第五章过滤吸附

马宵颖华北电力大学环境学院第四章过滤和吸附处理水经过混凝、沉淀（澄清）处理后，浊质通常在10-20mg/L。这种水还满足不了一些用水的需要以及后续除盐水处理系统的需要。过滤：水在重力作用下，水通过多孔材料层而悬浮介质截留在介质上的过程。滤速：水通过滤床的空塔速度滤层：堆积的滤层滤料滤料1、种类石英砂、无烟煤、大理石、石榴石、白云石优良的滤料必须满足以下要求：（1）有足够的机械强度（2）有较好的化学稳定性（3）有适宜的级配和足够的空隙率2、粒状滤料的粒径与级配粒径：假想球面直径，表示滤料粗细的指标。级配：表示粒径大小分布情况，可用不均匀系数和级配曲线表征。级配曲线：各种粒径的颗粒所占重量比例的累积曲线。（1）有效粒径和不均匀系数d10和d80：分别通过滤料重量10％和80％的筛孔孔径。d10反映了产生水头损失的主要部分，所以称为有效粒径。不均匀系数K80＝d80/d10K80愈大，颗粒愈不均匀，孔隙率下降，含污能力降低，反冲洗强度不好确定。（2）最大与最小粒径：dmax,dmin工程上为方便，一般dmind10,dmaxd80我国规范中，采用dmax,dmin,K80来控制滤料粒径分布。第一节粒状介质过滤一、截污原理滤池滤料粒径为0.5-1.2mm，滤料自上而下粒径由细到粗，空隙也有上而下逐渐增大。表层细砂层粒径为0.5mm，滤料孔隙约为80um，但进入滤池的颗粒尺寸大部分小于30um，但仍能被去除。这充分说明，水中悬浮颗粒被滤料截留，不光是简单的机械筛滤，还有其他的作用。截污原理可归纳为三种主要过程：迁移过程、粘附过程、剥落过程一）迁移过程悬浮颗粒脱离水流流线而与滤料接触的过程，就是迁移过程。引起迁移的原因主要有如下几种：布朗运动、惯性运动、重力沉降、机械筛滤、水力作用过滤过程中，悬浮颗粒迁移到滤料表面上，受上述各种机理的作用，它们的相对重要性，取决于水流状况，滤层孔隙形状及颗粒本身的形状（如粒度、形状、密度）等布朗二）黏附过程由于迁移过程而与滤料接触的悬浮颗粒，附着在滤料表面上不再脱离，就是黏附过程，引起颗粒黏附的因素很多。接触凝聚、静电引力、范德华力等三）剥落过程滤料空隙中水流产生的剥落作用涉及两个方面问题。1）剥落导致悬浮杂质与滤料碰撞无效；2）剥落有利于杂质输送到滤层深处，进行滤层的深层过滤，使整个滤层滤料的截污能力得以发挥。二、过滤过程一）滤料分布：滤层由一种滤料组成是，其滤料的粒径是不均匀的。如石英砂，dmax=1.2mm，dmin=0.5mm，滤层厚度为700mm。在滤床中：并不是均匀分布，而是上小下大。这是由水力筛分造成，反冲洗时上升水流的作用，滤料颗粒大小不一，他们顺着水流方向，由大到小排列，降落后组成滤床自上而下：滤料粒径由小到大；孔隙率依次增大—水力筛分现象。二）过滤过滤：含悬浮杂质的水—滤床—浊质降低过滤初期：杂质截留在上面一层滤料中，而下层处于等待状态；过滤中期：上层污泥增多，孔隙减少，阻力增大，水头损失增加，局部水流线速度增加，水流剪切力作用下，对已截留污泥的冲刷、剥落作用增强，迫使一部分杂质输送到下层滤料中滤除。过滤末期：截留带进一步向下推进，当截留带前沿接近最底部滤层后，再继续过滤，则出水浊度增加。过滤过程中，水头损失和出水浊度变化情况如下图为了保证出水水质，控制制水能耗，过滤设备通常运行到一定程度（①出水浊度到限值；②水头损失到限值），停运、实施反冲洗，清除滤层中的污泥，恢复滤料过滤能力。如机械过滤器：浊度允许值3mg/L,水头损失29.4Kpa一般过滤设备出水浊度允许值与水头损失允许值是对应的，都与一定工况下，所经历的过滤时间有关，只要出水浊度、水头损失、过滤时间三个指标之一到达限值，过滤即停止。三）反洗反洗又称反冲洗或冲洗。在停止过滤后，用较强的水流自下而上对滤料进行冲洗，将积聚在滤料上的杂质冲洗下来，这一过程称为反冲洗。反冲洗后，滤层的截污能力得到恢复，可重新投运进行过滤。反冲洗流速控制不当，可能产生滤料流出、承托层错动和冲洗效果差等问题。1、反冲洗方式水洗气水联合冲洗（水和气交替或同时从底部进入，空气泡在滤层间隙穿过上升，使孔隙发生胀缩，滤料颗粒升落、旋转和碰撞，污泥脱落）滤层冲洗强度(L/sm2)膨胀度（％）冲洗时间（min）石英砂滤料双层滤料三层滤料12－1513－1616－174550557－58－67－5中低速冲洗时，一般辅以空气助洗和表面水洗。我国普遍采用高速反冲洗。下面主要针对高速反冲洗进行介绍。2、反冲洗原理水流剪切作用、颗粒间碰撞摩擦作用两者主要由冲洗强度控制（L/sm2）冲洗强度大e大剪切力增大但摩擦减少推荐使用膨胀率约为50%3、反冲洗配水系统影响反冲洗效果的一个重要条件是：配水系统配水均匀性。（1）大阻力配水系统物理含义：在反冲洗时悬浮滤料层过水断面上阻力不均匀造成的影响被配水系统孔隙的大阻力消除。大阻力配水系统中，水流孔隙的面积较小，以致这些孔隙对水流的阻力远大于滤层和配水管道中的其他各种阻力。这样，可以使水流通过过滤设备时遇到的阻力大部分是在配水系统孔隙处，故只要这些孔隙是均匀分布的，就可以做到水流均匀。这种系统的稳定性比较好，因为即使在滤层中出现阻力不匀的现象，但和此孔隙的阻力相比还是较小的、也就是说对于过滤过程的总阻力影响不大。这种系统的电能消耗比小阻力系统的稍大一些。特点：工作可靠、采用最广、冲洗干净但冲洗水头要求高，需冲洗水箱或水泵一般为穿孔管大阻力配水系统。（2）小阻力配水系统大阻力配水系统的优点是配水均匀性较好，当滤层或其他部位运行中有阻力不均匀时，造成的水流不均匀也可减少到很低程度，但大阻力配水系统结构较复杂，孔口水头损失大，要求进水压头高。因此，对冲洗水头有限的无阀滤池和虹吸滤池等重力式滤池，大阻力配水系统不能采用，可以采用小阻力配水系统。小阻力配水系统的阻力很小，且很均匀，因此，水流到滤池各部分时压力损失的差别也小。实践证明，这种系统可以做到水流的分布比较均匀。小阻力配水系统的优点是水头损失较小，所以能节省动力(电能)。但是因为它的阻力小，滤层的阻力相对来说较大，所以在运行中如某种原因使部分滤层阻力较大，另部分阻力较小时，就会使水流不匀，故稳定性较差。四）滤池工作周期、过滤周期滤池工作周期：过滤开始—冲洗结束阶段过滤周期：过滤开始—过滤结束阶段过滤设备运行的技术经济指标：出水水质；截污容量、水头损失第二节粒状介质过滤设备粒状介质过滤设备类型众多，很难进行归纳分类，因此我们只能按他们的某些特点进行相对区分。按工作压力可分为压力式和重力式两类过滤设备；按滤层组成可分为单层和多层；按水流方向可分为下向流、上向流和双流，按过滤工艺可分为澄清过滤（混凝、沉淀处理后进过滤器）、接触过滤（混凝后直接进过滤器）下面按工作压力不同分别介绍一些典型的设备。一、压力式过滤器在一定压力下进行过滤，通常用泵将水输入过滤器中。由钢板制成的圆柱形密闭容器。1、普通过滤器（单流式过滤器或机械过滤器）单层滤料、下向流、滤料为：石英砂、无烟煤、活性炭等2、双流式过滤器由于普通式过滤器的下层滤料不能充分发挥截污作用，人们设想出从上下同时进水。进水分为两路：一路由上部进，另一路由下部进，从中间出水。3、双层滤料过滤器上层为相对密度小、粒径大的滤料，下层为相对密度大、粒径小的滤料。二、重力式滤池依靠自身重力进行过滤的设备，通常是用钢筋水泥制成的构筑物，所以造价低，宜做成较大的过滤设备。1、普通过滤池2、无阀滤池没有阀门、过滤和反冲洗自动地周而复始进行。很多滤池都是由它派生而来。3、虹吸式滤池利用虹吸作用代替滤池的进水阀门和反冲洗排水阀门操作，依靠滤池滤池水自身的水头和水量进行反冲洗。第三节其他过滤设备1、纤维过滤器—介质为纤维状2、微滤滤芯过滤器—介质为微滤滤芯3、覆盖过滤器—介质为粉末状（凝结水处理介绍）此两种过滤为精密过滤，置于普通过滤器之后，进水浊度要求是2mg/L,出水可达0.1-0.3mg/L，对后续水处理起安全保护作用。4、盘式过滤器5、自清洗过滤器第四节活性炭吸附处理给水的吸附处理所使用的吸附剂：主要有活性炭，以及大孔吸附树脂。主要去除：1）水中有机物质（降低COD）2）水中游离氯废水的吸附处理所使用的吸附剂：主要有活性炭、活化煤、焦炭、煤渣、吸附树脂、木屑等。去除废水中的有机物质。一、活性炭制造物理活化：900℃左右，控制二氧化碳和水蒸气比例及活化时间，调节活化程度。化学活化：用化学药品。如ZnCl2、CaCl2、H3PO4等二、吸附类型•按作用力分三类：•物理吸附：基于分子引力，分子间作用力，吸附热小。•特征：吸附时表面能降低，所以是放热反应；吸附比较没有选择性；不发生化学反应，不需要活化能，低温就能进行；吸附质在吸附剂表面自由转移，易解吸。•化学吸附：化学键力作用，产生化学反应，如石灰吸附CO2，产生单分子层吸附，吸附一般不可逆。•离子交换吸附：静电引力作用，吸附质一般处于离子状态，电荷数大，吸附大；离子水合半径小，吸附多。•实际水处理中，上述三种可能并存，但可能一种占主导。三、影响吸附的因素吸附剂本身、吸附质本身、环境条件（一）吸附剂的结构•1.比表面积—比表面积越大越好，对大分子可能不利。•2.孔结构—细孔的分布—大、中（过渡）、微孔；大孔通道，中孔吸附大分子，观察用于水处理并被饱和的活性炭细孔分布与新鲜活性炭对比，微孔大量减少，此部分吸附起支配作用。•3.表面化学性质—表面氧化物—酸、碱两类–低温活化(500)的碳可以生成表面酸性氧化物，水解后可以放出H+，吸附碱金属氢氧化物–高温活化（800-1000）的碳生成表面碱性氧化物，水解后可放出OH-基团，吸附酸性物。(二)吸附质的性质•溶解度—活性炭是疏水性物质，低—吸附增加•分子量—不应太大，1000•溶质浓度—一般是浓度增加吸附量呈指数增加，也有例外(三)操作条件•温度—吸附放热，低温有利•pH—对吸附率有影响•接触时间—足够的接触时间，0.5～1.0h活性炭过滤器