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滤料在过滤工艺中的应用

时间:2021/05/11点击:

在常规水处理过程中,过滤一般是利用粒状和非粒状滤料对流动水流中的悬浮颗粒施加一定的限制,而流动的水流继续向前流动,将悬浮物抛弃使水获得澄清的工艺过程。

水流自上而下通过滤料层时,水中颗粒的运动过程可分为三个阶段:

第一阶段为颗粒迁移,被水流携带的颗粒由于拦截、沉淀、惯性、扩散、水动力等物理力学作用,脱离水流流线向滤料颗粒表面靠近;

第二阶段为颗粒黏附,由于物理化学作用,水中悬浮颗粒被黏附在滤料颗粒表面上,或黏附在滤料表面原来黏附的颗粒上;

第三阶段为颗粒脱落,在黏附的同时,已黏附在滤料上的悬浮颗粒在水流剪切力的作用下重新进人水中,被下层滤料截留,避免了污泥局部聚积,使整个滤料的截污能力得以发挥。

因此,过滤主要是悬浮颗粒与滤料颗粒之间黏附作用的结果,过滤机理可以归纳为以下三种作用。

一是阻力截留。当原水自上而下流过粒状滤料层时,粒径较大的悬浮颗粒首先被截留在表层滤料的空隙中,从而使此层滤料间的空隙越来越小,截污能力变得越来越高,结果逐渐形成一层主要由被截留的固体颗粒构成的滤膜,并由它起主要的过滤作用。这种作用属于阻力截留或筛选作用。筛选作用的强度主要取决于表层滤料的最小粒径和水中悬浮物的粒径,并与过滤速度有关。悬浮物粒径越大,表层滤料粒径和滤速越小,就越容易形成表层筛选膜,滤膜的截污能力也越高。

二是重力沉降。原水通过滤料层时,众多的滤料表面提供了巨大的沉降面积。水中颗粒由于自身的重力作用或惯性作用而脱离流线被抛向滤料表面。重力沉降强度主要与滤料直径和过滤速度有关。滤料越小,沉降面积越大,滤速越小,则水流越平稳,这些都有利于悬浮物的沉降。

三是接触絮凝。由于滤料具有很大的表面积,它与悬浮物之间有明显的物理吸附作用。此外,砂粒在水中常带有表面负电荷,能吸附带正电荷的铁、铝等胶体,从而在滤料表面形成带正电荷的薄膜,并进而吸附带负电荷的黏土和多种有机物等胶体,在砂粒上发生接触絮凝。在大多数情况下,滤料表面对尚未絮凝的胶体还能起到接触碰撞的媒介作用,促使凝聚过程发生。

在实际过滤过程中,上述三种机理往往同时起作用,只是依条件不同而有主次之分。对粒径较大的悬浮颗粒,以阻力截留为主,由于这一过程主要发生在滤层表面,通常称为表面过滤。对于细微悬浮物,以发生在滤料深层的重力沉降和接触絮凝为主,称为深层过滤。

均粒石英砂滤料有过滤周期长、滤后水质好、过滤水头损失增长小的优点,能较好地克服表面堵塞,从而充分提高过滤效率,气水反冲洗效果好。目前,一般污水处理厂的滤料大多采用普通石英砂滤料,也有部分陶粒滤料和无烟煤滤料。但由于这些滤料本身具有局限性,如其比表面积有限、中性条件下表面带负电荷或不经济性,人们通过在石英砂滤料表面附着不同功能的物质来改善石英砂滤料表面的性质。

石英砂改性滤料是在普通石英砂滤料表面通过化学反应涂上一层改性剂(通常为金属氧化物和氢氧化物),从而改变原滤料颗粒表面的物理化学性质,以提高滤料对某些特殊物质的吸附能力,达到改善出水水质的目的。

改性石英砂滤料在重金属离子、水中阴离子型有害物质及水中有机物和微生物的过滤去除方面都取得了一些试验研究成果。

①去除细菌、浊度。William P.Johnson 和Brvce.E.logon研究了改性滤料对细菌的吸附效果,认为由于细菌带负电,表面涂以氧化铁的石英砂改性滤料优于未涂石英砂滤料和表面沉淀了有机物的石英砂滤料。

②去除铁、锰。乌克兰基辅建筑工业大学的一个课题组研究发现,在铁、锰的去除过程中,使用改性滤料是改善滤料成熟前出水水质,缩短成熟期的有效途径之一。

③去除铜、锌。中国台湾大学在石英砂上涂以硝酸铁溶液,可以去除进水中含铜离子浓度0.64~3.2mg/L。同济大学高乃云教授分别用氧化铝涂层砂和氧化铁涂层砂去除水中的金属锌,发现pH值大于9时,涂铝砂除锌率达100%。

④去除砷、硒、氟。日本ShigeruMaeda等用氢氧化铁改性石英砂有效地去除了五价砷。中国台湾Wen-huiKuan等在各种pH值条件下进行四价和六价硒的去除,硒的去除率.随pH值的减小而增加,但对四价硒的去除效率明显比六价硒高。同济大学高乃云教授用氧化铁涂层去除水中的氟、砷,发现低pH值时,涂铁砂能非常有效地去除水中的氟和砷。

⑤去除镉、铬和氰化物。印度工业学院Jiban K.Satpathy将石英砂滤料涂以硝酸铁,分别在不同的pH值条件下从镀镉、铬废水中去除镉、铬和氰化物。

⑥去除有机污染物。YujungChang和ChiWangLi用表面涂铁的石英砂和橄榄石去除天然有机物,发现去除效率直接和涂在滤料表面的改性剂的量有关,并随着溶液pH值的降低而增强。他们还指出这种滤料的比表面积是未涂层滤料的40~50倍。

以天然陶土为主要原料,掺加适量的化工原料,可以生产出一种较理想的水处理滤料一球形轻质陶粒。用于曝气生物滤池处理城市污水的试验表明,这种滤料具有很高的处理效率,具有强度大、孔隙率大、比表面积大、化学稳定性好、生物附着力强、挂膜性能良好、水流流态好、反冲洗容易进行的优点。

近年来多孔陶瓷滤料用于废水处理也已发展起来。由于多孔陶瓷特殊的结构,当滤液通过时,其中的悬浮物、胶体物和微生物等污染物质被截留在过滤介质的表面或内部,同时附着在污染物上的病毒等也一起被截留。该过程是吸附、表面过滤和深层过滤相结合的过程,且以深层过滤为主。表面过滤主要发生在过滤介质的表面,多孔陶瓷起一种筛滤的作用,大于微孔孔径的颗粒被截留,被截留的颗粒在过滤介质表面产生架桥现象,形成了一层滤膜。深层过滤发生在多孔陶瓷内部,由于多孔陶瓷孔道的迂回,加上流体介质在颗粒表面形成的拱桥作用、惯性冲撞的影响,过滤精度有所提高。