第5章 过滤

第五章过滤Filtration◆过滤法◆过滤的分类，其主要机理◆过滤工艺过程◆过滤材料的要求特性◆常见滤池的工作原理主要内容概述5.1深层过滤的基本过程5.2过滤机理5.3过滤的工艺过程5.4滤池类型5.5滤层结构5.6对滤料和垫层的要求5.7配水系统5.8快滤池的运行管理5.9滤池常见故障及对策5.10其它滤池概述•过滤是使含悬浮物的废水流过具有一定孔隙率的过滤介质，水中的悬浮物被截留在介质表面或内部而除去。•根据所采用的过滤介质不同，可将过滤分为下列四类：格筛过滤（screen）微孔过滤(microfiltration)膜过滤(membranefiltration)深层过滤(depthfiltration)过滤过程的分类：(1)格筛过滤。过滤介质为栅条或滤网，用以去除粗大的悬浮物，如杂草、破布、纤维、纸浆等。其典型设备有格栅、筛网和微滤机。(2)微孔过滤。采用成型滤材，如滤布、滤片、烧结滤管、蜂房滤芯等，也可在过滤介质上预先涂上一层助滤剂(如硅藻土)形成孔隙细小的滤饼，用以去除粒径细微的颗粒。定型的商品设备很多。如：滤纸过滤过程的分类：(3)膜过滤。•采用特别的半透膜作过滤介质，在一定的推动力(如压力、电场力等)下进行过滤，由于滤膜孔隙极小且具有选择性，可以除去水中细菌、病毒、有机物和溶解性溶质。•主要设备有反渗透、超过滤和电渗析等。过滤过程的分类：（4）深层过滤采用颗粒状滤料(granularmedia)，如石英砂、无烟煤等。由于滤料颗粒之间存在孔隙，废水穿过一定深度的滤层，水中的悬浮物即被截留。为区别与上述三类表面或浅层过滤(precoatfiltration)过程，这类过滤称之为深层过滤，简称过滤。过滤在水处理中的作用：•在给水处理中，常用过滤处理沉淀或澄清池出水，使滤后出水浑浊度满足用水要求；•在废水处理中，过滤常作为吸附、离子交换、膜分离法等预处理手段；•作为生化处理后的深度处理，使滤后水达到回用的要求。概述5.1深层过滤的基本过程5.2过滤机理5.3过滤的工艺过程5.4滤池类型5.5滤层结构5.6对滤料和垫层的要求5.7配水系统5.8快滤池的运行管理5.9滤池常见故障及对策5.10其它滤池5.1深层过滤的基本过程过滤过程分为过滤(filtration)和反洗(backwash)两个过程。•过滤过程是废水由上到下通过一定厚度的由一定粒度的粒状介质组成的床层，由于粒状介质之间存在大小不同的孔隙，废水中的悬浮物被这些孔隙截留而除去。滤料过滤水废水•到一定程度时过滤不能进行，需要进行反洗。反洗是通过上升水流的作用使滤料呈悬浮状态，滤料间的孔隙变大，污染物随水流带走，反洗完成后再进行过滤。所以深层过滤过程是间断进行的。滤料反洗废水反洗水入口概述5.1深层过滤的基本过程5.2过滤机理5.3过滤的工艺过程5.4滤池类型5.5滤层结构5.6对滤料和垫层的要求5.7配水系统5.8快滤池的运行管理5.9滤池常见故障及对策5.10其它滤池5.2过滤机理•过滤的机理可分为阻力截留、重力沉降和接触絮凝三种（1）阻力截留（staining）•当废水流过滤料层时，粒径较大的悬浮物颗粒首先被截留在表层滤料的空隙中，从而使此层滤料间的空隙越来越小，截污能力随之变得越来越高。•结果逐渐形成一层主要由被截留的固体颗粒构成的滤膜，并由它起主要的过滤作用。这种作用属于阻力截留或筛滤作用。FLASH（2）重力沉降(gravitysettlement)•废水通过滤料层时，众多的滤料介质表面提供了巨大的沉降面积。•据估计，1m3粒径为0.5mm的滤料中就拥有400m2不受水力冲刷而可供悬浮物沉降的有效面积，形成无数的小“沉淀池”，悬浮物极易在此沉降下来。•重力沉降强度主要取决于滤料直径和过滤速度。滤料越小，沉降面积越大；滤速越小则水流越平稳，这些有利于悬浮物的沉降。（3）接触絮凝(contactflocculation)•由于滤料有较大的表面积，它与悬浮物之间有明显的物理吸附作用。•此外，砂粒在水中表面常带有负电荷，能吸附带有正电的铁、铝等胶体，从而在滤料表面形成带正电的薄膜，进而又吸附带负电荷的粘土及多种有机胶体，在砂粒上发生接触絮凝。•在大多数情况下，滤料表面对尚未凝聚的胶体还能起到接触碰撞的媒介作用，促进其凝聚过程。概述5.1深层过滤的基本过程5.2过滤机理5.3过滤的工艺过程5.4滤池类型5.5滤层结构5.6对滤料和垫层的要求5.7配水系统5.8快滤池的运行管理5.9滤池常见故障及对策5.10其它滤池5.3过滤的工艺过程过滤工艺包括过滤和反洗两个阶段：•过滤(filtration)：过滤即截留污染物；•反洗(backwashing)：反洗即把污染物从滤料层中冲走，使之恢复过滤能力。•过滤周期(filterrun)：从过滤开始到结束延续的时间称为过滤周期（或工作周期）。•过滤循环(filtercycle)：从过滤开始到反洗结束称为一个过滤循环。普通快速滤池构造进水管:待过滤的水由此进入集水渠:进水及收集反洗水过滤介质:水通过介质得到过滤底部配水系统:收集过滤后的水或均匀分配反洗水垫层:支撑滤料和均匀分配反洗水清水管:过滤后的水由此排出反洗水收集槽:反洗水由此排出滤池反洗水管:反洗水由此进入反洗水收集槽:收集所有滤池的反洗水集水渠:进水及收集反洗水1920过滤F1、F2开F4、F3关快速滤池过滤过程示意图进水出水滤池反洗过程示意图反洗：F1、F2关，F3、F4开反洗水概述5.1深层过滤的基本过程5.2过滤机理5.3过滤的工艺过程5.4滤池类型5.5滤层结构5.6对滤料和垫层的要求5.7配水系统5.8快滤池的运行管理5.9滤池常见故障及对策5.10其它滤池5.4滤池类型按不同的方式滤池可分为不同的类型：按过滤速度高速滤池(highfiltrationrate)，速度为10－16m3/（m2·h）低速滤池(lowfiltrationrate)，速度小于4m3/（m2·h）中速滤池(mediumfiltrationrate)，速度为4－10m3/（m2·h）按推动力分重力式滤池（gravityfilter)，其过滤压力水头为4－5m压力滤池(pressurefilter)，其过滤压力水头为15－20m按滤层结构分单层滤料滤池（singlemediafilter)双层滤料滤池(dualmediafilter）三层滤料滤池(triplemediafilter)按水流方向分下向流(up-flow)上向流(down-flow)双向流(bi-flow)•下向流滤池能保证较高的滤速和反洗效果；◎水头损失增加较快，工作周期较短；◎下层滤料难以发挥作用。•原因是反洗后滤料会分层，细颗粒在上，粗颗粒在下，上层很快堵塞，而下层不起作用。进水出水下向流滤池示意图•整个滤料的纳污能力得到充分利用，过滤周期也相应延长。◎滤速不能太高否则会造成滤料流失。•上向流的另一个优点是可以用未经过滤的水做为反洗水。出水进水上向流滤池示意图•保持了下向流和上向流滤池的优点，又克服了滤料流失的弊端。•但双向流滤池的下层滤料反洗困难。出水进水双向流滤池示意图概述5.1深层过滤的基本过程5.2过滤机理5.3过滤的工艺过程5.4滤池类型5.5滤层结构5.6对滤料和垫层的要求5.7配水系统5.8快滤池的运行管理5.9滤池常见故障及对策5.10其它滤池5.5滤层结构•单层滤池通常以石英砂(sand)做为滤料。•双层滤池是在石英砂滤料的上面再放一层粒度比较粗的白煤(anthracite)。•三层滤池是在双层滤池的基础上再在石英砂滤料的下面放一层粒度更细、比重更大的滤料，一般用磁铁矿(magnetite)。单层滤池的滤料层结构单层滤料层的剖面双层滤料的结构粗粒白煤细粒石英双层滤料层的剖面三层滤料的结构粗粒白煤更细的磁铁矿细粒石英三层滤料层的剖面概述5.1深层过滤的基本过程5.2过滤机理5.3过滤的工艺过程5.4滤池类型5.5滤层结构5.6对滤料和垫层的要求5.7配水系统5.8快滤池的运行管理5.9滤池常见故障及对策5.10其它滤池5.6对滤料和垫层的要求5.6.1对滤料的要求（a）有足够的机械强度；（b）有较好的化学稳定性；（c）有适宜的级配(grade)和足够的空隙率(voidage)。所谓级配就是滤料的粒径范围及在此范围内各种粒径的滤料数量比例;（d）滤料的外形最好接近于球形，表面粗糙而有棱角。滤料的性能指标有以下三项：（a）有效直径(effectivesize)和不均匀系数(uniformitycoefficient)：滤料的规格常用有效直径和不均匀系数表示。•有效直径是指能使10％的滤料通过的筛孔直径，以D10表示，单位是mm。同样D80表示能使80％的滤料通过的筛孔直径。•D80与D10的比值就称为滤料的不均匀系数，以K80表示例如，D10＝0.6mm，D80＝1.0mm，•显然，不均匀系数越大，滤料越不均匀，小颗粒会填充于大颗粒的间隙内，从而使滤料的空隙率和纳污能力降低，水头损失增大。•因此不均匀系数以小为佳。但是不均匀系数越小，加工费用也越高。综合考虑，一般K80控制在1.65～1.80之间为宜。67.16.00.1DDK108080滤料的性能指标有以下三项：（b）滤料的纳污能力：滤料层承纳污染物的容量常用纳污能力(capacityofretainingpollutants)来表示。•其含义是在保证出水水质的条件下，在过滤周期内单位体积滤料中能截留的污物量，以kg/m3或g/cm3表示。其大小与滤料的粒径、形状等因素有关；滤料的性能指标有以下三项：（c）滤料的空隙率和比表面积：•空隙率是指一定体积的滤层中，空隙所占体积与总体积的比值。常用的石英砂和白煤滤料的空隙率分别为0.4和0.5。•滤料的比表面积(specificsurface)是指单位重量或单位体积的滤料所具有的表面积，用m2/g或m2/cm3表示。滤池类型滤料规格运行设计参数直径/mm滤层厚度/cm滤速/m/h反洗强度/L/s反洗时间/min大滤料滤池2～32001012～155～7粗滤料滤池1～2150～2007～10中滤料滤池0.8～1.6100～1205～7细滤料滤池0.4～1.21005大滤料滤池（用于生物处理后）1～2100～1505～712～155～7单层砂滤池的滤料规格及运行设计参数5.6.2垫料层作用：垫料层(supportinggravelayer)主要起承托滤料的作用，故亦称承托层，一般配合大阻力配水系统使用。•由于滤料粒径较小，而配水系统(underdrain)的孔眼较大，为了防止滤料随过滤水流失，同时也帮助均匀配水，在滤料与配水系统之间增设一垫料层。•如果配水系统的孔眼直径很小，布水也很均匀，垫料层可以减薄或省去。5.6.2垫料层对垫层的要求：•要求垫料层不被反洗水冲动；•形成的孔隙均匀，使布水均匀；•化学稳定性好；•机械强度高。通常，垫料层采用天然卵石或碎石。概述5.1深层过滤的基本过程5.2过滤机理5.3过滤的工艺过程5.4滤池类型5.5滤层结构5.6对滤料和垫层的要求5.7配水系统5.8快滤池的运行管理5.9滤池常见故障及对策5.10其它滤池5.7配水系统配水系统的作用：•均匀收集滤后水，所以，它又称为排水系统；•更重要的是均匀分配反冲洗水。•配水系统的合理设计是滤池正常工作，保持滤料层稳定的重要保证。•所谓大阻力配水系统是指尽可能增大配水系统中布水孔眼的阻力，使反洗水在流向全池各部的水头损失尽可能相等，保证配水均匀管式大阻力配水系统支管底部有45°的配水孔46小阻力配水系统的滤头小阻力配水系统塔形圆柱形滤头安装在穿孔板上概述5.1深层过滤的基本过程5.2过滤机理5.3过滤的工艺过程5.4滤池类型5.5滤层结构5.6对滤料和垫层的要求5.7配水系统5.8快滤池的运行管理5.9滤池常见故障及对策5.10其它滤池5.8快滤池的运行管理5.8.1滤速变化及控制•按照在过滤周期内滤速的分布形态，滤池有两种基本运行方式，即：•恒速过滤(constantrate):在整个过滤周期中过滤的速度不变。•降