第16章 物理化学处理(过滤)

第二节过滤法

在常规水处理中，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。

过滤的功效，不仅在于进一步降低水的浊度，而且水中有机物、细菌乃至病毒等将随水的浊度的降低而被部分去除。残留的细菌、病毒在失去附着物的保护和依附后，在滤后消毒中也容易被杀死。1.工作过程由过滤与反冲洗两部分组成。

浑水流经滤料时，水中杂质被截留，随着滤料层中杂质截留量的逐渐增多，滤料层中的水头损失也相应增加，当水头损失增加到一定程度时，会使滤池产水量减少，或滤过水质不符合要求时，应停止过滤进行冲洗。冲洗水自下而上穿过承托层及滤料层，均匀分布于整个滤池平面上，滤料层处于悬浮状态，滤料得到清洗。

2、过滤理论（1）两阶段理论：由迁移与粘附组成。迁移：沉淀、扩散、惯性、阻截和水动力，见下图。粘附：范德华引力、静电力、以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用、絮凝颗粒间的架桥作用。（2）附着力与水流剪力3-3在过滤初期，滤料较干净，孔隙率较大，孔隙流速较小，水流剪力较小，粘附作用占优势。随着过滤时间延长，滤层中杂质逐渐增多，孔隙率减小，水流剪力逐渐增大，以至最后粘附的颗粒将首先脱落，或后续颗粒不再有粘附现象，于是，下层滤料的截留作用渐次发挥。实际上，在下层滤料作用远未得到充分发挥时，过滤就得停止。表层滤料粒径最小，孔隙将逐渐被堵塞，或悬浮物穿过过滤层而使水质恶化，过滤将被迫停止。3、过滤方式（1）恒速过滤在恒速过滤状态，由于滤层逐渐被堵塞，水头损失随过滤时间逐渐增加，滤池中水位逐渐上升，当水位上升到最高水位时，过滤停止以待冲洗。无阀滤池与虹吸滤池是典型的恒速过滤滤池。（2）减速过滤在过滤过程中，如果过滤水头损失始终保持不变，孔隙率逐渐减小，必然使滤速逐渐减小。移动罩滤池属于变速过滤滤池。

（3）

直接过滤

原水不经过沉淀而直接进入滤池的过滤称为“直接过滤”。直接过滤有两种方式：①原水加药后只经过混合就直接进入滤池过滤，称为“接触过滤”。也可称为“直流过滤”，图中（a）与（b）所示；②原水加药后经过混合和微絮凝池后进入滤池过滤，称为“微絮凝过滤”，如图中（c）与（d）所示。

直接过滤的两个特点：①采用双层或三层滤料滤池；②采用聚合物为混凝剂或助凝剂。

直接过滤要求：①原水浊度和色度较低且水质变化小，常年原水浊度低于50度；②直接过滤中的滤速应根据原水水质决定，浊度偏高时应采用较低滤速，当原水浊度在50度以上时，滤速一般在5m/h左右。

4、滤料与承托层（1）

滤料的要求

a.具有足够的机械强度

b.具有足够的化学稳定性

c.具有一定的颗粒级配和适当的孔隙率

d.能就地取材、价廉。

石英砂是使用最广泛的滤料，双层和多层滤料中，常用的还有无烟煤、石榴石、钛铁矿、磁铁矿、金刚砂等。轻质滤料有聚苯乙烯及陶粒等。

无烟煤石榴石磁铁矿金刚砂陶粒(2)滤料性能参数

a.比表面积单位重量或体积的滤料所具有的表面积，单位为cm2/g或cm2/cm3。b.有效粒径与不均匀系数粒径级配可以用滤料的有效粒径和不均匀系数表示，关系如下：

d10——通过滤料重量10％的筛孔孔径(mm)d10称为有效粒径，它反映细颗粒尺寸，小于d10的颗粒是产生水头损失的主要部分。

d80——通过滤料重量80％的筛孔孔径(mm)反映粗颗粒尺寸不均匀系数K80——表示粗细颗粒差别的大小或不均匀程度。（通常要求K80

＜2.0）

砂粒级配对滤池的运行的影响：不均匀系数K80越大，则大小颗粒差别越大，颗粒越不均匀。这对过滤和反冲洗都会产生不利影响，因为K80较大时，大小颗粒掺杂的结果，过滤时会降低滤料层的孔隙率，影响滤层的含污能力以及增加过滤时的阻力，反冲洗满足细颗粒膨胀要求，粗颗粒将得不到很好清洗；若为满足粗颗粒膨胀要求，则细颗粒可能被冲出池外。

(3)最大粒径、最小粒径表1滤料级配与滤速类别滤料组成滤速（m/h）强制滤速（m/h）粒径（mm）不均匀系数K80厚度（mm）单层石英砂滤料dmax=1.2dmin=0.5<2.07008~1010~14双层滤料无烟煤dmax=1.8dmin=0.8<2.0300~40010~1414~18石英砂dmax=1.2dmin=0.5<2.0400三层滤料无烟煤dmax=1.6dmin=0.8<1.745018~2020~25石英砂dmax=0.8dmin=0.5<1.5230重质矿石dmax=0.5dmin=0.25<1.770

（4）承托层

承托层的作用：①防止滤料层从配水系统流失；②均匀布置反冲洗水。

表2快滤池大阻力配水系统承托层粒径和厚度层次（自上而下）粒径（mm）厚度（mm）12~410024~810038~16100416~32本层顶面高度至少应高于配水系统孔眼100mm表3三层滤料滤池承托层材料、粒径与厚度层次（自上而下）材料粒径（mm）厚度（mm）1重质矿石（如石榴石、磁铁矿等）0.5~1.0502重质矿石（如石榴石、磁铁矿等）1~2503重质矿石（如石榴石、磁铁矿等）2~4504重质矿石（如石榴石、磁铁矿等）4~8505砾石8~161006砾石16~32本层顶面高度至少应高于配水系统孔眼100mm

5、滤池冲洗

常用的反冲洗方法有以下2种：

①高速水流反冲洗：具有一定的膨胀度，形成上细下粗的水力分层，需水量大。

②气-水联合反冲洗；

利用上升气泡的振动，将滤料表面污物破碎、脱落，再由水冲带出池外。水冲强度可降低，可减少水冲水量，提高滤池冲洗质量。冲洗时滤层不一定膨胀或仅轻微膨胀，冲洗结束后滤层不产生或不明显产生上细下粗分层，即保持原来滤层结构。

气-水联合冲洗具有下述特点：①冲洗效果好；②节约反冲洗水量；③冲洗结束后，滤层不产生或不明显产生上细下粗的分层现象；④气-水联合冲洗操作较为麻烦，池子和设备较复杂，需增加鼓风机或空压机、储气罐等气冲设备。

气-水联合冲洗有3种操作方式：①先气洗，后水洗；②先气水混合洗，再用水洗；③先气洗，再气水混合洗，最后用水洗（或漂洗）。气-水联合冲洗时，总的反冲洗时间约在10min左右。6、配水系统

常见的配水系统有大阻力配水系统、小阻力配水系统、中阻力配水系统等三种。其作用：①反冲洗时，均匀分布反冲洗水；②过滤时，均匀集水。

反冲洗时配水不均匀的危害：①滤池中砂层厚度分布不同；②过滤时，产生短流现象，使出水水质下降；③可能导致局部承托层发生移动，造成漏砂现象。

（1）大阻力配水系统的原理a、构造大阻力配水系统的构造如图6和图7所示。67

大阻力配水系统的设计要点：①干管起端流速为0.2~1.2m/s，支管起端流速为1.4~1.8m/s，孔眼流速为3.5~5m/s。②支管中心距为0.25~0.3m，支管长度与其直径之比一般不应大于60。③孔口直径约为9~12mm，设于支管两侧，与垂线呈45O角向下交错排列。④干管横截面与支管总横截面之比应大于1.75~2.0。当干管直径大于300mm时，干管顶部也应开孔布水，并在孔口上方设置挡板。⑤孔口总面积与滤池面积之比称为开孔比，其值可按下式计算：大阻力配水系统构造尺寸计算的依据

上式说明：①大阻力配水系统配水的均匀性只与干管截面积、支管截面积、支管个数、孔口总面积等有关，而与其它因素无关。②当滤池面积过大时，滤池中砂层和承托层的铺设、冲洗废水的排除等的不均匀度都将对冲洗效果产生影响。

式中：ω0

—干管截面积，m2

ωa—支管截面积，m2

f—配水系统孔口总面积，m2大阻力配水系统的特点：①配水均匀性好；②结构复杂；

③管道容易结垢；④孔口水头损失大，因而要求反冲洗水压高。

无阀滤池、移动冲洗罩滤池、虹吸滤池等的冲洗水头非常有限，不宜采用大阻力配水系统。例：设滤池的平面尺寸为7.5m×7.0m=52.5m2，设计大阻力配水系统。解：冲洗强度采用q=14L/s·m2,

冲洗流量Q=14×52.5=735L/s=0.735m3/s（1）干管采用钢筋混凝土渠道。断面尺寸：850mm×850mm，长7500mm。起端流速（2）支管支管中心距采用0.25m。支管数n=7.5/0.25×2=60根（每侧30根）。支管长（7.00-0.85-0.30）/2≈2.93m，取2.9m。式中0.3m为考虑渠道管壁厚及支管末端与池壁间距。每根支管进口流量=735/60=12.25L/s，支管直径采用80mm，支管起端流速va=2.43m/s（3）孔口孔口流速采用5.6m/s，孔口总面积配水系统开孔比孔口直径采用9mm，每个孔口面积=6.36×10-5m2。孔口数m=0.131/(6.36×10-5）=2060个。干管顶端开2排孔，每排40个，孔口中心距e1=7.5/40=0.187m每根支管孔口数=（2060-80）/60=33个，取34个，分两排布置，孔口向下与中垂线夹角45°交错排列，每排17个孔，孔口中心距e2=2.9/17=0.17m（4）配水系统校核实际孔口数m’=34×60+80=2120个实际孔口总面积f’=2120×6.36×10-5=0.1348m2实际孔口流速

v’=0.735/0.1348=5.45m/s符合配水均匀性达到95%以上的要求。小阻力配水系统的构造特点：铺设穿孔滤板或滤砖，开孔比一般为1.0~1.5%。小阻力配水系统的特点：①反冲洗水头小；②配水均匀性较大阻力配水系统为差，当配水系统室内压力稍有不均匀，滤层阻力稍不均匀，滤板上孔口尺寸稍有差别或部分滤板受堵塞，配水均匀程度都会敏感地反映出来；③滤池面积较大时，不宜采用小阻力配水系统。

(2)小阻力配水系统91011一般规定：α=0.20%~0.25%为大阻力配水系统；α=0.60%~0.80%为中阻力配水系统；α=1.0%~1.5%为小阻力配水系统。这样的规定并不十分严格，此间并无严格界限。为了保证配水均匀，应注意：a.冲洗水到达各个孔口处的流道中流速，应尽量低些，以消除流道中水头损失和水头变化对配水均匀性影响；b.各孔口（或滤头）阻力应力求相等，加工精度要求高。（3）冲洗排水槽的设计要求

a．冲洗排水槽平面总面积一般不大于单个滤池面积的25%。否则，会影响上升水流的均匀性。

b．相邻两槽的中心间距一般为1.5~2.0m。间距过大，难以排水均匀。

c．槽内水面以上一般要有7cm左右的保护高，以保证冲洗废水自由跌水进入排水槽。

d．排水槽的废水应自由跌水进入排水渠，以免引起壅水现象。

e．每单位槽长的溢入流量应相等。故施工时冲洗排水槽口应力求水平，误差限制在2mm内。

7．冲洗水的供给两种：①水泵冲洗；②冲洗水塔或水箱冲洗。

水泵冲洗的特点：①投资省；②但操作较为麻烦；③在冲洗的短时间内耗电量大，往往会使厂区内供电网负荷骤增。

冲洗水箱的特点：①造价高；②但操作简单；③专用水泵小，耗电量较均匀；④水箱容积按单个滤池冲洗水量的1.5倍计算。8.普通快滤池基本参数

（1）滤速设计滤速一般为8~10m/h。

(2）滤池总面积和工作时间

式中：Q—设计水量（包括水厂自用水量）（m3/d）

v—设计滤速（m/h）

T—滤池每日实际工作时间（h）

T0—滤池每日工作时间（24h）

t0—滤池每日冲洗后停用和排放初滤水时间（h）（一般每次采用0.5~0.67h）

t1—滤池每日冲洗及操作时间（h）

(3)个数和单池面积一般单池面积不大于100m2。滤池的个数在设计时应根据技术经济比较确定，但不得小于两个，可参考表4选用。单个滤池面积（m2）可根据滤池总面积F（m2）与滤池个数N进行计算，如下式所示：

表4滤池个数滤池总面积（m2）滤池个数<30230~5031003或41504~62005~63006~8

(4)滤池深度

滤池深度包括：保护高：0.25~0.3m；滤层表面以上水深：1.5~2.0m；滤层厚度：见表1；承托层厚度：见表2和表3。因此，滤池的总深度一般为3.0~3.5m。单层石英砂滤池深度一般稍小；双层和三层滤料滤池深度稍大。(5)管廊布置

管廊：是指集中布置滤池的管渠、配件及阀门的场所，要求如下：力求紧凑，简捷；留有设备与管配件安装、维修时必须的空间；具有良好的防水、排水、通风、照明设备；便于与滤池操作室联系；管廊中的管道一般用金属材料，也可用钢筋混凝土渠道；管廊门及通道应允许最大配件通过，并考虑检修方便。几种管廊布置方法，滤池数小于5个时，滤池宜采用单行排列，管廊位于滤池的一侧。当滤池数超过5个时，滤池宜采用双行排列，管廊位于两排滤池的中间。后者布置紧凑，但管廊通风、采光不如前者，检修也不太方便。管廊布置主要有如下四种形式：①进水、清水、冲洗水和排水渠，全部布置于管廊内，如图14（a）所示。特点：渠道结构简单，施工方便，管渠集中紧凑，但管廊中管件较多，通行和检修不太方便。②冲洗水和清水渠布置于管廊中，进水和排水渠布置于滤池另一侧，如图14（b）所示。特点：可节省金属管件及阀门，管廊内管件简单，施工和检修方便。但造价稍高。③进水、冲洗水及清水管均采用金属管道，排水渠单独设置，如图14（c）所示，特点：通常用于小型水厂或滤池单行布置。④对于较大滤池，为节约阀门，可以将进水和排水阀门分别用进水虹吸和排水虹吸代替，冲洗水管和清水管仍用阀门，如图14（d）所示。特点：虹吸管通水或断水以真空系统控制。快滤池管渠流速可根据表5确定。表5管渠流速名称流速（m/s）名称流速（m/s）进水管（渠）0.8~1.2冲洗水管(渠)2.0~2.5清水管(渠)1.0~1.5排水管(渠)1.0~1.5

(6)设计注意事项

①滤池清水管应设短管，管径一般采用75~200mm，以便滤池翻修后排放初滤水。②滤池底部宜设有排空管，其入口处设栅罩，池底坡度约为0.005，坡向排空管。

③配水系统干管末端一般装有排气管。

④每个滤池宜设置水头损失计及取样管。⑤各种密封渠道上应设有人孔，以便检修。⑥滤池池壁与砂层接触处抹面应拉毛，以免过滤时水流在该处形成“短路”而影响水质。

布置形式优缺点四阀集中优点：1、阀门集中，操作方便；2、管廊布置紧凑，滤池结构简单，仅一侧进水；3、浑、冲、清、排四总管亦可采用钢筋混凝土总渠，使管配件减少缺点：1、管廊不能过于紧凑，以免安装检修困难；2、管路复杂三阀和一阀双侧布置优点：管廊内管道布置较简单，检修稍方便缺点：滤池增加了外侧浑水渠，如采用人工操作，较麻烦双阀双侧布置优点：1、管廊内管路简单；2、安装检修方便缺点：1、采用人工操作时管理不便；2、滤池增设外侧的浑、排水渠，结构较复杂四阀快滤池管廊布置各种滤池优缺点和适用条件形式滤池特点优缺点适用条件普通快滤池下向流、砂滤料的四阀式滤池优点：（1）有成熟的运转经验，运行稳妥可靠（2）采用砂滤料，材料易得，价格便宜（3）采用大阻力配水系统，单池面积可做得较大；池深较浅（4）可采用降速过滤，水质较好缺点：（1）阀门多（2）必须设有全套冲洗设备（1）可适用于大、中、小型水厂（2）单池面积一般不宜大于100m2（3）有条件时尽量采用表面冲洗或空气助洗设备双阀滤池下向流、砂滤料的双阀式滤池优点：（1）同普通快滤池的（1）（2）（3）