（市政工程专业论文）陶瓷滤料过滤性能试验研究.pdf

摘要 石英砂作为传统过滤介质，在国内外的水处理工程实践中，长期以来一直 存在过滤运行周期短、水头损失增长快的缺陷，其综合技术效益不高。本文是 针对石英砂的这一缺陷提出了一种新型过滤介质陶瓷滤料。 陶瓷滤料以其优瞧的物化性能被越来越多的应用到水处理中，目前陶瓷滤 料主要应用于污水和废水处理，然而将陶瓷滤料用于饮用水的处理还不多见。 因此，研究陶瓷滤料在给水过滤工艺的应用有着重大的理论意义和现实意义。 本文在系统回顾滤池过滤及滤料发展的基础上，对陶瓷滤料过滤性能进行了较 系统的试验研究和理论分析。 本次试验选取粒径为o 8 1 2 m m ，k s o = 1 4 8 的陶瓷滤料，先在白鹤嘴水厂 滤柱模型进行小试，初步确定过滤较佳的滤层厚度及过滤速度，然后再在扩大 的试验装置一滤池模型进行中试。 首先，本文作者就陶瓷滤料对水中悬浮物的去除效果与传统石英砂滤料进行 了对比试验，结果表明，陶瓷滤料滤池具有过滤水头损失小、运行周期长、截 污能力强的优点，其过滤性能优于石英砂滤料。陶瓷滤料过滤的试验数据结果 还表明，陶瓷滤料各单位滤层均有截污功能，能够充分发挥整个滤层截留浊质 的能力，而且陶瓷滤料还具有较强的抗冲击负荷的能力。 本文还对不同水温情况下进行了试验研究，结果表明在低温低浊情况下， 由出水浊度控制过滤周期，在水温较高时，由水头损失控制过滤周期；且高温 时的过滤性能要优于低温时的过滤性能。 通过对试验结果的统计分析，论文还建立了适合陶瓷滤料滤池的初始水头损 失方程。 由于滤池反冲洗是恢复和继续发挥滤池功能的关键，所以作者对陶瓷滤料滤 池的反冲洗参数进行了试验研究，试验结果得出陶瓷滤料滤池反冲洗试验的最 佳参数组合，水洗强度1 6 6 1 7 8u s m 2 时，冲洗时问为6 m i n 。 关键词：陶瓷滤料，水头损失，浊度， 过滤性能 a b s t r a c t i nt h ew a t e rt r e a t m e n t p r o j e c tp r a c t i c e a th o m ea n da b r o a d t h eq u a r t zs a n d m e d i ah a sal o to fd i s a d v a n t a g e sf i l t e r st h em e d i u ma st h et r a d i t i o n ，i th a sb i g g e r h y d r a u l i c p r e s s u f el o s s ，s h o r t e rp e r i o da n dl o w e rc o m p r e h e n s i v et e c h n o l o g i c a lb e n e f i t t oa i ma tt h i sp r o b l e m t h i sp a p e rh a sp r o p o s e dan e wf i l t r a t i o nm e d i u m c e r a m i c s f i l t e r w i t hi t s g o o dp h y s i c sa n dm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ，t h ec e r a m i c sf i l t e ri sb e e n a p p l i e dt ow a t e rt r e a t m e n tm o r ea n dm o r e p r e s e n t l y , t h ec e r a m i c sf i l t e ri sm a i n l y a p p l i e d t ot h es e w a g ea n dw a s t ew a t e r t r e a t m e n t h o w e v e r ，i ti ss t i l lr a r e l ya p p l i e dt o d r i n k i n g w a t e r t r e a t m e n t t h e r e b y , t os t u d ya p p l i c a t i o n t h ec e r a m i c sf i l t e rt ot h ef i l t e r c r a f to fs u p p l yw a t e rh a st h eg r e a tt h e o r ya n dr e a l i s t i cm e a n i n g t h i sp a p e r , o nt h e b a s eo fa n a l y s i so f r e v i e w i n gs y s t e m a t i c a l l yt h ed e v e l o p m e n to ff i l t r a t i o na n dm e d i a f i l t e r ，m a k e sar e l a t i v e s y s t e me x p e r i m e n t r e s e a r c ha n dt h e o r y a n a l y s i s f o rt h e p e r f o r m a n c e o ff i l t r a t i o nb yc e r a m i cm e d i a s o m ep o s tm o d e le x p e r i m e n t so nt h i sm e d i a ( d = 0 8 1 2 r a mk 8 0 2 1 4 8 ) h a v e b e e nd o n ei nt h ew a t e rt r e a t m e n t p l a n t o fw h i t ec r a i nm o u t h f i r s t ，i no r d e rt oc o n f i r m t e n t a t i v e l yi t sb e t t e rf i l t e rv e l o c i t ya n df i l t e rt h i c k n e s s ，t h e nt h ef i l t e rw a st e s t e di nt h e p o o lm o d e l t h ec o m p a r i s o ne x p e r i m e n t so fr e m o v i n gs u s p e n d e dm a t t e r sf r o mr a ww a t e r b e t w e e nc e r a m i c sf i l t e ra n ds a n dm e d i af i l t e rh a v eb e e nd o n e f i r s t l y t h e c o n c l u s i o ni st h a tt h ec e r a m i c sf i l t e rh a sal o to f a d v a n t a g e so v e rt h es a n df i l t e r i t h a sg o o dq u a l i t yo fl i t t l e h y d r a u l i cp r e s s u r el o s s ，l o n g e rp e r i o da n dc a p a b i l i t i e so f i m p u r i t y t h er e s u l t s a l s oi n d i c a t et h a tt h ec e r a m i c sf i l t e rh a s c a p a b i l i t i e s o f i m p u r i t y i ne v e r yu n i ta n ds h o c k l o a d i n g t h i st e x tc a r r i e do ne x p e r i m e n t a ls t u d yu n d e rt h ec o n d i t i o nt od i f f e r e n tw a t e r t e m p e r a t u r ea l s o ，t h er e s u l ts h o w so u t l e tw a t e rt u r b i dc o n t r o l sf i l t r a t i o np e r i o di nt h e c a s e so fl o wt e m p e r a t u r ea n dl o wt u r b i d ，w h i l eh y d r a u l i cp r e s s u r el o s sc o n t r o l s l l f i l t r a t i o np e r i o di nt h ec a s e so fh i g h e rt e m p e r a t u r e ；m o r e o v e r ，t h ep e r f o r m a n c eo f f i l t r a t i o ni nt h eh i 曲e r t e m p e r a t u r e i sb e t t e r t h i sp a p e rh a sa l s oc r e a t e da ne q u a t i o no f h y d r a u l i cp r e s s u r el o s sb ya n a l y z i n g e x p e r i m e n tr e s u l t so f c e r a m i c sf i l t e n a sb a c k w a s hi st h ek e yo f r e n e w i n ga n dk e e p i n gu pt h ef u n c t i o no ff i l t e r ，s o m e f a c t o ro p t i m i z a t i o ne x p e r i m e n t so fb a c k w a s hh a v eb e e nd o n e t h e o p t i m u mo p e r a t i n g p a r a m e t e r so fb a c k w a s ho fc e r a m i c sm e d i aa r ef o l l o w s ：q w = 1 6 6 1 7 8l _ s m 2 t = 6 r a i n k e y w o r d s ： c e r a m i c m e d i a ，h y d r a u l i cp r e s s u r el o s s ，t u r b i d i t y p e r f o r m a n c e o ff i l t r a t i o n 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在常规水处理过程中，过滤一般是指以石英砂等粒状滤料层截留水中悬浮 杂质，从而使水获得澄清的工艺过程j 。一般以石英砂、无烟煤等粒状物料为过 滤介质。在以地表水为水源的生活饮用水净化工艺过程中，过滤是一般水处理 中“固一液”分离过程的最后阶段，根据分散颗粒的沉淀理论，运用有限容量 的沉淀池，只可以去除一定尺度范围的颗粒( 数十芦m 以上) ，沉速更小的颗粒 则流出沉淀池进入了滤池，于是滤池就要负担起去除这些小颗粒( 数十“m 到 1 2 2 m ) 的任务，以完成其净化工作h i 。滤泡对于去除水中的悬浮物和胶体物 质是十分有效的，它能去除水中浊度、细菌、藻类、病毒、色度、铁和锰、放 射性物质、某些溶解度较低的重金属和有机物，随着浊度的降低，病毒也在相 当程度上随浊度的去除而去除，至于残留于滤后水中的细菌、病毒等在失去浑 浊物的保护和依附时，在滤后消毒过程中也将容易被杀灭【“。在生活饮用水的 净化过程中，在原水浊度较低时( 2 5 单位以下) ，也可采用不经澄清的直接过滤。 因此，过滤被认为是给水处理中获得优质水的关键工序，其重要作用愈来愈为 给水处理工作者所重视h 。 1 2 过滤技术简介 1 2 1 过滤技术发展 世界上最古老、最原始的水过滤设备是滤水布袋，它是在公元前4 6 0 3 5 4 年间由希波克拉底( h i p p o c r a t e s ) 推荐的，叫“希波克拉底袋”p j 。 1 6 2 7 年，英国发表了过滤澄清净化水的第一个试验报告i o j 。1 8 2 9 年，英国 伦敦的c h e l s e a 供水公司建成q m t - 实际生产的第一座慢滤池l ，j 。在慢滤池中， 水以0 1 o 3 r n h 的速度缓慢通过由0 2 - - 1 0 r a m 构成的厚度约为1 0 0 0 m m 的砂 层在沙层表面自然形成几厘米厚的滤膜，依靠这些滤膜的筛除作用和滤膜中 微生物的生物氧化作用去除水中的杂质。慢滤池在运行过程中，水中的悬浮杂 质不断积累在滤膜内，增大了过滤阻力，滤层的水头损失增加，滤速逐渐降低。 因此，慢滤池在运行2 3 个月后，须要停止滤水，并把滤层表面2 - - 3 c m 的砂 刮掉，膜再生后重新投入运行。这种慢滤池在我国武汉、湘潭也曾使用过。然 武汉理工大学硕士学位论文 而，由于滤速极慢，只有o 1 0 3 m h ，远远不能满足用水量迅速增长的需要， 而且占地太多【8 9 ，4 9 1 。后来实践还证明，慢滤池的生物处理作用，对于水中所有 微量污染物质并不是很有效( 如有机氯农药去除约5 0 ) 。因此，慢滤池只能看 作是一种功能有限的处理方法。 为了满足人民日益增长用水量的需要，1 8 8 5 年，美国人研究发明了快滤池。 并于1 9 0 9 年建立了第一座快滤池。最初采用的快滤池标准滤速为5 m h ，现代快 滤池滤速可达4 0 m h 。目前采用快滤技术的普通快滤池、虹吸滤池、无阀滤池、 “v ”型滤池等多种形式的滤池在世界上得到了广泛的使用。现在，很多国家已 经采用深床高速的过滤方法。 理想滤池概念促使在过滤水流方向和滤料级配组合两方面加以改进，其主 要表现在： 过滤水流方向上，开发了上向流过滤、双向流过滤、水平流过滤等；滤料 级配组合方面上，开发了双层滤料滤床，三层或多层滤床以及混合滤料，滤料 滤床等【1 0 , 1 1 l 。 根据不同类型快滤池的运行及滤床结构的特性，反冲洗技术得到了很大的 发展，从早期的单独手动高速水冲方式，到今天已广泛采用的程控气、水混合 冲洗，表面助冲等方式，滤池的冲洗正朝着高效、节能、节水的方向发展。 1 2 2 国外过滤工艺现状 世界各国都认为过滤工艺是水处理工艺环节中去除悬浮浊质的最后和最 重要的一环。美国设计运行确定的滤池能去除浊质颗粒和胶体颗粒，使总的过 滤效率达到和超过9 9 。 为适应客观需要，己大量开发应用各式滤料滤池包括传统单层滤池，双层、 多层、单层上向流、单层双向流滤池等。据1 9 8 9 年报道，目前国外绝大多数为 高速滤池，其滤速为1 2m h 。在挖潜改造旧滤池上，既保证了高出水品质o 1 0 5 n t u ，又取得了高产水量，这是一种经济实用的经验，大大节约了基建投资。 现在对生活用水的过滤技术都采用反粒度滤料或是粗粒深床滤料滤池。还有一 种具有o ，化及良好絮凝预处理的2 m 深床媒滤料滤池。 深床滤池用空气擦洗及水反冲洗，双层、多层滤料则用表面冲洗及反冲洗， 以保持其良好的运行状态。直接过滤在美国有2 0 年经验，可节省基建投资和日 常开支，但是须要源水浊度不大于1 5 n t u 。近来双级过滤工艺( 粗滤加精滤) 2 武汉理工大学硕士学位论文 正在兴起忙】， 1 2 3 国内过滤工艺现状 解放以来，我国给水工作者与科学研究者通过努力学习国外先进理论和技 术并长期致力于科学试验和生产实践，积累了丰富的经验和成果，在过滤工艺 方面已接近国际先进水平。 就过滤工艺过程而言在过滤机理与结构方面，从慢滤到快滤，从单层到双 层、反粒度混合滤料过滤；从等速过滤到减速过滤；从黄砂、白煤滤料等到新 颖的陶粒滤料研制与应用；从下向流到前苏联k o 型上向流和a k x 双向流滤池； 从虹吸滤池到具有独创性的移动罩滤池：从四阀滤池到无阀滤池；从大阻力配 水系统到小阻力配水系统：从传统的水力分级滤层到滤层等，都有了自己的实 践成果和结论，保证了滤后水的水质符合国家饮用水卫生标准【1 2 ，5 2 1 。 在滤池群体布置方面，继组合式虹吸滤池后，我国研制的移动罩滤池具有 基建投资低廉( 为一般普通滤池的6 5 8 0 ) ，操作己可做至完全自动，具有恒 水位变滤速和低水头小阻力滤池的特点。 虽然国内在过滤工艺上取得很大进展，但是还存在以下主要问题： ( 1 ) 对滤池滤床中颗粒滤料的组成及其配置的重要性缺乏正确认识，有的 尚未切实执行严格的定期检查，分析其组成的变异和趋势，造成滤料的级配的 盲目，过滤性能低下。 ( 2 ) 国内单层砂滤料滤池用得较多，然而其过滤运行周期短、水头损失增 长快，其综合技术效益不高。 ( 3 ) 双层滤池，三层滤池运行效果并不理想。上层轻质滤料容易跑掉；层 间滤料混杂过度，且易产生板结；级配组织得选择原则不够明确。 ( 4 ) 滤池滤床的冲洗再生机制不健全。冲洗不按出水浊度或水头损失值而 按定时反冲洗；反冲洗强度不稳定，有高有低，造成滤料逸走或漏失，承托层 走动，砂面凹陷等不良效果；反冲洗系统布水不均匀或反冲洗水头损失很大或 水量与能量不足，容易造成局部板结j “。 1 2 4 陶瓷滤料的应用 快滤池的发展和对快滤池的研究， 单位体积内滤料截留杂质( 絮粒、粘土、 一直是为提高滤池的含污能力增大 藻类、细菌、病毒及其它胶体颗粒) 的含 3 武汉理工大学硕士学位论文 量而努力。从7 0 年代开始，人们对滤料截留杂质的机理有了新的认识。为提高 滤池的工作效率，减少传统滤渔过滤的不合理性，在滤池滤料研究上做了大量 工作，开发了多种优质净水滤料【1 9 1 。 随着人类对供水水质要求的提高和供水量的增加，已开发研究出了各种进 水材料，石英砂是使用最广泛的滤料，在双层和多层滤料中还有无烟煤、石榴 石、钦铁矿、磁铁矿、金刚砂等；人工合成的轻质滤料中有聚苯乙烯球粒、聚 氯乙烯球粒等，主要用于工业水处理中。用无机材料经烧结，破碎后制成的滤 料有陶粒滤料、陶瓷滤料等。用于给水处理的滤料，直接影响滤后水的水质， 这就要求滤料具有足够的机械强度，化学性能稳定，具有一定的颗粒级配和适 当的孔隙率等【1 4 1 。 石英砂、无烟煤等普遍存在的问题是比表面积小、孔隙率小，截污能力受 到限制。国内外的水处理工程实践中，传统采用的是石英砂、无烟煤等材料作 为过滤工艺的滤料，长期以来一直存在截污能力低，运行周期短，耗水量大的 缺陷，其综合技术效益普遍不高。陶瓷滤料就是针对上述滤料的缺点研究开发 的一种新型人工滤料，其生产原料来自于铝厂的废矿料，掺合一定的成孔剂、 粘合剂和发泡剂，经过炼泥、陈腐、成型、干燥、烧成等工艺生产而成的种 球型滤料，其表面坚硬，内部多微孔。经过中南市政设计院中国滤料检测中心 检测，其各项性能指标如破损率、磨损率、含泥量等都完全达到并优于国家规 定的质量标准，不仅比国内市场上正在采用的各种滤料性能更好，甚至达到美 国、日本等先进国家制定的质量标准。更为重要的是，新型陶瓷滤料在水中的 溶出盐含量极低，完全满足国家规定的饮用水卫生标准。 目前，陶粒滤料在水处理中主要应用于污水、工业废水的处理。1 9 9 9 年， 山东建材学院采用陶粒处理含镍废水，镍的去除率达9 9 以上。2 0 0 3 年，济南 大学采用陶粒分别处理含铅和锌废水，铅和锌的去除率均达9 8 以上。此外， 陶粒在解决水源微污染问题上也有了一定的研究应用。1 9 9 8 年，清华大学利用 生物陶粒对深圳水库水进行生物预处理现场试验研究，结果表明，生物陶粒能 有效地降低水中的n 0 _ n 、n h 3 一n 、o c 、浊度、色度、m n 和藻类，在工作 滤速为4 m h ，气水比为1 ：1 的条件下平均去除率分别为9 0 _ 8 、8 4 、2 1 4 、 6 2 、4 7 、8 9 和6 8 ，是解决水源水微污染问题有效的预处理单元工艺【”一 1 8 】。 然而，陶粒滤料用于水厂直接作为过滤介质的应用研究目前还处于初步阶 4 武汉理工大学硕士学位论文 段，考虑到本试验所用的新型陶瓷滤料具有良好的物理、化学和水力性能；比 表面积大，孔隙率高；吸附能力强，截污能力大，而且它是原材料来自铝厂的 废矿料。将其应用于新水厂建设和旧水厂的改建将是一个创新。并且可以带来 技术、经济和环境等方面的效益。 1 3 选题的意义及研究内容 当今世界水资源缺乏是一个严重的问题，全世界总储水量为1 3 6 亿k m 3 ， 其中淡水总量为o 4 1 3 6 亿k m 3 ，占总储水量的2 7 7 ，除掉冰川和冰冠外，可 利用的淡水总量还不到1 ，可见地球上可利用的淡水很有限，中国尤其严重d g 。 目前，人们面i 临水量、水质的矛盾，国内外的水处理工程实践中，传统采 用的是石英砂、无烟煤等材料作为过滤工艺的滤料。长期以来一直存在截污能 力低，运行周期短，耗水量大的缺陷，其综合技术效益普遍不高，因此，如何 研究工业化生产的孔隙率较高的、比表面积较大的、适宜于去除水中胶体杂质 的新型滤料就成为环保工作者面临的当务之急a 武汉理工大学和山东铝业合作利用铝厂的生产废料，研究开发出一种新型 过滤材料陶瓷滤料，本课题就是研究这种新型陶瓷滤料的过滤性能及相对 于石英砂滤料对浊度的去除效果，并就其反冲洗技术进行了试验研究。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章过滤理论 2 1 过滤机理 过滤是一个胶体物理化学作用和水动力学作用共同作用的复杂过程。杂质 在滤层中的去除受杂质和滤料的物理化学性质、水的化学特性、滤速以及滤池 运行方式的影响，其去除过程至今仍末被完全了解，大多数研究者认为悬浮颗 粒必须经过迁移和附着两个过程才能完成去除的过程。悬浮颗粒去除机理的发 展大致可分为三个阶段。第一阶段足定性的把滤层的孔隙当作一个微型沉淀池， 把悬浮颗粒的沉淀作用作为去除的机理。第二个阶段主要是对迁移过程的数学 描述，得出在去除过程中各种作用于悬浮颗粒的因素和粒径大小之间的关系。 第三个阶段是把胶体和表面化学以及物理化学、流体力学的理论应用到迁移和 附着两个过程中，对去除过程进行数学的描述。这就涉及了表面双电层的电动 力，范德华吸引力以及化学键等的作用，第二阶段和第三阶段有时是交叉的， 对滤层孔隙中滤料去除悬浮颗粒的迁移和附着过程的数学描述，实际是过滤过 程的微观理论，也是更完整的理论。由于过滤现象的固有复杂性，第三阶段的 去除机理研究尚处于开始的阶段【2 0 , 2 1 。 2 1 1 迁移机理 悬浮颗粒脱离流线与滤料接触的过程就是迁移机理。在过滤过程中，滤层 孔隙中的水流速度较慢，被水流夹带的颗粒由于受到某种或几种物理一力学作 用就会脱离流线而与滤粒表面接近，一般认为由以下作用引起：截阻、沉淀、 惯性、布朗运动及水力作用等。 截阻：当悬浮颗粒沿着一条流线运动，以致最后与滤料颓粒的表面接触时， 这种俘获就称为截阻作用。 沉淀：对粒径和密度较大的悬浮颗粒，在重力方向上存在较大的沉降速度。 在重力作用下，颗粒会偏离流线沉淀到滤料表面上。1 9 0 4 年黑森( h a z e n ) 第一个 提出杂质颗粒在滤料空隙中受重力作用会沉淀。其基本思想是杂质粒子以沉降 速度( 斯托克斯速度) 沿重力方向运动，穿过流线并接近滤料表面，特别是滤料上 表面。 对沉淀作用的研究发现，不论是下向流过滤还是上向流过滤，杂质粒子主 6 武汉理工大学硕士学位论文 要聚集在滤料的上表面。这就充分表明，沉淀作用在过滤过程中是不可轻视的 因素。后期的研究分析认为，只有当颗粒很接近滤料颗粒表面时( 例如2 0 z l i t 以 内) ，由于水流的速度很小，由重力所产生的沉速，才足以影响颗粒物的运动， 最后完成去除颗粒物的作用。 惯性：具有较大动量和密度的颗粒在绕过滤料表面时会因惯性作用脱离流 线，碰撞到滤料表面上。1 9 0 4 年h a g e n 提出：滤料的作用类似一个无数底盘的 沉淀池，在滤床中每一个空隙空间均起着一个微型沉淀池作用，滤料则提供了 巨大的沉淀面积，同时，优良的水力条件为颗粒沉降创造了有利条件，惯性力 足够大的时候，把颗粒抛到滤料表面上，即完成了迁移的过程。 布朗运动：对于微小颗粒，布朗运动剧烈时会扩散到滤料表面上。水处理 中杂质颗粒的尺寸较大，扩散作用不明显。扩教作用常用贝克莱数p e = 扣d c ) d f 表示，d p 为扩散系数，v 为流速。 水力作用：滤料间隙构成的滤层的孔隙是极不规则的流体在其中流动，由 黏性引起的剪应力的分布也会很不均匀，特别是不规则颗粒就会由于受到不平 衡的力的作用产生径向运动或转动而脱离流线与滤料表面接触。 影响颗粒迁移的因素较复杂，如滤料尺寸、形状、滤速、水温以及悬浮颗 粒的粒径、形状和密度等。颗粒的粒度与去除机理的关系，大致是，对- - 3 0 掣m 的颗粒，沉淀和截阻都起作用，对约1 3p m 的颗粒，以截阻为主要作用；对 o 1 1 11 1 1 的颗粒，以截阻和扩散起主要作用：对3 3 0 _ m 的颗粒，沉淀和截阻都起 作用t 5 ，8 ，2 2 ，“。 2 。1 2 附着机理 已经到达滤料表面的颗粒在物理化学力的作用下使它们黏附于滤料表面上 不再脱落而从水中去除，这就是附着作用。这些物理化学力包括范德华力、静 电力、化学键和化学吸附等，通常认为有以下几种情况。 接触絮凝：在源水中投加凝聚剂，压缩悬浮颗粒和滤料颗粒表面的双电层， 但尚未生成微絮凝体时，立即进行过滤。此时，水中脱稳的胶体很容易与滤料 表面凝聚，即发生接触絮凝作用。接触絮凝是附着作用的主要作用力。 静电引力：由于悬浮颗粒表面上所带的电荷与滤料表面上所带电荷异性相 吸。 吸附：悬浮颗粒细小，具有很强的吸附趋势，吸附作用也可能通过絮凝剂 7 武汉理工大学硕士学位论文 的架桥作用实现。絮凝物的一端附着在滤料表面，另一端附着在悬浮颗粒上。 某些聚合电介质能降低双电层的排斥力或者在两表面活性点问起键的作用而改 善附着性能。 分子引力：原子、分子间的引力在颗粒附着时起重要作用。分子引力可以 叠加，其作用范围有限( 通常小于5 0 , t m ) 与两分子间距的6 次方成反比。 在颗粒黏附的同时，还存在由于孔隙中水流的剪切力作用导致从滤料表面 脱落的趋势，黏附与脱落的程度往往决定于水流剪应力的相对大小。随着过滤 进行，悬浮颗粒的黏附，滤料问的孔隙逐渐减小，水流速度加快，水流剪力增 大，最后黏附的颗粒由于黏附力较弱就可能优先脱落。脱落的颗粒以及没有黏 附的颗粒会被水流夹带向下层推移，下层滤料的截留作用渐次得到发挥。 2 2 过滤过程理论【2 4 - 3 2 1 3 0 年代末出现了有关过滤过程的理论研究论文，这些论文可分为两类，一 类是研究过滤周期或者絮体在滤层中的穿透深度等过滤指标与滤料的粒度、滤 速等参数的关系，另一类是企图建立整个过滤过程的数学模型。许多研究者都 进行了通过建立某种数学模式来描述深层粒状介质的过滤的尝试，他们常常是 将出水水质和水头损失与过滤时间相互关联起来，同时引入可测的宏观过滤变 量，如滤速、粒径、水流的粘滞度等。将各种悬浮液进行过滤试验，观察记录 滤层不同深度处的水质和水头损失的变化，最后经分析整理求得过滤的数学方 程式。过滤理论的数学表示式主要有过滤方程式和滤层水头损失公式。 1 澄清方程式 1 9 3 7 年，日本t o m i n i s al w a s a k i ( 岩崎) 根据长期对过滤过程的研究，发表了 下列关系式： _ o c 一a c ( 2 ，1 ) 缸 v 堕+ 丝：01 以以 a = a o + 凸6 ( 2 3 ) 式中：c 滤层深度石处的单位时间内的面积微粒浓度( 微粒数c m 2 d ) ； 过滤系数，为滤料粒径、滤速和微粒的函数； z n _ 一清洁滤层过滤系数； 8 武汉理工大学硕士学位论文 t 过滤时间，d ： v 滤速，m h ； 6 常数，为滤料粒径、滤速和微粒的函数： 存一比沉积量，微粒数c m 2 。 上述澄清方程式的物理意义是，当悬浊液通过滤层时，悬浊液浓度随其通 过滤层的深度而减少，并且悬浊液浓度的减少速度与该点的悬浊液浓度成比例。 岩崎的动力学方程和连续性方程式是以慢滤池为对象提出来的，后来许多研究 者发现它们在快滤池中同样成立。 t o m i n i s a l w a s a k i ( 岩崎) 的澄清方程式( 2 1 ) 和连续方程式( 2 2 ) 得到了 后来的m i n t s 、i v e s 、m a r o u d a s 的认同，只是在 的函数表达式上各人持不同意 见。例如，岩崎认为九的增加量与d 成正比；而i r e s 是用d 的二次式表示l ，并 提出了在过滤初期增加，随后又减少的模式。以下是他们提出的a 表示式： m i n t s 公式： m 。( 卜丢】 协4 ， i v e s 公式： a a o 【1 + n 1 6 一a z 6 2 j ( 2 5 ) 式中：n 1 ，n 广有关滤料填充情况有关的系数； d o 给定条件下的极限截留量，即詈= 0 时的d 量。 其余符号意义同前。 2 滤层水头损失公式 滤层由大量滤料颗粒堆积而成，当水流通过时，滤料颗粒对水流运动产生 了很大的阻力，在滤床层两端造成了很大的压降，称为过滤阻力，用水柱高度 表示即为过滤的水头损失。 水头损失无论在过滤设计和操作中都是重要参数，因此研究者们一直试图 用数学方法加以描述。目前，流体通过尚未截留悬浮物的滤层的水头损失常用 利瓦( l e v a ) 公式和费尔一哈奇( f a i r - - h a t c h ) 公式进行计算，两公式都是从 康尼尔一卡曼( k o z e n y - - c a r m a n ) 公式推导出来的。特别是费尔一哈奇( f a i r h a t c h ) 公式是以滤池为对象求出的，与实测值吻合，但以r e = l 为界，方程 的形式有变化，因此在r e = l 附近探讨过滤阻力有些不便。然而利瓦( l e v a ) 公 9 武汉理工大学硕士学位论文 式适用于r e 1 0 的范围，所以是个便于应用的公式。 康尼尔一卡曼( k o z e n y - - c a r m a n ) 公式： ”瑚二g 警0 w ， 朋oi 炉 式中：水流通过清洁滤层水头损失，c m ： v 水的运动粘度，c 1 1 1 2 s ； g 重力加速度。9 8 1 c m s 2 ： m 。滤料孔隙率； d o 与滤料体积相同的球体直径，e r r ； 岛滤层厚度，c m ； 矿滤速，c m s ； y 滤料颗粒球度系数。 上述公式只适用于均匀滤料滤池，而实际滤层是非均匀滤料，计算非均匀 滤料层水头损失，可按筛分曲线分成若干层，取相邻两筛子的筛孔孔径的平均 值作为各层的计算粒径，则各层水头损失之和即为整个滤层总水头损失。设粒 径为盔的滤料重量占全部滤料重量之比为p i ，则清洁滤层总水头损失为： ”妒s o 詈学儿骞 ， 式中各符号意义同( 2 - 7 ) 式。 利瓦( l e v a ) 公式： 。= 三竺裂月。2 p 芦d _ _ 5 _ v c 1 。 ( 2 - 8 ) 费尔一哈奇( f a i rh a t c h ) 公式： 1 o 。1 7 8 c d v2 a 1 9 矿 c 一。薏+ 去+ o ，a 耻- 或c 。百2 4 耻1 ( 2 _ 9 ) 式中： 液体的动力粘滞系数( k e c m s ) ； d 滤料粒径； l o 武汉理工丈学硕士学位论文 参滤料的形状系数； r 液体的密度( k g m 3 ) ； 口与滤料表面积有关的形状系数； 零与滤料体积有关的形状系数。 其余符号意义同前。 i v e s 称，若过滤满足c c d 5 ，即滤床在去除大多数悬浮物杂质时，均匀粒 径的全滤层总水头损失的经验方程式可近似表示为： h 。h 。+ 堕f ( 2 - 1 0 ) 1 一m o 式中：艮常数： c 厂原水中悬浮物浓度。 其余符号意义同前。 以岩崎的过滤方程为基本理论研究建立的一系列针对整个过滤过程的数学 模型，较成功地预测了因多变量的变化引起的过滤特性的变化，因而对设计和 操作具有一定的实用价值。但受多种因素影响的过滤本身的复杂性决定了要建 立一个适用予任何操作条件下的过滤过程并包括各种理论常数的精确的数学模 式事实上是不可能的。 滤层的水头损失有如下变化规律： ( 1 ) 滤料粒径越租，水头损失的绝对值增长越慢。 ( 对悬浮物截留量及截留模式都相同的滤层来说，水头损失与滤速成比例 变化。 ( 3 ) 滤速增大时，初期水头损失也大，但悬浮物进入滤层的深度也大。所以 对同截留悬浮物量而言，水头损失的增长较慢。 2 3 过滤过程的影响因素 影响过滤过程的因素有许多，但在具体的情况下，某几个因素的影响会显 得更突出。 2 3 1 滤层厚度和粒度【3 3 1 3 6 1 按唯象观点即不涉及机理，认为过滤是水中悬浮物被截留的过程，被截留 的悬浮物充塞于滤料间的孔隙中。在同种滤料、相同反二冲洗条件下，滤层孔隙 尺度以及有效孔隙率随滤料粒度的加大而增加。即滤料粒度越粗，可容纳悬浮 武汉理工大学硕士学位论文 物的有效空间越大。其表现为过滤能力增强，截污量增大。同时，滤层孔隙度 越大，水中悬浮物能被更深地输送至下一层滤层，在有足够保护厚度的条件下， 悬浮物可以被更多地截留，使中下层滤层更好地发挥截留作用，滤池截污量增 加。 从力学特性讲，过滤水流在滤料层中的流动与滤料颗粒间的水流剪力则具 有使被截留吸附在滤料颗粒表面的悬浮物剥落的可能，并同时产生附加水头， 即产生水头损失。滤料粒度增大，孔隙尺度加大，有效孔隙空问增加，过水通 道尺度大，过滤水流阻力减弱，水头损失增量将得以延缓，其结果达到规定水 头损失的过滤周期得以延长，产水量得以增加。 日本学者藤田贤二通过研究导出： h ：k 生肇；垫二笙 ( 2 1 1 ) 0 9 印z d i 3 式中：臻一过滤水头损失，( n 幻； 醛一系数； _ i 虑料层厚度，( m ) ： 卜滤速，m h ； o 一水密度，( k g m 3 ) ； 卜重力加速度，9 8 1 m s 2 ： l f ，撼料球形度； d 一滤料粒径； n 越层空隙度； l f 水的动力粘度： 虽然这个公式主要是表示滤料特征与初始水头的关系，但己清楚地描述 了滤料粒径大小、空隙度大小对过滤过程的影响，即滤料粒径增加、水头损失 减小、过滤周期势必延长、产水量增加。 随着滤料粒径的加大，虽然能更多地发挥下层滤料的截留作用，但同时也 对穿透深度带来影响，即在其它条件等同时，粒径越粗穿透深度也越大。 汉森( h a n z e n ) 认为，经絮凝后弱的絮体穿透深度与滤料粒径的三次方成 正比，强的絮体穿透深度与滤料粒径的二次方成正比。斯坦雷( s t a n l e y ) 则用下 述公式表述滤料粒径与穿透深度的关系： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 k ：型垫!( 2 1 2 ) f 式中：艮一常数； “滤速，m h ； 出一有效粒径； h 水头损失，m5 f 穿透深度； 上式表明，穿透深度与滤料粒径的2 4 6 次方成正比。 由此引发出两个问题。其一，相同厚度的滤层，在一定范围内，滤料粒径 越粗，由于穿透深度越大，出水浊度将不如粒径较细的滤料。表1 所示试验数 据证明了这一点。 其二是，前述滤料粒径越粗滤层截污能力越强、过滤周期产水量越大的观 点应是建立在满足一定出水水质( 浊度) 要求的前提之上的。 从严格的理论上讲，滤层所具有的对悬浮物的截留作用来自滤料所具有的 表面积。慢滤池的过滤能力主要地来自筛除作用，而快滤池的过滤能力主要来 自滤料颗粒表面的吸附作用，这是快滤池与慢滤池过滤机理最主要的不同之处。 在过滤过程中滤料所提供的表面积越大，对水中悬浮物的附着力越强。 要达到一定的预期的水质要求，滤料所提供的表面积应表现为：单位面积 滤层所提供的表面积必须满足某一最低量值的要求，单位滤池面积滤料的表面 积表示为： 白。妒p 捌一掣罢 弦 式中：s 滤料表面积； 印滤层孔隙度，以小数表示； v 滤料球形度； l 。滤层厚度； d g 滤料的几何平均粒径。 这个式子清楚地表明，在滤料球形度一定也即滤料种类一定的情况下，能 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 够抵消粒度变化负面影响的只有滤层厚度、即l 。这样，此式中的i j d 成为关 键因素，它决定了滤料所能提供的表面积的大小也就决定了过滤性能。 我国城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划提出：“为保证水质，滤层 深度与粒径比应大于8 0 0 ”。而美国i n t e r g r a t e dd e s i g no fw a t e rt r e a t r n e n t f a c i l i t i e s ) ) 一书指出：“普通单层砂滤浊或双层滤料滤池l d = 1 0 0 0 ；1 5 m m = d = 1 o m m 的单层滤料滤池，l d = 1 2 5 0 ”其中d 为滤层有效粒径1 2 l 。 2 3 2 有效粒径和不均匀系数1 3 9 4 1 】 在水处理术语中，称d l o 为滤料的有效粒径，d s 4 d l o 的比值称为滤料的不均 匀系数，以磁。表示。从过滤理论来讲，不均匀系数以做到越小越好。不均匀系 数越小，滤料就越均匀，对过滤更有利。k s o 愈大，即滤料粒径相差越悬殊，那 么下部滤层的空隙大，然而下部空隙大的滤层，不能有效的截污，有效的截污 作用靠上部细滤料来完成，因而，k s o 愈大，截污效果愈差。 第十届国际给水会议报告中指出：“采用比较均匀的粗砂级配，分层问题 就不会发生。”因此，过滤需要均匀滤料。但是，从天然砂或人工破碎的无烟煤 中，几乎不可能筛分出不均匀系数为1 的颗粒，因而在实际生产中总是用尽可 能小的不均匀系数来实现对滤料均匀性的要求。 滤料是上个世纪末在我国水处理行业中大量应用的一种高性能过滤填料。 滤料是指沿整个滤层深度方向上，滤料组成和粒径分布基本均匀，反冲洗时不 允许滤料层发生水力分级现象。滤床上下方向的滤料孔隙率相同，使滤床内的 水力流态相同，滤池能更好地克服表面阻塞，使絮体深入滤床，提高滤层的含 污能力，以达到滤出水量多，水质好的效果。 2 3 3 滤速 一般认为，滤速越大，穿透深度也越大，因而需要的滤层厚度也越大。s t a n l e y 提出在其它条件相同时，穿透浓度与滤速v 的1 5 6 次方成正比，而h u d s o n 认为 穿透深度与滤速v 的一次方成正比例关系。1 9 7 8 年t a t e 等人报导在其他过滤条 件相同的情况下增加滤速导致滤后水中杂质颗粒的增加。1 9 9 2 年c l a r k 等人发现 随着滤速的增加，水中杂质颗粒的去除率下降。1 9 9 3 年m o r a n 等人的研究也得 到了同样的结果，但如果采用其它辅助措施，将会减弱上述因滤速加大而带来 的负面影响。1 9 6 8 年，t u e p k e r 等人研究发现，滤速的增加要避免突然，应从开 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 始增加到达到预定滤速经过1 0 分钟逐渐增加，滤速的提高可通过个滤速控制 器或慢开阀如果水经过了适当的预处理，或者通过滤层的速率适当，滤速不发 生突然变化、不控制滤速的情况下，从滤层底部直接过滤可能对水质没有决定 性的影响1 ，3 7 一驯。 2 3 4 水温 水温与穿透深度成正比，水温越低，水的粘度越大，胶体不容易脱稳，滤料 和没脱稳的粒子的凝聚、吸附作用减弱，使粒子不容易被截留，滤池的吸附性能 下降，滤层穿透加快，滤后出水浊度也因此增加较快。 2 3 5 水力波动 滤出水压力的不规则跳动现象称为水力波动。水力波动和滤速波动是并存 的。因此，数值大的水力波动和滤速的大波动是同时出现，滤出水水质也就出 现恶化现象。水力波动的产生有下列情况：( i ) 由于滤池进口或出口处所装的 流量控制设施所引起的水流不稳定，甚至暂时失灵。( 2 ) 由于全厂流量的增加， 使滤池的滤速在短时间内的增加，或者由于一个滤池的冲洗引起剐的滤池的滤 速变化。( 3 ) 滤池冲洗后开始过滤，或者别的滤池的开、停所引起的滤速变化。 当这些情况引起滤速的瞬变值过大时，则会产生滤出水水质显著恶化的现象， 研究表明，加少量聚合物就足以控制因水力波动所产生的浊度波动现象【“。 2 3 6 化学因素 影响过滤效果的化学因素很多，包括原水的各种化学水质系数、悬浮固体 的化学性质和过滤前的化学处理过程等等。化学因素有滤前水的水质特征综合 反应出来，而影响滤前水水质特征的则是滤前水所经过的化学处理。许多研究 资料表明：( 1 ) 未经化学处理的水，滤后水水质不合格；( 2 ) 仅加硫酸铝处理， 容易出现浊度泄漏，阱致高滤速下不能采用；( 3 ) 采用阳离子型聚合物为混凝 剂时，滤后水不出现泄漏现象【8 】。 2 3 7 其它因素 影响过滤的其它因素还有极限水头损失，颗粒的球形度，水的p h 值等。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章试验内容与试验条件 3 1 滤料物化性能对比 陶瓷滤料同天然石英砂滤料一样，也是一种无机滤料，其主要化学成分见 表3 1 ： 塞! ：!堕望鎏型盟些兰望坌( 塑 成分s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 c a o m g o k 2 0 3 + n a 2 0烧失量 含量4 0 5 0 2 0 2 58 1 01 0 1 3 0 8 1 2 40 5 陶瓷滤料经过中南市政设计院中国滤料检测中心检测，其各项性能