水污染控制工程过滤理论课件

1、第二章第二章 水的物理处理水的物理处理第八节第八节 过过 滤滤8.1 8.1 概概 述述 一、过滤：一、过滤：借助于具有一定空隙率的固体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。得到澄清的工艺过程。二、截留的对象：二、截留的对象： 细小颗粒、细小矾花、藻类、细菌及病细小颗粒、细小矾花、藻类、细菌及病毒。毒。 三、位置：三、位置：沉淀池或澄清池之后。沉淀池或澄清池之后。 直接过滤。直接过滤。 8.1 8.1 概概 述述 在给水处理中，在给水处理中，常用过滤处理沉淀或澄常用过滤处理沉淀或澄清池出水，使滤后出水浊度满足用

2、水要求。清池出水，使滤后出水浊度满足用水要求。 在废水处理中，在废水处理中，过滤常作为吸附、离子过滤常作为吸附、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，使滤后出水达到生化处理后的深度处理，使滤后出水达到回用要求。回用要求。 8.1 8.1 概概 述述 四、作用四、作用 ( (给水给水) ) 1 1、进一步降低水的浊度；、进一步降低水的浊度； 2 2、同时水中有机物、细菌及病毒将随水的、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。浊度降低而部分被去除。 3 3、为滤后消毒创造了良好条件。、为滤后消毒创造了良好条件。 （残留于滤

3、后水中的细菌、病毒等失去浑浊物的保护和依附时，（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。）在滤后消毒过程中也将容易被杀灭。） 4 4、在饮用水净化工艺中，过滤是不可缺少、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。的，它是保证饮用水卫生安全的重要措施。8.2 8.2 概概 述述五、滤池的种类五、滤池的种类 ( (一一) ) 按滤速按滤速 1 1、慢滤池、慢滤池 0.010.010.4m/h0.4m/h 2 2、快滤池、快滤池 4 48m/h8m/h 3 3、高速滤池、高速滤池 101016m/h16m/h ( (二二)

4、) 按作用水头按作用水头 1 1、重力滤池、重力滤池 4 45m 5m 2 2、压力滤池、压力滤池 151525m25m ( (四四) ) 按滤料组成按滤料组成 1 1、单层滤池、单层滤池 滤速滤速 8-10m/h 8-10m/h 2 2、双层滤池、双层滤池 滤速滤速10-14m/h 10-14m/h 3 3、多层滤池、多层滤池 滤速滤速18-20m/h 18-20m/h 8.2 8.2 过滤理论过滤理论 一、过滤机理一、过滤机理 ( (一一) ) 机械筛滤机械筛滤 把滤料间的空隙看作把滤料间的空隙看作“筛子筛子”，大于孔隙尺寸的杂，大于孔隙尺寸的杂质被截留下来。质被截留下来。 ( (二二)

5、) 重力沉降重力沉降 靠重力作用沉淀在滤料的表面。滤料层类似于层层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。淀截留下来。 ( (三三) ) 接触絮凝接触絮凝 在范德华力作用下被滤料吸附；在布朗运动作用下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。迁移扩散到滤料表面被吸附。8.2 8.2 过滤理论过滤理论 水中的悬浮颗粒能够粘附于滤料颗粒表面，水中的悬浮颗粒能够粘附于滤料颗粒表面，涉及两个问题：涉及两个问题： 1 1、被水流挟带的颗粒如何与滤料颗粒表面、被水流挟

6、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表面靠近的迁移机理。迁移机理。 2 2、当颗粒与滤料表面接触或接近时，依靠、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，这哪些力的作用使它们粘附于滤料颗粒表面上，这涉及涉及粘附机理粘附机理。8.2 8.2 过滤理论过滤理论1 1、颗粒迁移机理、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。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

7、与滤料颗粒表面接近，完全是一种物理流线与滤料颗粒表面接近，完全是一种物理- -力学作用，力学作用，主要有拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力作用。主要有拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力作用。 8.2 8.2 过滤理论过滤理论 （1 1）拦截作用：）拦截作用：颗粒尺寸较大时，处于流线中的颗粒颗粒尺寸较大时，处于流线中的颗粒会直接碰到滤料表面产生拦截作用；会直接碰到滤料表面产生拦截作用； （2 2）沉淀作用：）沉淀作用：颗粒沉速较大时会在重力作用下脱离颗粒沉速较大时会在重力作用下脱离流线，产生沉淀作用；流线，产生沉淀作用； （3 3）惯性作用：）惯性作用：颗粒具有较大惯性时，也可脱离流线颗粒具有较大惯性时

8、，也可脱离流线与滤料表面接触；与滤料表面接触； （4 4）扩散作用：）扩散作用：颗粒较小，布朗运动较剧烈时会扩散颗粒较小，布朗运动较剧烈时会扩散至滤料表面；至滤料表面； （5 5）水动力作用：）水动力作用：在滤料表面附近存在速度梯度，非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。线与颗粒表面接触。8.2 8.2 过滤理论过滤理论2 2、颗粒粘附机理、颗粒粘附机理 粘附作用是一种物理化学作用。当水中杂质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，则在颗粒迁移到滤料表面上时，则在范

9、德华力和静电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。原先粘附的颗粒上。 此外，絮凝颗粒的架桥作用也会存在。此外，絮凝颗粒的架桥作用也会存在。8.2 8.2 过滤理论过滤理论二、滤层内杂质的分布规律二、滤层内杂质的分布规律 （一）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在颗粒粘附的同时，还存在由于孔隙中水流剪力作用剪力作用而导致颗粒从滤料表面上而导致颗粒从滤料表面上脱落趋势脱落趋势。 粘附力和水

10、流剪力相对大小，决定了颗粒粘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。附和脱落的程度。图图 颗粒粘附力和平均水流剪力示意图。颗粒粘附力和平均水流剪力示意图。8.2 8.2 过滤理论过滤理论二、滤层内杂质的分布规律二、滤层内杂质的分布规律 F Fa1a1表示颗粒表示颗粒1 1与滤料表面的粘附力；与滤料表面的粘附力；F Fa2a2表示颗料表示颗料2 2与颗粒与颗粒1 1之间的粘附力；之间的粘附力；F FS1S1表示颗粒表示颗粒1 1所受到的平均水流剪力；所受到的平均水流剪力；F FS2S2表示颗粒表示颗粒2 2所受到的平均水流剪力；所受到的平均水流剪力；F F1 1、F F2 2和和F

11、 F3 3均表示合力。均表示合力。8.2 8.2 过滤理论过滤理论 过滤初期，过滤初期，滤料较干净，孔隙率较大，孔滤料较干净，孔隙率较大，孔隙流速较小，水流剪力隙流速较小，水流剪力F Fa1a1较小，因而粘附作用占较小，因而粘附作用占优势。优势。 随着过滤时间的延长，随着过滤时间的延长，滤层中杂质逐渐增多，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（如图中颗粒粘附上的颗粒（如图中颗粒3 3）将首先脱落下来，）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

12、下层推移，下层滤料截留作用渐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。次得到发挥。 第二节第二节 过滤理论过滤理论 实际工作时，往往是下层滤料截留悬浮颗粒实际工作时，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。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，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，表层滤料间因而，过滤到一定时间后，表层滤料间孔隙将逐渐被堵塞孔隙将

13、逐渐被堵塞，甚至产，甚至产生筛滤作用而生筛滤作用而形成泥膜形成泥膜，使过滤阻力剧增。，使过滤阻力剧增。导致结果导致结果: (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）极限值）; (2)或者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。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。当上述两种情况之一出现时，过滤将被迫停止。 8.2 8.2 过滤理论过滤理论（二）滤池

14、的含污能力（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量在滤层深度方向变化很大. . 滤层含污量滤层含污量指单位体积滤层中所截留的杂质量。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体积滤料中的平均含污量称为“滤层含污能力滤层含污能力”，单位以单位以g/cmg/cm3 3或或kg/cmkg/cm3 3计。计。图17-4 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8.2

15、 8.2 过滤理论过滤理论 提高提高滤池含污能力滤池含污能力的途径：的途径： A A、提高滤料颗粒的均匀性，即减小、提高滤料颗粒的均匀性，即减小K K8080 ，增大，增大d d1010 。 B B、由单层滤料改为多层滤料；（反粒度过滤。提高、由单层滤料改为多层滤料；（反粒度过滤。提高滤层含污能力，延长过滤周期。滤层含污能力，延长过滤周期。 ） C C、改变水流方向（上下双向过滤）（反粒度过、改变水流方向（上下双向过滤）（反粒度过滤）滤） 。进水出水承托层石英砂a.上向流过滤b.双向流过滤承托层石英砂进水出水c.双层滤料承托层石英砂出水d.三层滤料无烟煤承托层石英砂出水无烟煤磁铁矿8.2 8.

16、2 过滤理论过滤理论 为了改变上细下粗的滤层中杂质分布严重的不均匀为了改变上细下粗的滤层中杂质分布严重的不均匀现象，现象，提高滤层含污能力，提高滤层含污能力，出现了出现了双层滤料、三层滤料双层滤料、三层滤料或均质滤料或均质滤料等，等，见图。见图。 8.2 8.2 过滤理论过滤理论三、直接过滤三、直接过滤 （一）定义（一）定义 原水不经沉淀而直接进入滤池过滤称原水不经沉淀而直接进入滤池过滤称“直接过直接过滤滤”。 （二）直接过滤方式（二）直接过滤方式 (1)(1)原水加药后面接进入滤池过滤，滤前不设任何絮原水加药后面接进入滤池过滤，滤前不设任何絮凝设备。凝设备。“接触过滤接触过滤”。 (2)(2)滤池前设滤池前设微絮凝池微絮凝池，原水加药混合后在微絮凝池，原水加药混合后在微絮凝池，形成粒径相近的微絮粒后（粒径大致在形成粒径相近的微絮粒后（粒径大致在 40-6040-60mm）即刻）即刻进入滤池过滤。进入滤池过滤。“微絮凝过滤微絮凝过滤”。 8.2 8.2 过滤理论过滤理论三、直接过滤三、直接过滤 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