第九章过滤

第九章过滤

9.1 过滤概述 9.1.1 慢滤池慢滤池是最早出现的用于水处理的过滤设备，能有效地去除水的色度、嗅和味，见9—1。由于慢滤池占地面积大、操作麻烦、寒冷季节时其表层容易冰冻，在城镇水厂中使用的慢滤池逐渐被快滤池所代替。表9—1 现代慢滤池的适用的进水条件与出水水质

9.1.2 快滤池 1. 构造见图9-1

2. 工作过程 由过滤与反冲洗两部分组成。 3.滤速滤速是指单位时间、单位过滤面积上的过滤水量，单位为m3/（m2 h）或m/h。 4.工作周期从过滤开始到冲洗结束的一段时间称为快滤池的工作周期。从过滤开始到过滤结束称为过滤周期。滤池的工作周期为12~24h。

9.2 过滤理论 9.2.1 截留机理 1．悬浮颗粒被截留的机理两阶段理论：由迁移与吸附组成。迁移：沉淀、扩散、惯性、阻截和水动力，见图9-2。吸附：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。图9-2 悬浮颗粒的迁移过程

2．吸附与剥离 （1）Ives-Mints争论 Ives： ①附着于滤料之上的悬浮颗粒在过滤过程中绝对不剥离； ②在过滤后期悬浮颗粒穿透滤层进入滤池出水是吸附效率降低的缘故。 Mints： ①吸附和剥离是过滤过程中同时存在的两个相反的现象，且剥离量与含污量成正比； ②剥离是悬浮颗粒穿透滤层进入滤池出水的原因。争论至目前的结果是Mints理论已取得了优势。

（2）附着力与水流剪力 见图9-3。

9.2.2 过滤水力学 1．快滤池滤层的发展与利用滤层含污能力：单位体积滤层中的平均含污量称为“滤层含污能力”，单位g/cm3或kg/m3。采用单水冲洗的石英砂滤料滤池是典型的水力分级滤料滤池，其含污量随深度的变化见图9-4 多层滤料滤池接近理想滤料滤池，最常见为双层和三层滤见图9-5。双层滤池其含污量随深度的变化见图9-4曲线2。均质滤料过滤目前在实际生产中已经实现，如V型滤池。要实现均质滤料过滤，反冲洗时滤料层不能膨胀。

3．过滤过程中水头损失变化 （1）清洁滤料层的水头损失卡曼-康采尼公式（Carman-Kozony）公式：（9-1）非均匀滤层按下式计算：（9-2）（2）过滤过程中的水头损失变化过滤时滤池的总水头损失为：（9-3）

（3）负水头现象 当过滤进行到一定时刻时，从滤料表面到某一深度处的滤层的水头损失超过该深度处的水深，该深度处就出现负水头，见图9-6。

负水头会导致空气释放出来，危害： ①是增加滤层局部阻力，增加了水头损失； ②空气泡会穿过滤料层，上升到滤池表面，甚至把煤粒这种轻质滤料带走。在冲洗时，空气更容易把大量的滤料随水带走。避免滤池中出现负水头的两个方法：一是增加砂面上的水深；二是令滤池出口位置等于或高于滤层表面。

4 过滤方式 （1）恒速过滤最常见的恒速过滤如图9-7所示。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）递降速过滤 设四个滤池组成一个滤池组，假设：①进入滤池组的总流量不变；②每个池子的性能完全相同；③每个滤池恰好按它的编号顺序进行冲洗。则滤池的水位与滤速变化如图9-9所示。移动冲洗罩滤池是典型的递降速过滤滤池，当移动冲洗罩滤池的分格数很多时，这格滤池冲冼与下一格滤池冲洗的间隔时间很近，滤池水位变化不大，有可能达到近似的“等水位变速过滤”。

5. 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”，见图9-10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9-10中（c）与（d）所示。图9-10 直接过滤流程

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

9.3 滤料与承托层 9.3.1 要求 1.具有足够的机械强度 2.具有足够的稳定性 3.能就地取材、价廉 4.外形接近于球状，表面比较粗糙而有棱角。 9.3.2 滤料性能参数 1.比表面积粒状滤料的比表面积可以表示为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。 2.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：（9-4）

3.最大粒径、最小粒径 常用的数据见表9-2。表9-2 滤料级配与滤速

3．滤料的当量直径 （9-5）式中，de——滤料层的当量粒径，mm pi ——截留在筛孔为和的筛子之间的滤料重量占滤料总重量的百分数； 4．球度系数与形状系数球度系数（9-6）滤料颗粒的形状系数为：（9-7）

表9-3列出了常见的滤料形状与其球度系数和形状系数，滤料颗粒的形状示意见图9-11。表9-3列出了常见的滤料形状与其球度系数和形状系数，滤料颗粒的形状示意见图9-11。表9-3 滤料颗粒的形状及其球度系数、形状系数、孔隙率图9-11 滤料颗粒的形状示意

5．滤料层的孔隙率 滤料层的孔隙率指整个滤层中孔隙总体积与整个滤层的堆积体积之比。测定方法：取一定量的滤料，在105oC下烘干称重，并用比重瓶测出其密度。然后放入过滤筒中，用清水过滤一段时间后，量出滤层体积，则孔隙率为（9-8）式中，G ——烘干后的滤料, g； ——滤料的密度，g/cm3； V ——滤料层的堆积体积，cm3。

6．滤料的筛分方法 (1) 筛分试验记录筛分试验记录见表9-4. 表9-4 筛分试验记录

(2) 筛分方法 见图9-12，大粒径（d.>1.54）颗粒约筛除13.0 %，小粒径（d<0.44）颗粒约筛除19.0 %。

(3)同一粒径砂 精确取用同一粒径滤料的方法：将滤料样品倾入某一筛子过筛后，将筛子上的砂全部倒掉，再将卡在筛孔中的那部分砂振动掉下来，如此重复进行，可得到同一粒径的滤料。从这些振动下来的砂粒中取出几粒，按以下公式可求出其等体积球体直径：（9-9）式中， G —— n个颗粒的总重量, g； —— 颗粒密度, g/cm3。

7.双层滤料和多层滤料滤池中出现的混层现象一种观点认为：煤-砂交界面上适度的混层，可避免交界面上积聚过多杂质而使水头损失增长较快，故适度混杂是有益的另一种认为：煤-砂交界面上不应有混杂现象。因为煤层起截留大量杂质作用，砂层则起精过滤作用，而界面分层清晰，起始水头损失将较小。

8.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。组成见表9-5与9-6。表9-5 快滤池大阻力配水系统承托层粒径和厚度

表9-6 三层滤料滤池承托层材料、粒径与厚度注:配水系统如用滤砖且孔径为4mm时，第6层可不设。为了防止反冲洗时承托层移动，美国对单层和双层滤料滤池也有采用“粗-细-粗”的砾石分层方式。如果采用小阻力配水系统，承托层可以不设，或者适当铺设一些粗砂或细砾石，视配水系统的具体情况而定。

9.4 滤池冲洗 常用的反冲洗方法有以下几种： ①单水高速反冲洗： ②气- 水联合反冲洗； ③表面助冲加高速水流反冲洗。 9.4.1 单水高速反冲洗 1.反冲洗强度指单位面积滤层所通过的反冲洗流量，单位为L/sm2。 2.滤层膨胀度（9-10）由于滤层膨胀前、后单位面积上滤料体积不变，于是：（9-11）故：（9-12）

3.常用数据 表9-7列出了常用数据。表9-7 冲洗强度、膨胀度和冲洗时间注：1．设计水温按20OC计，水温每增减1OC，冲洗强度相应增减速1%；２．由于全年水温、水质有所变化，应考虑有适当调整冲洗强度的可能；３．选择冲洗强度应考虑所用混凝剂品种的因素；４．无阀滤池冲洗时间可采用低限；５．膨胀度数值仅作设计计算用。

9.4.2 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可能招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 （1）构造大阻力配水系统的构造如图9-13和图9-14所示。

（2）沿途泄流管道 干管和支管均可近似看作沿途泄流管道，因此，（9-13）沿途均匀泄流管道中的水头损失为（9-14）代入上式得：（9-15）因为α—管道的比阻，故（9-16）

设=0.012，则当时， 在快滤池的配水系统中，这一条件，因而，如图9-15所示。

（3）配水系统的能量的变化 在图9-14所示的大阻力配水系统中，干管起端O点、干管末端I点、最前一根支管起端a点、最后一根支管起端b点、最后一根支管末端c点之间的能量关系见式（9-17）至式（9-18），也可形象地用图9-16来描述。（9-17）（9-18）（9-19）（9-20）

（4）大阻力配水系统的原理 c点与a点之间的压力关系为（9-21）假定：①沿程水头损失 0， 0； ②各支管的进口局部水头损失基本相等，即hahb。并取 α=1，则式（9-21）可简化为：（9-22）在图9-14所示的配水系统中，压力水头差别最大的两个点为孔口a与孔口c。设两孔口的终点水头为H终，孔口a与孔口c的总水头损失分别为Ha‘、Hc’ （9-23）（9-24）

将式（9-23）、（9-24）代入式（9-22）得： （9-25）由于：（9-26）（9-27）将式（9-26），（9-27）代入式（9-22）可得：（9-28）假设S2’S2’’，则式（9-28）可简化为：（9-29）

上式说明Qc大于Qa。增加S1+S2’’值，能减小上式右边第二项的值，从而使Qa尽量接近Qc。上式说明Qc大于Qa。增加S1+S2’’值，能减小上式右边第二项的值，从而使Qa尽量接近Qc。由于承托层与滤料层的阻力系数之和S2’’不能改变，只有通过减小孔口总面积来增大孔口阻力系数S1，才能增大S1+S2’’。增大孔口阻力系数S1就削弱了承托层、滤料层阻力系数及配水系统压力水头不均匀对孔口出流量的影响，这就是大阻力配水系统的原理。

2.穿孔管大阻力配水系统的设计 图9-14中孔口a与孔口c的出流量Qa、Qc可按下式进行计算：（9-30）（9-31）将式（9-30）与式（9-31）代入式（9-22）并整理得：（9-32）上式说明，当孔口水头损失越大时，a孔与b孔的出流量之比越接近于1。设配水系统配水均匀性要求在95%以上时，即令Qa/Qc0.95，则：

（9-33） 整理上式可得：（9-34）为了简化计算，假设每根支管的进口流量相同，v0和va可分别按下列两式进行计算：（9-35）（9-36）

为了简化计算，Ha可以孔口平均水头损失计算，则Ha为：为了简化计算，Ha可以孔口平均水头损失计算，则Ha为：（9-37）将式（9-34），（9-35），（9-36）代入式（9-33）得：（9-38）将μ=0.62代入上式并整理得：（9-39）式（9-39）为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的产生影响。

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1.4~1.8 m/s，孔眼流速为3.5~5 m/s。 ②支管中心距为0.25~0.3 m，支管长度与其直径之比一般不应大于60。 ③孔口直径约为9~12 mm，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。当干管直径或渠宽大于300mm时，顶部应装滤头、管嘴或把干管埋入池底。 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：（9-40）

3.小阻力配水系统 大阻力配水系统的特点： ①配水均匀性好； ②结构复杂； ③但管道容易结垢； 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。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%，见图9-17、9-18、9-19。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。中阻力配水系统与小阻力配水系统类似，但其开孔比介于大阻力配水系统与小阻力配水系统之间。

5．冲洗.废水除方法 （1）冲洗排水槽、排水渠见图9-20、9-21。（2）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。

f．单个冲洗排水槽的排水量可按下式计算：（9-41） g．冲洗排水槽的始端尺寸：一般采用始端深度为末端深度的一半；或槽底采用平坡，使始、两端尺寸相等。槽底为三角形断面末端尺寸可按下式计算：（9-42）槽底为半圆形末端尺寸可按下式计算：（9-43） h．槽顶距未膨胀时滤料表面的高度为：（9-44）

（3）排水渠 布置： ①面积小时，沿池壁一边布置； ②当滤池面积很大时，排水渠布置在滤池中间。排水渠的断面一般采用矩形。渠底距排水槽底高度Hc为：（m）（9-45）

6．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。

第九章 过 滤