纖維球高效過(guò)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(guó)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(guò)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(lái)了巨大的壓力。人類(lèi)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(wèn)題*為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的一種途徑。

    過(guò)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(guò)程。其目的在于進(jìn)一步去除廢水二級(jí)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(guò)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(guò)濾技術(shù)

    1.1過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展

    一百多年來(lái)，人們不斷探索研究高效的過(guò)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(duì)過(guò)濾機(jī)理進(jìn)行了探索研究，創(chuàng)立了各種過(guò)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(wú)煙煤、磁鐵礦、石榴石，以及顆粒活性炭、塑料珠、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(guò)濾技術(shù)的發(fā)展歷史，有兩點(diǎn)基本沒(méi)有改變：一是普通快濾池為代表的基本構(gòu)思沒(méi)有取得突破性的(質(zhì)的)進(jìn)展，快濾池通過(guò)加大濾料粒徑，提高了濾速，發(fā)揮了深層濾床的過(guò)濾能力，但是，通過(guò)水力反沖洗之后，使得砂層的粒徑分布隨過(guò)濾水流（自上而下）逐漸增大。這樣，上層濾料的粒徑*細(xì)，空隙*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(méi)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(guò)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(guò)濾技術(shù)的*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(méi)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(wú)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(guó)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(guò)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(wú)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

    3） 纖維球?yàn)V料在污水處理中（污水直接過(guò)濾、一級(jí)處理后過(guò)濾與二級(jí)處理后過(guò)濾）能發(fā)揮其特點(diǎn)。在同樣過(guò)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(guò)濾設(shè)備的容量，節(jié)省投資。

    近20年來(lái)，中國(guó)和日本相繼展開(kāi)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(guó)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(zhǎng)絲束狀濾料的典型代表有中國(guó)東北電力學(xué)院研制的帶膠囊與不帶膠囊的擠壓式過(guò)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(guò)濾器，存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，操作不便等問(wèn)題。

    1998年，清華大學(xué)又推出彗星式纖維濾料，這種不對(duì)稱(chēng)構(gòu)型濾料具有一定的優(yōu)勢(shì)，例如進(jìn)一步減少了濾料的“死”區(qū)（濾料過(guò)分緊密，反沖洗時(shí)纖維無(wú)法散開(kāi)，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(kāi)并擺動(dòng)，產(chǎn)生較強(qiáng)的甩曳力和相互碰撞，有利于過(guò)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(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。

    1.3 纖維球高效過(guò)濾系統(tǒng)

    纖維球高效過(guò)濾系統(tǒng)包括新型纖維球?yàn)V料和纖維球過(guò)濾器兩大類(lèi)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(lèi)，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(guò)濾設(shè)備用濾料（過(guò)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(lái)，中國(guó)水處理界普遍推廣應(yīng)用，受到廣大用戶(hù)的好評(píng)。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(zhǎng)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(guò)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(wàn)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*小。扇形長(zhǎng)寬適度，纖維絲之間不會(huì)繞結(jié)團(tuán)，具有不對(duì)稱(chēng)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(guò)濾處理中的推廣應(yīng)用。對(duì)纖維球表面進(jìn)行親水疏油改性可解決此問(wèn)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(lái)。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(guò)濾器

    纖維球過(guò)濾器分為高效過(guò)濾器和精密過(guò)濾器兩類(lèi)，其主要性能指標(biāo)為：濾速15-30m/h，過(guò)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(guò)濾器

    纖維球高效過(guò)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(guò)濾器的過(guò)濾速度快2～3倍，截污能力是多介質(zhì)過(guò)濾器的2.7倍，出水水質(zhì)要高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。纖維球高效過(guò)濾器具有濾速高、截污量大、工作周期長(zhǎng)、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(guò)濾處理。在相同處理能力條件下，采用纖維球過(guò)濾器投資和運(yùn)行管理費(fèi)用*低。

    （2）纖維球精密過(guò)濾器

    纖維球精密過(guò)濾器采用濾層壓縮電機(jī)帶動(dòng)可移動(dòng)專(zhuān)用多孔篩板，實(shí)現(xiàn)纖維濾層的壓縮，以保證過(guò)濾器運(yùn)行時(shí)的過(guò)濾精度。通過(guò)機(jī)械壓縮來(lái)調(diào)節(jié)不同的壓縮比來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的過(guò)濾精度。纖維球精密過(guò)濾器*高過(guò)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(guò)濾難題，在油田回注水工程應(yīng)用結(jié)果都滿(mǎn)足低滲油田注水水質(zhì)的要求?？蓧嚎s纖維球過(guò)濾提高了纖維球過(guò)濾技術(shù)的精度，對(duì)來(lái)水適應(yīng)范圍更廣，在精密過(guò)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(guò)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(zhǎng)；可用于含油污水處理；過(guò)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(guò)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(duì)于市政雜用水，因其對(duì)水質(zhì)要求較低，可采用如下工藝：

    二級(jí)處理出水→兩級(jí)生物陶粒→纖維球高效過(guò)濾器→回用

    （2）對(duì)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(jí)處理出水→混凝→纖維球高效過(guò)濾器→纖維球精密過(guò)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(duì)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(guò)濾、微濾、超濾等。也可用纖維球精密過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)來(lái)水進(jìn)行預(yù)處理：二級(jí)處理出水→混凝→纖維球高效過(guò)濾器→纖維球精密過(guò)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(guò)濾系統(tǒng)在對(duì)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(guò)濾器（一級(jí)或二級(jí)）→改性纖維球精密過(guò)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(guò)濾器的出現(xiàn)，使得纖維球高效過(guò)濾系統(tǒng)能夠代替微濾膜等精密過(guò)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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