基于逾滲理論的深床過濾過程研究.pdf

1、以砂濾為代表的深床過濾是工業(yè)上傳統(tǒng)的過濾操作，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，過濾效果好，運(yùn)行費(fèi)用低，在水處理領(lǐng)域被廣泛采用。為了深入了解深床過濾機(jī)理，并指導(dǎo)過濾工藝的設(shè)計(jì)和操作，人們建立了眾多深床過濾理論。它們主要通過研究過濾濾料間隙中懸浮顆粒的沉積來建立出水濁度的宏觀經(jīng)驗(yàn)公式，沒有揭示過濾的微觀過程和本質(zhì)。
　　針對(duì)隨機(jī)Voronoi網(wǎng)格與深床過濾濾料孔隙結(jié)構(gòu)相似性、以及逾滲模型中的逾滲過程與深床過濾中懸浮顆粒堵塞孔道過程的相似性，基于逾滲理論

2、建立了截留機(jī)制主導(dǎo)的深床過濾微觀模型，并通過逾滲理論分析、小試實(shí)驗(yàn)、深床過濾的數(shù)值模擬對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證分析，最后給出了兩個(gè)該模型在實(shí)際工程中應(yīng)用實(shí)例。
　　由于現(xiàn)有理論對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解釋存在缺陷，而逾滲模型與過濾過程又非常類似，因此，基于逾滲理論分析建立了宏觀過濾系數(shù)λ與微觀參數(shù)如孔徑分布（pore size distribution，PSD）、懸浮物粒徑（rs）和有限集團(tuán)分布函數(shù)ns(p)間的關(guān)聯(lián)公式。針對(duì)各種網(wǎng)格的座逾滲研究了

3、ns(p)的統(tǒng)計(jì)行為，并建立描述ns(p)的方程log[ns(p)]=a(p)·s+b(p,d)·logs+c(p,d,z)，研究了方程系數(shù)和占據(jù)比例p，網(wǎng)格維度d以及網(wǎng)格配位數(shù)z之間的關(guān)系。結(jié)合ns(p)的結(jié)果得到了截留機(jī)制下過濾系數(shù)與微觀參數(shù)的逾滲過濾模型，即λ=K(1-fl*)β。基于過濾集團(tuán)結(jié)構(gòu)的細(xì)致分析獲得了歸一化出水懸浮物濃度(Ce/C0)的計(jì)算公式。對(duì)于冪律公式以及基于過濾集團(tuán)結(jié)構(gòu)分析的公式，PSD是個(gè)非常關(guān)鍵微觀參數(shù)，P

4、SD參數(shù)對(duì)兩公式的敏感性分析表明，前者隨μ的增加將導(dǎo)致冪指數(shù)的衰減，而σ的增加將導(dǎo)致冪指數(shù)的增加；后者隨著μ的增加，預(yù)測(cè)Ce/C0對(duì)于同樣大小rs是增大的，隨著σ的增加，預(yù)測(cè)Ce/C0對(duì)于同樣大小rs是減小的。
　　為驗(yàn)證模型，建立了一個(gè)截留機(jī)理主導(dǎo)的深床過濾小試裝置，使用不同的單分散的懸浮物顆粒通過玻璃珠堆積形成的多孔濾料柱并監(jiān)測(cè)進(jìn)出水懸浮物濃度。通過3種方法即堆積法，基于笛卡爾理論的Monte Carlo拉丁超立方抽樣法和基于

5、平行管模型（parallel tube model，PTM）的方法估計(jì)了多孔濾料的孔徑分布，并用現(xiàn)有的理論如經(jīng)典過濾理論，平行管模型等理論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明它們預(yù)測(cè)出水濃度與實(shí)驗(yàn)值一致，但擬合的兩個(gè)孔室間的平均距離遠(yuǎn)大于平均孔徑和濾料顆粒的粒徑，這與實(shí)際情況不符。采用目前的網(wǎng)格模型預(yù)測(cè)出水濃度也與實(shí)驗(yàn)值也不相符。對(duì)于本文的理論模型，采用小試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符。
　　為了

6、進(jìn)一步驗(yàn)證逾滲過濾模型，并考查微觀參數(shù)的作用機(jī)制，建立了截留機(jī)理主導(dǎo)過濾過程數(shù)值模擬模型，研究了一些模擬參數(shù)如網(wǎng)格類型，網(wǎng)格配位數(shù)z，PSD，粒子捕捉機(jī)制等對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響，尋求最優(yōu)模擬條件。研究發(fā)現(xiàn)通過網(wǎng)格模擬獲得的不同尺寸rs對(duì)應(yīng)Ce/C0符合前面的冪律公式。PSD參數(shù)相同時(shí)，同一網(wǎng)格的最小捕捉機(jī)制下模擬數(shù)據(jù)擬合的冪指數(shù)大于最大捕捉機(jī)制，不同網(wǎng)格同一尺寸rs對(duì)應(yīng)的Ce/C0和擬合的冪指數(shù)隨著z的增加而增加，這種趨勢(shì)在最小捕捉機(jī)制

7、中更明顯。PSD參數(shù)相同時(shí)，模擬參數(shù)如網(wǎng)格類型，網(wǎng)格配位數(shù)z，粒子捕捉機(jī)制對(duì)數(shù)值模擬影響對(duì)最終可歸結(jié)為總捕捉概率。PSD參數(shù)變化將會(huì)改變通道流量和通道類型權(quán)重，由此來影響網(wǎng)格上過濾過程數(shù)值模擬結(jié)果。當(dāng)采用合適模擬條件，模擬的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。對(duì)于本文的實(shí)驗(yàn)條件下模擬，考察了多種2D和3D網(wǎng)格，結(jié)果表明模擬條件采用最大捕捉機(jī)制，網(wǎng)格BCC網(wǎng)格（z=8），PSD使用PTM方法來估計(jì)，模擬的歸一化出水懸浮物濃度和冪指數(shù)（0.878±0.

8、031）與實(shí)驗(yàn)值（0.872±0.278）基本一致。
　　最后，將逾滲過濾模型用于實(shí)際工藝中濾料過濾效果預(yù)測(cè)，判斷其級(jí)配合理性。對(duì)于給定的濾料和懸浮物分布，將逾滲過濾模型結(jié)合過濾實(shí)驗(yàn)結(jié)果估計(jì)了濾料的孔徑分布，并與其他方法獲得孔徑分布參數(shù)進(jìn)行比較和過濾計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證，探索該方法的可行性；基于前面的逾滲過濾模型，還導(dǎo)出了深床過濾多分散懸浮物顆粒的出水粒徑分布公式，并進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證。由此可得出濾料對(duì)懸浮物截留的尺寸和效率來判斷濾料級(jí)