曹?chē)?guó)憑，劉彥彬

（河北聯(lián)合大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山063009）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，給水需求量的日益增長(zhǎng)，使給水工業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期。傳統(tǒng)給水處理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)石英砂過(guò)濾，因其自身的缺陷正制約著給水工業(yè)的發(fā)展。纖維濾料的出現(xiàn)，為過(guò)濾技術(shù)和給水工業(yè)帶來(lái)了新的生機(jī)。纖維過(guò)濾技術(shù)自上世紀(jì)80年代應(yīng)用于水處理領(lǐng)域以來(lái)，以其優(yōu)越的工作性能和良好的處理效果得到了迅速發(fā)展。

纖維是柔性絲狀過(guò)濾介質(zhì)，可以根據(jù)工藝特點(diǎn)采用束狀、捆狀、球狀或纏繞或織物狀等裝填方式。纖維性能穩(wěn)定，直徑為微米級(jí)，具有過(guò)濾精度高、水流阻力小等特點(diǎn)，近些年來(lái)，以纖維為濾料的過(guò)濾裝置發(fā)展很快，并且纖維過(guò)濾技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)給水、鋼鐵生產(chǎn)廢水、地下水除鐵除錳、含油廢水處理、循環(huán)水處理、醫(yī)學(xué)用水處理等方面得到了廣泛的應(yīng)用。本試驗(yàn)以短纖維為過(guò)濾材料構(gòu)建一種毯式過(guò)濾器，通過(guò)試驗(yàn)摸索出毯式纖維過(guò)濾的特性，討論其替代傳統(tǒng)工藝中沉淀池和石英砂濾池的可能性，在理論和實(shí)踐上為凈水工業(yè)提供一種實(shí)用可行的水處理濾料。

1 纖維過(guò)濾機(jī)理—深層過(guò)濾

纖維過(guò)濾的積泥形態(tài)的研究表明，當(dāng)水經(jīng)過(guò)纖維濾料時(shí)，水中挾帶的懸浮顆粒在一些物理因素如：攔截、慣性擴(kuò)散、沉降和流體動(dòng)力等作用下脫離水流流線(xiàn)，向?yàn)V料表面靠近，在靜電力、范德華力和物理化學(xué)吸附力的作用下，水中懸浮顆粒會(huì)粘附在濾料表面或粘附在已被吸附的顆粒表面，這稱(chēng)之為表層過(guò)濾。但是濾料與懸浮顆粒之間的粘結(jié)并不牢靠，在水流的作用下，一部分已經(jīng)附著的顆粒從濾料上脫離下來(lái)，被水流帶入下一層濾料，重新被吸附截留，這稱(chēng)之為深層過(guò)濾［1］。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)過(guò)濾器主體結(jié)構(gòu)采用外徑600mm、內(nèi)徑570mm、壁厚15mm、高1 040mm的有機(jī)玻璃桶，桶底和隔層采用10mm厚有機(jī)玻璃板。過(guò)濾器的內(nèi)截面面積為0.255m2，有效容積為255L，試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作一組（7個(gè)）圓臺(tái)形的過(guò)濾單元，并按梅花狀布置。如圖1所示。

圓臺(tái)支撐的尺寸：下底圓直徑為30mm，上底圓直徑為120mm，高187mm。濾毯采用一面針織一面植入短纖維的植毛密度加大的毛毯，濾毯敷在圓臺(tái)支撐的外側(cè)，纖維一側(cè)在外，濾毯裁成半徑為281mm、圓心角為93.2°的扇形單個(gè)圓臺(tái)的過(guò)濾面積為0.0 485m2，整個(gè)過(guò)濾器的過(guò)濾面積為0.3 395m2，與過(guò)濾器的內(nèi)截面面積之比為1.33。濾毯支撐用3mm粗的鐵絲彎成并刷清漆防銹。過(guò)濾單元設(shè)置成圓臺(tái)形意在在有限的容器或池體的橫截面積上能得到更大的實(shí)際過(guò)濾面積，從而在實(shí)際應(yīng)用中可以大大減少池體的占地面積。

在距過(guò)濾器桶底300mm處，設(shè)置一隔層，隔層上按梅花狀均布7個(gè)過(guò)濾單體，如圖2所示。隔層上開(kāi)7個(gè)直徑130mm的圓孔，用來(lái)裝入過(guò)濾單體，并在每一個(gè)圓孔周?chē)_(kāi)8個(gè)直徑為10mm的孔，8個(gè)圓孔均布，用來(lái)固定濾毯；濾毯壓環(huán)采用10mm厚的灰板，濾毯壓環(huán)內(nèi)徑130mm，外徑180mm，環(huán)上同樣開(kāi)8個(gè)直徑為10mm的孔，8個(gè)圓孔均布，如圖2所示。

圖1 毯式過(guò)濾器

圖2 隔層

2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)研究以唐山市北郊凈水廠的絮凝出水為原水，以濁度作為懸浮固體含量指標(biāo)考察毯式過(guò)濾器對(duì)懸浮物的去除效果，通過(guò)研究不同濾速下過(guò)濾器的出水濁度探討其過(guò)濾性能。試驗(yàn)的工藝流程如圖3所示。

基本工作過(guò)程為：從絮凝池出水口通過(guò)虹吸的方式引絮凝后的水通過(guò)進(jìn)水調(diào)節(jié)閥（關(guān)閉反沖洗排水閥）進(jìn)入過(guò)濾器，水流自下而上透過(guò)濾毯進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾后的水通過(guò)溢流堰流出，并進(jìn)入三角堰流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。待到出水水質(zhì)不符合要求時(shí)進(jìn)行反沖洗。反沖洗時(shí)，關(guān)閉進(jìn)水閥，打開(kāi)排水閥水流自上而下對(duì)濾毯進(jìn)行反沖洗，同時(shí)提升桿將濾毯底部提升至上部，而后再將底部緩緩下放，濾毯在此過(guò)程中會(huì)形成一個(gè)彎角，此處沖洗強(qiáng)度最大且纖維向外張開(kāi)，便于截留在深層的污物被沖洗干凈，當(dāng)濾毯底部恢復(fù)原狀，反沖洗結(jié)束。反沖洗水由底部排泥管排出。

2.3 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)于2014年3月至2014年6月在唐山市北郊凈水廠進(jìn)行。過(guò)濾器的進(jìn)水濁度范圍為2－20NTU。濁度由WGZ－100型散射式光電濁度儀測(cè)定，試驗(yàn)流量測(cè)定采用三角堰流量計(jì)，三角形缺口夾角為60°。薄壁三角堰流量計(jì)算公式［2］為：

式中：Q—過(guò)堰流量，m3／s；

Ce—流量系數(shù)，60°三角堰Ce為0.577；

he—有效堰頂水頭，he＝h＋Kh；

h—實(shí)測(cè)堰頂水頭；

Kh—水頭修正值，θ＝60°，Kh＝1.2mm；

θ—三角形缺口夾角。

圖3 試驗(yàn)工藝流程圖

3 結(jié)果與討論

圖4和圖5分別為在20m／h和30m／h的濾速下出水濁度的變化情況。

試驗(yàn)表明在20m／h和30m／h的濾速下，毯式過(guò)濾器的出水濁度穩(wěn)定，均在1NTU以下，符合國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，且其抗進(jìn)水濁度波動(dòng)沖擊的能力較強(qiáng)，在進(jìn)水濁度突然成倍提高的情況下，仍有良好的出水水質(zhì)。過(guò)濾周期較長(zhǎng)，均在48小時(shí)左右。但是在下雨過(guò)后水廠原水濁度提高，絮凝出水濁度相應(yīng)提高，水中懸浮物質(zhì)增多，濾毯納污容量較正常情況會(huì)提前飽和。并且，試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，絮凝池對(duì)原水的絮凝效果的好壞也對(duì)過(guò)濾器的過(guò)濾效果有一定程度的影響。

經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為，致密均勻的纖維濾毯在水壓的作用下，纖維絲層層緊密壓縮，外層相對(duì)疏松而內(nèi)層在擠壓的作用下變得比較密實(shí)，這樣整體形成一個(gè)級(jí)配非常好的濾料，使得纖維濾毯在具有較高的孔隙率的同時(shí)水流的阻力較小，濾料的比表面積大大增加、吸附能力增強(qiáng)、截污納污容量也大大提高。隨著過(guò)濾的進(jìn)行，水流流過(guò)濾層時(shí)產(chǎn)生的阻力進(jìn)一步將濾層壓實(shí)，這不僅使濾層的孔隙分布更加符合理想濾料的多層結(jié)構(gòu)，還保證了出水水質(zhì)，使整個(gè)濾層的截污能力得以充分利用，從而使過(guò)濾器的過(guò)濾周期得以有效的延長(zhǎng)。

由于過(guò)濾器采用水流從下往上的過(guò)濾方式，所以反沖洗選定為單獨(dú)水清洗，反沖洗水選用過(guò)濾器濾后出水，沖洗流量為10～13L／m2˙s，反沖洗時(shí)間為5min。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種沖洗方式能一定程度上將截留的懸浮物從濾毯內(nèi)沖洗出去，滿(mǎn)足反沖洗的基本要求，且反沖洗耗水量低。但沖洗效果仍然并不十分理想，所以接下來(lái)本試驗(yàn)將繼續(xù)進(jìn)行，尋找一種對(duì)濾毯反沖洗更優(yōu)的方法。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)可知毯式纖維過(guò)濾器出水濁度穩(wěn)定，滿(mǎn)足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749－2006）規(guī)定的濁度要求，且抗進(jìn)水濁度沖擊能力較強(qiáng)。具有纖維過(guò)濾設(shè)備由纖維自身特性所決定的的濾速高、過(guò)濾阻力小、納污量大、過(guò)濾周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；但毯式過(guò)濾器還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、纖維固定牢固有序、反沖洗水量低等優(yōu)勢(shì)，這為其替代傳統(tǒng)工藝中的沉淀池和砂濾池提供了理論基礎(chǔ)。毯式過(guò)濾器作為一種新型的過(guò)濾設(shè)備要想投入到實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)進(jìn)一步探究過(guò)濾機(jī)理及影響因素等補(bǔ)充理論，還需要在材料選擇、設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面做更深入的開(kāi)發(fā)、研究和完善，為其的實(shí)用化提供更可靠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

圖4 濁度隨時(shí)間的變化（濾速20m／h）

圖5 濁度隨時(shí)間的變化（濾速30m／h）

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