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纤维球过滤器技术及种类

  • 纤维过滤技术
    目前水处理纤维过滤器的种类很多,具有代表性的成果有前苏联的滤料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。
  • 纤维球过滤器:纤维球过滤器是在容器内填装纤维球滤料形成滤床,纤维球滤料是由直径为10-50μm的纤维丝制成的球体,由于纤维球个体较疏松,在滤料床层中纤维球之间的纤维丝可以实现相互穿插,此时纤维球的个体特征已不重要,滤料床层形成了一个整体。床层中纤维球受到的压力为过滤水流的流体阻力、纤维球自身的重力以及截留悬浮物的重力之和(如果水流从上至下通过滤料层,该压力在滤料层中沿水流方向是依次递增的)。因纤维球其备一定弹性,在压力作用下滤料层孔隙率和过滤孔径由大到小渐变分布,滤料的比表面积由小到大渐变分布。这是一种过滤效率由低到高递增的理想过滤方式,直径较大、容易滤除的悬浮物可被上层滤料层截留,直径较小、不易滤除的悬浮物可被中层和下层滤料层截留。在整个滤料层中,机械筛分和接触絮凝作用都得到充分发挥,从而可实现较快的过滤速度、较高的截污容量和较好的出水水质。纤维球过滤污水的现场试验数据表明,当运行流速在15-40m/h时。截污容量一般在2-12kg/m3。运行流速和截污容量均是石英砂滤池的数倍,并且出水浊度明显好于砂滤池。纤维球过滤器存在的不足是:因纤维球是呈辐射状的球体,靠近球中心部位的纤维密实,反冲洗时无法疏松,截留的杂质难以彻底清除;用气、水联合反冲洗时纤维球易流失,用机械搅拌清洗时纤维球易破碎而且不易洗净。
  • PCF型纤维过滤器:PCF型纤维过滤器也称为扭扭舞过滤器。使用微细且多束的柔软纤维丝,一般采用的是PP、Nylon材质,不是常用的丙纶纤维,在过滤器运行的时候施以回转机具或压榨包等压榨使其孔隙变小后过滤,清洗时再放松让孔隙舒张,用加压空气和水联合反冲洗以达到去污目的。这种过滤器的运行、反冲洗方式是纤维球滤料与水流的方向呈垂直状态,它是融合了简式过滤器的精密过滤性能和石英砂过滤器的优良反冲洗性能而研制出来的一种新型过滤器。PCF型纤维过滤器的特点是:体积小,占地面积小,比纤维束和纤维球过滤器的占地面积还要小,并且易于实现自动控制。它的不足之处是:纤维装填量少、运行周期短、反冲洗次数频繁。
  • 刷形过滤器:刷形纤维过滤器是由瑞典人Ijuns Muller在20世纪70年代中期发明,将纤维长丝制成纤维束,每束纤维可粘或压在支撑板上。长度根据过滤的流体和效率来定,一般为15-300mm。为了过滤效率和反冲洗效果,纤维之间也可编织起来。过滤时,流体压缩纤维束形成滤料通过的液体或气体得到过滤。反冲洗时,从相反的方向的定时
    通入反洗液,这样压紧的纤维束伸展,易于去除其中的杂质。刷形纤维过滤器的主要特点是结构简单,操作方便。主要不足是因纤维呈刷状,容易缠结在一起,给反冲洗带来困难,纤维床层一般较薄,过滤性能不稳定,故容易形成表面过滤。
  • 纤维束过滤器:目前采用纤维束滤料的过滤器较多,主要有胶囊式纤维过滤器、无囊式纤维过滤器、双级纤维过滤器和自压式纤维过滤器等。纤维球过滤器
    ①胶囊式纤维过滤器(又称软囊压力式过滤器),胶囊式纤维过滤器是20世纪80年代中期由刘凡清等研制开发的第一代纤维过滤器(专利技术),其基本结构如图3-1所示。该过滤器以若干长纤维束以一定的密度悬挂于孔板上,为纤维固定端,装在过滤设备中,纤维束下挂重锤,为自由端。为调节滤料层密度,纤维层中安装数个软质胶囊,过滤时[图3-1(b)]将胶囊充水,横向挤压长纤维,使纤维层孔隙率和过滤孔径由大到小渐变分布,囊内充水使纤维处于压实状态,清洗时[图3-1(a)]先将胶囊中的水排净,使长纤维束床层得以疏松,配合反冲洗水和压缩空气进行气水联合反冲洗。在挂装的长纤维滤料层中安装可充和排水的软质胶囊,解决了纤维层的压实、疏松及纤维流失问题。
    胶囊式纤维过滤器的工艺特点如下。
    a.由于其结构特点叮发挥深层过滤作用,截污容徽大,是普通石英砂过滤器的3-5倍,截污量可达到4-6kg/m3。
    b.过滤精度高,压实区孔隙较小,出水浊度≤1FTU。
    c.由于纤维呈束状有序填充,因此阻力小。
    d.过滤速度较高,一般可达30m/h。
    e.可通过调节胶囊充水位来调节纤维球滤料的过滤速度及过滤精度。
  • 胶囊式纤维过滤器目前使用中存在以下问题。
    a.胶囊式纤维过滤器作为加压室的软质胶囊容易破损,这是在生产使用中困扰给水处理厂的难题之一。
    b.胶囊充水后胶囊体积占整个滤料层体积的1/5左右,胶囊体积横截面积占滤床过滤截面积的1/4左右,因而影响过滤器的有效过滤空间。
    c.胶囊式纤维过滤器设备较复杂,除胶囊外,还需设置胶囊充、排水系统及充水计量装置等。
  • 无囊式纤维过滤器(又称双孔板式纤维过滤器)。无囊式纤维过滤器是由王有力等开发的第二代纤维过滤器(专利技术),将纤维束纵向有序地固定在上下两块孔板之间,其中一块孔板可以在设备内部卜下运动,是活动孔板;改性纤维球过滤器另一
    块是固定孔板.根据水流方向将该过滤器分为下向流和上向流两种类型。图3-2所示的是下向流式,即卜孔板是活动孔板,下孔板是固定孔板,其工作原理是利用水流压力使纤维滤料层呈压实状态,过滤时水流自上而下推动上孔板(活动板)落下,压实纤维束[图3-2(b)];反冲洗时在反向力的作用下与过滤时反向运动,水流由上而下托起活动孔板,拉直纤维束,使滤料层疏松,配合压缩空气在气--水的联合反冲洗作用下使截留在纤维滤料层中的悬浮物得以清除[图3-2(a)]。双孔板式纤维过滤器结构简单,有效过滤面积增大,截污容量高,是一种新型的纤维过滤装置。该过滤器在使用中存在的问题是过滤时容易出现壁流、偏流和沟流间题,使其过滤精度有限。
  • 双级纤维过滤器。双级纤维过滤器是由袁士平等开发的第三代纤维过滤器(专利技术),其特点如下。
    a.结构特点。所谓双级是指两级过滤,即在无囊式双孔板纤维过滤装置(第一级过滤)的墓础上附加设置第二级过滤装置,这样在同一过滤装置内可同时实施第一级和第二级两级过滤来提高其过滤精度。
    b.工艺特点。自压式纤维球过滤器为充分发挥双级纤维过滤器的过滤技术特点,采用独特的工艺来实施过滤过程和反冲洗过程。过滤过程如图3-3所示。水流自上而下推动活动孔板压实纤维,在活动孔板与固定孔板问实施第一级过滤,类似于无囊式双孔板纤维过滤装置的过滤过程;一级过滤出水经过设置在固定孔板上的第二级滤元实施第二级过滤,二级过滤出水经滤元芯汇集于底部中心母管送出罐外。反冲洗过程如图3-4所示。反洗水由底部反洗水入口进入,通过固定孔板托起活动孔板,拉直纤维束,配合压缩空气对一级过滤层来实施反冲洗。
    ④自压式纤维过滤器。所谓自压就是指不依靠其他装置,仅依靠水流和纤维层相对运动产生的作用力来实现对纤维滤料层的压缩。实际上,长纤维丝的纵向刚度很小,只要对纤维进行适当处理并保持适宜的装填密度,依靠滤料层和水流之间产生的作用力就完全可以将纤维层压缩。当水流自上而下通过纤维滤料层时,纤维承受向下的纵向压力,越往下纤维所受的向下压力越大。由于纤维束是一种柔性滤料,当纵向压力足够大时就会使纤维束产生弯曲,进而纤维层会整体下移,最下部的纤维首先弯曲并被压缩,随后这种弯曲和压缩的过程逐渐上移,直到作用力相互平衡。因为纤维层所受的纵向压力沿水流方向依次递增,所以纤维层沿水流方向被压缩弯曲的程度也依次增大,滤料层孔隙率和过滤孔径沿水流方向由大到小分布,这样就达到了高效截留悬浮固体的理想滤床的滤料层状态。
    纤维束过滤器的特点是截污容量大、过滤周期长、占地面积小。这种靠水和纤维之间的作用力自动调节过滤孔隙率的过滤方式,经过长时间运行,纤维形成固定的弯曲轨道后,在以后运行的时候不再像刚开始运行那样慢慢地弯曲,而是直接按照弯曲的轨道弯曲,一次到位,不能实现过滤过程中的变孔隙率,这样会造成水头损失大、纤维束的截污容量不能允分利用等缺陷。
  • 长纤维过滤器。尽管纤维球过滤器和纤维束过滤器都能达到较好的过滤效果,但由于各自过滤装置的结构和作用机理不同,都存在一定的缺陷,如纤维球内部积泥难以清洗、短纤维反冲洗时易流头,胶囊式纤维束过滤器结构复杂、操作不便等。针对这些纤维过滤器的不足,赵欢等成功开发了一种长纤维高速过滤器。
    长纤维组件是由聚酚纤维经特殊方法按一定密度编织而成的底部固定、上端自由的国家发明专利技术。过滤时由于水流产生的阻力和滤料层截污后的自重,使滤料层上松下紧,孔隙率自上而下由大到小分布,实现了深层过滤,达到了过滤速度和过滤周期的统一,长纤维过滤器最高滤速可达55m/h以上,并且各种滤速下的过滤周期均大50h。由于长纤维滤料具有巨大的孔隙率和比表面积又使深层过滤效果更好,纳污量更大,经计算可达9-13kg/m3滤料,是晋通石英砂滤料的3-4倍。长纤维滤料易于压缩,加之纤维球滤料的均匀致密性、巨大的比表面积和良好的吸附性能,从而极大地缩短了滤床的成熟期,保证了初滤水在极短的时间内即可满足出水要求。
  • HW深层过滤器。HW深层过滤器是由英国Exeter大学分离中心研制的,该过滤器是采用活塞来压缩纤维过滤介质,过滤介质选用富有弹性的纤维材料,如羊毛、碳纤维等,纤维直径为1-10μm,滤层厚度为20-25cm。过滤时,活塞压缩过滤介质形成滤料层,活塞对纤维的压缩程度决定了可滤除颗粒的大小;反冲洗时,从过滤器底部通入反洗液,活塞上升并在一定高度处产生振荡,这样可加快滤料层的再生速度,并节反洗液。
    研究者曾用多种悬浮液经过HW深层过滤器进行对该过滤器的过滤性能和自洁能力的测试,试验效果很好。从过滤葡萄酒酵母悬浮液的试验数据可以看出,采用碳纤维,滤料层厚度为0.23m、孔隙率为88%、流速为14.8m/h时,对3.1μm以上悬浮颗粒的过滤效率高达99%。由于滤料层的密度可以调节,所以可以保持滤液质量的稳定。另外,碳纤维还具有生物和化学方面的惰性及其特殊的强度,如在350℃极易氧化的环境下仍能保持稳定,在一般环境中,2000℃时仍可保持稳定,用它可以过滤高温有腐蚀性的液体和已经熔化的金属和聚合物,因此HW深层过滤器在医学及化工方面有着广泛的应用。
  • 旋压式纤维过滤器。旋压式纤维过滤器是由英国Eric C. Greek公司研制的一种纤维过滤器,该过滤器的纤维一般采用尼龙、聚醋、丙纶等,纤维直径为1--50μm,长度为0.3-2.0mm,将纤维两端编织起来制成薄片,缠在接头上,再用夹紧或猫结的方法固定。过滤时,通过传动机构推动活接头向下滑动,并旋转一定角度使纤维缠绕在内筒上形成滤料层。含有两种不溶固体的悬浮液通过床层时,固体杂质被截留。纤维还具有粗粒化作用,即可将细小液滴凝聚成大液滴,有利于在沉淀区依靠重力分离后分别排出。反冲洗时,活接头上升,松开纤维,反方向加入清洗液,活接头便在一定范围内产生旋压,这样能很快清除床层中的固体杂质。由于纤维对液滴的凝聚效果明显高于粒状过滤材料,该装置可用于对含有微量固体杂质乳浊液的分离。如从含油废水中分离原油及油制品。也可用于油中水的分离。研究者们进行的油水分离试验数据也表明,该过滤器具有良好的过滤和粗粒化性能。
  • 彗星式纤维过滤器。采用彗核形丝束节作为过滤层及滤料上下支承档板采用深沟窄缝栅网结构,自适应滤料构成的滤层其空隙率沿层高呈梯度分布,下部滤料压实程度高,空隙率相对较小,易于保证过滤精度,整个滤层由下至上逐渐增大,其横断面空隙均匀,这种独特的滤层空隙率分布特性是同时实现高速过滤和高精度过滤的主要原因。对于一定的滤料填充容积,其能够提供的有效过滤容积的大小为容积效率,体现在滤床截污容量方面,过滤周期长,则滤床截污容量大,容积效率也就越高。 彗星纤维球过滤器
  • 纤维滤池。以纤维为滤料替代粒状石英砂滤料的重力式滤池目前已推广应用,效果较好。滤池结构如图3-5所示,由进水装置、纤维滤料、集水装置、布气装置等组成。
    ①运行原理。过滤时进水由布水槽流入池内,靠水压差和活动孔板的重力压实纤维,滤后水经集水装置收集送入清水箱。反冲洗时,反冲洗水和压缩空气分别从底部的集水装置反洗进口和布气装置进气孔进入,活动孔板在上向水流冲力和纤维束浮力的作用下向上移动,纤维束在水力冲刷和压缩空气的作用下伸展、抖动,得以彻底清洗。
    ②技术参数。重力式纤维滤池的技术参数见表3-5。
重力式纤维池技术参数 表3-5
滤速/(m/h)
10-12
反洗强度/[L/m2·s]
8
过滤精度/FTU
0.5-2.0
清洗时间/min
20-30
反洗水压/MPa
0.05-0.1
自耗水率/%
<1
  • 重力式纤维滤池充分发挥了纤维滤料所具有的特性,与石英砂滤料滤池相比较,具有截污容贫大、过滤精度高、制水量大、自耗水率低、占地面积小等特点,具有良好的应用前景。
    纤维过滤技术及设备经过龙十多年的研究、开发、应用,显示出过滤精度高、产水员大、阻力小、设备结构新颖多样等诸多特点,由于新的生活饮用水标准对水质要求的提高以及目前水源污染较严熏等情况,采用纤维过滤新技术对传统的过滤技术与设备起着更新换代的变革作用,应用前景十分广阔。
 
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