彗星式纤维滤料过滤器性能曲线

摘要：通过对彗星式纤维滤料应用于压力式过滤器的生产性试验，全面考察了过滤过程中过滤速度、产水量、滤床水头损失、过滤周期等参数之间的关系，并在分析试验数据的基础上出彗星式纤维滤料过滤器的性能曲线，包括日产水量与过滤速度关系曲线，过滤周期与过滤速度关系曲线及水头损失与过滤速度关系曲线。

关键词：彗星式纤维滤料 性能曲线 压力式过滤器 水处理

　　0 前言

　　彗星式纤维滤料为一种不对称构形过滤材料，一端为松散的纤维丝束，称“彗尾”,另一端为比重较大的实心体，称“彗核”，彗尾纤维丝束固定于彗核内，整体呈彗星状^[1]（见图1）。彗星式纤维滤料的不对称结构使得其兼有颗粒滤料和纤维滤料的特点^[2]。

　　`

　　图1 彗星式纤维滤料

　　与使用常规滤料的过滤器相比，彗星式纤维滤料过滤器有如下几个特点^[3]：

　　(1) 过滤器可在滤速10m/h～100m/h的范围内运行。

　　(2)适应原水悬浮物浓度范围10-100mg/L。

　　(3) 彗星式纤维滤料过滤器的突出特点是对原水水质水量变化的适应性较强。

　　为了较为准确、直观地描述彗星式纤维滤料过滤器的性能，本文在总结大量试验数据的基础上，通过理论分析和数学，得出了彗星式纤维滤料过滤器性能曲线。

　　1 彗星式纤维滤料过滤器的性能参数

　　过滤器性能涉及众多指标，主要的指标参数如表1所示^{[4] [5] [6]}。

　　研究表明^[7]，表1中各项指标大多是相互关联的，但关联程度却差异很大。如，过滤器水头损失取决于滤料性质、滤床孔隙率、滤床填充高度和过滤速度，同时又决定了过滤周期的选择和系统的水力设计。

　　本文针对彗星式纤维滤料应用于压力过滤器的生产性试验结果^[3]，选择了关联程度高的几个性能参数来分析和描述过滤器的性能，具体指标为滤速、过滤周期、水头损失及日产水量。

　　表1 过滤器的性能指标体系

　　2 彗星式纤维滤料过滤器性能曲线研究

　　2.1 日产水量（Q_n）与滤速（V）的关系

　　假设：① 原水水质不变，即暂不考虑进出水浓度对过滤周期的影响；② 反冲洗时间为0.5小时；③ 过滤周期为T小时；④ 每日反冲洗次数为n，反冲洗耗水率为α。则，单位面积过滤器日净产水量（简称日产水量）与过滤速度之间有如下的数学关系：

　　 （1）

　　过滤器在运行过程中，当V不同，T随之变化，α也随之变化但幅度很小^[7]。不同的操作条件（絮凝剂投加的种类和剂量、滤前混凝沉淀设施的有无等）也会影响过滤周期T的长短，所以，欲准确描述Q_n-V关系，需要依靠大量的实验数据。图2是根据彗星式纤维滤料过滤器在不同操作条件下依(1)式计算得出的日产水量与过滤速度的曲线。

　　
图2 彗星式纤维滤料过滤器的Q_n-V图

　　由图2知，滤速是衡量过滤器运行效率的重要指标，提高滤速是增加过滤器日产水量的关键因素。

　　2.2 过滤周期（T）与滤速（V）的关系

　　在其它过滤条件（如滤料的形状尺寸、滤床深度）一定时，滤速越大，水中悬浮颗粒在滤床中迁移越快，滤床就越容易穿透，过滤周期也越短。对于彗星式纤维滤料，随着操作压力的升高，滤床不断压缩，孔隙率随之变化，纳污量R为变量，T的变化更加复杂。由纳污量的定义，可以导出过滤周期T与过滤速度V及纳污量R的关系式：

　　（2）

　　式（2）中，V、H及可由试验测得。T与V的关系可通过拟合R与V的关系来预测。

　　由试验数据^[7]得出R与V的关系如下：

　　R = -2×10^-5V³ + 0.0062V² – 0.87V + 56.58 (3)

　　将(3)代入（2），得：

　　T＝(-2×10^-5V³ + 0.0062V² – 0.87V + 56.58) ×H×10⁶ /(V) (4)

　　用式（4）计算彗星式纤维滤料过滤器的过滤周期，并与试验结果比较，见表2。

　　表2 过滤周期的试验值与计算值

　　由式(4)计算不同进水浓度的T-V曲线，得T-V曲线族，见图3。

　　
图3 彗星式纤维滤料过滤器不同进水浓度的T-V曲线族

　　T-V曲线直观地反映了过滤器主要参数（滤速与周期）在不同进水浊度情况下的关系，该图可用于指导过滤器的设计和运行。

　　2.3 水头损失（ΔH）与滤速（V）的关系

　　对过滤周期末滤床水头损失与过滤速度的试验数据作图，得图4。

　　
图4 水头损失与过滤速度的ΔH-V图

　　图4表明彗星式纤维滤料过滤器的水头损失随着滤速的提高而升高，该图为系统的水力设计提供了基础数据。

　　3 性能曲线分析

　　(1)过滤器的性能曲线包括Q_n＝f（V）、T＝f（V）、和⊿H＝f（V）三项关系。

　　三项关系中，除Q_n＝f（V）是依据理论公式推导外，其余曲线的绘制都是基于大量的生产性试验数据，包括过滤操作的前期工艺、工艺方法、药剂投加和操作条件等条件下的过滤速度、进出水水质、水头损失、过滤周期和周期产水量等试验数据，所以在应用上就可根据需要选择与处理任务的条件相同或相近的性能曲线，这种方法简单易行，并且随着新材料和新工艺的开发，性能曲线将会得到不断补充与。

　　(2) 由本文的分析方法，可绘制砂滤池及纤维球过滤器的性能曲线，对三者进行比较如下。

　　a．绘制如图5的彗星式纤维滤料过滤器性能曲线。

　　图5 过滤器的性能曲线综合曲线图

　　（注： Q_n－×10² m³/m²·d^-1，T－h，ΔH－m）

　　分析彗星式纤维滤料过滤器的性能曲线可知，过滤周期随滤速增大而减小的趋势很明显；水头损失随滤速增大而增加较快；日产水量随滤速的增加而增加的趋势十分明显，在低于80m/h滤速范围内近似呈直线关系。

　　b．由 ^[8]，绘制如图6的砂滤池性能曲线。

　　图6 均粒石英砂滤池的性能曲线

　　（注： Q_n－×10 m³/m²·d^-1，T－h，ΔH－×10cm）

　　由石英砂滤池的性能曲线，滤速范围18-28m/h，过滤周期约48h。因为平均进水浊度较低，而且变化幅度较小，所以过滤周期较为稳定，周期末滤床总水头损失变化不大，约250cm水柱。

　　c．考察纤维球过滤器的运行情况，并绘制纤维球过滤器性能曲线，如图7，研究数据取自文献^[9]。

　　图7 纤维球过滤器的性能曲线例

　　（注： Q_n－×10 m³/m²·d^-1，T－h，ΔH－×10cm）

　　由纤维球过滤器的性能曲线，滤速范围10-20m/h，过滤周期6.8-23.6h，进水浊度增加时，过滤周期明显缩短，滤床总水头损失变化不大，约180cm水柱。

　　三种滤料过滤器性能曲线的比较显示，对参数变化幅度较小的过滤器（如砂滤池），性能曲线的指导意义不大。然而对于彗星式纤维滤料过滤器，由于性能参数可在很大范围内变化，性能曲线对设计与运行具有决定性意义。纤维球过滤器则介于两者之间。

　　(3) 彗星式纤维滤料过滤器性能曲线的应用要点。

　　实际水处理工程实践中原水的水质和水量一般是变化的^{[10] [11]}，针对这种变化，设计和操作人员可以根据性能曲线来调整参数或监控过滤过程。例如：在水质不变的情况下，处理水量骤增或骤减时，可相应地增加或减小滤速；水量不变的情况下，原水悬浮物浓度增加或减小时，操作者可以根据性能曲线调节滤速或改变过滤周期。

　　4 结论

　　(1) 在试验数据的基础上，结合理论分析及数值，归纳出彗星式纤维滤料过滤器性能曲线，包括下列三组关系：

　　a．日产水量（Q_n）与滤速（V）曲线。

　　b．过滤周期（T）与滤速（V）曲线。

　　c．水头损失（ΔH）与滤速（V）曲线。

　　(2) 绘制了砂滤池及纤维球过滤器性能曲线，并与彗星式纤维滤料过滤器性能曲线进行了比较。结果表明，对运行参数可在较大范围变化的彗星式纤维滤料过滤器，性能曲线对过滤器的设计具有重要的理论意义，同时也是过滤器运行操作的有力工具。

　　符号表：

　　Ci － 进水悬浮物平均浓度，mg/L；

　　– 进出水悬浮物平均浓度差，mg/L；

　　H – 滤床高度，m；

　　ΔH – 滤床总水头损失，cm；

　　Q_n– 单位面积过滤器日净产水量，m³/m²·d^-1；

　　R – 单位体积滤床纳污量，kg/m³；

　　T– 过滤周期，h；

　　V– 过滤速度，m/h；

　　α– 反冲洗耗水率，%。

　　文献：

　　[1]李振瑜，刘力群，金志刚． 彗星式纤维过滤体． 实用新型．ZL 98249298．7

　　[2]李振瑜, 王夏． 彗星式纤维过滤材料． 给水排水， 2002，6：71-74

　　[3]刘沫，王夏，李振瑜． 彗星式纤维滤料直接过滤废水的试验研究（待发表）

　　[4]许保玖． 给水处理． 北京：中国建筑出版社，1979

　　[5]Morris, Juli K．，Knocke, William R． Temperature effects on the use of metal-ion coagulants for water treatment． J． AWWA, 1984(3): 74-79

　　[6]Amirtharajah A． Some theoretical and conceptual views of filtration． J． AWWA, 1988 (12): 36

　　[7]王夏． 彗星式纤维滤料过滤器的性能及性能曲线[硕士论文]． 北京：清华大学环境与工程系, 2002

　　[8]王峰青, 乐丽孙． 均粒石英砂滤料过滤研究． 给水排水, 1999, 4：5-7

　　[9]熊岚等． 纤维球滤料直接过滤原水的试验研究． 中南工学院学报, 2000, 3：33-37

　　[10]同济大学 主编． 给水工程． 北京：中国建筑工业出版社, 1980．9

　　[11]化学工业出版社． 水处理工程典型设计实例北京：化学工业出版社, 2001．5