纖維球高效過濾系統(tǒng)在污水回用中的應(yīng)用

    污水回用與資源化是實(shí)現(xiàn)我國水資源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。本文系統(tǒng)地介紹了纖維球?yàn)V料的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)論述了纖維球高效過濾系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)及在污水回用中的應(yīng)用實(shí)例。

    社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展給全球資源、環(huán)境都帶來了巨大的壓力。人類自身的生存發(fā)展不僅消耗大量的水資源，而且還向環(huán)境中排放的污染物質(zhì)，造成水環(huán)境的明顯惡化，使全球可利用的淡水資源日益減少。污水回用與資源化是解決缺水問題最為簡單、經(jīng)濟(jì)的一種途徑。

    過濾是污水回用深度處理的重要處理單元，是污水回用保證再生水水質(zhì)的關(guān)鍵過程。其目的在于進(jìn)一步去除廢水二級處理后的生物絮體和膠體物質(zhì)，降低出水的BOD、COD值，顯著降低出水的懸浮物含量和濁度、重金屬、細(xì)菌等。高效過濾材料與技術(shù)的應(yīng)用，能夠顯著提高回用水的水質(zhì)與綜合利用率，降低城市與工業(yè)的排污總量，并推動(dòng)水資源可持續(xù)利用的發(fā)展。

    1 纖維球高效過濾技術(shù)

    1.1過濾技術(shù)的發(fā)展

    一百多年來，人們不斷探索研究高效的過濾工藝以取得更好的濾后水質(zhì)，研究成果表現(xiàn)在以下幾方面：

    1）對過濾機(jī)理進(jìn)行了探索研究，創(chuàng)立了各種過濾理論模式。

    2）濾池型式和水流方向發(fā)展多樣化。

    3）濾料由傳統(tǒng)的石英沙濾料為主改進(jìn)到多種介質(zhì)，如無煙煤、磁鐵礦、石榴石，以及顆?；钚蕴俊⑺芰现?、陶粒濾料等。濾料組成有單層濾料、雙層濾料和多層濾料。

    然而，縱觀過濾技術(shù)的發(fā)展歷史，有兩點(diǎn)基本沒有改變：一是普通快濾池為代表的基本構(gòu)思沒有取得突破性的(質(zhì)的)進(jìn)展，快濾池通過加大濾料粒徑，提高了濾速，發(fā)揮了深層濾床的過濾能力，但是，通過水力反沖洗之后，使得砂層的粒徑分布隨過濾水流（自上而下）逐漸增大。這樣，上層濾料的粒徑最細(xì)，空隙最小，懸浮雜質(zhì)在濾層中的分布主要集中在上層，尤其是表層，表層孔隙容易堵塞，濾層阻力迅速上升，周期縮短，下層部分濾料仍然沒有發(fā)揮作用，雙層及多層濾料雖然從濾床總體上實(shí)現(xiàn)了反粒度過濾，但就每一單濾料層依然如故，不能發(fā)揮整個(gè)濾床的截污能力，這是傳統(tǒng)過濾技術(shù)的最大缺陷。二是以石英砂濾料為代表的傳統(tǒng)顆粒濾料的主導(dǎo)地位沒有改變。顆粒濾料的主要缺點(diǎn)是濾床孔隙率小，濾料比表面積小，濾床截污量低，反沖洗時(shí)，濾料容易流失。

    1.2 纖維球?yàn)V料的發(fā)展及特點(diǎn)

    1982年日本尤尼奇卡公司將人工合成纖維絲制成絨球作為濾料，用聚脂纖維作成球或扁平橢圓體，用于水的凈化處理，取得很好的效果。纖維球具有水頭損失小，濾速高，截泥量大等優(yōu)點(diǎn)，但這種纖維球的纖維絲卷曲纏結(jié)在一起，形成的球比較硬，纖維球形成的濾床具有顆粒床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，球與球之間無聯(lián)系，空隙較大，容易穿透。反沖洗時(shí)，纖維球內(nèi)部積泥很不容易反沖洗干凈。

    中國清華大學(xué)于1983年創(chuàng)造了有自己特色的纖維球，這種纖維球由中心結(jié)扎而成，密實(shí)度由中心向周邊遞減，濾料層空隙率達(dá)90%以上，其主要特性如下：

    1） 纖維球呈柔性，孔隙可變，過濾時(shí)受工作壓力、上層截泥和濾料自重的影響，形成上疏下密的理想濾層分布狀態(tài)，可充分發(fā)揮出濾料深層的截污能力。

    2） 與砂子、無煙煤、陶粒等濾料相比，纖維球?yàn)V料具有濾速高、截泥量大、工作周期長等優(yōu)點(diǎn)。

    3） 纖維球?yàn)V料在污水處理中（污水直接過濾、一級處理后過濾與二級處理后過濾）能發(fā)揮其特點(diǎn)。在同樣過濾水量時(shí)，采用纖維球?yàn)V料可以提高濾速，從而節(jié)省過濾設(shè)備的容量，節(jié)省投資。

    近20年來，中國和日本相繼展開了纖維濾料研究的熱潮。例如日本于1986年研制了卷縮纖維中心結(jié)扎纖維球，與中國的纖維球相似，但卷縮絲的加工難度大。1992年又制成棒狀纖維濾料，幾乎不能反洗，只能用于特殊行業(yè)，作為一次性使用。采用纖維長絲束狀濾料的典型代表有中國東北電力學(xué)院研制的帶膠囊與不帶膠囊的擠壓式過濾器以及江漢研究所研制的靠機(jī)械壓蓋上下擠壓的纖維絲過濾器，存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，操作不便等問題。

    1998年，清華大學(xué)又推出彗星式纖維濾料，這種不對稱構(gòu)型濾料具有一定的優(yōu)勢，例如進(jìn)一步減少了濾料的“死”區(qū)（濾料過分緊密，反沖洗時(shí)纖維無法散開，從而使其間截留的懸浮物難以脫落），反洗時(shí)，由于彗核和慧尾纖維的密度差，慧尾纖維隨反沖洗水流散開并擺動(dòng)，產(chǎn)生較強(qiáng)的甩曳力和相互碰撞，有利于過濾材料的洗凈。但是也存在慧尾易結(jié)團(tuán)，慧核溶結(jié)材料與濾料本身材質(zhì)不一樣，牢固性需要經(jīng)受長時(shí)間的考驗(yàn)。

    1.3 纖維球高效過濾系統(tǒng)

    纖維球高效過濾系統(tǒng)包括新型纖維球?yàn)V料和纖維球過濾器兩大類產(chǎn)品系列。

    1）新型纖維球

    纖維球分普通纖維球和改性纖維球兩類，產(chǎn)品形式包括球形、扇形、紡錘形。纖維球具有水頭損失小、濾速高、截泥量大、孔隙率高、濾料不會(huì)漏失、濾層不會(huì)板結(jié)等特點(diǎn)。適用于過濾設(shè)備用濾料（過濾介質(zhì)），以及纖維球等濾料的更換或替代。

    （1）新型機(jī)制纖維球?yàn)V料的制造

    纖維球?yàn)V料于20世紀(jì)80年代中期由清華大學(xué)發(fā)明以來，中國水處理界普遍推廣應(yīng)用，受到廣大用戶的好評。但是目前的纖維球?yàn)V料還是手工制作，制作成本高，產(chǎn)品質(zhì)量不均一，影響了纖維球?yàn)V料的推廣應(yīng)用。機(jī)制纖維球?yàn)V料將大大降低纖維球?yàn)V料的生產(chǎn)成本，同時(shí)延長了濾料的使用壽命。

    纖維球?yàn)V料的機(jī)制化實(shí)現(xiàn)了從手工制球到機(jī)械化制球的轉(zhuǎn)化，其原理是利用機(jī)械加熱的方法，熔化人工纖維絲束使之固結(jié)，制成纖維濾料。與人工結(jié)扎相比，加熱固結(jié)不易松散，濾料不會(huì)損失。

    扇形纖維球?yàn)V料在制備過程中采用焊接，使振動(dòng)能介入焊點(diǎn)，核面處產(chǎn)生每秒鐘2萬次高速摩擦，使接面區(qū)域瞬間產(chǎn)生高熱而使纖維絲本身熔合，因此焊點(diǎn)熔結(jié)牢固，而且體積小，使“死區(qū)”減到最小。扇形長寬適度，纖維絲之間不會(huì)繞結(jié)團(tuán)，具有不對稱結(jié)構(gòu)濾料優(yōu)點(diǎn)，反洗徹底。

    （2）纖維球的親水疏油改性

    在含油污水的處理中，纖維球?yàn)V料具有較好的除油能力。但由于纖維球表面極強(qiáng)的親油性，使其吸附油后不能沖洗干凈，阻礙了纖維球?yàn)V料在含油污水過濾處理中的推廣應(yīng)用。對纖維球表面進(jìn)行親水疏油改性可解決此問題。改性后的纖維球?yàn)V料與含油污水接觸時(shí)，先與水分子進(jìn)行接觸，在纖維球表面形成一層水的保護(hù)膜，反沖洗時(shí)很容易被水沖洗下來。新型防油改性纖維球不僅具有較好的除懸浮物、除油效果，而且不會(huì)漏失，濾層不板結(jié)。該產(chǎn)品已成功地應(yīng)用于油田回注水處理與濕法煉銅萃取工藝中萃取液及電胄液的脫油處理。

    2）纖維球過濾器

    纖維球過濾器分為高效過濾器和精密過濾器兩類，其主要性能指標(biāo)為：濾速15-30m/h，過濾周期8-24h，水頭損失3-10m，截污量6-20kg/m3，設(shè)計(jì)壓力0.6MPa，反沖采用機(jī)械攪拌或氣水反沖，水反沖強(qiáng)度10L/s•m2，氣反沖強(qiáng)度30 –45L/s•m2，反沖歷時(shí)10-30min，懸浮物和油去除率82-95%。

    （1）纖維球高效過濾器

    纖維球高效過濾器內(nèi)裝纖維球?yàn)V料（或改性纖維球?yàn)V料），它比多介質(zhì)過濾器的過濾速度快2～3倍，截污能力是多介質(zhì)過濾器的2.7倍，出水水質(zhì)要高出1～2個(gè)數(shù)量級。纖維球高效過濾器具有濾速高、截污量大、工作周期長、懸浮物去除效果好等特點(diǎn)。該系統(tǒng)適用于水廠給水與改造工程、工業(yè)循環(huán)水供水、污水回用等工程的快速過濾處理。在相同處理能力條件下，采用纖維球過濾器投資和運(yùn)行管理費(fèi)用最低。

    （2）纖維球精密過濾器

    纖維球精密過濾器采用濾層壓縮電機(jī)帶動(dòng)可移動(dòng)專用多孔篩板，實(shí)現(xiàn)纖維濾層的壓縮，以保證過濾器運(yùn)行時(shí)的過濾精度。通過機(jī)械壓縮來調(diào)節(jié)不同的壓縮比來實(shí)現(xiàn)不同的過濾精度。纖維球精密過濾器最高過濾精度為≤1微米，達(dá)到微濾膜水平，這徹底解決了低滲透油田的精密過濾難題，在油田回注水工程應(yīng)用結(jié)果都滿足低滲油田注水水質(zhì)的要求?？蓧嚎s纖維球過濾提高了纖維球過濾技術(shù)的精度，對來水適應(yīng)范圍更廣，在精密過濾領(lǐng)域可替代微濾膜技術(shù)，在膜法水處理中可用于反滲透或納濾或超濾膜的預(yù)處理。

    綜上所述，纖維球高效過濾系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)在于：獨(dú)特扇形結(jié)構(gòu)，機(jī)械化制球使用壽命長；可用于含油污水處理；過濾精度高，達(dá)到微濾膜水平；自動(dòng)化程度高；初期投資成本及運(yùn)行費(fèi)用低，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

    2纖維球高效過濾系統(tǒng)的應(yīng)用

    2.1 應(yīng)用范圍

    1）在污水回用中的應(yīng)用

    污水回用是將廢水深度處理，從新用于生活或工業(yè)生產(chǎn)，這樣不僅可以減小新鮮水的用量，還能降低污水排放總量。根據(jù)污水回用的目的不同，可采用不同的工藝流程。

    （1）對于市政雜用水，因其對水質(zhì)要求較低，可采用如下工藝：

    二級處理出水→兩級生物陶粒→纖維球高效過濾器→回用

    （2）對于工業(yè)循環(huán)水和工藝用水，要求水中雜質(zhì)含量較低，可采用如下工藝：

    二級處理出水→混凝→纖維球高效過濾器→纖維球精密過濾器→回用

    2）在反滲透預(yù)處理中的應(yīng)用

    反滲透系統(tǒng)對進(jìn)水水質(zhì)要求很高，因而需進(jìn)行預(yù)處理。常用的預(yù)處理工藝有：混凝沉淀、多介質(zhì)過濾、微濾、超濾等。也可用纖維球精密過濾系統(tǒng)對來水進(jìn)行預(yù)處理：二級處理出水→混凝→纖維球高效過濾器→纖維球精密過濾器→抗污染反滲透系統(tǒng)→回用

    3）在油田回注水處理中的應(yīng)用

    油田含油污水經(jīng)處理后用于回注，是較好的處理方法。纖維球高效過濾系統(tǒng)在對回注水中油、懸浮物及顆粒粒徑的控制有很好的效果。其典型工藝為：

    含油污水接受罐→加藥系統(tǒng)→壓力除油器（或混凝除油罐）→改性纖維球高效過濾器（一級或二級）→改性纖維球精密過濾器→注水

    3 結(jié)論

    隨著纖維球?yàn)V料機(jī)制化和改性技術(shù)的發(fā)展，以及高精度過濾器的出現(xiàn)，使得纖維球高效過濾系統(tǒng)能夠代替微濾膜等精密過濾技術(shù)，在工業(yè)廢水的深度處理、城市污水回用、反滲透膜系統(tǒng)的預(yù)處理和油田回注水處理等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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