第五章 深层过滤

第五章深层过滤过滤是去除悬浮物，特别是去除浓度比较低的悬浊液中微小颗粒的一种有效方法。过滤时，含悬浮物的水流过具有一定孔隙率的过滤介质，水中的悬浮物被截留在介质表面或内部而除去。根据所采用的过滤介质不同，可将过滤分为下列几类。（1）格筛过滤过滤介质为柳条或滤网，用以去除粗大的悬浮物，如杂草、破布、纤维、纸浆等，其典型设备有格栅、筛网和微滤机。（2）微孔过滤采用成型滤材，如滤布、滤片、烧结滤管、蜂房滤芯等，也可在过滤介质上预先涂上一层助滤剂（如硅藻土）形成孔隙细小的滤饼，用以去除粒径细微的颗粒。其定型的商品设备很多。（3）膜过滤采用特别的半透膜作过滤介质在一定的推动力（如压力、电场力等）下进行过滤，由于滤膜孔隙极小且具选择性，可以除去水中细菌、病毒、有机物和溶解性溶质。其主要设备有反渗透、超过滤和电渗析等。（4）深层过滤采用颗粒状滤料，如石英砂、无烟煤等。由于滤料颗粒之间存在孔隙，原水穿过一定深度的油层，水中的悬浮物即被截留。为区别于上述三类表面或浅层过滤过程，将这类过滤称之为深层过滤，简称过滤。在给水处理中，常用过滤处理沉淀或澄清池出水，使滤后出水浑浊度满足用水要求。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，使滤后水达到回用的要求。常用的深层过滤设备是各种类型滤池。按过滤速度不同，有慢滤池（〈0.4m/h）、快滤池（4〜10m/h）和高速滤池（10〜60m/h）三种；按作用力不同，有重力滤池（水头为4〜5m）和压力滤池（作用水头15〜25m）两种；按过滤对水流方向分类，有下向流、上向流、双向流和任向流滤池四种；按滤料层组成分类，有单层滤料、双层滤料和多层滤料滤池三种。普通快滤池是常用的过滤设备，也是研究其他滤池的基础。因此本章主要讨论快滤池，其他类型过滤设备分述于有关章节。第一节普通快滤池的构造图5-1为普通快滤池的透视与剖面示意图。快滤池一般用钢筋混凝土建造，池内有排水槽、滤料层、垫料层和配水系统；池外有集中管廊，配有进水管、出水管、冲洗水管、冲洗水排出管等管道及附件。过滤时，加入凝聚剂的浑水自进水管经集水渠、排水槽进入滤池，自上而下穿过滤料层、垫料层，由配水系统收集，并经出水管排出.此时开F、F,关F、F、F。经过一段时间1 2 3 4 5过滤，滤料层截留的悬浮物数量增加；滤层孔隙率减小，使孔隙水流速增大，其结果一方面造成过滤阻力增大，另一方面水流对孔隙中截留的杂质冲刷力增大，使出水水质变差。当水头损失超过允许值，或者出水的悬浮物浓度超过规定值，过滤即应终止，进行滤池反冲洗。反冲洗时，开F、F,关F、F。反冲洗水由冲洗水管经配水系统过入滤池，由下而上穿过3 4 1 2垫料层，滤料层，最后由排水槽经集水渠排出。反冲洗完毕，又进入下一过滤周期．一、滤料滤料是滤池的核心部分，它提供悬浮物接触凝聚的表面和纳污的空间，工业滤料应满足下列要求：有足够的机械强度，在冲洗过程中不因碰撞、摩擦而破碎。有足够的化学稳定性，不溶于水，对废水中化学成分足够稳定，不产生有害物质。具有一定的大小和级配，满足截留悬浮物的要求。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。价廉，易得。

在水处理中最常用的滤料有石英砂、无烟煤粒、石榴石粒、磁铁矿粒、白云石粒、花岗岩粒以及聚苯乙烯发泡塑料等，其中以石英砂使用最广。砂的机械强度大，相对密度2.65左右，在PH值为2.1〜6.5的酸性水环境中化学稳定性好，但水呈碱性时，有溶出现象。无烟煤的化学稳定性较石英砂好，在酸性、中性及碱性环境中都不溶出，但机械强度稍差，其它应因产地不同而有所不同，一般为1.4〜1.9。大密度滤料常用于多层滤料滤池。其中石榴石和磁铁矿的相对密度大于4.2，莫氏硬度大于6。h，«5-1快址池构遣曲】-最水干膏卤一遥水直文■山一押水置i严掉水阿,h，«5-1快址池构遣曲】-最水干膏卤一遥水直文■山一押水置i严掉水阿,fl-章托足.J—配水対，10-配水刑T11一砰忧水*113—H-特水拮》1* ：5-JCH空闫产生的水头损失仍旧相近。由此可知，不均匀系数两个参数。有效粒径表示通过10%滤料质量的筛孔直径，记作d]0。在图5-1中，d]0=0.53mm,dio表示小颗粒的粒径。实验表明，若滤料的di0相等，即使其级配曲线不一样，过滤时所起主要过滤作用的有效部分正是粒径小于di0的那些颗粒，故将d称为有效粒径•类似地，以d表示通过80%滤料质量的筛孔直径，即滤料i0 80中粗颗粒的代表性粒径。定义d80/di0为滤料不均匀系数K。以图5-2为例，K=1.05/0.53=2。

不均匀系数反映滤料颗粒大小的差别程度。K80值越大，8滤料越不均匀。如果采用不均匀系

80数很大的滤料，在反冲洗时，可能出现大颗粒冲不动，小颗粒随水流失的现象。在反洗后可能形成小颗粒填充在大颗粒间的孔隙里，使孔隙率和含污能力减小，水头损失增大。相反，如果采用不均匀系数较小（极限值为1）的滤料，则筛分困难。目前，国内快滤池一般采用d=0.5〜0.6mm,k=2.0〜2.2mm的滤料，国外则倾向于选用稍大的d和较小的d。10801080在生产中也有规定最大和最小两种粒径的较为简便的方法来表示滤料的规格。由于滤料颗粒大小形状不一，进行水力计算时，常以当量粒径d来反映粒径的大小,ey+y+pH 卜pd=ieTOC\o"1-5"\h\z■2 n——— ———(5-1)\o"CurrentDocument"p+厶+•••+作y匕yp

dd ddd(5-1)1 2 n i i其意义是将筛分曲线分为若干段，在粒径di1和di2之间取其平均值d.,相应于di1及di2i1 i2 i i1 i2间的颗粒重量比为p.（以小数表示）。d与平均粒径d0的数值接近。i e s0考虑到筛孔和颗粒的不规则性，在理论计算时，需对筛孔进行如下核准。将干燥后滤料试样放入筛孔为d的筛上，筛去细颗粒，然后放在一纸上，盖好筛盖，再振筛几下，落下些恰好能通过筛孔的颗粒，从中任取n个颗粒，准确称其重量s,按下式计算筛的核准孔径

d'：（5-2）式中Y为滤料的容重。d，相当于恰好通过筛孔d的滤料颗粒的等体积球体的直径，d，应略小于d（见图5-2）。上述d的计算通常以校准筛孔后级配曲线为准。e滤层的含污能力和过滤效果除取决于滤料粒径外，还与滤层厚度有关，即决定于滤层厚度和滤料粒径的比值L/d。L/d值愈大，去除率也愈高，因为L/d值与单位过滤面积上滤料e e e总表面积和颗粒数目成正比。所需的L/d值因水质、滤速、去除率及要求的过滤持续时间e而异。在设计条件给定的情况下，滤料粒径和滤层厚度应当根据过滤方程和阻力公式计算。但是，迄今这些数学模型尚不完备，L/d需由实验确定。根据生产性滤池实测的L/d值，可e e用于一般的滤池设计。对于经凝聚处理的天然水或沉淀池出水，在滤速4〜12.5m/h的范围内，为确使60%〜90%的油度去除率，滤层L/d值应大于800。当进水含悬浮物量较大时,e它用粒径大，厚度大的滤料层，以增大滤层的含污能力；如含悬浮物量较小，宜用粒径小，厚度大的滤料层。表5-1列出了普通快滤池的滤料组成和滤速范围。单层滤料滤池在反冲洗后由于水力筛分作用，使得沿过滤水流方向的滤料粒径逐渐变大。形成上部细，下部粗的滤床（如图5-3）。孔隙尺寸及合污能力也是从上到下逐渐表5-1普通快滤池的组成与滤速滤料及粒径，mm 相对密度 滤料厚度，m滤池类型单层滤池石英砂0.5-1.22.650.78-1210-14无烟煤0.8-1.2 1.5滤料及粒径，mm 相对密度 滤料厚度，m滤池类型单层滤池石英砂0.5-1.22.650.78-1210-14无烟煤0.8-1.2 1.5双层滤料石英砂0.5-1.2 2.650.4-0.5 4.8-240.4—0.5 一般为12 14-18无烟煤0.8—2.01.50.424.8-24三层滤料石英砂0.5-0.82.650.23磁铁矿0.25—0.54.750.07一般为12无烟煤1-21.70.454.8-24三层滤料石英砂0.5-1.02.650.20石榴石0.2—0.44.130.10一般为12变大。在下向流过滤中，水流先经过粒径小的上部滤料层，再到粒径大的下部滤料层。大部分悬浮物截留在床层上部数厘米深度内。水头损失迅速上升，而下层的含污能力未被充分利蹩料粒廈慷料粒庭用。理想滤池滤料排列应是沿水流方向由粗到细。为了解决实际滤池与理想滤池的矛盾，途径有三条。改变水流方向，即原水自下向上穿过滤层。但是，滤料下层所截留的悬浮物在反冲洗时难以排除。而且，反向滤速应比正向滤速小得多，滤速过大，滤层会流化，过滤效果变差。采用双向进水、中部出水的办法可以提高上流式滤池的滤速，但下层滤料仍然难以冲洗干净，且结构和操作较复杂。改用双层或多层滤料，即选择不同密度的滤料组合。在砂层上部放置粒径较大，密度较小的轻质滤料•如无烟煤粒、陶粒和塑料珠等，在砂层下部放置粒径较小，密度较大的重质滤料，如磁铁矿石、石榴石等。虽然各滤料层内部仍是粒径从上到下逐渐变大，但从整体看，水流经过由大到小的颗粒层。滤料层数越多，愈趋近于理想滤池（见图5—3）。实践表明，多层滤料滤池的含污能力比单层蹩料粒廈慷料粒庭用。理想滤池滤料排列应是沿水流方向由粗到细。为了解决实际滤池与理想滤池的矛盾，途径有三条。改变水流方向，即原水自下向上穿过滤层。但是，滤料下层所截留的悬浮物在反冲洗时难以排除。而且，反向滤速应比正向滤速小得多，滤速过大，滤层会流化，过滤效果变差。采用双向进水、中部出水的办法可以提高上流式滤池的滤速，但下层滤料仍然难以冲洗干净，且结构和操作较复杂。改用双层或多层滤料，即选择不同密度的滤料组合。在砂层上部放置粒径较大，密度较小的轻质滤料•如无烟煤粒、陶粒和塑料珠等，在砂层下部放置粒径较小，密度较大的重质滤料，如磁铁矿石、石榴石等。虽然各滤料层内部仍是粒径从上到下逐渐变大，但从整体看，水流经过由大到小的颗粒层。滤料层数越多，愈趋近于理想滤池（见图5—3）。实践表明，多层滤料滤池的含污能力比单层图乩3爹展涯料康桧的粒牲分芾图滤料滤池的含污能力提高2〜3倍，过滤周期延长，滤速提高，出水水质好。但在实际应用中，多层滤池容易发生滤料混层和流失，滤料加工复杂，来源有限。因此，滤料层数一般不超过3。③采用新型的密实度或孔隙率可变的滤料，这类滤料由柔性材料人工制成，如纤维球、轻质泡沫塑料珠、橡胶粒等。国产纤维球滤料由涤纶短丝结扎而成，有弹性，密实度由中心向周边递减，孔隙率达90%以上，纤维球在滤床上都比较松散，基本上呈球状。球间孔隙比较大，愈接近床层下部，由于自重及水力作用，纤维球堆积得愈密实，纤维丝相互穿插，形成一个纤维层整体。整个床层，上部孔隙率较高，下部孔隙率较低，近似理想滤池孔隙率分布，实测纤维球滤床的孔隙率分布如图5-4所示。实验表明，纤维球滤池过滤速度为砂滤池的5〜8倍，如果采用同样的滤速，则纤维球过滤周期比砂滤池长3倍；能有效地去除0.5〜10um级的微小悬浮物；滤过水的悬浮物含量一般在10mg/L以下。但目前纤维球价格较贵；再生需用气、水联合反冲，气起主要作用，控制气量在4Q〜50L/m2•s,水量在l0L/m2・s时，可冲洗干净。二、垫料层垫料层主要起承托滤料的作用。故亦称承托层，一般配合大阻力配水系统使用。由于滤料粒径小，而配水系统的孔眼较大，为了防止滤料随过滤水流失，同时也帮助均匀配水，在滤料与配水系统之间增设一垫料层。如果配水系统的孔眼直径很小、布水也很均匀，垫料层可以减薄或省去。垫料层要求不被反洗水冲动，形成的孔隙均匀，使布水均匀，化学稳定性好，机械强度高。通常，垫料层采用天然卵石或碎石。目前滤料的最大粒径为1〜2mm，故垫料层的最小粒径一般不小于2mm，而其最大粒径以不被常规反洗强度下的水流冲动来考虑，一般为32mm。通常，不同粒径的垫料分层布置、各层厚度如表5-2示。表5-2垫料层的规格（大阻力系统）层次（自上而下）粒径，mm厚度,mm层次（自上而下）粒径mm厚度mm12〜410038〜1610024〜8100416〜32150三、配水系统4，■' —~u I■塗 金A配水系统的作用是均匀收集滤后水，更重要的是均匀分配反冲洗水，所以，它又称为排水系统。配水系统的合理设计是滤池正常工作，保持滤料层稳定的重要保证。如果反洗水在池内分配不均匀，局部地方反冲洗水量过大，滤料流化程度高，将会使这个部分的滤料移到反洗水量小的地方。滤层的水平移动使滤料分层混乱，局部地方滤料厚度减薄，出水水质恶化,反洗阻力减小，在下一次反洗时，单位面积的反洗水量进一步增大，进一步促使滤料平移，如此恶性循环,直至滤池无法工作为止。由于反冲洗水流量比正常过滤水的流量大得多，因此配水系统应主要考虑反冲洗水均匀分布的要求。滤池反洗水是从反冲洗水管输入的，要使全池反洗水量分布均匀，则要求反洗水在流向全池各部的水头损失尽可能相等。图5-5表示反洗水进入后，靠近进口的A点及配水系统末端B点的水流路线I和II。假定反洗水各处分布都是均匀的，各水流路线上单位面积、单位时间的反洗水量为q。各水流路线的总水头损失应包括配TOC\o"1-5"\h\z水系统的水头损失sq2、配水系统上出水孔眼的水头损失sq2、垫料层水头损失sq2、滤料层水头损失sq2，即进水压力H为 2 34流道I： H1=S1AqA+s2AqA+S3AqA+S4AqA+流速水头 （5-3）流道II： H2=S/B+S2BqB+"aBqB+S4B^B+流速水头 （5-4）式中S表示水力阻力系数.因为同在洗水槽排水，故片=応。两个流道中的垫料层、滤料层虽然不能认为是绝对相同的，但其差异不大。配水系统的布水孔眼可控制为各处是一致的，所以，可以认为上两式中的s=s=s；s=s=s;s=s=s,2A2B23A3B34A4B4这样，两流道的反洗水单位面积流量之比Iq-s+s+s+sTOC\o"1-5"\h\zB= 2 3 4\o"CurrentDocument"qs+s+s+s （5-5）A 1B 2 34 （55）式（5-5）中九总是不等于siB，所以qAHqB，但是，设计中必须尽可能使qA=qB。分析式1A 1B AB AB（5-5）可知，为使qA=qB，可采取两种方法。尽可能增大配水系统中布水孔眼的阻力，即减小孔眼尺寸，使s2》si+s3+s4，从而使2i3 4式（5-5）右边根号内的分子接近于分母值。这种人为增大孔眼阻力的配水系统称为大阻力配水系统。穿孔管式的配水系统就是大阻力配水系统。尽可能减小片的数值，亦即使水从进口端流到末端的水头损失可以忽略不计，S］《s2+s3+s4，从而可使qA=qB。这种配水系统称为小阻力配水系统，如豆石滤板，格栅板等就是小阻力配水系统。管式大阻力排水系统（图5-6）由一条干管（或渠）和若干支管所组成，干管截面积为支管总截面积的1.5〜2.0倍，支管长与直径之比小于60。支管上开有向下成45度角的配水孔，相邻两孔的方向相错开，孔间距75〜200mm，配水孔总面积与滤池面积之比为0.2%〜0.25%。支管底与池底距离不小于子管半径。为了排除反洗水空气，干管应在末端顶部设排气管，干管自进口端至末端倾斜向上。排气管直径40〜50mm，末端应设阀门。当滤池面积较大，干管直径较大时，为了保证干管顶部配水，可在干管顶上开孔安装滤头（图5-7a），或将干管埋设在滤池底板以下，干管须连接短管，穿过底板与支管相连（图5-7b）。

小阻力配水系统的形式很多，最常用的是穿孔板上安装滤头。常见的滤头为圆柱型和塔型两种（图5-8），废水从穿孔板下空间流入滤头，通过滤头的缝隙分配入滤池。穿孔板与滤池底的空间为集水空间,高度为0.3m，水在集水空间内流动阻力可以忽略不计。通常，每平方米滤池面积，安装滤头40〜60个，总缝隙面积为滤池面积的0.5%〜2%。豆石滤板也是常用的小阻力配水系统，它由3〜10mm的豆石，用400号矿渣硅酸盐水泥粘结而成，水泥、石子与水的重量比为1：6：0.33，板厚为1〜20cm，每块滤水板的长和宽都约在1m左右，整个滤池底部铺设滤水板，板缝用水泥填充，滤水板下集水空间高度为0.3m。采用豆石滤水板时，垫层可仅使用一层（粒径2〜4mm,厚度100mm）。此外，小阻力配水系统也可采用钢制栅条（柳条净距10mm）或穿孔水泥板上铺设尼龙丝网等。近年来也有采用多层布水的小阻力配水系统，其效果比一次布水好。双层砌块式滤砖如图5-9所示。小阻力配水系统冲洗水头较低（约2m），但是，当滤池面积较大时，难以达到均匀配水，故仅适用于面积小的滤池。底部还需要较大的配水室高度。四、排水槽及集水渠排水槽用以均匀收集和输送反冲洗污水，因此，排水槽的分布应使排水槽溢水周边的服务面积相等，并且滤池内分布均匀。此外，排水槽应及时将反洗污水输送到集水渠，不致产生壅水现象。如果排水槽壅水，槽内水面将与反洗时的滤池水面连成一片，反洗污水就不能以溢流形式排除，从而影响反冲洗水的分布。在排水槽的末端，反洗污水应以自由跌落的形式流入集水渠，集水渠的水面不干扰排水槽的出流。排水槽与集水渠的水流状态，如图5-10所示。图5-10冲挽排水槽歷集水栾的水淹情况为了使所设置的排水槽不影响反洗水的均匀分布，糟的横断面一般采用图5-11所示的形状。每单位槽长溢流流量必须相等，槽顶溢流部分应尽量水平，标高误差应在42mm范围内。两排水槽中心线的间距一般为1.5〜2.2m；槽长为5〜6m。槽所占的面积应不超过滤池面积的25%。为保证足够的过水能力，槽内水面以上有一定超高（干舷），通常采用7cm。一般沿槽长方向槽宽不变，面是采用倾斜槽底，起端的槽深度为末端深度的一半，末端过水断面的流速采用0.6m/s控制。排水槽面应高出滤层反洗时的最大膨胀高度，以免滤料流失。但是，排水槽位置过高，污浊反洗水排出缓慢而困难。集水渠一方面用以收集各排水槽进来的反洗污水，通过反洗排水管排入下水道，同时，它也起着连接进水管之用，故也称之为进水渠。反洗排污时集水渠的水面应低于排水槽出口的底部标高，以保证洗水槽的水流畅通。第二节过滤理论一、过滤机理快滤池分离悬浮颗粒涉及多种因素和过程，一般分为三类，即迁移机理、附着机理和脱落机理。迁移机理悬浮颗粒脱离流线而与滤料接触的过程，就是迁移过程。引起颗粒迁移的原因主要有如下几种。（1） 筛滤比滤层孔隙大的颗粒被机械筛分，截留于过滤表面上，然后这些被截留的颗粒形成孔隙更小的滤饼层，使过滤水头增加，甚至发生堵塞。显然，这种表面筛滤没能发挥整个滤层的作用。幸好，在普通快滤池中，悬浮颗粒一般都比滤层孔隙小，因而筛滤对总去除率贡献不大。根据几何学分析，三个直径为0.5mm的球形滤料相切时形成的孔隙，可以通过直径最大为0.077mm，即77um的球形悬浮物。而经过混凝的絮体粒径一般为2〜10um,SiO?的粒径约2um，硅藻土约30um，它们都能通过滤层而不被机械截留，但是，当悬浮颗粒浓度过高时，很多颗粒有可能同时到达一个孔隙，互相拱接而被机械截留。（2） 拦截随流线流动的小颗粒，在流线会聚处与滤料表面接触。其去除概率与颗粒直径的平方成正比，与滤料粒径的立方成反比，也是雷诺准数的函数。（3）惯性当流线绕过滤料表面时，具有较大动量和密度的颗粒因惯性冲击而脱离流线碰撞到滤料表面上。（4）沉淀如果悬浮物的粒径和密度较大，将存在一个沿重力方向的相对沉淀速度。在净重力作用下，颗粒偏离流线沉淀到滤料表面上。沉淀效率取决于颗粒沉速和过滤水速的相对大小和方向。此时，滤层中的每个小孔隙起着一个浅层沉淀池的作用。（5）布朗运动对于微小悬浮颗粒，由于布朗运动而扩散到滤料表面。（6）水力作用由于滤层中的孔隙和悬浮颗粒的形状是极不规则的，在不均匀的剪切流场中，颗粒受到不平衡力的作用不断地转动而偏离流线。在实际过滤中，悬浮颗粒的迁移将受到上述各机理的作用，它们的相对重要性取决于水流状况、滤层孔隙形状及颗粒本身的性质（粒度、形状、密度等）。2．附着机理由上述迁移过程而与滤料接触的悬浮颗粒，附着在滤料表面上不再脱离，就是附着过程。引起颗粒附着的因素主要有如下几种。（1）接触凝聚在原水中投加凝聚剂，压缩悬浮颗粒和滤料颗粒表面的双电层后，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，即发生接触凝聚作用。快滤池操作通常投加凝聚剂，因此接触凝聚是主要附着机理。（2）静电引力由于颗粒表面上的电荷和由此形成的双电层产生静电引力和斥力。当悬浮颗粒和滤料颗粒带异号电荷则相吸，反之，则相斥。（3）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的架桥作用实现。絮凝物的一端附着在滤料表面，而另一端附着在悬浮颗粒上。某些聚合电解质能降低双电层的排斥力或者在两表面活性点间起键的作用而改善附着性能。（4）分子引力原子、分子间的引力在颗粒附着时起重要作用。万有引力可以叠加，其作用范围有限（通常小于50um）,与两分子的间距的6次方成反比。3.脱落机理普通快滤池通常用水进行反冲洗，有时先用或同时用压缩空气进行辅助表面冲洗。在反冲洗时，滤层膨胀一定高度，滤料处于流化状态。截留和附着于滤料上的悬浮物受到高速反洗水的冲刷而脱落；滤料颗粒在水流中旋转，碰撞和摩擦，也使悬浮物脱落。反冲洗效果主要取决于冲洗强度和时间。当采用同向流冲洗时，还与冲洗流速变动有关。二、过滤方程1．澄清方程利用均匀滤料床过滤澄清含均匀分散的非絮凝性颗粒的悬浊液时，液相浓度随滤层深度Z和过滤时间t而变化，即c=f（Z,t）按全微分性质，有dcdedZde= H TOC\o"1-5"\h\zdtdZdtdt （5-6）dZ式中dt为液流通过滤料实际孔隙的速度，即\o"CurrentDocument"dZv vdt£_q/p£_G （5-7）0 B0 （5-7）式中 V——过滤空塔速度，m/s；――干净滤层的孔隙率；q 单位体积滤层截留的悬浮物量，kg/m3；P 悬浮物的密度，kg/m3；s0 比沉积量。通常认为，悬浮物的去除速度与其浓度成立比，即_dc/dt=kc。因此，式（5-6）可写

TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"v dc dc ,+ =_kc5-8)\o"CurrentDocument"s-qaz dt5-8)0\—\ 1H 1-S\—\ 1H 1-S0丿z1-Q丿

Is0丿I1-2]Qo丿5-10)式中。为入=0时滤层可能达到的最大比沉积量；y、z、x为由实验确定的指数。上式中第一括号项表示由于悬浮颗粒沉积使滤料的比表面积增加，因而入也随之增加,对应于过滤初期澄清效率的增加。第二括号项表示当沉积量达到一定程度后，水流通道收缩为一组毛细管，此时滤层比表面积随。增加而减小，因而入也随着降低。第二括号项表示由于沉积物增加，缩小过水断面，使孔隙流速加快，冲刷加剧，因而入减小。连续过滤方程式上式中第一括号项表示由于悬浮颗粒沉积使滤料的比表面积增加，因而入也随之增加,对应于过滤初期澄清效率的增加。第二括号项表示当沉积量达到一定程度后，水流通道收缩为一组毛细管，此时滤层比表面积随。增加而减小，因而入也随着降低。第二括号项表示由于沉积物增加，缩小过水断面，使孔隙流速加快，冲刷加剧，因而入减小。连续过滤方程式在滤层中任取一厚度为dZ、体积为dV的均匀微元段。流量为Q,浓度为C的原水流过该段时，水平的悬浮物浓度和滤料上的悬浮物量都发生变化（如图5-12所示）。根据物料平衡，在dt时间内，流进与流出量之差应等于滤层上的增量，即c-( Qc dc]c+—dZ+—dtdt—[azat丿q+c-( Qc dc]c+—dZ+—dtdt—[azat丿q+辺dt丿-q

at丿/dV一vQcdZazdtac]+—at丿aqaz vatatv ac] 1 az&-q at丿0aqv QcGats—qaz oq)Qc_aqat at0(5-11)c l图543悬禅齒灌度岡过醛奩庠度

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<O廉过fit时间Ci）变化的由堆式（5—11）称为过滤的连续性方程。若忽略等式左边第二项，则连续方程简化成Qcaq"azat （5-12）根据实测不同滤层深度处的水相浓度及运行时间，可用上述模式评价滤池的工作状态。通过求解式（5-9）、（5-10）和（5-12）方程组，可解出浓度和沉积量在时间和空间上的分布，如图5-13所示。阻力方程过滤的水头损失包括干净滤层的水头损失和沉淀物产生的水头损失两部分。卡门-柯镇尼从管道水头损失公式出发导出了计算干净滤层阻力的公式：上式左边第2项表示滤料孔隙水中悬浮物浓度随时间的变化率，与第1项相比其值甚小，可忽略不计，则简化为ac—九caz (5-9).k-q)九— 0——式中入称为过滤系数，。入愈大，澄清效率愈高。式（5-9）称为过滤澄清方程，表明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，该规律已为试验验证。在t=0时，积分上式得c=c°exp（-入°Z）,c°为悬浮物入口浓度；入为t=0时过滤系数的初始值。由于颗粒沉积改变着孔隙流态和滤料表面性质，因此，入不是常数，而是沉积量。的函数。艾夫斯导出了入的如下通用计算式。

H 5卩vGH 5卩vG-£丄―0= 0—£30式中巾为滤料的球形度因数，其值约为0.73〜0.95。卩为水的动力粘度系数。其余符号意义同前。随着过滤的进行，滤料层孔隙率逐渐变小，水头损失随比沉积量。增大而增大。纳污滤层的水头损失可用(£-。)代替上式中的仍用式(5-13)计算。也可在干净滤层水头损失上叠加一个随。或t增大而增大的阻力项AHo计算水头损失增值的公式很多，如格里哥利(Gregory)公式：Lgp\£di2(5-13)kvctAH= 05-14)1-£5-14)0式中k为经验系数。由式(5-13)和(5-14)可得出如下结论。水头损失与滤速成正比，提高滤速将增大水头损失，但悬浮物进入滤层的深度也加大，故对同一截留量而言，水头损失增大较慢。水头损失与滤料粒径的平方成正比，粒径减小30%，水头损失将增大一倍。孔隙率对水头损失影响较大，成(1-£0)2/£03关系。当£从0.5减至0.4时，损失将增大2.8倍。水头损失与过滤时间和进水浓度成正比。滤池运行表明，对一定浓度的原水进行等速过滤时，初期水头损失按比例上升，后期急剧加大。三、过滤效率的影响因素过滤是悬浮颗粒与滤料的相互作用，悬浮物的分离效率受到这两方面因素的影响。1、滤料的影响粒度过滤效率与粒径dn(l<n<3)成反比，即粒度越小，过滤效率越高，但水头损失也增加越快。在小滤料过滤中，筛分与拦截机理起重要作用。形状角形滤料的表面积比同体积的球形滤料的表面积大。因此，当孔隙率相同时，角形滤料过滤效率高。孔隙率球形滤料的孔隙率与粒径关系不大，一般都在0.43左右。但角形滤料的孔隙率取决于粒径及其分布，一般约为0.48〜0.55。较小的孔隙率会产生较高的水头损失和过滤效率，而较大的孔隙率提供较大的纳污空间和较长的过滤时间。但悬浮物容易穿透。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不带电荷或者带有与悬浮颗粒表面电荷相反的电荷有利于悬浮颗粒在其表面上吸附和接触凝聚。通过投加电解质或调节PH值可改变滤料表面的电动电位。2．悬浮物的影响粒度几乎所有过滤机理都受悬浮物粒度的影响。粒度越大，通过筛滤去除越易。向原水投加混凝剂，将其生成适当粒度的絮体或微絮体后，进行过滤，可以提高过滤效果。形状角形颗粒因比表面积大，其去除效率比球形颗粒高。密度颗粒密度主要通过沉淀，惯性及布朗运动机理影响过滤效率，因这些机及对过滤贡献不大，故影响程度较小。(2)浓度过滤效率随原水浓度升高而降低，浓度越高，穿透越易，水头损失增加越快。温度温度影响密度及粘度，进而通过沉淀和附着机理影响过滤效率。降低温度，对过滤不利。表面性质悬浮物的絮凝特性，电动电位等主要取决于表面性质，因此，颗粒表面性质是影响过滤效率的重要因素。常通过添加适当的凝聚剂来改善表面性质。凝聚过滤法就是在原水加药脱稳后，尚未形成微絮体时，进行过滤。这种方法，投药量少，过滤效果好。第三节快滤池的运行一、滤速变化及其控制

前已述及，过滤是一个间歇过程，过滤和反洗操作交替进行。在过滤阶段原水流过滤床，除去其中的悬浮物。快滤池常用滤速范围如表5-1所示。由于滤层阻力不断增大，滤速将相应减小。为了保持一定的滤速．应设置流量调节装置，以保持滤池进水量与出水量平衡，防止因水位过低而滤层外露，或者因水位过高而溢流。在恒速过滤中，作用在滤池上的水头恒定，而滤层中的阻力增加，由逐渐开大的出水阀（手控或自控）来补偿，使总阻力和出水量维持不变。开始过滤时，滤层是干净的，阻力很小。如果全部推动力都用于穿过滤池，则滤速会很高。此时让一部分水头消耗在几乎是关闭的出水阀上。继续进行过滤，滤池逐渐被悬浮物阻塞，阻力增大，因而流量控制阀应逐渐开大。当出水阀全开时，则过滤必须停止，否则滤速将下降。也可以在每个滤池的进水端和出水阀后分别设进水堰室和出水堰室（如图5-14所示）来实现变水位恒速过滤。总进水量通过进水堰室大致均匀地分配给每个过滤的滤池。当圏弘苗出忒水虞及水头损先变化曲线某个滤池反洗或反洗后再次过滤时，水位就会在过滤的滤池中逐渐上升或下降，直至有足够的水头使该滤池应负担的流量能够通过为止。滤池中的水位高低，反映滤层水头损失的大小。当水位达到设定的最高水位时，进水堰室不能进水，需进行反洗。采用这种运行方式，滤速变化缓慢而平稳.不会出现像出水阀控制那样的滤速突然变化.出水水质较好。圏弘苗出忒水虞及水头损先变化曲线如果将进水管设在排水槽以下，当滤池水位低于排水槽时，过滤速度是恒定的;而当池内水位高出排水槽，则变为降速过滤。对一组并联运行的滤池，各滤池内的水位基本相同。当其中某个滤池阻力增大时，则总进水量在各滤池间重新分配，使滤池水位稍许上升．从而增加了较干净滤池的水头和流量。随着滤层阻力增大，滤速相应降低，除滤层外的其余各部分阻力因随滤速变化也有所减少。总的结果是滤速降低较为缓慢。采用这种降速过滤方式运行，需要的工作水头（即滤池深度）可以小于恒速过滤。为了避免滤床脱水、出现滤层龟裂、偏流、受进水冲刷等问题，出水堰顶必须设在滤层以上。这种布置同时消除了滤层内产生负水头的可能性。随过滤进行，滤池水头损失和滤后水浓度逐渐上升，理想情况如图5-15所示。当出水浓度超过允许值或水头损失达到设定值，过滤阶段即告结束，滤池需进行反洗。滤池的过滤时间也称过滤周期，随滤料组成、原水浓度、滤速而异。一般控制在12〜24小时。二、滤池冲洗滤池冲洗的目的是清除截留在滤料孔隙中的悬浮物，恢复其过滤阻力。一般滤池采用滤后水反冲洗，并辅以表面冲洗或空气冲洗。空气冲洗管常布设在滤料层和垫料层的交界处。用空气泡搅动滤料层，使截留的悬浮物脱落下来，被水流冲走。采用这种水-气联合冲洗方式不需要使滤层全部流化，所用的冲洗强度较小，不会产生滤料流失，滤料也不会分层，但冲洗不干净。大多数滤池都采用了较高的冲洗强度，使滤层全部流化。靠水力剪切和颗粒摩擦清洗滤料。1．膨胀率当上升的反冲洗水流对滤料施加的拖曳力等于滤料的有效重量时，滤料呈临界悬浮状态，此后，随冲洗强度加大，滤层进一步膨胀和流化。滤层膨胀率。可表示为：L-Le=―e L （5-15）

式中L、L分别为滤层膨胀前后的厚度。e膨胀率测定简单，常作为反冲洗澡作的控制指标。e太低，水流剪切力小；e过高，颗粒碰撞次数少，还会冲动垫料层及流失滤料，因此，e应适当。对砂滤床，最佳膨胀率E可由下式计算:E=(1.5-2.5e) (5-16)0具有一定级配的分层滤床，在同一反冲洗强度下，不同粒径的滤层其膨胀率不同。实验表明，当最大颗粒的沉降速度u满足下式时，整个滤层就完全膨胀起来。£=(v/u)o.22 (5-17)e1式中£为滤层膨胀后的孔隙率；V’为反冲洗水的上升流速。e1分层滤床完全膨胀后的厚度由下式确定：5-18)L=L(1-8尢Je0 1—85-18)ei式中pi表示具有平均膨胀孔隙率£.的颗粒重量分数。i ei2、反冲洗强度单位时间单位滤池面积通过的反冲洗水量称为反冲洗强度q,通常用L/(m2・s)表示，其值与滤料粒径、水温、孔隙率和要求的膨胀率有关，可用式(5-19)计算，也可用试验方法确定。di.3i (e+8)2.3i (q=100—•了 t(0t—L/w2•s5-19)P，0.54 (e+1)1.11(1—8%.545-19)0式中d 滤料当量直径，cm；e卩 水的动力粘度，g/(m2・S2)。根据经验，过滤一般的悬浮物时，要求q约在12〜15L/(m2・s)之间，如过滤油质悬浮物，则要求q增大至20L/(m2・s)或更大。反冲洗时间反冲洗时间依滤层污染程度而异，应根据运行情况来确定。在冲洗初期，出水浊度急剧升高，达最大值后，逐渐降低。通过测定反洗水浊度，可确定合适的冲洗时间。若冲洗时间不够，污物来不及脱落和排走、一般反冲洗时间为5〜lOmin,加上启闭阀门和表面冲洗时间，总共需15〜30min。4、反冲洗水头反冲洗所需水头等于滤层、垫层、配水系统及管路的水头损失之和，并留有1.5〜2.0m的富余水头。滤层阻力正好等于滤料在水中的重量，其水头损失可由下式计算：h1=(Pg'P-1人-8o)L (m) (5-20)式中P和P分别为水和滤料的密度。g卵石垫料层的水头损失可按以下经验公式计算：h2=0.22L1q (m) (5-21)式中L’为垫料层厚度，m。大阻力配水系统的孔眼水头损失为:h3=10pah3=10pa丿2g(m)(5-22)式中卩一一孔眼流量系数，与孔眼直径和管壁的比值有关，其数值见表5-3；a——孔眼总面积与滤池面积之比，一般为0.20%〜0.25%。表5-3 孔眼流量系数孔眼直径/管壁厚1.251.52.03.00.760.710.670.62采用双层砌块式滤砖的水头损失也可用类似于式(5-22)的水力学公式计算，即h3=0.195q：。采用豆石滤水板，其水头损失取经验值为0.25〜0.4m。5．反冲洗水的供应和排除反冲洗水可用水塔或水泵供给。水塔安装高度及水泵扬程取决于反冲洗水头。反冲洗水量为滤池面积、反冲洗强度与时间的乘积，约占滤过水量的1%〜2%。水塔的容量应为一次反冲洗用水量的1.5倍，水深不超过3m。当反洗水需要升温时，可在水塔内通入蒸汽。反冲洗排出的污水应及时排除，通常返回处理系统的首端。6．空气冲洗到目前为止，还没能从理论上推导出水－气联合冲洗的最佳空气冲洗强度。根据经验，对单一滤料的石英砂及无烟煤滤池，采用的空气冲洗强度范围为160〜27L/(m2・s),冲洗历时3〜4min。7．表面冲洗在过滤含有机物质较多的原水时，滤层表面往往生成由滤料颗粒、悬浮物和粘性物质结成的泥球。为了破坏泥球，提高冲洗质量，常用压力水进行表面冲洗。表面冲洗装置有固定管式和旋转管式两种。固定式冲洗管设在滤层以上6〜8cm处，每个喷水孔服务的面积应相同，冲洗强度为2.5〜3.5L/(m2•s)，压力15〜20mH0。2旋转式冲洗管设在滤层以上5cm处，利用射流产生的反力使喷水管旋转、冲刷和搅拌滤层。对多层滤料滤池，常设双层旋转管。冲洗强度为1〜1.5L/(m2・s),压力30〜40mH0。与固定管相比，旋转管所用钢材和冲洗水量较少。三、常见故障及对策气阻在过滤末期，局部滤层的水头损失可能大于该处实际的水压力，即出现负水头。此时，这部分滤层水中溶解的气体将释放出来，积聚在孔隙中，阻碍水流通过，以致滤水量显著减少。为防止气阻现象产主，首先应保持滤层上足够的水深，消除负水头。在池深已定时，可采取调换表层滤料，增大滤料粒径的办法。其次，在配水系统末端应设排气管，防止反冲洗水中带入气体积聚在垫层或滤层中。有时也可适当加大滤速，促使整个滤层纳污比较均匀。一旦发生气阻，应停止过滤，进行反冲洗。结泥球滤层表面的颗粒较细，截留的悬浮物较多。如果冲洗不干净，则互相粘结成球。球径可达5〜20cm。在下一次冲洗时，因质量较大而沉入滤层深处，造成布水不匀和再结泥球的恶性循环。这种污泥的主要成分是有机物，结球严重时会腐化发臭。防止办法是改善冲洗效果，增加表面冲洗。对已结泥球的滤池，应翻池换滤料，也可在反冲洗时加氯浸泡12h，氧化污泥，加氯量约每平方米滤池1kg漂白粉。跑砂如果冲洗强度过大或滤料级配不当，反冲洗会冲走大量细滤料。另外，如果冲洗水分配不匀，垫料层可能发生平移，进一步促使布水不匀，最后局部垫料层被冲走淘空，过滤时，滤料通过这些部位的配水系统漏失到清水池中，遇到这种情况，应检查配水系统，并适当调整冲洗强度。水生物繁殖在水温较高时，沉淀池出水中常含多种微生物，极易在滤池中繁殖。在快滤池中，微生物繁殖是不利的，往往会使滤层堵塞，可在滤前加氯解决。第四节快滤池的设计一、设计滤速及滤池总面积计算设计快滤池时，首先应当确定合适的过滤速度，再根据设计水量，计算出所需的滤池总面积。设计滤速直接涉及过滤水质、处理成本及运行管理等一系列问题.应根据具体情况综合考虑。饮用水过滤池的滤速应符合有关设计规范要求，我国规定单层砂滤池的正常滤速为8〜12m/h；在其他滤池冲洗，检修时，设计总水量通过工作滤池时的强制滤速为10〜14m/h.多层滤池的滤速见表5-1。过滤废水时的滤速主要取决于悬浮物的浓度和处理要求。滤速确定后，滤池总面积F由下式确定：F=Q/v(m2) (5-23)式中Q——设计流量(包括厂用水量)，m3/h；v 设计滤速，m/h。二、滤池个数及尺寸的确定

滤池个数应根据生产规模、造价、运行等条件通过技术经济比较确定。池数较多，运转灵活．强制滤速较低，布水易均匀，冲洗效果好，但单位面积滤池造价增加。根据设计经验，滤池个数可按表5-4确定。表5-4 滤池总面积及推荐池数滤池总面积.m2〈30 30〜50 100 150 200 300推荐滤池个数2 3 3或4 5或6 6〜8 10〜12滤池个数和单池面积确定后，还应校核1〜2个滤池停产时工作滤池的强制滤速。滤池的平面形状可为正方形或矩形，其长宽比主要决定管件布置。一般情况下，单池面积fW30m2时，长：宽=1:1；f>30m2时，长:宽=1.25:1〜1.5:1；当采用旋转管式表面冲洗时，长宽比可取1:1,2:1或3:1。滤池总深度包括超高（0.25〜0.3m）、滤层上水深（1.5〜2.om）、滤料厚度、垫料层厚及配水系统的高度，总厚度一般为3.0〜3.5m。三、管廊的布置集中布置滤池主要管道、配件及阀门的池外场所称为管廊。管廊的布置与滤池的数目和排列方式有关。一般滤池个数少于5个时，宜用单排布置，管廊位于滤池的一侧。超过5个时，它用双排布置，管廊位于两排滤池中间。管廊上面常设操作控制室，滤池本身在室外。管廊布置应满足下列要求：（1）保证设备安装及维修的必要空间，同时应力求紧凑、简捷；（2）要有通道，便于操作与联系；（3）要有良好的采光、通风及排水设施。此外，在滤池设计中，每个滤池底部应设放空管，池底应有一定坡度，便于排空积水；每个滤池上宜装设水位计及取水样设备；密闭管渠上应设检修入孔；池内壁