华北理工水质工程学教案13第四章过滤4-3滤料和承托层3-4滤料冲洗上

课程名称：《水质工程学I》第周，第13讲次摘要授课题目（章、节）§4-3滤料和承托层§3-4滤料冲洗上【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。【重点】【难点】内容【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】§4-3滤料和承托层一、滤料1、基本要求：①具有足够的机械强度；（减少冲洗时的磨损和破碎）②具有足够的化学稳定性，不能含有对人类健康和生产有害物质，滤料不能与水产生化学反应体水质恶化。③具有一定的颗粒级配和适当的空隙率。④滤料要货源充足、价廉、尽量就地取材。2、常用滤料：石英砂；无烟煤、石榴石、钛铁矿、磁铁矿，金钢砂。人造：聚苯乙烯粒料、陶粒等。（一）滤料粒径级配：1、概念：滤料中各种粒径颗粒所占的重量比例。粒径——指正好通过某一筛孔的孔径。2、两种表示方法：①粒径d10；不均匀系数K80。d10——通过滤料重量10%的筛孔孔径。d80——通过滤料重量80%的筛孔孔径。不均匀系数：K80108080ddkd80—反映粗颗粒的尺度；d10—反映细颗粒的尺度。K80越大，→颗粒越不均匀→对过滤和冲洗越不利。工艺对滤料粒径的要求：i含污能力大（K80，含污能力减少）ii反冲洗时，粗颗粒要膨胀但细颗粒不能被冲走。（K80最好接近于1）②最大粒径dmax与最小粒径dmin和不均匀系数K80。我国规范据经验制定了级配及滤速。（二）滤料筛选方法：1、筛分介绍：用不同筛孔直径的筛对滤料进行分粒经称重。去掉大粒经、和小粒经砾、沙。使滤料趋于均匀。2、等体积球体直径d0(m)：（不同于过筛的滤料粒径）取n个（若干）粒径同筛分的滤料，称得重量（Gkg）则nGd630ρ——颗粒密度（Kg/m3）(三)滤料孔隙率的测定：①105℃下烘干，称量（G）测密度（ρ）②用清水过滤一段时间后，工作状态下测其（堆积）体积（V）③其孔隙率（m）：VGm1总体积滤料体积总体积m与颗粒的粒径，均匀程度，压实程度、形状等有关。石英砂m=0.42左右。（四）滤料形状：（是形成孔隙率大小的因素）用滤料颗粒的球度来表示：颗粒实际表面积同体积球体的表面积砂滤料宜在Φ=0.75～0.80（五）双层及多层滤料级配：1、反冲洗后，滤料的分布：①不同滤料完全分层（正常）②中间有掺混层（厚度在50mm左右，对过滤有益）太厚有害，原因：孔隙率太低。③分层颠倒。（不应出现）原因：粒径不当；反冲洗强度不当。2、分布的影响因素：不同滤料的重度差，粒径差，颗粒级配，滤料形状，水温，反冲洗强度等。现阶段用经验数据或实验来确定。煤—砂，粒径比：6.35.08.1水中重度比：8.2~41)6.1~4.1(165.2（在）反冲洗强度：13～16l/s·m2则不产生严重和混杂现象。表17-3滤料的级配和滤速：强制滤速：当有一两个滤池退出工作，（停产检修）其余滤池在超过正常负荷下的滤速。二、承托层：1、作用：（1）防止滤料从反冲洗配水系统流失。（2）反冲洗时可均匀布水。（其自身不应悬浮）2、材料：天然卵石或砾石有不同的级配，最上层要细，防止滤料穿过。冲洗时，承托层不应移动，措施，上层用重质矿石。不同的配水系统有不同的承托层。§4-4滤池的冲洗目的：清除滤层截留的污物，恢复滤池的过滤能力。方法：①高速水流反冲洗；②气、水反冲洗；③高速水流加表面助冲反冲洗。一、高速水流反冲洗（高速反冲洗）原理：在水流的剪力和滤料颗粒的相互碰撞磨擦作用下，污物从滤料表面脱落下来，被冲洗水流带出滤池。（一）冲洗强度、滤层膨胀度，冲洗时间几个概念：1、冲洗强度：（冲洗速度）滤池单位面积，单位时间的冲洗水量。单位：l/sm2或cm/s1cm/s=10l/sm22、滤层的膨胀度（率）e：滤层膨胀后所增厚度（L－L0）与膨胀前厚度（L0）之比：%10000LLLe用孔障率表示：滤层膨胀前后，单位滤池面积上滤料体积不变。L(1-m)=L0(1-m0)mmLL1100m0——膨胀前孔隙率；m——膨胀后孔隙率。代入e式中mmmmmLLmmLe1111110000003、冲洗时间：过短：滤料表面污泥冲洗不充分，长期下去会形成泥膜更难冲洗。冲洗水排不尽，使污泥重返滤层。过长：滤料磨损过快。生产上可据反冲洗废水浊度确定（自动控制）多数据经验：（二）冲洗强度与滤层膨胀度的关系1、假设：滤料粒径均匀，滤池内冲洗强度分布均匀。2、关系推导：未膨胀滤料中，水流的水头损失h欧根(Ergun)公式：紊流项层流项2030000203020v1175.1v11150LmmdgLdgmmvh（1）膨胀后：悬浮状态的滤料对水流的阻力=其在水中的重量（力）（阻力）ρgh=(ρsg-ρg)(1-m)L(重量)∴Lmhs1---(2)L—膨胀后滤层厚度∵(1-m)L=(1-m0)L0∴001LmhS---(3)据（1）（3）式，可绘成水头损失和流速的关系曲线。Vmf——反冲时滤料刚刚开始流（态）化的冲洗流速称为最小流态化冲洗流速。理想化时应是（1）和（2）式的交点。v＞vmf时，滤层中水头损失不再变化。但：滤层膨胀，v大↗L大↗。（2）式代入（1）式：整理后可得：1v11150v1175.1320230mmdmdgss膨胀后孔隙率m与冲洗流速的关系（理论公式）实验公式：敏次和舒别尔特，推出的公式：（实验公式）54.0077.131.2054.031.10114.29memedqμ—水的动力粘度Pa·sq—冲洗强度L/s·m2适用条件：滤料密度2.62g/cm3水的密度1g/cm3理查逊（J.F.Riohardson）和赞基（W.N.Eaki）提出的公式：（经验式）1vvimvi—使滤料颗粒达到自由沉淀状态的冲洗流速cm/s对一定的滤料，一定的水温vi是一个常数。α—指数，决定于雷诺数。将式：mmme10代入式中得：ieemv1v0（4）当粒径为0.5～1.2mm时，20℃水温，α=4～3粒径小，α值大。冲洗强度与均匀滤层膨胀度的关系图按式（4）得出由两图可知：v＞vmf时v↗e↗v≤vmf时e=o不膨胀（三）冲洗强度的确定及非均匀滤料膨胀度的计算：1、非均匀滤料的反冲洗特征：①上中下层滤料的最小流态化冲洗速度vmf不同。d0大vmf大d0小vmf小②（据图17-14）相同冲洗强度，不同d0膨胀度e不同d0小vmf小（上层）d0大vmf大（下层）③如果滤料级配不当（差别太大），最下层滤料达到vmf，上层滤料可能被冲走。（应调整级配；即滤料级配应考虑反冲洗问题）2、冲洗强度的确定：①单层滤料：q=10kvmf(L/s·m2)vmf—最大粒径滤料的最小流态化冲洗流速（cm/s）k—安全系数，取决于滤料粒径的均匀程度。取值k=1.1～1.3（常用值）不均匀度大，k取小；不均匀度小，k取大。②双层或多层滤料：要求各层滤料的vmf即要有一定的差值（冲洗后分层效果好）又要差值不能太大（下层达到vmf，上层滤料不被冲走）还要考虑清洗效果（滤料的碰撞磨擦）。可采取多档冲洗强度。3、非均匀滤料的膨胀度：设分成了n层，第i层滤料重量与总重量之比为pi第i层滤料膨胀前，厚：lio≈piL0设第i层滤料膨胀度为：00iiiillle第i层滤料膨胀后，厚li=lio(1+ei)li=piL0(1+ei)总膨胀度e：01000LLlLLLenii01001LLeLpniii%100111iniiepn——滤料分层数，可由筛分测得；pi——与n同样测得。ei——第i层滤料的膨胀度，可以由已知冲洗速度v再由式（书17-14）和（书17-10）求得。近似解：用滤料的当量粒径deq来代替d0(但精度差)niiiieqddpd121平均直径d'i，di——某层滤料的过筛与截筛的筛孔直径，cmpi——同前n——同前设计工作：由膨胀度，定35%左右，（注：小于45%）求反冲洗强度，或查表17-6二、气、水反冲洗1、特点：①可提高冲洗效果，节省冲洗水量；②可不膨胀或有轻微膨胀；③反冲洗后滤料不产生粒度分层，基本保持滤层原有结构，可提高含污能力。④增加气冲设备（鼓风机，储气罐等）池子结构复杂，操作复杂。2、原理：气泡和振动可有效地使滤料表面的污物破碎脱落，并随气水上浮排出。3、操作方式：（有3种）①先用气反冲再用水反冲；②先用气水反冲再用水反冲；③先用气反冲——气水反冲——水反冲。第③种效果最好问题：控制不当，滤料会剧烈翻腾，使滤料流失。4、强度控制：①气冲强度：10～20L/m2s（单独气冲和气水同时反冲时的气冲强度）②水冲强度：i气水同时反冲，3～4L/m2·sii单独水冲：低速：4～6L/m2·s较高速：6～10L/m2·s5、时间控制：一般，6～10min各水厂有自己的反冲经验。三、配水系统：1、作用：使冲洗水在滤池面积上均匀分布。2、不均匀的危害：反冲洗配水不均匀时，强度小的区域滤层不膨胀，强度大的区域滤层过分膨胀造成磨损、流失等，并恶性循环，至使承托层移动，漏砂。（一）大阻力配水系统：特点：反冲管渠水流阻力大→反冲布水均匀（现已少用）1、构造：反冲水流→中间干管或干渠→支管→支管下45°孔流出（称：沿途泄流穿孔管）进入滤池承托层→滤料层→排水槽。2、沿途泄流穿孔管中的压力变化。特点：管径不变，流量越来越小，（沿途泄流）进口流速大，v大终端流速小，v=0压力为H1压力为H2则：hgvHH2212——水头损失，v——进口流速α——压力恢复系数α=1水头损失：231aLQh代入式中得：2212312aLQgvHHL—管道长度,；Q—起端流量；a—管道比阻25264cDa611Rnc4DR可得式：gvDLnHH25.411233.1212如粗糙系数n=0.012则当33.1006.0LD时H2＞H1造成：进口水量小于末端水量。总的配水系统见P335图17-15c点水量大于b点，b点大于a点图为能量变化的曲线3、大阻力配水系统原理：由图可知，a点和c点的水压不同→a点和c点的布水管孔口水量不同。孔口a的点水头损失：（孔口与滤层水头的损失）221)(aaQssH…(1)孔口c点的水头损失：221)(ccQssH…(1)'S1—孔口的阻力系数（孔口a、c相同）s'2；s2—孔口a、c上承托层和滤料等的阻力系数a孔与c孔压头的关系22021aacvvgHH…(2)忽略各局部水头损失（认为其相同）及沿程损失。a点和c点的位置水头相同。设流速水头相同，则系统内：总水压头－位置水头－流速水头=水头损失∴或（2）可变为22021aacvvgHH…（3）将（1）；（1）'代入（3）式是整理可得：gvvSSQSSSSQaac21220//212//21/11要想Qc≈Qa就要增大S1使:1//21/11SSSS第二项:01//21SS使s1非常大。即取小孔径，增大阻力。——称大阻力配水系统。或使v0、va很小，减小阻力。——称小阻力配水系统。两种方法均可削弱使配水不均匀的影响。3、穿孔管大阻力配水系统设计：孔口水流公式：aagHQ2ccgHQ2μ—孔口流量系数；ω—孔口面积；Ha—a孔压力水头。∴两流量比：cacaHHQQ将（2）式代入则：22021aaacavvgHHQQ如配水不均匀性要求：95.0caQQ95.021220acavvgHH可得：gvvHaa29220……（4）为了简化计算，设Ha以平均水头损失计，当冲洗强度一定时，孔口公式：平均总总agHfQ2平均总总agHfqFQ2103q—反冲流强度f总—配水系统孔口总面积。gfqFH211062总平