【水处理-课件】第6章-过滤

第六章过滤(Filtration)过滤：水流通过具有一定空隙率的过滤介质，其中的悬浮物被截留在介质表面或内部而除去。第一节、概述格筛过滤微孔过滤膜过滤深层过滤（根据过滤介质）格筛过滤以柳条/滤网为过滤介质，e.g.格栅、筛网、微滤机城市污水厂沉砂池入口处的细格栅水处理用筛网过滤介质：滤布、滤片、烧结滤管、蜂房滤芯等滤芯滤布微孔过滤：膜过滤采用特别的半透膜作为过滤介质在一定压力或电场力等作用下进行过滤。反渗透超过滤电渗析超过滤膜采用颗粒状滤料，e.g.石英砂、无烟煤等。石英砂无烟煤深层过滤(简称过滤)滤料颗粒之间存在孔隙，原水穿过一定深度的滤层，水中的悬浮物即被截留。深层过滤分类过滤速度作用力水流方向滤料层组成慢滤池重力滤池下向流单层滤料快滤池压力滤池上向流双层滤料高速滤池双向流多层滤料径向流普通快滤池结构过滤过程过滤机理：颗粒迁移+颗粒黏附/脱落过滤的影响因素：过滤速度、滤料、滤层过滤过程中的水头损失滤池冲洗配水系统：大阻力配水系统、小阻力配水系统、承托层第二节、过滤理论

过滤初期：表层过滤中期：滤层过滤末期：滤料堵塞或滤膜裂缝，导致滤速急剧降低或出水恶化冲洗(backwash)过滤冲洗一、过滤过程二、过滤机理

颗粒迁移+颗粒黏附/脱附1.颗粒迁移颗粒迁移机理过滤机理(con’d)2.颗粒黏附/脱落颗粒黏附：是一种物理化学作用。范德华力/静电力/化学键/吸附/絮凝颗粒的架桥颗粒剥落：水流冲刷、颗粒碰撞和摩擦导致杂质与滤料颗粒间碰撞无效有利于杂质输送到滤层内部，进行深层滤层过滤，避免局部污泥聚集。AQ,v过滤速度ν：

水在滤料中的实际流速>v流速增大：过滤周期缩短、水头损失增加、出水浊度上升三、过滤影响因素

滤速、滤料、滤层等

过水断面，m2过滤速度,m/h(空塔流速,emptytowervelocity)过滤水量，m3/h滤料种类的选择：明确过滤目的：石英砂、无烟煤：水中悬浮杂质锰砂：地下水中的Fe,Mn活性炭：水中有机物、颜色、异味、余氯合成纤维滤料：水中悬浮杂质、地下水中Fe，Mn滤料的机械强度滤料的化学稳定性：不溶于水，对废水中化学成分足够稳定，不产生有害物质。

2.滤料：种类、粒径

d10:通过滤料重量10%的筛孔孔径---反映细颗粒尺寸

d80:通过滤料重量80%的筛孔孔径---反映粗颗粒尺寸

K80:不均匀系数，K80=d80/d10对粒径要求：大小适中

粒径大:滤料间孔隙增大，在过滤过程中细小杂质颗粒容易穿透滤层，影响出水水质。

粒径小：滤料间孔隙减小，影响杂质颗粒在滤层中载送，增加水流阻力，造成过滤时水头损失过快增长。

滤料粒径：滤层：孔隙率、滤层组成滤层孔隙率(porosity)：滤层中滤料颗粒与颗粒之间的空间体积占滤层总体积的百分率。ε:滤层孔隙率，%;m:烘干的滤料重量，kgρ:滤料的密度，kg/m3;

V:滤层体积，m3ε过大：悬浮杂质易穿透；ε过小：截污空间小，水流阻力大，过滤周期短;过滤冲洗滤层组成

沿过滤水流方向：滤料粒径和孔隙率↑大部分悬浮物被截留在滤层上部下层滤层未被充分利用

上层:密度小、粒径大，起粗滤作用，去除大尺寸杂质。e.g.无烟煤、陶粒、塑料珠等下层：密度大、粒径小，起精滤作用，去除细小的剩余杂质。e.g.磁铁矿石、石榴石等每层滤层的截污能力得到充分利用滤料层含污量变化水流经过滤层时，由于滤层的阻力所产生的压力降，称为水头损失(headloss)清洁滤层水头损失：水流通过干净滤层的水头损失，也称为“起始水头损失”。ΔH0：清洁滤层的水头损失,cm;v:过滤速度，cm/sL：过滤高度，cm;K：达西系数四、过滤过程中的水头损失卡曼-康采尼(Carman-Kozony公式）：h0:水流通过清洁滤层的水头损失，cm

γ:水的运动粘度，cm2/s; g:重力加速度，981cm/s2

ε:滤料孔隙率; •L:滤层高度,cmv:过滤速率，cm/h; •k:通过试验所得无因次系数

d:与滤料体积相同的球体直径

φ:滤料颗粒球形度系数非均相滤层的水头损失：假设粒径为di的滤料占全部滤料质量之比为piH0∝γ,L,v:L，v应控制在合适范围内H0∝1/φ

2:尽量避免采用带尖角的滤料H0∝1/d2:细滤料对过滤不利2.过滤过程中水头变化H:滤池的总水头损失；H1:进水管（渠）与附件的水头损失；H2:滤料层的水头损失；H3:承托层与配水系统的水头损失；H4:出水管（渠）与附件的水头损失。过滤过程中，当滤层截留了大量杂质以致滤层某一深度处的水头损失超过该处水深时，便出现负水头(negativeloss)。

避免滤池中出现负水头：

1.增加砂面上的水深

2.令滤池出口位置等于或高于滤层表面。2.滤层中的负水头五、滤池冲洗高速水流反冲洗气、水反冲洗表面助冲加高速水流反冲洗反冲水滤层L0L1.高速水流反冲洗：用流速较大的反向水流冲洗滤料层，使整个滤层达到流态化状态，且具有一定的膨胀度。截流于滤层中的污物，在水流剪力和滤料颗粒碰撞摩擦双重作用下，从滤料表面脱落并且被冲洗水带出滤池。冲洗强度：单位时间、单位面积滤层所通过的冲洗流量，L/(s•m2)滤层膨胀度e：反冲洗时，滤层膨胀后所增加的厚度与膨胀前厚度(L0)之比。冲洗时间ε0

,ε:滤料膨胀前后的孔隙率2.气、水反冲洗：采用空气和水流同时冲洗优点：冲洗效果好，耗用水量少小，冲洗过程中不需滤层流化。缺点：需增加空气系统，与单独用水冲洗相比所需设备较多。3.表面助冲加高速水流反冲洗：在滤层表面设置高速水冲洗系统，利用高速水流对表层滤料加以搅动，增加滤料颗粒的碰撞机会，利用高速水流的剪切作用来提高反冲洗效果。六、配水系统

使反冲洗水在整个过滤装置平面上均匀分布，同时过滤时壳均匀收集过滤出水。大阻力配水系统小阻力配水系统1.大阻力配水系统穿孔支管孔口位置穿孔管大阻力配水系统

Qa,Qc:孔口a,c出流量；

S2’,S2”:孔口a,c处承托层和滤料层阻力系数之和

S1:孔口阻力系数

g:重力加速度

v0:干管进口流速

va:起端支管进口流速Qc>Qa

配水系统要使Qa,Qc尽量接近减小孔口总面积以增大孔口阻力系数S1，以消弱承托层、滤料层阻力系数及配水系统压力不均匀的影响。“大阻力”abc大阻力配水系统设计原则：配水均匀性在95%以上，即Qa/Qc≥0.95:f:孔口总面积，m2;w0:干管截面积，m2

wa:支管截面积，m2； n:支管根数•干管起端流速：1~1.5m/s•支管起端流速：1.5~2.0m/s

•孔口流速：5~6m/s•支管间距：0.2~0.3m•支管：直径75~100mm,长度和直径比≤60•支管孔径：9~12mm•孔间距离：75~300mm•开孔比α(孔口总面积f与滤池面积F之比):0.2%~0.25%

Q:冲洗流量，m3/s;v:孔口流速，m/sq:滤池的反冲洗强度，L/(sm2)穿孔管大阻力配水系统大阻力配水系统主要设计参数：

大阻力配水系统的特点：配水均匀性好；结构复杂；管道容易结垢；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。例题：

假设滤池平面尺寸为7.5m*7.0m=52.5m2，试设计大阻力配水系统。确定冲洗强度q和冲洗流量Qq:14L/s.m22.干管设计：

采用钢筋混凝土渠道，断面尺寸：850mm*850mm,长7500mm。3.支管设计：

支管中心距支管直径0.25m80mm滤池宽干管宽渠道壁厚及支管末端与池壁间距3.支管设计(con’d)：4.孔口设计：孔口流速孔口直径

5.6m/s9mm4.孔口设计(con’d)：考虑干管顶开2排孔，每排40个孔:孔口中心距e1=7.5m/40=0.187m每根支管孔口数=(2060-80)/60=33个---取34个孔，分两排布置，孔口向下与中间垂线夹角45°交错排列，每排17个孔：孔口中心距e2=2.9m/17=0.17m(0.131)5.配水系统校核：(2060)(5.6)符合配水均匀性达到95%以上的要求！

通过减小干管和支管进口流速v0和va，可使布水趋于均匀在此基础上，可以减小孔口阻力系数S1特点反冲洗水头小；配水均匀性较大阻力配水系统为差;滤池面积较大时，不宜采用小阻力配水系统。“小阻力”2.小阻力配水系统：小阻力系统配水方式：

穿孔滤板、滤砖、滤头等3.承托层(supportinglayer)

主要指敷设于滤料层与配水系统之间的卵石层。用于支承滤料，防止滤料从配水系统中流失；要求在反水冲洗时保持稳定，并对均匀配水起协助作用。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系统孔眼100

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系统孔眼100第三节、过滤池设备快滤池其它滤池：无阀滤池虹吸滤池移动罩滤池压力滤池一、普通快滤池及其设计滤池个数和尺寸Q——设计流量（包括厂用水量），m3/h；v——设计滤速，m/h。

滤池总面积：1.滤池个数和尺寸(con’d)滤池的平面形状：正方形或矩形长:宽：1:1(F≤30m2)1.25：1~1.5：1(F>30m2)1:1,2:1,3:1(采用旋转管式表面冲洗)滤池总深度(3.0~3.5m)：超高(0.25~0.3m)滤层上水深(1.5~2.0m)

滤料厚度、垫料层厚度2.管廊管廊：集中布置滤池主要管道、配件及阀门的池外场所；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。2.管廊(con’d)管廊的布置:与滤池的数目和排列方式有关滤池个数<5:单排布置，管廊位于滤池的一侧；滤池个数>5:双排布置，管廊位于两排滤池中间。

进水、清水、冲洗水和排水渠，全部布置在管廊内。冲洗水和清水渠布置在管廊内，进水和排水以渠道形式布置于滤池另一侧进水、冲洗水及清水管均采用金属管道，排水渠单独设置。对于较大型滤池，为节约阀门，可以虹吸管代替排水和进水支管；冲洗水管和清水管仍用阀门3.管渠流速设计:进水管：0.8~1.2m/s清水管：1.0~1.5m/s冲洗水管：2.0~2.5m/s排水管：1.0~1.5m/s4.设计注意事项滤池清水管应设短管或留有堵板,管径一般采用75~200mm，以便滤池翻修后排放初滤水。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。配水系统干管末端一般装有排有排气管。每个滤池宜设置水头损失计及取样管。各种密封渠道上应设有人孔，以便检修。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。例题：普通快滤池池体的计算已知：（1）设计水量Q’=12000m3/d；计算水量(水厂自用水量占5%)Q=1.05Q’=1.05*12000=12600m3/d（2）滤速v=5m/h（3）冲洗强度q=14L/(s.m2)（4）冲洗时间t0=6min=0.1h（5）冲洗周期T=12h设计计算：（1）滤池工作时间T’：滤池24h连续运转，其有效工作时间为：

T’=24–t0=24–0.1*24/12=23.8h（2）滤池总面积F：

F=Q/vT’=12600/(5*23.8)=106m2滤池个数：N=4，单行排列，则每个滤池面积：

f=F/N=106/4=26.5m2设计计算(con’d)（3）单池平面尺寸：滤池长宽比L/B=1

滤池平面尺寸：L=B=f1/2=26.51/2=5.15m（4）校核强制滤速v’：

v’=Nv/(N-1)=4*5/(4-1)=6.7m/h

（5）滤池高度H： 承托层H1=0.45m滤料层H2=0.70m

沙面上水深H3=1.70m

滤池超高H4=0.30mH=H1+H2