深层过滤的微观机理研究（二）

由于纤维球可方便地从床层中取出并能基本上保持其积泥形态不变,故可方便地用高倍数的扫描电子显微镜对其进行观察和研究。纤维球积泥形态的研究结果对其他纤维过滤器数学模型的建立也具有指导意义。借助于扫描电子显微镜可清楚地观察到,在过滤初期和床层上部的纤维球中存在着明显的“阴阳面”现象,纤维球“阳面”积泥比较多,而“阴面”积泥比较少,甚至几乎没有积泥。纤维球密实度越大,单个纤维球所含纤维丝越多,“阴阳面”现象越显著。导致这一现象的原因是由于床层上部纤维球首先积泥,尤其是粒径较大的悬浮粒子易于沉积于纤维球“阳面”;加之,纤维球床层上部孔隙分布不均匀,球与球之间的孔隙较大,造成一定程度的“沟流”。在过滤的中间阶段和床层的深处,纤维丝上的积泥基本上呈均匀壳层结构,形如一个“鞘套”。究其原因,在床层深处,纤维球堆积得比较紧密,床层横断面孔隙分布比较均匀,因而单根纤维丝上的积泥“阴阳面”现象持续时间较短,随着积泥的不断增加,其在纤维丝上的分布逐渐变得比较均匀,“鞘套”不断加粗。许多研究人员在研究纤维滤料过滤并建立数学模型时,都假定积泥在滤料表面呈均匀分布,上述研究结果说明这一假设有其客观基础。另外,在纤维球床层中,纤维丝相互交错形似“网”状。研究发现,纤维丝交叉点处截留悬浮粒子的能力比单根纤维丝大,积泥量比较多,在过滤后期,容易形成类似滤布的“内部滤饼过滤”,导致床层局部堵塞,床层水头损失急剧上升,使过滤周期缩短。但纤维球过滤的堵塞机理与颗粒滤料过滤不同,文献E77彐研究发现,表层砂积泥呈滤饼状,而深层砂滤料堵塞现象首先发生于喉管最细处,此堵塞处上下成为盲区或称滞水区,故在建立砂过滤数学模型时,假设砂滤床孔隙通道为喉管状是有其客观基础的,而纤维滤料截留机理以狭窄管模型较为合理。

    纤维球滤料上纤维丝积泥层宏观上是均匀的,微观上是不均匀的,按“影子效应”作用机理,在理想情况下,在滤料上形成类似“树枝”状的积泥结构。但在纤维球滤层中,特别是下层和过滤后期,由于积泥层所受水流剪应力作用比较大,使积泥形成的比较长的“树枝”容易塌折,因此,界用扫描电子显微镜进行观察时,发现纤维丝上的积泥多以抗剪切强度比较高的“毛刺”的形态存在。

 

文献借助扫描电子显微镜对纤维束积泥形态进行了研究,发现纤维丝上的积泥基本上呈均匀壳层结构,进一步验证了在建立纤维滤料过滤数学模型时,假设积泥在滤料表面呈均匀分布有其客观依据。此现象出现在过滤的中前期。在过滤后期,床层孔隙中积泥较多,通过观察积泥的表面,发现有许多“蛀孔”似的洞,同时可见截留颗粒之间的孔隙通道,在局部堵塞时,堵塞的积泥层上仍有水流通过这些“蛀孔”流过,称之为渗透流,渗透流中的悬浮粒子无论大小都被全部截留下来。由积泥的表面构特征和横截面结构特征还观察到,积泥本身有一定大小的孔隙率。文献还报道了采用扫描电镜图像分析技术和分形几何理论对积泥形态结构的研究,并以平均分维数来定量表征积泥的形态结构,但积泥结构的分维数与过滤效率和过滤阻力的定量关系还有待进一步深入系统的研究。

 

在对滤层本身进行研究的同时,一些学者还对悬浮颗粒性质对过滤过程的影响进矸了研究。Cookson和Yao通过各自的研究发现,悬浮颗粒的粒径分布对过滤效果影响很大,粒径接近1um时,滤床的截留效率最低。这一结论为O’Melia的系刊试验所证实。

 

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