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摘 要： [摘 要]介紹了市政污水深度處理中過(guò)濾技術(shù)的基本原理和典型裝置，及國(guó)內(nèi)外在此方面的研究進(jìn)展。展望了市政污水深度處理中過(guò)濾技術(shù)的研究前景并指出了存在的問(wèn)題。 [關(guān)鍵詞]市政污水;過(guò)濾;深度處理 1 背景 隨著水資源的日益緊張，國(guó)內(nèi)外對(duì)城市污水處理廠(chǎng)的污水回用已逐
[摘 要]介紹了市政污水深度處理中過(guò)濾技術(shù)的基本原理和典型裝置，及國(guó)內(nèi)外在此方面的研究進(jìn)展。展望了市政污水深度處理中過(guò)濾技術(shù)的研究前景并指出了存在的問(wèn)題。
[關(guān)鍵詞]市政污水;過(guò)濾;深度處理
1 背景
隨著水資源的日益緊張，國(guó)內(nèi)外對(duì)城市污水處理廠(chǎng)的污水回用已逐步提上日程，要實(shí)現(xiàn)污水回用必須對(duì)污水進(jìn)行深度處理，過(guò)濾一般作為深度處理的最后一個(gè)步驟。有效的過(guò)濾不僅可以提高懸浮固體重金屬、病毒以及其它物質(zhì)的去除率，減少消毒費(fèi)用，還能克服生物和化學(xué)處理過(guò)程通常的不規(guī)則性，使出水水質(zhì)保持穩(wěn)定。
水處理中的過(guò)濾技術(shù)可以追溯到1829年英格蘭建造的世界上第一個(gè)慢速砂濾池[1]，此后，隨著水資源日趨短缺，人們對(duì)過(guò)濾進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究，在過(guò)濾工藝技術(shù)等方面取得了很大發(fā)展，本文對(duì)近些年來(lái)的一些主要工藝技術(shù)進(jìn)展做出評(píng)述。
2 污水深度處理中過(guò)濾類(lèi)型及原理
2.1 過(guò)濾類(lèi)型
水處理中常用的過(guò)濾一般可分為深層過(guò)濾、膜過(guò)濾和表面過(guò)濾三大類(lèi)，如圖1所示：
其中用于市政污水深度處理的主要是深層過(guò)濾，其原理為：過(guò)濾介質(zhì)由固體顆粒堆積成床層構(gòu)造，或用短纖維多層繞制成管狀濾芯，過(guò)濾介質(zhì)的空隙形成許多曲折、細(xì)長(zhǎng)的通道，被過(guò)濾的顆粒比介質(zhì)內(nèi)部的孔隙小得多。過(guò)濾作用發(fā)生于介質(zhì)的全部空隙體內(nèi)而不是介質(zhì)的外表面，懸浮體中的細(xì)小顆粒由于熱運(yùn)動(dòng)和流體的動(dòng)力作用走向通道壁面，并藉靜電和表面力被截留。運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著截留的顆粒的增加，欲維持相同的過(guò)濾速率，必須提高過(guò)濾壓強(qiáng)。因此，濾料或?yàn)V芯在一定操作周期后更新或反沖清理進(jìn)行再生處理。深層過(guò)濾適用于過(guò)濾含固量較小的進(jìn)水。
而膜過(guò)濾主要用于自來(lái)水廠(chǎng)給水處理、海水淡化、小流量難處理工業(yè)廢水等場(chǎng)合，表面過(guò)濾適用于含固體量較大的場(chǎng)合，在市政污水深度處理中應(yīng)用較少。
2.2 深層過(guò)濾理論研究進(jìn)展
研究表明，懸浮顆粒經(jīng)過(guò)過(guò)濾介質(zhì)被去除，機(jī)械篩濾作用起作用較小，主要是懸浮物與濾料或與已截留的懸浮物之間的附著作用。因此這就涉及兩個(gè)過(guò)程：懸浮物向?yàn)V料表面的遷移過(guò)程和遷移到濾料表面的懸浮物的附著過(guò)程。
遷移過(guò)程是懸浮顆粒去除的必要條件。Ives[2]等人認(rèn)為遷移主要有攔截、慣性、沉淀、擴(kuò)散和水動(dòng)力;O’Melia[3]則認(rèn)為遷移主要是顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)、分子擴(kuò)散及流體的流動(dòng)和重力作用;賈亞軍[4]等人通過(guò)對(duì)遷移行為的分析及模擬，得出五種遷移機(jī)理下的深層過(guò)濾動(dòng)力學(xué)模型。各種遷移作用是相互關(guān)聯(lián)的，在不同的環(huán)境下不同的遷移因素占據(jù)的地位也不一致。一般認(rèn)為直徑小于1 μm的懸浮物占主導(dǎo)的是擴(kuò)散作用，直徑大于10 μm的懸浮物，因其密度較大而沉淀作用占主導(dǎo)，顆粒的直徑越大，攔截作用越突出。
附著作用主要取決于濾料和水中懸浮物表面物理化學(xué)特征，主要是表面雙電層、范德華引力、化學(xué)鍵和化學(xué)吸引力等的作用。 Stephan[5]等對(duì)過(guò)濾過(guò)程中的§電位研究表明，§電位可以描述宏觀過(guò)濾行為，通過(guò)對(duì)高嶺土等§電位的測(cè)定表明，可以利用§電位的測(cè)定來(lái)預(yù)測(cè)過(guò)濾性能。隨著過(guò)濾的進(jìn)行，懸浮物的去除效率呈先增加后明顯下降趨勢(shì)，對(duì)此Mints[1]給出的解釋是顆粒在濾料上的沉積速率是常數(shù)，吸附和脫附在過(guò)濾過(guò)程中同時(shí)存在，且脫附量與比沉積量成正比。顆粒脫附的原因是流動(dòng)剪切力超過(guò)顆粒間的吸附力以及顆粒碰撞造成的不穩(wěn)定。
目前有關(guān)深層過(guò)濾的數(shù)學(xué)模型主要有以下幾類(lèi)：
1)Iwasaki于1937年提出的唯象理論[1]通過(guò)數(shù)學(xué)模型建立比沉積量與懸浮顆粒濃度、濾層深度和過(guò)濾時(shí)間等參數(shù)的關(guān)系，屬于宏觀分析范疇。唯象理論雖簡(jiǎn)單易用，但存在沒(méi)有提供過(guò)程機(jī)理，模型中沒(méi)有考慮懸浮物尺寸分布等。盡管如此，其對(duì)過(guò)濾全過(guò)程進(jìn)行了模型化的表達(dá)對(duì)濾床的設(shè)計(jì)及操作具有很好的指導(dǎo)作用。
2)Stephan[6]等將遺傳算法原理應(yīng)用到深層過(guò)濾中，實(shí)現(xiàn)以較少的實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得相對(duì)較多的參數(shù)。Stephan認(rèn)為，對(duì)不同條件下的深層過(guò)濾模型，只需修改算法程序中的一些參數(shù)即可，這使得計(jì)算機(jī)模擬深層過(guò)濾的過(guò)程成為可能。
3)Osmak[7]采用綜合衰變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立了深層過(guò)濾中沉降顆粒分布、懸浮物分布與速率分布間的關(guān)系。在假流體以接近推流式的方式通過(guò)濾床時(shí)，構(gòu)建出新的過(guò)濾數(shù)學(xué)模型。
4)Ortiz[8]等則將計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用到深層過(guò)濾中，用來(lái)描述過(guò)濾過(guò)程中阻力的時(shí)間—空間變化，提出了有效比表面積和對(duì)數(shù)過(guò)濾定律的幾何模型。
3 過(guò)濾工藝研究進(jìn)展
3.1 砂濾器
砂濾器是用石英砂或花崗巖砂作為過(guò)濾介質(zhì)來(lái)截留水中各種懸浮物。由于它是三維過(guò)濾，具有較強(qiáng)的截污能力，經(jīng)常用作精密過(guò)濾。其缺點(diǎn)是操作復(fù)雜，如在反沖洗時(shí)操作不當(dāng)，造成濾料流失， 且因長(zhǎng)期運(yùn)行濾料摩損表面變圓，截污能力能力下降，更新濾料。
活性砂過(guò)濾器是由瑞典Waterlink AB公司發(fā)明的基于逆流原理的連續(xù)過(guò)濾設(shè)備。活性砂過(guò)濾器是集混凝、澄清、過(guò)濾為一體的微絮凝過(guò)濾器，減少了一次性投資成本和占地面積。活性砂過(guò)濾器不需停機(jī)反沖洗，采用單級(jí)濾料，無(wú)需級(jí)配，因而克服了普通砂過(guò)濾器水力分布不均和產(chǎn)生初濾液的問(wèn)題;內(nèi)部沒(méi)有可移動(dòng)部件，減少了設(shè)備的維護(hù)和維修成本。北京北小河污水處理廠(chǎng)采用活性砂過(guò)濾器處理工藝，CODCr去除率的范圍為10.79 %～62.57 %，平均去除率為35.36 %，使用聚合氯化鋁時(shí)SS的平均去除率為 45.97 %，濁度去除率的平均值為82.55 %[9]。該工藝的不足之處在于當(dāng)提砂管的氣水比較小時(shí)，過(guò)濾吸附層不能得到有效的沖洗，造成濾層逐漸被含污砂層代替，出水水質(zhì)變壞;當(dāng)提砂管氣水比較大時(shí)，提砂管內(nèi)的水量較小，提升的砂料較多，濾料在提砂管內(nèi)清洗效果差，造成出水水質(zhì)惡化[10]。
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翻板濾池是瑞士Sulzer公司下屬工程部的研究成果，因該型濾池的反沖洗排水舌閥(板)在工作過(guò)程中是在0～90°范圍內(nèi)來(lái)回運(yùn)動(dòng)而得名[11]。其工作原理是進(jìn)水通過(guò)進(jìn)水渠經(jīng)溢流堰均勻流入濾池，水以重力滲透穿過(guò)濾料層，并以恒水頭過(guò)濾后匯入集水室，濾池反沖洗時(shí)，先關(guān)進(jìn)水閥門(mén)，然后按氣沖、氣水沖水沖3個(gè)階段開(kāi)關(guān)相應(yīng)的閥門(mén)[12]，一般重復(fù)兩次后關(guān)閉排水舌閥，開(kāi)進(jìn)水閥門(mén)，恢復(fù)到正常過(guò)濾工況。翻板濾池可選擇單層均質(zhì)濾料或雙層、多層濾料。一般單層均質(zhì)濾料采用石英砂或陶粒，雙層濾料采用無(wú)煙煤與石英砂或陶粒與石英砂。翻板濾池有級(jí)配的礫石承托層，濾料一般不會(huì)從濾池底部流失。翻板濾池的反沖洗設(shè)計(jì)有氣沖、氣水混沖、水沖三個(gè)階段，所以濾料反沖洗潔凈度高，過(guò)濾時(shí)濾層產(chǎn)生的水頭損失小。反沖洗水耗低，假設(shè)反沖洗周相同，虹吸濾池、V 型濾池及翻板濾池的反沖洗水量分別為產(chǎn)水量的3.8 %、 2.6 %和1.5 %[13]。昆明自來(lái)水集團(tuán)有限公司七水廠(chǎng)即采用該工藝 [14]，實(shí)踐證明其出水效果良好。
3.2 纖維過(guò)濾器
目前應(yīng)用于水處理的纖維過(guò)濾器在設(shè)計(jì)的方式上有所區(qū)別，但是原理基本相同，下面就幾種具有代表性的纖維過(guò)濾器作介紹。
1) 纖維球過(guò)濾器是在容器內(nèi)填裝纖維球形成床層，在床層中纖維球之間的纖維絲可實(shí)現(xiàn)相互穿插形成了一個(gè)整體。因纖維球具備一定彈性，在壓力下濾層孔隙率和過(guò)濾孔徑由大到小漸變分布，濾料的比表面積由小到大漸變分布。這是一種過(guò)濾效率由低到高遞增的理想過(guò)濾方式，直徑較大、容易濾除的懸浮物可被上層濾層截留，直徑較小、不易濾除的懸浮物可被中層下層濾層截留。在整個(gè)濾層中，機(jī)械篩分和接觸絮凝作用都得到充分發(fā)揮，從而實(shí)現(xiàn)較高的濾速、截污容量和較好的出水水質(zhì)。該過(guò)濾器存在的不足之處在于因纖維球是呈輻射狀的球體，靠近球中心部位的纖維密實(shí)，反洗時(shí)污物難于徹底清除，用氣、水聯(lián)合清洗時(shí)纖維球易流失，用機(jī)械攪拌清洗時(shí)纖維球易破碎，且不易洗凈。
2) 彗星式纖維過(guò)濾器采用彗核形絲束節(jié)作為過(guò)濾層，上下支承檔板采用深溝窄縫柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)，自適應(yīng)濾料構(gòu)成的濾層其空隙率沿層高呈梯度分布，下部濾料壓實(shí)程度高，空隙率相對(duì)較小，整個(gè)濾層由下至上逐漸增大，其橫斷面空隙均勻，這種獨(dú)特的濾層空隙率分布特性是同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速過(guò)濾和高精度過(guò)濾的主要原因。對(duì)于一定的濾料填充容積, 其能夠提供的有效過(guò)濾容積的大小為容積效率，過(guò)濾周期長(zhǎng)，則濾床截污容量大，容積效率也就越高。
3) PCF型纖維過(guò)濾器是用PP、Nylon材質(zhì)的微細(xì)且多束的柔軟纖維絲，在過(guò)濾器運(yùn)行的時(shí)候施以回轉(zhuǎn)機(jī)具或壓榨包等去壓榨，使其孔隙變小后過(guò)濾，清洗時(shí)再放松讓孔隙舒張，用加壓空氣和水施以反沖洗以達(dá)到去污目的。這種過(guò)濾器的運(yùn)行、反洗方式是纖維濾料與水流的方向呈垂直狀態(tài)，它是融合了筒式過(guò)濾器的精密過(guò)濾性能和砂濾反沖洗性能而研制出的新型過(guò)濾器。PCF型纖維過(guò)濾器的特點(diǎn)是占地面積小，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。不足之處是纖維裝填量少、運(yùn)行周期短、反洗頻繁。
4) Hans Muller在20世紀(jì)70年代中期發(fā)明的刷形過(guò)濾器[15]，將纖維長(zhǎng)絲制成纖維束，每束纖維壓在支撐板上，長(zhǎng)度根據(jù)過(guò)濾的流體和效率來(lái)定，一般為15～300 mm。過(guò)濾時(shí)，流體壓縮纖維束形成濾層，使通過(guò)的液體或氣體得到過(guò)濾。反洗時(shí)，從相反的方向通入反洗液，壓緊的纖維束伸展，易于去除其中的雜質(zhì)。該過(guò)濾器的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。主要不足是纖維呈刷狀，容易纏在一起，給反洗帶來(lái)困難，纖維床層一般較薄，過(guò)濾性能不穩(wěn)定。
5)膠囊式纖維過(guò)濾器是將長(zhǎng)纖維束懸掛孔板上，裝在過(guò)濾設(shè)備中，纖維束下掛重錘，纖維層中安裝數(shù)個(gè)軟質(zhì)膠囊，運(yùn)行時(shí)將膠囊充水，橫向擠壓長(zhǎng)纖維，使纖維層孔隙率和過(guò)濾孔徑由大到小漸變分布，反洗時(shí)先排凈膠囊中的水，使長(zhǎng)纖維束床層得以疏松，再用氣水聯(lián)合清洗。目前其缺點(diǎn)是設(shè)備較復(fù)雜，需設(shè)有膠囊充、排水系統(tǒng)及充水計(jì)量裝置，膠囊易損壞等。
6)無(wú)囊式纖維過(guò)濾器將纖維束固定在兩塊孔板之間，其中一塊孔板可以在設(shè)備內(nèi)部上下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行時(shí)靠水和纖維之間產(chǎn)生作用力，使活動(dòng)板壓實(shí)纖維，反洗時(shí)在反向力的作用下孔板與運(yùn)行時(shí)反向運(yùn)動(dòng)，拉直纖維，在氣水的聯(lián)合反洗作用下，使截留在纖維中的懸浮物得以清除。
7)自壓式纖維過(guò)濾器是指僅靠水流和纖維層相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的作用力實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維層的壓縮。實(shí)際上只要對(duì)纖維進(jìn)行適當(dāng)處理并保持適宜的裝填密度，依靠濾層和水流之間產(chǎn)生的作用力，就完全可以將纖維層壓縮。當(dāng)水流自上向下通過(guò)纖維層時(shí)，纖維承受向下的縱向壓力且越往下纖維所受的向下壓力越大。由于纖維束是一種柔性濾料，當(dāng)縱向壓力足夠大時(shí)就會(huì)產(chǎn)生彎曲，進(jìn)而纖維層會(huì)整體下移，最下部纖維首先彎曲并被壓縮，此彎曲、壓縮的過(guò)程逐漸上移，直至作用力相互平衡。由于纖維層所受的縱向壓力沿水流方向依次遞增，所以纖維層沿水流方向被壓縮彎曲的程度也依次增大，濾層孔隙率和過(guò)濾孔徑沿水流方向由大到小分布，這樣就達(dá)到了高效截留懸浮物的理想床層狀態(tài)。
8)旋壓式纖維過(guò)濾器[16]是英國(guó)Eric C. Greek公司研制的一種纖維過(guò)濾器，纖維一般采用尼龍、聚酯、丙綸等，纖維直徑1～50 μm，長(zhǎng)度0.3～2.0 mm，纖維兩端編織起來(lái)制成薄片，纏在接頭上，再用夾緊或黏結(jié)的方法固定。過(guò)濾時(shí)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)活接頭向下滑動(dòng)，并旋轉(zhuǎn)一定角度使纖維纏繞在內(nèi)筒上，形成濾層。反洗時(shí)，活接頭上升，松開(kāi)纖維，反方向加入清洗液，活接頭便在一定范圍內(nèi)旋壓，能很快清除床層中的固體雜質(zhì)。
9)HW深層過(guò)濾器[17]由英國(guó)Exeter大學(xué)分離中心研制，其特點(diǎn)是采用活塞壓縮纖維介質(zhì)，過(guò)濾介質(zhì)選用富有彈性的纖維材料，如羊毛、碳纖維等，纖維直徑1～10 μm，濾層厚度20～25 cm。過(guò)濾時(shí)，活塞壓縮過(guò)濾介質(zhì)形成濾層，活塞對(duì)纖維的壓縮程度決定可濾除顆粒的細(xì)度，反冼時(shí)，從底部通入反洗液，活塞上升并在一定高度振蕩，可加快濾層的再生速度，并節(jié)省反洗液。HW過(guò)濾器過(guò)濾性能和自潔能力效果較好。
10)纖維轉(zhuǎn)盤(pán)濾池的過(guò)濾介質(zhì)是纖維毛濾布，其絨毛狀表面由尼龍纖維織而成，同時(shí)以聚酯纖維做為支撐體，纖維毛濾布的標(biāo)稱(chēng)孔徑為10微米。濾布介質(zhì)有3~5 mm的有效過(guò)濾深度。濾布的深度能夠存儲(chǔ)俘獲的粒子，減小反沖洗流量，同時(shí)還可減少正常運(yùn)行時(shí)水頭損失。纖維轉(zhuǎn)盤(pán)濾池的運(yùn)行狀態(tài)包括：過(guò)濾、反沖洗、排泥狀態(tài)。纖維轉(zhuǎn)盤(pán)濾池可省掉鼓風(fēng)機(jī)房、反沖洗泵房、提升泵房和預(yù)加氯單元，還具有運(yùn)行費(fèi)用低，出水穩(wěn)定及管理維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。該項(xiàng)技術(shù)已成功應(yīng)用于無(wú)錫梅村污水處理廠(chǎng)改造工程[18]、大連老虎灘污水處理廠(chǎng)回用工程[18]等項(xiàng)目，效果比較好。
4 結(jié)語(yǔ)
隨著材料科學(xué)和深層過(guò)濾理論的進(jìn)一步發(fā)展，深層過(guò)濾技術(shù)在過(guò)濾材料方面和過(guò)濾理論方面都取得了極大的進(jìn)步，極大地提高了深層過(guò)濾的效果和效率。但是仍存在著深層過(guò)濾機(jī)理研究不透徹、過(guò)濾材料造價(jià)高、難于徹底清洗干凈、動(dòng)力消耗大等問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。——論文作者：劉躍旭
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