彗星式纤维滤料直接过滤原水的试验研究
作者：刘沫 王夏 李振瑜 俞建德 马立峰
摘要：论述了将彗星式纤维滤料应用于压力过滤器的中试情况。试验结果表明，进水浊度为15-60NTU，滤速20-100m/h的条件下，彗星式纤维滤料过滤器运行稳定。主要技术指标为：出水浊度≤1NTU，悬浮物去除率≥96.1%，过滤周期2-16.5h，单位面积周期产水量250-560 m3/m2，截污量15-33kg/m3（滤料），反冲洗耗水率1-2%，剩余积泥率0.5-2%。
关键词：彗星式纤维滤料 过滤 水处理
0 引言
彗星式纤维滤料是近年的结合颗粒滤料与纤维成形体滤料特点的一种新型滤料[1,2]，它既能发挥纤维滤料比表面积大的优势，又具备颗粒过滤材料反冲洗简便的特点。本文考察了以彗星式纤维滤料应用于压力式的悬浮物去除率、过滤周期、水头损失、截污量、反洗耗水率和剩余积泥率等指标，并针对试验结果进行了讨论。
1 试验系统与装置
1.1 试验系统及测试方法
1―蓄水池 2―加药流量计 3―加药箱 4―水泵
5―进水流量计 6―上隔板 7― 8―压力计
9―滤层 10-下隔板
图1 试验流程图
试验采用投加絮凝剂进行压力式直接过滤的方法，工艺流程见图1。原水为粘土和淤泥自配水。直径Ф800mm，碳钢焊制，上下隔板间距2.8m。采用聚合氯化铝（PAC）溶液为絮凝剂，投加量5-8mg/L，接触絮凝时间1-3min。滤速范围20-100m/h，操作压力0.04-0.35MPa，出水浊度≤1NTU。采用气-水联合方式进行反冲洗。
1.2 试验滤料
滤料规格为Ф2.5×0.7×(25-30)（彗核直径/mm×丝束直径/mm×彗尾长度/mm），彗核相对密度为1.1，滤料所用纤维为聚酯纤维，纤维丝径20-40μm，卷曲数为7-10个/cm。
2 试验结果
2.1 过滤试验
彗星式纤维滤料的操作方式为压力式。出水浊度控制指标为1NTU，试验过程中滤床的水头损失处于操作压力范围之内，因而最大过滤时间由出水泄漏浊度控制。
2.1.1 典型试验曲线
图2为彗星式滤料在滤速80m/h下的过滤曲线。
图2 80m/h滤速下的浊度去除效果
2.1.2 试验结果
表1给出了彗星式纤维滤料压力进水平均浊度在17-61NTU之间、滤速为20-100m/h的试验结果[3]。
表1 彗星式滤料过滤试验条件及结果
| 试验组号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 水温/℃ | 17 | 13 | 9 | 20 | 10 | 8 | 9 |
| 滤速/m/h | 20 | 40 | 40 | 40 | 60 | 80 | 100 |
| 过滤周期/h | 16.5 | 6.5 | 14 | 8 | 9 | 6.5 | 2 |
| 周期产水量/m3 | 165 | 130 | 280 | 160 | 270 | 280 | 125 |
| 滤层单位面积周期产水量/m3/m2 | 330 | 260 | 560 | 320 | 540 | 560 | 250 |
| 进水浊度/NTU① | 61 | 58 | 28 | 19 | 21 | 17 | 54 |
| 出水浊度/NTU | ≤1 | ≤1 | ≤1 | ≤1 | ≤1 | ≤1 | ≤1 |
| 去除率/% | 99.47 | 98.64 | 98.54 | 97.38 | 98.17 | 96.1 | 98.91 |
| 截污量/kg/m3（滤料） | 33.04 | 24.35 | 25.32 | 24.68 | 18.31 | 15.37 | 21.80 |
| 起始水头损失/cm | ―― | 45.3 | ―― | ―― | 96.3 | 147.3 | 361.6 |
| 终止水头损失/cm | ―― | 606.5 | ―― | ―― | 1260 | 1494 | 769.8 |
① 试验测得，1NTU计浊度相当于1.2176mg/L计悬浮物浓度。
2.2 水头损失
图3为滤速分别在60m/h和80m/h下的水头损失随时间变化的情况；图4为不同进水浊度下水 头损失随时间的变化情况。
图3 滤速与总水头损失的关系
图4 进水浊度与总水头损失的关系
2.3 对悬浮颗粒的截留粒径
采用测定进出水颗粒粒径的方法考察彗星式纤维滤料对不同粒径颗粒的截留效果如下。
(1) 分别取进出水水样，用显微图像仪记录水中颗粒状况，采用划线计数法直接测量水中大于2μm粒子的个数。对大于2μm的颗粒的去除效果见表2[4]。
表2 大于2μm的颗粒的去除效果
| 水样编号 | 进水平均数目/个 | 出水平均数目/个 | 去除率/% |
| 1 | 251 | 11 | 95.6 |
| 2 | 230 | 11 | 95.2 |
(2) 金志刚的研究结果表明[5]：对进水浊度约50NTU，粒径小于5μm的颗粒在70%以上的高岭土自配水进行不加药以20m/h滤速进行直接过滤，出水平均浊度1NTU，10μm以上的颗粒全部去除。
2.4 反冲洗过程
2.4.1 反冲洗规程
彗星式纤维滤料的反冲洗采用气-水联合反冲洗。经过试验确定反冲洗规程为：先以反冲洗水将滤床托起，使滤床略加膨胀，滤料间孔隙增大，然后进气反洗，进一步将滤料冲散。操作条件见表3。
表3 反冲洗操作规程
| 反冲洗规程 | 操作时间/min | 反冲洗空气强度/L/(m2·s) | 反冲洗水强度/L/(m2·s) | 反冲洗耗水量/m3 |
| 水流托起滤床 | 1 | ―― | 30 | 0.9 |
| 空气反冲洗 | 6 | 40 | ―― | |
| 气水混和反冲洗 | 2 | 40 | 11 | 0.66 |
| 水流冲洗 | 1 | ―― | 30 | 0.9 |
| 总计 | 10 | ―― | ―― | 2.46 |
2.4.2 试验结果
(1) 反冲洗耗水率
彗星式纤维滤料的反冲洗耗水率约为1-2%。
(2) 剩余积泥率
反冲洗后滤料的剩余积泥率0.5-2%。反冲洗后滤料并不能恢复到使用前的状态，但运行稳定后，滤层内积泥量基本不变。试验中测得彗星式纤维滤料反冲洗后的积泥量：在滤速为40m/h和80m/h下，剩余积泥率分别为1.81%和1.08%。
2.5 滤料填装量
内滤料填装量的不同会直接影响过滤性能和反冲洗效果。
表4为填装量分别为160kg/m2和100 kg/m2下的进出水浊度测量值和水头损失值。当继续减少滤料填装量至60kg/m2时，在过滤开始约1小时后出水浊度迅速升高，说明滤料填装量不宜在60kg/m2以下。
表4 不同滤料填装量的过滤试验
| 时间/h | 填装量为160 kg/m2 | 填装量为100 kg/m2 | ||||
| 进水浊度/NTU | 出水浊度/NTU | 水头损失/cm | 进水浊度/NTU | 出水浊度/NTU | 水头损失/cm | |
| 2 | 48 | 0 | 223.3 | 40 | 0 | 193.1 |
| 3 | 59 | 0 | 264.1 | 40 | 1 | 264.5 |
| 4 | 66 | 5 | 274.3 | 32 | 1 | 274.7 |
| 4.5 | 56 | 4 | 315.1 | 71 | 1 | 274.7 |
| 5 | 48 | 7 | 366.1 | 110 | 2 | 274.7 |
| 5.5 | 36 | 8 | -- | 58 | 1 | 295.1 |
| 6 | 67 | 19 | 447.8 | 59 | 1 | 356.3 |
3 分析与讨论
3.1 彗星式纤维滤料与纤维球滤料各项性能指标对比
表5为彗星式纤维滤料与纤维球滤料的各项指标列表，其中纤维球数据取自[6] 。
表5 彗星式纤维滤料与纤维球滤料各项指标比较
| 指标 | 彗星式纤维滤料 | 纤维球滤料 |
| 滤柱直径/mm | 800 | 150 |
| 滤速/m/h | 20 | 20 |
| 进水浊度/度 | 62 | 50 |
| 出水浊度/度 | ≤1 | 2.9 |
| 初滤阶段/ min | ≤3 | ≤60 |
| 截污量/kg/m3(滤料) | 33.04 | 10.4 |
| 去除率/% | 99.47 | 94.2 |
| 过滤周期/h | 16.5 | 11.0 |
| 产水量/m3/m2(滤料) | 330 | 220 |
| 反冲洗耗水率/% | 1-2 | 5-8 |
| 剩余积泥率/% | 0.5-2 | >11 |
3.1.1 截污量
在相同滤速下，彗星式纤维滤料的单位体积截污量大于纤维球滤料。
与其他纤维滤料类似，彗星式纤维滤料在过滤时，由于水流的压力，使滤床上疏下密，孔隙率自上而下由大至小分布，滤床的纳污能力强。滤速降低，截污量和过滤周期均有明显增加。
与其他纤维滤料不同的是，通过实验室有机玻璃发现，彗星式纤维滤料滤床上部约150-200mm的区域内，滤料层疏松，浓集悬浮物多，增加了截留悬浮物之间接触、碰撞的机会，其作用类似于澄清池中的悬浮区。试验发现此区域内水头损失也很大，表明整个滤层的利用率增大，这是彗星式纤维滤料滤床纳污量大的一个主要原因。此外由于彗星式滤料的特殊形状，使得反冲洗效果良好，其剩余积泥率远小于纤维球滤料，进而增大了滤床截污量。
3.1.2 滤床成熟期
深层在反冲洗后的过滤初期有一段水质不稳定阶段，称之为滤床的成熟期[7]或初滤阶段。过滤开始阶段对内反洗水置换速度的大小、滤层压缩的快慢和滤床横向的孔隙结构决定了成熟期的长短。较高的滤速不仅使彗星式纤维滤料滤层积留的反冲洗水很快被置换出去，同时也令滤层迅速压缩达到足够的致密度；而彗星式纤维滤料尺度小、结构不对称等因素，使其滤床的孔隙结构在横向的均匀性得到明显改善。纤维球滤料的初滤阶段约为1h，彗星式纤维在20-100m/h的滤速范围内初滤时间最大为3min，出水浊度便下降到1NTU以下。
3.1.3 反冲洗特点
由表5可知，相同滤速和进水浊度条件下，纤维球滤料的反冲洗耗水率为5-8%，而彗星式纤维滤料的反冲洗耗水率为1-2%。反冲洗时通过的观察窗发现，滤料被冲散后，单个滤料在水流和气流的共同作用下在内运动的同时，由于受到彗尾、彗核密度差（Δρ≥0.13）及不对称结构的影响，彗尾纤维散开并摆动，产生较强的甩曳力，使附着的固体颗粒易于脱离。其中彗尾容易散开是因为每个滤料所包含的纤维根数少，一般24股×（24-48）根纤维单丝，故反洗时纤维丝与丝之间相互约束较弱。
3.2 滤床水头损失
滤速增大或进水浊度增大，滤层总水头损失随时间增长较快。
彗星式滤料的总水头损失与过滤时间并不呈严格的线性关系，因为除了滤速和进水浊度增加而引起的滤床阻力增加外，截污量的增大引起滤床进一步压缩，滤床的孔隙率减小，使水头损失上升。
3.3 滤料填装量
滤料填装量过少，会使滤床过早的穿透，出水浊度值迅速升高，达不到理想效果；反之滤料填装量过多，会产生不必要的水头损失，并且在相同的反冲洗条件下，滤料的流化程度降低，影响反冲洗效果。
3.4 运行实例
彗星式纤维滤料在北京市酒仙桥污水处理厂的“污泥脱水车间中水回用”运转试验表明，其对有机物有较强的去除能力。
该工艺为对二沉池出水投加絮凝剂后直接过滤。直径Ф800mm，滤速40m/h，采用气-水联合反冲洗，絮凝剂为聚合氯化铝，投加量2-8mg/L。表6为各测定项目的平均去除率情况。
表6 各测定项目的平均去除率
| 测定项目 | 进水值 | 出水值 | 去除率 |
| 浊度/NTU | 3.42 | 0.47 | 86.3% |
| COD/mg/L | 33.45 | 17.83 | 46.7% |
| BOD5/mg/L | 11.64 | 1.74 | 85.1% |
| 氨氮/mg/L | 1.53 | 1.32 | 13.7% |
| 色度/度 | 30 | 20 | 33.3% |
其中因为进水浊度值很低，故浊度去除率只有86.3％。
4 结论
(1) 水温在8-17℃之间，彗星式纤维滤料的过滤速度为20-100m/h，过滤周期2-16.5h，出水浊度≤1NTU。
(2) 彗星式滤料截污量为15-33 kg/m3（滤料）。滤速降低，截污量增大。
(3) 初滤阶段时间短，在20-100m/h的滤速范围内初滤时间小于3min。
(4) 彗星式纤维滤料应用于压力的滤料填装量为60-100kg/m2。
(5) 采用先以反冲洗水将滤床托起，然后进反冲洗空气进行反冲洗的方法，可实现滤料的充分清洗，反冲洗耗水率1-2%，剩余积泥率0.5-2%。
(6) 彗星式纤维滤料压力用于污水过滤的运行实例表明，其对有机物有较好的去除效果。
文献
[1]李振瑜，刘力群，金志刚. 彗星式纤维过滤体. 实用新型. ZL 98249298.7
[2]李振瑜，王夏. 彗星式纤维过滤材料. 给水排水，2002，28（6）: 71-73
[3]王夏. 彗星式纤维滤料的性能及性能曲线. [硕士学位]. 北京：清华大学环境与工程系, 2002, 24-48
[4]中国水产科学院黄海水产研究所. 工厂化养殖海水净化和高效循环利用关键技术. 国家八六三计划项目验收报告, 2000, 9
[5]金志刚. 彗星式纤维滤料的初步研究. [学士学位]. 北京：清华大学环境科学与工程系, 1999
[6]熊岚等. 纤维球滤料直接过滤原水的试验研究. 中南工学院学报，2000，14（1）：33-37
[7]Nacem, et al. The effect of back washing rate on filter performance. Journal of the American Water Works Association, 1982(5): 242-248