第五章深层过滤

第五章深层过滤过滤是去除悬浮物，特别是去除浓度比较低的悬浊液中微小颗粒的一种有效方法。过滤时，含悬浮物的水流过具有一定孔隙率的过滤介质，水中的悬浮物被截留在介质表面或内部而除去。根据所采用的过滤介质不同，可将过滤分为下列几类。（1）格筛过滤过滤介质为柳条或滤网，用以去除粗大的悬浮物，如杂草、破布、纤维、纸浆等，其典型设备有格栅、筛网和微滤机。（2）微孔过滤采用成型滤材，如滤布、滤片、烧结滤管、蜂房滤芯等，也可在过滤介质上预先涂上一层助滤剂（如硅藻土）形成孔隙细小的滤饼，用以去除粒径细微的颗粒。其定型的商品设备很多。（3）膜过滤采用特别的半透膜作过滤介质在一定的推动力（如压力、电场力等）下进行过滤，由于滤膜孔隙极小且具选择性，可以除去水中细菌、病毒、有机物和溶解性溶质。其主要设备有反渗透、超过滤和电渗析等。（4）深层过滤采用颗粒状滤料，如石英砂、无烟煤等。由于滤料颗粒之间存在孔隙，原水穿过一定深度的油层，水中的悬浮物即被截留。为区别于上述三类表面或浅层过滤过程，将这类过滤称之为深层过滤，简称过滤。在给水处理中，常用过滤处理沉淀或澄清池出水，使滤后出水浑浊度满足用水要求。在废水处理中，过滤常作为吸附、离子交换、膜分离法等的预处理手段，也作为生化处理后的深度处理，使滤后水达到回用的要求。常用的深层过滤设备是各种类型滤池。按过滤速度不同，有慢滤池（0.4m/h）、快滤池（4～10m/h）和高速滤池（10～6Om/h）三种；按作用力不同，有重力滤池（水头为4～5m）和压力滤池（作用水头15～25m）两种；按过滤对水流方向分类，有下向流、上向流、双向流和任向流滤池四种；按滤料层组成分类，有单层滤料、双层滤料和多层滤料滤池三种。普通快滤池是常用的过滤设备，也是研究其他滤池的基础。因此本章主要讨论快滤池，其他类型过滤设备分述于有关章节。第一节普通快滤池的构造图5-1为普通快滤池的透视与剖面示意图。快滤池一般用钢筋混凝土建造，池内有排水槽、滤料层、垫料层和配水系统；池外有集中管廊，配有进水管、出水管、冲洗水管、冲洗水排出管等管道及附件。过滤时，加入凝聚剂的浑水自进水管经集水渠、排水槽进入滤池，自上而下穿过滤料层、垫料层，由配水系统收集，并经出水管排出．此时开F1、F2，关F3、F4、F5。经过一段时间过滤，滤料层截留的悬浮物数量增加；滤层孔隙率减小，使孔隙水流速增大，其结果一方面造成过滤阻力增大，另一方面水流对孔隙中截留的杂质冲刷力增大，使出水水质变差。当水头损失超过允许值，或者出水的悬浮物浓度超过规定值，过滤即应终止，进行滤池反冲洗。反冲洗时，开F3、F4，关F1、F2。反冲洗水由冲洗水管经配水系统过入滤池，由下而上穿过垫料层，滤料层，最后由排水槽经集水渠排出。反冲洗完毕，又进入下一过滤周期．一、滤料滤料是滤池的核心部分，它提供悬浮物接触凝聚的表面和纳污的空间，工业滤料应满足下列要求：①有足够的机械强度，在冲洗过程中不因碰撞、摩擦而破碎。②有足够的化学稳定性，不溶于水，对废水中化学成分足够稳定，不产生有害物质。③具有一定的大小和级配，满足截留悬浮物的要求。④外形近乎球形，表面粗糙，带有棱角，能提供较大的比表面和孔隙率。⑤价廉，易得。在水处理中最常用的滤料有石英砂、无烟煤粒、石榴石粒、磁铁矿粒、白云石粒、花岗岩粒以及聚苯乙烯发泡塑料等，其中以石英砂使用最广。砂的机械强度大，相对密度2.65左右，在PH值为2.1～6.5的酸性水环境中化学稳定性好，但水呈碱性时，有溶出现象。无烟煤的化学稳定性较石英砂好，在酸性、中性及碱性环境中都不溶出，但机械强度稍差，其它应因产地不同而有所不同，一般为1.4～1.9。大密度滤料常用于多层滤料滤池。其中石榴石和磁铁矿的相对密度大于4.2，莫氏硬度大于6。滤池滤料的粒径和级配应适应悬浮颗粒的大小和去除效率要求。粒径表示滤料颗粒的大小，通常指能把滤料颗粒包围在内的一个假想的球体的直径。级配表示不同粒径的颗粒在滤料中的比例，滤料颗粒的级配关系可由筛分试验求得；取一定滤料试样，置于105℃的恒温箱中烘干，准确称量后置于一组分样筛中过筛，最后称出留在每一筛上的颗粒重量，以通过每一筛孔的颗粒重量占试样总重量的百分数为纵坐标，以对应的筛孔孔径为横坐标作图，得如图5-2所示的滤料级配曲线。根据级配曲线，可以确定滤料的有效粒径和不均匀系数两个参数。有效粒径表示通过10％滤料质量的筛孔直径，记作d10。在图5-1中，d10＝0.53mm。d10表示小颗粒的粒径。实验表明，若滤料的d10相等，即使其级配曲线不一样，过滤时所产生的水头损失仍旧相近。由此可知，起主要过滤作用的有效部分正是粒径小于d10的那些颗粒，故将d10称为有效粒径．类似地，以d80表示通过80％滤料质量的筛孔直径，即滤料中粗颗粒的代表性粒径。定义d80/d10为滤料不均匀系数K80。以图5-2为例，K80=1.05/0.53=2。不均匀系数反映滤料颗粒大小的差别程度。K80值越大，滤料越不均匀。如果采用不均匀系数很大的滤料，在反冲洗时，可能出现大颗粒冲不动，小颗粒随水流失的现象。在反洗后可能形成小颗粒填充在大颗粒间的孔隙里，使孔隙率和含污能力减小，水头损失增大。相反，如果采用不均匀系数较小（极限值为1）的滤料，则筛分困难。目前，国内快滤池一般采用d10=0.5～0.6mm，k80=2.0～2.2mm的滤料，国外则倾向于选用稍大的d10和较小的d80。在生产中也有规定最大和最小两种粒径的较为简便的方法来表示滤料的规格。由于滤料颗粒大小形状不一，进行水力计算时，常以当量粒径de来反映粒径的大小，为调和平均值，可按下式计算：iiiiinnnedpdppdpdpdppppd1221121(5-1)其意义是将筛分曲线分为若干段，在粒径di1和di2之间取其平均值di,相应于di1及di2间的颗粒重量比为pi（以小数表示）。de与平均粒径ds0的数值接近。考虑到筛孔和颗粒的不规则性，在理论计算时，需对筛孔进行如下核准。将干燥后滤料试样放入筛孔为d的筛上，筛去细颗粒，然后放在一纸上，盖好筛盖，再振筛几下，落下一些恰好能通过筛孔的颗粒，从中任取n个颗粒，准确称其重量ω，按下式计算筛的核准孔径d’：36'nd(5-2)式中γ为滤料的容重。d’相当于恰好通过筛孔d的滤料颗粒的等体积球体的直径，d’应略小于d（见图5-2）。上述de的计算通常以校准筛孔后级配曲线为准。滤层的含污能力和过滤效果除取决于滤料粒径外，还与滤层厚度有关，即决定于滤层厚度和滤料粒径的比值L/de。L/de值愈大，去除率也愈高，因为L/de值与单位过滤面积上滤料总表面积和颗粒数目成正比。所需的L/de值因水质、滤速、去除率及要求的过滤持续时间而异。在设计条件给定的情况下，滤料粒径和滤层厚度应当根据过滤方程和阻力公式计算。但是，迄今这些数学模型尚不完备，L/de需由实验确定。根据生产性滤池实测的L/de值，可用于一般的滤池设计。对于经凝聚处理的天然水或沉淀池出水，在滤速4～12.5m/h的范围内，为确使60％～90％的油度去除率，滤层L/de值应大于800。当进水含悬浮物量较大时，它用粒径大，厚度大的滤料层，以增大滤层的含污能力；如含悬浮物量较小，宜用粒径小，厚度大的滤料层。表5-1列出了普通快滤池的滤料组成和滤速范围。单层滤料滤池在反冲洗后由于水力筛分作用，使得沿过滤水流方向的滤料粒径逐渐变大。形成上部细，下部粗的滤床（如图5-3）。孔隙尺寸及合污能力也是从上到下逐渐表5-1普通快滤池的组成与滤速滤池类型滤料及粒径，mm相对密度滤料厚度，m滤速，m/h强制滤速，m/h单层滤池石英砂0.5-1.22.650.78-1210-14双层滤料无烟煤0.8-l.2石英砂0.5-1.2l.52.650.4-0.50.4—0.54.8-24一般为1214-18三层滤料无烟煤0.8—2.0石英砂0.5-0.8磁铁矿0.25—0.51.52.654.750.420.230.074.8-24一般为12三层滤料无烟煤1-2石英砂0.5-1.0石榴石0.2—0.41.72.654.130.450.200.104.8-24一般为12变大。在下向流过滤中，水流先经过粒径小的上部滤料层，再到粒径大的下部滤料层。大部分悬浮物截留在床层上部数厘米深度内。水头损失迅速上升，而下层的含污能力未被充分利用。理想滤池滤料排列应是沿水流方向由粗到细。为了解决实际滤池与理想滤池的矛盾，途径有三条。①改变水流方向，即原水自下向上穿过滤层。但是，滤料下层所截留的悬浮物在反冲洗时难以排除。而且，反向滤速应比正向滤速小得多，滤速过大，滤层会流化，过滤效果变差。采用双向进水、中部出水的办法可以提高上流式滤池的滤速，但下层滤料仍然难以冲洗干净，且结构和操作较复杂。②改用双层或多层滤料，即选择不同密度的滤料组合。在砂层上部放置粒径较大，密度较小的轻质滤料．如无烟煤粒、陶粒和塑料珠等，在砂层下部放置粒径较小，密度较大的重质滤料，如磁铁矿石、石榴石等。虽然各滤料层内部仍是粒径从上到下逐渐变大，但从整体看，水流经过由大到小的颗粒层。滤料层数越多，愈趋近于理想滤池（见图5－3）。实践表明，多层滤料滤池的含污能力比单层滤料滤池的含污能力提高2～3倍，过滤周期延长，滤速提高，出水水质好。但在实际应用中，多层滤池容易发生滤料混层和流失，滤料加工复杂，来源有限。因此，滤料层数一般不超过3。③采用新型的密实度或孔隙率可变的滤料，这类滤料由柔性材料人工制成，如纤维球、轻质泡沫塑料珠、橡胶粒等。国产纤维球滤料由涤纶短丝结扎而成，有弹性，密实度由中心向周边递减，孔隙率达90％以上，纤维球在滤床上都比较松散，基本上呈球状。球间孔隙比较大，愈接近床层下部，由于自重及水力作用，纤维球堆积得愈密实，纤维丝相互穿插，形成一个纤维层整体。整个床层，上部孔隙率较高，下部孔隙率较低，近似理想滤池孔隙率分布，实测纤维球滤床的孔隙率分布如图5-4所示。实验表明，纤维球滤池过滤速度为砂滤池的5～8倍，如果采用同样的滤速，则纤维球过滤周期比砂滤池长3倍；能有效地去除0.5～10μm级的微小悬浮物；滤过水的悬浮物含量一般在10mg/L以下。但目前纤维球价格较贵；再生需用气、水联合反冲，气起主要作用，控制气量在4Q～50L/m2·s,水量在l0L/m2·s时，可冲洗干净。二、垫料层垫料层主要起承托滤料的作用。故亦称承托层，一般配合大阻力配水系统使用。由于滤料粒径小，而配水系统的孔眼较大，为了防止滤料随过滤水流失，同时也帮助均匀配水，在滤料与配水系统之间增设一垫料层。如果配水系统的孔眼直径很小、布水也很均匀，垫料层可以减薄或省去。垫料层要求不被反洗水冲动，形成的孔隙均匀，使布水均匀，化学稳定性好，机械强度高。通常，垫料层采用天然卵石或碎石。目前滤料的最大粒径为1～2mm，故垫料层的最小粒径一般不小于2mm，而其最大粒径以不被常规反洗强度下的水流冲动来考虑，一般为32mm。通常,不同粒径的垫料分层布置、各层厚度如表5-2示。表5-2垫料层的规格（大阻力系统）层次（自上而下）粒径，mm厚度,mm层次（自上而下）粒径mm厚度mm12～410024～810038～16100416～32150三、配水系统配水系统的作用是均匀收集滤后水，更重要的是均匀分配反冲洗水，所以，它又称为排水系统。配水系统的合理设计是滤池正常工作，保持滤料层稳定的重要保证。如果反洗水在池内分配不均匀，局部地方反冲洗水量过大，滤料流化程度高，将会使这个部分的滤料移到反洗水量小的地方。滤层的水平移动使滤料分层混乱，局部地方滤料厚度减薄，出水水质恶化，反洗阻力减小，在下一次反洗时，单位面积的反洗水量进一步增大，进一步促使滤料平移，如此恶性循环，直至滤池无法工作为止。由于反冲洗水流量比正常过滤水的流量大得多，因此配水系统应主要考虑反冲洗水均匀分布的要求。滤池反洗水是从反冲洗水管输入的，要使全池反洗水量分布均匀，则要求反洗水在流向全池各部的水头损失尽可能相等。图5-5表示反洗水进入后，靠近进口的A点及配水系统末端B点