水处理工程过滤5 69页

第五章过滤(Filtration)\n第1节概述过滤：借助于具有一定空隙率的固体介质（如石英砂）阻挡截留水中杂质而使水得到澄清的工艺过程。一、过滤的分类表层过滤：机械滤除，产水率低格筛过滤：介质为栅条或筛网，除去粗大的悬浮物，杂草、纤维等，格栅、筛网等微孔过滤：滤布、滤片、烧结滤管等，用以除去粒径细微的颗粒膜过滤：采用特别的半透膜作过滤介质在一定的推动力下进行过滤，滤膜孔隙极小，可以去除水中细菌、病毒、有机物和溶解性物质，反渗透、超过滤、电渗析等深层过滤：过滤介质为颗粒状滤料，如石英砂、无烟煤等。简称过滤。\n二、截留的对象：细小颗粒、细小矾花、藻类、细菌及病毒。三、位置：沉淀池或澄清池之后。直接过滤。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，使滤后出水达到回用要求。\n四、作用(给水)1、进一步降低水的浊度；2、同时水中有机物、细菌及病毒将随水的浊度降低而部分被去除。3、为滤后消毒创造了良好条件。（残留于滤后水中的细菌、病毒等失去浑浊物的保护和依附时，在滤后消毒过程中也将容易被杀灭。）4、在饮用水净化工艺中，过滤是不可缺少的，它是保证饮用水卫生安全的重要措施。\n•给水处理原水－混凝沉淀/澄清－过滤原水－微絮凝－过滤（微絮凝过滤）原水－加药－过滤（接触过滤）•废水处理原水－生物处理－过滤\n五、滤池的种类（图）(一)按滤速1、慢滤池0.01～0.4m/h2、快滤池4～10m/h3、高速滤池10～16m/h(二)按作用水头1、重力滤池4～5m2、压力滤池15～25m(三)按水流方向1、下向流滤池2、上向流滤池3、双向流滤池(四)按滤料组成1、单层滤池滤速8-10m/h2、双层滤池滤速10-14m/h3、多层滤池滤速18-20m/h\n\n\n第二节过滤理论一、过滤机理(一)机械筛滤把滤料间的空隙看作“筛子”，大于孔隙尺寸的杂质被截留下来。(二)沉淀作用靠重力作用沉淀在滤料的表面。滤料层类似于层层叠起的多层沉淀池，巨大的沉淀面积，将微小的杂质沉淀截留下来。(三)接触吸附在范德华力作用下被滤料吸附；在布朗运动作用下迁移扩散到滤料表面被吸附。\nd1/d2≈6.5如果滤池最小砂粒粒径为0.3mm，则得到d2≈0.3/6.5=0.045mm小于此粒径的颗粒都能通过滤层，但经过混凝沉淀进入滤池的最大颗粒尺寸一般为2-10μm，还有很多更小的颗粒，滤池都能滤除，说明不可能仅是筛除作用。d1d2\n水中的悬浮颗粒能够粘附于滤料颗粒表面，涉及两个问题：1、被水流挟带的颗粒如何与滤料颗粒表面接近或接触，这涉及颗粒脱离流线而向滤料颗粒表面靠近的迁移机理。2、当颗粒与滤料表面接触或接近时，依靠哪些力的作用使它们粘附于滤料颗粒表面上，这涉及粘附机理。\n1、颗粒迁移机理在过滤过程中，滤料孔隙中的水流一般属层流状态。被水流挟带的颗粒随水流的流线运动。它之所以会脱离流线与滤料颗粒表面接近，完全是一种物理-力学作用，主要有拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力作用。\n（1）拦截作用：颗粒尺寸较大时，处于流线中的颗粒会直接碰到滤料表面产生拦截作用；（2）沉淀作用：颗粒沉速较大时会在重力作用下脱离流线，产生沉淀作用；（3）惯性作用：颗粒具有较大惯性时，也可脱离流线与滤料表面接触；（4）扩散作用：颗粒较小，布朗运动较剧烈时会扩散至滤料表面；（5）水动力作用：在滤料表面附近存在速度梯度，非球形颗粒由于在速度梯度作用下，会产生转动而脱离流线与颗粒表面接触。\n2、颗粒粘附机理粘附作用是一种物理化学作用。当水中杂质颗粒迁移到滤料表面上时，则在范德华力和静电力相互作用下，以及某些特殊的化学吸附力下，被粘附与滤料颗粒表面上，或粘附在滤料表面上原先粘附的颗粒上。此外，絮凝颗粒的架桥作用也会存在。\n二、滤层内杂质的分布规律（一）滤层内杂质的分布规律在颗粒粘附的同时，还存在由于孔隙中水流剪力作用而导致颗粒从滤料表面上脱落趋势。粘附力和水流剪力相对大小，决定了颗粒粘附和脱落的程度。\n二、滤层内杂质的分布规律Fa1表示颗粒1与滤料表面的粘附力；Fa2表示颗料2与颗粒1之间的粘附力；FS1表示颗粒1所受到的平均水流剪力；FS2表示颗粒2所受到的平均水流剪力；F1、F2和F3均表示合力。\n过滤初期，滤料较干净，孔隙率较大，孔隙流速较小，水流剪力Fa1较小，因而粘附作用占优势。随着过滤时间的延长，滤层中杂质逐渐增多，孔隙率逐渐减小，水流剪力逐渐增大，以至最后粘附上的颗粒（如图中颗粒3）将首先脱落下来，或者被水流挟带的后续颗粒不再有粘附现象，于是悬浮颗粒便向下层推移，下层滤料截留作用渐次得到发挥。\n实际工作时，往往是下层滤料截留悬浮颗粒作用远未得到充分发挥时，过滤就得停止。原因：滤料经反冲洗后，滤层因膨胀而分层，表层滤料粒径最小，粘附比表面积最大，截留悬浮颗粒量最多，而孔隙尺寸又最小，因而，过滤到一定时间后，表层滤料间孔隙将逐渐被堵塞，甚至产生筛滤作用而形成泥膜，使过滤阻力剧增。导致结果:(1)在一定过滤水头下滤速减小（或在一定滤速下水头损失达到极限值）;(2)或者因滤层表面受力不均匀而使泥膜产生裂缝时，大量水流将自裂缝中流出，以致悬浮杂质穿过滤层而使出水水质恶化。当上述两种情况之一出现时，过滤将被迫停止。\n（二）滤池的含污能力当过滤周期结束后，滤层中所截留的悬浮颗粒量在滤层深度方向变化很大.滤层含污量指单位体积滤层中所截留的杂质量。在一个过滤周期内，如果按整个滤层计，单位体积滤料中的平均含污量称为“滤层含污能力”，单位以g/cm3或kg/cm3计。\n★★提高滤池含污能力的途径：A、提高滤料颗粒的均匀性;B、由单层滤料改为多层滤料；C、改变水流方向（上下双向过滤）。\n为了改变上细下粗的滤层中杂质分布严重的不均匀现象，提高滤层含污能力，出现了双层滤料、三层滤料或均质滤料等，见图。\n三、直接过滤（一）定义原水不经沉淀而直接进入滤池过滤称“直接过滤”。。（二）直接过滤方式(1)原水加药后面接进入滤池过滤，滤前不设任何絮凝设备。———“接触过滤”。(2)滤池前设微絮凝池，原水加药混合后在微絮凝池，形成粒径相近的微絮粒后（粒径大致在40-60μm）即刻进入滤池过滤。———“微絮凝过滤”。\n（三）直接过滤的应用特点：直接过滤工艺简单，混凝剂用量较少。应用：处理湖泊、水库等低浊度原水，应用较多。处理低温低浊水。滤前是否需设置微絮凝池，目前还有不同看法，应根据具体水质条件决定。\n四、过滤方程虽然进行了大量研究，但是尚未得到可直接用于实际设计的理论公式：原因1、澄清方程—研究单位滤层厚度截留悬浮物量与该处液相的悬浮物浓度的关系。2、连续过滤方程式—评价滤池的工作状态3、阻力方程—干净滤层的水头损失和沉淀物产生的水头损失两部分。①水头损失与滤速成正比，提高滤速将增大水头损失，但SS进入滤层的深度也加大。②水头损失与滤料粒径的平方成反比，粒径减小30%，水头损失将增大一倍。③孔隙率对水头损失影响较大，成(1-ε0)2/ε03关系。孔隙率减小，损失将增大。④水头损失与过滤时间和进水浓度成正比。\n需要代入理论式的参数和需要由实验求出的常数太多；应当代入数学式的水质参数，均需对原水一一进行测定，而且这种测定又甚复杂；在处理凝聚性颗粒时，被滤层截留的颗粒的性质将随时间变化；多数数学式得不到解析性的解答，需要计算机演算在实际设计中几乎不使用理论式的最大原因在于即使不用理论式，仅凭经验数据也能进行设计，而且滤料比较便宜，不一定用理论公式进行精确计算。\n在利用颗粒材料滤层过滤时，如果在时间t、深度z的条件下悬浮物的浓度为c，则c为z和t的函数悬浮物去除速度：液流通过滤料实际孔隙的速度：过滤澄清方程Ives,导出了如下的通用计算式悬浮物去除速度与其浓度成正比单位滤层厚度截留的悬浮物量与该处液相的悬浮物浓度成正比\n另一方面，在厚度为dz的滤层中，单位体积截留的悬浮物量为q，那么在dt时间后其量为：cdzqdt滤层中物料衡算图在某一时刻，滤层上侧的悬浮物浓度c，则滤层下侧为：经dt时间后，滤层上侧的悬浮物浓度为：经dt时间后，滤层下侧的悬浮物浓度为：考虑到在dt时间内的物质平衡：省略第二项，得：省略高阶导数\n五、过滤效率的影响因素1.滤料的影响粒度—粒度越小，过滤效率越高，水头损失增加越快形状—角形滤料的表面积比同体积的球形滤料表面积大；孔隙率—较小的孔隙率会产生较高的水头损失，而较大的孔隙率提供较大的纳污空间和较长的过滤时间，SS易穿透。厚度—滤床越厚，滤液越清，操作周期越长表面性质—滤料表面的电性影响对悬浮颗粒的吸附和接触絮凝2.悬浮物的影响粒度—粒度越大越易除去形状—角形颗粒去除效率比球形颗粒高密度—影响程度不大浓度—过滤效率随原水浓度升高而降低，浓度越高，穿透易温度—温度影响密度及粘度，温度降低，对过滤不利表面性质—是影响过滤效率的重要因素，投加凝聚剂改变其表面性质\n第三节快滤池一、快滤池分类普通快滤池虹吸滤池重力滤池压力滤池移动罩冲洗滤池二、普通快滤池的构造过滤过程：最大过滤水头损失1.5－2m工作周期：过滤开始－冲洗结束＝12－24h\n1-进水干管；2-进水支管；3-清水支管；4-排水管；5-排水阀；6-集水渠；7-滤料层；8-承托层；9-配水支管；10-配水干管；11-冲洗水管；12-清水总管；13-排水槽；14-废水渠；\n二、滤池的构造\n三、滤料层1、作用滤料层是滤池的核心部分。提供接触凝聚、吸附的表面积及悬浮物储存的容积。\n2、滤料(1)滤料的要求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，对废水中的化学成分足够稳定，不产生有害物质。)③具有一定的大小和级配。（粒度适中，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，满足截留悬浮物的要求。）④价廉，易得。\n(2)滤料的种类石英砂无烟煤粒石榴石粒磁铁矿粒白云石粒花岗岩粒聚苯乙烯发泡塑料球等。\n(3)滤料的粒径和级配滤料的粒径和级配应适应悬浮颗粒的大小和去除效率的要求。A、粒径：表示颗粒的大小。通常指能把滤料颗粒包围在内的一个假想的球体的直径。B、级配：是滤料各种粒径颗粒所占的重量比例。由实验求得。\n滤料粒径的表示方法：①d10、d80和K80；d10：通过10%滤料质量的筛孔直径。表示小颗粒的粒径。d80：通过80%滤料质量的筛孔直径。表示粗颗粒的代表粒径。K80：滤料不均匀系数，K80=d80/d10。反映颗粒大小的差别程度。K80越大说明粗细颗粒尺寸相差越大，滤料直径越不均匀，对过滤和反冲洗都不利。（具体体现在：降低滤料层的孔隙率；降低其含污能力；增加过滤时的阻力。）\n其它表示方法：②dmax、dmin和K80；③平均粒径d50；④当量直径de：式中：pi—两筛目间滤料重量百分率；di—两筛目粒径的几何平均值。需作筛孔校准，以校准后筛孔级配曲线计算de滤层的含污能力和过滤效果取决于粒径和滤层厚度两因素—L/de，值越大，去除率越高。\n等体积球筛孔砂粒dd’校准孔径示意将滤料砂样放在筛孔为d的筛里面，筛掉那些细砂，筛完后将筛放在另一张纸上，并用盖将筛盖好。用劲将筛振动几下，这样又有一些颗粒筛落下来，这些颗粒代表恰好通过筛孔d的颗粒，从这些颗粒中取出n个，在分析天平上称其重量（通常100mg）数出其粒数，再用下式计算筛的校准孔径：γ—滤料颗粒的容重；W-天平上称出的重量；n—在W重量内，滤料的颗粒数。\nB、级配：是滤料各种粒径颗粒所占的重量比例。可通过筛分试验求得。筛分试验——级配曲线。级配曲线的应用:可以确定滤料的有效粒径和不均匀系数两个参数国内快滤池一般采用d10=0.5～0.6mm，K80=2.0～2.2的滤料；国外则倾向于选用稍大的d10和较小的d80。\n滤料筛分级配曲线d10=0.53d80=1.05\n（4）过滤与滤料排列单层滤料滤池反冲洗后水力筛分，使沿过滤水流方向的滤料粒径逐渐变大—形成上小下大的分布形式，过滤时，上部截留颗粒小，损失迅速上升理想情况—滤料沿水流方向由粗到细解决途径：①改变水流方向，由下向上，缺点：反冲洗不净，滤速慢②改用双层或多层滤料—选用不同密度的滤料。层数越多，越接近理想滤池；实际，滤料易流失，加工困难③采用新型的密实度或孔隙率可变的滤料。纤维球—由涤纶短丝结扎而成，有弹性，密度由中心向周边递减，孔隙率达90%以上。纤维球滤池过滤速度是砂滤池的5-8倍，周期比砂滤长3倍；能去除0.5-10μM级的微小SS；滤后水SS含量<10mg/L。缺点：冲洗需气、水联合冲洗，价格贵。\n\n双层及多层滤料级配：\n四、垫料层（承托层）作用：①阻挡滤料进入配水系统中②承托滤料，均匀配水。主要配合大阻力配水系统而使用。要求：不被反冲洗水冲动，形成的孔隙均匀，布水均匀，化学稳定性好，机械强度高材料：天然卵石或碎石规格\n五、配水系统1、作用（配水均匀性对冲洗效果影响很大）配水系统的作用:(1)均匀收集过滤后水；(2)使冲洗水在整个滤池面积上均匀分布。配水不均匀的影响:(1)冲洗水量过大的地方，部分滤层膨胀过甚，甚至会招致局部承托层发生移动，滤料层和承托层混合，造成漏砂现象。(2)冲洗水量过小的地方，部分滤层膨胀不足，滤料层中的杂质冲洗不干净，逐渐胶结变大，形成“泥球”或“泥饼”。\nBAⅡⅠ滤层垫层假定反冲洗水强度为q,各水流路线的总水头损失应包括配水系统的水头损失s1q2、配水系统上孔眼的水头损失s2q2、垫料层水头损失s3q2、滤料层水头损失s4q2，进水压力为H流道Ⅰ：H1=s1AqA2+s2AqA2+s3AqA2+s4AqA2+流速水头流道Ⅱ：H2=s1BqB2+s2BqB2+s3BqB2+s4BqB2+流速水头同在排水槽排水，故H1=H2上两式中s2A＝s2B＝s2，s3A＝s3B＝s3，s4A＝s4B＝s4s1A总是≠s1B，所以qA≠qB，设计时尽可能qA≈qB，q最小/q最大0.95-------达到均匀采取两种方法：1）增大孔眼出水水力阻抗2）降低配水系统水力阻抗配水不均匀原因：\n配水系统类型1．大阻力配水系统使孔眼的水力阻力远远大于其它部分的水力阻力――增加孔眼流速（5－6m/s）配水孔眼面积为滤池面积的1/500开孔比小＝0.2－0.25%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。\n\n2．小阻力配水系统减少配水系统阻抗S1增大配水空间配水系统流速降低S1<