(shí)間和反沖間隔時(shí)間的比值（K）的變化如表1所示.

從表1中可以看出，在反沖洗壓力為0.8 MPa，反沖時(shí)間為30 s時(shí)，K值最小，為0.31.即采用0.8 MPa的反沖洗壓力，反沖時(shí)間30 s，可以達(dá)到反沖洗的最佳效果.此時(shí)可有效地實(shí)現(xiàn)了濾布污染物的清除，大大減少了濾布覆蓋層的阻力，增大了濾布的通透量，驗(yàn)證了理論模型中過濾速度與阻力的反比關(guān)系.

表1 不同反沖壓力、反沖時(shí)間對反沖間隔時(shí)間的影響Tab.1 Effects on backwashing interval time with different backwashing pressure and time

4 結(jié)論

通過對微濾機(jī)工作過程中的過濾堵塞覆蓋層模型和試驗(yàn)結(jié)果分析，其結(jié)論如下:

（1）濾布堵塞機(jī)理:水中懸浮物由于沉淀、慣性、水力梯度等原因，運(yùn)動的顆粒表面相互吸附，再加上由于范德華力和其他高分子物質(zhì)作用下彼此發(fā)生架橋和絮凝過程，隨著時(shí)間的延長，顆粒逐漸變大，在壓力差的推動作用下，小于濾布孔徑的顆粒隨液體透過濾布，大于孔徑的顆粒雜質(zhì)被截留；隨著過濾時(shí)間的增加，被截留的顆粒雜質(zhì)將在濾布表面形成污染層，并積累成堵塞層，增加了過濾阻力，嚴(yán)重加劇了篩網(wǎng)濾布的堵塞問題；在壓力變化不大的情形下，透過率下降、過濾能力低的問題更加明顯.

（2）提高過濾效率的措施:SS負(fù)荷與處理水量有關(guān)，增大過濾水位高度，可以在一定程度上解決堵塞帶來的問題；SS負(fù)荷與過濾時(shí)間成反比，在應(yīng)用SS負(fù)荷進(jìn)行工藝計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮過濾時(shí)間所對應(yīng)的SS負(fù)荷，減輕堵塞對過濾的影響，可以提高過濾能力；及時(shí)地進(jìn)行反清洗可以有效地解決過濾堵塞的問題，而且能夠提高過濾能力；另外，在不停機(jī)的情況下，周期性地更換濾布也是提高過濾能力的有效途徑.

新型微濾機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮過濾水位、過濾時(shí)間和反清洗的影響.因此，我們設(shè)計(jì)了一種新型連續(xù)水處理微濾機(jī)[8]作為解決方法，即采用表面微孔過濾原理，設(shè)定了一定的過濾水位和時(shí)間，通過篩板篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動和反清洗系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行反清洗，可以在不停機(jī)的情況下，進(jìn)行濾布的周期性更換，實(shí)現(xiàn)了微濾機(jī)的連續(xù)過濾，解決了過濾的堵塞問題，提高了過濾能力.

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