排水工程课件 17过滤

第17章过滤§17-1过滤概述原水经过沉淀后，水中尚残留一些细微的悬浮杂志，需用过滤的方法除去,过滤就是以具有孔隙的粒状滤料层（如石英砂）截留水中杂质，从而使水获得澄清的工艺过程。过滤水的浊度不超过3mg/l(新标准不超过1mg/l)。对生活饮用水的水厂来说，必须有过滤，这是不可缺少的。右图为常用的普通快滤池的构造图，池体为钢筋混凝土水池。滤料层、垫层、配水系统、排水槽。工作周期：从过滤开始到冲洗结束的一段时间称为快滤池工作周期。分为过滤和冲洗两过程普通快滤池构造剖视图滤速：单位时间、单位过滤面积上的过滤水量称为滤速。（m/h)单位面积上的过滤水量，这是表面负荷，但它具有速度的因次“米/小时”所以习惯上又把表面负荷称作过滤速度。Q—滤池的过滤水量（m3/h)Ω—滤池的过滤面积（m2)普通快滤池v=8~10m/h；周期T=12~24h在保证滤后水质前提下，设法提高滤速和工作周期，这一直是过滤技术研究的一个重要课题。并因此推动了过滤技术的发展。双层滤料v=10~14m/h；多层滤料v=18~24m/h。Qv§17-2过滤理论一、过滤机理筛滤机理设D=0.5mm,以球体计，d80μm。即80μm以下的颗粒都可以通过砂层。而经过混凝沉淀的进入滤池的最大颗粒尺寸一般为20~30μm之间，还有很多更小的颗粒，但滤池都能去除掉它们，说明不是“筛滤”的作用。筛滤的机理无法解释。经过多人研究，认为过滤主要是悬浮颗粒与滤料颗粒之间粘附作用的结果。水中的悬浮颗粒能够粘附与颗粒表面上，涉及两个问题：第一、被水流夹带的颗粒如何与滤料颗粒表面接近或接触，第二、它们接近时依靠那些力的作用，使它们粘附于滤料表面上。（一）颗粒迁移在过滤过程中，滤层孔隙中的水流一般属层流状态。被水流夹带的颗粒将随水流流线运动，它之所以会脱离流线而与滤料表面接近，完全是一种物理的力学作用。一般认为有以下几种作用引起：当颗粒尺寸较大时，处流线中的颗粒会直接碰到滤料表面产生拦截作用；颗粒的速度较大时会在重力的作用下脱离流线，产生沉淀作用；颗粒具有较大惯性时也可以脱离流线与滤料表面接触（惯性作用）；颗粒较小时，布朗运动较剧烈时会扩散至滤料表面（扩散作用）；在滤料表面附近存在速度梯度，非球体颗粒由于在速度梯度作用下，会产生转动而脱离流线与颗粒流线接触（水动力作用）。（二）颗粒粘附粘附作用是一种物理化学作用。当水中颗粒迁移到滤料表面时则在范德华引力和静电力相互作用下，以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力下，粘附于滤料颗粒表面上，或者粘附在滤料表面上原先粘附的颗粒上。此外，絮凝颗粒的架桥作用也会存在。粘附过程与澄清池中的泥渣所起的作用基本类似，不同的是滤料为固定介质，排列的紧密，效果好。因此，粘附作用主要决定于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质。未经脱稳的悬浮物颗粒，过滤效果很差，这就是证明。基于这一概念，过滤效果主要取决于颗粒表面的性质而无须增大颗粒尺寸。相反如果悬浮颗粒尺寸过大而形成机械筛滤作用，反而会引起表面滤料孔隙堵塞。（三）滤料层截留杂质的规律粘附力和水流剪力相对大小，决定了颗粒粘附和脱稳程度。如图：颗粒粘附力和平均水流剪力示意图。图中：Fa1表示颗粒1与滤料表面的粘附力；Fa2表示颗粒2与颗粒之间的粘附力；Fs1表示颗粒1所受到的平均水流剪力；Fs2表示颗粒2所受到的平均水流剪力。过滤开始阶段，滤层比较干净，孔隙率较大，孔隙流速小，水流剪力Fs1较小，因而粘附力作用占优势（大量杂质被滤层表面所截留）。随着过滤时间延长，滤层中杂质逐渐增大，以至最后粘附上的颗粒（图中颗粒3）将首先脱落下来，或者被水流夹带的后续颗粒不在有粘附现象，于是，悬浮颗粒便向下层推移，下层滤料截留作用渐次得到发挥。水中杂质进入滤层后，首先被第一层滤料截留大部分，少量“漏网”的杂质被下层的滤料所截留。过滤到一定时间后，表面滤料间孔隙率逐渐被杂质堵塞，严重时，由于表层滤料的“筛滤”结果，形成滤膜，使过滤阻力剧增。其结果，在一定过滤水头下，滤速将急剧减小，或滤膜产生裂缝时，大量水流将自裂缝中流出，造成局部流速过大而使杂质穿透整个滤层，出水水质恶化。这时尽管下层滤料还未发挥它们应有的作用，过滤也将被停止。（杂质在滤层中的分布情况见图）滤层含污能力：是指工作周期结束时，整个滤层单位体积滤料中所截留的杂质量，以kg/m3或g/cm3计，显然含污能力大，表明整个滤层所发挥的作用大。滤池在运转过程中，由于滤池出水水质恶化超过水质标准，而停止工作的滤池工作周期为水质周期T1。水质周期常常用实验得到，其实验方程为：k1、a—系数与水质有关（可根据周期反求）L0—滤层厚度；v—滤速；d—滤料直径。T1与L0成正比、与v成反比，与d成反比。(滤料粗，周期短）)(17.07.1011vaddvLkT二、过滤水力学一、清洁滤层的水头损失卡曼——康悉尼计算公式（Carman——Kozony)式中：h0—表示水头损失（cm）；—水的运动粘度(cm3/s)；g—重力加速度(cm/s2)；m0—滤料孔隙度；d0—与滤料体积相同的球体直径(cm)；l0—滤层厚度(cm)；v—滤速(cm/s)—滤料颗粒球度系数。实际滤层是非均匀滤料。计算非均匀滤层水头损失，可分成若干层，则各层水头损失之和为整个滤层总水头损失。02030200)1()1(180ldmmgh根据均质滤料层设粒径为di的滤料重量占全部滤料重量之比为pi，则清洁滤层总水头损失为：分层越多，计算精度越高。（分析：悬浮物杂质增多，m0，由H0公式知，当d0、l0、T已定时，如m0、H0不变v，反之v不变H0）这样就产生了等速过滤与变速过滤两种过滤方式。（二）等速过滤中水头损失的变化当滤池过滤速度保持不变，亦既滤池流量保持不变时，称“等速过滤”。niiidpvlmmghH120302000)/()1()1(180冲洗后刚开始过滤时，滤层水头损失H0，当过滤时间为t时，滤层水头损失增加Ht,于是过滤时滤池总水头损失为：式中：H0—清洁滤层水头损失cm;h—配水系统、承托层及管（渠）水头损失之和cm;Ht—在时间为t时的水头损失增值cm;式中的H0和h在整个过滤过程中不变。Ht随t增加而增大。Ht与t的关系，实际上反应了滤层截留杂质量与过滤时间的关系，亦既滤层孔隙率的变化与时间关系。由于过滤情况很复杂，目前虽然不少计算公式，但与生产实际都存在着差距。通过实验Ht与t一般呈直线关系。（见下图）ttHhHH0图中Hmax为水头损失增值为最大时的过滤水头损失。设计时应根据技术经济条件决定，一般为1.5~2.0m。图中T为过滤周期。如果不出现滤后水质恶化等情况，过滤周期不仅决定于最大允许水头损失、还与滤速有关，设滤速v‘v，其清洁砂层水头损失为H0‘一方面H0‘H0，同时单位时间内被滤层截留的杂质量较多，水头损失增加也较快，tg‘tg，因而，过滤周期T’T。其中已忽略了承托层及配水系统、管（渠）等水头损失的微小变化。当过滤水头损失达到最大允许水头损失Hmax，过滤既告终止。令：T‘=T2，T2—压力周期（是由水头损失达最大允许水头损失而结束的过滤周期）HHH0T实验方程：k2、b系数，通过实验确定；T2与hmax、d成正比；与v、l0成反比，l厚，t2短。（三）变速过滤中的滤速变化滤速随过滤时间而逐渐减小的过滤称“变速过滤”或“减速过滤”。在过滤过程中，如果过滤水头损失始终保持不变，由前H0公式可知，滤层孔隙的逐渐减小（m0),必然使滤速逐渐减小（v），这种情况称为“等水头变速过滤”。变速过滤的特点：与等速过滤相比，在平均滤速相同的情况下：1.减速过滤的滤后水质好；2.在相同过滤周期内，过滤水头损失较小。3.相反，滤层内截留杂质较多时，虽然滤速降低，但因滤层孔隙率减小，孔隙流速未必减小。)(1102max5.022lvbdhdkT此图为一组4座滤池滤速的变化如一组中滤池个数更多就接近连续曲线了。（四）滤层中的负水头（滤层中的压力变化）1.何为负水头现象在过滤过程中，滤层截留了大量的杂质以至砂面以下某一深度处的水头损失，超过该处水深时，便出现了负水头现象。各水压线与静水压力线之间水平距离表示过滤时滤层中的水头损失。2.负水头对过滤的影响及破坏作用:负水头会导致溶解于水中的气体释放出来而形成气囊。气囊对过滤有破坏作用：（1）减少有效过滤面积，使过滤时的水头损失及滤速增加，严重时会破坏滤后水质；（2）气囊会穿透滤层上升，有可能将部分细滤料或轻质滤料带出，破坏滤层结构，反洗时，气囊更易将滤料带出滤池。3.解决的办法：（1）增加砂层上的水深；（2）滤池出口位置等于或高于滤层表面。（虹吸滤池和无阀滤池所以不会出现负水头现象就是这个原因）一旦出现负水头现象，首先必须停池。（五）改善滤池过滤过程的途径1.反粒度过滤设滤料的粒径循水流方向逐渐减小，使水流经过粗滤料，再经过细滤料，既所谓“反粒度”过滤。2.上向流过滤滤料的粒径仍由上而下逐渐增大，但自滤池下部进水，上部出水，成反粒度过滤方式，起作用的是粗滤料粒径。上向流过滤即可加大周期或加大滤速，当滤速较高时，水使砂层悬浮起来，为了稳定滤层加格网，构造较复杂。缺点是：冲洗时滤层膨胀受到格网限制，增加冲洗困难，影响冲洗效果，反冲洗时，卵石上的泥冲不净，露天的滤池得想办法防止树叶等杂物堵塞孔眼。方法是可行的，但有各种各样的问题，没有得到推广。3、双向流过滤水从上、下进入，而从中间引出，由正向流和反向流组成，解决了滤料的悬浮问题，由于有上向流，同样的缺点而没有推广。4.双层、多层滤料过滤双层滤料，上层采用的是重力较小的无烟煤，下层采用的是重力较大的石英砂，在反冲洗后要保持分层状态，不混杂。70年代我国也出现了三层滤料：上层：无烟煤0.8~2.0mm=1.4~1.7中层：石英砂0.5~0.8mm=2.6下层：磁铁矿0.25~0.5mm=4.7下层也可采用石榴石。可以大大提高滤速，有很大的经济意义。5.粗滤料过滤d增大，粗滤料颗粒可提高滤层的含污能力，增大压力周期，有的粒径可达1.0~2.0mm，同时要增大滤层厚度，粗滤料反冲的水量大，限制了滤料过粗。6.均质滤料的组成均质滤料是指沿整个滤层深度方向任意横断面上，滤料组成和平均粒径均匀一致。要做到这一点，必要的条件是反冲洗滤料层不能膨胀。当前应用较多的气、水反冲洗滤池就属于均质滤料滤池，这种均质滤料层的含污能力大于上细、下粗的级配滤层。7.辐流式过滤中间进水，辐射流经砂层。一般滤池，流速太大，影响水质，这样v不能提的太高。（国外滤速5m/h）滤速进口速度高，出口流速小，得到优质的过滤水，把高滤速、优质水结合起来了，但要解决好配水。（六）直接过滤原水不经沉淀池而直接进入滤池过滤称“直接过滤”。直接过滤充分体现了滤层中特别是滤料中接触凝聚或絮凝的作用。不过“接触过滤”因投药点和混合条件不同而不易控制进入滤池的微絮粒尺寸，要求形成的絮凝体尺寸较小，便于深入滤层深处以提高滤层的含污能力。以上两种絮凝时间一般较短，通常在几分钟之内。采用直接过滤工艺必须注意以下几点：1.原水水质较稳定，浊度在100º以下，最好40º~50º。2.易采用双层、三层滤料，增大滤层厚度、增大d，使孔隙率加大。3.控制进入滤池前絮凝体絮粒，可在滤池进口之前附近投加助凝剂（活化硅酸及聚丙烯酰胺等），提高絮粒强度和粘附力。4.滤速根据原水水质、不易太大，一般控制在5m/h,最好由试验决定。直接过滤特点：1.工艺简单；2.混凝剂用量少；3.易于处理低温低浊水。§17-3滤料和承托层一、滤料（一）对滤料的要求给水处理