流砂过滤器应用研究

论文摘要

过滤是污水处理中的关键环节。本文针对传统过滤器滤料反冲洗不彻底、滤层易堵塞、需停机反冲洗等缺陷,开发了一种连续清洗滤料的过滤器——流砂过滤器。这种过滤器的滤料是连续运动的,污染物不会堵塞滤层,气、水清洗滤料使滤料始终保持清洁,可以通过连续清洗滤料使过滤器连续运行而无须停机反冲洗。本文依据过滤原理及流体动力学理论,通过自主设计,然后进行实验研究和数值模拟,获得了合理的运行参数范围并对设计提出了改进建议。本文对流砂过滤器的结构进行了创新。将布水器支管上的小孔均匀布置,不仅使原水在过滤器横截面上均匀分布,而且使滤层空间可以得到最有效地利用,从而降低了过滤器的高度;旋流入口洗砂器更有利于砂、水彻底地分离;喷嘴水平放置解决了过滤器停机后易堵塞的难题。通过实验,得出了流砂过滤器合理的运行参数范围:最优的提砂管直径为28mm;空气压力为0.3MPa时,提升装置的性能最稳定;压缩空气量为0.25～0.80m3/h时,提砂管中流态为节涌流,提砂效果最好;所选用滤料的最佳循环速率应为7～9mm/min;洗砂器的长度对洗砂效果有较大的影响,设计时应保证洗砂器的长度能够满足滤料与附着物充分分离;进水浊度对过滤效果的影响较大,当入口污水浊度较低时,通过流砂过滤器一次处理污水即可回用,当入口污水浊度偏高时,仅用单台流砂过滤器进行处理难以达到污水处理指标。通过FLUENT模拟过滤器内的流场和压力分布发现,流场在滤层中分布比较均匀,而在布水器中由于流速梯度较大,流场呈不均匀分布。压力的分布特点与流场相似。由于过滤器内的流场与压力分布不均匀影响了过滤性能,需要对过滤器的结构参数进行修改。将进水管管径增大并采用曲率较大的弯管作为进水管,增大布水器支管上的小孔直径。另外,需要延长洗砂器的排砂管长度。模拟中,应用DPM模型对污水中的悬浮物进行追踪,观察到了颗粒的运动轨迹,并计算出理想的过滤效率为88.5%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外技术现状及发展趋势
• 1.3 研究内容
• 第二章 流砂过滤器的设计
• 2.1 过滤机理
• 2.1.1 两阶段理论
• 2.1.2 表面过滤与深层过滤
• 2.1.3 滤料选取
• 2.1.4 滤器内数学模型
• 2.1.5 滤层阻力
• 2.2 流砂过滤器总体设计
• 2.3 布水器设计
• 2.4 洗砂器设计
• 2.5 提砂系统设计
• 2.5.1 提砂管设计
• 2.5.2 提砂管管径的确定
• 2.6 本章小结
• 第三章 实验测试
• 3.1 实验装置
• 3.2 实验测试仪器与测试方法
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 提砂装置提砂量测定
• 3.2.3 流砂过滤器进水、出水流量测定
• 3.2.4 压缩空气流量测量
• 3.2.5 砂循环速率测定
• 3.2.6 浊度测定
• 3.3 提砂装置性能实验
• 3.3.1 提砂管内流型的确定
• 3.3.2 流砂过滤器层流过滤状态与过滤停止状态提砂量的对比
• 3.4 洗砂器性能研究
• 3.4.1 提砂量、冲洗水量和过滤进水量的相互关系
• 3.4.2 液位差对冲洗水量的影响
• 3.5 过滤性能实验
• 3.5.1 过滤水流量的确定
• 3.5.2 砂循环速率对过滤性能的影响
• 3.5.3 进水量对过滤性能的影响
• 3.5.4 原水浊度对过滤性能的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 数值模拟
• 4.1 数学方程与物理模型
• 4.1.1 数学方程
• 4.1.2 物理模型
• 4.2 网格划分
• 4.2.1 几何模型的建立
• 4.2.2 网格划分
• 4.3 数学模型
• 4.3.1 材料物性和重力影响
• 4.3.2 边界条件设置
• 4.3.3 解算器格式
• 4.4 不同流速对压力分布的影响
• 4.5 不同流速对流场分布的影响
• 4.5.1 不同流速对布水器支管小孔流量的影响
• 4.5.2 过滤器内流场分布状况
• 4.5.3 过滤器内各点的速度分布状况
• 4.6 颗粒追踪
• 4.6.1 边界条件设置
• 4.6.2 颗粒跟踪与捕捉
• 4.7 本章小结
• 第五章 结论
• 5.1 论文结论
• 5.2 改进建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢