新型纤维过滤器的过滤参数优化及滤层特征研究

刘 坤，周宁玉*，谢朝新，牟 彪，黄泽明，艾毅宁

(1.后勤工程学院国防建筑规划与环境工程系，重庆 401311； 2.西宁保障中心成都房管局工程监督站，四川 成都 610041)

新型纤维过滤器的过滤参数优化及滤层特征研究

刘 坤1，周宁玉1*，谢朝新1，牟 彪1，黄泽明1，艾毅宁2

(1.后勤工程学院国防建筑规划与环境工程系，重庆 401311； 2.西宁保障中心成都房管局工程监督站，四川 成都 610041)

研发了一种新型高效纤维束过滤器,以过滤出水浊度、过滤周期和过滤能力指数为综合评价指标，考察了滤床密度、滤速和聚合氯化铝(PAC)投加量对过滤出水浊度的影响，并探究了在最佳运行参数条件下不同滤层深度出水浊度随时间的变化。结果表明，新型纤维过滤器的最佳运行参数为：滤床密度62.86 kg·m-3，滤速30.0 m·h-1，PAC投加量40 mg·L-1，在该运行模式下平均过滤出水浊度低于0.01 NTU，过滤周期260 min，周期产水量5 200 L。浊度的去除主要通过200～500 mm滤层，该段滤层浊度下降最快，浊度去除率85%左右，而600～700 mm段滤层经压缩后孔隙尺寸极小，起到了良好的浊度保护作用，最终过滤出水浊度均保持在了0.1 NTU以下。

纤维过滤器；过滤参数优化；滤层特征

由于传统粒状滤料过滤受粒径、级配等因素的限制，存在滤速低、占地面积大、过滤精度低、反冲洗不彻底等诸多问题。与传统的粒状滤料过滤技术相比，高效纤维过滤技术展现出极大优势。高效纤维过滤具有对水阻力小、过滤速度快、截污容量大等特点，为深层过滤技术的发展带来了质的飞跃[1-3]。纤维滤料具有质地软、强度高、体轻、质柔、易于压缩的特点，在一定压力条件下，可形成孔隙尺寸沿过滤方向逐渐减小的理想滤床。

基于纤维滤料的上述特点，国内外学者设计研发了多种不同形式的纤维过滤器。具有代表性的成果有前苏联的滤层高度可调型纤维过滤器、日本的纤维球过滤器、瑞典的刷形纤维过滤器、韩国的扭扭舞型过滤器和中国的胶囊式纤维过滤器、无囊式纤维过滤器等[4-7]。

上述纤维过滤器按压缩方式可分为水力压缩和机械压缩。水力压缩式纤维过滤器主要依靠水流产生压力，实现对滤床的压缩，并且随着过滤的进行水头损失逐渐增大，所产生的压力越大，滤床的压缩程度逐渐提高，过滤出水水质也逐渐提高。水力压缩式纤维过滤器具有结构简单、清洗方便等优点，但由于水力压缩产生的压力过小，导致过滤初期出水水质较差、整体过滤精度低[8-10]。针对此问题，发展了机械压缩式纤维过滤器，这种纤维过滤器通过机械压缩机构和一个与之相连的活动的滤板沿过滤方向对滤床进行压缩，整体压缩程度比水力压缩的要高，但由于是沿着过滤方向进行压缩，导致滤床底部保护层的压缩程度低，孔隙尺寸偏大，不能保证良好的过滤精度[11-12]。

针对上述纤维过滤器存在的问题，作者研发了一种逆过滤方向压缩的新型纤维过滤器，过滤方式为下向流，采用气压缸和活动滤板由下至上对滤床进行压缩，构建孔隙尺寸沿过滤方向逐渐减小的理想滤床，并对新型纤维过滤器的滤床密度、滤速、聚合氯化铝(PAC)投加量等3个运行参数进行优化。

1 实验

1.1 材料

实验原水采用高岭土原水，水质为：浊度295～305 NTU，温度35.5～42.8 °C，pH值7.13～8.12。

聚合氯化铝(PAC，固体产品，含量32%，碱化度65%)，内蒙古天之骄高岭土有限公司。

1.2 实验装置及流程(图1)

图1 实验装置及流程

过滤装置：过滤柱为用304不锈钢材料制成的罐体，底面为边长200 mm的正方形、高1 360 mm；滤料组件为长1 000 mm、直径30μm的聚丙烯纤维束，其上端和下端分别固定于上滤板和下滤板；压缩机由空压机和一组由3个气压缸串联成的三行程的气压缸组成，可实现不同滤床密度的调节。

原水经过管道混合器时，由计量泵将PAC溶液注入管道混合器，原水和PAC溶液经过初步混合后进入高效纤维过滤器,再经过上滤板上的配水孔进入滤层过滤，过滤出水再经过滤集水装置后进入净化水箱。

当过滤出水浊度超过0.5 NTU时，过滤实验即结束并进行反冲洗。采用气-水联合反冲洗，水洗强度8 L·s-1·m-2，气洗强度30 L·s-1·m-2。

1.3 方法

1.3.1 纤维过滤器操作方式

过滤时，打开空压机向气缸正向充入一定体积的压缩空气，气缸活动杆向上推动下滤板沿过滤反方向对滤层施加压缩力，使滤层压缩至一定高度，从而使滤层的过滤孔隙尺寸从上到下递减分布，形成理想滤层。清洗时，打开空压机向气缸反向充入一定体积的压缩空气，使纤维束得以疏松，采用压缩空气和反冲洗水进行气-水联合冲洗。

现场中试试验采用压力式过滤，下向流直接过滤的方法。滤速范围15.0～37.5 m·h-1，过滤水量600～1 500 L·h-1。滤速和反冲洗水强度由LZM-25G型管道式浮子流量计调控；反冲洗气强度由VA10S-150型气体转子流量计调控。

1.3.2 评价指标

(1)浊度：采用2100N型浊度仪测定。从距滤料下端高100 mm处起，在滤柱上间隔100 mm设置取样孔，将滤层分为10段，取样孔用于测定不同时刻、不同深度处的出水浊度，用以研究滤层的除浊性能。

(2)过滤能力指数：采用过滤能力指数评价纤维过滤器的综合性能，过滤能力指数反映了过滤周期内过滤器的截污能力，表示为：过滤进出水浊度差(即截留浊度)与周期产水量的乘积。

过滤能力指数=(C0-C)×v×t

式中：C0为过滤周期内平均进水浊度；C为过滤周期内平均出水浊度；v为过滤周期内平均滤速；t为过滤周期。

1.3.3 实验方案设计

纤维过滤出水水质和过滤周期主要受滤床密度、滤速和PAC投加量等3个因素的影响，每个因素的变化都会对整个过滤体系产生影响。采用单因素实验优化每个因素的最佳水平。

固定滤速为30.0 m·h-1、PAC投加量为35 mg·L-1，考察滤床密度对出水水质和过滤器性能的影响。

固定滤床密度为62.86 kg·m-3、PAC投加量为35 mg·L-1，考察滤速对出水水质和过滤器性能的影响。

固定滤床密度为62.86 kg·m-3、滤速为30.0 m·h-1，考察PAC投加量对出水水质和过滤器性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果(表1)

2.2 滤床密度对出水水质和过滤器性能的影响

通过3个不同行程(100 mm，200 mm，300 mm)的串联组合气压缸分别对初始滤床密度为44.00 kg·m-3的滤床进行压缩，压缩后滤床密度分别为48.89 kg·m-3、55.00 kg·m-3、62.86 kg·m-3。不同滤床密度对新型纤维过滤器的浊度去除效果如图2所示。

由图2和表1可知，滤床经过压缩后其平均出水浊度均保持在0.1 NTU以下，而未经压缩的滤床平均出水浊度为0.319 NTU。

表1 纤维过滤器单因素实验结果

Tab.1 Results of single factor experiment of fiber filter

滤床密度kg·m-3滤速m·h-1PAC投加量mg·L-1平均出水浊度NTU过滤周期min过滤能力指数44．0030．0350．3195801198448．8930．0350．09401652474255．0030．0350．08542252699262．8630．0350．09342303823862．8615．0350．07543452586862．8622．5350．09622703036562．8630．0350．08492303448762．8637．5350．23001502810362．8630．0300．08062203299462．8630．0350．08002403599062．8630．0400．07982503749362．8630．0450．077324536740

图2 不同滤床密度的浊度去除效果

由表1可知，过滤周期随滤床密度的增大逐渐延长，未经压缩的滤床其过滤周期仅为80 min，滤床密度为62.86 kg·m-3的滤床其过滤周期则达到了230 min。过滤能力指数随滤床密度的增大而增大。综合考虑，确定最佳滤床密度为62.86 kg·m-3。

传统的颗粒过滤要实现变孔径过滤需要采用不同级配与密度的滤料，但由于其颗粒粒径无法进一步缩小，不能实现理想的深层过滤。而该新型纤维过滤器采用由直径为30μm的纤维丝组合而成的纤维束为滤料，其比表面积大且表面自由能高。经过适当逆向压缩后的纤维滤床，形成了孔隙尺寸沿过滤方向逐渐减小的理想滤层。一方面增大了滤床的纳污量使得过滤周期延长，另一方面可以大大增加底部的密实程度，保证了过滤精度。

2.3 滤速对出水水质和过滤器性能的影响

滤速是影响过滤出水水质最重要的因素之一，在纤维过滤中滤速不仅影响过滤周期和原水在滤层中的水力停留时间，并且随着滤速的增大，水流所产生的剪切力增大，同时滤速也可以配合机械压缩装置对滤床实现进一步的压缩形成理想滤床。滤速对新型纤维过滤器的浊度去除效果如图3所示。

图3 不同滤速的浊度去除效果

由图3和表1可知，当滤速小于或等于30.0 m·h-1时，随着滤速的增大，平均出水浊度变化不明显，均保持在0.1 NTU以下；但当滤速达到37.5 m·h-1，平均出水浊度增大，达到0.23 NTU。

由表1可知，随着滤速的增大，过滤周期逐渐缩短，当滤速为15.0 m·h-1时，过滤周期最长，为345 min；当滤速为37.5 m·h-1时，过滤周期最短，为150 min。随着滤速的增大，过滤能力指数先增大后减小，在滤速为30.0 m·h-1时，过滤能力指数最大；在滤速为37.5 m·h-1时，过滤能力指数反而减小。综合考虑，确定最佳滤速为30.0 m·h-1。

2.4 PAC投加量对出水水质和过滤器性能的影响

采用投加PAC直接过滤方式，投药量决定絮体的结构及大小，直接影响着过滤性能。PAC投加量对新型纤维过滤器的浊度去除效果如图4所示。

图4 不同PAC投加量的浊度去除效果

由图4和表1可知，随着PAC投加量的增加，平均出水浊度逐渐降低，且均低于0.1 NTU；当PAC投加量为45 mg·L-1时，平均出水浊度最低，为0.077 NTU。

由表1可知，随着PAC投加量的增加，过滤周期先延长后缩短，当PAC投加量为40 mg·L-1时，过滤周期最长，为250 min；当PAC投加量增加到45 mg·L-1时，过滤周期为245 min。随着PAC投加量的增加，过滤能力指数逐渐增大，PAC投加量超过40 mg·L-1后，过滤能力指数略有减小。综合考虑，确定最佳PAC投加量为40 mg·L-1。

2.5 最佳运行参数条件下不同滤层深度对出水浊度的影响

纤维束滤料具有大的比表面积，体轻质柔，具有良好的压缩性能，本装置通过逆过滤方向压缩纤维滤层，使得滤层孔隙尺寸沿过滤方向呈指数型减小，形成理想滤层，大大降低了底部保护层的孔隙尺寸。在滤床密度为62.86 kg·m-3、滤速为30.0 m·h-1、PAC投加量为40 mg·L-1的最佳运行条件下，滤床进出水浊度变化和不同滤层深度出水浊度随滤池运行时间的变化如图5、图6所示。

图5 高效纤维过滤器的浊度去除效果

图6 不同滤层深度的浊度去除效果

由图5可知，在最佳运行条件下平均出水浊度低于0.01 NTU，过滤周期260 min，周期产水量5 200 L。

由图6可知，出水浊度的去除主要是依赖于200～500 mm段滤层，在该段滤层出水浊度下降最快，出水浊度的去除率在85%左右；随着过滤的进行，每层过滤出水浊度均有所上升，但最终出水浊度均保持在了0.1 NTU以下，表明600～700 mm段滤层经压缩后孔隙尺寸极小，起到了良好的浊度保护作用，保证了过滤精度。

3 结论

研发了一种逆过滤方向压缩的新型高效纤维过滤器，过滤方式为下向流，采用气压缸和活动滤板由下至上对滤床进行压缩，构建孔隙尺寸沿过滤方向逐渐减小的理想滤床，对其运行参数进行了优化，并对不同滤层深度的除浊特性进行了研究。

(1)新型纤维过滤器的滤床密度增大，平均出水浊度先减小后增大，过滤周期逐渐延长；在一定滤速范围内，随滤速的增大，平均出水浊度逐渐升高，过滤周期缩短；随着PAC投加量的增大，平均出水浊度逐渐减小，过滤周期延长。

(2)新型纤维过滤器的最佳运行参数为：滤床密度62.86 kg·m-3，滤速30.0 m·h-1，PAC投加量40 mg·L-1。在此条件下，平均出水浊度低于0.01 NTU，过滤周期260 min，周期产水量5 200 L。

(3)纤维束滤床孔隙尺寸分布合理，形成理想滤层，在过滤中整个滤层都能充分发挥纳污作用。出水浊度的去除主要通过200～500 mm滤层，该段滤层出水浊度的去除率在85%左右,出水浊度下降最快；而600～700 mm段滤层经压缩后孔隙尺寸极小，起到了良好的浊度保护作用，最终出水浊度均保持在0.1 NTU以下。

[1] 王世和，周飞，吴铭铭，等.长纤维高速过滤器的运行特性与性能优势[J].过滤与分离，2008,18(1)：38-41.

[2] 王树勋，赵瑾，张雨山，等.纤维滤料与石英砂过滤海水的对比试验[J].化工进展，2013，32(8)：1939-1942.

[3] 李亚峰，庞晶晶，孟繁丽.均粒石英砂滤料过滤效果的生产性试验与应用[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2007，23(4)：635-638.

[4] 吕淑清，侯勇，李俊文.纤维过滤技术的研究进展[J].工业水处理，2006，26(10)：6-9.

[5] 张万友，郗丽娟，陈雪梅，等.几种纤维过滤器的工作原理及特性[J].中国给水排水，2003，19(6)：23-25.

[6] 刘德涛.纤维过滤器的种类和比较[J].洁净与空调技术,2013(4)：110-112.

[7] 张敏.滑板式纤维过滤器在水处理中的应用[J].沈阳化工学院学报,2003,17(2)：136-138.

[8] 喻军,张占平,靳晋陵，等.三种纤维过滤器在火电厂水处理中的应用[J].工业水处理,2009,29(4)：87-89.

[9] PICH J，SPURNY K.Direction of fluid-flow and the properties of fibrous filters[J].Aerosol Science and Technology,1991,15(3)：179-183.

[10] 李长海,张雅潇,党小建.全膜法水处理技术在超临界机组中的应用[J].水处理技术，2013，39(4)：116-119.

[11] QIAN F P，ZHANG J G，HUANG Z J .Effects of the operating conditions and geometry parameter on the filtration performance of the fibrous filter[J].Chemical Engineering & Technology，2009,32(5)：789-797.

[12] 李圣兰，周黄斌，杜伟华，等.高效纤维过滤器纤维束的碱洗再生[J].冶金动力,2015(6)：52-54.

Filter Parameter Optimization and Filter Layer Characteristic of New Type Fiber Filter

LIU Kun1，ZHOU Ning-yu1*，XIE Chao-xin1，MOU Biao1，HUANG Ze-ming1，AI Yi-ning2

(1.DepartmentofDefenceArchitecturePlanningandEnvironmentEngineering,LogisticalEngineeringUniversity，Chongqing401311,China;2.TheEngineeringSupervisionStationofXiningServiceCentreChengduHousingAuthority,Chengdu610041,China)

Anewtypeofefficientfiberbundlefilterwasdevelopedinthispaper.Usingthefiltereffluentturbidity，filtrationcycleandfiltercapacityindexascomprehensiveevaluationindexestoinvestigatetheeffectsoffilterbeddensity，filtrationrateandthePACdosageonthefiltereffluentturbidity，theeffluentturbidityofdifferentfilterlayerdepthschangingovertimewasemployed.Theresultsshowedthat，theoptimumrunningparameterswereasfollows:filterbeddensity62.86kg·m-3，filtrationrate30.0m·h-1andPACdosage40mg·L-1.Underaboveconditions，theaveragefiltereffluentturbiditywasbelow0.01NTU，filtrationcyclewas260min，cyclewaterproductionwas5 200L.Theeffluentturbidityremovalmainlydependedonthe200～500mmfilterlayer，turbidityremovalratewasabout85%，andturbiditydecreasedmostfastinthisperiod.But600～700mmfilterlayerplayedagoodturbidityprotectionaftercompressiontinyporesize，andthefinalfiltereffluentturbidityarebelow0.1NTU.

fiberfilter;filterparametersoptimization;filtercharacteristics

2016-10-18

刘坤(1992-)，男，湖南长沙人，硕士研究生，研究方向：军事给排水技术与装备，E-mail:13883133840@163.com；

周宁玉，副教授，E-mail:415525869@qq.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.03.014

TQ085.41

A

1672-5425(2017)03-0057-05

刘坤，周宁玉，谢朝新，等.新型纤维过滤器的过滤参数优化及滤层特征研究[J].化学与生物工程，2017，34(3)：57-61.