纤维球滤料罐去除废水中污染物的研究

唐春敏

（中石生态环境科技有限公司，湖南 长沙 410000）

在传统水处理工艺中，石英砂、无烟煤粒等均为常用滤料，其中石英砂应用最广。石英砂过滤罐滤料的更换周期约为2年，但石英砂更换的作业难度高，时间周期长，且石英砂更换费用高。此外，石英砂的机械强度大，相对密度约2.65，且在酸性水环境中化学稳定性好，而在碱性水环境中，石英砂会溶出。无烟煤的化学稳定性较石英砂好，在酸性、中性及碱性环境中都不溶出，但无烟煤的机械强度不如石英砂。传统的深层过滤使用的粒状滤料，普遍存在的问题是比表面积小、孔隙率小，截污能力受到限制［1］。

以软填料——纤维代替传统的粒状滤料是纤维滤料为核心的现代过滤技术的开始，可以压缩的软性滤料，其材料空隙率大，占滤料层的93%～95%。并且在使用过程中，由于水流经过滤层产生阻力，过滤引起滤料层压缩，其空隙沿着水流的方向而逐渐变小，因而过滤效果好。纤维球的滤速达20～85 m／h，相对石英砂滤料等钢性滤料而言，具有截留量大、滤速高、水头损失小、工作周期长等优点。此外，纤维球滤料可以重复使用，只需要用气或水反洗后，则可恢复大部分滤料性能，达到反复使用的目的。

而且纤维球滤料的吸水率很高，纤维的毛细孔较大，具有较高的比表面积，作为滤料可吸附大量悬浮物，因此可获得较高的脱除率和容量负荷。此外，由于纤维球滤料在水流冲击下几乎不会发生纤维束的流失，因此，纤维滤池在反冲强度的控制上较粒状滤料滤池要求低，可使滤料反冲洗更彻底。所以纤维过滤技术越来越被人们应用［2］。

本研究以改性软性滤料为试验对象，通过单一试验探讨不同滤料球径、装填密度以及填层高度对去除废水中污染物的效果，并在单一试验后进行多因素优化试验，以期为废水处理采用新型软性滤料替代传统滤料提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料

从线上购买软性滤料——纤维球，纤维球球径分别为30、40、60 mm，将各种规格的纤维球滤料先用纯净水浸泡3 h，并对纤维球进行清洗，将表面的灰尘和杂质清洗干净，再用超纯水清洗2遍，晾置2 h后放置在约45℃烘箱中烘干。

制作纤维球滤罐，装置如图1所示，采用有机玻璃制作，装置内径400 mm，高1 500 mm。装置顶端为进水管，中部为格栅压板，下层为纤维球滤料，在滤料层布置气水反冲洗管路，出水口设置在装置底板，配套反冲洗的水泵和气泵［3］。主要设备见表1。

表1 纤维球滤罐主要设备

图1 纤维球滤罐试验装置整体示意图

过滤：污水经进水泵输送至罐体上部，污水经5 mm×5 mm的格栅压盘后自上而下，经纤维球滤料，去除杂质和污染物。过滤后的水经出水口排出。

反洗：反洗为气水反洗，自来水经反冲洗水泵输送至过滤罐下端，气泵将空气输送至反冲洗气管，气体的搅动能使纤维球表面不停摩擦并去除掉表面的污染物，整个反冲洗的设计过程如下：

反洗开始—反冲洗水冲洗90 s—反洗水+反洗气，冲洗120 s—反冲洗水冲洗90 s—反洗水+反洗气，冲洗120 s—反冲洗水冲洗90 s—反洗完成。

供试废水为配置的拟生活污水，水质见表2。

表2 试验进水水质 mg／L

1.2 分析测定方法

本试验主要检测指标和分析方法见表3。

表3 试验指标和分析方法

2 试验结果和讨论

2.1 纤维球球径对废水处理效果的影响

选用相同重量的30、40、60 mm的软性滤料纤维球，开展单一的过滤试验。进水水质见表2，进水流速约为10 L／h，试验时间为72 h，在室温条件下，每天在上午10时、下午14时、下午18时取水，混合后测定，每组样设置两组平行样，结果如图2所示。

图2 不同纤维球球径对SS和COD去除的影响

从图2可以看出，纤维球直径越小，废水处理的效果越好，当纤维球直径为30 mm时，SS从150 mg／L降低至15.4 mg／L，COD从120 mg／L降低至85.5 mg／L，SS和COD的去除率分别为89.7%和28.5%，而当纤维球直径为60 mm时，SS和COD的去除率只有67.4%和16.0%，其原因是，纤维球滤料直径越小，生物膜的表面积就愈大，生物膜的量就越多，可为生物膜的好氧代谢提供足够的氧，过滤效果就更佳［4］。但是，在实际应用中，直径越小的纤维球比直径较大的纤维球更易堵塞，应根据过滤罐的实际应用选择合适大小的纤维球滤料。

2.2 装填密度对废水处理效果的影响

在室温条件下，选择相同直径的纤维球，纤维球滤料的装填密度分别为50、75、100 g／L，装填高度保持一致，试验时间为72 h，在室温条件下，每天在上午10时、下午14时、下午18时取水，混合后测定，每组样设置两组平行样，检测结果见图3。

图3 不同纤维球装填密度对SS和COD去除的影响

从图3可以看出，当纤维球填充高度一致，而装填密度从50 g／L增加至100 g／L时，SS和COD去除率均逐渐升高，当纤维球密度为100 g／L时，SS和COD去除率分别为76.8%和23.3%，显著高于纤维球密度为50 g／L时的SS和COD的去除率。这表明纤维球密度越大，对废水中污染物的去除效果越好。但是，在试验过程中还发现，随着装填密度的增加，污水处理的效率越低，出水流速越慢，这可能是因为当装填密度增加时，纤维球孔隙度越小，其过水速度降低［5］，因此在实际应用中，应根据项目的实际情况来选择最佳的填料装填密度。

2.3 填层高度对废水处理效果的影响

根据试验结果，选取最佳的装填密度，装填高度分别为800 mm、1 000 mm和1 200 mm，试验时间为72 h，在室温条件下，每天在上午10时、下午14时、下午18时取水，混合后测定，每组样设置两组平行样，检测结果如图4所示。

图4 不同纤维球装填高度对SS和COD去除的影响

从图4可以看出，不同滤层高度对SS和COD均有去除效果，但因为装填密度是一致的，当填层高度越高时，其纤维球间的孔隙则越大，当填层高度为1 000 mm时，其对SS和COD的处理效果最佳，去除率分别为80.1%和27.5%。而通过观察可知，滤料对SS的去除主要发生在从上往下的0～1 000 mm处，因此纤维球滤料对污染物去除效果的优劣与滤层高度密切相关［6］。

2.4 优化试验

根据单因素试验结果，设计正交试验方案，正交设计方案见表4。

表4 正交试验设计方案

试验时间为72 h，在室温条件下，每天在上午10时、下午14时、下午18时取水，混合后测定，每组样设置两组平行样，得出纤维素滤料最佳使用条件，正交分析结果见表5。

表5 不同纤维球条件对废水COD和SS去除效率与极差分析表

选取纤维球直径30 mm和40 mm两个水平；纤维球装填密度75 g／L和100 g／L两个水平；纤维球装填高度选取800 mm和1 000 mm两个水平进行正交优化试验，采用SPSSAU软件共生成4个优化试验组合。从表5极差分析中可以看出，纤维球处理废水的最佳水平为1，2，2，即当纤维球直径为30 mm、装填密度为100 g／L、装填高度为1 000 mm时，为最优参数，系统出水的SS和COD去除率最大，分别为85.2%和27.6%。此外，从极差表的R值可以看出，A＞C＞B，即正交试验中，对SS和COD去除影响大小依次为纤维球直径、装填高度和装填密度。

3 小 结

1.纤维球滤料直径越小，生物膜的表面积就愈大，过滤效果就更佳，但在实际应用中，直径越小的纤维球，使用中的孔隙率较直径大的纤维球更易堵塞；此外纤维球随着装填密度的增加污染物处理效果越好，但是处理效率降低，出水流速越慢，因此在实际应用中应选择合适的装填密度。

2.当纤维球直径为30 mm、装填密度为100 g／L、装填高度为1 000 mm时，为最优参数，系统出水的SS和COD去除率最大，分别为85.2%和27.6%。

3.本试验选用的纤维球为普通纤维球，在以后的应用中可根据废水类型和处理要求，对纤维球进行改性［7］，以增强纤维球性能，提升纤维球滤料去除污染物的能力。