纖維過(guò)濾器

由于粒狀濾料本身的缺陷，在提高濾速、增大納污能力、提高過(guò)濾精度、延長(zhǎng)運(yùn)行周期等多方面均為取得突破，在尋求新的過(guò)濾材料的過(guò)程中，纖維濾料以其優(yōu)越的特性開(kāi)始登上過(guò)濾的舞臺(tái)。

與傳統(tǒng)的粒狀濾料相比，纖維濾料堆積的的空隙率大，密度小，使得纖維過(guò)濾器的濾速可以很高，過(guò)濾阻力很?。挥捎诶w維濾料比較細(xì)小，因而具有很大的比表面積，可以吸附大量的膠體顆粒等物質(zhì)，使得過(guò)濾器的納污容量大，具有較高的去除率；濾料的壓實(shí)度隨水流方向逐漸增大，使得過(guò)濾進(jìn)水側(cè)可以吸附截留粒徑較大的膠體顆粒，過(guò)濾產(chǎn)水側(cè)可以吸附截留粒徑較小的顆粒，形成理想的過(guò)濾狀態(tài)，并且過(guò)濾精度要高于粒狀濾料；由于對(duì)濾料進(jìn)行了固定，使得在過(guò)濾過(guò)程和反洗過(guò)程中濾料都不會(huì)發(fā)生流失現(xiàn)象，并且反洗強(qiáng)度較粒狀濾料要低[40]。隨著合成纖維技術(shù)的發(fā)展，可供選擇的纖維種類(lèi)越來(lái)越多，纖維的物理化學(xué)性質(zhì)有了很大的改進(jìn)，進(jìn)一步確保了纖維濾料能用于各種過(guò)濾的過(guò)程。纖維濾料是目前公認(rèn)的最為理想的過(guò)濾材料之一，越來(lái)越在各個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用[41]。

2纖維濾料的主要形式

采用纖維濾料進(jìn)行水處理是從80年代開(kāi)始的，在纖維濾料的研究過(guò)程中，纖維過(guò)濾器也在不斷的發(fā)展和改進(jìn)，國(guó)內(nèi)主要有纖維球過(guò)濾和纖維束過(guò)濾器兩種形式。纖維材料的種類(lèi)主要有以下幾種：

（1）短纖維單絲亂堆濾料：密度略大于水的短纖維絲亂堆構(gòu)成濾床，為防止濾料流失在過(guò)濾器中設(shè)置過(guò)濾絲網(wǎng)，其缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)，如纖維濾絲容易流失，纏在網(wǎng)上，過(guò)濾效果不好[42]。

（2）纖維球：此類(lèi)過(guò)濾材料有多種形式，其特點(diǎn)是制造簡(jiǎn)單，但濾料內(nèi)部過(guò)濾到的雜質(zhì)不易反洗，多次運(yùn)行后短纖維易從纖維球上脫落[43]。

（3）“布帛片”濾料：其形態(tài)類(lèi)似于切割后的毛氈，特點(diǎn)是不掉絲，但濾料內(nèi)部過(guò)濾的雜質(zhì)不易清洗干凈仍是它的缺點(diǎn)。

（4）棒狀纖維濾料：纖維絲束之間形成多個(gè)連接點(diǎn)，形成棒狀，按一定長(zhǎng)度切開(kāi)。

（5）彗星式纖維濾料：這是一種不對(duì)稱(chēng)構(gòu)型的過(guò)濾材料，一端的纖維絲固定在密度較大的實(shí)體內(nèi)，另一端較為松散，形態(tài)像彗星[44]。

（6）纖維束濾料：這是一種生產(chǎn)較為規(guī)格化的纖維濾料，將成卷后的纖維絲拉成束狀，形成纖維束，纖維束采用一端固定或者兩端固定的方式[45]。

（7）改性纖維濾料：采用新的配方合成的特種纖維絲，主要將纖維濾料由親油型改為親水型，這種濾料主要用于處理含油污水[46]。

3纖維過(guò)濾器

纖維過(guò)濾裝置在工業(yè)水處理中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其中頗具代表性的纖維過(guò)濾器有：前蘇聯(lián)的高度可調(diào)型纖維過(guò)濾器、瑞典的刷型纖維過(guò)濾器、日本的纖維球過(guò)濾器以及中國(guó)的膠囊式和無(wú)囊式纖維過(guò)濾器等，這些過(guò)濾器雖然在形式上差別很大，但原理基本相同，以下就對(duì)差別明顯的幾種纖維過(guò)濾器進(jìn)行介紹：

（1）纖維球過(guò)濾器：纖維球本身比較疏松，由于纖維球之間的纖維絲可以相互穿插，這時(shí)纖維球主要表現(xiàn)為一個(gè)整體，由于纖維球本身有一定的彈性，在過(guò)濾水流壓力和自身重力的作用下使得濾層的過(guò)濾孔徑由上到下按照由大到小分布，形成一種理想的過(guò)濾方式，上層濾料截留粒徑較大的顆粒，下層截留粒徑較小的，使得整個(gè)濾層充分發(fā)揮過(guò)濾作用，但由于纖維球呈輻射狀，周?chē)缮ⅲ行拿軐?shí)，反洗時(shí)難以清除中心部位截留的污染物，采用汽、水聯(lián)合洗容易使濾料流失，且不易洗凈[47]。

（2）膠囊擠壓式纖維濾器：將長(zhǎng)纖維束上端固定在過(guò)濾器頂部，下端懸掛重錘，纖維層中間安裝膠囊，過(guò)濾前先將膠囊充水，使其膨脹到一定的程度，對(duì)周?chē)睦w維產(chǎn)生擠壓的作用力，而且由于囊充水后受自身重力的影響，使得纖維層的過(guò)濾孔徑從上到下按照由大到小的形式分布，是非常理想的過(guò)濾過(guò)濾形態(tài)，過(guò)濾濾速是一普通砂濾的2-5倍，截污能力是普通砂濾的2-4倍[48]。清洗過(guò)濾器時(shí)，先將膠囊內(nèi)的水排放干凈，使得纖維束不受囊的擠壓，然后先采用氣洗和水洗聯(lián)合將纖維束清洗干凈，加壓囊式纖維束過(guò)濾器，由于囊的可充水、排水的特性成功的解決了纖維層的壓實(shí)和疏松的問(wèn)題，過(guò)濾精度可根據(jù)需要隨意調(diào)節(jié)，而且纖維束不易流失，過(guò)濾形態(tài)接近于理想狀態(tài)，隨著囊材料的開(kāi)發(fā)研究，目前囊的使用壽命在逐漸延長(zhǎng)，使得加壓囊式纖維過(guò)濾器在水處理中廣泛應(yīng)用。

（3）壓力板式纖維過(guò)濾器：壓力板可以再過(guò)濾器上部也可以在過(guò)濾器下部，以壓力板在上部為例，纖維束一端在有一定開(kāi)孔率的壓力板上，另一端固定在出水板上，過(guò)濾時(shí)通過(guò)水流對(duì)壓力板產(chǎn)生壓力，通過(guò)擠壓上層纖維使上層的纖維進(jìn)一步擠壓下層纖維，直到達(dá)到平衡，反洗時(shí)，因?yàn)閴毫Π宓脑O(shè)計(jì)密度接近水的密度，使得壓力板能夠被水流輕易的沖起，帶動(dòng)纖維舒展，達(dá)到對(duì)纖維層的徹底清洗，但壓力板有時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象，影響穩(wěn)定運(yùn)行，另外壓力板的開(kāi)孔率不能太低，太低會(huì)影響濾層的配水和反洗時(shí)擦洗氣體的流通，其有關(guān)機(jī)理需要進(jìn)一步的研究[48]。

（4）自壓式纖維過(guò)濾器：這種過(guò)濾器也分兩種形式，一種是出水孔板在下部，另一種是出水孔板在上部，另一端與限制其位置的結(jié)構(gòu)相連，這種過(guò)濾器在運(yùn)行過(guò)程中僅靠水流對(duì)濾層實(shí)現(xiàn)壓縮，由于纖維的剛度小，只要保持適當(dāng)?shù)奶钛b密度，僅靠水流的壓力就可以像纖維球過(guò)濾器一樣將纖維束壓縮，使纖維束的空隙率隨水流的方向逐漸減小，達(dá)到理想的過(guò)濾狀態(tài)。但若經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行纖維束有可能形成固定的彎曲軌道，繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，纖維束就不會(huì)像剛開(kāi)始那樣緩慢的彎曲，而是按照彎曲軌道直接彎下去，不能實(shí)現(xiàn)理想的過(guò)濾空隙率，使得水頭損失加大，截污量減少。

（5）旋壓式纖維過(guò)濾器：這是英國(guó)研制的一種纖維過(guò)濾器，纖維一般采用尼龍、丙綸等，纖維兩端編制起來(lái)制成薄片，通過(guò)黏結(jié)的方法固定在接頭上，過(guò)濾時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)活接頭向下滑，以一定的角度纏繞在內(nèi)筒上，形成過(guò)濾層，纖維還有粗?；饔茫辜?xì)小液滴形成大的液低，然后在沉淀區(qū)依靠重力分離后排出，反洗時(shí)，活接頭上升，纖維松開(kāi)，床層中的固體雜質(zhì)能被很快清除，由于纖維對(duì)液滴的凝聚效果明顯好于粒狀濾料，因此該裝置適分離含油廢水中的原油和油制品，也適用于油和水的分離[49]。

（6） 深層過(guò)濾器：這種過(guò)濾裝置是由英國(guó)Exeter大學(xué)分離中心研制的，纖維材料選用羊毛、碳纖維等，過(guò)濾時(shí)，通過(guò)活塞壓縮過(guò)濾介質(zhì)形成濾層，過(guò)濾精度可以通過(guò)活塞對(duì)了纖維的壓縮程度調(diào)節(jié)，反洗時(shí)，反洗液從地不進(jìn)入，活塞在一定高度震蕩，可加快纖維的清洗速度并節(jié)省反洗液，HW深層過(guò)濾器以其過(guò)濾材質(zhì)在生物和化工方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，多用于過(guò)濾有腐蝕性的高溫液體和已融化的金屬聚合物，在醫(yī)學(xué)和化工方面應(yīng)用廣泛[50]。

4 纖維束過(guò)濾機(jī)理

過(guò)濾機(jī)理歷來(lái)有很多解釋?zhuān)?jīng)典的過(guò)濾理論認(rèn)為主要有以下兩種機(jī)理：

（1）遷移機(jī)理：顆粒的遷移是一種物理-力學(xué)的作用，因?yàn)闉V層空隙中的水流一般處于層流狀態(tài)，要想脫離流線(xiàn)與濾料接觸主要靠濾料攔截、沉淀作用、慣性作用、擴(kuò)散作用以及水的動(dòng)力學(xué)作用[17]，對(duì)于上述幾種作用，目前只能定性描述，對(duì)其作用的大小尚無(wú)法測(cè)定，有時(shí)可能僅僅是這幾種作用中的部分在起作用，遷移機(jī)理受到的影響因素較為復(fù)雜，如濾料粒徑、形狀、濾速、水溫等因素的影響[18]。

（2）粘附機(jī)理：粘附作用是一種物理化學(xué)作用。水中的膠體顆粒遷移到濾料表面時(shí)，在范德華力和靜電引力以及某些化學(xué)鍵和一些特殊的化學(xué)吸附力下，被粘附在濾料表面或者濾料表面粘附的顆粒上。粘附過(guò)程與澄清池的泥渣所起的作用類(lèi)似，所不同的是由于濾料較為固定，排列緊密，效果更好。粘附效果主要取決于濾料和水中顆粒表面的物理化學(xué)性質(zhì)，因此過(guò)濾對(duì)脫穩(wěn)顆粒的去除效果要好于未脫穩(wěn)的顆粒[18]。

纖維束的過(guò)濾機(jī)理與粒狀顆粒的過(guò)濾機(jī)理有相同的地方，在過(guò)濾過(guò)程中都有吸附和遷移的過(guò)程，但粒狀濾料的過(guò)濾主要為表層過(guò)濾，而纖維濾料則兼有表層過(guò)濾和深層過(guò)濾兩種作用，而且后者更為重要，因此具有更強(qiáng)的納污能力；由于采用的纖維束的材質(zhì)為聚丙烯，根據(jù)相似相容的原理，纖維濾料對(duì)有機(jī)物的吸附能力要比粒狀濾料強(qiáng)的多；纖維束由于比表面積大，因而具有更大的吉布斯自由能，更容易吸附液體中的顆粒膠體；纖維濾料的吸附作用主要是物理吸附和化學(xué)吸附，而粒狀濾料則主要是機(jī)械截留，因此纖維濾料具有粒狀濾料不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

5 過(guò)濾效果的影響因素

（1）粒徑與濾層厚度：要去的良好的過(guò)濾效果應(yīng)該選擇適中的粒徑，粒徑越粗越大，其容污能力增強(qiáng)，但細(xì)小顆粒懸浮物可能會(huì)穿透濾層，影響出水水質(zhì)，并且在反洗時(shí)，需要提供足夠大的反洗強(qiáng)度才能使濾層松動(dòng)，而且要保證出水水質(zhì)必須增加濾層厚度，粒徑越細(xì)，雖然過(guò)濾精度會(huì)越高，但濾層的阻力加大，水頭損失會(huì)增加很快，反洗會(huì)比較頻繁。理想的狀態(tài)下，濾層越厚過(guò)濾效果越好，但此時(shí)的水頭損失較大，在實(shí)際運(yùn)行中要考慮到濾料的再生和反洗效果，因此濾層的厚度要根據(jù)濾料和濾質(zhì)的性質(zhì)而定[19]。

（2）不均勻系數(shù)：不均勻系數(shù)越大，濾料的尺寸相差越大，顆粒越不均勻。由此帶來(lái)的后果是反洗過(guò)程不易控制，反洗強(qiáng)度小，不易將濾料表面沖洗干凈，反洗強(qiáng)度大則容易將細(xì)小的濾料沖出，而且隨著反洗次數(shù)的增多，會(huì)形成細(xì)小的濾料會(huì)被沖到過(guò)濾器的上層，大粒徑濾料會(huì)在下層的分布狀態(tài)，隨著過(guò)濾上層截留污染物的增多，濾料之間的空隙尺寸迅速減小，使得水頭損失過(guò)快增長(zhǎng)，反洗周期縮短[20]。

（3）濾速：濾速越高，就越需要較厚的濾層以保證濾池不被過(guò)早的穿透，濾層越厚，工程造價(jià)越高，從Tate和clark人研究在其他條件不變的情況下增加濾速可使過(guò)濾產(chǎn)水濁度升高，到Moran等人研究發(fā)現(xiàn)，如果采取其他輔助措施，即使濾速在一定范圍內(nèi)升高，過(guò)濾的去除率不會(huì)降低很大[21-23]，過(guò)濾技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，傳統(tǒng)的快濾池在濾速為25m/h時(shí)，仍能得到較好的出水，但高濾速帶來(lái)的水頭損失迅速升高的問(wèn)題仍然是傳統(tǒng)過(guò)濾工藝的缺陷[24]。

（4）水溫：水溫越低，水的粘度也就越大，水中的顆粒就不容易脫穩(wěn)，使得顆粒與顆粒以及濾料間的吸附性能減弱，濾層的穿透速度加快，過(guò)濾出水的處理效果下降。

6 高效纖維過(guò)濾器

高精度纖維過(guò)濾器是一種先進(jìn)的高精度纖維束過(guò)濾器，纖維濾料的材質(zhì)為聚丙烯，直徑在50μm左右，為充分發(fā)揮纖維束的過(guò)濾性能，在濾層中間設(shè)置囊狀的加壓室，可以根據(jù)需要通過(guò)調(diào)節(jié)加壓室的壓力來(lái)擠壓周?chē)睦w維束，以達(dá)到調(diào)節(jié)過(guò)濾精度的目的。反洗的時(shí)候放空加壓室，使纖維不受擠壓，采用氣水聯(lián)合洗，很容易將纖維束清洗干凈。

高效纖維過(guò)濾器通過(guò)將纖維濾料和加壓室調(diào)節(jié)裝置有效地結(jié)合在一起，一方面利用纖維束優(yōu)越的性能，另一方面利用加壓室調(diào)節(jié)過(guò)濾精度，無(wú)論從過(guò)濾材質(zhì)的選用還是從過(guò)濾結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，都實(shí)現(xiàn)了一般過(guò)濾器無(wú)法達(dá)到的高度，其過(guò)濾性能接近了理想的深層過(guò)濾狀態(tài)。

7 高效纖維過(guò)濾器的應(yīng)用

高效纖維過(guò)濾技術(shù)應(yīng)用于水處理的案例較多，但主要應(yīng)用于工業(yè)用水和生活用水的處理，這里介紹幾個(gè)其應(yīng)用的工程：

①遼寧某熱電廠(chǎng)工業(yè)廢水和生活污水的回用工程：處理水量為6000t/d，主要用于循環(huán)冷卻水和鍋爐補(bǔ)給水，采用氣浮+高效纖維過(guò)濾工藝，使原水的COD由20-40mg/L降到5mg/L以下，SS由30-40mg/L降至5mg/L以下，油由30mg/L降至1mg/L以下，基本接近于零。

②吉林某熱電廠(chǎng)生活污水和工業(yè)廢水回用工程：采用生化處理+高效纖維過(guò)濾工藝，處理水量為10000t/d，使原水的COD由200-300mg/L降到20mg/L以下，SS由80-100mg/L降至5mg/L以下；③山東某污水處理廠(chǎng)城市污水回用工程：采用A2/O+高效纖維過(guò)濾工藝，處理水量為30000 t/d，使原水的COD由184mg/L降到16.5mg/L以下，BOD5由80mg/L降至5.5mg/L以下。

④某石化公司的污水回用工程：處理水量為10000 t/d，經(jīng)過(guò)再次沉淀的二沉池出水通過(guò)高效纖維過(guò)濾，使原水的COD由40-80mg/L降到20-30mg/L，濁度值由10-15降至3以下[61]。

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