新型顆粒移動床連續過濾裝置的特性研究

王 昶，王靜義，賈青竹，吳長春

(天津科技大學海洋科學與工程學院，天津 300457)

過濾是化學工業中常見的液固分離過程，也廣泛用于水處理過程，利用介質濾除水中雜質．由于傳統固定床過濾需要停機反沖洗，實現連續操作還需要反沖洗再生的輔助設備，投資大、操作復雜、能耗高[1]，即使近年國內外研發了幾種自動反沖洗過濾器[2-5]，仍存在過程不連續和占地面積大等問題[4]，需要在結構設計上進行改進．由于氣提和反沖洗是獨立進行的，影響著氣提過程的穩定性和連續性，而且還會因濾料和清洗液沒有很好地湍動接觸而得不到充分清洗，這在一定程度上增大了洗滌液的用量和處理負荷．為此，開發一種節能、操作便捷的連續過濾裝置是非常重要的.

本研究采用清洗洗滌器、三相分離器及濾料“反粒徑”[6]分布三項技術，改變傳統的過濾模式，開發了一種新型顆粒移動床連續過濾裝置，調查進氣速率、清洗水速率以及移動床濾層更新速率之間的相互關系，探討最佳運行條件，為實際應用提供有用的基礎數據．

1 實 驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置結構如圖1所示，其中，長、寬、高分別為200、150、520,mm，恒定液位高度為470,mm，濾層高度150,mm．

圖1 新型顆粒移動床連續過濾裝置結構示意圖Fig.1 Structure of the new type continuous filtration device with particle-moving bed

待處理液體由進水口進入過濾器，沿著水平方向流動，水中顆粒物和膠體污染物通過過濾介質的吸附和截留作用而被分離，過濾后的水由出水口排出．在過濾的同時，也進行著反沖洗過程，裝置偏下方的中央，有一個臺柱體，臺柱的下方有一個直通管，一端進入裝置底部的過濾介質，另一端進入臺柱體中部，直接與一個管徑較大的直通管相連，兩管之間有一定的間隙，較大的直通管的另一端一直向上，與三相分離器相連．在臺柱體中還有另外兩只自上而下的直管，一個為壓縮空氣管用于通氣體，另一個為清洗水管用于通洗滌清水，氣體和洗滌清水在臺柱體中經過中央兩管之間的空隙，快速流入向上的直通管，在間隙的上部產生負壓，使下方的直管內的過濾介質在下方的水壓和上方的氣提作用下，吸入到提升管中，在氣速、液體流速以及過濾介質上升速度不同的條件下，吸附在過濾介質上的污染物就被洗滌下來，一同進入上部的三相分離器．從上部三相分離器下來的過濾介質因位置偏離中心，沉降下來的濾料介質將會自然形成“反粒徑”分布，即進口處粒徑較大，出口處粒徑較小，有利于降低過濾阻力．

1.2 實驗流程

實驗流程如圖 2所示．污水由離心泵從收集槽輸送到高位槽中，高位槽中的污水以一定的流速流入過濾器，收集槽、高位槽和配液槽內部都安裝攪拌器，確保水質均勻一致．過濾后的清水由出口排出，其中進水口和出水口安裝了可調節流量計，通過控制面板可以調節流速、保持過濾器恒定液位．氣提洗滌器中的含泥污水由三相分離器側口排出，與過濾后的清水一同進入配液槽重復利用，整體裝置基本實現次生廢水的“零”排放．

圖2 實驗流程圖Fig.2 Experimental process

1.3 運行條件和方法

過濾介質可以是石英砂、樹脂、活性炭等[7]．本實驗采用活性炭作為濾料，顆粒粒徑為 0.7～2.1,mm．設計最大進水流量為160,L/h，操作溫度為室溫．

1.4 實驗用水

配制高、中、低三種不同濃度泥漿水作為處理對象，水樣指標見表 1(其中化學需氧量(COD)采用國家標準方法重鉻酸鉀法進行測定)．

表1 泥漿水水質指標Tab.1 Mud water quality index

2 結果與討論

2.1 進氣速率和清洗水速率對濾層更新速率和濾料

循環周期的影響

濾層的更新速率和濾料循環周期是反映新型顆粒移動床連續過濾裝置性能的一個重要指標．通過調節進氣速率和清洗水速率來控制氣提速率，測定單位時間內活性炭的提升量來計算濾層更新速率和濾料循環周期．

式中：v為單位時間內清洗濾料的體積；V為取樣器中濾料體積；t為取樣時間．

濾層更新速率可以由式(2)求得

式中：C為濾層更新速率；S為過濾器水平截面積．

濾料循環周期可以由式(3)求得

式中：T為濾料循環周期；V總為過濾器中濾料的總體積．通過測定得到V總＝5,600,mL．

采用自制的取樣器在三相分離器下端進行取樣，并用秒表計時．通過測定和計算，得到不同清洗水速率和進氣速率下的濾層更新速率和循環周期，結果見表2.

表2 不同條件下的濾層更新速率和濾料循環周期Tab.2 The updating rate and cycle of the filter layer under different conditions

由表2可以看出：濾層更新速率和濾料循環周期主要是由進氣速率決定的，而清洗水速率決定了反沖洗效果和設備運行的穩定性(氣、液、固三相能夠有效分離)．如果進氣量過大，因清洗水很少，氣提不穩定且濾料不能得到有效的清洗；反之，若清洗水量太大，不僅造成清洗水量增加，而且還會導致三相流在提升管中速度過快，影響進入三相分離器的分離效果．由表2可知，適宜的氣水比操作范圍為7～12．

圖3表示的是氣水比在7～12，濾層更新速率和濾料循環周期的變化．

圖3 進氣速率對濾層更新速率和濾料循環周期的影響Fig.3 Influence of intake rate on the cycle and updating rate of the filter layer

由圖3可知：進氣速率對濾層更新速率和濾料循環周期具有顯著影響．進氣速率越大，濾層更新越快，濾料循環周期越短，反之亦然．在設備穩定運行的條件下，濾料循環周期是可以控制的，本實驗的最小值為12,min．

2.2 處理負荷對固定床和移動床處理效果的影響

處理負荷會影響出水水質，為了證明移動床比固定床有更高的處理負荷和更好的出水水質，分別研究了處理負荷對固定床和移動床處理效果的影響．

2.2.1 處理負荷對固定床處理效果的影響

為了研究處理負荷對固定床處理效果的影響，裝置運行時不通入壓縮空氣和清洗水(此時為固定床)，以濁度為 57.9,NTU、COD 為 27.6,mg/L、SS為153.0,mg/L的水樣作為進水，運行 10,h內出水水質隨運行時間的變化如圖4所示．

過濾器對 SS有非常好的處理效果，出水 SS沒有檢出．由圖4可以看出：在初始1.5,h內，固定床對污水有較好的處理效果，此時出水 COD和濁度分別為 2.7,mg/L和 5.81,NTU；但是隨著時間的延長，出水水質越來越差，COD和濁度逐漸增大，9,h后出水COD和濁度分別為 14.4,mg/L和 15.5,NTU，此后出水水質趨于穩定．

圖4 固定床出水水質隨運行時間的變化Fig.4 The fixed bed effluent quality with the running time

初始 1.5,h內固定床對泥漿水有很好的處理效果，這是因為活性炭可以通過截留和吸附去除水中的大部分顆粒物和溶解性有機物．但是，隨著運行時間的延長，出水水質變差，出水的 COD和濁度逐漸升高．這是因為隨著處理量的增加，越來越多的顆粒物和溶解性物質被吸附在活性炭中，由于不能及時得到反沖洗，活性炭的吸附達到飽和，此后很難對微型顆粒物和溶解性物質進行吸附．當連續運行時間為 9,h時，即處理量達到 360,L時，出水濁度和 COD的值達到最大并趨于恒定．因為活性炭的截留作用仍然存在，所以仍然能去除一些較大的固體顆粒，從而降低出水COD和濁度．

2.2.2 處理負荷對移動床處理效果的影響

為了研究處理負荷對移動床處理效果的影響，裝置運行同時通入壓縮空氣和清洗水(此時為移動床)，以濁度為 57.9,NTU、COD 為 27.6,mg/L、SS為153.0,mg/L的水樣作為進水，運行 10,h內出水水質隨運行時間的變化如圖5所示．

圖5 移動床出水水質隨運行時間的變化Fig.5 The moving bed effluent quality with the running time

由圖5可以看出，移動床一開始也會出現和固定床出水相似的趨勢，1.5,h內出水效果很好，此時出水COD和濁度分別為2.6,mg/L和5.59,NTU，此后出水水質會有所下降，但仍有較好的處理效果，7,h后出水 COD和濁度分別為 9.57,mg/L和 8.6,NTU，并趨于穩定．

初始 1.5,h內移動床對泥漿水有很好的處理效果，這與固定床的原理是一樣的．7,h后出水水質達到穩定，COD和濁度分別為 9.57,mg/L和 8.6,NTU，去除率分別為 65.33%和 85.15%(比固定床的 47.83%和 73.23%要高)．這是因為移動床在過濾的同時進行了濾料反沖洗，活性炭吸附和截留的物質通過脫附作用被及時排除，通過這樣一個傳質過程活性炭就能得到及時再生，當處理7,h后，即處理量達到280,L時，移動床中活性炭的截留和吸附作用與再生作用達到一個動態平衡．

2.2.3 固定床和移動床中濾料清潔程度的比較

運行 10,h后固定床和移動床中的濾料清潔程度如圖6所示．從圖6中可以看出：移動床層中的濾料因為在不斷清洗再生，比固定床中的濾料潔凈．

圖6 固定床與移動床中的濾料Fig.6 Filter of the fixed bed and the moving bed

2.3 濾料“反粒徑”分布的測定

濾料粒徑從進水口到出水口方向上由大到小的分布，稱為“反粒徑”分布．“反粒徑”過濾相當于逐級分步處理，能改善水質并充分發揮整個濾層的截污作用，提高濾料截污量，降低過濾阻力，減少能耗．

為研究本裝置濾料分布情況，裝置運行 1,h后，從進水口方向到出水口水平位置 0、5、10、15、20,cm(本裝置濾層寬 20,cm)處分別采取一定量的活性炭，用離線粒度分析儀測得各處活性炭的平均粒徑，結果如圖7所示．

圖7 濾床不同位置處顆粒粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of different positions of the filter bed

由圖7可知：從進水口到出水口處濾料平均粒徑逐漸變小，進水口處濾料平均粒徑為 1,302,μm，出水口處濾料平均粒徑為 1,133,μm，形成了明顯的粒徑梯度分布，“反粒徑”分布效果很好．

2.4 水力停留時間(HRT)對不同濃度泥漿水去除效果的影響

HRT決定了污水與濾料的接觸時間，影響著出水水質．為測定 HRT對出水水質的影響，本實驗進水流量控制在 15～80,L/h，通過改變流量來調節HRT，HRT在 2.3～12.0,min．待流速固定 1,h后測定出水的 SS和 COD，3種水樣測定方法相同，測定結果如圖8和圖9所示．

圖8 HRT對不同水樣出水濁度的影響Fig.8 Effects of HRT on effluent turbidity of different samples

圖9 HRT對不同水樣出水COD的影響Fig.9 Effects of HRT on effluent COD of different samples

由圖 8可以看出：HRT與濁度處理有很重要的關系，HRT越長，處理效果越好，去除率越高，反之亦然．同時，在HRT相同的條件下，高濃度泥漿水的出水水質雖然比低濃度要差，但是去除率相對較高，這可能是因為濃度高時，水樣中粒徑大的顆粒對濁度貢獻較大，而這些大粒徑顆粒物質都能通過活性炭的截留作用去除，這樣就大大提高了濁度的去除率；低濃度水樣中小粒徑物質和一些膠體物質對濁度貢獻較大，這些物質主要靠活性炭的吸附作用去除，而活性炭吸附作用不能完全去除這些物質，所以去除率相對較低．

由水樣 1的處理效果可知：當 HRT為 12,min時，出水濁度為 3.11,NTU，所以對于低濃度污水只要保持 HRT足夠長，出水濁度就能小于 5,NTU，完全能達到GB/T 18920—2002《城市污水再生利用·城市雜用水水質》標準中濁度小于5,NTU的要求．對于較高濃度泥漿水濁度的去除率可以達到 88.89%，說明此設備也適用于鉆井泥漿等高濃度泥漿水的處理．

由圖9可以看出：HRT對COD的影響和對濁度的影響基本一致，HRT越長，處理效果越好，去除率越高，反之亦然．當 HRT為 12,min時，對水樣 1、水樣 2、水樣 3的 COD去除率可以分別達到 80.00%、83.48%和 79.71%．還可以看出：水樣變化對 COD的去除率的影響相對較小，這可能是因為水樣中的COD主要是由溶解性的有機物造成的，而這些物質不能通過活性炭截留作用進行去除，只能通過活性炭吸附進行去除．

新型顆粒移動床連續過濾裝置不僅可以實現連續操作，而且還可以通過改變過濾介質實現不同的分離效果，這一點也是本研究今后的重要內容之一．

3 結 論

(1)新型顆粒移動床連續過濾裝置能連續運行，無需停機反沖洗和備用設備，減少投資和占地面積．

(2)進氣速率決定了濾層更新速率和濾料循環周期，清洗水速率決定了反沖洗的效果和三相分離的穩定性，新型顆粒移動床連續過濾裝置氣水比適宜的操作范圍為7～12．

(3)固定床過濾一段時間后就容易被穿透而失去吸附能力，新型的顆粒移動床過濾裝置能夠實現過濾和反沖洗同時進行，保持長期穩定的處理效果，具有很高的抗沖擊性．

(4)新型顆粒移動床連續過濾裝置能夠實現濾料的“反粒徑”分布．

(5)新型顆粒移動床連續過濾裝置對 SS、COD和濁度具有很好的去除效果，通過調節 HRT可以達到不同的出水水質．

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