长纤维高速过滤器的运行动力学研究

1、第卷第期年月东南大学学报（自然科学版）？（）长纤维高速过滤器的运行动力学研究王世和周飞鄢璐黄娟（东南大学土木工程学院，南京）摘要：为对长纤维高速过滤器的模拟分析、运行控制及效果预测提供理论依据，在深入分析长纤维高速过滤器深层过滤机理及积泥形态的基础上，结合试验观察，借鉴半经验、半理论模型，建立了用以表征长纤维高速过滤器运行特性的水头损失方程及传质动力学模型通过大量试验测定和对初始滤速为时的模型计算与实测结果的比较表明，除沉淀出水过滤前期滤出水浊度计算值与实测值误差较大外，其余各范围计算值均吻合良好，证明了假设的合理性及模型的有效性关键词：长纤维高速过滤器；水头损失；传质动力学中图分类号：文献标

2、识码：文章编号：（）瞒旬佃（硒面，伽墙，）：加，缸锄衔，九，缸枷色曲唱锄哆，），伯加；缸加；：硒；纤维滤料以其优良的性能（高吸附性、高比表面积、高孑隙度）和所获得的沿滤层近乎理想的过滤方式¨剖，自世纪年代初用于水处理过程以来，显示出其极大的优势，并获得了迅速的发展与已有纤维过滤器相比”刮，作者开发并获国家发明专利授权的长纤维高速过滤器更以其优良的性能获得工程界的广泛好评为了促进该型过滤器的推广应用，并为运行过程控制提供理论指导，本文在深入分析和理解纤维过滤机理的基础上，尝试建立了用以表征长纤维高速过滤器运行特性的水头损失方程及传质动力学模型模型建立描述深层过滤过程的动力学模型包括水头

3、损失方程和传质动力学方程，传质动力学方程又包括物料平衡方程和传质速率方程长纤维高速过滤器水头损失方程的建立过滤时，长纤维滤层在水头损失的纵向压力下，大多呈横向弯曲状态研究表明，床层中纤维的取向与三维随机分布的床层结构较接近，按力的分解原理，水头损失应为个互相垂直方向的水头损失之和由于只有一个方向的纤维束与水流流向平行，其他个方向则与水流流向垂直，故总水头损收稿日期：旬作者简介：王世和（一），男，教授，引文格式：王世和，周飞，鄢璐，等长纤维高速过滤器的运行动力学研究东南大学学报：自然科学版，（）：的特点电力驱动，不锈钢刷式清洗，系统承压能力强；高精度压差控制设计、时间控制、手动控制清洗；钢刷拆卸

4、、安装、维护简便易操作；相邻两次清洗，电机正反转交替运转，使不锈钢转刷寿命更长；设有电机过载保护，可有效保护电机。控制显示界面人性化设计，操作非常简便；外表面无外露接线，安全可靠。控制界面：数显、旋钮、开关滤网类型：金属楔型网电力驱动，不锈钢刷式清洗排污；控制方式：压差、时间、手动控制设计；控制方式：时间、手动控制设计；特殊过滤单元结构设计，坚固耐用；独特的清洗设计实现低负载、低水头、均匀排污；电控箱面板方向可满足用户要求随意调节；东南大学学报（自然科学版）第卷失方程可用渗透系数七表示如下：壶熹七七。七，、式中，七为渗透系数；七为水流方向与纤维轴向平行的渗透率；岛为水流方向与纤维轴向垂直的渗透

5、塞对滤液流经垂直于纤维轴向的水头损失，前人曾提出如下公式：争赤（训（一占）一÷（一占）（一占）（）式中，占为纤维滤层的孑隙率考虑到长纤维滤层的孔隙率较高，（一占）很小，故可略去（一占）二次以上项，再将精度较高的几种正方形和六边形单元模型方程综合起来平均，可得滤液流经垂直于纤维轴向的水头损失方程为南（占）阚（卜圳（）对于滤液流经平行于纤维轴向的水头损失，前争南（一占）一。（一占）一人也曾提出如下公式：寻（占）（）同理，略去（一占）二次以上项，并将不同学者提出的圆形、正方形、等边三角形、六边形、矩形等单元模型进行综合平均，将常数项近似取为与式（）相同的，则流经平行于纤维轴向的水头损失可用

6、以下通式表示：丽与（）伽（卜训（）将式（）和（）代入式（），得砉志（一）（一圳（）式（）即为综合各种单元形状并考虑纤维床层中纤维取向为三维随机分布，以无因次渗透系数表示的长纤维床层的平均水头损失方程设床层初始孔隙率为。，随着过滤的进行，积泥不断增加，床层孔隙率不断减小，当体积比积泥量为盯。时，床层孔隙率为占占。一盯，（）式中，盯，可利用质量比积泥量盯求得，即矿。万（），式中，凤为积泥密度；氏为积泥孔隙率质量比积泥量盯可结合过滤过程物料平衡方程和传质效率方程求得；积泥密度。和积泥孔隙率占。由已试验测得一，分别为和对于过滤过程中纤维丝径的变化，假定清洁纤维丝直径为如，随着过滤的进行，纤维上积泥不断

7、增加，作者的研究表明，纤维丝上的积泥基本上呈均匀壳层结构，从而使纤维丝径由磊增加到正显然，纤维丝径增量与床层体积比积泥量有关，盯。越大，越大，其关系为如厂石因此，由长纤维滤床各段岛和质量比积泥量掣点一占。一占（）口，利用式（）一（）即可求得长纤维滤床各段的渗透率，进而求得整个纤维床层的水头损失利用水头损失理论方程式（）和式（）一（）计算出不同过滤时段、滤床各层的孔隙率和无因次渗透系数（）计算所得扩及利用试验一测得的纤维滤床各层水头损失换算的无因次渗透系数（扩）如图所示由图可见，在本研究试验范围内，计算的无因次渗透系数均小于试验值此种情况表明，长纤维高速过滤器横向弯曲的纤维滤层的水头损失要小于随

8、机排列分布的纤维滤床的水头损失为此，必须引入适当的系数妒对式（）进行修正，即事南（一占）乩（一占）（）由于妒是床层深度或孔隙率的函数，因此，可先将其表示为孔隙率的线性方程，再由试验数据进行修正，即孔隙率图理论方程计算结果与试验值的比较第期王世和，等：长纤维高速过滤器的运行动力学研究式中，口，易为待定系数经关联图中试验数据，得出口，分别为一。和，即式（）变为一妒一占（）将式（）代入式（），则得出长纤维滤床的水头损失方程为七（一占）（一占）一（一占）一（一占）（）将经式（）修正的水头损失方程（）的计算值与试验值比较于图可见，修正后的方程（）与试验值吻合良好，也表明式（）的设定是可行的孔朦翠图校正后

9、方程曲线与试验值的比较长纤维高速过滤器动力学方程的建立已有研究表明，悬浮物的去除速率与床层结构、滤液中悬浮物浓度、水力条件等密切相关，可表示为差玎，卵，蛊）（）式中，为滤液中悬浮物浓度；为滤层厚度渺为动力黏度叫为床层比阻式（）中的三反映了水头损失对滤床压缩程度的影响，并进而影响整个纤维床层的孔隙率通过将物料平衡方程与传质速率方程相关联，即可求出任意时刻、任意位置处积泥量及悬浮物浓度的变化物料平衡方程在建立长纤维高速过滤器物料平衡方程时，首先依据作者对长纤维高速过滤器过滤机理的研究及其他相关过滤理论作如下假设：纤维滤床各层从滤液中去除的悬浮物量与该层中累积的悬浮物量相等；悬浮物颗粒进出滤床各层时

10、，沿横截面均匀分布依据上述假设，在长纤维滤床中取厚度为配的滤层（见图），即可建立过滤时间间隔（，）、滤层厚度中的物料平衡关系设所取纤维床层横截面积为、滤液体积流量为、进入滤层的滤液浓度为¨流出滤层的滤液浓度为。、所选滤层孔隙率为占和扩散系数为扛气倒（一荔）。础图长纤维滤层物料平衡示意图由上述假定，在出时间内、配滤层中存在如下物料平衡关系：进入纤维滤层的悬浮物量一流出纤维滤层的悬浮物量纤维滤层内积累的悬浮物量时间内进入纤维床层的悬浮物量为；。（出）（一差）。；出时间内流出纤维床层的悬浮物量为。吡（）（一差）。出；出时间内纤维床层内悬浮物的积累量为（盯）（）（）（甜）则有“鲫）（一差）谊

11、伽（她）（一篆）（甜（）试验表明，在水的过滤中，对于粒径大于斗的颗粒，扩散的作用可以忽略；由于滤层内水质的瞬间变化很小，故忽略占等项，引入表观过滤速度，并利用上述假定，将物料平衡方程（）简化为告篆、（）传质速率方程由图的物料平衡关系，可得滤液流经滤层时悬浮颗粒的去除率为，瓦矿丽面（犷尝：器鲁，）式中，。为滤液中悬浮颗粒流经滤层的去除率；为进入滤层的滤液中的悬浮物浓度东南大学学报（自然科学版）第卷式（）中，分母表示时段内进入滤层中的悬浮物总量，分子则表示在时段内附着在滤层中的悬浮物总量由式（），可进一步得出单位滤层厚度内悬浮物的去除率为轰南詈（）变形为塑：（）式中，为单位厚度滤层内悬浮物的去除率

12、，一。对比滤层中物料平衡方程式（），可得等：一（）、再对比年由岩崎（）提出的过滤传质速率方程：等一（）式中，为过滤系数（或称传质系数），比较式（）和式（）可知，过滤系数与单位厚度滤层内悬浮物的去除率在数值和量纲上均相同；这表明，岩崎公式也适用于长纤维滤床的过滤，故以下的讨论将以式（）的形式进行岩崎公式（）表明，滤层内去除的悬浮物量和进入该层内的悬浮物浓度成正比但试验表明，式（）仅适用于过滤开始阶段，随着过滤的进行，由于床层内积泥不断增加，使床层结构发生变化，使式（）与实际情况逐渐偏离，或者说不是常数，而是一个随床层结构而变化的量基于文献，考虑本长纤维高速过滤器的特点，以和模型为基础，并引入修正

13、系数，考虑水流速度梯度对传质系数的影响，从而得到如下传质系数方程式：一尘（）、占，式中，。为清洁床层的传质系数，依据传质系数影响因素的分析，由于此时盯。，应为清洁纤维床层比表面积和孔隙率。的函数；而盯，氏为考虑截留积泥收缩水流通道，使水流的剪切力增大的因素；为水流梯度对传质系数影响的因素依据式（）的含义，。为口。（即清洁床层）时的过滤系数因此，可利用长纤维高速过滤器彻底反冲洗后初始过滤的试验数据，通过计算得到由对长纤维高速过滤器反冲洗特性已进行的研究，在气洗强度（）、水洗强度（）、反洗后，可基本将纤维床层的截留积泥洗净经此反洗后进行过滤，并测量初始时刻各层滤液的进、出水浓度，设为。和川；再将式

14、（）改写为一萼咄亡，”。，即护一去（）汹，由式（）即可计算不同初始滤速下，纤维滤床各层初始过滤时的传质系数。关联。与纤维滤床各层初始过滤时的孔隙率占。的关系，得图和下式：（）（）一图清洁床层传质系数变化关系，由长纤维高速过滤器过滤机理及纤维滤层传质系数影响因素的研究结果可知，随着纤维滤层中截留积泥量和滤层压缩量的不断增大，滤层中截留积泥所受剪切力也不断增大，当滤层中截留积泥所受水流剪切力与积泥的结合强度相等时，该滤层对滤液中悬浮颗粒的截留达到“饱和”，此时滤层中传质系数为零依据此结论，由纤维滤层“饱和”积泥量和处于饱和状态时清洁床层的孑隙率，即可求得不同滤速下的水力校正系数缈关联甜与表征过滤速

15、度间的关系，得图和下式：（）表观滤速（。）图水力校正系数珊变化关系第期王世和，等：长纤维高速过滤器的运行动力学研究长纤维高速过滤器动力学模型的数值计算考虑到过滤过程中个基本事实：长纤维洁床层的孑隙率铂（凡）、各层高度（，）、滤床总高、数值计算时间步距、各层传质系数（，）、各层质量比积泥量矿（行）、各层体积比积泥量盯。（，）、各层无因次渗透系数孑（咒）、各层滤出水浊度（，）、各层水头损失日（疗）、过滤时间后各层高度变化率（）过滤过程的终止由滤床的截污能力和水力潜力个因素决定，二者分别对应于过滤过程的出水浓度。和极限水头损失日胁两个参数本研究依据实际生产过程一，分别取；。和。滤床人口处滤液浓度等于

16、进入过滤器的待滤水的初始浓度；起始过滤时滤层孔隙中悬浮物的沉积量等于反冲洗后积泥的残余量同时，基于长纤维高速过滤器优良的反冲洗特性，可作如下假定：反冲洗后，长纤维滤床上残留积泥均匀分布于纤维滤床各层，其值可依所选反冲洗条件的积泥洗出率确定对应以上基本假定，长纤维高速过滤器过滤模型的边界条件为（，）（，）盯。（）（）作为模拟计算过程的过滤终点计算过程的输出量有：不同时段的滤出水浊度（）、水头损失日（）和长纤维滤床有效过滤期内质量比积泥量盯（以压缩前滤料起始高度为计算基准）通过输入不同初始滤速进行计算，即可核算给定长纤维床层在不同初始滤速下的过滤效果将初式中，为过滤某一时刻；为进人过滤器的待滤水的

17、初始浓度；，为纤维滤床中某一滤层；矿。为反冲洗后纤维滤层中积泥残余量的质量比积泥量计算时，输人参数包括：过滤器进、出口液位始滤速为的模拟计算结果与作者的试验值分列于图由图可见，除沉淀出水过滤前期滤出水浊度计算值与试验值偏差较大外，其余均与试验结果吻合良好，特别是水头损失的计算值与试验值吻合很好，表明该模型可用于预测长纤维高速过滤器的运行过程，从而指导过滤器的设计与运行差坼、待滤水浊度、初始滤速（表观滤速）、纤维丝径、水的动力黏度弘、纤维装填量、纤维压缩系数、管路阻力系数和起始过滤时纤维滤床中残留积泥量矿。计算过程中涉及的参数有：长纤维滤床各层清薰：簧彗曼盍爱丑爝过滤历程憾（）沉淀以水的滤出水浊

18、度历时变化（进水浊度）过滤历程（）混凝源水的滤出水浊皮力时变化（进水浊度）重水辑泳繁图模型计算值与实测值比较结语以半经验、半理论数学模型为基础，通过对理论方程的修正和模型参数的试验关联，建立了与试誓萎焉器量妻享蓑葬鎏誓奎耋篡粪主滤过程的动力学模型计算与模拟分析验证了假设的合理性及模型的有效性东南大学学报（自然科学版）第卷参考文献（俗）锄，锄删，矾，（）：谢世全，刘凡清，王德英高效纤维过滤器积泥形态学的研究过滤与分离，（）：啪，柚，锄呻！劬盯厅胁砌却口砌，（）：（），叫加即。（）：，删，（）：，蛐铆嘶，卸口，晒，（）：只打即，（）：一曲爱平深层过滤理论基础研究化学工程，（）：印抛，砌胁砌，（）：

19、（）文联奎，曲爱平，王学文新型滤料短纤维性能研究油气田环境保护，（）：孤，臼阻点加，埘地“，订黜尉胁，（）：（）周飞长纤维高速过滤器运行特性与动力学研究南京：东南大学土木工程学院，：，砌肋删厅加砌肼，如，长纤维高速过滤器的运行动力学研究作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：王世和， 周飞， 鄢璐， 黄娟， Wang Shihe， Zhou Fei， Yan Lu， Huang Juan东南大学土木工程学院,南京,210096东南大学学报（自然科学版）JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)2008，38

20、(4)0次 1.Rajagopalan R.Tien C Trajectory analysis of deep-bed filtration with the sphere-in-cell porousmedia 1976(03)2.谢世全.刘凡清.王德英 高效纤维过滤器积泥形态学的研究期刊论文-过滤与分离 2002(02)3.Sembi D M.Ives K J Optimization of size-graded water filters 1983(20)4.Chi Tien.Payatakes A CAdvance in deep-bed filtration 1979(05)5.

21、Burganos V N Moute-Carlo network simulation of horizontal,upflow and downflow depth filtration1995(02)6.Ives K J Deep filters 1967(69)7.曲爱平 深层过滤理论基础研究 1999(05)8.文联奎.曲爱平.王学文 新型滤料棗短纤维性能研究 1994(04)9.周飞 长纤维高速过滤器运行特性与动力学研究 200610.Taday Ishiibashi London's water:filtration since 1829,Pro 19931.期刊论文 王世

22、和.周飞.鄢璐.Wang Shihe.Zhou Fei.Yan Lu 长纤维高速过滤器的深层过滤过程与特性 -中国工程科学2009,11(2)以自行开发的长纤维高速过滤器为对象,通过在净水厂长期的过滤试验,从过滤器床层孔隙分布、床层内滤液浓度及各层比积泥量和水头损失沿滤层的变化等方面,详细分析了长纤维高速过滤器基于结构上独特特点而形成的积泥逐层向滤床深处推移,直至整个滤床"衰竭"的典型深层过滤过程与特征,为过滤技术的深度开发提供了依据.2.期刊论文 吴铭铭.王世和.黄娟.周飞 给水厂滤池实施长纤维高速过滤技术改造的可行性分析 -给水排水2008,34(5)长纤维高速过滤器在初始滤速1060 m/h条件下,对沉淀出水(浊度812 NTU)及混凝出水(浊度70100 NTU)过滤时,具有滤床成熟期短(4 min以内)、滤后水质好(浊度0.2 NTU以下)、过滤周期长(可分别达到60 h和12 h以上)、纳污量大(1624 kg/m3滤料)、水头损失小、反冲洗彻底、运行稳定等性能优势,且其运行成本低、管理简便,这使对给水厂现有滤池实施长纤维高速过滤技术改造成为可能.3.学位论文 周飞 长纤维高速过滤器运行特