纖維過濾器

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

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，使得纖維過濾器的濾速可以很高，過濾阻力很??；由于纖維濾料比較細小，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，使得過濾器的納污容量大，具有較高的去除率；濾料的壓實度隨水流方向逐漸增大，使得過濾進水側可以吸附截留粒徑較大的膠體顆粒，過濾產水側可以吸附截留粒徑較小的顆粒，形成理想的過濾狀態(tài)，并且過濾精度要高于粒狀濾料；由于對濾料進行了固定，使得在過濾過程和反洗過程中濾料都不會發(fā)生流失現(xiàn)象，并且反洗強度較粒狀濾料要低[40]。隨著合成纖維技術的發(fā)展，可供選擇的纖維種類越來越多，纖維的物理化學性質有了很大的改進，進一步確保了纖維濾料能用于各種過濾的過程。纖維濾料是目前公認的最為理想的過濾材料之一，越來越在各個方面得到了廣泛的應用[41]。

2纖維濾料的主要形式

采用纖維濾料進行水處理是從80年代開始的，在纖維濾料的研究過程中，纖維過濾器也在不斷的發(fā)展和改進，國內主要有纖維球過濾和纖維束過濾器兩種形式。纖維材料的種類主要有以下幾種：

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

（2）纖維球：此類過濾材料有多種形式，其特點是制造簡單，但濾料內部過濾到的雜質不易反洗，多次運行后短纖維易從纖維球上脫落[43]。

（3）“布帛片”濾料：其形態(tài)類似于切割后的毛氈，特點是不掉絲，但濾料內部過濾的雜質不易清洗干凈仍是它的缺點。

（4）棒狀纖維濾料：纖維絲束之間形成多個連接點，形成棒狀，按一定長度切開。

（5）彗星式纖維濾料：這是一種不對稱構型的過濾材料，一端的纖維絲固定在密度較大的實體內，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纖維過濾器

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

（1）纖維球過濾器：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，這時纖維球主要表現(xiàn)為一個整體，由于纖維球本身有一定的彈性，在過濾水流壓力和自身重力的作用下使得濾層的過濾孔徑由上到下按照由大到小分布，形成一種理想的過濾方式，上層濾料截留粒徑較大的顆粒，下層截留粒徑較小的，使得整個濾層充分發(fā)揮過濾作用，但由于纖維球呈輻射狀，周圍松散，中心密實，反洗時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：將長纖維束上端固定在過濾器頂部，下端懸掛重錘，纖維層中間安裝膠囊，過濾前先將膠囊充水，使其膨脹到一定的程度，對周圍的纖維產生擠壓的作用力，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，是非常理想的過濾過濾形態(tài)，過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]。清洗過濾器時，先將膠囊內的水排放干凈，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和疏松的問題，過濾精度可根據需要隨意調節(jié)，而且纖維束不易流失，過濾形態(tài)接近于理想狀態(tài)，隨著囊材料的開發(fā)研究，目前囊的使用壽命在逐漸延長，使得加壓囊式纖維過濾器在水處理中廣泛應用。

（3）壓力板式纖維過濾器：壓力板可以再過濾器上部也可以在過濾器下部，以壓力板在上部為例，纖維束一端在有一定開孔率的壓力板上，另一端固定在出水板上，過濾時通過水流對壓力板產生壓力，通過擠壓上層纖維使上層的纖維進一步擠壓下層纖維，直到達到平衡，反洗時，因為壓力板的設計密度接近水的密度，使得壓力板能夠被水流輕易的沖起，帶動纖維舒展，達到對纖維層的徹底清洗，但壓力板有時會出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象，影響穩(wěn)定運行，另外壓力板的開孔率不能太低，太低會影響濾層的配水和反洗時擦洗氣體的流通，其有關機理需要進一步的研究[48]。

（4）自壓式纖維過濾器：這種過濾器也分兩種形式，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構相連，這種過濾器在運行過程中僅靠水流對濾層實現(xiàn)壓縮，由于纖維的剛度小，只要保持適當?shù)奶钛b密度，僅靠水流的壓力就可以像纖維球過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，達到理想的過濾狀態(tài)。但若經過長時間的運行纖維束有可能形成固定的彎曲軌道，繼續(xù)運行時，纖維束就不會像剛開始那樣緩慢的彎曲，而是按照彎曲軌道直接彎下去，不能實現(xiàn)理想的過濾空隙率，使得水頭損失加大，截污量減少。

（5）旋壓式纖維過濾器：這是英國研制的一種纖維過濾器，纖維一般采用尼龍、丙綸等，纖維兩端編制起來制成薄片，通過黏結的方法固定在接頭上，過濾時，傳動機構推動活接頭向下滑，以一定的角度纏繞在內筒上，形成過濾層，纖維還有粗?；饔?，使細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，活接頭上升，纖維松開，床層中的固體雜質能被很快清除，由于纖維對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） 深層過濾器：這種過濾裝置是由英國Exeter大學分離中心研制的，纖維材料選用羊毛、碳纖維等，過濾時，通過活塞壓縮過濾介質形成濾層，過濾精度可以通過活塞對了纖維的壓縮程度調節(jié)，反洗時，反洗液從地不進入，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深層過濾器以其過濾材質在生物和化工方面的獨特優(yōu)勢，多用于過濾有腐蝕性的高溫液體和已融化的金屬聚合物，在醫(yī)學和化工方面應用廣泛[50]。

4 纖維束過濾機理

過濾機理歷來有很多解釋，經典的過濾理論認為主要有以下兩種機理：

（1）遷移機理：顆粒的遷移是一種物理-力學的作用，因為濾層空隙中的水流一般處于層流狀態(tài)，要想脫離流線與濾料接觸主要靠濾料攔截、沉淀作用、慣性作用、擴散作用以及水的動力學作用[17]，對于上述幾種作用，目前只能定性描述，對其作用的大小尚無法測定，有時可能僅僅是這幾種作用中的部分在起作用，遷移機理受到的影響因素較為復雜，如濾料粒徑、形狀、濾速、水溫等因素的影響[18]。

（2）粘附機理：粘附作用是一種物理化學作用。水中的膠體顆粒遷移到濾料表面時，在范德華力和靜電引力以及某些化學鍵和一些特殊的化學吸附力下，被粘附在濾料表面或者濾料表面粘附的顆粒上。粘附過程與澄清池的泥渣所起的作用類似，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性質，因此過濾對脫穩(wěn)顆粒的去除效果要好于未脫穩(wěn)的顆粒[18]。

纖維束的過濾機理與粒狀顆粒的過濾機理有相同的地方，在過濾過程中都有吸附和遷移的過程，但粒狀濾料的過濾主要為表層過濾，而纖維濾料則兼有表層過濾和深層過濾兩種作用，而且后者更為重要，因此具有更強的納污能力；由于采用的纖維束的材質為聚丙烯，根據相似相容的原理，纖維濾料對有機物的吸附能力要比粒狀濾料強的多；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吸附，而粒狀濾料則主要是機械截留，因此纖維濾料具有粒狀濾料不可比擬的優(yōu)勢。

5 過濾效果的影響因素

（1）粒徑與濾層厚度：要去的良好的過濾效果應該選擇適中的粒徑，粒徑越粗越大，其容污能力增強，但細小顆粒懸浮物可能會穿透濾層，影響出水水質，并且在反洗時，需要提供足夠大的反洗強度才能使濾層松動，而且要保證出水水質必須增加濾層厚度，粒徑越細，雖然過濾精度會越高，但濾層的阻力加大，水頭損失會增加很快，反洗會比較頻繁。理想的狀態(tài)下，濾層越厚過濾效果越好，但此時的水頭損失較大，在實際運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濾料和濾質的性質而定[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。由此帶來的后果是反洗過程不易控制，反洗強度小，不易將濾料表面沖洗干凈，反洗強度大則容易將細小的濾料沖出，而且隨著反洗次數(shù)的增多，會形成細小的濾料會被沖到過濾器的上層，大粒徑濾料會在下層的分布狀態(tài)，隨著過濾上層截留污染物的增多，濾料之間的空隙尺寸迅速減小，使得水頭損失過快增長，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早的穿透，濾層越厚，工程造價越高，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濾產水濁度升高，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升高，過濾的去除率不會降低很大[21-23]，過濾技術取得了很大的進步，傳統(tǒng)的快濾池在濾速為25m/h時，仍能得到較好的出水，但高濾速帶來的水頭損失迅速升高的問題仍然是傳統(tǒng)過濾工藝的缺陷[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，過濾出水的處理效果下降。

6 高效纖維過濾器

高精度纖維過濾器是一種先進的高精度纖維束過濾器，纖維濾料的材質為聚丙烯，直徑在50μm左右，為充分發(fā)揮纖維束的過濾性能，在濾層中間設置囊狀的加壓室，可以根據需要通過調節(jié)加壓室的壓力來擠壓周圍的纖維束，以達到調節(jié)過濾精度的目的。反洗的時候放空加壓室，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。

高效纖維過濾器通過將纖維濾料和加壓室調節(jié)裝置有效地結合在一起，一方面利用纖維束優(yōu)越的性能，另一方面利用加壓室調節(jié)過濾精度，無論從過濾材質的選用還是從過濾結構的設計，都實現(xiàn)了一般過濾器無法達到的高度，其過濾性能接近了理想的深層過濾狀態(tài)。

7 高效纖維過濾器的應用

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

①遼寧某熱電廠工業(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)冷卻水和鍋爐補給水，采用氣浮+高效纖維過濾工藝，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山東某污水處理廠城市污水回用工程：采用A2/O+高效纖維過濾工藝，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，經過再次沉淀的二沉池出水通過高效纖維過濾，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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