胡海修 謝從波 楊向陽(yáng) 姚吉倫 趙廣健 吳恬 胡蓉 劉曉東

　　摘要：本文闡述了可調(diào)式纖維濾料過濾裝置的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究表明纖維濾料具有優(yōu)越的過濾性能，能有效地提高濾速、出水水質(zhì)，減輕設(shè)備重量，特別適用于中小型水處理裝置。

　　我國(guó)水源大多受到不同程度的污染。軍隊(duì)后勤保障、搶險(xiǎn)救災(zāi)、野外作業(yè)都需要移動(dòng)式水處理裝置。過濾工藝是其關(guān)鍵設(shè)備。研制重量輕、過濾效果好、截污量大的濾料及過濾技術(shù)是水處理研究的重要課題。
　　纖維濾料，化學(xué)穩(wěn)定好、強(qiáng)度高、密度小。表面絲狀結(jié)構(gòu)形成網(wǎng)形分布，具有可壓縮性。纖維濾料孔隙分布比較均勻，能較好克服表面堵塞，具有濾速高、過濾周期長(zhǎng)、水頭損失增長(zhǎng)慢等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)今給水處理裝置日益得到發(fā)展，可調(diào)式纖維濾料過濾技術(shù)與裝置是一種有廣泛應(yīng)用前景的水處理裝置。

1. 試驗(yàn)裝置與流程

1.1試驗(yàn)裝置
　　試驗(yàn)濾柱高1600mm，直徑Ф300mm，纖維長(zhǎng)度800mm。底部配水室高400mm，頂蓋內(nèi)設(shè)有布水板，使進(jìn)水在過濾器內(nèi)均勻分布；試驗(yàn)原水加混凝劑攪拌混合后進(jìn)入過濾器過濾，溢流高度為4m，濾速由過濾水閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。
　　流程如圖1所示。

1.2水樣配置
　　試驗(yàn)原水采用人工配制，模擬沉淀池出水，濁度為10～20NTU。
1.3濾料、混凝劑
　　采用纖維束濾料，纖維絲徑2.5μm，纖維濾床松散高度為1000mm，纖維密度0.628g/cm³。
　　采用聚合氯化鋁作為混凝劑，加藥量為0.4～0.9mg/L。

2.試驗(yàn)結(jié)果與討論

　　對(duì)可調(diào)式纖維濾料過濾技術(shù)性能進(jìn)行了近一年的運(yùn)行測(cè)試。研究表明，其去除原水濁度效果顯著，濾速14.29m/h，出水量242.93m³/m²，周期為17h，反沖洗耗水量2.79m³/m²，占過濾水量的1.2%。（見圖2～4）

2.1孔隙率
　　濾料層各局部的空隙率與濾料顆粒的排列狀況關(guān)系密切。石英砂局限于硬質(zhì)球狀顆粒，因而孔隙率在26%-47.6%之間；纖維濾料空隙率主要由纖維直徑來決定，為線狀立體排列模型所構(gòu)成的空隙分布。^[1]另外，纖維孔隙率與其彈性膨脹系數(shù)有關(guān)，其特有的伸縮性能使纖維濾料在過濾過程中能隨水頭損失的變化自動(dòng)調(diào)整內(nèi)部孔隙率，形成類似均粒濾床的性質(zhì)，維持一種動(dòng)態(tài)均衡。纖維束初裝自然塌落的孔隙率為87.5%，根據(jù)試驗(yàn)情況選擇三種孔隙率：84.8%、80.2%、78.4%，并由濾床孔隙率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。
2.2過濾周期
　　由于纖維濾料的可壓縮性良好，形成上下層孔隙較為均勻，充分發(fā)揮了濾料層的截污功能，使過濾周期相應(yīng)得到延長(zhǎng)。實(shí)踐證明，下向流過濾截留懸浮物質(zhì)主要發(fā)生在濾料上層部分。在懸浮物隨原水由上向下運(yùn)動(dòng)中，由于攔截、沉淀、吸附、慣性、擴(kuò)散和水動(dòng)力等作用，被粘附在濾料表面上。首先與頂層濾料接觸，積沉在表層濾料中，在粘附同時(shí)還存在由于孔隙中水流剪力作用而導(dǎo)致懸浮物脫落，懸浮物進(jìn)入深層濾床部分。常規(guī)石英砂濾料反沖洗后下層濾料粒徑相對(duì)較大，表層濾料粒徑較小，表層濾料截留懸浮物后，過濾水頭損失絕大部分發(fā)生在濾床的上層，下層濾料發(fā)揮作用不充分。纖維束濾料經(jīng)壓縮調(diào)節(jié)所形成的孔隙呈網(wǎng)絡(luò)狀分布，有利于表面截留懸浮物繼續(xù)向下滲透。
　　試驗(yàn)表明，在纖維濾料中，結(jié)構(gòu)疏松，下層與上層濾料孔隙率接近，，懸浮物容易進(jìn)入深床部分，水頭損失增長(zhǎng)較緩慢，因而過濾的周期得到延長(zhǎng)。纖維濾料的過濾周期與壓縮比有關(guān)，當(dāng)孔隙率大于80%時(shí)，纖維過濾進(jìn)程的終止是以濾層穿透致使?jié)岫瘸瑯?biāo)（2NTU）為控制指標(biāo)；而當(dāng)孔隙率在80%以下時(shí)，過濾中水頭損失明顯增加，以濾后水頭損失達(dá)到了設(shè)計(jì)值停止運(yùn)行時(shí)間。纖維濾料可調(diào)節(jié)最佳壓縮比，當(dāng)孔隙率80-84%時(shí)過濾周期最長(zhǎng)，既不會(huì)過早突破濁度閾，也不會(huì)引起水頭損失的快速增長(zhǎng)，引起表面堵塞、水頭損失增長(zhǎng)率較高的現(xiàn)象，可形成良好的濾床截污能力。
2.3過濾水頭損失
　　在過濾過程中，濾層水頭損失是不斷變化的。影響過濾水頭損失的因素很多，如水質(zhì)、溫度、濾速、孔隙率、濾料級(jí)配和顆粒形狀、懸浮物性質(zhì)等。一般采用滲透曳力理論計(jì)算纖維濾料類高孔隙率濾床的過濾水頭損失。將“拖曳”障礙物看作纖維狀，作用在“纖維”上的力F等于三個(gè)相互垂直方向上作用力的簡(jiǎn)單加和或線性疊加。^[2]若原水條件（如濁度、懸浮物尺寸等）不變，濾料水頭損失可用Darcy定律關(guān)系式計(jì)算：

　　dP/dL=μu/K