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水质工程学Ⅰ第四章过滤
§4-2过滤理论(2)主讲:张朝升教授1水质工程学Ⅰ第四章过滤主讲:张朝升教授1粘附作用是一种物理化学作用。当水中颗粒迁移到滤料表面时则在范德华引力和静电力相互作用下,以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力下,粘附于滤料颗粒表面上,或者粘附在滤料表面上原先粘附的颗粒上。2§4-2过滤理论一、过滤机理(二)颗粒粘附1粘附作用是一种物理化学作用。当水中颗粒迁移到滤料表面时则在范此外,絮凝颗粒的架桥作用也会存在。粘附过程与澄清池中的泥渣所起的作用基本类似,不同的是滤料为固定介质,排列的紧密,效果好。因此,粘附作用主要决定于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质。未经脱稳的悬浮物颗粒,过滤效果很差,这就是证明。基于这一概念,过滤效果主要取决于颗粒表面的性质而无须增大颗粒尺寸。相反如果悬浮颗粒尺寸过大而形成机械筛滤作用,反而会引起表面滤料孔隙堵塞。32此外,絮凝颗粒的架桥作用也会存在。粘附过程与澄清池中的泥渣所过滤开始阶段,滤层比较干净,孔隙率较大,孔隙流速小,水流剪力Fs1较小,因而粘附力作用占优势(大量杂质被滤层表面所截留)。滤料Fa1Fa2Fs2Fs112Fa1表示颗粒1与滤料表面的粘附力;Fa2表示颗粒2与颗粒之间的粘附力;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。(三)滤料层截留杂质的规律粘附力和水流剪力相对大小,决定了颗粒粘附和脱稳程度。43过滤开始阶段,滤层比较干净,孔隙率较大,孔隙流速小随着过滤时间延长,滤层中杂质逐渐增多,以至最后粘附上的颗粒(图中颗粒3)将首先脱落下来,或者被水流夹带的后续颗粒不在有粘附现象,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。滤料Fa1Fa2Fa3Fs2Fs3Fs1粘附力12354随着过滤时间延长,滤层中杂质逐渐增多,以至最后粘附上的颗水中杂质进入滤层后,首先被第一层滤料截留大部分,少量“漏网”的杂质被下层的滤料所截留。过滤到一定时间后,表面滤料间孔隙逐渐被杂质堵塞,孔隙率减小,严重时,由于表层滤料的“筛滤”结果,形成滤膜,使过滤阻力剧增。上述结果,在一定过滤水头下,滤速将急剧减小或滤膜产生裂缝时,大量水流将自裂缝中流出,造成局部流速过大而使杂质穿透整个滤层,出水水质恶化。
65水中杂质进入滤层后,首先被第一层滤料截留大部分,少量“漏网这时尽管下层滤料还未发挥它们应有的作用,过滤也将被停止。
(杂质在滤层中的分布情况见图)截污量滤层深度截污量与滤层深度的关系0单层滤料双层滤料无烟煤石英砂石英砂滤层含污能力:是指工作周期结束时,整个滤层单位体积滤料中所截留的杂质量,以kg/m3或g/cm3计,显然含污能力大,表明整个滤层所发挥的作用大。76这时尽管下层滤料还未发挥它们应有的作用,过滤也将被停止。二、过滤水力学(一)清洁滤层的水头损失卡曼——康悉尼计算公式(Carman——Kozony)式中:h0—表示通过清洁滤层的水头损失(cm);
—水的运动粘度(cm3/s);g—重力加速度(cm/s2);m0—滤料孔隙度;
d0—与滤料体积相同的球体直径(cm);l0—滤层厚度(cm);v—滤速(cm/s)—滤料颗粒球度系数。实际滤层是非均匀滤料。计算非均匀滤层水头损失,可分成若干层,则各层水头损失之和为整个滤层总水头损失。87二、过滤水力学(一)清洁滤层的水头损失式中:h0—表示通过清设粒径为di的滤料重量占全部滤料重量之比为pi,则清洁滤层总水头损失为:分层越多,计算精度越高。(随着过滤时间延长,滤层中悬浮物杂质增多,m0,由H0公式知,当d0、
l0、
T已定时,如m0、
H0不变→v,反之v不变→
H0)这样就产生了等速过滤与变速过滤两种过滤方式。98设粒径为di的滤料重量占全部滤料重量之比为pi,则清洁滤层总冲洗后刚开始过滤时,滤层水头损失H0,当过滤时间为t时,滤层水头损失增加Ht,
于是过滤时滤池总水头损失为:式中:H0—清洁滤层水头损失cm;
h—配水系统、承托层及管(渠)水头损失之和cm;
Ht
—在时间为t时的水头损失
增值cm。等速过滤中水头损失的变化最高水位出水进水最低水位∆HmaxhH0∆Ht(二)等速过滤中水头损失的变化当滤池过滤速度保持不变,亦既滤池流量保持不变时,称“等速过滤”。109冲洗后刚开始过滤时,滤层水头损失H0,当过滤时间为t时,滤END11式中的H0和h在整个过滤过程中不变。Ht随t增加而增大。Ht与t的关系,实际上反应了滤层截留杂质量与过滤时间的关系,亦既滤层孔隙率的变化与时间关系。由于过滤情况很复杂,目前虽然不少计算公式,但与生产实际相比都存在着差距。10END11式中的H0和h在整个过滤过程中不变。Ht随t增END12图中Hmax为水头损失增值为最大时的过滤水头损失。
一般为1.5~2.0m。水头损失(m)过滤时间(h)T'v'V'H0′H0
∆
Ht
hHmaxT水头损失与时间的关系曲线设滤速v′>v,其清洁砂层水头损失为H0
′一方面H0
′>H0,同时单位时间内被滤层截留的杂质量较多,水头损失增加也较快,tg′>tg,因而,过滤周期T
′<T,其中已忽略了承托层及配水系统、管(渠)等水头损失的微小变化。图中T为过滤周期。过滤周期不仅决定于最大允许水头损失、还与滤速有关。通过实验Ht与t一般呈直线关系:11END12图中Hmax为水头损失增值为END13实验方程:
k2、b系数,通过实验确定;
T2与hmax、d成正比;与v、l0成反比,l厚,t2短。当过滤水头损失达到最大允许水头损失Hmax,过滤既告终止。令:T′=T2
T2
—压力周期(是由水头损失达最大允许水头损失而结束的过滤周期)12END13实验方程:当过滤水头损失达到最大允许水头损失HmENDEND
水质工程学Ⅰ第四章过滤
§4-2过滤理论(2)主讲:张朝升教授15水质工程学Ⅰ第四章过滤主讲:张朝升教授1粘附作用是一种物理化学作用。当水中颗粒迁移到滤料表面时则在范德华引力和静电力相互作用下,以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力下,粘附于滤料颗粒表面上,或者粘附在滤料表面上原先粘附的颗粒上。16§4-2过滤理论一、过滤机理(二)颗粒粘附1粘附作用是一种物理化学作用。当水中颗粒迁移到滤料表面时则在范此外,絮凝颗粒的架桥作用也会存在。粘附过程与澄清池中的泥渣所起的作用基本类似,不同的是滤料为固定介质,排列的紧密,效果好。因此,粘附作用主要决定于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质。未经脱稳的悬浮物颗粒,过滤效果很差,这就是证明。基于这一概念,过滤效果主要取决于颗粒表面的性质而无须增大颗粒尺寸。相反如果悬浮颗粒尺寸过大而形成机械筛滤作用,反而会引起表面滤料孔隙堵塞。172此外,絮凝颗粒的架桥作用也会存在。粘附过程与澄清池中的泥渣所过滤开始阶段,滤层比较干净,孔隙率较大,孔隙流速小,水流剪力Fs1较小,因而粘附力作用占优势(大量杂质被滤层表面所截留)。滤料Fa1Fa2Fs2Fs112Fa1表示颗粒1与滤料表面的粘附力;Fa2表示颗粒2与颗粒之间的粘附力;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。(三)滤料层截留杂质的规律粘附力和水流剪力相对大小,决定了颗粒粘附和脱稳程度。183过滤开始阶段,滤层比较干净,孔隙率较大,孔隙流速小随着过滤时间延长,滤层中杂质逐渐增多,以至最后粘附上的颗粒(图中颗粒3)将首先脱落下来,或者被水流夹带的后续颗粒不在有粘附现象,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。滤料Fa1Fa2Fa3Fs2Fs3Fs1粘附力123194随着过滤时间延长,滤层中杂质逐渐增多,以至最后粘附上的颗水中杂质进入滤层后,首先被第一层滤料截留大部分,少量“漏网”的杂质被下层的滤料所截留。过滤到一定时间后,表面滤料间孔隙逐渐被杂质堵塞,孔隙率减小,严重时,由于表层滤料的“筛滤”结果,形成滤膜,使过滤阻力剧增。上述结果,在一定过滤水头下,滤速将急剧减小或滤膜产生裂缝时,大量水流将自裂缝中流出,造成局部流速过大而使杂质穿透整个滤层,出水水质恶化。
205水中杂质进入滤层后,首先被第一层滤料截留大部分,少量“漏网这时尽管下层滤料还未发挥它们应有的作用,过滤也将被停止。
(杂质在滤层中的分布情况见图)截污量滤层深度截污量与滤层深度的关系0单层滤料双层滤料无烟煤石英砂石英砂滤层含污能力:是指工作周期结束时,整个滤层单位体积滤料中所截留的杂质量,以kg/m3或g/cm3计,显然含污能力大,表明整个滤层所发挥的作用大。216这时尽管下层滤料还未发挥它们应有的作用,过滤也将被停止。二、过滤水力学(一)清洁滤层的水头损失卡曼——康悉尼计算公式(Carman——Kozony)式中:h0—表示通过清洁滤层的水头损失(cm);
—水的运动粘度(cm3/s);g—重力加速度(cm/s2);m0—滤料孔隙度;
d0—与滤料体积相同的球体直径(cm);l0—滤层厚度(cm);v—滤速(cm/s)—滤料颗粒球度系数。实际滤层是非均匀滤料。计算非均匀滤层水头损失,可分成若干层,则各层水头损失之和为整个滤层总水头损失。227二、过滤水力学(一)清洁滤层的水头损失式中:h0—表示通过清设粒径为di的滤料重量占全部滤料重量之比为pi,则清洁滤层总水头损失为:分层越多,计算精度越高。(随着过滤时间延长,滤层中悬浮物杂质增多,m0,由H0公式知,当d0、
l0、
T已定时,如m0、
H0不变→v,反之v不变→
H0)这样就产生了等速过滤与变速过滤两种过滤方式。238设粒径为di的滤料重量占全部滤料重量之比为pi,则清洁滤层总冲洗后刚开始过滤时,滤层水头损失H0,当过滤时间为t时,滤层水头损失增加Ht,
于是过滤时滤池总水头损失为:式中:H0—清洁滤层水头损失cm;
h—配水系统、承托层及管(渠)水头损失之和cm;
Ht
—在时间为t时的水头损失
增值cm。等速过滤中水头损失的变化最高水位出水进水最低水位∆HmaxhH0∆Ht(二)等速过滤中水头损失的变化当滤池过滤速度保持不变,亦既滤池流量保持不变时,称“等速过滤”。249冲洗后刚开始过滤时,滤层水头损失H0,当过滤时间为t时,滤END25式中的H0和h在整个过滤过程中不变。Ht随t增加而增大。Ht与t的关系,实际上反应了滤层截留杂质量与过滤时间的关系,亦既滤层孔隙率的变化与时间关系。由于过滤情况很复杂,目前虽然不少计算公式,但与生产实际相比都存在着差距。10END11式中的H0和h在整个过滤过程中不变。Ht随t增END26图中Hmax为水头损失增值为
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