过滤分离机理及其设备设计

第第11章章不溶态污染物的分离技术与设备不溶态污染物的分离技术与设备§§1.11.1预处理设备预处理设备((拦污拦污))§§1.21.2预处理设备预处理设备((沉砂沉砂))§§1.31.3重力沉降规律及其设备重力沉降规律及其设备§§1.41.4浮力浮上法分离原理与设备浮力浮上法分离原理与设备§§1.51.5过滤分离机理及其设备设计过滤分离机理及其设备设计§§1.61.6离心沉降规律及其设备离心沉降规律及其设备§§1.51.5过滤分离机理及其设备设计过滤分离机理及其设备设计过滤的概念比较广泛，通常是指将悬浮液中的固液两相过滤的概念比较广泛，通常是指将悬浮液中的固液两相加以分离的方法。加以分离的方法。工业上的过滤方式基本上有深层过滤和滤工业上的过滤方式基本上有深层过滤和滤饼过滤两种。饼过滤两种。深层过滤的特点是固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过深层过滤的特点是固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过滤介质床层内部，过滤介质表面上无颗粒层形成滤介质床层内部，过滤介质表面上无颗粒层形成。由于悬浮。由于悬浮液中的颗粒直径小于床层孔道直径，当流体在曲折孔道内穿液中的颗粒直径小于床层孔道直径，当流体在曲折孔道内穿过时，颗粒随流体一起进入介质的孔道内，在流动过程中粘过时，颗粒随流体一起进入介质的孔道内，在流动过程中粘附于孔道壁面上，适用于悬浮液中颗粒尺寸甚小而且含量甚附于孔道壁面上，适用于悬浮液中颗粒尺寸甚小而且含量甚微的场合。微的场合。滤饼过滤滤饼过滤刚开始进行时，特别小的颗粒可能会通过过滤刚开始进行时，特别小的颗粒可能会通过过滤介质，得到的滤液呈混浊状；但随着过滤过程的进行，较小介质，得到的滤液呈混浊状；但随着过滤过程的进行，较小的颗粒会在过滤介质的表面形成的颗粒会在过滤介质的表面形成““架桥架桥””现象，形成滤饼层；现象，形成滤饼层；其后，滤饼层成为主要的其后，滤饼层成为主要的过滤介质过滤介质，从而使通过滤饼层的，从而使通过滤饼层的液体变为清液，固体颗粒得到有效分离。液体变为清液，固体颗粒得到有效分离。污泥脱水中所用压污泥脱水中所用压滤技术属于此类滤技术属于此类。。在本节中的过滤属于深层过滤的范畴，是使水通过粒状在本节中的过滤属于深层过滤的范畴，是使水通过粒状滤料滤床，去除水中悬浮物和胶体杂质等不溶性污染物的一滤料滤床，去除水中悬浮物和胶体杂质等不溶性污染物的一种物理化学过程。种物理化学过程。超滤、纳滤、微滤等，属于膜分离装置；利用生物方法超滤、纳滤、微滤等，属于膜分离装置；利用生物方法处理污水的生物滤床，其机理上存在着根本的差异。处理污水的生物滤床，其机理上存在着根本的差异。过滤既用于给水处理，也用于生活污水和工业废水的高过滤既用于给水处理，也用于生活污水和工业废水的高级处理，所用装置没有原则上的区别。过滤在给水处理中是级处理，所用装置没有原则上的区别。过滤在给水处理中是一个重要的单元；在废水处理过程中，既可用于活性炭吸附一个重要的单元；在废水处理过程中，既可用于活性炭吸附和离子交换等深度处理过程之前的预处理，也可用于化学混和离子交换等深度处理过程之前的预处理，也可用于化学混凝和生物处理后的昀终处理。凝和生物处理后的昀终处理。过滤的作用包括：去除经生物絮凝和化学絮凝后不能过滤的作用包括：去除经生物絮凝和化学絮凝后不能沉降的颗粒和胶体物质；增加对沉降的颗粒和胶体物质；增加对SSSS、浊度、磷、、浊度、磷、BODBOD、重、重金属、石棉、细菌、病毒以及其他一些污染物质的去除效金属、石棉、细菌、病毒以及其他一些污染物质的去除效果；克服生物和化学处理过程中水质的变化，保证连续操果；克服生物和化学处理过程中水质的变化，保证连续操作，使出水水质稳定；保护后续装置。作，使出水水质稳定；保护后续装置。一、深层过滤的理论基础二、快滤池的结构与设计三、其它过滤装置四、过滤装置的附属设备一、深层过滤的理论基础1.过滤机理悬浮颗粒脱离流线而与滤料接触的过程就是迁移过程。引起颗粒迁移的原因主要有：筛滤、拦截、惯性、沉淀、布朗运动、水力作用等。常用筛滤机理，是指悬浮物粒径大于滤料孔隙而被拦截，这是一种机械作用。过滤除去悬浮粒子的过程既有物理过程，也有化学过过滤除去悬浮粒子的过程既有物理过程，也有化学过程。作用机理一般分为三类，即迁移机理、附着机理和脱程。作用机理一般分为三类，即迁移机理、附着机理和脱落机理。落机理。脱落机理脱落机理：普通快滤池通常用水进行反冲洗，有时先：普通快滤池通常用水进行反冲洗，有时先用或同时用压缩空气进行辅助表面冲洗。用或同时用压缩空气进行辅助表面冲洗。在反冲洗时，滤层膨胀一定高度，滤料处于在反冲洗时，滤层膨胀一定高度，滤料处于流化状态流化状态。。截留和附着于滤料上的悬浮物受反冲洗水流的冲刷而脱截留和附着于滤料上的悬浮物受反冲洗水流的冲刷而脱落；滤料颗粒在水流中旋转、碰撞和摩擦，也使悬浮物脱落；滤料颗粒在水流中旋转、碰撞和摩擦，也使悬浮物脱落。落。反冲洗效果主要取决于冲洗强度和时间。当采用同向反冲洗效果主要取决于冲洗强度和时间。当采用同向流冲洗时，还与冲洗流速的变动有关。流冲洗时，还与冲洗流速的变动有关。由迁移过程而与滤料接触的悬浮颗粒，附着在滤料表由迁移过程而与滤料接触的悬浮颗粒，附着在滤料表面上不再脱离，就是面上不再脱离，就是附着过程附着过程。引起颗粒附着的因素主要。引起颗粒附着的因素主要有：有：接触凝聚接触凝聚、静电引力、吸附、分子引力。附着过程在、静电引力、吸附、分子引力。附着过程在过滤中是主要的。过滤中是主要的。2.2.压头损失压头损失滤池的压头损失提供了调节床层和过滤单元正常运转的滤池的压头损失提供了调节床层和过滤单元正常运转的信息。初始压头损失增大表示砾石层或集水体系阻塞，床层信息。初始压头损失增大表示砾石层或集水体系阻塞，床层需要清洗；同时其对预处理和过滤效率影响很大。需要清洗；同时其对预处理和过滤效率影响很大。可以通过测定滤池两侧水平液面的方法来测定压头损可以通过测定滤池两侧水平液面的方法来测定压头损失。较复杂的方法则是将测量装置连接到滤池自动反洗的控失。较复杂的方法则是将测量装置连接到滤池自动反洗的控制体系，当压头损失到达某一预定的极值时，自动打开反洗制体系，当压头损失到达某一预定的极值时，自动打开反洗操作开关。操作开关。为了克服流体在过滤过程中通过过滤介质和滤饼层的阻为了克服流体在过滤过程中通过过滤介质和滤饼层的阻力，必须施加外力，可以是重力、离心力或压力差，称为过力，必须施加外力，可以是重力、离心力或压力差，称为过滤推动力。滤推动力。由于流体所受的重力较小，所以一般重力过滤用由于流体所受的重力较小，所以一般重力过滤用于过滤阻力较小的场合。于过滤阻力较小的场合。3.3.过滤效率的影响因素过滤效率的影响因素过滤是悬浮颗粒与滤料的相互作用过滤是悬浮颗粒与滤料的相互作用，悬浮物的分离其，悬浮物的分离其效率受到这两方面因素的影内。效率受到这两方面因素的影内。(1)(1)滤料的影响滤料的影响粒度、形状、孔隙率、厚度、表面性质等。粒度、形状、孔隙率、厚度、表面性质等。滤料粒度的滤料粒度的均匀性对过滤的影响很大，滤池中负压现象的产生。均匀性对过滤的影响很大，滤池中负压现象的产生。(2)(2)悬浮物的影响悬浮物的影响粒度、形状、密度粒度、形状、密度、浓度、温度、表面性质等。、浓度、温度、表面性质等。(3)(3)滤速滤速其他条件相同时，滤速越低，效率越高。其他条件相同时，滤速越低，效率越高。在过滤过程中，随着沉积物在滤料中的积聚，滤料上在过滤过程中，随着沉积物在滤料中的积聚，滤料上层必被堵塞，若加快流速，附着在滤料表面的颗粒受水流层必被堵塞，若加快流速，附着在滤料表面的颗粒受水流的剪切力增大，附着和脱落过程重新调整，有一部分附着的剪切力增大，附着和脱落过程重新调整，有一部分附着颗粒会向下层迁移。越来越向深层扩展，结果使得滤层中颗粒会向下层迁移。越来越向深层扩展，结果使得滤层中再无足够厚度的洁净层可以保证出水水质，从而结束过滤再无足够厚度的洁净层可以保证出水水质，从而结束过滤周期。周期。对于已经积有相当数量沉积物的滤池，如果突然增加对于已经积有相当数量沉积物的滤池，如果突然增加滤速，则滤层内部的水力剪力必然随之突然增大，这就破滤速，则滤层内部的水力剪力必然随之突然增大，这就破坏了原有的平衡，一些颗粒剥落并随水流走，坏了原有的平衡，一些颗粒剥落并随水流走，故设计中应故设计中应消除任何造成滤速突变的起因消除任何造成滤速突变的起因。。二、二、快滤池的结构与设计一般而言，过滤装置包括快滤池和慢滤池，两者的过滤一般而言，过滤装置包括快滤池和慢滤池，两者的过滤机理不同。机理不同。慢滤池慢滤池(slowfilter)(slowfilter)也称表层过滤也称表层过滤，主要利用顶部的滤膜，主要利用顶部的滤膜截留悬浮固体，同时发挥微生物对水质的净化作用。这种滤截留悬浮固体，同时发挥微生物对水质的净化作用。这种滤池生产水量少、滤速慢、占地大；特别是在污水处理过程池生产水量少、滤速慢、占地大；特别是在污水处理过程中，积存在滤床中的污泥量十分庞大；而且污泥粘而易碎，中，积存在滤床中的污泥量十分庞大；而且污泥粘而易碎，很快就会在滤料表面出现泥封；而当加大过滤水头时，则容很快就会在滤料表面出现泥封；而当加大过滤水头时，则容易发生污染物穿透现象。易发生污染物穿透现象。目前慢滤池方式在水处理，特别是污水处理中目前慢滤池方式在水处理，特别是污水处理中应用较少。应用较少。通常所说的深层滤池是指通常所说的深层滤池是指快滤池快滤池(rapidfilter)(rapidfilter)，滤速较，滤速较快。在过滤过程中，悬浮颗粒能吸附在滤料表面，即快。在过滤过程中，悬浮颗粒能吸附在滤料表面，即““接触接触凝聚凝聚””起主要作用，而其他作用如截留和沉降处于次要地起主要作用，而其他作用如截留和沉降处于次要地位。由于滤料表面通常带负电，要使也带负电的悬浮颗粒附位。由于滤料表面通常带负电，要使也带负电的悬浮颗粒附着在滤料表面，必须对滤前水进行预处理以改变悬浮颗粒所着在滤料表面，必须对滤前水进行预处理以改变悬浮颗粒所带电荷，通常是化学混凝处理。带电荷，通常是化学混凝处理。因此，快滤池可以定义为：利用滤层中颗粒状因此，快滤池可以定义为：利用滤层中颗粒状材料所提供的表面积截留水中已经过混凝处理的悬材料所提供的表面积截留水中已经过混凝处理的悬浮固体的设备。浮固体的设备。1.1.基本结构与原理基本结构与原理在污水深度处理中使用的各种滤池都是在普通快滤池的在污水深度处理中使用的各种滤池都是在普通快滤池的基础上加以改进而来的。基础上加以改进而来的。普通快速滤池滤普通快速滤池滤池外部由滤池池体、池外部由滤池池体、进水管、出水管、冲进水管、出水管、冲洗水管、冲洗水排出洗水管、冲洗水排出管等管道及其附件组管等管道及其附件组成；滤池内部由冲洗成；滤池内部由冲洗水排出槽、进水渠、水排出槽、进水渠、滤料层、垫料层滤料层、垫料层((承托承托层层))、排水系统、排水系统((配水配水系统系统))组成。组成。11--进水总管；进水总管；22--进水支管；进水支管；33--清水支管；清水支管；44--反冲洗水支管；反冲洗水支管；55--排水阀；排水阀；66--浑水渠；浑水渠；77--滤料层；滤料层；88--承托层；承托层；99--配水支管；配水支管；1010--配水干管；配水干管；1111--反冲反冲洗水总管；洗水总管；1212--清水总管；清水总管；1313--排水槽；排水槽；1414--废水渠废水渠普通快滤池结构示意图普通快滤池结构示意图((箭头表示冲洗时水流方向箭头表示冲洗时水流方向))快滤池的运行是快滤池的运行是““过滤一反冲洗过滤一反冲洗””两个过程交替进行。两个过程交替进行。过滤是生产清水的过程，原水自进水管经进水渠、排水槽分过滤是生产清水的过程，原水自进水管经进水渠、排水槽分配入滤池，污水在池内自上而下穿过滤料层、垫料层，由排配入滤池，污水在池内自上而下穿过滤料层、垫料层，由排水系统收集，并经出水管排出。水