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第四章、过滤第一节、概述水处理中的过滤一般是指借助网状材料或粒状介质截留水中杂质，使水获得澄清的过程。通过网状材料的过滤称表面过滤；通过粒状介质的过滤称深层过滤。在这里我们主要介绍深层过滤。一、过滤功能过滤工艺的主要目的是去除水中悬浮物质，但由于不少细菌和病毒依附于悬浮物质，因而过滤工艺对去除细菌和病毒也有明显作用。由于过滤是给水常规处理中除消毒外的最终处理工艺，因此对确保供水水质具有重要作用。1、进一步去除经过沉淀或澄清后的水中的细小杂质、有机物、细菌和病毒等。2、当原水浊度较低时，可直接过滤去除水中的悬浮杂质。二、滤池分类完成过滤工艺的处理构筑物称滤池。早期应用的滤池．其过滤速度极慢，称为慢滤池（滤速v＝0.1～0.3m/h）。随着冲洗方式的改进，过滤速度明显提高，目前应用的滤池绝大多数均为快滤池（滤速v＝8～10m/h）。1、滤池可按不同方式进行分类①按滤料的不同可分为单层滤料、双层滤料、多层滤料及均质滤料（均质滤料指沿着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）等滤池。②按水流方向的不同可分为下向流、上向流、双向流等滤池。③按滤池受压情况可分为压力式滤池和重力式滤池。④按药剂投加方式不同可分为沉淀后过滤、微絮凝过滤和接触絮凝过滤。微絮凝过滤和接触絮凝过滤均属于直接过滤方式。微絮凝过滤指在滤池前端设一简易微絮凝池，原水加药混合后经过微絮凝池形成微絮凝体后，即刻进入滤池过滤；接触过滤指原水加药后直接进入滤池过滤，滤前不设任何絮凝设备。⑤按运行周期内滤速的变化可分为等速过滤和降速过滤。上述分类系从各种不同角度出发所作的区分，组合后可形成各种类型滤池滤池也可适用不同的要求，如普通快滤池可以是单层滤料，也可以是双层滤料。2、滤池型式选用滤池型式的选用应根据进水水质、生产能力、流程布置、设备条件以及操作水平和管理经验等确定。目前常用的滤池型式有：普通快滤池、双阀滤池、重力式无阀滤池、虹吸滤池、移动冲洗罩滤池、V型滤池等。三、.快滤池的构造和工作过程1、构造普通快滤池的构造见图4－1。其构造主要由池体、管廊、进水管、清水管、反冲洗水管、洗砂排水槽、排水管、放空管等组成。2、工作过程（1）过滤过程过滤水头损失h＝2.0～2.5m，滤池出水浊度≤3NTU。（2）冲洗过程快滤池工作周期＝滤池从过滤开始到冲洗结束所需时间＝过滤周期＋冲洗时间过滤周期＝滤池从过滤开始到过滤结束图4－1普通快滤池构造图第二节、过滤理论一、过滤机理对于普通石英砂滤料来说，滤料粒径通常为0.5～1.2mm，滤料层厚度为700mm，表层粒径最小，为0.5mm，以球体计算，则表层颗粒间孔隙尺寸约为80m。原水经过混凝沉淀后，进入滤池的水中的颗粒直径大致为30～40m，这些颗粒能被滤池截留下来，说明过滤不是简单的机械筛滤过程。苏联专家认为：起主要作用的是接触絮凝，即脱稳颗粒与滤料碰撞吸附，而筛滤与沉淀机理次之。欧、美专家认为：过滤机理主要有两个，即迁移机理和粘附机理。1、迁移机理迁移机理指颗粒脱离水流流线接近或接触滤料表面。这是一种物理力学作用，主要由以下作用引起：（1）拦截：直径为d的颗粒，在d/2的范围内被滤料拦截。（2）沉淀：颗粒较重时，在重力G作用下沉淀在滤料表面。（3）惯性：颗粒在惯性力F作用下脱离了水流流线接近滤料表面。（4）扩散：小颗粒受水分子挤压而扩散至滤料表面。（5）水动力：水的紊动作用，存在速度梯度，使颗粒脱离水流流线接触滤料表面。综合起来分析，悬浮颗粒粒径d在1m左右，扩散作用占主导作用；d大于10m，沉淀作用占主导；d越大，拦截作用越明显。这些迁移机理只能定性描述，其相对作用大小尚无法定量估算，其影响因素比较复杂，有滤料尺寸、形状、滤速、水温、水中颗粒尺寸、形状和密度等。2、粘附机理粘附机理指水中杂质颗粒迁移到滤料表面时，在范德华引力、静电力、化学键等作用下，被粘附在滤料表面。这是一种物理化学作用。粘附机理与接触絮凝类似，接触介质为粒状滤料，排列紧密，絮凝效果更好。因此，粘附机理主要决定于水中颗粒的表面特性，脱稳颗粒过滤效果较好，而未经脱稳的悬浮物颗粒的过滤效果很差。二、滤料层截留杂质规律下面以单层石英砂滤料为例，来分析滤料层内所截留的杂质的分布规律。1、截留过程如图4－2所示，水中颗粒被粘附在滤料表面的同时，还存在着由于水流对颗粒的剪切作用而使颗粒从滤料表面上脱落的趋势。粘附力和水流剪力的大小，决定了颗粒粘附和脱落的程度。当粘附力＞水流剪力时，粘附占优势；粘附力＜水流剪力时，脱落占优势。（1）过滤初期过滤初期滤料层孔隙率大，孔隙流速小，水流剪力小，则粘附占优势。（2）过滤继续随着过滤时间的延长，滤料层中截留杂质逐渐增多，滤料层的孔隙变得越来越小，孔隙流速越来越大，水流剪力逐渐增大，则脱落逐渐占优势。于是，脱落下来的杂质逐渐向下层推移，使下层滤料的截留作用渐次得到发挥。2、杂质分布规律滤料经过反冲洗后因滤料膨胀而分层，滤料颗粒上细下粗，造成水力分级。在过滤过程中，上层截留的杂质最多，表层水头损失约占整个滤料层水头损失的50％～60％（如图4－3所示）。由于滤料表层孔隙尺寸最小，而表层截污量最大，所以过滤一段时间后，表层孔隙被堵塞，甚至形成泥膜，使过滤阻力剧增，或者泥膜破裂，使水质恶化，从而必须停止过滤。此时，下层滤料截留杂质较少，未充分发挥滤料的截污作用。这就是单层石英砂滤料截留杂质分布规律中存在的缺陷。图4－2杂质颗粒粘附和脱落受力示意图图4－3滤层截留杂质后水头损失水力分级3、改善措施针对单层石英砂滤料截留杂质分布严重的不均匀，使下层滤料未充分发挥作用的现象，可采取以下措施，来提高滤层含污能力。穿透深度：指滤池的某一深度处，在过滤结束后，该处的出水浊度为3度，则这个深度称为穿透深度。在实际设计时，应使滤料层的厚度大于穿透深度。滤层含污能力：指一个过滤周期内，整个滤料层上单位体积滤料中所截留的杂质量。（1）反粒度过滤反粒度过滤指过滤时，滤料层中滤料粒径顺水流方向由大变小，以提高滤层含污能力的过滤方式。反粒度过滤方式有以下几种：①上向流过滤：杂质分布较均匀，可提高滤层含污能力，延长过滤周期，但冲洗不干净。②双向流过滤：结构比较复杂，很少采用。③双层滤料滤池：滤料为无烟煤和石英砂。④三层滤料滤池：滤料为无烟煤、石英砂和磁铁矿。（2）均质滤料均质滤料滤池沿深度方向不会出现水力分级，滤料组成和平均粒径沿深度方向基本均匀一致。保证滤料均匀的必要条件是反冲洗时滤料不膨胀，一般采用气水反冲洗。（3）纤维球滤料采用纤维球滤料时，对于下层的滤料由于受水压力而收缩，使粒径变小，形成天然反粒度过滤。一般滤速v＝30～50m/h，常用于工业水处理。三、过滤水力学1、清洁滤层水头损失清洁滤层水头损失指通过干净滤层的水头损失，又称起始水头损失，记为h0，h0的计算公式为卡曼－康采尼（Carman-Kozony）公式：vldmmgh02030200)1()1(180（4－1）070截污量（g/cm3）滤层后H（cm）一般单层石英砂滤池的h0＝20～40cmH2O。对于非均匀滤料，清洁滤层水头损失应该分层计算，清洁滤层总水头损失为：)/()1()1(1802102302000iniidpvlmmghH（4－2）由公式（4－1）和（4－2）知道，当滤料粒径、形状、滤层级配和厚度以及水温已定时，水头损失H与滤速v和孔隙率m0有如下关系：00mvH（4－3）随着过滤的进行，如果孔隙率m0因滤层截污量增加而使m0下降，则会发生下面两种情况：（1）保持水头损失不变→滤速v逐渐减小→由此产生变速过滤（减速过滤）（2）保持滤速不变→水头损失逐渐增大→由此产生等速过滤等速过滤和变速过滤是滤池的两种基本过滤方式。2、等速过滤等速过滤指滤池过滤时滤速保持不变，即滤池流量保持不变。这里滤速不变是指流量中的行径流速不变，而不是滤料的孔隙流速。等速过滤的滤池有虹吸滤池和无阀滤池。在等速过滤状态下，水头损失随时间而逐渐增加，滤池中水位逐渐上升，见图4－4。当水位上升至最高允许水位时，过滤停止以待冲洗。设滤层清洁水头损失为H0，当过滤时间为t时，滤层中水头损失增加tH，则过滤时滤层的总水头损失为：ttHhHH0（4－4）式中h为配水系统、承托层及管（渠）水头损失之和。tH与t的关系，反映了滤层截留杂质量与过滤时间的关系，即滤层孔隙率的变化与时间的关系。根据实验，tH与t一般呈直线关系，见图4－5。图中Hmax为水头损失增值最大时的过滤总水头损失，一般Hmax＝1.5～2.0m。T为过滤周期，T不仅决定于最大允许水头损失，还与滤速有关。图4－4等速过滤图4－5水头损失与过滤时间关系3、变速过滤变速过滤指滤速随过滤时间而逐渐减小的过滤方式，又称减速过滤。减速过滤的滤池有普快滤池和移动罩冲洗滤池。在过滤过程中，滤池内水位保持不变，滤速随时间逐渐较小，但滤池进水总流量基本不变，在每座滤池中实现恒水头减速过滤是不可能的，只有在分格数很多的移动冲洗罩滤池中有可能达到近似的恒水头减速过滤状态。在变速过滤中，当某一格滤池刚冲洗完毕投入运行时，因该格滤层比较干净，滤速往往过高，为防止滤后水质恶化，一般在出水管上设置流量控制设备，保证过滤周期内的滤速比较均匀，从而也可以控制清洁滤层的起始滤速。4、负水头负水头指在过滤过程中，滤层截留了大量的杂质，以致于砂面以下某一深度处的水头损失超过该处水深的现象。负水头现象见图4－6。由于上层滤料截留杂质最多，故水头现象往往出现在上层滤料中。图4－6过滤时滤层内压力变化v2v1HHmaxH0+h0T1T2t（1）负水头产生后果①负水头使水中溶解气体释放出来形成气囊，因而占有滤料孔隙中的一定空间而缩小过水断面，从而增大阻力，水头损失增大而使过滤周期缩短。②在冲洗时，气囊与滤料颗粒吸附在一起，会上浮带出滤料，破坏滤层结构。（2）避免产生负水头的方法①增加砂面以上水深。②使滤池出水口位置等于或高于滤层表面。第三节、滤池冲洗一、概述1、冲洗的作用滤池在过滤过程中不断截留悬浮物质，过滤水头不断增大，当滤层过滤水头超过规定值，或出水水质超过标准时，必须进行滤层的冲洗。冲洗的作用：去除滤层中的截留杂质，以恢复滤池过滤能力。2、冲洗机理（1）水流的剪切力作用（2）滤料颗粒之间的碰撞摩擦作用（3）若采用气水反冲洗的冲洗方式，还有两种作用：1）泡振作用力，即压缩空气冲洗时，气泡引起振动，使杂质吸附强度减弱，泥层剥落。2）尾涡混掺力，可加强剪切和碰撞。对于单纯水流冲洗，由于滤料表面的一次污泥层吸附比较紧密，很难靠剪力和摩擦力将其冲走，时间长了，滤料上积泥较多，会成为泥毯，只能更换滤料。而气水反冲洗中，气水通道大于水的通道，且在上升过程中存在振动，气泡形状近似于帽形，形成尾迹区，又出现正压区和负压区，产生尾涡混掺力，能将一次污泥层冲洗干净，故冲洗效果好。3、冲洗要求（1）有适当的冲洗强度；（2）保证足够的冲洗时间；（3）冲洗水要求均匀分布；（4）冲洗的废水应及时排除。4、冲洗方法（1）水力冲洗水力冲洗是高速水流反冲洗，即利用流速较大的反向水流冲洗滤料层，使整个滤层达到流态化状态的冲洗方式，冲洗过程中要求有一定膨胀度。高速水流反冲洗是一种传统冲洗方法。（2）水力冲洗＋表面辅助冲洗表面辅助冲洗：1）滤池表面上设喷嘴喷水辅助冲洗；2）滤池表面通以压缩空气辅助冲洗。（3）气水反冲洗气水反冲洗指利用上升空气气泡的振动有效的将附着于滤料表面的污物擦洗下来使之悬浮于空中，然后再用水反冲洗，将污物排出池外的冲洗方式。由于气体在滤料层中通量较大，容易使滤料表面污物破碎、脱落，可大大降低水流冲洗强度，节省冲洗水量，且提高冲洗效果。气水反冲洗操作方式有三种：1）先用空气反冲洗，然后用水反冲洗。2）先用气－水同时反冲洗，然后再用水反冲洗。3）先用空气反冲洗，然后用气－水同时反冲洗，最后再用水单独冲洗。通常第三种方法采用最多，效果最好。二、滤层膨胀度滤层膨胀度指反冲洗时，滤层膨胀后所增加的厚度与膨胀前厚度之比。用公式表示为：%10000LLLe（4