深层过滤的微观机理研究（一）

 

同一时期,O’Mclia建议,将深层滤床截留悬浮颗粒的过程分为迁移和附着两个过程来考虑,即悬浮颗粒经过迁移过程到达滤料表面后,再产生附着作用。Ives幡悬浮颗粒在滤层中的去除过程描述为:比滤料孔隙小的固体颗粒在不同的迁移作用下到达滤料表面,然后受不同的吸附机理作用而附着在滤料表面上,从而完成悬浮粒子妁截留。此后,许多研究者将界面化学、胶体化学、物理化学和流体力学的原理引入过滤理论,更新试验方法,从微观的角度研究过滤洵题。海老江邦雄对滤池过滤时悬浮粒子的输送机理、滤料表面电位的影响、滤层结构随过滤进行的演化过程以及截留悬浮物的剥离和再附着过程进行了系统深人的试验研究。Ives也对滤层的截璧现象进行了微观观察和解析。O,Melia从理论上分析了布朗运动、分子扩歙、阻截和沉淀作用在过滤机理中的表现形式。shea等人最早提出了经过化学脱焉的悬浮颗粒可以在滤层间隙中发生混凝,Ives和Vreeken从理论上分析了滤层丰的混凝现象,uson则通过试验予以证实。

 

将上述学者的研究成果进行归纳,系将深层滤床截留悬浮颗粒的过程解释为迁移、附着和脱落三个过程。悬浮颗粒脱离流线与滤料接触的过程即为迁移过程。引起预粒迁移的原因主要有:拦截、沉淀、惯性、布朗运动及水力作用等。滤料的尺寸、彤状,滤速,水温及悬浮颗粒的粒径、形状和密度等均对迁移的机理产生影响,亦即下同情况下,引起迁移的上述几种原因所起的作用不同。到达滤料表面的颗粒,在物理化学力的作用下黏附于滤料表面而从水中除去的过程即为附着过程。这些力包括范德华引力、静电力、化学键和化学吸附等,而引起颗粒附着的因素主要有:接触凝聚、静电吸引1吸附和分子引力。在颗粒黏附的同时,还存在由于孔隙中水流的剪切力作用引起的黏附颗粒从滤料表面脱落的趋势,黏附与脱落的程度往往决定于黏附力和水流剪应力的相对大小。随着过滤进行,悬浮颗粒的不断黏附,滤料间的孔隙逐渐减小,水流速度加快,水流剪力增大,最后黏附的颗粒由于黏附力较弱,就可能优先驳落。脱落的颗粒以及没有黏附的颗粒会被水流挟带向下层推移,下层滤料的截留作明渐次得到发挥。

 

悬浮颗粒依据上述机理从水中传输到滤料表面,并附着在滤料表面,形成具有一定形态结构的积泥,积泥使滤料表面及床层孔隙结构发生改变,从而导致滤床的过滤效率和水头损失的变化。因此,对积泥形态结构的合理描述是认识深层过滤的基础,雨对积泥结构形态进行不同的抽象化处理,构成了各种描述过滤过程数学模型的出发点,也是建立合理的过滤数学模型的先决条仵。然而,由于过滤过程的复杂性,目前尚无法从理论上定量描述积泥对过滤过程的影响,而只能定性或半定量地处理。对水的过滤积泥形态学的研究很早就开始了,Baylis做了开拓性的工作,Ives和Ison等对不同流速、不同悬浮物微粒大小时的积泥形态学进行了研究;Mar。udas和Elsenklam研究了不同过滤情况下滤层结构随过滤过程的变化,Yao的试验也观察到了相同的情况,上述学者的研究成果促使了其他学者对过滤过程积泥形态和孔隙通道变化的研究。Tien和Payatakes在研究纤维丝气体除尘过滤时,提出了“树枝”状构形,并由此推导出过滤效率和阻力公式;1977年,Tien详细研究了颗粒状“树枝”的生长机理,提出了其后被普遍采用的术语——影子效应,Tien和Payatakes对1979年以前的深层过滤积泥形态及其对过滤特性影响的研究进行了较详尽的概括和总结。近年来,高新技术也被用于过滤积泥形态学的研究:Payatakes等采用光学蚀刻技术,在玻璃片上蚀刻出类似实际石英砂滤床中尺寸大小的孔隙通道,用2um的乳胶悬浊液进行过滤试验,同时使用配有照相机、电视监视器的显微镜直接观察,并用录像机录像,对几种不同的pH值和化学药剂用量的过滤过程及积泥形态进行观察;Ives首次使用光导纤维内窥镜直接插人石英砂滤柱内,现场观察石英砂内部的过滤过程,内窥镜直径6~8mm,可进行45°~180°角度的观察，视场范围达5~10个砂粒,悬浮粒子通过视场的时间达1s,用电视监察器观察积泥形态,用照相机或录像机记录;周北海借助扫描电子显微镜对纤维球-砂过滤积泥形态进行了研究。

 

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