长纤维高速过滤器运行特性与动力学研究

论文摘要

纤维滤料以其优良的性能和“理想滤层”的床层结构,在实际应用中显示了巨大的优势,并获得了迅速的发展。论文以自行开发、并获国家发明专利授权的长纤维高速过滤器为对象,通过在净水厂较长期的过滤试验,对其过滤及反冲洗特性进行了系统、深入的研究,通过与其它纤维过滤器运行特性的比较及石英砂过滤器的平行对比试验,论述了长纤维高速过滤器的性能优势,给出了优化的操作条件（过滤和反冲洗条件）,为长纤维高速过滤器的工程应用提供了技术指导。研究结果表明,长纤维高速过滤器在过滤和反冲洗特性上,对比于其它各种深层过滤设备,均具有明显的技术优势:初滤时间短,最长4分钟出水浊度便降至0.2NTU;滤后水质好,有效过滤期内滤出水浊度稳定在0.2NTU以下;过滤周期长、纳污量大,有效过滤期内的截污量在20～30 kg/m3·滤料;水头损失小;反冲洗彻底、反洗水耗低,反洗后残留积泥占滤料重量的比率不超过0.5%;长期运行稳定;同时适用于净水厂源水的直接过滤。长纤维高速过滤器的优良性能,使采用长纤维滤料对净水厂滤池进行改造成为可能,并可产生显著的经济效益。论文还综合试验数据对长纤维高速过滤器的床层结构、滤液浊度和水头损失沿滤层变化及积泥形态学进行了研究,在揭示过滤机理的基础上,采用曳力理论,建立了适用于长纤维高速过滤器的水头损失方程;通过改进Shekhtman和Heeryes-Lerk模型,建立了长纤维高速过滤器的传质效率方程;利用所建动力学方程,对长纤维高速过滤器的运行特性及优化设计进行了模拟计算,证明了模型的可靠性和适用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 研究内容与创新点
• 1.2.1 研究内容
• 1.2.2 本研究创新点
• 1.3 本研究的理论意义与实用价值
• 1.3.1 理论意义
• 1.3.2 实用价值
• 第二章 深层过滤技术和理论发展的历史回顾
• 2.1 引言
• 2.2 传统深层过滤技术的发展
• 2.3 纤维深层过滤技术的发展
• 2.3.1 散堆式纤维过滤器
• 2.3.2 规整式纤维过滤器
• 2.3.3 长纤维高速过滤器理论依据、结构特点与性能优势
• 2.4 深层过滤理论的研究进展
• 2.4.1 深层过滤微观机理研究
• 2.4.2 深层过滤的数学模型
• 2.4.2.1 经验模型
• 2.4.2.2 轨迹分析模型
• 2.4.2.3 网络模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 试验原理、装置和方法
• 3.1 引言
• 3.2 试验原理
• 3.2.1 长纤维高速过滤器运行特性的研究
• 3.2.2 长纤维高速过滤器运行动力学的研究
• 3.3 试验装置
• 3.4 试验方法
• 3.4.1 过滤方式的选择
• 3.4.2 试验内容与过程
• 3.4.3 分析方法和仪器
• 3.4.4 其它辅助性试验
• 第四章 长纤维高速过滤器的运行特性
• 4.1 引言
• 4.2 滤床成熟期
• 4.3 过滤出水水质和有效过滤周期
• 4.4 有效过滤周期内的平均滤速和纳污量
• 4.5 有效过滤周期内的水头损失
• 4.6 反冲洗特性
• 4.6.1 反冲洗方式的选择
• 4.6.2 气、水联合反冲洗条件的确定
• 4.6.2.1 单水梳理
• 4.6.2.2 气、水反冲洗强度对反冲洗效果的影响
• 4.6.2.3 反冲洗后残留积泥对过滤的影响
• 4.6.2.4 单水漂洗
• 4.6.2.5 气、水联合反冲洗操作条件
• 4.6.3 长纤维高速过滤器反冲洗性能
• 4.7 长纤维高速过滤器操作条件优化
• 4.7.1 优化原则
• 4.7.2 操作条件优化
• 4.8 本章小结
• 第五章 长纤维高速过滤器与石英砂过滤器的性能比较
• 5.1 引言
• 5.2 石英砂滤料对比试验装置与方法
• 5.3 试验结果与分析
• 5.3.1 石英砂滤床过滤出水水质和有效过滤周期
• 5.3.2 有效过滤期内的平均滤速和纳污量
• 5.3.3 滤出水化学及卫生学指标
• 5.3.3.1 耗氧量
• 5.3.3.2 氨氮
• 5.3.3.3 亚硝酸盐氮
• 5.3.3.4 细菌总数及总大肠菌群数
• 5.3.3.5 石英砂滤料反冲洗特性
• 5.4 长纤维高速过滤器性能优势分析
• 5.4.1 长纤维高速过滤器的技术性能
• 5.4.2 长纤维高速过滤器的实用性
• 5.4.2.1 净水厂滤池长纤维滤料改造的技术优势
• 5.4.2.2 净水厂滤池长纤维滤料改造的经济效益
• 5.4.2.3 长纤维高速过滤器源水直接过滤的意义
• 5.5 本章小结
• 第六章 长纤维高速过滤器的过滤机理
• 6.1 引言
• 6.2 长纤维高速过滤器床层结构特征
• 6.2.1 清洁滤床床层结构特征
• 6.2.2 长纤维滤床床层结构沿滤程的变化
• 6.3 过滤水质沿滤层的变化
• 6.4 水头损失沿滤层的变化
• 6.5 长纤维高速过滤器积泥形态学的研究
• 6.6.1 长纤维滤料积泥的宏观形态
• 6.5.2 长纤维滤料积泥的微观形态
• 6.5.3 反冲洗后残留积泥形态
• 6.5.4 积泥孔隙率的测定
• 6.6 本章小结
• 第七章 长纤维高速过滤器的运行动力学研究
• 7.1 引言
• 7.2 半经验、半理论研究方法
• 7.3 长纤维高速过滤器水头损失方程
• 7.3.1 单元模型
• 7.3.1.1 滤液流经平行于流动方向排列的纤维床层的水头损失
• 7.3.1.2 滤液流经垂直于流动方向排列的纤维床层的水头损失
• 7.3.1.3 滤液流经三维随机排列纤维床层的水头损失
• 7.3.2 Oseen 模型
• 7.3.3 Brinkman 模型
• 7.3.4 曳力模型水头损失方程简评
• 7.3.5 长纤维高速过滤器水头损失方程的建立
• 7.3.5.1 水头损失方程的理论推导
• 7.3.5.2 过滤过程中床层孔隙率ε和纤维丝径d 的确定
• 7.3.5.3 长纤维高速过滤器水头损失方程的试验关联
• 7.4 长纤维高速过滤器的传质动力学方程
• 7.4.1 物料平衡方程
• 7.4.2 传质速率方程
• 7.4.2.1 传质速率方程的推导
• 7.4.2.2 过滤系数λ影响因素分析
• 7.4.2.3 传质系数方程参数的试验关联
• 7.5 长纤维高速过滤器数学模型的数值计算
• 7.5.1 长纤维高速过滤器过滤过程方程组
• 7.5.2 边界条件
• 7.5.3 方程组的数值解法
• 7.6 长纤维滤床的优化设计
• 7.6.1 长纤维滤床优化设计的任务
• 7.6.2 长纤维滤床优化设计的原则
• 7.6.3 长纤维滤床优化设计的计算
• 7.7 本章小结
• 第八章 结论与建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介