给水工程(过滤消毒)

南京大学环境学院2009年5月22日给水工程(五)吴军给水处理—过滤消毒第17章过滤•过滤概述•过滤理论•滤料和承托层•滤池冲洗•普通快滤池•无阀滤池•其它形式滤池过滤概述(1)•过滤的作用–进一步降低水的浊度，从而去除依附于悬浮物的细菌、病毒和有机物等；–为后续的消毒工艺创造有利条件：滤后水中残余的细菌和病毒等由于失去悬浮物的保护将容易被杀灭。过滤概述(2)•普通快滤池的工作过程包括过滤和冲洗两部分过滤理论(1)•过滤机理–颗粒迁移机理：物理-力学作用；–颗粒粘附机理：物理化学作用；范德华力、静电引力、化学鍵、吸附架桥作用过滤理论(2)•滤层内杂质分布规律–过滤初期：滤料较干净，孔隙率大，孔隙流速较小，因而粘附作用占优势；–随着过滤时间延长，截留杂质量逐渐增加，孔隙率变小，孔隙流速变大，水流剪力逐渐增大，导致最后粘附的颗粒会脱落或杂质颗粒被水流挟带进入下层滤料，从而使下层滤料的截留作用渐次得以发挥；问题：往往下层滤料的截留作用远未得到充分发挥时过滤就被迫停止？原因：反冲洗的水力分层使表层滤料的粒径最小截留杂质量最大，而孔隙尺寸最小，导致孔隙堵塞，阻力剧增•双层滤料：上层采用密度较小、粒径较大的轻质滤料如无烟煤，下层采用密度较大、粒径较小的重质滤料如石英砂；•三层滤料：上层为大粒径、小密度的轻质滤料如无烟煤，中层为中等密度的滤料如石英砂，下层为小粒径、大密度的重质滤料如石榴石；•均质滤料：指沿整个滤层深度方向的任一横断面上，滤料组成和平均粒径均匀一致，即在反冲洗时不出现水力分层现象，通常采用气水反冲洗；解决办法过滤理论(3)•原水直接过滤：即原水不经沉淀直接过滤；–接触过滤：原水加药后直接进入滤池；–微絮凝过滤：滤前设微絮凝池，原水加药后经微絮凝形成微絮体后再进入滤池；原水直接过滤的适用条件：原水浊度和色度较低且变化较小。要求常年原水浊度低于50度；通常采用二层或三层滤料，滤料粒径和厚度适当增大，否则易堵塞；原水进入滤池前均不应形成大的絮凝体；浊度偏高时应采用较低滤速，反之亦然；过滤理论(4)•过滤水力学–清洁滤层水头损失(卡曼-康采尼公式)：vldmmgh02030200)1()1(180水头损失与滤层厚度及滤速的一次方成正比水头损失与孔隙率及粒径成反比•实际滤层为非均匀滤料，可按筛分曲线分成若干层，整个滤层总水头损失即为各层水头损失之和：niiidpvlmmghH1202302000)()1()1(180随着过滤时间延长，孔隙率减小，则在水头损失不变的条件下，将引起滤速减小；若滤速保持不变，则水头损失将增大。等速过滤•维持滤池滤速不变，相应过滤水头不断增加称为等速过滤，也叫变水头过滤。虹吸滤池和重力无阀滤池即属于等速过滤。ttHhHH0变速过滤•滤速随时间不断减小的过滤称为变速过滤或减速过滤。也叫等水头过滤。如移动罩滤池或多池成组运行的快滤池可以实现近似的等水头变速过滤。滤层中的负水头现象•在过滤过程中，当滤层截留了大量杂质导致滤料某一深度的水头损失超过该处水深时，便会出现负水头现象。负水头现象的危害•导致溶解于水中的气体释放并形成气囊；•气囊会减小有效的过滤面积，增加孔隙流速和过滤水头损失，严重时影响滤后水质；•气囊上升可能带走轻质滤料，破坏滤层结构；解决办法：使滤池出口位置等于或高于滤层表面。滤池滤料(1)•滤料质量要求：–具有足够的机械强度，防止冲洗时产生磨损和破碎现象；–具有足够的化学稳定性，以免影响水质；–具有一定的颗粒级配和适当的孔隙率；–应尽量就近取材，且货源充足，价格便宜；滤池滤料(2)•滤料级配：是指滤料中各种粒径颗粒所占的重量比例。•滤料级配的表示方法：(1)以有效粒径d10和不均匀系数K80表示滤料级配108080ddK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(2)采用最大粒径、最小粒径和不均匀系数来表示滤料级配滤池滤料(3)•滤料筛选方法：筛分实验–取某天然河砂300g，洗净后于105烘干，冷却后称取100g，用一组筛子过筛，分别称出留在各个筛子上的砂量，填入下表。筛分实验可以满足生产要求滤池滤料(4)•滤料等体积球体直径：306nGd滤池滤料(5)•滤料孔隙率的测定VGm1滤池滤料(6)•滤料形状因素对水头损失及滤层孔隙率均有影响，但至今还没有一种满意的方法可确定不规则颗粒的形状系数。•球度系数Φ：颗粒实际表面积同体积球体表面积承托层•作用：防止滤料从配水系统中流失，同时对均布冲洗水有一定的作用。•常用大阻力配水系统承托层的粒径和厚度：•为防止反冲洗时承托层移动，美国对单层和双层滤料滤池有采用“粗-细-粗”的砾石分层方式。•冲洗目的：清除滤层中所截留的污物，使滤池恢复过滤能力。•快速滤池冲洗方法：–高速水流反冲洗；–气、水反冲洗；–表面助冲加高速水流反冲洗；滤池冲洗高速水流反冲洗(1)•原理：利用流速较大的反向水流使滤层达到流态化，且具有一定的膨胀度。截留于滤层中的杂质在水流剪力和滤料颗粒摩擦碰撞的双重作用下，从滤料表面脱落，随水流被带出滤池。冲洗流速是否越大越好高速水流反冲洗(2)•冲洗控制参数：–冲洗强度：单位面积滤层通过的冲洗流量；–滤层膨胀度：反冲洗时滤层膨胀后所增加的厚度与膨胀前厚度之比；–冲洗时间；滤层膨胀度e%10000LLLemmme10由于膨胀前后单位面积上滤料体积不变生产上反冲洗参数的经验值冲洗强度与水头损失的关系20300002030201175.1)1()1(150vLmmdgvLdmmgh欧根公式•在滤层未膨胀前，滤层水头损失可用欧根公式计算，且与反冲洗流速成正比。•当滤层悬浮起来，悬浮状态下滤料对水流的阻力等于它们在水中的重力。LmhLmggghss)1()1)((00)1(Lmhs冲洗强度与膨胀度的关系11)1()(15011)(75.130020230vmmdgvmdgss54.0077.131.2054.031.10)1()1()(4.29memedq冲洗强度的确定•对于非均匀滤料，在一定冲洗流速下，粒径小的膨胀度大，粒径大的膨胀度小，因此不可能同时满足粗细滤料膨胀度的要求设计或操作中以最粗滤料刚开始膨胀作为确定冲洗强度的依据mfkvq10非均匀滤料膨胀度计算(1)•非均匀滤料总的膨胀度计算可将滤层分成若干层，每层按均匀滤料考虑，各层滤料膨胀度之和即为总的膨胀度%1001)1(1niiiepe非均匀滤料膨胀度计算(2)•另外一种计算方法是以滤料当量粒径deq代入前面冲洗流速与膨胀度关系的公式中求得。此法所得精度稍差。•当量粒径：niiiieqddpd1'''21气水反冲洗(1)•气水反冲洗的优点：–节省冲洗水量；–提高冲洗效果；–冲洗时滤层仅有轻微膨胀，冲洗结束后滤层不产生明显分层，可提高滤层截污能力；–因气泡可使污物破碎和脱落，故可降低水冲强度，采用“低速反冲”；缺点：需要增加气冲设备；池子结构及冲洗操作相对复杂；气水反冲洗(2)•气水反冲洗操作常见的几种形式：•气冲强度：10-20L/(s·m2)；•水冲强度：3-4L/(s·m2)；•总的反冲洗时间约10分钟；反冲洗配水系统•反冲洗配水系统的要求：使冲洗水在整个滤池面积上均匀分布；•配水系统的基本形式：–大阻力配水系统；–小阻力配水系统；–中阻力配水系统；大阻力配水系统大阻力配水系统水力计算•大阻力配水系统干管及支管均可看成沿途均匀泄流管道hgvHH2212沿程均匀泄流管道末端压力水头为：沿程均匀泄流管道水头损失为：231aLQh代入上式得：gvDLnHH2)5.411(233.1212时当0)5.411(33.12DLn•沿程均匀泄流管道末端压力水头大于起端压力水头，即要求：33.1006.0LD配水系统中能量变化•研究配水系统入口点a和末稍端点c压力水头之间的关系：–假定干管和支管沿程水头损失忽略不计；–各管道入口局部水头损失相等；)(21220aacvvgHH大阻力配水系统工作原理•在大阻力配水系统中，如果压力水头相差最大的a点和c点出流量相等，则可以认为配水均匀，这两点出流的水头损失为：)(21220''aacvvgHH2''21'2'21')()(ccaaQSSHQSSH而gvvSSQSSSSQaac2)(1220''212''21'21•此式可见两孔口流量相等是不可能的，但可以尽量接近，方法之一是增大孔口阻力系统S1，从而削弱其它因素对配水不均匀的影响。这也是大阻力配水系统名称的原由。•按照孔口出流的公式：)(21220aaacavvgHHQQ•若要Qa/Qc接近1，如为0.95，则95.0)(21220aaavvgHHgvvHaa29220得大阻力配水系统设计要求小阻力配水系统•大阻力配水系统的特点和不足：配水均匀性好，但结构复杂；孔口水头损失大造成动力消耗大；冲洗水头有限的虹吸滤池和重力无阀滤池不能采用。•小阻力配水系统的原理：通过减小干管和支管的沿程水头损失来实现配水的均匀性大阻力、中阻力、小阻力配水系统开孔比的特征开孔比大阻力配水系统0.20-0.25%中阻力配水系统0.60-0.80%小阻力配水系统1.0-1.5%常见中、小阻力配水系统构造重力式无阀滤池工作原理V型滤池工作原理•详见CAD图第18章消毒•消毒的主要目的：消除水中致病微生物，消毒工艺是生活饮用水安全和卫生的最后保障。•主要消毒方法–氯及氯化物消毒；–臭氧消毒；–紫外线消毒；–某些重金属离子消毒；氯消毒原理•氯易溶于水，溶解于水后发生下列反应：•氯消毒的作用机理一般认为是中性的次氯酸可以扩散到带负电的细菌表面，并进入细胞内部，氧化细菌的酶系统，从而杀死细菌。当水中存在氨时，加氯后反应如下：•氯胺也有消毒作用，但作用比较缓慢，需要接触时间长，因此氯胺也称为化合性氯或结合氯，而以次氯酸形式存在则称为自由性氯或游离性氯。加氯量•水中的加氯量由需氯量和余氯量两部分组成：–需氯量是灭活水中致病微生物所消耗的氯；–余氯量是为了抑制水中残余微生物再度繁殖，管网中尚需要维持的少量的氯；•我国饮用水标准规定出厂水游离性余氯在接触30分钟后不能低于0.3mg/L，而管网末稍不能低于0.05mg/L。加氯量与余氯量的关系折点加氯•当水中有机物主要为氨和氮化物时，余氯量的变化相对复杂：加氯量•当原水游离氨小于0.3mg/l时，通常加氯量控制在折点后；•当原水游离氨大于0.5mg/l时，加氯量可控制在峰点以前；•原水污染较严重时，通常采用折点加氯，可降低出水色度，去除恶臭，降低水中有机物含量。加氯位置•滤后加氯是最常用的加氯点和加氯方式，加氯量较少；•滤前加氯也叫预氯化，可以氧化水中有机物，提高絮凝效果，但对于微污染的原水，由于可能产生消毒副产物，所以不提倡滤前加氯；•中途补氯主要针对城市管网延伸较长时，为保证管网末稍的余氯量，通常在加压泵站补氯；加氯消毒存在的问题•氯与水中有机物反应生成三卤甲烷等“三致物质”。加氯设备二氧化氯消毒的优点•消毒能力比氯强，在相同条件下投加量比氯少；•不与水中有机物作用生成三卤甲烷；•在管网中能够保持很长时间，其衰减速度比氯慢；•由于它不消解，所以消毒效果受pH影响较小；•因为是氧化剂，能够有效降低水的色度、嗅及铁锰等物质；二氧化氯消毒的问题•二氧化氯本身及其副产物对人体血红细胞有损害；•对人的神经系统及生殖系统有损害；二氧化氯的制备•用酸与亚氯酸钠反应水的冷却•冷却构筑物类型；•冷却塔的工艺结构；•水冷却的理论基础；冷却构筑物类型•冷却构筑物类型大体分为三类：–水面冷却池；–喷水冷却池；–冷却塔；•冷却塔分类：–湿式(敞开式)；–干式(密闭式)；–干湿式(混合式)；湿式冷却塔分类冷却塔的工艺结构•热水分配装置：–配水系统；–淋水填料；•通风及空气分配装置：–风机；–风筒；–进风口；•其它装置：–集水