第四章、过滤

1、第四章、过滤 第一节、概述 水处理中的过滤一般是指借助网状材料或粒状介质截留水中杂质，使水获得澄清的过程。通过网状材料的过滤称表面过滤；通过粒状介质的过滤称深层过滤。 在这里我们主要介绍深层过滤。 一、过滤功能 过滤工艺的主要目的是去除水中悬浮物质，但由于不少细菌和病毒依附于悬浮物质，因而过滤工艺对去除细菌和病毒也有明显作用。由于过滤是给水常规处理中除消毒外的最终处理工艺，因此对确保供水水质具有重要作用。进一步去除经过沉淀或澄清后的水中的细小杂质、有机物、细菌和病毒等。 当原水浊度较低时，可直接过滤去除水中的悬浮杂质。 二、滤池分类 完成过滤工艺的处理构筑物称滤池。 按滤料的不同可分为单层滤料

2、、双层滤料、多层滤料及均质滤料等滤池。按水流方向的不同可分为下向流、上向流、双向流等滤池。按滤池受压情况可分为压力式滤池和重力式滤池。按药剂投加方式不同可分为沉淀后过滤、微絮凝过滤和接触絮凝过滤。 按运行周期内滤速的变化可分为等速过滤和降速过滤。 三、快滤池的构造和工作过程1、构造 普通快滤池的构造见图41。其构造主要由池体、管廊、进水管、清水管、反冲洗水管、洗砂排水槽、排水管、放空管等组成。 2、工作过程 过滤过程 冲洗过程快滤池工作周期滤池从过滤开始到冲洗结束所需时间过滤周期冲洗时间 过滤周期滤池从过滤开始到过滤结束 图41 普通快滤池构造图 第二节、过滤理论 一、过滤机理 对于普通石英砂

3、滤料来说，滤料粒径通常为0.51.2mm，滤料层厚度为700mm，表层粒径最小，为0.5mm，以球体计算，则表层颗粒间孔隙尺寸约为80 。原水经过混凝沉淀后，进入滤池的水中的颗粒直径大致为3040 ，这些颗粒能被滤池截留下来，说明过滤不是简单的机械筛滤过程。 欧、美专家认为：过滤机理主要有两个，即迁移机理和粘附机理。 mm1、迁移机理 迁移机理指颗粒脱离水流流线接近或接触滤料表面。这是一种物理力学作用，主要由以下作用引起：拦截：直径为d的颗粒，在d/2的范围内被滤料拦截。 沉淀：颗粒较重时，在重力G作用下沉淀在滤料表面。惯性：颗粒在惯性力F作用下脱离了水流流线接近滤料表面。扩散：小颗粒受水分子

4、挤压而扩散至滤料表面。水动力：水的紊动作用，存在速度梯度，使颗粒脱离水流流线接触滤料表面。 2、粘附机理 粘附机理指水中杂质颗粒迁移到滤料表面时，在范德华引力、静电力、化学键等作用下，被粘附在滤料表面。这是一种物理化学作用。 粘附机理与接触絮凝类似，接触介质为粒状滤料，排列紧密，絮凝效果更好。因此，粘附机理主要决定于水中颗粒的表面特性，脱稳颗粒过滤效果较好，而未经脱稳的悬浮物颗粒的过滤效果很差。 1、截留过程 如图42所示，水中颗粒被粘附在滤料表面的同时，还存在着由于水流对颗粒的剪切作用而使颗粒从滤料表面上脱落的趋势。粘附力和水流剪力的大小，决定了颗粒粘附和脱落的程度。 二、滤料层截留杂质规律

5、图42 杂质粘附和脱落受力图（1）过滤初期 过滤初期滤料层孔隙率大，孔隙流速小，水流剪力小，则粘附占优势。（2）过滤继续 随着过滤时间的延长，滤料层中截留杂质逐渐增多，滤料层的孔隙变得越来越小，孔隙流速越来越大，水流剪力逐渐增大，则脱落逐渐占优势。于是，脱落下来的杂质逐渐向下层推移，使下层滤料的截留作用渐次得到发挥。 2、杂质分布规律 滤料经过反冲洗后因滤料膨胀而分层，滤料颗粒上细下粗，造成水力分级。在过滤过程中，上层截留的杂质最多，表层水头损失约占整个滤料层水头损失的5060（如图43所示）。 由于滤料表层孔隙尺寸最小，而表层截污量最大，所以过滤一段时间后，表层孔隙被堵塞，甚至形成泥膜，使过

6、滤阻力剧增，或者泥膜破裂，使水质恶化，从而必须停止过滤。此时，下层滤料截留杂质较少，未充分发挥滤料的截污作用。这就是单层石英砂滤料截留杂质分布规律中存在的缺陷。 图43 滤层截留杂质后水头损失水力分级 截污量（g/cm3）070滤层后H（cm）滤层含污能力：指一个过滤周期内，整个滤料层上单位体积滤料中所截留的杂质量。 穿透深度：指滤池的某一深度处，在过滤结束后，该处的出水浊度为3度，则这个深度称为穿透深度。在实际设计时，应使滤料层的厚度大于穿透深度。3、改善措施 针对单层石英砂滤料截留杂质分布严重的不均匀，使下层滤料未充分发挥作用的现象，可采取以下措施，来提高滤层含污能力。（1）反粒度过滤 反

7、粒度过滤指过滤时，滤料层中滤料粒径顺水流方向由大变小，以提高滤层含污能力的过滤方式。反粒度过滤方式有以下几种：上向流过滤：杂质分布较均匀，可提高滤层含污能力，延长过滤周期，但冲洗不干净。双向流过滤：结构比较复杂，很少采用。双层滤料滤池：滤料为无烟煤和石英砂。三层滤料滤池：滤料为无烟煤、石英砂和磁铁矿。 （2）均质滤料 均质滤料滤池沿深度方向不会出现水力分级，滤料组成和平均粒径沿深度方向基本均匀一致。保证滤料均匀的必要条件是反冲洗时滤料不膨胀，一般采用气水反冲洗。（3）纤维球滤料 采用纤维球滤料时，对于下层的滤料由于受水压力而收缩，使粒径变小，形成天然反粒度过滤。一般滤速v3050m/h，常用于

8、工业水处理。 三、过滤水力学1、清洁滤层水头损失 清洁滤层水头损失指通过干净滤层的水头损失，又称起始水头损失，记为h0，h0的计算公式为卡曼康采尼（Carman-Kozony）公式： （41） 一般单层石英砂滤池的h02040cmH2O。 对于非均匀滤料，清洁滤层水头损失应该分层计算，清洁滤层总水头损失为： （42）vldmmgh02030200)1()1 (180)/()1()1 (1802102302000iniidpvlmmghH 由公式（41）和（42）知道，当滤料粒径、形状、滤层级配和厚度以及水温已定时，水头损失H与滤速v和孔隙率m0有如下关系： （43） 随着过滤的进行，如果孔隙率

9、m0因滤层截污量增加而使m0下降，则会发生下面两种情况：保持水头损失不变滤速v逐渐减小由此产生变速过滤。保持滤速不变水头损失逐渐增大由此产生等速过滤。 等速过滤和变速过滤是滤池的两种基本过滤方式。 00mvH 2、等速过滤 等速过滤指滤池过滤时滤速保持不变，即滤池流量保持不变。 等速过滤的滤池有虹吸滤池和无阀滤池。在等速过滤状态下，水头损失随时间而逐渐增加，滤池中水位逐渐上升，见图44。当水位上升至最高允许水位时，过滤停止以待冲洗。 图44 等速过滤 设滤层清洁水头损失为H0，当过滤时间为t时，滤层中水头损失增加，则过滤时滤层的总水头损失为： （44） 与t的关系，反映了滤层截留杂质量与过滤时

10、间的关系，即滤层孔隙率的变化与时间的关系。根据实验， 与t一般呈直线关系，见图45。 图中Hmax为水头损失增值最大时的过滤总水头损失，一般Hmax1.52.0m。T为过滤周期，T不仅决定于最大允许水头损失，还与滤速有关。 tHtHttHhHH0图45 水头损失与过滤时间关系 v2v1HHmaxH0+h0T1T2t3、变速过滤 变速过滤指滤速随过滤时间而逐渐减小的过滤方式，又称减速过滤。减速过滤的滤池有普快滤池和移动罩冲洗滤池。 在过滤过程中，滤池内水位保持不变，滤速随时间逐渐较小，但滤池进水总流量基本不变，在每座滤池中实现恒水头减速过滤是不可能的，只有在分格数很多的移动冲洗罩滤池中有可能达到

11、近似的恒水头减速过滤状态。 4、负水头 负水头指在过滤过程中，滤层截留了大量的杂质，以致于砂面以下某一深度处的水头损失超过该处水深的现象。负水头现象见图46。 由于上层滤料截留杂质最多，故水头现象往往出现在上层滤料中。（1）负水头产生后果过滤时，负水头使水中溶解气体释放出来形成气囊，因而占有滤料孔隙中的一定空间而缩小过水断面，从而增大阻力，水头损失增大而使过滤周期缩短。在冲洗时，气囊与滤料颗粒吸附在一起，会上浮带出滤料，破坏滤层结构。（2）避免产生负水头的方法增加砂面以上水深。使滤池出水口位置等于或高于滤层表面。 图46 过滤时滤层内压力变化 第三节、滤池冲洗 一、概述1、冲洗的作用 当滤料层

12、过滤水头超过规定值，或出水水质超过标准时，必须进行滤层的冲洗。冲洗的作用：去除滤层中的截留杂质，以恢复滤池过滤能力。2、冲洗机理（1）水流的剪切力作用。（2）滤料颗粒之间的碰撞摩擦作用。 若采用气水反冲洗的冲洗方式，还有两种作用：（3）泡振作用力，即压缩空气冲洗时，气泡引起振动，使杂质吸附强度减弱，泥层剥落。（4）尾涡混掺力，可加强剪切和碰撞。 3、冲洗要求 有适当的冲洗强度；保证足够的冲洗时间；冲洗水要求均匀分布；冲洗的废水应及时排除。4、冲洗方法水力冲洗 水力冲洗表面辅助冲洗 气水反冲洗 表面辅助冲洗：滤池表面上设喷嘴喷水辅助冲洗；滤池表面通以压缩空气辅助冲洗。有适当的冲洗强度； 气水反冲

13、洗有三种方式：空气反冲洗水反冲洗。气水同时反冲洗水反冲洗。空气反冲洗气水同时反冲洗水单独冲洗。 二、滤层膨胀度 滤层膨胀度指反冲洗时，滤层膨胀后所增加的厚度与膨胀前厚度之比。用公式表示为： （45） 在反冲洗过程中，滤层膨胀前后单位面积上滤料体积不变，即： （46） 所以有： （47） 一般单层石英砂滤料e45，双层滤料e50。 %10000LLLe)1 ()1 (00mLmL%10010mmme三、冲洗强度 冲洗强度q指单位面积滤料层上所通过的冲洗水量，单位为L/sm2。1、q值的确定 在设计中，通常以最粗滤料开始膨胀作为设计q的依据。因为在一定冲洗流速下，粒径小的滤料膨胀度大，粒径大的滤料

14、膨胀度小，实践证明，下层最粗滤料也必须达到最小流态化程度，即刚刚开始膨胀，才能获得较好的冲洗效果。 考虑到其它影响因素，设计冲洗强度q可按下式确定： （48） mfkvq10vmf可按下述方法求得： 假设滤料粒径是均匀的，冲洗时滤料层未膨胀，则水流通过滤料层的水头损失可用欧根公式计算： （49） 当滤料层膨胀以后，处于悬浮状态下的滤料对冲洗水流的阻力等于滤料层在水中单位面积上的重量。即： （410） 将公式 代入上式得到： （411） 20300002030201175. 1)1()1 (150vLmmdgvLdmmghLmhLmgghss)1 ()1 ()()1 ()1 (00mLmL00)

15、1 (Lmhs 当滤料粒径、形状、密度、滤料层厚度和孔隙率以及水温等已知时，由欧根公式（49）和（411）绘制水头损失和冲洗流速关系图，得到图47。 图47 水头损失和冲洗流速关系图 2、q与e的关系 由上图可看出，冲洗流速超过vmf后，滤料层中水头损失h不变，达到最大水头损失hmax，但是冲洗强度q越大，则膨胀度e越大。经实验研究，qe为直线关系。见图48 。图48 冲洗强度和均匀滤层膨胀度关系 四、冲洗历时t冲洗时间控制指标为：冲洗废水浊度50度。对单层石英砂滤料，冲洗时间t57min；双层滤料t68min。规定冲洗时间是因为：q、e虽然符合要求，但冲洗历时不足，就不能充分清除包裹在滤料表

16、面的污泥，且冲洗废水排除不尽而导致污泥重返滤料层。设计中可参照P330的表176来确定q、e、t的取值。 五、配水系统1、作用 配水系统的作用有两个：反冲洗时均匀布水，使冲洗水在整个滤池面积上均匀分布。过滤时均匀收集滤后水。 2、配水系统分类（1）大阻力配水系统 大阻力配水系统的主要形式为带有干管(渠)和穿孔支管的多叉管配水系统，如图49所示。通过配水系统的水头损失一般为47mH2O。 图49 穿孔管大阻力配水系统 （2）中阻力配水系统 中阻力配水系统的主要形式有滤球式、管板式和标准穿孔滤砖等。常用标准穿孔滤砖，如图410所示。配水系统的水头损失一般在0.41.0 mH2O之间。 图410 标

17、准穿孔滤砖中阻力配水系统（3）小阻力配水系统 小阻力配水系统的主要形式有豆石滤板、钢制格栅、穿孔滤板及长柄滤头等，常用穿孔滤板和长柄滤头，如图411所示。配水系统水头损失小于0.4mH2O。 图411 穿孔滤板小阻力配水系统 3、配水系统工作原理 下面以穿孔配水管大阻力配水系统为例来分析配水系统的工作原理。冲洗水流在穿孔配水管中的流线见图412。 v1cbav0v2图412 大阻力穿孔配水管内冲洗水流流线示意 设配水干管进口流速为v1，配水支管进口流速为v2，支管上孔口流速为v0，如果起端支管a孔出水与末端c孔出水均匀一致，则整个配水系统就达到了均匀配水。 假设：流线：冲洗水从干管进水到起端支

18、管a孔出水并经过承托层、滤料层排入冲洗排水槽；流线：冲洗水从干管进水到末端支管c孔出水并经过承托层、滤料层排入冲洗排水槽。 对这两条流线的阻力进行分析，各部分阻力系数如表41。 表41 流线和流线的阻力系数比较 流线配水系统孔眼承托层滤料层S11S21S31S41S12S22S32S42比较S11S12S21=S22S31S32S41S42流线的总水头损失为：H（S11S21S31S41）Qa2 （412）流线的总水头损失为：H（S12S22S32S42）Qc2 （413） Qa为孔眼a的流量，Qc为孔眼c的流量，总水头即为压力水头与流速水头之和，由于排水槽上缘水平，则起端a孔与末端c孔的总水

19、头相等。即： HH（S11S21S31S41）Qa2（S12S22S32S42）Qc2 所以有： （414） 显然，Si1Si2，故QaQc。 124131211142322212iicaSSSSSSSSSSQQ 在各阻力系数中，S3和S4在承托层、滤料层铺好后为定值，不能调节，要使QaQc，可采取以下措施：使S2增大，即减小孔口面积来增大S21和S22，同时削减了S11S12、S31S32、S41S42所造成的布水不均匀的影响。这就是大阻力配水系统的设计原理。使S1减小，减小配水系统S11S12对配水均匀性的影响，并在此基础上减小S2以减小孔口水头损失。这就是小阻力配水系统的设计原理。 4、

20、大阻力配水系统设计（1）构造：配水干管和配水穿孔支管 支管上开孔，斜下方45双侧开孔。当干管直径大于300mm时，顶部也开孔布水，并在孔口上方设置挡板。（2）均匀配水的条件 对配水系统设计计算完毕后，校核： （415） 公式（415）为大阻力配水系统配水均匀性好坏的判别依据。 29. 0)()(2221nff公式（415）推导过程如下： 按孔口出流公式有： （416） 式中，Ha和Hc分别为a孔、c孔的压力水头。 而压力水头恢复等于干管、支管的流速水头之和，即： （417） cacaccaaHHQQgHQgHQ22gvvHHac22221 将（417）代入（416）得到： （418） 配水均匀

21、性指标为：如果Qa/Qc0.95，则认为配水是均匀的。所以有： （419） 若以a孔压力水头Ha近似代替整个池子的平均水头损失，已知： （420） gvvHHQQaaca22221gvvHgvvHHaaa2995. 0222212221gvvHgvvHHaaa2995. 0222212221 将（420）代入（419）得到： （421） ， ，0.62， 代入上式并整理即得到： （415） gvvgfqF2921)10(22212313110qFv23210nqFv29. 0)()(2221nff（3）评价优点：配水均匀性较好。缺点：结构复杂，水头损失大，以致冲洗时电耗较大。适用：单池面积F1

22、00m2的普快滤池。 5、小阻力配水系统设计（1）配水均匀性的关系式 （422） 结论：越小，配水均匀性越好，但是过小，阻力大，则冲洗水头大。虹吸滤池冲洗水头有限，一般为1.01.2m。配水室高度H越大，配水均匀性越好，但池深大，造价高，一般H0.30.5m。 所以小阻力配水系统的配水均匀性比大阻力配水系统差。 2)(1BHFQQac（2）评价优点：阻力较小。缺点：配水均匀性稍差。适用：虹吸滤池、无阀滤池、移动罩冲洗滤池，单池面积25m2。 六、冲洗废水的排出1、冲洗排水槽（1）作用：反冲洗时均匀及时排出冲洗废水，过滤时均匀分布待滤水。（2）断面形式：矩形和标准形，常用标准形断面形式，见图41

23、3。（3）设计要求图413 冲洗排水槽标准断面2、废水渠（1）布置当单个滤池的面积F50m2时，废水渠布置在滤池的一侧；当F50m2时，废水渠布置在滤池中央。（2）废水渠为矩形断面，废水渠内水深为： （423） 3122)(73. 1gBQHc七、冲洗水的供给 供给冲洗水的方式有两种：（1）冲洗水泵（2）冲洗水箱（塔） 第四节、普通快滤池 普通快滤池是应用较普遍的一种滤池形式，其基本构造如图414所示。 普快滤池一般由几个单只滤池组成。每只滤池可以独立运行、冲洗或检修。与各只滤池连结的进水管、出水管、反冲洗水管及排水管往往集中布置于室内(管廊)，便于操作管理。每只滤池的进水、出水、反冲洗水及排

24、水支管上均应设置闸阀。出于这些闸阀操作频繁，一船采用电动或液动。滤池的下层为配水系统，一般采用大阻力配水系统，配水系统与池外出水管和冲洗管相接。 图414 普通快滤池 第五节、虹吸滤池典型的虹吸滤池是由数格滤池组成为组滤池。过滤时水由进水管进入进水槽，通过虹吸进水管流入配水槽，水流溢过堰板后，流入每格滤池。水流通过滤料层、小阻力配水系统进入滤池底部空间，出水连通后由出水管流出。见图415。反冲洗时，先破坏进水虹吸管虹吸，停止进水。当水位下降后，形成排水虹吸，反冲洗开始。滤料冲洗干净后，破坏排水管虹吸，冲洗停止，恢复进水虹吸管工作，过滤重新开始。见图416。 图415 虹吸滤池过滤过程图416 虹吸滤池冲洗过程 与普通快滤池滤池相比，虹吸滤池具有如下特点：各格滤池的出水通过连通渠相通，反冲洗水利用其他格滤池的出水，不需另设冲洗水箱或冲洗水泵。进水和排水采用虹吸方式，不需设置闸门。配水系统需采用小阻力系统，以减少冲洗水头。过滤方式为变水头等速过滤。由于利用滤池出水水头进行反冲洗，故池深一般要比普通快滤池高2m左右。由于各格滤池的出水一般是相互连通的，因此在翻砂或检修时，整组滤池需同时停止运行。 第六节、重力式无阀滤池重力式无阀滤池的基本构造如图417和图418所示，下部为