長纖維高速過濾器的運行動力學研究

1、第卷第期年月東南大學學報（自然科學版）？（）長纖維高速過濾器的運行動力學研究王世和周飛鄢璐黃娟（東南大學土木工程學院，南京）摘要：為對長纖維高速過濾器的模擬分析、運行控制及效果預測提供理論依據(jù)，在深入分析長纖維高速過濾器深層過濾機理及積泥形態(tài)的基礎上，結(jié)合試驗觀察，借鑒半經(jīng)驗、半理論模型，建立了用以表征長纖維高速過濾器運行特性的水頭損失方程及傳質(zhì)動力學模型通過大量試驗測定和對初始濾速為時的模型計算與實測結(jié)果的比較表明，除沉淀出水過濾前期濾出水濁度計算值與實測值誤差較大外，其余各范圍計算值均吻合良好，證明了假設的合理性及模型的有效性關(guān)鍵詞：長纖維高速過濾器；水頭損失；傳質(zhì)動力學中圖分類號：文獻標

2、識碼：文章編號：（）瞞旬佃（硒面，伽墻，）：加，缸鋤銜，九，缸枷色曲唱鋤哆，），伯加；缸加；：硒；纖維濾料以其優(yōu)良的性能（高吸附性、高比表面積、高孑隙度）和所獲得的沿濾層近乎理想的過濾方式¨剖，自世紀年代初用于水處理過程以來，顯示出其極大的優(yōu)勢，并獲得了迅速的發(fā)展與已有纖維過濾器相比”刮，作者開發(fā)并獲國家發(fā)明專利授權(quán)的長纖維高速過濾器更以其優(yōu)良的性能獲得工程界的廣泛好評為了促進該型過濾器的推廣應用，并為運行過程控制提供理論指導，本文在深入分析和理解纖維過濾機理的基礎上，嘗試建立了用以表征長纖維高速過濾器運行特性的水頭損失方程及傳質(zhì)動力學模型模型建立描述深層過濾過程的動力學模型包括水頭

3、損失方程和傳質(zhì)動力學方程，傳質(zhì)動力學方程又包括物料平衡方程和傳質(zhì)速率方程長纖維高速過濾器水頭損失方程的建立過濾時，長纖維濾層在水頭損失的縱向壓力下，大多呈橫向彎曲狀態(tài)研究表明，床層中纖維的取向與三維隨機分布的床層結(jié)構(gòu)較接近，按力的分解原理，水頭損失應為個互相垂直方向的水頭損失之和由于只有一個方向的纖維束與水流流向平行，其他個方向則與水流流向垂直，故總水頭損收稿日期：旬作者簡介：王世和（一），男，教授，引文格式：王世和，周飛，鄢璐，等長纖維高速過濾器的運行動力學研究東南大學學報：自然科學版，（）：的特點電力驅(qū)動，不銹鋼刷式清洗，系統(tǒng)承壓能力強；高精度壓差控制設計、時間控制、手動控制清洗；鋼刷拆卸

4、、安裝、維護簡便易操作；相鄰兩次清洗，電機正反轉(zhuǎn)交替運轉(zhuǎn)，使不銹鋼轉(zhuǎn)刷壽命更長；設有電機過載保護，可有效保護電機?？刂骑@示界面人性化設計，操作非常簡便；外表面無外露接線，安全可靠?？刂平缑妫簲?shù)顯、旋鈕、開關(guān)濾網(wǎng)類型：金屬楔型網(wǎng)電力驅(qū)動，不銹鋼刷式清洗排污；控制方式：壓差、時間、手動控制設計；控制方式：時間、手動控制設計；特殊過濾單元結(jié)構(gòu)設計，堅固耐用；獨特的清洗設計實現(xiàn)低負載、低水頭、均勻排污；電控箱面板方向可滿足用戶要求隨意調(diào)節(jié)；東南大學學報（自然科學版）第卷失方程可用滲透系數(shù)七表示如下：壺熹七七。七，、式中，七為滲透系數(shù)；七為水流方向與纖維軸向平行的滲透率；島為水流方向與纖維軸向垂直的滲透

5、塞對濾液流經(jīng)垂直于纖維軸向的水頭損失，前人曾提出如下公式：爭赤（訓（一占）一÷（一占）（一占）（）式中，占為纖維濾層的孑隙率考慮到長纖維濾層的孔隙率較高，（一占）很小，故可略去（一占）二次以上項，再將精度較高的幾種正方形和六邊形單元模型方程綜合起來平均，可得濾液流經(jīng)垂直于纖維軸向的水頭損失方程為南（占）闞（卜圳（）對于濾液流經(jīng)平行于纖維軸向的水頭損失，前爭南（一占）一。（一占）一人也曾提出如下公式：尋（占）（）同理，略去（一占）二次以上項，并將不同學者提出的圓形、正方形、等邊三角形、六邊形、矩形等單元模型進行綜合平均，將常數(shù)項近似取為與式（）相同的，則流經(jīng)平行于纖維軸向的水頭損失可用

6、以下通式表示：麗與（）伽（卜訓（）將式（）和（）代入式（），得砉志（一）（一圳（）式（）即為綜合各種單元形狀并考慮纖維床層中纖維取向為三維隨機分布，以無因次滲透系數(shù)表示的長纖維床層的平均水頭損失方程設床層初始孔隙率為。，隨著過濾的進行，積泥不斷增加，床層孔隙率不斷減小，當體積比積泥量為盯。時，床層孔隙率為占占。一盯，（）式中，盯，可利用質(zhì)量比積泥量盯求得，即礦。萬（），式中，鳳為積泥密度；氏為積泥孔隙率質(zhì)量比積泥量盯可結(jié)合過濾過程物料平衡方程和傳質(zhì)效率方程求得；積泥密度。和積泥孔隙率占。由已試驗測得一，分別為和對于過濾過程中纖維絲徑的變化，假定清潔纖維絲直徑為如，隨著過濾的進行，纖維上積泥不斷

7、增加，作者的研究表明，纖維絲上的積泥基本上呈均勻殼層結(jié)構(gòu)，從而使纖維絲徑由磊增加到正顯然，纖維絲徑增量與床層體積比積泥量有關(guān)，盯。越大，越大，其關(guān)系為如廠石因此，由長纖維濾床各段島和質(zhì)量比積泥量掣點一占。一占（）口，利用式（）一（）即可求得長纖維濾床各段的滲透率，進而求得整個纖維床層的水頭損失利用水頭損失理論方程式（）和式（）一（）計算出不同過濾時段、濾床各層的孔隙率和無因次滲透系數(shù)（）計算所得擴及利用試驗一測得的纖維濾床各層水頭損失換算的無因次滲透系數(shù)（擴）如圖所示由圖可見，在本研究試驗范圍內(nèi)，計算的無因次滲透系數(shù)均小于試驗值此種情況表明，長纖維高速過濾器橫向彎曲的纖維濾層的水頭損失要小于隨

8、機排列分布的纖維濾床的水頭損失為此，必須引入適當?shù)南禂?shù)妒對式（）進行修正，即事南（一占）乩（一占）（）由于妒是床層深度或孔隙率的函數(shù)，因此，可先將其表示為孔隙率的線性方程，再由試驗數(shù)據(jù)進行修正，即孔隙率圖理論方程計算結(jié)果與試驗值的比較第期王世和，等：長纖維高速過濾器的運行動力學研究式中，口，易為待定系數(shù)經(jīng)關(guān)聯(lián)圖中試驗數(shù)據(jù)，得出口，分別為一。和，即式（）變?yōu)橐欢室徽迹ǎ⑹剑ǎ┐胧剑ǎ?，則得出長纖維濾床的水頭損失方程為七（一占）（一占）一（一占）一（一占）（）將經(jīng)式（）修正的水頭損失方程（）的計算值與試驗值比較于圖可見，修正后的方程（）與試驗值吻合良好，也表明式（）的設定是可行的孔朦翠圖校正后

9、方程曲線與試驗值的比較長纖維高速過濾器動力學方程的建立已有研究表明，懸浮物的去除速率與床層結(jié)構(gòu)、濾液中懸浮物濃度、水力條件等密切相關(guān)，可表示為差玎，卵，蠱）（）式中，為濾液中懸浮物濃度；為濾層厚度渺為動力黏度叫為床層比阻式（）中的三反映了水頭損失對濾床壓縮程度的影響，并進而影響整個纖維床層的孔隙率通過將物料平衡方程與傳質(zhì)速率方程相關(guān)聯(lián)，即可求出任意時刻、任意位置處積泥量及懸浮物濃度的變化物料平衡方程在建立長纖維高速過濾器物料平衡方程時，首先依據(jù)作者對長纖維高速過濾器過濾機理的研究及其他相關(guān)過濾理論作如下假設：纖維濾床各層從濾液中去除的懸浮物量與該層中累積的懸浮物量相等；懸浮物顆粒進出濾床各層時

10、，沿橫截面均勻分布依據(jù)上述假設，在長纖維濾床中取厚度為配的濾層（見圖），即可建立過濾時間間隔（，）、濾層厚度中的物料平衡關(guān)系設所取纖維床層橫截面積為、濾液體積流量為、進入濾層的濾液濃度為¨流出濾層的濾液濃度為。、所選濾層孔隙率為占和擴散系數(shù)為扛氣倒（一荔）。礎圖長纖維濾層物料平衡示意圖由上述假定，在出時間內(nèi)、配濾層中存在如下物料平衡關(guān)系：進入纖維濾層的懸浮物量一流出纖維濾層的懸浮物量纖維濾層內(nèi)積累的懸浮物量時間內(nèi)進入纖維床層的懸浮物量為；。（出）（一差）。；出時間內(nèi)流出纖維床層的懸浮物量為。吡（）（一差）。出；出時間內(nèi)纖維床層內(nèi)懸浮物的積累量為（盯）（）（）（甜）則有“鯽）（一差）誼

11、伽（她）（一篆）（甜（）試驗表明，在水的過濾中，對于粒徑大于斗的顆粒，擴散的作用可以忽略；由于濾層內(nèi)水質(zhì)的瞬間變化很小，故忽略占等項，引入表觀過濾速度，并利用上述假定，將物料平衡方程（）簡化為告篆、（）傳質(zhì)速率方程由圖的物料平衡關(guān)系，可得濾液流經(jīng)濾層時懸浮顆粒的去除率為，瓦礦麗面（獷嘗：器魯，）式中，。為濾液中懸浮顆粒流經(jīng)濾層的去除率；為進入濾層的濾液中的懸浮物濃度東南大學學報（自然科學版）第卷式（）中，分母表示時段內(nèi)進入濾層中的懸浮物總量，分子則表示在時段內(nèi)附著在濾層中的懸浮物總量由式（），可進一步得出單位濾層厚度內(nèi)懸浮物的去除率為轟南詈（）變形為塑：（）式中，為單位厚度濾層內(nèi)懸浮物的去除率

12、，一。對比濾層中物料平衡方程式（），可得等：一（）、再對比年由巖崎（）提出的過濾傳質(zhì)速率方程：等一（）式中，為過濾系數(shù)（或稱傳質(zhì)系數(shù)），比較式（）和式（）可知，過濾系數(shù)與單位厚度濾層內(nèi)懸浮物的去除率在數(shù)值和量綱上均相同；這表明，巖崎公式也適用于長纖維濾床的過濾，故以下的討論將以式（）的形式進行巖崎公式（）表明，濾層內(nèi)去除的懸浮物量和進入該層內(nèi)的懸浮物濃度成正比但試驗表明，式（）僅適用于過濾開始階段，隨著過濾的進行，由于床層內(nèi)積泥不斷增加，使床層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使式（）與實際情況逐漸偏離，或者說不是常數(shù)，而是一個隨床層結(jié)構(gòu)而變化的量基于文獻，考慮本長纖維高速過濾器的特點，以和模型為基礎，并引入修正

13、系數(shù)，考慮水流速度梯度對傳質(zhì)系數(shù)的影響，從而得到如下傳質(zhì)系數(shù)方程式：一塵（）、占，式中，。為清潔床層的傳質(zhì)系數(shù)，依據(jù)傳質(zhì)系數(shù)影響因素的分析，由于此時盯。，應為清潔纖維床層比表面積和孔隙率。的函數(shù)；而盯，氏為考慮截留積泥收縮水流通道，使水流的剪切力增大的因素；為水流梯度對傳質(zhì)系數(shù)影響的因素依據(jù)式（）的含義，。為口。（即清潔床層）時的過濾系數(shù)因此，可利用長纖維高速過濾器徹底反沖洗后初始過濾的試驗數(shù)據(jù)，通過計算得到由對長纖維高速過濾器反沖洗特性已進行的研究，在氣洗強度（）、水洗強度（）、反洗后，可基本將纖維床層的截留積泥洗凈經(jīng)此反洗后進行過濾，并測量初始時刻各層濾液的進、出水濃度，設為。和川；再將式

14、（）改寫為一萼咄亡，”。，即護一去（）洶，由式（）即可計算不同初始濾速下，纖維濾床各層初始過濾時的傳質(zhì)系數(shù)。關(guān)聯(lián)。與纖維濾床各層初始過濾時的孔隙率占。的關(guān)系，得圖和下式：（）（）一圖清潔床層傳質(zhì)系數(shù)變化關(guān)系，由長纖維高速過濾器過濾機理及纖維濾層傳質(zhì)系數(shù)影響因素的研究結(jié)果可知，隨著纖維濾層中截留積泥量和濾層壓縮量的不斷增大，濾層中截留積泥所受剪切力也不斷增大，當濾層中截留積泥所受水流剪切力與積泥的結(jié)合強度相等時，該濾層對濾液中懸浮顆粒的截留達到“飽和”，此時濾層中傳質(zhì)系數(shù)為零依據(jù)此結(jié)論，由纖維濾層“飽和”積泥量和處于飽和狀態(tài)時清潔床層的孑隙率，即可求得不同濾速下的水力校正系數(shù)緲關(guān)聯(lián)甜與表征過濾速

15、度間的關(guān)系，得圖和下式：（）表觀濾速（。）圖水力校正系數(shù)珊變化關(guān)系第期王世和，等：長纖維高速過濾器的運行動力學研究長纖維高速過濾器動力學模型的數(shù)值計算考慮到過濾過程中個基本事實：長纖維潔床層的孑隙率鉑（凡）、各層高度（，）、濾床總高、數(shù)值計算時間步距、各層傳質(zhì)系數(shù)（，）、各層質(zhì)量比積泥量礦（行）、各層體積比積泥量盯。（，）、各層無因次滲透系數(shù)孑（咒）、各層濾出水濁度（，）、各層水頭損失日（療）、過濾時間后各層高度變化率（）過濾過程的終止由濾床的截污能力和水力潛力個因素決定，二者分別對應于過濾過程的出水濃度。和極限水頭損失日脅兩個參數(shù)本研究依據(jù)實際生產(chǎn)過程一，分別??；。和。濾床人口處濾液濃度等于

16、進入過濾器的待濾水的初始濃度；起始過濾時濾層孔隙中懸浮物的沉積量等于反沖洗后積泥的殘余量同時，基于長纖維高速過濾器優(yōu)良的反沖洗特性，可作如下假定：反沖洗后，長纖維濾床上殘留積泥均勻分布于纖維濾床各層，其值可依所選反沖洗條件的積泥洗出率確定對應以上基本假定，長纖維高速過濾器過濾模型的邊界條件為（，）（，）盯。（）（）作為模擬計算過程的過濾終點計算過程的輸出量有：不同時段的濾出水濁度（）、水頭損失日（）和長纖維濾床有效過濾期內(nèi)質(zhì)量比積泥量盯（以壓縮前濾料起始高度為計算基準）通過輸入不同初始濾速進行計算，即可核算給定長纖維床層在不同初始濾速下的過濾效果將初式中，為過濾某一時刻；為進人過濾器的待濾水的

17、初始濃度；，為纖維濾床中某一濾層；礦。為反沖洗后纖維濾層中積泥殘余量的質(zhì)量比積泥量計算時，輸人參數(shù)包括：過濾器進、出口液位始濾速為的模擬計算結(jié)果與作者的試驗值分列于圖由圖可見，除沉淀出水過濾前期濾出水濁度計算值與試驗值偏差較大外，其余均與試驗結(jié)果吻合良好，特別是水頭損失的計算值與試驗值吻合很好，表明該模型可用于預測長纖維高速過濾器的運行過程，從而指導過濾器的設計與運行差坼、待濾水濁度、初始濾速（表觀濾速）、纖維絲徑、水的動力黏度弘、纖維裝填量、纖維壓縮系數(shù)、管路阻力系數(shù)和起始過濾時纖維濾床中殘留積泥量礦。計算過程中涉及的參數(shù)有：長纖維濾床各層清薰：簧彗曼盍愛丑爝過濾歷程憾（）沉淀以水的濾出水濁

18、度歷時變化（進水濁度）過濾歷程（）混凝源水的濾出水濁皮力時變化（進水濁度）重水輯泳繁圖模型計算值與實測值比較結(jié)語以半經(jīng)驗、半理論數(shù)學模型為基礎，通過對理論方程的修正和模型參數(shù)的試驗關(guān)聯(lián)，建立了與試誓萎焉器量妻享蓑葬鎏誓奎耋篡糞主濾過程的動力學模型計算與模擬分析驗證了假設的合理性及模型的有效性東南大學學報（自然科學版）第卷參考文獻（俗）鋤，鋤刪，礬，（）：謝世全，劉凡清，王德英高效纖維過濾器積泥形態(tài)學的研究過濾與分離，（）：啪，柚，鋤呻！劬盯廳脅砌卻口砌，（）：（），叫加即。（）：，刪，（）：，蛐鉚嘶，卸口，曬，（）：只打即，（）：一曲愛平深層過濾理論基礎研究化學工程，（）：印拋，砌脅砌，（）：

19、（）文聯(lián)奎，曲愛平，王學文新型濾料短纖維性能研究油氣田環(huán)境保護，（）：孤，臼阻點加，塒地“，訂黜尉脅，（）：（）周飛長纖維高速過濾器運行特性與動力學研究南京：東南大學土木工程學院，：，砌肋刪廳加砌肼，如，長纖維高速過濾器的運行動力學研究Advance in deep-bed filtration 1979(05)5.Burganos V N Moute-Carlo network simulation of horizontal,upflow and downflow depth filtration1995(02)6.Ives K J Deep filters 1967(69)7.曲愛平 深

20、層過濾理論基礎研究 1999(05)9.周飛 長纖維高速過濾器運行特性與動力學研究 200610.Taday Ishiibashi London's water:filtration since 1829,Pro 1993以自行開發(fā)的長纖維高速過濾器為對象,通過在凈水廠長期的過濾試驗,從過濾器床層孔隙分布、床層內(nèi)濾液濃度及各層比積泥量和水頭損失沿濾層的變化等方面,詳細分析了長纖維高速過濾器基于結(jié)構(gòu)上獨特特點而形成的積泥逐層向濾床深處推移,直至整個濾床"衰竭"的典型深層過濾過程與特征,為過濾技術(shù)的深度開發(fā)提供了依據(jù).長纖維高速過濾器在初始濾速1060 m/h條件下,對沉淀出水(濁度812 NTU)及混凝出水(濁度70100 NTU)過濾時,具有濾床成熟期短(4 min以內(nèi))、濾后水質(zhì)好(濁度0.2 NTU以下)、過濾周期長(可分別達到60 h和12 h以上)、納污量大(1624 kg/m3濾料)、水頭損失小、反沖洗徹底、運行穩(wěn)定等性能優(yōu)勢,且其運行成本低、管理簡便,這使對給水廠現(xiàn)有濾池實施長纖維高速過濾技術(shù)改造成為可能.3.學位論文 周飛 長纖維高速過濾器運行特性與動力學研究 2006纖維濾料以其優(yōu)良的性能和“理想濾層”的床層結(jié)構(gòu)，在實際應用中顯示了巨大的優(yōu)勢，并獲得了迅速