纤维束成像

纤维束成像（通用4篇）

纤维束成像 篇1

急性脑梗死是由于供应脑组织的动脉血管管壁发生病理性改变, 血管腔变窄, 脑部血液循环障碍受阻, 导致脑组织供血不足, 局部缺血、缺氧、软化或坏死[1,2]。急性脑梗死在临床上致死率、致残率均较高, 严重影响患者的生存质量, 且存活的急性脑梗死患者通常会出现不同程度的运动功能障碍。磁共振弥散张量成像可以显示大脑白质纤维中水分子的各向异性运动, 弥散张量白质纤维束示踪成像可用于分析患者大脑神经纤维网络的完整性和方向性[3,4]。本研究现对2010年10月-2012年12月郑州市第二人民医院神经内科明确诊断为脑梗死的75例患者的临床病例资料进行回顾性分析, 利用磁共振扫描仪, 对脑梗死患者进行常规磁共振、磁共振弥散张量成像检查, 并对皮质脊髓束进行三维弥散张量纤维束成像检查, 依照NIHSS对患者进行神经功能评分, 利用统计学方法对不同级别皮质脊髓束损伤组患者不同时期的神经功能评分分别进行比较, 评价该神经束的受累情况与脑梗死患者预后变化的关系。现具体报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2010年10月-2012年12月郑州市第二人民医院神经内科明确诊断为脑梗死患者75例, 其中男40例, 女35例, 年龄范围为58~70岁, 平均 (63.6±2.3) 岁, 所有患者均符合第4届全国脑血管病会议通过的急性脑梗死诊断标准, 并经头颅CT扫描或核磁共振 (MRI) 检查确诊[5]。依照皮质脊髓束受累情况将患者分成A、B、C三组, 每组25例。A组为梗死灶与CST相邻的患者, B组为部分CST穿过梗死灶的患者, C组为整个CST穿过梗死灶 (病灶包绕神经束) 的患者。三组年龄、性别等一般资料比较差异无统计学意义, 具有可比性。纳入标准:患者起病后72 h以内;首次发病;常规MRI显示单侧劲内动脉系统病变;偏瘫为主;患者及其家属均知情同意, 住院治疗后4周和8周各复查1次。排除标准:有严重认知功能障碍、精神病史以及不配合, 无法完成检查的患者;合并其他颅内病变患者 (如脑肿瘤) 。

1.2方法

依照皮质脊髓束受累情况将患者分成三组, 在患者起病后的不同时期, 发病后3天内 (急性期) 、发病后8~14 d (慢性早期) 、发病后30~60 d (慢性期) 依照美国国立卫生院卒中量表 (Nation Institutes of Health Stroke Scale, NIHSS) 对患者进行神经功能评分, 利用统计学方法对不同级别皮质脊髓束损伤组患者不同时期的神经功能评分分别进行比较, 评价该神经束的受累情况与脑梗死患者预后变化的关系。

1.2.1 图像采集

应用GE Signa HDe 1.5T磁共振扫描仪, 8通道头颈线圈。

1.2.2 常规MRI检查

常规轴位、矢状位扫描, T1WI (Flair:TR1710.7 ms, TE 28.3 ms, Invert time 750) , T2 WI (Flair:TR6000.0ms, TE151.6 ms, Invert time 2000 ms) , 层厚6.0 mm, 层间距1.0 mm。

1.2.3 DTI检查

b值为0/1000 mm2/s;TR 10 000.0 ms;TE128.8 ms Flip Angle 90;层厚4.0 mm;层间距0 mm;FOV240×240 mm;NEX 2;Diffusion diections 15。

1.3 数据处理

应用GE公司提供的纤维束成像软件包, 通过在延髓锥体、大脑脚、内囊后肢、半卵圆形中心等层面放置兴趣容积, 进行图像分析得出双侧皮质脊髓三维成像。

1.4 统计学处理

采用SPSS 17.0软件对所得数据进行统计分析, 计量资料用 (±s) 表示, 比较采用t检验, 以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

磁共振扫描结果提示, A、B组患者梗死灶较小, 常位于CST前内侧, C组患者的病灶多位于前脉络膜动脉供血区, 早期运动功能减退。随着发病时间的不断延长, 三组患者自身的NIHSS评分均呈现明显降低的趋势, 差异有统计学意义 (P<0.05) 。组间比较发现, 在不同时期, B、C组患者的NIHSS评分均显著高于A组, 组间比较差异均有统计学意义 (P<0.05) ;C患者的NIHSS评分均显著高于B组, 两组比较差异均有统计学意义 (P<0.05) 。见表1。

分

*与A组比较, P<0.05;△与B组比较, P<0.05

3 讨论

磁共振弥散张量成像是一种非侵入性的磁共振成像技术, 可以有效观察和追踪患者脑白质纤维束[6,7]。为临床医生提供脑梗死患者的脑解剖结构及功能等信息, 显示出脑梗死患者皮质脊髓束、上下纵束、钩束、下额枕束等脑白质纤维束的结构功能变化[8,9]。

白质纤维束示踪成像是一种无创方法, 可在活体上显示神经纤维的走行, 目前临床已将白质纤维束示踪成像用于评价正常功能连接, 另外还常将白质纤维束示踪成像应用于脑外伤、脑肿瘤、脑中风、多发性硬化、心脏病等疾病的研究[10]。白质纤维束示踪成像技术可提供患者脑部神经纤维束成像的特有信息, 在三维图像上显示神经纤维束与梗死灶之间的空间关系。因此, 可以通过视觉观察来评价病灶对神经纤维束的影响, 还可以分析受损CST与患者神经运动功能预后之间的相关性。在患者发病早期, 根据白质纤维束示踪成像技术提供的病变所累及皮质脊髓束和梗死灶之间的空间关系, 有利于预测患者神经运动功能的预后[11]。

3.1 脑梗死灶缺血容积的相关临床表现

已有研究表明, 脑梗死患者梗死灶累及CST的程度与患者运动功能损伤、临床预后之间具有密切的相关性[12]。以往有研究认为梗死灶越大患者运动功能障碍越严重[13]。但目前看来, 这个结论不是很确切。本研究表明, A组与B组患者梗死灶缺血容积之间差异无统计学意义。同时, B组与C组患者梗死灶缺血容积之间的差异也无统计学意义。由此可见, 梗死灶容积并不能决定患者临床症状的严重程度, 梗死灶容积也不能决定患者肢体运动功能的损伤。因为, 即便是梗死灶容积再大, 只要患者的梗死灶不累及运动神经纤维走向的关键部位, 患者便不会出现运动功能障碍。大脑前动脉供血区梗死所致的额叶梗死患者可能会出现情感人格障碍;大脑前动脉供血区梗死所致的大脑后循环梗死所致枕叶梗死患者可能会出现视觉障碍。同样, 即使患者梗死灶容积很小, 但如果梗死灶正好累及CST神经纤维束通路, 也会导致患者出现严重的运动功能障碍。

3.2 弥散张量成像准确定位脑梗死病灶

CT和常规MR虽然可清楚显示梗死灶, 但无法准确定位病灶。研究表明从前后方向来看内囊功能区大致是躯体特定区域的缩影, 内囊后肢后部支配下肢运动神经区域, 内囊前部及内囊膝部病灶可造成上肢瘫痪[14]。

3.3 CST与梗死灶病例功能预后

本研究A组患者磁共振弥散张量白质纤维束示踪成像显示患者梗死灶与大脑皮质脊髓束之间纤维束紧挨着病灶, 纤维束从梗死灶边缘穿过, 这些病人急性期、慢性早期、慢性期神经NIHSS评分均值分别为 (4.55±0.75) 、 (0.55±0.02) 、 (0.09±0.01) 分, 病情的不同时期之间的NIHSS评分均值比较差异有统计学意义 (P<0.05) 。结果显示, A组患者神经功能恢复均较好, 治疗后2周内, 大部分患者运动功能障碍状况可明显改善, 至慢性期患者的运动功能障碍基本均能痊愈。对于皮质脊髓束仅经过梗死灶边缘的患者, 神经运动功能障碍恢复良好, 患者预后良好。由此可见, 皮质脊髓束仅经过梗死灶边缘的患者邻近神经束并没有发生梗死, 纤维束的结构仍可维持正常的完整性和方向性。梗死灶充血, 水肿占位推挤压迫神经纤维束可导致患者在发病早期出现肢体运动功能障碍, 待充血水肿消退后, 梗死灶缩小, 即可解除神经纤维束的压迫, 此时, 便可改善甚至治愈患者的运动功能障碍。当磁共振弥散张量白质纤维束示踪成像显示的白质束未发生破坏时, 则可能意味着患者预后较好[15]。

综上所述, 可以认为磁共振弥散张量白质纤维束示踪成像可准确定位梗死灶, 有助于预测急性脑梗死患者运动功能的恢复, 值得在临床上推广应用。

纤维束展开宽度的理论计算 篇2

聚醚醚酮(PEEK)等高性能热塑性树脂基体的纤维增强复合材料性能优越,已经开始成功应用于航空航天器件的结构件[1,2]。但制备这类材料遇到的最大的难题是如何使高黏度的热塑性树脂充分均匀浸渍透纤维。如图1所示,一般必须先通过纤维展开系统[3],将纤维横向展开使分散成一定的宽度和厚度。罗云烽[4],邓杰[5]等对展开过程的重要性以及效果进行了实验对比后指出展开的宽度直接影响浸渍的效果。Wilson[6]通过理论推导计算了纤维展开的宽度。罗云烽等[7]指出在一定的张力下,纤维束通过展开辊,沿着光滑的辊表面运动,得到一定的横向展开,并实验测量了纤维的展开宽度,讨论了不同形状的辊对展开宽度的影响以及纤维张力的大小对纤维的损伤,得出结论若展开过程采用直型辊,则要求很大的纤维张力才能达到展开的效果,容易对纤维造成损伤。若采用曲型辊,能很好的解决这个问题。考虑到Wilson的模型仅适用于计算纤维在直型辊上的展开宽度。本文对Wilson的模型进行改进,建立了更具有物理意义的新模型,并且对新模型进行扩充,使其能模拟纤维在曲型辊上的展开。

1 模型建立及模拟

如图2建立两个平行的坐标系oxyz与o′x′y′z′,前者表示展开前纤维束所处的参考空间,后者表示展开后纤维和展开辊所处的参考空间。以辊上沿的中心点o′为原点。o′x′y′z′坐标系与oxyz坐标系平行。其中oo′=L,∠o′oy=α。o′点在oxyz坐标系下的坐标为(0,Lcosα,-Lsinα)。

任取一根纤维建立受力模型。假设纤维从oxyz平面的M(x,y,z)点发射至o′x′y′z′平面的M′(x′,y′,z′)点。则在oxyz坐标系下$\overrightarrow{{\rm M}{{\rm M}}^{\prime }}$=(x′-x,y′-y+Lcosα,-Lsinα)。假设纤维的张力为T,则张力x方向上的分力为2T(x-x′)/d,y方向上的分力为$2{\rm T}(y-y^{\prime }-L\cos \alpha )/d‚d=|\overrightarrow{{\rm M}{{\rm M}}^{\prime }}|$。

假设纤维数量较大,且纤维在o′x′y′z′平面上是连续的,纤维的张力通过静水压力P达到平衡。则静水压力有如下表达

$\begin{array}{l}\frac{\partial p}{\partial x^{\prime }}=\frac{2{\rm T}n}{dl}(x-x^{\prime })(1)\\ \frac{\partial p}{\partial y^{\prime }}=\frac{2{\rm T}n}{dl}(y-y^{\prime }-L\text{c}\text{o}\text{s}\alpha )(2)\end{array}$

其中n为单位横截面积内纤维的数量,l为张力在z轴方向上的距离分量。x、x′、y、y′由于x、x′、y、y′都<<L,所以为了方便计算, Wilson在此处用d近似取代L进行计算,为了得到更完善的理论模型,本文不做此替换。

假设纤维束的横截面积非常小x→0,y→0,则

$p=-\frac{2{\rm T}n}{dl}\left[\frac{x^{\prime }{}^2}{2}+\frac{y^{\prime }{}^2}{2}+L{y}^{\prime }\text{c}\text{o}\text{s}\alpha \right]+c(3)$

达到平衡的边界条件为p=0

$x^{\prime }{}^2+(y^{\prime }+L\cos \alpha ){}^2=\frac{cdl}{{\rm T}n}+L{}^2\cos {}^2\alpha (4)$

高度H=Lcosα,设$\frac{cdl}{{\rm T}n}+L{}^2\cos {}^2\alpha =R{}^2$。

则得到外层纤维的分布函数:

$y^{\prime }=\sqrt{R{}^2-x^{\prime }{}^2}-{\rm H}(5)$

公式(5)表明外层纤维达到平衡时是呈圆弧状分布,其中圆半径为R。

考虑直辊的情况,假设纤维束的横截面积为A,纤维的展开宽度为w,则将$R=\sqrt{{\rm H}{}^2+(w/2){}^2}$代入式(5)式。

设展开后纤维束的横截面积不变,建立方程式(6)。

$\begin{array}{l}{\displaystyle \underset{-w/2}{\overset{w/2}{\int }}{y}^{\prime }}\text{d}{x}^{\prime }=({\rm H}{}^2+(w/2){}^2)\arcsin \frac{w}{2\sqrt{{\rm H}{}^2+(w/2){}^2}}-\\ {\rm H}w/2=A(6)\end{array}$

通过式(6)可求出纤维的展开宽度w。

Wilson模型的展开后外层纤维分布符合抛物线方程(7)。

$y^{\prime }=(c{}^2-x^{\prime }{}^2)/2\cos \alpha (7)$

纤维的展开宽度为:

$w=(12A{\rm H}){}^{1/3}(8)$

图3为使用本文模型模拟的结果与实验数据的对比。采用Wilson的实验数据,纤维束的横截面积A取26 mm2,高度分别从300 mm—1 000 mm。从图3中可以发现在随着高度H的增大,纤维束展开的宽度逐渐增大。模拟得出的展开宽度非常接近实验结果且略高于实验的结果,主要是因为模型忽略了纤维之间的摩擦力。

高度为500 mm时,模拟的展开宽度为53.84 mm,与Wilson模型模拟的53.83 mm非常接近。Wilson的模型已经通过实验得到验证,并且在Weustink[8]的论文中得到验证。Wilson的模型外层纤维分布函数为抛物线方程。由于纤维向各个方向拉伸达到平衡状态的分布应该呈中心对称而不是轴对称分布,所以,本文提出的圆方程模型更具有合理性。

考虑曲型辊的情况,由于纤维展开达到平衡时的分布形状为圆弧,所以采用圆弧型曲型辊能使展开更均匀。设辊子的弯曲段长2d,辊子曲率半径为r,设$h=\sqrt{r{}^2-d{}^2}$,则辊的上边缘线符合函数$y^{″}=\sqrt{r{}^2-x{}^2}-h$。纤维的展开宽度w为圆$y^{\prime }=\sqrt{R{}^2-x^{\prime }{}^2}-{\rm H}$与$y^{″}=\sqrt{r{}^2-x{}^2}-h$相交的公共弦的长度,所以R、r、w之间有如下关系$R=\sqrt{(w/2){}^2+(\sqrt{r{}^2-(w/2){}^2}-h+{\rm H}){}^2}$。

根据纤维束横截面积不变可以求出展开宽度w

$\begin{array}{l}{\displaystyle \underset{-w/2}{\overset{w/2}{\int }}(}{y}^{\prime }-y^{″})\text{d}{x}^{\prime }=w\sqrt{R{}^2-(w/2){}^2}/2+\\ R{}^2\text{a}\text{r}\text{c}sin(w/2R)-{\rm H}w-\\ (w\sqrt{r{}^2-(w/2){}^2}/2+\\ r{}^2\arcsin (w/2r)-hw)=A(7)\end{array}$

辊子的弯曲段长2d=100 mm,曲率半径取330 mm,纤维束横截面积A=7.693 mm2,图4为不同高度情况下,使用直型辊和曲型辊得到的纤维束展开宽度的对比。对比发现在同一高度下,曲型辊的展开宽度要大于直型辊的结果,且随着高度的增加,模拟的展开宽度变大。这也论证了曲型辊的展开效果要好于直型辊。但是曲型辊的曲率半径过小,纤维束的展开宽度太大,展开后纤维束过薄,纤维之间容易产生分离。

高度固定为90 mm,图5为使用不同曲率半径的曲型辊所得到的展开宽度,与罗云烽[7]等的实验数据非常吻合。随着辊子曲率半径的增大,纤维束的展开宽度逐渐减小,这与实验结论是一致的。

3 结论

推导了计算纤维束展开宽度的新模型,在直型辊上的模拟展开宽度为53.84 mm,与Wilson模型模拟的53.83 mm非常接近,并且与实验数据良好的吻合。发现随着高度H的增加,纤维的展开宽度逐渐增大。

建立了计算纤维束在曲型辊上展开的模型,模拟结果显示,在同一个高度下,曲型辊的展开效果优于直型辊。随着曲率半径的增大,纤维束展开宽度逐渐减小,与实验结果和结论吻合。

摘要：纤维束的充分展开效果对实现高黏度热塑性树脂的浸渍尤为重要。Wilson提出了计算纤维束展开宽度的模型。该模型仅适用于计算纤维在直型辊上的展开宽度。对Wilson的模型进行改进,不采用Wilson模型的近似代换,建立了更具有物理意义的新模型。并且对新模型进行扩充,使其能模拟纤维在曲型辊上的展开。对得到的模型进行模拟,发现纤维束展开的宽度与展开辊间高度差成正比,与曲型辊的曲率半径成反比,且模拟得到的结果能很好地与实验数据吻合。

关键词：纤维束,展开,曲型辊,浸渍,模型

参考文献

[1]杜善义.先进复合材料与航空航天.复合材料学报,2007;24(1):1—12

[2]益小苏.先进复合材料技术研究与发展.北京:国防工业出版社:2006:48—50

[3]咸贵军,益小苏,潘颐.热塑性树脂熔融浸渍连续纤维装置.塑料工业,2000,28(5):15—17

[4]罗云烽,孙永春,段跃新,等.薄层化大丝束碳纤维复合材料性能研究.航空制造技术,2010;1(22):75—78

[5]邓杰,李辅安,刘建超.连续纤维增强PEEK预浸带制备中的纤维分散.纤维复合材料,2004;21(3):12—14

[6] Wilson S D R.Lateral spreading of fibre tows.Journal of EngineeringMathematics,1997;32:19—26

[7]罗云烽,孙永春,段跃新,等.大丝束碳纤维薄层化技术.复合材料学报,2010;27(1):123—128

纤维束成像 篇3

关键词：高效纤维束滤池,深度处理,污水

0前言

高效纤维束滤池采用一种新型的纤维束软填料作为滤元, 是一种全新的重力式滤池。它常规设置于二级污水处理系统之后, 主要去除水中的悬浮物;结合投加药剂可去除部分COD, BOD, 总磷、总氮等污染物, 使出水达到一级A排放标准。适用于中小型给水及污水深度处理系统, 被广泛应用于各种净水处理和工业废水的深度过滤处理单元。

随着经济的发展和人口的不断增加, 工业废水和生活污水排放量日趋增大, 巢湖某污水处理厂建设规模需随之扩大, 需扩建每天处理污水1万立方米能力, 以达到近期每天2万立方米的需求;污水处理工艺采用水解+氧化沟+高效纤维束滤池过滤+消毒工艺。处理出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 的一级A标准, 化学需氧量、氨氮、总磷和总氮指标达到相关指标要求。

1巢湖某污水处理厂污水深度处理情况概述

巢湖某污水处理厂主要处理工业污水和生活污水, 其中工业污水居多, 本次改扩建工程设计规模1万立方米。该污水处理厂污水处理包括预处理单元、生物处理单元、污水深度处理单元。污水由输水管道输送至污水处理厂, 经粗格栅、进水泵房、细格栅、旋流沉砂池等预处理单元, 水解池、A2/O氧化沟、二沉池等生物处理单元, 二级提升泵房、絮凝池、高效纤维束滤池、接触消毒池等污水深度处理单元, 满足一级A出水标准, 处理后的污水外排至汤河。主要着眼于高效纤维束滤池的应用, 介绍高效纤维束滤池处理单元。污水深度处理单元工艺流程见图1。

(1) 滤池进出水水质。进水水质, 悬浮物 (SS) ≤20 mg/L, 出水水质SS≤10 mg/L。

(2) 滤池处理水量。设计水量Q=1×104m3/d, 变化系数1.5。

2高效纤维束滤池的工作原理

高效纤维束滤池采用一种新型的纤维束软填料作为滤元, 其滤料直径可达几十微米甚至几微米, 属微米级过滤技术 (砂滤属毫米级) , 具有比表面积和表面自由能大 (纤维束d50μm, 80 000 m2/m3, 石英砂d1000μm, 6000 m2/m3) 、过滤阻力小等特点, 增加了水中杂质颗粒与滤料的接触机会和滤料的吸附能力, 大大地提高了过滤效率和截污容量。

高效纤维束滤池由池体、滤料、滤板、布水系统、布气系统、滤料密度调节装置、管道、阀门、反洗水泵、反洗风机、电气控制系统等组成。滤池内设有纤维密度调节装置, 针对实际运行的水质和过滤要求对纤维束滤料的密度进行调节。

高效纤维滤池运行时, 纤维密度调节装置控制一定的滤层压缩量, 使滤层孔隙度沿水流方向逐渐缩小, 密度逐渐增大, 相应滤层孔隙直径逐渐减小, 实现了理想的深层过滤。当滤层达到截污容量需清洗再生时, 纤维束滤料在气水脉动作用下即可方便地进行清洗, 达到有效恢复纤维束滤料过滤性能的目的。滤层的加压及放松过程无需额外动力, 均可通过水力自动实现。滤层在反冲洗水的作用下被充分放松, 纤维束滤料恢复到松弛的舒展状态, 在气水混合擦洗的作用下, 将过滤截留下的污染物从滤层中洗脱并排出, 使滤料恢复过滤性能。

3高效纤维束滤池的运行与控制

所述高效纤维束滤池水源由二沉池出水通过絮凝池加药絮凝反应后进入, 滤池正常工作时为全自动运行, 运行采用变水位运行方式, 当运行周期和运行液位达到设定值后即进行反冲洗。反冲洗分为气冲、气水冲。水冲洗3阶段, 各部分时间根据现场调试情况和进出水质进行调整。在自动运行状态下, 滤池一般根据设定的运行周期 (24 h) 和滤池运行液位控制反洗, 2种情况的任何一种都控制滤池的运行状况。当滤池液位到达上液位, 而其他设定值未到达, 滤池停止过滤进行反冲洗, 反冲洗结束后滤池处于休闲状态只有当水位到达下液位时才启动滤池进行过滤。当过滤时间达到设定的过滤时间, 而其他设定值未到达, 滤池也停止过滤进行反冲洗, 反冲洗结束后滤池处于休闲状态, 只有当水位到达下液位时才启动滤池进行过滤。每次只能反洗1格滤池, 依次轮流逐格反洗。反洗风采用罗茨风机反洗, 反洗风经反洗进气阀通过布气系统进入滤料层。反洗水采用离心水泵反洗, 反洗水采用滤后水, 从滤池总出水池取水, 经反洗进水阀通过布水系统进入滤料层, 由反洗排水槽收集经过排水阀和排水总管道自流入回收水池 (图2) 。

滤池其控制系统采用触摸屏和现场可编程序控制器 (PLC) 控制, 分为手动/自动控制方式。滤池的运行和反洗采用1台PLC集中控制, 各滤池的电动阀门及配套反洗风机、反洗水泵及出口电动阀门, PLC控制柜配置1台触摸屏以便调整滤池运行和反洗参数。各格滤池配备1台电动阀门控制柜实现就地控制。每格滤池配套有进水闸门、清水出口阀门 (调节型) 、反洗进水阀门、反洗进气阀门、反洗排水阀门5个电动阀门 (图2) , 以及反洗风机出口阀、排空阀, 反洗水泵出口阀。电动阀门具有全开、全关两种状态;反洗风机和反洗水泵有运行、停止和故障等3种状态, 通过人机界面可监视这些状态。

4处理效果分析

目前, 该滤池经过连续运行半年的水质监测, 出水水质已稳定。图3中所示数据为连续10日悬浮物 (SS) 日均值。可看出, 高效纤维束滤池对悬浮物 (SS) 有很好处理效果, 进水浓度12~22mg/L, 纤维束滤池出水浓度为2~7 mg/L, 出水水质稳定, 满足一级A出水标准要求。

参考文献

[1]潘红波.纤维束滤池在化工企业废水处理中的应用研究[J].资源节约与环保.2014, 3:167-168.

[2]华海洁.高效纤维束滤池在污水厂深度处理中的应用实例[J].甘肃科技纵横.2015, 44 (3) :33-35.

纤维束成像 篇4

水资源短缺日益严重, 污水厂中水回用工程受到越来越多的重视。污水经过生化二级处理后, 出水仍不能满足受纳水体的排放要求时;或为了提高水资源的利用率, 将污水再生利用、回用于工业及市政公用设施, 如作为工业冷却水, 市政浇洒道路、绿地等, 将会遇到提高污水处理程度的需求, 以进一步降低出水中的COD、BOD5、SS、TN、TP等污染物指标。以上提高的处理功能及其流程在以往的工程概念中被泛称为污水深度处理。但是由于污水处理技术的发展, 许多污水深度处理功能 (如脱氮、除磷等) 已被结合进二级生化处理流程之中。因此, 本文中所指的深度处理指在二级处理流程之后的后续处理, 主要去除对象为可沉降物、TP、不可沉降非溶解性固体等。处理目标为出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB18918-2002) 中的一级A标准。

在西宁市某小型污水处理厂 (污水厂规模:1.2×104m3/d) 的设计中, 根据环评要求, 污水厂出水标准为一级A, 处理达标后回用于下游的山林绿化, 故需要在二级处理工艺后增加深度处理工艺以满足回用水水质标准要求。

2 基本深度处理工艺及比较

污水深度处理所采用的一般方法与现代给水处理方法基本相同。常用的工艺流程如下:

(1) 微絮凝过滤

二级处理出水→混合 (微絮凝) →过滤→消毒。

(2) 沉淀过滤

二级处理出水→混凝→沉淀 (澄清、气浮) →过滤→消毒。

(3) 微孔过滤

二级处理出水→微孔过滤→消毒。

(4) 曝气生物滤池

二级处理出水→曝气生物滤池→消毒。

可以看出, 上述深度处理工艺中, 过滤都是必不可少的一项处理流程, 因此本文针对过滤工艺进行重点论述和比较。

过滤工艺是水处理中必不可少的过程, 是保证出水水质必不可少的重要措施。适用于小型污水厂的滤池主要有, 普通快速滤池、虹吸滤池、移动罩滤池以及近年来采用较多的气水反冲洗滤池、纤维束滤池等。

普通快滤池, 是传统的水处理构筑物。性能可靠, 技术成熟, 出水水质较好, 滤料价格便宜;但阀门较多, 维修复杂, 自动化程度低。

虹吸滤池, 特点是阀门少, 不需专设冲洗水泵, 但池深较深, 需一套真空系统, 其冲洗水头低, 不易冲洗干净, 影响出水水质。

移动罩滤池, 属大、中型处理构筑物, 优点是该滤池不需另设反冲设备, 不需管廊, 不设闸门, 而且池子浅, 冲洗按程序控制, 逐格进行, 便于自动控制, 同时具有较低的过滤水头, 正好符合重力流水厂低过滤水头要求, 但是该滤池在每次反冲洗后的初始滤速过大, 且不能控制, 使得刚冲洗后的两格初滤水浊度将大于要求值。

气水反冲洗滤池, 该滤池采用气水反冲洗, 滤池属于恒水头过滤, 单一均质滤料滤池。因为可以根据滤料的堵塞的情况, 对滤池进行运行自动控制, 从而保证了整个过滤周期内出水水质均符合要求;因采用了单一的石英砂滤料, 粒径较大, 颗粒间空隙也较大, 所以具有较大的含污能力, 使过滤周期较长。气水联合反冲洗增加了表面冲洗, 使滤床冲洗彻底, 冲洗时滤料不膨胀, 因而滤料不流失。

高效纤维束滤池是一种结构先进、性能优良的重力式过滤技术, 它采用了一种新型的纤维束软填料作为滤元, 其滤料直径可达几十微米甚至几微米, 属微米级过滤技术 (砂滤属毫米级) , 具有比表面积和表面自由能大 (纤维束d50μm:80000m2/m3, 石英砂d1000μm:6000m2/m3) 、过滤阻力小等特点, 解决了粒状滤料的过滤精度受滤料粒径的限制等问题。纤维束滤料巨大的比表面积和表面自由能, 增加了水中杂质颗粒与滤料的接触机会和滤料的吸附能力, 大大地提高了过滤效率和截污容量。高效纤维滤池技术全面解决了纤维滤料在过滤和清洗过程中存在的各种问题, 充分发挥了纤维滤料的特长, 实现了理想的深层过滤效应。有效地解决了粒状滤料所存在的过滤速度低、过滤精度差、截污容量小、滤料容易板结、自耗水量大、滤料使用寿命短等各种问题。为充分发挥纤维滤料的特点, 在滤池内设有纤维密度调节装置, 针对实际运行的水质和过滤要求对纤维束滤料的密度进行调节。高效纤维滤池运行时, 纤维密度调节装置控制一定的滤层压缩量, 使滤层孔隙度沿水流方向逐渐缩小, 密度逐渐增大, 相应滤层孔隙直径逐渐减小, 实现了理想的深层过滤。当滤层达到截污容量需清洗再生时, 纤维束滤料在气水脉动作用下即可方便地进行清洗, 达到有效恢复纤维束滤料过滤性能的目的。滤层的加压及放松过程无需额外动力, 均可通过水力自动实现。

高效纤维滤池适用于各种大、中、小型给水及污水深度处理系统, 对滤料的清洗采用水冲—气水混合冲洗—强制清洗—水冲洗的工艺, 具有清洗效率高、无需药剂浸泡清洗、自耗水量低等优点。滤层在反冲洗水的作用下被充分放松, 纤维束滤料恢复到松弛的舒展状态, 在气水混合擦洗的作用下, 将过滤截留下的污染物从滤层中洗脱并排出, 使滤料恢复过滤性能。

高效纤维束滤池技术的主要特点有:

(1) 工程造价低工程造价低于石英砂滤池。

(2) 占地面积小滤速可高达25m/h, 是石英砂滤池的2~3倍, 占地仅为石英砂滤池的1/3~1/2。

(3) 处理效果好水中悬浮物的去除率可达98%以上。经良好混凝处理的天然水, 浊度在20NTU时, 过滤出水浊度可达1NTU以下, 并对水中的有机物、胶体、铁、锰等有明显的去除作用;污水深度处理时, 进水悬浮物不超过30mg/L时, 出水悬浮物可稳定在10mg/L以下。

(4) 维护量少、滤料寿命长滤料一般10年内不需补充和更换, 减少了维护量和运行成本。

(5) 运行成本低运行成本 (包括电耗、人工、折旧等) <0.1元/吨水。

(6) 自耗水量低自耗水量为周期制水量的1%~3%, 是石英砂滤池的1/2。

(7) 不掉毛纤维束滤元由纤维长丝绕制而成, 不存在短纤维脱落问题。

(8) 滤层密度可调控通过调节滤料压缩程度可以改变过滤精度, 通过控制滤料的压缩程度可以减缓滤层水头损失增长速度。

(9) 易于清洗纤维束滤元不存在绑扎结点且清洗时处于舒展放松状态, 较易清洗;纤维束滤元两端均悬挂于滤板上不会缠绕乱层, 容许高强度气—水联合清洗, 可保证清洗效果、防止滤层积泥;纤维束滤元不需定期药剂浸泡清洗。

因此针对西宁市某污水厂推荐采用混合絮凝沉淀 (澄清) +高效纤维束滤池的深度处理工艺。

3 高效纤维束滤池的工程设计

3.1 工作原理

沉淀池出水重力流进入纤维滤池, 纤维滤池采用恒水位方式运行, 当运行周期和液位达到设定值后即进行反冲洗。反冲洗排水槽收集经过排水阀和排水总渠后自流排至提升泵房集水井或反冲洗单独设置的废水回收池。工艺简图详见图1。

3.2 主要设计参数

a.设计水量:12000m3/d=500m3/h, Kz=1.3

b.滤池主要性能参数

设计滤速:15.5m/h

强制滤速:23.2m/h

格数:3格

单格过滤面积:14m2

总过滤面积:42m2

反洗水强度:6~8L/s·m2

反洗风强度:60~80L/s·m2

反洗时间:10~20min

反洗方式:水冲—气水混合冲洗—强制清洗—水冲

c.滤池规格尺寸

布置形式:单排布置

单格尺寸:长×宽=4m×3.5m

滤层高度:1000mm (反洗高度)

d.反冲洗设备间

反冲洗设备间设在滤池旁, 由滤池反冲洗泵房及鼓风机房组成。

鼓风机房内设罗茨风机2台 (1用1备) , 为滤池反冲洗提供气源;反冲洗泵房设反冲水泵2台 (1用1备) , 为滤池反冲洗提供水源。

3.3 主要设备及材料

a.纤维束滤料

型号:FQLY/KJ-1000

规格:纤维束L=1000mm (反洗高度)

数量:3套

b.材质:改性聚丙烯

c.性能特点:

———滤料使用寿命:大于10年

———固定不流失, 易清洗不积泥

———单束易悬挂, 压缩量可控制, 不流失

滤料名称:纤维束滤料 (易抖动擦洗)

滤料技术要求、检验方法等应符合相应国家标准和等效标准;

FZ/T54001-91《丙纶BCF丝》

GB/T6388-1986《运输包装收发货标志》

GB191-1990《包装储运图示标志》

d.滤池内构件 (含布水布气装置、滤板、纤维密度调节装置等)

1) 规格型号:L×B=4.0m×3.5m

2) 数量:3格

3) 滤板:L×B=4.0m×3.5m, 材质玻璃钢

4) 布气装置:规格L×B=4.0m×3.5m, 形式支母管大阻力配气, 材质碳钢/ABS

5) 布水装置:规格L×B=4.0m×3.5m, 形式支母管中阻力配水, 材质碳钢/ABS

6) 纤维密度调节装置 (含上层滤板) :单块尺寸L×B=4.0m×3.5m, 滤板材质为玻璃钢, 架构材质为碳钢防腐。

e.配套反洗设备

反洗风机性能:Q=50.4m3/min P=49KPa, N=75k W, 2台 (1用1备)

反洗水泵性能:Q=403.2m3/h, H=11m, N=22k W, 2台 (1用1备)

4 结束语

在工业废水, 尤其是市政污水处理方面, 纤维束过滤无论从技术指标方面还是从经济指标方面来看, 都是一种比较理想的过滤技术。从实际运行及效果分析, 高效纤维束滤池用于污水厂深度处理技术从占地省、反洗水量小、电耗低、处理成本低等方面, 具有一定的优势, 出水各项指标均能满足规范要求。在污水厂深度处理中值得广泛推广和应用。

摘要：近年来, 高效纤维束滤池技术在中小型污水处理厂深度处理系统中得到了广泛应用。此工艺具有节省占地、节约投资、反洗水量低、运行成本低等优势, 出水水质达到一级A标准。本文主要针对西宁市某小型污水厂的工程实例提出设计参数、工艺设备配置等, 以供广大设计人员参考。

关键词：深度处理,高效纤维束滤池,SS回用

参考文献

[1]北京市市政工程设计研究总院.给水排水设计手册第5册:城镇排水 (第2版) [M].北京:中国建筑工业出版社, 2004.

[2]袁士平, 宗理华, 曹英峰.纤维过滤技术特点及应用[J].净水技术, 2005, 24 (1) :54-56.