摘要：简述了“彗星式纤维滤料”的性能，介绍了采用“彗星”式纤维滤料滤池的工艺设计。并结合滤床特点，探讨了该新型滤池的运行效能。表明“彗星”式纤维滤料滤池实现高速过滤，效能优异的特点。
关键词：彗星式纤维滤料 过滤速度 气水反冲洗
当今水处理技术中，大流量水体的悬浮颗粒分离工艺是制约水处理工程实际运行的一个难题。评价是否处于高效状态，滤料的自适应性是关键，即过滤时滤料构成的滤层具有空隙率从上到下逐渐变小的“理想滤层”的特点，反冲洗后滤料充分清洁，并且“理想滤层”的特点不被改变。
快滤池的过滤介质是粒状材料，这几乎是一个固定概念。快滤池借粒状材料的表面积附着悬浮固体，借颗粒间的孔隙来贮存所截留的悬浮固体。因此粒状滤料所具有的比表面积和孔隙度大小也就反映了快滤池所具有的去除悬浮固体的极限能力。这个极限能力可以估计如下：1m3滤料约含有450l的孔隙，为了让水流能继续通过滤层，假定可供贮存悬浮固体的孔隙平均值只有110l，即25%的孔隙绝对值。按附着絮体所含干物质浓度为10~60g/l计，得出1m3滤料所能截留的干物质量大致在1100g~6600g的范围内。过滤速度、过滤工作周期和所去除的悬浮固体浓度三者的乘积必然处在这个范围内。因此，要突破上述快滤池的截留悬浮固体的能力，必然用粒状颗粒以外的材料作为过滤介质。
清华大学研制成功的“彗星式纤维滤料”，形象地说即为——颗粒状的滤料象彗星一样拖着长长的“尾巴”—— 纤维，将纤维滤料截污性能好的特征与颗粒滤料反冲洗效果好的特征相结合，形成一种全新的过滤材料。
颗粒过滤材料的重要特征是可以方便地在滤池内完成清洗，但是采用纤维材料作为过滤材料的一个出发点是其比其他实体颗粒材料具有大得多的比表面积和空隙率，其孔隙度高达90%~95%，对比之下，粒径1mm石英砂滤层孔隙度为45%，由此推断，由纤维材料构成的滤床具有比常规颗粒过滤材料大得多的纳污量。纳污量为单位体积滤床每周期截留的悬浮颗粒物的质量，纳污量的提高对滤池效率的提高具有决定性的意义。这也是在保证滤后水质合乎要求及合适过滤周期的前提之下，应用“彗星”式纤维滤料的滤池可以比常规砂滤料滤池滤速高4~5倍的高滤速运行。
该过滤材料的特点是其一端为松散的纤维丝束，又称“彗尾”，另一端纤维丝束固定在密度较大的“彗核”内。过滤时，密度较大的“彗核”起到了对纤维丝束的压密作用，同时，又由于“彗核”的尺寸较小，对过滤断面空隙率分布的均匀性影响不大，从而提高了滤床的截污能力。气水同时反冲洗时，由于“彗核”和“彗尾” 纤维丝束的密度差，“彗尾” 纤维丝束随反冲洗水流散开并摆动，产生较强的甩曳力，过滤材料之间的相互碰撞也加剧了纤维在水中所受到的机械作用力，过滤材料的不规则形状使过滤材料在反冲洗水流作用下产生旋转，强化了纤维在水中所受到的机械作用力，上述几种力的共同作用结果使附着在纤维表面的固体杂质颗粒很容易脱落，从而提高了过滤材料的洗净度。
彗星式纤维过滤材料构成的过滤层其空隙率沿滤层高度呈梯度分布，下部过滤材料压实程度高，空隙率相对较小，易于保证过滤精度。整个滤层空隙率由下而上逐渐增大，这种滤层空隙率的分布特性有利于实现高速和高精度过滤。
彗星式纤维过滤材料的规格尺寸经实验研究确定，其合适的尺寸为：φ2.2×0.4×(35~40)( 彗核直径×丝束直径×彗尾长度）。
下面以150000m3/d规模的“彗星”式纤维滤料滤池的设计为例，进一步论述其特性。
（一）设计基础资料：
①设计规模：150000m3/d；②采用“彗星”式纤维滤料；③设计滤速≤30m/h；④恒水位过滤；⑤采用气水反冲洗，采用长柄滤头配水配气系统。
设计参数如下表：
edium none; BORDER-TOP: mum none; BORDER-LEFT: mum none; BORDER-BOTTOM: mum none; BORDER-COLLAPSE: collapse" borderColor=#000000 cellSpacing=0 cellPadding=0 align=center border=1> 过滤阶段 | edium none; WIDTH: 340.8pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid; HEIGHT: 10.15pt" width=454 colSpan=4> 设计滤速≤30m/h；恒水位过滤；冲洗前水头损失≥2.5m； “彗星”式纤维滤层800mm；过滤周期16~24h；滤后水浊度≯1NTU |
| edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: windowtext 2.25pt double; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid; HEIGHT: 10.15pt" width=114 rowSpan=2> 反冲洗阶段 | edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 255.6pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid; HEIGHT: 10.15pt" width=341 colSpan=3> 反冲洗强度 | edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid; HEIGHT: 10.15pt" width=114 rowSpan=2> 反冲洗历时 (min) |
| edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid; HEIGHT: 10.1pt" width=114> 空气冲洗强度 (L/s.m2) | edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid; HEIGHT: 10.1pt" width=114> 水冲洗强度 (L/s.m2) | edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid; HEIGHT: 10.1pt" width=114> 表面扫洗水强度 (L/s.m2) |
| edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: windowtext 2.25pt double; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid" width=114> 空气冲洗 | edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid" width=114> 30 | edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid" width=114> | edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid" width=114> 2 | edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid" width=114> 2 |
| edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: windowtext 2.25pt double; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid" width=114> 气水同时冲洗 | edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid" width=114> 30 | edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid" width=114> 6 | edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid" width=114> 2 | edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1pt solid" width=114> 15 |
| edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: windowtext 2.25pt double; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 2.25pt double" width=114> 水冲洗 | edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 2.25pt double" width=114> | edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 2.25pt double" width=114> 6 | edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 2.25pt double" width=114> 2 | edium none; PADDING-LEFT: 5.4pt; PADDING-BOTTOM: 0cm; BORDER-LEFT: mum none; WIDTH: 85.2pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 2.25pt double" width=114> 3 |
（二）设计计算：
滤池共分4格，每格过滤水量Q=37500 m3/d，拟根据标准滤板的尺寸及安装间隙进行组合排列，根据滤速要求，确定单格滤池过滤面积为63 m2，设计滤速24.8 m/h。
⑴进水系统
进水系统由进水阀、进水堰、V型槽组成。每格滤池设1个DN600电动（气动）进水阀，进水阀在反冲洗开始时部分关闭，减少进水量，此时的滤池进水量即为滤池的表面扫洗水量。表面扫洗水强度按2.0l/s.m2考虑，则表面扫洗水流量126l/s，即进水阀部分关闭后减少75%的水量。进水堰可平衡各滤池的进水量。V型槽可使待滤水均匀进入滤池，其底部的均布小孔可均匀分配表面扫洗水。
⑵过滤系统
过滤系统由滤层、滤板滤头、清水槽、清水管、滤后水溢流组成。
滤层采用“彗星”式纤维滤料，厚度0.8m；
滤板采用钢筋混凝土滤板，也可考虑采用其它材质。滤板的制作安装要求较高，不能以一般的土建梁板要求，而应以设备及化工装置要求进行。滤板用螺栓固定在托梁上，滤板间的接缝材料具有很好的粘接强度和延展性，不漏气、不漏水、无有害物质渗出。滤头采用特制长柄滤头，安装固定在滤板上，其配水孔和配气孔的开孔面积与普通长柄滤头不同，能达到小阻力配水和大阻力配气功能，配水配气均匀。
滤后水经滤后水DN600出水阀进入滤后水溢流，滤后水溢流的溢流出水堰的标高根据滤池内允许的最大水头损失确定。
⑶反冲洗系统
采用长柄滤头配水配气系统和表面扫洗。因“彗星”式纤维滤料比重低须设置不锈钢拦截网板防止滤料损失。配水配气系统由进气管、进水管、气水分配槽、配气配水室、布气孔、长柄滤头组成；表面扫洗则是在V型槽底部的均布小孔，均匀分配表面扫洗水，孔中心线与排污渠堰顶齐平。
反冲洗按先单独气冲洗，再气水同时冲洗，最后单独水冲漂洗的步骤进行。气水反冲洗的均匀性非常重要，也要滤池设计的关键所在。具体措施有如下几点：
①设置气水分配槽，按进水进气端高度大尾端高度小布置，槽侧底部开配水孔，槽侧上部开配气孔，开孔面积及间距按一定的水头损失计算确定，从而使气、水较均匀地进入滤板下的配气配水室。
②滤板底部托梁处设气压均衡槽，平衡托梁两侧的气垫层。
③选择合适开孔率的长柄滤头，使滤池内各点的气压气量及水压水量均一致。
④滤板严格制作安装，水平误差不大于±2mm。
⑤表面扫洗孔及配气孔的标高安装亦须严格控制。
⑷排污系统
排污系统由排污堰、排污渠、排污阀、放空阀、事故溢流堰组成。
排污系统最关键的是排污堰。施工完成后，排污堰堰顶标高各处须一致，否则因过水量不一致而影响反冲洗水的均匀性。
反冲洗伊始，受滤层底部上升水流及反冲洗空气的顶托，整个滤层向上悬浮直至滤料拦截网，空气逸出长柄滤头的滤帽，以连续气泡及气团的形式迅速上升，并且体积不断扩大，接触至已悬浮在上部的滤层后，在悬浮的滤层中穿行，彗星式纤维滤料受到强烈扰动，激烈相互碰撞，在反冲洗气流及水流作用下产生旋转及位移，将附着在彗星式纤维滤料的污泥擦洗脱落，犹如洗衣服时的搓擦；在气水同时反冲洗阶段，彗星式纤维滤料受到更加强烈的扰动，滤料相互碰撞旋转及位移更加剧烈，还产生上下循环的运动，同时脱落污泥上浮排出滤料层；在水反冲洗阶段，主要目的是将滤层中的空气及污泥排除，利于迅速进入新的过滤周期。
反冲洗结束新的过滤周期开始时，反冲洗时悬浮在上部的滤层整体以一定的速度下降，接触至滤板后滤层下部逐渐压实，稳定后，彗星式纤维过滤材料构成的过滤层其空隙率沿滤层高度呈梯度分布，下部过滤材料压实程度高，空隙率相对较小，易于保证过滤精度。整个滤层空隙率由下而上逐渐增大，这种滤层空隙率的分布特性有利于实现高速和高精度过滤。新的过滤周期开始时，由于彗星式纤维过滤材料构成的过滤层尚较松散，滤层空隙率过大，此时过滤精度差，一般宜将初滤水排泄。
（三）工程投资比较
一座150000m3/d规模的砂滤料滤池，过滤面积821m2，滤速7.6m/h，分8格，工程总投资额约900万元，而150000m3/d规模的“彗星”式纤维滤料滤池，过滤面积252m2，滤速24.8 m/h，分4格，工程总投资额约400万元，节约工程投资一半以上，经济效益十分显著。
由于“彗星”式纤维滤料高速滤池占地面积大大减小，大量节约工程投资，对于新建水厂及现有老水厂的技术革新及改造，充分发挥滤池的生产潜力、大大提高滤池的除浊能力、提高水质具有特别重要的意义！
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