当代水处理技术过滤

2.2过滤教学目的与要求掌握普通快滤池的构造与工作过程；掌握过滤理论；熟悉滤池反冲洗原理；了解快滤池，包括虹吸滤池，无阀滤池、V型滤池，移动冲洗罩滤池、压力滤池等的工作过程及优缺点。教学内容过滤概述；过滤理论；截留机理过滤水力学；滤料和承托层；滤池冲洗；普通快滤池；无阀滤池；虹吸滤池；移动冲洗罩滤池；V型滤池一、过滤概述1、慢滤池慢滤池是最早出现的用于水处理的过滤设备，能有效地去除水的色度、嗅和味。由于慢滤池占地面积大、操作麻烦、寒冷季节时其表层容易冰冻，在城镇水厂中使用的慢滤池逐渐被快滤池所代替。适用的进水条件出水水质细菌的去除效率颗粒物去除效率浊度10ntu以下；总大肠菌类10~1000个/100mL；藻类不太多；10000人以下的给水处理小于1.0ntu总大肠菌类1个/100mL细菌总数99%能去除逗号弧菌(Vibriocomma)2.7~7m99%7~12m99.9%较大颗粒99%~99.9%2、快滤池（1）结构1621112453987131014普通快滤池构造剖视图（箭头表示冲洗水流方向）1-进水总管；2-进水支管；3-清水支管；4-冲洗水支管；5-排水阀；6-浑水阀；7-滤料层；8-承托层；9-配水支管；10-配水干管；11-冲洗水总管；12-清水总管；13-冲洗排水槽；14-废水渠1-总进水管；2-进水支管；3-清水支管；4-冲洗水支管；5-排水阀；6-浑水阀；7-滤料层；8-承托层；9-配水支管；10-配水干管；11-冲洗水总管；12-清水总管；13-冲洗排水槽；14-废水渠（2）工作过程由过滤与反冲洗两部分组成。（3）滤速滤速是指单位时间、单位过滤面积上的过滤水量，单位为m3/（m2·h）或m/h。（4）工作周期从过滤开始到冲洗结束的一段时间称为快滤池的工作周期。从过滤开始到过滤结束称为过滤周期。滤池的工作周期为12~24h。二、过滤基本理论1、截留机理（1）悬浮颗粒被截留的机理两阶段理论：由迁移与吸附组成。迁移：沉淀、扩散、惯性、阻截和水动力。吸附：范德华引力、静电力、以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用、絮凝颗粒间的架桥作用。1—沉淀2—扩散3—惯性5—水动力流线滤料悬浮颗粒4—阻截悬浮颗粒的迁移过程（2）示意图2、吸附与剥离（1）Ives-Mints争论Ives：①附着于滤料之上的悬浮颗粒在过滤过程中绝对不剥离；②在过滤后期悬浮颗粒穿透滤层进入滤池出水是吸附效率降低的缘故。Mints：①吸附和剥离是过滤过程中同时存在的两个相反的现象，且剥离量与含污量成正比；②剥离是悬浮颗粒穿透滤层进入滤池出水的原因。争论至目前的结果是Mints理论已取得了优势。（2）附着力与水流剪力脱附力Fa3Fa2Fa1Fs3Fs2Fs1F3F2F1123滤料颗粒粘附和脱附力示意滤料层含污量变化21(cm)滤层深度滤层含污量（g/cm2）双层滤料单层滤料石英砂石英砂无煤烟三、过滤水力学1、快滤池滤层的发展与利用滤层含污能力：单位体积滤层中的平均含污量称为“滤层含污能力”，单位g/cm3或kg/m3。采用单水冲洗的石英砂滤料滤池是典型的水力分级滤料滤池，其含污量随深度的变化见下图。多层滤料滤池接近理想滤料滤池，最常见为双层和三层滤。双层滤池其含污量随深度的变化见下图。均质滤料过滤目前在实际生产中已经实现，如V型滤池。脱附力Fa3Fa2Fa1Fs3Fs2Fs1F3F2F1123滤料颗粒粘附和脱附力示意滤料层含污量变化21(cm)滤层深度滤层含污量（g/cm2）双层滤料单层滤料石英砂石英砂无煤烟滤料层含污量变化石英沙石英沙无烟煤石榴石无烟煤均质滤料（a）（b）（c）几种滤料组成示意2、过滤过程中水头损失变化（1）清洁滤料层的水头损失卡曼-康采尼公式（Carman-Kozony）公式：①m0↓，h0不变→v↑-------变速过滤（等水头）②v不变，m0↓→h0↑-------等速过滤（变水头）（2）过滤过程中的水头损失变化过滤时滤池的总水头损失为：02030200)1()1(180ldmmgh4321HHHHH（3）负水头现象当过滤进行到一定时刻时，从滤料表面到某一深度处的滤层的水头损失超过该深度处的水深，该深度处就出现负水头。25hbhc出水水深负水头区-50-155010015017510015015abc滤料卵石175过滤时滤层内压力变化1-静水压力线；2-清洁滤料过滤时水压线；3-过滤时间为t滤料过滤时水压线；3-过滤时间为t\S1,1001时的水压线；123445°过滤时滤层内压力变化1-静水压力线；2-清洁滤料过滤时水压线；3-过滤为t1时间时水压线；4-过滤为t2时间时水压线负水头危害：①是增加滤层局部阻力，增加了水头损失；②会导致空气释放出来，空气泡会穿过滤料层，上升到滤池表面，甚至把煤粒这种轻质滤料带走。在冲洗时，空气更容易把大量的滤料随水带走。避免滤池中出现负水头的两个方法：一是增加砂面上的水深；二是令滤池出口位置等于或高于滤层表面。3、过滤方式（1）恒速过滤最常见的恒速过滤如图所示。在恒速过滤状态，由于滤层逐渐被堵塞，水头损失随过滤时间逐渐增加，滤池中水位逐渐上升，当水位上升到最高水位时，过滤停止以待冲洗。无阀滤池与虹吸滤池是典型的恒速过滤滤池。最高水位最低水位进水出水△HmaxhHo恒速过滤（2）递降速过滤设四个滤池组成一个滤池组，假设：①进入滤池组的总流量不变；②每个池子的性能完全相同；③每个滤池恰好按它的编号顺序进行冲洗。则滤池的水位与滤速变化如图所示。移动冲洗罩滤池是典型的递降速过滤滤池，当移动冲洗罩滤池的分格数很多时，这格滤池冲冼与下一格滤池冲洗的间隔时间很近，滤池水位变化不大，有可能达到近似的“等水位变速过滤”。最高水位进水渠进水阀排水阀排水渠最低水位清水池0过滤时间t（h）滤速v（m/h）减速过滤（一组4座滤池）一座滤池滤速变化（一组共4座滤池）4、直接过滤原水不经过沉淀而直接进入滤池的过滤称为“直接过滤”。直接过滤有两种方式：①原水加药后只经过混合就直接进入滤池过滤，称为“接触过滤”。也可称为“直流过滤”，见图中（a）与（b）所示；②原水加药后经过混合和微絮凝池后进入滤池过滤，称为“微絮凝过滤”，如图中（c）与（d）所示。原水混合双层或三层滤料滤池过滤出水硫酸铝聚合物（a）阳离子型聚合物双层或三层滤料滤池双层或三层滤料滤池阳离子型聚合物原水混合原水硫酸铝混合混合絮凝池聚合物（C）絮凝池原水混合双层或三层滤料滤池（b）过滤出水过滤出水过滤出水（d）直接过滤的两个特点：①采用双层或三层滤料滤池；②采用聚合物为主混凝剂或助凝剂。直接过滤要求：①原水浊度和色度较低且水质变化小，常年原水浊度低于50度；②直接过滤中的滤速应根据原水水质决定，浊度偏高时应采用较低滤速，当原水浊度在50度以上时，滤速一般在5m/h左右。四、滤料与承托层1、要求（1）具有足够的机械强度（2）具有足够的稳定性（3）能就地取材、价廉（4）外形接近于球状，表面比较粗糙而有棱角。2、滤料性能参数（1）比表面积粒状滤料的比表面积可以表示为单位重量或体积的滤料所具有的表面积，单位为cm2/g或cm2/cm3。（2）有效粒径与不均匀系数粒径级配可以用滤料的有效粒径和不均匀系数表示，关系如下：（3）最大粒径、最小粒径常用的数据见下表。108080ddk类别滤料组成滤速(m/h)强制滤速(m/h)粒径(mm)不均匀系数K80厚度(mm)单层石英砂滤料dmax=1.2dmin=0.52.0700~1010~14双层滤料无烟煤dmax=1.8dmin=0.82.0300~40010~1414~18石英砂dmax=1.2dmin=0.52.0400三层滤料无烟煤dmax=1.6dmin=0.81.745018~2020~25石英砂dmax=0.8dmin=0.51.5230重质矿石dmax=0.5dmin=0.251.770（4）滤料的当量直径式中，de——滤料层的当量粒径，mmpi——截留在筛孔为di1和di2的筛子之间的滤料重量占滤料总重量的百分数；（5）球度系数与形状系数球度系数滤料颗粒的形状系数为：niiiieddpd121颗粒实际表面积同体积球体表面积1序号形状描述球度系数形状系数孔隙率1圆球形1.01.000.382圆形0.981.020.383已磨蚀的0.941.060.394带锐角的0.811.230.405有角的0.781.280.43滤料颗粒的形状及其球度系数、形状系数、孔隙率滤料颗粒的形状示意（6）滤料层的孔隙率滤料层的孔隙率指整个滤层中孔隙总体积与整个滤层的堆积体积之比。测定方法：取一定量的滤料，在105oC下烘干称重，并用比重瓶测出其密度。然后放入过滤筒中，用清水过滤一段时间后，量出滤层体积，则孔隙率为式中G——烘干后的滤料,g；——滤料的密度，g/cm3；V——滤料层的堆积体积，cm3。VGm1（7）滤料的筛分取天然河砂砂样300g，洗净置于105度恒温箱中烘干，待冷却后称取100g，用一组筛子过筛，取得数据，绘制筛分曲线。筛孔(mm)留在筛上的沙量通过该筛号的砂量质量(g)%质量(g)%2.3620.10.199.999.91.6519.39.390.690.60.99121.721.768.968.90.58946.646.622.322.30.24620.620.61.71.70.2081.51.50.20.2筛底盘0.20.2－－合计100.0100.0筛分曲线通过筛孔砂量（％）0100d10=0.55d80=1.1dmax80100100dmin由筛分曲线上求得d10=0.4mm,d80=1.34,则K80=3.37,不均匀系数较大。设计要求d10=0.55,K80=2,则d80=1.1mm。按此要求对原砂进行筛分。在80和10之间等分7份，然后以此向外外延，即得0和100两点。五、承托层1、一般由一定级配的卵石组成，敷设于滤料和反冲洗配水系统之间。2、作用：（1）支承滤料，防止滤料从配水系统中流失（2）均匀分布冲洗水3、选材：材料一般采用天然卵石或碎石。垫层材料亦应有足够的机械强度和化学稳定性，其最小粒径不应小于滤料的最大粒径，从上至下按粒度由小到大分层铺设，反铣时不能被水冲动而发生位移。六、滤池冲洗常用的反冲洗方法有以下几种：①单水高速反冲洗：②气-水联合反冲洗；③表面助冲加高速水流反冲洗。1、单水高速反冲洗（1）反冲洗强度指单位面积滤层所通过的反冲洗流量，单位为L/sm2。（2）滤层膨胀度mmme10冲洗强度、膨胀度和冲洗时间序号滤层类型冲洗强度(L/sm2)膨胀度（%）冲洗时间（min）1石英砂滤料12~15457~52双层滤料13~16508~63三层滤料16~17557~5注：①设计水温按20OC计，水温每增减1OC，冲洗强度相应增减速1%；②由于全年水温、水质有所变化，应考虑有适当调整冲洗强度的可能；③选择冲洗强度应考虑所用混凝剂品种的因素；④无阀滤池冲洗时间可采用低限；⑤膨胀度数值仅作设计计算用。2、配水系统常见的配水系统有大阻力配水系统、小阻力配水系统、中阻力配水系统等三种，其作用：①反冲洗时，均匀分布反冲洗水；②过滤时，均匀集水。反冲洗时配水不均匀的危害：A滤池中砂层厚度分布不同；B过滤时，产生短流现象，使出水水质下降；C可能招致局部承托层发生移动，造成漏砂现象。（1）大阻力配水系统的原理1）构造大阻力配水系统的构造如图所示。a干管进水cb支管图9-14穿孔大阻力配水系统图9-13穿孔支管孔口位置45°45°2）大阻力配水系统的特点：①配水均匀性好；②结构复杂；③但管道容易结垢；④孔口水头损失大，因而要求反冲洗水压高。无阀滤池、移动冲洗罩滤池、虹吸滤池等的冲洗水头非常有限，不宜采用大阻力配水系统。7070703535707070Φ30Φ10冲洗水膨胀砂面排水槽滤板底部配水室100小阻力配水系统钢筋混凝土穿孔滤板（2）小阻力配水系统1）结构清水池浑水渠冲洗水流滤砖上层用10mm导板隔开11:2水泥砂