多层过滤器反冲洗过程试验研究-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘要:深层过滤过程是水处理工程中的基本单元方法,在油田注水处理、石化厂废水治理方面有很重要的地位。反冲洗过程是深层过滤的最后环节,其目的是命名过滤器能够反复使用,降低工业生产成本。经试验研究,对于多层过滤器,本文所特有的反冲洗方法(气水反冲洗)具有能耗低、耗时少、冲洗效果好等优点,在工业生产中有着良好的应用。
关键词:深层过滤;多层过滤器;反冲洗;气水反冲洗
中图分类号:TQ028.5
文献标识码:A
文章编号:1005-8265(1999)03-0014-05深层过滤过程结束后,为了对滤料进行再利用,降低工业生产成本,就必须进行反冲洗过程。
1 深层过滤反冲洗机理
在深层过滤过程中,床层中的流速较小,而且是恒定的。如果床层中的流速突然增加,那么一些已经沉积的微粒就地脱落,重新悬浮在液体中。因此,流速突然的变化会引起已沉积微粒大量的脱落,使得过滤效果变差。而在反冲洗过程中,分离是一个必然过程,其流速数倍于过滤速度。
Ives借助高速摄影仪、高速记录仪和高强度的光源,把刚性光导纤维内窥镜穿过模型过滤器器壁,固定在滤床里获得了沉积物分离的清晰图像。由此指出反冲洗时作用在滤料颗粒和沉积物上的力包括:流体剪切力、碰撞力和冲蚀摩擦力,颗粒流态化的主要清洗机理是流体流经滤料颗粒表面时的剪切力[2][3]。表面沉积物受到剪应力越大,分离的倾向就越大。因此,可以认为分离主要是由于沉积表面的流体剪应力引起,而部分沉积物的断裂也会引起一个或更多的微粒重新进入流体,在沉积表面的剪应力由下式得出:

式中,Vr是离孔隙中心轴距离为r的流速。很显然增加水流速度将会使剪应力增加,导致分离现象的产生。
另外,经过若干小时的操作以后,当一块相当大的微粒团聚集在滤料孔隙内时,另一种形式的分离就会产生。产生这种分离的原因是悬浮微粒不断地碰撞此不稳固的大块沉积物,引起“崩落”,使得许多沉积物又回到液流中。这种发离作用发生的可能性小于由剪应力引起的分离,但是它依赖于由剪应力引起的大块堆积物。因此在反冲洗过程中,如果流速能够有较大变化,反冲洗效果会更好。
2 滤料的性质对反冲洗过程的影响
2.1 滤料的粒径对反冲洗过程的影响
由于滤料的粒径是不可能均一的,因此必须把分布在某一范围内的颗粒群的粒径大小用一种代表性的粒径来表示[1]。指把滤粒颗粒包围在内的假想球体直径,通常用有效粒径d10和不均匀系数k80表示。有效粒径d10就是筛分滤料时,能使滤料总量的10%通过的筛目的粒径。滤料的不均匀系数k80就是能使使80%滤料通过的筛目粒径与有效粒径d10之比。在实验中要求不均匀系数k80越小越好。
一般情况下,在有反冲洗过程的过滤池不能使用脆性大、易碎的滤料;滤料颗粒最好接近球形,避免使用扁平的粒状。
在实验室中,筛分方法如下:取炉渣样品,洗净后置于105℃恒温箱中烘干,待冷却后称取100克,用筛子筛。最后称出留在各个筛子上的样品质量。表1中给出炉渣滤料的各参数值,其它滤料的参数也可按照同样方法测定。

实践表明对于同样的原水,以及同样的滤速和反冲洗强度,有效粒径d10越大,不均匀系数k80越小,过滤床层的工作周期就越长,反冲洗的效果就越好,总的过滤效果也就越好。
2.2 滤料孔隙率对反冲洗过程的影响
床层孔隙率ε就是床层中颗粒之间的隙体积与整个床层体积之比。孔隙率的大小反映了床层颗粒的紧密程度。孔隙率的大小与颗粒的形状、颗粒粒度大小的分布、颗粒表面的粗糙度、颗粒直径与床层直径的比值及颗粒的充填方法有关。颗粒的粒度分布越不均匀,或者颗粒的表面越光滑,床层孔隙率ε就越小。
滤料孔隙率的测定方法采用滴定管模拟法。滴定管模拟法步骤如下:在滴定管中装入一定量的滤料并加入水,使水没过滤料。待稳定一段时间后,记下起始滤料层及水面刻度。打开滴定管,待水完全从滴定管中滴入量筒中后,记下量筒中水的体积。然后减小滴定管中滤料量和水量,重复上述步骤。则床层体积为两次测量的滤料层体积之差,孔隙体积为两次测量的[量筒中水的体积——(滴定管中滤料层刻度——水面刻度)]
3 深层过滤反冲洗试验研究
现行的反冲洗方式有水冲洗和气水冲洗两种。在石油工业生产操作中,要求反冲洗过程能耗低、耗时少、冲洗效果好。经我年试验和应用,认为选用气水冲洗方法能够满足上述要求。
3.1试验装置
试验装置主要由过滤器、连管线、测量仪器、搅拌器、泵、阀门、水箱等组成(图1)。试验容器为规格为 190 mm×2200 mm,壁厚为10mm的有机玻璃制成。在容器上部设有布水装置,用厚10 mm的有机玻璃板制成,其上均匀分布着360个按正三角形分布的 3小孔,以保证进水均匀。容器底部有一球形的多孔集水器,用以改善出水流动情况。底部集水装置的作用是收集滤过水以及使反冲洗水均匀地分布在滤层内(关于试验装置更为详细的情况参见文献[4])。

3.2 过滤滤料的选定和铺设
在滤床过滤时要注意:①在反冲洗过程中现在在实际设计中多选用多层过滤器。在深层过滤过程中,采用多层过滤器可以提高过滤效果,而在反冲洗过程中可以减少滤层厚度,降低流动阻力,减少能耗(见3,4节)。在实验中,采用三层过滤器,铺设情况和表2所示。
不应使各种滤料相互混合,而且要保证各滤层都清洗干净。为此在铺设中,最上层和中间层厚度之比为2:1左右;②最底层采用细短纤维,其目的是为了提高过滤质量,同时在反冲洗时防止各种滤料相互混合,保持原有铺设。
3.3 悬浮物的选定
悬浮物采用一定浓度(工业实践中,待过滤水的悬浮物浓度一般在100 mg/L左右)的高岭土溶液,其堆积密度ρp=1880.7 kg/m3。
3.4反冲洗过程概述
在保证反冲洗质量的前提下,为尽量减少反冲洗过程所耗的时间(目的是降低耗水量),经过多次试验,认为使用下面所述方法效果最佳(包括操作时间在内,整个反冲洗时间约需7~8分钟):
①深层过滤过程结束以后,首先排干滤床内的水;
②打开反冲洗回路阀3、阀5、阀6、阀7放水,直至滤料被完全浸入水中后,关闭回路;
③打开空气压缩机,此时可见滤床内滤料呈“沸腾”状态。1分钟后停止;
④打开反冲洗回路放水,流速控制在过滤流速的2~3倍。再打开空气压缩机,向滤床内通气,此时开始反冲洗。可以看到滤床膨胀,并呈“沸腾”状态。3分钟后停止(先关空气压缩机);
⑤打开排污水管阀7,排出高浓度污水。然后根据实际情况,选择进行表面冲洗(在处理含藻类等有机物较多的原水时,在滤层表面往往生成由滤料颗粒、悬浮物和粘性物质结成的泥球。表面冲洗的目的就是防止产生泥球[1])。
步骤3的目的是通过气冲,命名悬浮物与滤料充分分离。实践表明,步骤3的使用对提高反冲洗效率有极其重要的影响。
在步骤4中,水流速控制在25 m/h左右,气流速控制在80 m/h左右,这样可以获得最佳的反冲洗效果,并使能耗降至最低。
在反冲洗过程中,滤料会发生膨胀现象,因此在过滤器设计中,要考虑增加其长度,防止滤料流失和堵塞管道。此外,还应注意如下两点:①气水反冲洗时,如果反洗水从过滤器顶部排出,显然在量的空气会在过滤器中形成内压,毁有害于守滤器,又不利于排水,故从距离顶部约40 cm处引一排气管,使空气有一段自由升腾的空间;②在气水反冲洗过程中,为使含污泥极多的污水能及时排出,特在中部接一排污水管(图1阀7)。③为命名反冲洗气流均匀分布,在滤床最低层周围设四至六个进气孔。这样可使滤床各面都能清洗干净。
3.5 反冲洗效果测定试验
反冲洗结束后,需要量化判断滤料是否清洁。测定方法为滤料的流动阻力测量试验。首先在深层过滤前做一次测量,绘出H—Vs关系曲线(线性);反冲洗结束后,再做一次测量,绘出H—Vs关系曲线。如果滤料被清洗干净,那么两条曲线应基本重合;如果两条曲线有较大差异,则说明反冲洗效果不好,滤料未被清洗干净。
测定滤料是否清洁的流动阻力测量实验的步骤如下(流程参见图1):
①在过滤器内装入一定高度的清洁滤料,将过滤器就位并安装好;
②关闭反冲洗回路阀3、阀5、阀6、阀7及出水阀4,打开进水阀2,用泵3打入进水;
③待过滤器内水位达到规定的高度时,打开出水阀4,调节进出水阀,使进出水流量保持平衡;
④打开微机控制系统,准备测量(试验装置操作方法参见文献[4]);
⑤调节进出水阀,测不同流量下滤层的水头损失。

本文测定了前述反冲洗方法对炉渣滤料(单层滤床)的清洁效果,如图2(单层过滤器:滤料为炉渣,床层厚度640 mm)、图3(多层过滤器,床层厚度640 mm)所示。
从图2、3中可观看出,利用前述反冲洗方法,清洁效果很好。局部有差异,说明滤料并未彻底清洗干净(实际上,完全清洗干净滤料是无法实现的)。
另外,通过图2、3的对比,也可看出,选用多层过滤器,其流动阻力比选用单层过滤器有所降低,这意味着能耗的降低。通过试验确定,其降幅为5%~10%。
3.6 去除效果计算

计算结果见表4。
4 结果说明
经多组试验,得到如下结果:
①使用本文所述反冲洗方法,耗时少,但效果佳。所耗水量只有已过滤水量的1.5%左右;可以除去深层过滤后留在滤床内悬浮物达99%以上;第一个(组)过滤器可反复使用许多次,大大降低了生产成本。
②选用多层过滤器,其流动阻力比选用单层过滤器降低5%~10%。

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