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改性濾料過(guò)濾除鐵過(guò)程中水頭損失增長(zhǎng)的規(guī)律

論文類型 技術(shù)與工程 發(fā)表日期 2001-11-01
來(lái)源 2001年中日水處理技術(shù)國(guó)際交流會(huì)
作者 鄧慧萍,嚴(yán)煦世
關(guān)鍵詞 改性濾料 過(guò)濾除鐵 水頭損失
摘要 本文對(duì)改性游料過(guò)濾除鐵過(guò)程中水頭損失的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,得出廠水頭損失的計(jì)算公式,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

鄧慧萍 嚴(yán)煦世
(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 上海 200092 )

  摘 要:本文對(duì)改性游料過(guò)濾除鐵過(guò)程中水頭損失的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,得出廠水頭損失的計(jì)算公式,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
  關(guān)鍵詞:改性濾料 過(guò)濾除鐵 水頭損失

The Increase of Loss Head in the Process of Iron
Removal though Filtration with Coated-media

Deng Huiping  Yan Xushi
(School of Environmental Science & Technology Engineering of Tongji University SHANGHAI 200092)

  Abstract:Inthis paper,an investigation on the regularities for the increase of loss head in the process of iron removal through filtration with coated-media is carried out, and a formula for calculating loss head is obtained anf verified by the experimental data.
  Key words:coated-media, removal of iron through filtration, loss head

  隨著人們對(duì)用水量要求的日益增加,我國(guó)和世界上的許多城鎮(zhèn)都以地下水作為水源。但地下水中常含有過(guò)量的鐵和錳,需經(jīng)處理才能滿足生活飲用水和工業(yè)用水的要求,所以地下水除鐵是地下水資源開(kāi)發(fā)利用中的重要課題之一。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)最重要的課題是如何強(qiáng)化除鐵工藝過(guò)程,改善初期水的水質(zhì)和縮短濾料的成熟期。
  實(shí)驗(yàn)研究表明[1]:在過(guò)濾除鐵過(guò)程中,使用改性濾料是改善濾料成熟前出水水質(zhì),縮短成熟期的有效方法之一。本文研究的目的,是對(duì)改性濾料過(guò)濾除鐵過(guò)程個(gè)水頭損失的變化規(guī)律進(jìn)行研究,以得到水頭損失的計(jì)算公式,并以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 改性濾料過(guò)濾除鐵過(guò)程中水頭損失的變化規(guī)律

  在改性濾料過(guò)濾除鐵過(guò)程中,濾層中氫氧化鐵沉淀的形成和分布規(guī)律與一般用于水的澄清濾池中沉淀的分布情況是不同的。
  在改性濾料過(guò)濾除鐵過(guò)程中,濾層中形成的氫氧化物沉淀改變了過(guò)水?dāng)嘞蚝涂紫兜膸缀谓Y(jié)合。除鐵過(guò)程的動(dòng)力學(xué)理論表明,隨著濾層中氫氧化合物的形成,增人了其比表面積,導(dǎo)致了水頭損失的增加,即在沉淀物積累的過(guò)程中,濾料層的水流阻力發(fā)生變化,水頭損失增加。
  在濾池工作的任何時(shí)刻,其水頭損失值可以分為二個(gè)部分:初始水頭損失h0和水頭損失的增量△h。在除鐵濾池中,初期水頭損失和用于水的澄清濾池相同,可以用卡曼-康采尼(Carman-Kozony)公式表示:
  
  在改性濾料過(guò)濾除鐵過(guò)程中,水頭損失的增長(zhǎng)規(guī)律不同于水的澄清過(guò)程。水頭損失的增長(zhǎng)與濾層的厚度有關(guān),但是,如果濾層足夠厚,使出水的含鐵量隨著濾層的增厚而不再變化,那么這時(shí)水頭損失的增加將與濾層厚度無(wú)關(guān)[1]。在這種情況下,水頭損失的增加只取決于沉淀物在濾層中的分布情況,這種分布是隨時(shí)間而變化的。
  由改性濾料過(guò)濾除鐵的動(dòng)力學(xué)過(guò)程可以得到,從濾池開(kāi)始工作經(jīng)dt時(shí)段,在單位濾層表面沉積的氫氧化鐵化合物的量為(C0v/k0)dt [2]。
  根據(jù)過(guò)濾除鐵的動(dòng)力學(xué)理論和沉積物在濾層中的淤積情況,可以認(rèn)為,濾層中水頭損失的增加與沉積物量、水的粘滯系數(shù)、濾料顆粒的比表面積(粒徑和孔隙率)成正比,與水的密度成反比,即

  dh=(KpC0S0vμ/k0ρ)dt      (3)

  式中:C0-水中總的含鐵量,mg/l;
     k0-濾層中Fe3+的氧化速率常數(shù),g·cm/h;
     V-濾速,m/h;
     t-過(guò)濾時(shí)間,h;
     ρ-水的密度,g/cm3;
     Kp-量綱系數(shù),Kp=1/3000=0.000287;
     S0-濾料顆粒的比表面積,l/cm.g;
     μ-水的動(dòng)力粘滯系數(shù),g/cm.s;
     h-濾層中水頭損失的增長(zhǎng),m水柱;
  在過(guò)濾除鐵過(guò)程中,濾層中所形成的氫氧化鐵沉淀是多孔介質(zhì),氫氧化鐵的顆粒形狀隨著壓力的變化而改變,顆粒壓縮后,氫氧化鐵沉淀的孔隙率減小,隨著沉淀物的密實(shí),對(duì)水流的阻力增加。
  考慮到這些因素。在方程(3)中引人孔隙率系數(shù)和氫氧化鐵沉淀的比阻,這二個(gè)參數(shù)反映了沉淀物的密實(shí)程度,式(3)可以表示為:

  dh=(KpKnC0S0vμγ/k0ρ)dt      (4)

  式中:Kn-所形成的氫氧化鐵沉淀的孔隙率系數(shù);
     γ-氫氧化鐵沉淀的比阻;
  根據(jù)資料[3],氫氧化鐵沉淀的孔隙率為0.586-0.644,平均值為0.615,那么氫氧化鐵沉淀的孔隙率系數(shù)為

  Kn=m'/(1-m')=0.615/(1-0.615)=1.6     (5)

  在濾層中所形成的氫氧化鐵沉淀的比阻,可以按下列公式確定[4]
    γ=b0+a0hn0                (6)
  式中:b0、a0、n0-常數(shù),由實(shí)驗(yàn)確定;
     h-濾層中的壓力差,m水柱;
  根據(jù)資料[4],a0、n0通常近似于1,所以式(6)可以表示為
     γ=b0+h                (7)
  隨著濾層中壓差的增大,沉淀物的壓實(shí)也就越快,式(7)表明,在壓實(shí)過(guò)程中,除壓差h外,同時(shí)還有其它力起作用,這些力以特征值 b0表示,在γ=f(h)的關(guān)系中,假定 h=0,得到了沉淀物的阻力為b0值,即γ=b0。
  當(dāng)壓力差h=0時(shí),氫氧化鐵沉淀的比阻力1,所以b0=1。因?yàn)檫@一值的大小是不隨水頭損失的增加而變化。所以氫氧化鐵沉淀的比阻可表示為
     γ=1+h                 (8)
  將式(8)和系數(shù)Kp、Kn代入方程(4),得

  dh/(1+h)=(0.00046C0S0vμ/ρk0)dt      (9)

  對(duì)式(9)進(jìn)行積分,得到

  ln(1+h)=(0.00046C0S0vμ/ρk0)t+q      (10)

  式中:q-積分常數(shù);
  當(dāng)t=0時(shí),h=0,得q=ln1 即q=0。
  由此可以得到,計(jì)算除鐵濾池濾層任何時(shí)刻的水頭損失值的表達(dá)式為

  

  式(11)適用于德層厚度足以完成陳鐵過(guò)程的情況。而除鐵濾池的厚度可由除鐵過(guò)程初始條件c=c0e(k0s0/v)L得到:

  L=v(lnC0-lnC)/k0S0     (12)

  如果實(shí)際濾層的厚度小于上述計(jì)算值,則必須考慮濾層厚度的因素,引入比例系數(shù)N:

  N=Lx/L     (13)

  式中:Lx-濾層的實(shí)際厚度,m。
  這時(shí)水頭損失增量的計(jì)算公式為

       (14)

  在濾池工作的任何時(shí)刻t,濾層的水頭損失為

  

  將濾層最大允許水頭損失值Hmax代人式(15),可以計(jì)算出濾池的工作周期

  式(17)即為計(jì)算濾池工作周期的表達(dá)式。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  根據(jù)改性濾料過(guò)濾除鐵的動(dòng)力學(xué)理論,隨著過(guò)濾過(guò)程的進(jìn)行,氫氧化鐵化合物在濾層中沉積使出水水質(zhì)不斷改善。所以,濾池的工作周期是由水頭損失的極限值確定的,即水頭損失是控制濾池工作周期的指標(biāo)。為此,對(duì)不同粒徑的濾料在不同濾速下的水頭損失變化情況進(jìn)行了研究,并對(duì)理論計(jì)算公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。
  這組實(shí)驗(yàn)是在截曲尺寸為30×36mm,濾層厚度為360mm的濾柱中進(jìn)行的,濾料為表面帶有MnO.Fe2O3催化膜的陶粒濾料。
  為了計(jì)算出除鐵濾池中水頭損失增長(zhǎng)的規(guī)律,首先必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算出Fe2+氧化速率常數(shù)k0值,F(xiàn)e2+氧化速率常數(shù)k0可根據(jù)改性濾料過(guò)濾除鐵動(dòng)力學(xué)微分方程的初始條件,即ln(C0/C)=K0(S0/v)L,通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定[2]
  在實(shí)驗(yàn)室的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)于清潔濾層(t=0.己知原水中Fe2+濃度為C0,對(duì)于某一濾層,在一定的工況條件下,可以測(cè)定出水中Fe2+濃度,己知濾速v和濾層厚度x,在單對(duì)數(shù)座標(biāo)紙上,以ln(C0/C)為橫座標(biāo),L為縱座標(biāo),可以得到一條通過(guò)原點(diǎn)的直線,直線的斜率為K0(S0/v),由此可以得到k0值。
  實(shí)驗(yàn)中選用了三種不同粒徑的濾料,二種粒徑分別為 0.2-1.0mm、2.0-3.5mm、3.5-5.0mm。原水中Fe2+濃度為2.64mg/l,水溫為10℃,這時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)為0.0131g/cm.s,濾速分別為8m/h、10m/h、15m/h。實(shí)驗(yàn)條件和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和圖1。

表1.確定k0的實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果 序號(hào) d(mm) S0(cm-1) C0(mg/l) v(m/h) K0(S0/v)L k0 工況1 2.0-3.5 34.02 2.64 8 5.188 1.22 工況2 2.0-3.5 34.02 2.64 10 4.024 1.183 工況3 2.0-3.5 34.02 2.64 15 1.862 0.821 工況4 3.5-5.0 21.71 2.64 8 2.849 1.05 工況5 0.2-1.0 168.89 2.64 8 30.61 1.45

  在單對(duì)數(shù)座標(biāo)紙上,以lnC0-lnC為橫座標(biāo),L為縱座標(biāo),應(yīng)該得到一條斜率為K0(S0/v)的直線,見(jiàn)圖1。

  實(shí)驗(yàn)中測(cè)定了不同工況條件水頭損失隨時(shí)間的變化情況,相同粒徑不同濾速時(shí)水頭損失比較見(jiàn)圖2,同一濾速不同粒徑時(shí)水頭損失比較見(jiàn)圖3。

  對(duì)于粒徑為2.0-3.5mm的濾柱,當(dāng)濾速為8m/h時(shí),水頭損失開(kāi)始時(shí)增加很慢,12h后增長(zhǎng)速度加快,過(guò)濾周期為24h;當(dāng)濾速為10m/h時(shí),水頭損失的增長(zhǎng)速度加快,過(guò)濾周期為16h;當(dāng)濾速增加到15m/h時(shí),水頭損失增長(zhǎng)速度很快,過(guò)濾周期縮短到8h;所以,建議濾速為8-10m/h。
  對(duì)不同粒徑的濾料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),濾速采用8m/h,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.8。當(dāng)粒徑很小(0.25-1.0mm)時(shí),濾后水質(zhì)很好,但水頭損失增加很快,過(guò)濾周期為了8h。當(dāng)粒徑較大(3.5-5.0mm)時(shí),水頭損失增加緩慢,但出水水質(zhì)較差。所以,采用的濾料粒徑為2.0-3.5mm。
  從圖2和圖3可以看出,理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好。所產(chǎn)生的誤差是因?yàn)樵诶碚摴降挠?jì)算中引用了幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù),若對(duì)每一實(shí)際情況這些參數(shù)都能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定,那么所得的計(jì)算結(jié)果會(huì)與實(shí)測(cè)值吻合得更好。

3 結(jié)論

  改性濾料過(guò)濾除鐵過(guò)程中水頭損失增長(zhǎng)規(guī)律不同于水的澄清過(guò)程,任一時(shí)刻水頭損失的增加值可用公式計(jì)算。

參考文獻(xiàn)
  [1]鄧慧萍 改性濾料過(guò)濾除鐵研究,同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào) 1995.8 pp427-431
  [2]鄧慧萍 嚴(yán)熙世 改性濾料過(guò)濾除鐵的動(dòng)力學(xué)模型 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào) 2001.
  [3]貝麗娜.A.M 等,地下水過(guò)濾除鐵 給水雜志(俄文) 1983.22
  [4]Wales S.M. Resistance to filtration Trans. American Inst.Chem.Eng.1964.5

作者簡(jiǎn)介
  鄧慧萍:1964年生,同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,副教授,博士,主要從事水處理理論與技術(shù)研究。

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