纖維球高效過濾系統在污水回用中的應用

    污水回用與資源化是實現我國水資源可持續發展的重要途徑。本文系統地介紹了纖維球濾料的發展現狀，重點論述了纖維球高效過濾系統的組成、特點及在污水回用中的應用實例。

    社會的進步和經濟的發展給全球資源、環境都帶來了巨大的壓力。人類自身的生存發展不僅消耗大量的水資源，而且還向環境中排放的污染物質，造成水環境的明顯惡化，使全球可利用的淡水資源日益減少。污水回用與資源化是解決缺水問題*為簡單、經濟的一種途徑。

    過濾是污水回用深度處理的重要處理單元，是污水回用保證再生水水質的關鍵過程。其目的在于進一步去除廢水二級處理后的生物絮體和膠體物質，降低出水的BOD、COD值，顯著降低出水的懸浮物含量和濁度、重金屬、細菌等。高效過濾材料與技術的應用，能夠顯著提高回用水的水質與綜合利用率，降低城市與工業的排污總量，并推動水資源可持續利用的發展。

    1 纖維球高效過濾技術

    1.1過濾技術的發展

    一百多年來，人們不斷探索研究高效的過濾工藝以取得更好的濾后水質，研究成果表現在以下幾方面：

    1）對過濾機理進行了探索研究，創立了各種過濾理論模式。

    2）濾池型式和水流方向發展多樣化。

    3）濾料由傳統的石英沙濾料為主改進到多種介質，如無煙煤、磁鐵礦、石榴石，以及顆粒活性炭、塑料珠、陶粒濾料等。濾料組成有單層濾料、雙層濾料和多層濾料。

    然而，縱觀過濾技術的發展歷史，有兩點基本沒有改變：一是普通快濾池為代表的基本構思沒有取得突破性的(質的)進展，快濾池通過加大濾料粒徑，提高了濾速，發揮了深層濾床的過濾能力，但是，通過水力反沖洗之后，使得砂層的粒徑分布隨過濾水流（自上而下）逐漸增大。這樣，上層濾料的粒徑*細，空隙*小，懸浮雜質在濾層中的分布主要集中在上層，尤其是表層，表層孔隙容易堵塞，濾層阻力迅速上升，周期縮短，下層部分濾料仍然沒有發揮作用，雙層及多層濾料雖然從濾床總體上實現了反粒度過濾，但就每一單濾料層依然如故，不能發揮整個濾床的截污能力，這是傳統過濾技術的*大缺陷。二是以石英砂濾料為代表的傳統顆粒濾料的主導地位沒有改變。顆粒濾料的主要缺點是濾床孔隙率小，濾料比表面積小，濾床截污量低，反沖洗時，濾料容易流失。

    1.2 纖維球濾料的發展及特點

    1982年日本尤尼奇卡公司將人工合成纖維絲制成絨球作為濾料，用聚脂纖維作成球或扁平橢圓體，用于水的凈化處理，取得很好的效果。纖維球具有水頭損失小，濾速高，截泥量大等優點，但這種纖維球的纖維絲卷曲纏結在一起，形成的球比較硬，纖維球形成的濾床具有顆粒床結構特點，球與球之間無聯系，空隙較大，容易穿透。反沖洗時，纖維球內部積泥很不容易反沖洗干凈。

    中國清華大學于1983年創造了有自己特色的纖維球，這種纖維球由中心結扎而成，密實度由中心向周邊遞減，濾料層空隙率達90%以上，其主要特性如下：

    1） 纖維球呈柔性，孔隙可變，過濾時受工作壓力、上層截泥和濾料自重的影響，形成上疏下密的理想濾層分布狀態，可充分發揮出濾料深層的截污能力。

    2） 與砂子、無煙煤、陶粒等濾料相比，纖維球濾料具有濾速高、截泥量大、工作周期長等優點。

    3） 纖維球濾料在污水處理中（污水直接過濾、一級處理后過濾與二級處理后過濾）能發揮其特點。在同樣過濾水量時，采用纖維球濾料可以提高濾速，從而節省過濾設備的容量，節省投資。

    近20年來，中國和日本相繼展開了纖維濾料研究的熱潮。例如日本于1986年研制了卷縮纖維中心結扎纖維球，與中國的纖維球相似，但卷縮絲的加工難度大。1992年又制成棒狀纖維濾料，幾乎不能反洗，只能用于特殊行業，作為一次性使用。采用纖維長絲束狀濾料的典型代表有中國東北電力學院研制的帶膠囊與不帶膠囊的擠壓式過濾器以及江漢研究所研制的靠機械壓蓋上下擠壓的纖維絲過濾器，存在設備結構復雜、造價高，操作不便等問題。

    1998年，清華大學又推出彗星式纖維濾料，這種不對稱構型濾料具有一定的優勢，例如進一步減少了濾料的“死”區（濾料過分緊密，反沖洗時纖維無法散開，從而使其間截留的懸浮物難以脫落），反洗時，由于彗核和慧尾纖維的密度差，慧尾纖維隨反沖洗水流散開并擺動，產生較強的甩曳力和相互碰撞，有利于過濾材料的洗凈。但是也存在慧尾易結團，慧核溶結材料與濾料本身材質不一樣，牢固性需要經受長時間的考驗。

    1.3 纖維球高效過濾系統

    纖維球高效過濾系統包括新型纖維球濾料和纖維球過濾器兩大類產品系列。

    1）新型纖維球

    纖維球分普通纖維球和改性纖維球兩類，產品形式包括球形、扇形、紡錘形。纖維球具有水頭損失小、濾速高、截泥量大、孔隙率高、濾料不會漏失、濾層不會板結等特點。適用于過濾設備用濾料（過濾介質），以及纖維球等濾料的更換或替代。

    （1）新型機制纖維球濾料的制造

    纖維球濾料于20世紀80年代中期由清華大學發明以來，中國水處理界普遍推廣應用，受到廣大用戶的好評。但是目前的纖維球濾料還是手工制作，制作成本高，產品質量不均一，影響了纖維球濾料的推廣應用。機制纖維球濾料將大大降低纖維球濾料的生產成本，同時延長了濾料的使用壽命。

    纖維球濾料的機制化實現了從手工制球到機械化制球的轉化，其原理是利用機械加熱的方法，熔化人工纖維絲束使之固結，制成纖維濾料。與人工結扎相比，加熱固結不易松散，濾料不會損失。

    扇形纖維球濾料在制備過程中采用焊接，使振動能介入焊點，核面處產生每秒鐘2萬次高速摩擦，使接面區域瞬間產生高熱而使纖維絲本身熔合，因此焊點熔結牢固，而且體積小，使“死區”減到*小。扇形長寬適度，纖維絲之間不會繞結團，具有不對稱結構濾料優點，反洗徹底。

    （2）纖維球的親水疏油改性

    在含油污水的處理中，纖維球濾料具有較好的除油能力。但由于纖維球表面極強的親油性，使其吸附油后不能沖洗干凈，阻礙了纖維球濾料在含油污水過濾處理中的推廣應用。對纖維球表面進行親水疏油改性可解決此問題。改性后的纖維球濾料與含油污水接觸時，先與水分子進行接觸，在纖維球表面形成一層水的保護膜，反沖洗時很容易被水沖洗下來。新型防油改性纖維球不僅具有較好的除懸浮物、除油效果，而且不會漏失，濾層不板結。該產品已成功地應用于油田回注水處理與濕法煉銅萃取工藝中萃取液及電胄液的脫油處理。

    2）纖維球過濾器

    纖維球過濾器分為高效過濾器和精密過濾器兩類，其主要性能指標為：濾速15-30m/h，過濾周期8-24h，水頭損失3-10m，截污量6-20kg/m3，設計壓力0.6MPa，反沖采用機械攪拌或氣水反沖，水反沖強度10L/s•m2，氣反沖強度30 –45L/s•m2，反沖歷時10-30min，懸浮物和油去除率82-95%。

    （1）纖維球高效過濾器

    纖維球高效過濾器內裝纖維球濾料（或改性纖維球濾料），它比多介質過濾器的過濾速度快2～3倍，截污能力是多介質過濾器的2.7倍，出水水質要高出1～2個數量級。纖維球高效過濾器具有濾速高、截污量大、工作周期長、懸浮物去除效果好等特點。該系統適用于水廠給水與改造工程、工業循環水供水、污水回用等工程的快速過濾處理。在相同處理能力條件下，采用纖維球過濾器投資和運行管理費用*低。

    （2）纖維球精密過濾器

    纖維球精密過濾器采用濾層壓縮電機帶動可移動專用多孔篩板，實現纖維濾層的壓縮，以保證過濾器運行時的過濾精度。通過機械壓縮來調節不同的壓縮比來實現不同的過濾精度。纖維球精密過濾器*高過濾精度為≤1微米，達到微濾膜水平，這徹底解決了低滲透油田的精密過濾難題，在油田回注水工程應用結果都滿足低滲油田注水水質的要求。可壓縮纖維球過濾提高了纖維球過濾技術的精度，對來水適應范圍更廣，在精密過濾領域可替代微濾膜技術，在膜法水處理中可用于反滲透或納濾或超濾膜的預處理。

    綜上所述，纖維球高效過濾系統的技術特點在于：獨特扇形結構，機械化制球使用壽命長；可用于含油污水處理；過濾精度高，達到微濾膜水平；自動化程度高；初期投資成本及運行費用低，系統穩定可靠。

    2纖維球高效過濾系統的應用

    2.1 應用范圍

    1）在污水回用中的應用

    污水回用是將廢水深度處理，從新用于生活或工業生產，這樣不僅可以減小新鮮水的用量，還能降低污水排放總量。根據污水回用的目的不同，可采用不同的工藝流程。

    （1）對于市政雜用水，因其對水質要求較低，可采用如下工藝：

    二級處理出水→兩級生物陶粒→纖維球高效過濾器→回用

    （2）對于工業循環水和工藝用水，要求水中雜質含量較低，可采用如下工藝：

    二級處理出水→混凝→纖維球高效過濾器→纖維球精密過濾器→回用

    2）在反滲透預處理中的應用

    反滲透系統對進水水質要求很高，因而需進行預處理。常用的預處理工藝有：混凝沉淀、多介質過濾、微濾、超濾等。也可用纖維球精密過濾系統對來水進行預處理：二級處理出水→混凝→纖維球高效過濾器→纖維球精密過濾器→抗污染反滲透系統→回用

    3）在油田回注水處理中的應用

    油田含油污水經處理后用于回注，是較好的處理方法。纖維球高效過濾系統在對回注水中油、懸浮物及顆粒粒徑的控制有很好的效果。其典型工藝為：

    含油污水接受罐→加藥系統→壓力除油器（或混凝除油罐）→改性纖維球高效過濾器（一級或二級）→改性纖維球精密過濾器→注水

    3 結論

    隨著纖維球濾料機制化和改性技術的發展，以及高精度過濾器的出現，使得纖維球高效過濾系統能夠代替微濾膜等精密過濾技術，在工業廢水的深度處理、城市污水回用、反滲透膜系統的預處理和油田回注水處理等方面具有廣闊的應用前景。

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