给水处理过滤

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适用的进水条件出水水质细菌的去除效率颗粒物去除效率浊度10ntu以下；总大肠菌类10~1000个/100mL；藻类不太多；10000人以下的给水处理小于1.0ntu总大肠菌类1个/100mL细菌总数99%能去除逗号弧菌(Vibriocomma)2.7~7m99%7~12m99.9%较大颗粒99%~99.9%9.1.2快滤池1.构造见图9-11621112453987131014图9-1普通快滤池构造剖视图（箭头表示冲洗水流方向）1-进水总管；2-进水支管；3-清水支管；4-冲洗水支管；5-排水阀；6-浑水阀；7-滤料层；8-承托层；9-配水支管；10-配水干管；11-冲洗水总管；12-清水总管；13-冲洗排水槽；14-废水渠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1—沉淀2—扩散3—惯性5—水动力流线滤料悬浮颗粒4—阻截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。脱附力Fa3Fa2Fa1Fs3Fs2Fs1F3F2F1123滤料图9-3颗粒粘附和脱附力示意图9-4滤料层含污量变化21(cm)滤层深度滤层含污量（g/cm2）双层滤料单层滤料石英砂石英砂无煤烟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。石英沙石英沙无烟煤石榴石无烟煤均质滤料（a）（b）（c）图9-5几种滤料组成示意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）02030200)1()1(180ldmmgh)/()1()1(1802102302010iniiniidpvlmmghh4321HHHHH（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。25hbhc出水水深负水头区-50-155010015017510015015abc滤料卵石175图9-6过滤时滤层内压力变化1-静水压力线；2-清洁滤料过滤时水压线；3-过滤时间为t1时的水压线；4-过滤时间为t2(t2t1)时的水压线123445°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。最高水位最低水位进水出水图9-7恒速过滤△HmaxhHo（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”。最高水位进水渠进水阀排水阀排水渠最低水位清水池图9-8减速过滤（一组4座滤池）0过滤时间t（h）滤速v（m/h）图9-9一座滤池滤速变化（一组共4座滤池）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直接过滤流程原水混合双层或三层滤料滤池过滤出水硫酸铝聚合物（a）阳离子型聚合物双层或三层滤料滤池双层或三层滤料滤池阳离子型聚合物原水混合原水硫酸铝混合混合絮凝池聚合物（C）絮凝池原水混合双层或三层滤料滤池（b）过滤出水过滤出水过滤出水（d）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）108080ddk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=0.52.0700~1010~14双层滤料无烟煤dmax=1.8dmin=0.82.0300~40010~1414~18石英砂dmax=1.2dmin=0.52.0400三层滤料无烟煤dmax=1.6dmin=0.81.745018~2020~25石英砂dmax=0.8dmin=0.51.5230重质矿石dmax=0.5dmin=0.251.7703．滤料的当量直径（9-5）式中，de——滤料层的当量粒径，mmpi——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）niiiieddpd121颗粒实际表面积同体积球体表面积1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序号形状描述球度系数形状系数孔隙率1圆球形1.01.000.382圆形0.981.020.383已磨蚀的0.941.060.394带锐角的0.811.230.405有角的0.781.280.435．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。VGm1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筛分试验记录筛孔（mm）留在筛上的砂量通过该号筛的砂量质量（g）%质量（g）%2.3620.80.4199.299.61.65118.49.32180.890.40.99140.620.3140.270.10.58985.042.555.227.60.24643.421.711.85.90.2089.24.62.61.3筛底盘2.61.3––合计200100(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（d0.44）颗粒约筛除19.0%。0204060801000.20.40.550.81.01.21.341.61.82.02.22.420104060801001.10.441.54(％)筛孔孔径（mm）通过筛孔砂量图9-12滤料筛分曲线0.61.4(％)(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。306nGd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层次（自上而下）粒径（mm）厚度12~410024~810038~16100416~32本层顶面高度至少应高于配系统孔眼100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。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1009.4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）(%)10000LLLe)1()1(00mLmLmmme103.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。序号滤层类型冲洗强度