發布時間：2022-03-12所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： [摘 要]介紹了市政污水深度處理中過濾技術的基本原理和典型裝置，及國內外在此方面的研究進展。展望了市政污水深度處理中過濾技術的研究前景并指出了存在的問題。 [關鍵詞]市政污水;過濾;深度處理 1 背景 隨著水資源的日益緊張，國內外對城市污水處理廠的污水回用已逐
[摘 要]介紹了市政污水深度處理中過濾技術的基本原理和典型裝置，及國內外在此方面的研究進展。展望了市政污水深度處理中過濾技術的研究前景并指出了存在的問題。
[關鍵詞]市政污水;過濾;深度處理
1 背景
隨著水資源的日益緊張，國內外對城市污水處理廠的污水回用已逐步提上日程，要實現污水回用必須對污水進行深度處理，過濾一般作為深度處理的最后一個步驟。有效的過濾不僅可以提高懸浮固體重金屬、病毒以及其它物質的去除率，減少消毒費用，還能克服生物和化學處理過程通常的不規則性，使出水水質保持穩定。
水處理中的過濾技術可以追溯到1829年英格蘭建造的世界上第一個慢速砂濾池[1]，此后，隨著水資源日趨短缺，人們對過濾進行了大量的實驗和理論研究，在過濾工藝技術等方面取得了很大發展，本文對近些年來的一些主要工藝技術進展做出評述。
2 污水深度處理中過濾類型及原理
2.1 過濾類型
水處理中常用的過濾一般可分為深層過濾、膜過濾和表面過濾三大類，如圖1所示：
其中用于市政污水深度處理的主要是深層過濾，其原理為：過濾介質由固體顆粒堆積成床層構造，或用短纖維多層繞制成管狀濾芯，過濾介質的空隙形成許多曲折、細長的通道，被過濾的顆粒比介質內部的孔隙小得多。過濾作用發生于介質的全部空隙體內而不是介質的外表面，懸浮體中的細小顆粒由于熱運動和流體的動力作用走向通道壁面，并藉靜電和表面力被截留。運行一段時間后，隨著截留的顆粒的增加，欲維持相同的過濾速率，必須提高過濾壓強。因此，濾料或濾芯在一定操作周期后更新或反沖清理進行再生處理。深層過濾適用于過濾含固量較小的進水。
而膜過濾主要用于自來水廠給水處理、海水淡化、小流量難處理工業廢水等場合，表面過濾適用于含固體量較大的場合，在市政污水深度處理中應用較少。
2.2 深層過濾理論研究進展
研究表明，懸浮顆粒經過過濾介質被去除，機械篩濾作用起作用較小，主要是懸浮物與濾料或與已截留的懸浮物之間的附著作用。因此這就涉及兩個過程：懸浮物向濾料表面的遷移過程和遷移到濾料表面的懸浮物的附著過程。
遷移過程是懸浮顆粒去除的必要條件。Ives[2]等人認為遷移主要有攔截、慣性、沉淀、擴散和水動力;O’Melia[3]則認為遷移主要是顆粒的布朗運動、分子擴散及流體的流動和重力作用;賈亞軍[4]等人通過對遷移行為的分析及模擬，得出五種遷移機理下的深層過濾動力學模型。各種遷移作用是相互關聯的，在不同的環境下不同的遷移因素占據的地位也不一致。一般認為直徑小于1 μm的懸浮物占主導的是擴散作用，直徑大于10 μm的懸浮物，因其密度較大而沉淀作用占主導，顆粒的直徑越大，攔截作用越突出。
附著作用主要取決于濾料和水中懸浮物表面物理化學特征，主要是表面雙電層、范德華引力、化學鍵和化學吸引力等的作用。 Stephan[5]等對過濾過程中的§電位研究表明，§電位可以描述宏觀過濾行為，通過對高嶺土等§電位的測定表明，可以利用§電位的測定來預測過濾性能。隨著過濾的進行，懸浮物的去除效率呈先增加后明顯下降趨勢，對此Mints[1]給出的解釋是顆粒在濾料上的沉積速率是常數，吸附和脫附在過濾過程中同時存在，且脫附量與比沉積量成正比。顆粒脫附的原因是流動剪切力超過顆粒間的吸附力以及顆粒碰撞造成的不穩定。
目前有關深層過濾的數學模型主要有以下幾類：
1)Iwasaki于1937年提出的唯象理論[1]通過數學模型建立比沉積量與懸浮顆粒濃度、濾層深度和過濾時間等參數的關系，屬于宏觀分析范疇。唯象理論雖簡單易用，但存在沒有提供過程機理，模型中沒有考慮懸浮物尺寸分布等。盡管如此，其對過濾全過程進行了模型化的表達對濾床的設計及操作具有很好的指導作用。
2)Stephan[6]等將遺傳算法原理應用到深層過濾中，實現以較少的實驗來獲得相對較多的參數。Stephan認為，對不同條件下的深層過濾模型，只需修改算法程序中的一些參數即可，這使得計算機模擬深層過濾的過程成為可能。
3)Osmak[7]采用綜合衰變神經網絡系統建立了深層過濾中沉降顆粒分布、懸浮物分布與速率分布間的關系。在假流體以接近推流式的方式通過濾床時，構建出新的過濾數學模型。
4)Ortiz[8]等則將計算流體力學應用到深層過濾中，用來描述過濾過程中阻力的時間—空間變化，提出了有效比表面積和對數過濾定律的幾何模型。
3 過濾工藝研究進展
3.1 砂濾器
砂濾器是用石英砂或花崗巖砂作為過濾介質來截留水中各種懸浮物。由于它是三維過濾，具有較強的截污能力，經常用作精密過濾。其缺點是操作復雜，如在反沖洗時操作不當，造成濾料流失， 且因長期運行濾料摩損表面變圓，截污能力能力下降，更新濾料。
活性砂過濾器是由瑞典Waterlink AB公司發明的基于逆流原理的連續過濾設備。活性砂過濾器是集混凝、澄清、過濾為一體的微絮凝過濾器，減少了一次性投資成本和占地面積。活性砂過濾器不需停機反沖洗，采用單級濾料，無需級配，因而克服了普通砂過濾器水力分布不均和產生初濾液的問題;內部沒有可移動部件，減少了設備的維護和維修成本。北京北小河污水處理廠采用活性砂過濾器處理工藝，CODCr去除率的范圍為10.79 %～62.57 %，平均去除率為35.36 %，使用聚合氯化鋁時SS的平均去除率為 45.97 %，濁度去除率的平均值為82.55 %[9]。該工藝的不足之處在于當提砂管的氣水比較小時，過濾吸附層不能得到有效的沖洗，造成濾層逐漸被含污砂層代替，出水水質變壞;當提砂管氣水比較大時，提砂管內的水量較小，提升的砂料較多，濾料在提砂管內清洗效果差，造成出水水質惡化[10]。
相關知識推薦：校對稿是不是快發表了
翻板濾池是瑞士Sulzer公司下屬工程部的研究成果，因該型濾池的反沖洗排水舌閥(板)在工作過程中是在0～90°范圍內來回運動而得名[11]。其工作原理是進水通過進水渠經溢流堰均勻流入濾池，水以重力滲透穿過濾料層，并以恒水頭過濾后匯入集水室，濾池反沖洗時，先關進水閥門，然后按氣沖、氣水沖水沖3個階段開關相應的閥門[12]，一般重復兩次后關閉排水舌閥，開進水閥門，恢復到正常過濾工況。翻板濾池可選擇單層均質濾料或雙層、多層濾料。一般單層均質濾料采用石英砂或陶粒，雙層濾料采用無煙煤與石英砂或陶粒與石英砂。翻板濾池有級配的礫石承托層，濾料一般不會從濾池底部流失。翻板濾池的反沖洗設計有氣沖、氣水混沖、水沖三個階段，所以濾料反沖洗潔凈度高，過濾時濾層產生的水頭損失小。反沖洗水耗低，假設反沖洗周相同，虹吸濾池、V 型濾池及翻板濾池的反沖洗水量分別為產水量的3.8 %、 2.6 %和1.5 %[13]。昆明自來水集團有限公司七水廠即采用該工藝 [14]，實踐證明其出水效果良好。
3.2 纖維過濾器
目前應用于水處理的纖維過濾器在設計的方式上有所區別，但是原理基本相同，下面就幾種具有代表性的纖維過濾器作介紹。
1) 纖維球過濾器是在容器內填裝纖維球形成床層，在床層中纖維球之間的纖維絲可實現相互穿插形成了一個整體。因纖維球具備一定彈性，在壓力下濾層孔隙率和過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。這是一種過濾效率由低到高遞增的理想過濾方式，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。在整個濾層中，機械篩分和接觸絮凝作用都得到充分發揮，從而實現較高的濾速、截污容量和較好的出水水質。該過濾器存在的不足之處在于因纖維球是呈輻射狀的球體，靠近球中心部位的纖維密實，反洗時污物難于徹底清除，用氣、水聯合清洗時纖維球易流失，用機械攪拌清洗時纖維球易破碎，且不易洗凈。
2) 彗星式纖維過濾器采用彗核形絲束節作為過濾層，上下支承檔板采用深溝窄縫柵網結構，自適應濾料構成的濾層其空隙率沿層高呈梯度分布，下部濾料壓實程度高，空隙率相對較小，整個濾層由下至上逐漸增大，其橫斷面空隙均勻，這種獨特的濾層空隙率分布特性是同時實現高速過濾和高精度過濾的主要原因。對于一定的濾料填充容積, 其能夠提供的有效過濾容積的大小為容積效率，過濾周期長，則濾床截污容量大，容積效率也就越高。
3) PCF型纖維過濾器是用PP、Nylon材質的微細且多束的柔軟纖維絲，在過濾器運行的時候施以回轉機具或壓榨包等去壓榨，使其孔隙變小后過濾，清洗時再放松讓孔隙舒張，用加壓空氣和水施以反沖洗以達到去污目的。這種過濾器的運行、反洗方式是纖維濾料與水流的方向呈垂直狀態，它是融合了筒式過濾器的精密過濾性能和砂濾反沖洗性能而研制出的新型過濾器。PCF型纖維過濾器的特點是占地面積小，且易于實現自動控制。不足之處是纖維裝填量少、運行周期短、反洗頻繁。
4) Hans Muller在20世紀70年代中期發明的刷形過濾器[15]，將纖維長絲制成纖維束，每束纖維壓在支撐板上，長度根據過濾的流體和效率來定，一般為15～300 mm。過濾時，流體壓縮纖維束形成濾層，使通過的液體或氣體得到過濾。反洗時，從相反的方向通入反洗液，壓緊的纖維束伸展，易于去除其中的雜質。該過濾器的主要特點是結構簡單、操作方便。主要不足是纖維呈刷狀，容易纏在一起，給反洗帶來困難，纖維床層一般較薄，過濾性能不穩定。
5)膠囊式纖維過濾器是將長纖維束懸掛孔板上，裝在過濾設備中，纖維束下掛重錘，纖維層中安裝數個軟質膠囊，運行時將膠囊充水，橫向擠壓長纖維，使纖維層孔隙率和過濾孔徑由大到小漸變分布，反洗時先排凈膠囊中的水，使長纖維束床層得以疏松，再用氣水聯合清洗。目前其缺點是設備較復雜，需設有膠囊充、排水系統及充水計量裝置，膠囊易損壞等。
6)無囊式纖維過濾器將纖維束固定在兩塊孔板之間，其中一塊孔板可以在設備內部上下運動，運行時靠水和纖維之間產生作用力，使活動板壓實纖維，反洗時在反向力的作用下孔板與運行時反向運動，拉直纖維，在氣水的聯合反洗作用下，使截留在纖維中的懸浮物得以清除。
7)自壓式纖維過濾器是指僅靠水流和纖維層相對運動產生的作用力實現對纖維層的壓縮。實際上只要對纖維進行適當處理并保持適宜的裝填密度，依靠濾層和水流之間產生的作用力，就完全可以將纖維層壓縮。當水流自上向下通過纖維層時，纖維承受向下的縱向壓力且越往下纖維所受的向下壓力越大。由于纖維束是一種柔性濾料，當縱向壓力足夠大時就會產生彎曲，進而纖維層會整體下移，最下部纖維首先彎曲并被壓縮，此彎曲、壓縮的過程逐漸上移，直至作用力相互平衡。由于纖維層所受的縱向壓力沿水流方向依次遞增，所以纖維層沿水流方向被壓縮彎曲的程度也依次增大，濾層孔隙率和過濾孔徑沿水流方向由大到小分布，這樣就達到了高效截留懸浮物的理想床層狀態。
8)旋壓式纖維過濾器[16]是英國Eric C. Greek公司研制的一種纖維過濾器，纖維一般采用尼龍、聚酯、丙綸等，纖維直徑1～50 μm，長度0.3～2.0 mm，纖維兩端編織起來制成薄片，纏在接頭上，再用夾緊或黏結的方法固定。過濾時，通過傳動機構推動活接頭向下滑動，并旋轉一定角度使纖維纏繞在內筒上，形成濾層。反洗時，活接頭上升，松開纖維，反方向加入清洗液，活接頭便在一定范圍內旋壓，能很快清除床層中的固體雜質。
9)HW深層過濾器[17]由英國Exeter大學分離中心研制，其特點是采用活塞壓縮纖維介質，過濾介質選用富有彈性的纖維材料，如羊毛、碳纖維等，纖維直徑1～10 μm，濾層厚度20～25 cm。過濾時，活塞壓縮過濾介質形成濾層，活塞對纖維的壓縮程度決定可濾除顆粒的細度，反冼時，從底部通入反洗液，活塞上升并在一定高度振蕩，可加快濾層的再生速度，并節省反洗液。HW過濾器過濾性能和自潔能力效果較好。
10)纖維轉盤濾池的過濾介質是纖維毛濾布，其絨毛狀表面由尼龍纖維織而成，同時以聚酯纖維做為支撐體，纖維毛濾布的標稱孔徑為10微米。濾布介質有3~5 mm的有效過濾深度。濾布的深度能夠存儲俘獲的粒子，減小反沖洗流量，同時還可減少正常運行時水頭損失。纖維轉盤濾池的運行狀態包括：過濾、反沖洗、排泥狀態。纖維轉盤濾池可省掉鼓風機房、反沖洗泵房、提升泵房和預加氯單元，還具有運行費用低，出水穩定及管理維護簡單等優勢。該項技術已成功應用于無錫梅村污水處理廠改造工程[18]、大連老虎灘污水處理廠回用工程[18]等項目，效果比較好。
4 結語
隨著材料科學和深層過濾理論的進一步發展，深層過濾技術在過濾材料方面和過濾理論方面都取得了極大的進步，極大地提高了深層過濾的效果和效率。但是仍存在著深層過濾機理研究不透徹、過濾材料造價高、難于徹底清洗干凈、動力消耗大等問題需要進一步研究。——論文作者：劉躍旭
參考文獻
[1]Ives K J.London’s water Filtration since1829，por.6 th World Filtration Congress，Nagoya，JaPan，1993，5
[2]許保玖，安鼎年.給水處理理論與設計[M].北京：中國建筑工業出版社，1992.
[3]O’Melia C R . Particles pretreatment and performance in direct filtration.JEED ASCE.1985，114(6)：874-890.
[4]賈亞軍，金同軌.過濾動力學淺析[J].西安建筑科技大學學報：自然科學版，2002，34(2)：109-111.
[5]Stephan E A，Chase G G.Preliminary examination of zeta potential and deep bed filtration activity[J].Separation and purification technology，2001， 21：219-226.
[6]Osmak S，Gosak D.Dynamic mathematical model of deep filtration process[J].Computers Chem.Eng，1997，21：763-768
[7]Arturo Ortiz-Arroyo.CFD modeling and simulation of clogging in packed beds with nonaqueous media[J].AIChE，2002，48(8)：1596-1609.
[8]Wintgens T，Meling T.The role of membraneprocesses in muncipal wastewater reclamation and reuse[J].Desalination，2005(178)：1-11.
[9]王東，馬景輝.DynaSand 活性砂過濾器在市政中水回用中的應用[J].工業水處理，2006.
[10]呂炳南，陳志強.連續式砂濾器過濾技術試驗研究[J].南京理工大學學報，2001，25(5).
[11]張偉，陳海松.翻板型濾池的特點及設計探討[J].中國給水排水，2005， 21(4)：68-71.
[12]李瑞成，戴雄奇，陳鷹.翻板型濾池在實際工程中的設計探討[J].中國給水排水，2006，22(18)：48-51.
[13]吳濟華，馬剛.翻板型濾池[J].給水排水，1999，25(12)：21-24.
[14]周俊杰，江慶立.翻板濾池在昆明給水處理中的應用[J].給水排水， 2006，32(3)：37-39.
SCISSCIAHCI
