水處理微濾機過濾能力和堵塞問題的研究

陳建平，曹冬冬

（天津科技大學機械工程學院，天津 300222）

水資源短缺和水污染已經成為阻礙社會經濟發展的主要因素之一.面對日益嚴重的水資源短缺和水污染問題，城市污水回用因其水量大、水質穩定且供給可靠等特點越來越受到當今世界各國的推崇.目前國內外應用較多的中水回用工藝是混凝-沉淀-過濾-消毒工藝和膜處理工藝，其中混凝-沉淀-過濾-消毒工藝因其工藝流程長、占地面積大，建設投資較大的缺點，不適宜在土地資源緊張的地區或舊污水處理廠增加污水回用工藝的改造工程中使用；膜處理工藝因膜造價高且易污染等問題，在我國的發展比較緩慢.水處理的最基本原理之一就是通過工藝技術和方法將水體中各種污染物凈化去除，過濾單元技術能有效地截留去除水體中各種懸浮顆粒物.因此，過濾是中水回用工藝中最重要的物理操作單元技術之一，在污水深度處理中起到至關重要的作用，提高過濾效率能明顯地提高污水處理效率[1].本文通過對微濾理論模型的分析，得出微濾過程中堵塞問題及原因，然后對提高過濾效率的方法進行試驗分析，找到解決堵塞問題和提高過濾效率的最佳方法。

1 微濾機的研究現狀

目前過濾一般分為3種類型:深床過濾、膜過濾和表面過濾.表面過濾是利用過濾介質表面或過濾過程中所生成的濾餅表面來攔截固體顆粒，使固體與液體分離.這種過濾一直廣泛應用于化工行業和造紙行業.近年來，集成化的表面過濾設備剛開始應用于污水處理領域，以濾布為過濾介質的設備主要有轉盤微濾機和轉鼓微濾機等[2].

根據調研和實驗研究分析發現，該技術因其具有原理簡單等優點，在國外已被成功應用于城市污水二級處理后的中水回用領域.但現有微濾機仍存在以下問題.

（1）制造成本較高.現有裝置結構比較復雜，不銹鋼濾布裁剪浪費情況較為嚴重.

（2）占地面積大.由于現有微濾機過濾效率低，所以當需要處理較大污水量時，只能增加微濾機的數目，因此占地面積大.

（3）過濾效率低.由于濾布目數較高，孔徑一般在10～100 μm，濾布容易被堵死，影響過濾效率.同時，裝置被堵塞后，需停機進行濾布的清洗和更換，大大減少了有效的過濾時間，過濾能力降低.在顯微鏡下，試驗所用不銹鋼濾布為1200目不銹鋼濾布（孔徑約為0.01 mm）過濾前后的觀察效果如圖1所示.

圖1 不銹鋼濾布過濾前后在顯微鏡下觀察效果Fig.1 Observed effect of stainless steel filter cloth before and after filtering under microscope

（4）濾布更換頻繁.現有微濾機無法及時進行反清洗，濾孔堵塞嚴重；必須進行停機清洗，并且濾布更換較頻繁.因此濾布的更換較為耗時，延長了停機的時間，并且增加了勞動成本.

針對目前微濾機存在的問題，以過濾過程中過濾阻力和顆粒受力分析為基礎，建立微濾理論模型，分析其微濾過程中的堵塞機理及原因，采用試驗分析探討了微濾過程的堵塞問題并提出了相應的解決方法.以下分別從理論和試驗兩方面分析微濾的堵塞問題及提高過濾能力措施的可行性.

2 微濾理論模型分析

微濾是一種靜態過濾，水中的顆粒雜質將在濾布表面截留形成污染層，污堵類型屬于表面層截留，因此研究過濾阻力的構成對提出增加濾布通透量的措施有重要的指導作用[3].

水是連續介質，水中的顆粒雜質的速度分布也是連續的.由于范德華力和其他高分子物質作用下相互碰撞，在流體運動中發生架橋和絮凝反應，因此可建立過濾堵塞的覆蓋層模型，即起源于經典過濾理論，是以通透量、覆蓋層阻力和濾布的阻力之間的關聯為出發點的[4－5]，其一般表現形式為:

式中:J為過濾速度，即通透量（m3·（m2·s）－1）；ΔP 為濾液流動的推動力過濾差（Pa）；μ為濾液粘度（Pa·s）；Rm為濾布膜固有阻力（m－1）；Rp為濾布膜孔堵塞阻力（m－1）；Rc為濾布膜面濾餅阻力（m－1）；Rt為濾布膜過濾結束時阻力（m－1）.

即濾布的過濾速度和濾布阻力成反比，隨著時間的延長，微粒開始堵塞膜孔，濾布表面截留沉積不溶物急劇增多，引起流體力學阻力增大，過濾速率下降，由此可得到微濾時間t與流量Q的關系如圖2所示[6].

圖2 微濾時間與流量的關系Fig.2 Relation between micro-filtration time and flow

以濾布過濾的剛性固體顆粒為研究對象，通過對水溶液中的顆粒的受力分析，結合阻塞過濾模型和傳統阻力覆蓋模型，考慮孔徑和顆粒大小等因素的影響，可以建立微濾工藝模型，預測微濾過程中的通透量，將模擬結果與試驗數據進行對比，分析其吻合性.

3 試驗及結果分析

根據理論模型中濾布通透量、覆蓋層阻力和濾布的阻力之間關系的分析，設計了如圖3所示的微濾工藝裝置分別從過濾水位、過濾時間和反清洗對過濾能力和堵塞問題的影響進行試驗分析.

微濾的工藝基本流程為:污水經進水泵進入進水箱，經1200目不銹鋼濾布（孔徑約為0.01 mm），大于孔徑的懸浮物顆粒被攔截，截留的顆粒隨著時間增多，使得濾布被堵塞，過濾速度下降，通過往復移動篩板結構，反沖洗裝置將水汽混合一定比例沖掉粘附在濾布上的污染物，以提高過濾速度.

圖3 微濾工藝裝置Fig.3 Microfiltration process system

配制進水質量濃度為30 mg/L的懸濁液，經沉淀后使用，作為過濾實驗用水，溶液中顆粒直徑小于0.1 mm，粒度分布為平均粒徑（D50）=0.045 mm，濾后水的懸浮物（SS）值達到10 mg/L的國標一級A的水平.

3.1 進水濃度與過濾時間相同時，不同過濾水位對

SS負荷的影響

3.1.1 測試試驗方法

將配置的懸濁液加入到實驗工藝裝置中，測試水位高度為 30、50、70、90、110、130 和 150 cm 重復試驗.

3.1.2 試驗結果及分析

在30 s的過濾時間內，保持不同的過濾水位高，SS負荷（單位面積濾布單位時間內所能截留的SS質量）結果如圖4所示.

圖4 不同過濾水位高時的SS負荷變化情況Fig.4 SS load changes at different filter water level

由圖4可知，隨著過濾水位的升高，SS負荷增加，說明SS負荷與過濾面受到的水壓有關，壓力升高時，SS負荷增加，即驗證了理論模型中過濾速度與濾布兩側壓力差成正比的關系，為提高過濾效率的方法的提出奠定了基礎.

3.2 進水濃度與過濾水位相同時，不同過濾時間對SS負荷的影響

3.2.1 測試試驗方法

保證測試水位高為 15 cm，檢測 30 s、1 min、2 min、3 min、4 min、5 min、6 min、7 min、8 min、9 min 和10 min收集到的濾后水的體積，平行測定3次.改變測試水位高度為50 cm、70 cm，重復試驗.

3.2.2 試驗結果及分析

當過濾水位分別為15、50、70 cm時，不同過濾時間分別對SS負荷的影響如圖5所示.

圖5 不同過濾時間對SS負荷的影響Fig.5 Effects on the SS load at different filtration time

由圖5可以看出，過濾時間小于180 s時，SS負荷較大，隨著過濾時間的增長，濾布孔隙堵塞加劇，濾布覆蓋層阻力增大，使得SS負荷減小，得到的結果與理論模型分析部分對微濾時間t與流量Q的關系一致.

3.3 不同反沖壓力和不同的反沖時間對過濾的影響

3.3.1 測試試驗方法

（1）設置反沖壓力0.6 MPa進行過濾實驗，當水位到達70 cm時，開啟反沖洗和電機，反沖時間15 s，至少再進行一次過濾和反沖，待系統穩定后，開始記錄過濾時間，至少記錄5組.

（2）改變反沖時間為 20、30、40、50 和 60 s，重復步驟（1）的試驗方法.

（3）改變反沖壓力為0.7、0.8和1.0 MPa.重復步驟（1）～（2）的試驗方法.

3.3.2 試驗結果及分析

為了避免重復啟動電機帶來的電耗和設備損耗，試驗數據可以通過反沖時間與反沖間隔時間來比較.設計中希望反沖時間短，反沖間隔時間長.在進水SS質量濃度為30 mg/L，反沖壓力為0.6、0.7、0.8和1.0 MPa，反沖時間為 15、20、30、40、50 和 60 s時，反沖時間和反沖間隔時間的比值（K）的變化如表1所示.

從表1中可以看出，在反沖洗壓力為0.8 MPa，反沖時間為30 s時，K值最小，為0.31.即采用0.8 MPa的反沖洗壓力，反沖時間30 s，可以達到反沖洗的最佳效果.此時可有效地實現了濾布污染物的清除，大大減少了濾布覆蓋層的阻力，增大了濾布的通透量，驗證了理論模型中過濾速度與阻力的反比關系.

表1 不同反沖壓力、反沖時間對反沖間隔時間的影響Tab.1 Effects on backwashing interval time with different backwashing pressure and time

4 結論

通過對微濾機工作過程中的過濾堵塞覆蓋層模型和試驗結果分析，其結論如下:

（1）濾布堵塞機理:水中懸浮物由于沉淀、慣性、水力梯度等原因，運動的顆粒表面相互吸附，再加上由于范德華力和其他高分子物質作用下彼此發生架橋和絮凝過程，隨著時間的延長，顆粒逐漸變大，在壓力差的推動作用下，小于濾布孔徑的顆粒隨液體透過濾布，大于孔徑的顆粒雜質被截留；隨著過濾時間的增加，被截留的顆粒雜質將在濾布表面形成污染層，并積累成堵塞層，增加了過濾阻力，嚴重加劇了篩網濾布的堵塞問題；在壓力變化不大的情形下，透過率下降、過濾能力低的問題更加明顯.

（2）提高過濾效率的措施:SS負荷與處理水量有關，增大過濾水位高度，可以在一定程度上解決堵塞帶來的問題；SS負荷與過濾時間成反比，在應用SS負荷進行工藝計算時，應考慮過濾時間所對應的SS負荷，減輕堵塞對過濾的影響，可以提高過濾能力；及時地進行反清洗可以有效地解決過濾堵塞的問題，而且能夠提高過濾能力；另外，在不停機的情況下，周期性地更換濾布也是提高過濾能力的有效途徑.

新型微濾機的設計應綜合考慮過濾水位、過濾時間和反清洗的影響.因此，我們設計了一種新型連續水處理微濾機[8]作為解決方法，即采用表面微孔過濾原理，設定了一定的過濾水位和時間，通過篩板篩網結構的往復運動和反清洗系統，可以實時進行反清洗，可以在不停機的情況下，進行濾布的周期性更換，實現了微濾機的連續過濾，解決了過濾的堵塞問題，提高了過濾能力.

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