华北理工水质工程学Ⅰ课件17过滤

第十七章过滤17-1.过滤概述一、过滤的作用：去除部分沉淀池的剩余浊度；去除一定的细菌、有机物；其出水要求达到饮用水浊度标准，小于1度，特殊情况不超5度（散射浊NTU度）。二、滤池对进水要求：一般经过沉淀。三、滤池过滤机理介绍：水流在滤料中流动。水中杂质迁移到滤料的表面，由于表面的吸附作用，使杂质被截留。进一步形成了一定的筛滤作用。核心是水流过滤料。四、滤池分类：滤料：颗粒状；丝状；膜状。1、按流向分类：下向流（多为下向流）上向流双向流辐射流2、按滤料组合分类：单层滤料滤池双层滤料滤池三层滤料滤池混合滤料滤池3、按药剂投加及前导工艺分类：沉后水过滤接触絮凝过滤（与滤料絮凝）4、按滤速分类：慢滤池(v=0.1~0.3m/h)快滤池(v=5m/h)（最初）(现在vmax=40m/h）五、工作过程：1、过滤2、反冲洗常用名词：①滤速：单位时间水流在滤池中（无滤料计算）流速（m/h）。②滤速与滤池负荷相同：单位时间、单位滤池面积上的过滤水量m3/m2h。工作参数：进水浊度15度以下单层滤料：8~10m/h双层滤料：10~14m/h多层滤料：18~24m/h③工作周期：过滤和反冲洗一个全过程的时间，一般12~24h。§17-2过滤理论一、过滤机理：水流夹带颗粒流入滤料、滤料吸附颗粒。有两方面的问题：①颗粒如何与滤料接触（迁移机理）②接触后靠什么力粘附于滤料（附着）（吸附）（一）颗粒的迁移：（是物理力学作用）①拦截作用：大颗粒大于过流缝隙。②沉淀作用：颗粒在重力作用下，脱离流线，沉到滤料上。③惯性作用：颗粒质量大，在惯性力的作用，脱离流线与滤料接触。④扩散作用：较小较轻的颗粒在布朗作用下扩散到滤料表面。⑤水动力：水流在滤料外层有速度梯度，使非球体的颗粒在流速梯度的作用下，产生转动而脱离流线与颗粒表面接触。现阶段只能定性的分析。（二）颗粒的粘附：主要是物化作用开始：颗粒与滤料的接触①范德华力作用（主要）②静电力作用③化学键力（少有）后来：颗粒与颗粒接触④絮凝，吸附架桥作用最后：滤料的表层形成泥膜⑤机械过滤作用，（所不希望产生的）再强制工作：水流在某薄弱部位穿透，形成裂缝水流以高速流过裂缝，使出水水质恶化。（泄漏）（三）滤层内杂质分布规律：1、过程分析：水流冲力的作用→上层吸附→过多后脱落→下一层吸附→过多后脱落→再下一层吸附。……2、反冲洗作用：滤料在反冲洗作用下，分层（水力级配）上层：沉速小的（粒径小）孔隙小、比面积大、含污能力小。中层：沉速适中（粒径适中）下层：沉速大（粒径大、比重大）孔隙大、比面积小、含污能力大。这样的级配称为——反粒度。3、滤层含污能力：单位体积滤料中所截留的杂质量。单位：g/cm3或kg/m3单层滤料截污能力在滤层中是变化的。其平均截污能力（平时所称的截污能力）是总截污量/总滤料体积。4、提高滤料含污能力的措施：（1）反向过滤：进入滤料中的杂质可较均匀地在滤料中被截留（正粒度）。但初滤水浊度高、工艺复杂。（2）辐流过滤：反冲洗困难、工艺复杂。（3）改变滤料水力级配：①双层滤料：无烟煤→石英砂重度小、粒径大重度大、粒径小轻质滤料重质滤料反冲洗时上层无烟煤，中间有一些掺混，下层石英砂。特点：含污能力大②三层滤料：无烟煤→石英砂→石榴石粒径大中小特点：含污能力更大，水质有保证（下层滤料粒径很小）反冲洗强度控制水平高。③均质滤料：要求滤料粒径尽可能相近（不可能完全相同）反冲洗时只要滤料膨胀就有水力级配。保证滤料均匀，反冲洗时，不要滤料膨胀。方法：气水反冲洗。（反冲洗困难）截污：上多、下少、但差的量小了。滤料层中的时间与截污量分布规律：影响因素很多，水质、水温、滤速、滤料粒径、形状、级配。悬污物的性质，颗粒大小、强度、加药量。目前仍是据经验和实验进行设计操作。（四）直接过滤：原水不经沉淀直接进入滤池过滤①原水加药后直接过滤与滤料1、两种方式：接触絮凝。—接触过滤。②加药原水→微絮凝池→过滤—微絮凝过滤在微絮凝池中形成相近的微絮粒。（40~60μm）2、机理：脱稳颗粒或微絮粒与滤料充分碰撞、接触、粘附，被滤料截留。滤料成了接触的介质。微絮凝过滤的絮体体积小，便于进入滤料深层进行粘附。3、直接过滤注意的事项：（1）原水浊度低（色度低）水质变化小。常年低于100度。40~50度为宜。并且应有把握。（2）常用双层、多层或均质滤料（增加含污能力）滤料粒径和滤层厚度适当增大（减少形成表面滤膜的机会）（3）原水中的絮凝体不宜太大，防止很快堵塞滤层表面孔隙。为了提高微絮体强度和粘附力，有时需投加高分子助凝剂（活化硅酸或聚丙烯酰胺）在滤层中起吸附架桥作用。使杂质脱落困难→减少渗透滤层机会。（4）滤速：浊度高→低滤速浊度低→高滤速并且滤速应偏于安全（因为无前置沉淀工艺）通常：原水＞50度时，滤速在5m/h左右。最好通过试验来定滤速。主要适用于处理湖泊、水库等低浊水。适于：低温低浊水。二、过滤水力学：两个问题：①过滤时水头损失，设计水位。②滤料中的适宜滤速。（一）清洁滤层的水头损失。清洁滤层水头损失（起始水头损失）：滤砂，当滤速为8~10m/h时，其损失为30~40cm。属层流。1、均匀滤层公式：卡曼一康采尼公式（Carman-Kozong）(适于均匀滤层)ν—水的运动粘度；（cm2/s）g—重力加速度；981cm/s2m0—滤料孔隙率。d0—与滤料体积相同的球体直径。（cm）（单个颗粒是多个的平均值）l0—滤层厚度；cmv—滤速；cm/sφ—滤料颗粒球度（球形）系数；（后面讲）cmldmmghv0203020011180m0—滤料孔隙率。G—颗粒质量；（kg）ρ—颗粒密度；（kg/m3）V—滤料（堆积）体积。2、非均匀滤层：用筛分法：将滤料分级，d1,d2…di…dnp1,p2…pi…pnpi—di滤料量与总滤料重量比。则总水头损失H。（清洁滤层）VGm10总体积孔体积n——分层数目，n分的越多计算越精确。（二）等速过滤中的水头损失变化（流量不变）随着过滤过程的进展，滤料中的孔隙逐渐变小。其它因素不变，孔隙减小如:水头损失H0不变→v滤速减小滤速v不变→水头损失H0增大。v不变→水头损失H0变化，称为“等速过滤”（由于Q不变）水位上涨至允许水位，开始反冲洗，（如无阀滤池）水头损失增加一个△Ht。niiidpvlmmgvhH120230200011180总水头损失：Ht=H0+△Ht+hh—配水系统承托层、管渠水头损失。实践证明：△Ht与时间t一般呈直线关系。Hmax——损失最大时的过滤水头损失。据技术经济条件定，一般取Hmax=1.5~2.0mT—滤速v时的过滤时间如为v'时则（v'＞v）H'0＞H0T'＜Th—变化较小（视为不变）（三）变速过滤中的滤速变化：（作用水头不变）1、变速过滤：“减速过滤”——滤速随过滤时间而逐渐减小的过滤。2、作用水压不变，是相对变化较小而不是绝对不变。多组滤池的并联，可视为此种过滤。因取水泵站水量不变。并且其变化是由于反冲洗在滤池投入工作时忽然减小3、新投入使用滤池、滤速的控制反冲洗过的滤池，与过滤一段时间的滤池并联作用水头相同——使新投入滤池滤速太大。使滤后水水质恶化。控制方法：在出水管加阀控制。4、特点：①滤后水水质好②过滤水头损失小原因：可自然调节（四）滤层中的负水头1、原因：当滤池表层积污太多表层水头损失太大时出水的作用水头并不变，就可形成滤料中层部位出现负压。2、危害：①负压使溶于水中的气体释放形成气囊。气囊减少有效过滤面积。加大过滤水头损失，增大滤速。导至滤后水水质恶化。②气囊上升，可能带走轻细滤料。破坏滤层结构，使滤速不均匀。→水质恶化。③反冲洗时，气囊带走细、轻滤料。（升速快）3、防止措施：①增加砂面上水深。②滤池出口高于滤层表面。§17-3滤料和承托层一、滤料1、基本要求：①具有足够的机械强度；（减少冲洗时的磨损和破碎）②具有足够的化学稳定性，不能含有对人类健康和生产有害物质，滤料不能与水产生化学反应使水质恶化。③具有一定的颗粒级配和适当的空隙率。④滤料要货源充足、价廉、尽量就地取材。2、常用滤料：石英砂；无烟煤、石榴石、钛铁矿、磁铁矿，金钢砂。人造：聚苯乙烯粒料、陶粒等。（一）滤料粒径级配：1、概念：滤料中各种粒径颗粒所占的重量比例。粒径——指正好通过某一筛孔的孔径。2、两种表示方法：①有效粒径d10；不均匀系数K80。d10——通过滤料重量10%的筛孔孔径。d80——通过滤料重量80%的筛孔孔径。不均匀系数：K80d80—反映粗颗粒的尺度；d10—反映细颗粒的尺度。K80越大，→颗粒越不均匀→对过滤和冲洗越不利。工艺对滤料粒径的要求：i含污能力大（K80大，含污能力减少）ii反冲洗时，粗颗粒要膨胀但细颗粒不能被冲走。（K80最好接近于1）②最大粒径dmax与最小粒径dmin和不均匀系数K80。我国规范据经验制定了级配及滤速。108080ddk速（二）滤料筛选方法：1、筛分介绍：用不同筛孔直径的筛对滤料进行分粒径称重。去掉大粒径、和小粒径砾、沙。使滤料趋于均匀。2、等体积球体直径d0(m)：（不同于过筛的滤料粒径）取n个（若干）粒径同筛分的滤料，称得重量（Gkg）则ρ——颗粒密度（Kg/m3）nGd630(三)滤料孔隙率的测定：①105℃下烘干，称量（G）测密度（ρ）②用清水过滤一段时间后，工作状态下测其（堆积）体积（V）③其孔隙率（m）：m与颗粒的粒径，均匀程度，压实程度、形状等有关。石英砂m=0.42左右。VGm1总体积滤料体积总体积（四）滤料形状：（是形成孔隙率大小的因素）用滤料颗粒的球度来表示：砂滤料宜在Φ=0.75~0.80颗粒实际表面积同体积球体的表面积（五）双层及多层滤料级配：1、反冲洗后，滤料的分布：①不同滤料完全分层（正常）②中间有掺混层（厚度在50mm左右，对过滤有益）太厚有害，原因：孔隙率太低。③分层颠倒。（不应出现）原因：粒径不当；反冲洗强度不当。2、分布的影响因素：不同滤料的重度差，粒径差，颗粒级配，滤料形状，水温，反冲洗强度等。现阶段用经验数据或实验来确定。煤—砂，粒径比：水中重度比：（在）反冲洗强度：13~16l/s·m2则不产生严重的混杂现象。6.35.08.18.2~41)6.1~4.1(165.2表17-3滤料的级配和滤速：强制滤速：当有一两个滤池退出工作，（停产检修）其余滤池在超过正常负荷下的滤速。二、承托层：1、作用：（1）防止滤料从反冲洗配水系统流失。（2）反冲洗时可均匀布水。（其自身不应悬浮）2、材料：天然卵石或砾石有不同的级配，最上层要细，防止滤料穿过。冲洗时，承托层不应移动，措施，上层用重质矿石。不同的配水系统有不同的承托层。§17-4滤池的冲洗目的：清除滤层截留的污物，恢复滤池的过滤能力。方法：①高速水流反冲洗；②气、水反冲洗；③高速水流加表面助冲反冲洗。一、高速水流反冲洗（高速反冲洗）原理：在水流的剪力和滤料颗粒的相互碰撞磨擦作用下，污物从滤料表面脱落下来，被冲洗水流带出滤池。（一）冲洗强度、滤层膨胀度，冲洗时间几个概念：1、冲洗强度：（冲洗速度）滤池单位面积，单位时间的冲洗水量。单位：l/sm2或cm/s1cm/s=10l/sm22、滤层的膨胀度（率）e：滤层膨胀后所增厚度（L－L0）与膨胀前厚度（L0）之比：用孔隙率表示：滤层膨胀前后，单位滤池面积上滤料体积不变。L(1-m)=L0(1-m0)m0——膨胀前孔隙率；m——膨胀后孔隙率。代入e式中%10000LLLemmLL1100mmmmmLLmmLe1111110000003、冲洗时间：过短：滤料表面污泥冲洗不充分，长期下去会形成泥膜更难