纤维过滤器的前世今生

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2018-01-08 小离 环球过滤分离技术网

1纤维过滤技术的发展

由于粒状滤料本身的缺陷，在提高滤速、增大纳污能力、提高过滤精度、延长运行周期等多方面均为取得突破，在寻求新的过滤材料的过程中，纤维滤料以其优越的特性开始登上过滤的舞台。

与传统的粒状滤料相比，纤维滤料堆积的的空隙率大，密度小，使得纤维过滤器的滤速可以很高，过滤阻力很小；由于纤维滤料比较细小，因而具有很大的比表面积，可以吸附大量的胶体颗粒等物质，使得过滤器的纳污容量大，具有较高的去除率；滤料的压实度随水流方向逐渐增大，使得过滤进水侧可以吸附截留粒径较大的胶体颗粒，过滤产水侧可以吸附截留粒径较小的颗粒，形成理想的过滤状态，并且过滤精度要高于粒状滤料；由于对滤料进行了固定，使得在过滤过程和反洗过程中滤料都不会发生流失现象，并且反洗强度较粒状滤料要低[40]。随着合成纤维技术的发展，可供选择的纤维种类越来越多，纤维的物理化学性质有了很大的改进，进一步确保了纤维滤料能用于各种过滤的过程。纤维滤料是目前公认的最为理想的过滤材料之一，越来越在各个方面得到了广泛的应用[41]。

2纤维滤料的主要形式

采用纤维滤料进行水处理是从80年代开始的，在纤维滤料的研究过程中，纤维过滤器也在不断的发展和改进，国内主要有纤维球过滤和纤维束过滤器两种形式。纤维材料的种类主要有以下几种：

（1）短纤维单丝乱堆滤料：密度略大于水的短纤维丝乱堆构成滤床，为防止滤料流失在过滤器中设置过滤丝网，其缺点显而易见，如纤维滤丝容易流失，缠在网上，过滤效果不好[42]。

（2）纤维球：此类过滤材料有多种形式，其特点是制造简单，但滤料内部过滤到的杂质不易反洗，多次运行后短纤维易从纤维球上脱落[43]。

（3）“布帛片”滤料：其形态类似于切割后的毛毡，特点是不掉丝，但滤料内部过滤的杂质不易清洗干净仍是它的缺点。

（4）棒状纤维滤料：纤维丝束之间形成多个连接点，形成棒状，按一定长度切开。

（5）彗星式纤维滤料：这是一种不对称构型的过滤材料，一端的纤维丝固定在密度较大的实体内，另一端较为松散，形态像彗星[44]。

（6）纤维束滤料：这是一种生产较为规格化的纤维滤料，将成卷后的纤维丝拉成束状，形成纤维束，纤维束采用一端固定或者两端固定的方式[45]。

（7）改性纤维滤料：采用新的配方合成的特种纤维丝，主要将纤维滤料由亲油型改为亲水型，这种滤料主要用于处理含油污水[46]。

3纤维过滤器

纤维过滤装置在工业水处理中已经得到了广泛的应用，其中颇具代表性的纤维过滤器有：前苏联的高度可调型纤维过滤器、瑞典的刷型纤维过滤器、日本的纤维球过滤器以及中国的胶囊式和无囊式纤维过滤器等，这些过滤器虽然在形式上差别很大，但原理基本相同，以下就对差别明显的几种纤维过滤器进行介绍：

（1）纤维球过滤器：纤维球本身比较疏松，由于纤维球之间的纤维丝可以相互穿插，这时纤维球主要表现为一个整体，由于纤维球本身有一定的弹性，在过滤水流压力和自身重力的作用下使得滤层的过滤孔径由上到下按照由大到小分布，形成一种理想的过滤方式，上层滤料截留粒径较大的颗粒，下层截留粒径较小的，使得整个滤层充分发挥过滤作用，但由于纤维球呈辐射状，周围松散，中心密实，反洗时难以清除中心部位截留的污染物，采用汽、水联合洗容易使滤料流失，且不易洗净[47]。

（2）胶囊挤压式纤维滤器：将长纤维束上端固定在过滤器顶部，下端悬挂重锤，纤维层中间安装胶囊，过滤前先将胶囊充水，使其膨胀到一定的程度，对周围的纤维产生挤压的作用力，而且由于囊充水后受自身重力的影响，使得纤维层的过滤孔径从上到下按照由大到小的形式分布，是非常理想的过滤过滤形态，过滤滤速是一普通砂滤的2-5倍，截污能力是普通砂滤的2-4倍[48]。清洗过滤器时，先将胶囊内的水排放干净，使得纤维束不受囊的挤压，然后先采用气洗和水洗联合将纤维束清洗干净，加压囊式纤维束过滤器，由于囊的可充水、排水的特性成功的解决了纤维层的压实和疏松的问题，过滤精度可根据需要随意调节，而且纤维束不易流失，过滤形态接近于理想状态，随着囊材料的开发研究，目前囊的使用寿命在逐渐延长，使得加压囊式纤维过滤器在水处理中广泛应用。

（3）压力板式纤维过滤器：压力板可以再过滤器上部也可以在过滤器下部，以压力板在上部为例，纤维束一端在有一定开孔率的压力板上，另一端固定在出水板上，过滤时通过水流对压力板产生压力，通过挤压上层纤维使上层的纤维进一步挤压下层纤维，直到达到平衡，反洗时，因为压力板的设计密度接近水的密度，使得压力板能够被水流轻易的冲起，带动纤维舒展，达到对纤维层的彻底清洗，但压力板有时会出现卡塞现象，影响稳定运行，另外压力板的开孔率不能太低，太低会影响滤层的配水和反洗时擦洗气体的流通，其有关机理需要进一步的研究[48]。

（4）自压式纤维过滤器：这种过滤器也分两种形式，一种是出水孔板在下部，另一种是出水孔板在上部，另一端与限制其位置的结构相连，这种过滤器在运行过程中仅靠水流对滤层实现压缩，由于纤维的刚度小，只要保持适当的填装密度，仅靠水流的压力就可以像纤维球过滤器一样将纤维束压缩，使纤维束的空隙率随水流的方向逐渐减小，达到理想的过滤状态。但若经过长时间的运行纤维束有可能形成固定的弯曲轨道，继续运行时，纤维束就不会像刚开始那样缓慢的弯曲，而是按照弯曲轨道直接弯下去，不能实现理想的过滤空隙率，使得水头损失加大，截污量减少。

（5）旋压式纤维过滤器：这是英国研制的一种纤维过滤器，纤维一般采用尼龙、丙纶等，纤维两端编制起来制成薄片，通过黏结的方法固定在接头上，过滤时，传动机构推动活接头向下滑，以一定的角度缠绕在内筒上，形成过滤层，纤维还有粗粒化作用，使细小液滴形成大的液低，然后在沉淀区依靠重力分离后排出，反洗时，活接头上升，纤维松开，床层中的固体杂质能被很快清除，由于纤维对液滴的凝聚效果明显好于粒状滤料，因此该装置适分离含油废水中的原油和油制品，也适用于油和水的分离[49]。

（6） 深层过滤器：这种过滤装置是由英国Exeter大学分离中心研制的，纤维材料选用羊毛、碳纤维等，过滤时，通过活塞压缩过滤介质形成滤层，过滤精度可以通过活塞对了纤维的压缩程度调节，反洗时，反洗液从地不进入，活塞在一定高度震荡，可加快纤维的清洗速度并节省反洗液，HW深层过滤器以其过滤材质在生物和化工方面的独特优势，多用于过滤有腐蚀性的高温液体和已融化的金属聚合物，在医学和化工方面应用广泛[50]。

4 纤维束过滤机理

过滤机理历来有很多解释，经典的过滤理论认为主要有以下两种机理：

（1）迁移机理：颗粒的迁移是一种物理-力学的作用，因为滤层空隙中的水流一般处于层流状态，要想脱离流线与滤料接触主要靠滤料拦截、沉淀作用、惯性作用、扩散作用以及水的动力学作用[17]，对于上述几种作用，目前只能定性描述，对其作用的大小尚无法测定，有时可能仅仅是这几种作用中的部分在起作用，迁移机理受到的影响因素较为复杂，如滤料粒径、形状、滤速、水温等因素的影响[18]。

（2）粘附机理：粘附作用是一种物理化学作用。水中的胶体颗粒迁移到滤料表面时，在范德华力和静电引力以及某些化学键和一些特殊的化学吸附力下，被粘附在滤料表面或者滤料表面粘附的颗粒上。粘附过程与澄清池的泥渣所起的作用类似，所不同的是由于滤料较为固定，排列紧密，效果更好。粘附效果主要取决于滤料和水中颗粒表面的物理化学性质，因此过滤对脱稳颗粒的去除效果要好于未脱稳的颗粒[18]。

纤维束的过滤机理与粒状颗粒的过滤机理有相同的地方，在过滤过程中都有吸附和迁移的过程，但粒状滤料的过滤主要为表层过滤，而纤维滤料则兼有表层过滤和深层过滤两种作用，而且后者更为重要，因此具有更强的纳污能力；由于采用的纤维束的材质为聚丙烯，根据相似相容的原理，纤维滤料对有机物的吸附能力要比粒状滤料强的多；纤维束由于比表面积大，因而具有更大的吉布斯自由能，更容易吸附液体中的颗粒胶体；纤维滤料的吸附作用主要是物理吸附和化学吸附，而粒状滤料则主要是机械截留，因此纤维滤料具有粒状滤料不可比拟的优势。

5 过滤效果的影响因素

（1）粒径与滤层厚度：要去的良好的过滤效果应该选择适中的粒径，粒径越粗越大，其容污能力增强，但细小颗粒悬浮物可能会穿透滤层，影响出水水质，并且在反洗时，需要提供足够大的反洗强度才能使滤层松动，而且要保证出水水质必须增加滤层厚度，粒径越细，虽然过滤精度会越高，但滤层的阻力加大，水头损失会增加很快，反洗会比较频繁。理想的状态下，滤层越厚过滤效果越好，但此时的水头损失较大，在实际运行中要考虑到滤料的再生和反洗效果，因此滤层的厚度要根据滤料和滤质的性质而定[19]。

（2）不均匀系数：不均匀系数越大，滤料的尺寸相差越大，颗粒越不均匀。由此带来的后果是反洗过程不易控制，反洗强度小，不易将滤料表面冲洗干净，反洗强度大则容易将细小的滤料冲出，而且随着反洗次数的增多，会形成细小的滤料会被冲到过滤器的上层，大粒径滤料会在下层的分布状态，随着过滤上层截留污染物的增多，滤料之间的空隙尺寸迅速减小，使得水头损失过快增长，反洗周期缩短[20]。

（3）滤速：滤速越高，就越需要较厚的滤层以保证滤池不被过早的穿透，滤层越厚，工程造价越高，从Tate和clark人研究在其他条件不变的情况下增加滤速可使过滤产水浊度升高，到Moran等人研究发现，如果采取其他辅助措施，即使滤速在一定范围内升高，过滤的去除率不会降低很大[21-23]，过滤技术取得了很大的进步，传统的快滤池在滤速为25m/h时，仍能得到较好的出水，但高滤速带来的水头损失迅速升高的问题仍然是传统过滤工艺的缺陷[24]。

（4）水温：水温越低，水的粘度也就越大，水中的颗粒就不容易脱稳，使得颗粒与颗粒以及滤料间的吸附性能减弱，滤层的穿透速度加快，过滤出水的处理效果下降。

6 高效纤维过滤器

高精度纤维过滤器是一种先进的高精度纤维束过滤器，纤维滤料的材质为聚丙烯，直径在50μm左右，为充分发挥纤维束的过滤性能，在滤层中间设置囊状的加压室，可以根据需要通过调节加压室的压力来挤压周围的纤维束，以达到调节过滤精度的目的。反洗的时候放空加压室，使纤维不受挤压，采用气水联合洗，很容易将纤维束清洗干净。

高效纤维过滤器通过将纤维滤料和加压室调节装置有效地结合在一起，一方面利用纤维束优越的性能，另一方面利用加压室调节过滤精度，无论从过滤材质的选用还是从过滤结构的设计，都实现了一般过滤器无法达到的高度，其过滤性能接近了理想的深层过滤状态。

7 高效纤维过滤器的应用

高效纤维过滤技术应用于水处理的案例较多，但主要应用于工业用水和生活用水的处理，这里介绍几个其应用的工程：

①辽宁某热电厂工业废水和生活污水的回用工程：处理水量为6000t/d，主要用于循环冷却水和锅炉补给水，采用气浮+高效纤维过滤工艺，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吉林某热电厂生活污水和工业废水回用工程：采用生化处理+高效纤维过滤工艺，处理水量为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山东某污水处理厂城市污水回用工程：采用A2/O+高效纤维过滤工艺，处理水量为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：处理水量为10000 t/d，经过再次沉淀的二沉池出水通过高效纤维过滤，使原水的COD由40-80mg/L降到20-30mg/L，浊度值由10-15降至3以下[61]。

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