第07章过滤(环境工程原理中北)

第七章过滤一、过滤过程二、过滤介质三、过滤分类四、助滤剂本节的主要内容第一节过滤操作的基本概念•混合物的分离：液体和气体混合物•什么现象属于过滤？混合物中的流体在推动力（重力、压力、离心力）的作用下通过过滤介质，固体粒子被截留，而流体通过过滤介质，从而实现流体与颗粒物的分离。液-固分离，气-固分离如砂滤池、袋式除尘器、口罩、葡萄酒酿造过程……•过滤分离的对象？粗大颗粒、细微粒子、细菌、病毒和高分子物质等一、过滤过程第一节过滤操作的基本概念第一节过滤操作的基本概念过滤的相关术语滤浆：过滤操作中所处理的原始悬浮液滤液：通过多孔介质后的液体滤渣（滤饼）：被截留住的固体颗粒堆积层•固体颗粒：由一定形状的固体颗粒堆积而成，包括天然的和人工合成的。天然：石英砂、无烟煤、磁铁矿粒、陶粒、大理石、白云石、石榴石等。人工：纤维球、聚氯乙烯或聚丙烯球等。固体颗粒过滤介质在水处理中的各类滤池中应用广泛，通常称为滤料。在废水处理中，颗粒材料过滤主要用于经混凝或生物处理后低浓度悬浮物的去除。二、过滤介质第一节过滤操作的基本概念第一节过滤操作的基本概念悬浮物浓度高、粘度大、易堵塞，滤料选择注意事项：（1）滤料粒径应大些。采用石英砂为滤料时，砂粒直径可取0.5-2.0mm。（2）滤料耐腐蚀性应强些。滤料耐腐蚀的尺度，可用浓度为1%的Na2SO4水溶液，将恒重后滤料浸泡28d，重量减小值不大于1%为宜。（3）滤料的机械强度好，成本低。织物介质：滤布，用棉、毛、丝、麻等天然纤维及合成纤维织成的织物，由玻璃丝或金属丝织成的网。能截留颗粒的最小直径为5-65m。工业上的应用最为广泛。第一节过滤操作的基本概念多孔固体介质：具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔塑料、多孔金属制成的管或板，能拦截1-3m的微细颗粒。第一节过滤操作的基本概念多孔膜：用于膜过滤的的各种有机高分子膜和无机材料膜。醋酸纤维素和芳香酰胺系两大类有机高分子膜。可用于截留1m以下的微小颗粒。第一节过滤操作的基本概念根据分离孔径的大小，可分为微滤、超滤等。按促使流体流动的推动力分：•重力过滤：在水位差的作用下被过滤的混合液通过过滤介质进行过滤。•真空过滤：在真空下过滤，如水处理中的真空过滤机。•压力差过滤：在加压条件下过滤，如水处理中的压力滤池。•离心过滤：使被分离的混合液旋转，在所产生的惯性离心力的作用下，使流体通过周边的滤饼和过滤介质，从而实现与颗粒物的分离。三、过滤分类第一节过滤操作的基本概念按过滤机理分：第一节过滤操作的基本概念（1）表面过滤（2）深层过滤（3）膜过滤浓缩液进料液渗透液表面过滤要求颗粒的直径大多要比过滤介质的孔道大，随着过滤的进行，固体颗粒沉积于过滤介质表面而形成滤饼。第一节过滤操作的基本概念架桥现象注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象”能够发生。滤饼过滤适于处理固体含量较高的悬浮液。（固相体积分率在1%以上）第一节过滤操作的基本概念刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊。开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦截，滤液澄清。所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身，而非过滤介质。表面过滤过程被过滤的颗粒粒径较小的情况表面过滤通常发生在过滤流体中颗粒物浓度较高或过滤速度较慢的情况。给水处理：慢滤池污泥脱水：使用的各类脱水机（如真空过滤机、板框式压滤机等）滤饼过滤多孔性介质第一节过滤操作的基本概念滤饼不可压缩滤饼:颗粒有一定的刚性，当滤饼两侧的压力差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙不会发生明显变化，单位厚度床层的流动阻力可视作恒定。可压缩滤饼:颗粒比较软，当滤饼两侧的压力差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙会有明显的改变，单位厚度饼层的流动阻力随压力差增大而增大。滤饼的可压缩性第一节过滤操作的基本概念主要特征：随着过滤过程的进行，流体中的固体颗粒被截留在过滤介质表面并逐渐积累成滤饼层。滤饼层厚度：随过滤时间的增长而增厚，其增加速率与过滤所得的滤液的量成正比。过滤速度：由于滤饼层厚度的增加，因此在过滤过程中是变化的。过滤速度是描述过滤过程的关键！推动力其他因素第一节过滤操作的基本概念第一节过滤操作的基本概念过滤原理：颗粒尺寸介质通道尺寸，颗粒通过细长而弯曲的孔道，靠静电和分子的作用力附着在介质孔道上。应用：适于处理生产能力大而悬浮液中颗粒小而且含量少的场合，如水处理和酒的过滤。深层过滤深层过滤过程•利用过滤介质间空隙进行过滤。•通常发生在以固体颗粒为滤料的过滤操作中。•滤料内部空隙大于悬浮颗粒粒径。•悬浮颗粒随流体进入滤料内部，在拦截、惯性碰撞、扩散沉淀等作用下颗粒附着在滤料表面上而与流体分开。流体在颗粒滤料层中的流动规律第一节过滤操作的基本概念深层过滤在水处理中的应用•水处理中的快滤池、加压砂滤器•深层过滤一般适用于流体中颗粒含量少的场合。快滤池第一节过滤操作的基本概念(1)迁移行为：颗粒偏离流线运动到滤料内部空隙表面推动力主要包括：a.扩散作用力（布朗运动），主要对非常小的颗粒（1m）起作用；b.重力沉降，当颗粒较大时，重力沉降起主要作用；c.流体运动作用力（惯性力），如惯性离心力，使颗粒偏离流线而运动到滤料表面。深层过滤过程中悬浮颗粒的运动颗粒进入滤料内部后，主要包括以下几个行为：第一节过滤操作的基本概念(2)附着行为：影响附着的作用力有：静电作用力（静电斥力或静电引力）范德华引力(3)脱落行为：影响附着颗粒脱落的主要因素有：流体对附着颗粒的剪切作用运动颗粒对附着颗粒的碰撞作用。第一节过滤操作的基本概念第一节过滤操作的基本概念加入助滤剂可减少可压缩滤饼的流动阻力加入方法预涂将助滤剂混在滤浆中一起过滤用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂组成的滤饼。四、助滤剂助滤剂是某种质地坚硬而能形成疏松饼层的固体颗粒或纤维状物质，将其混入悬浮液或预涂于过滤介质上，可以改善饼层的性能，使滤液得以畅流。第一节过滤操作的基本概念常用的助滤剂有硅藻土、珍珠岩、纤维素、石棉、石墨粉、锯屑、氧化镁、石膏、活性炭、酸性白土等。(1)过滤过程在环境工程领域有哪些应用？(2)环境工程领域中的过滤过程，使用的过滤介质主要有哪些？(3)过滤的主要类型有哪些？(4)表面过滤和深层过滤的主要区别是什么？本节思考题第一节过滤操作的基本概念•过滤工艺在水处理的应用重金属废水的处理最后一定要经过过滤；处理后的废水回用于生产时，多采用过滤；处理工艺达标的可能性不大时最后应加过滤；生产纯水时最前边一定要用过滤；以河水为水源的生产用水，多采用过滤；废水中含丝状物时，最前面应加筛网过滤器。第二节过滤设备转筒真空过滤机工业上使用的典型过滤设备：按操作方式分类：间歇过滤机、连续过滤机按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤板框压滤机（间歇操作）转筒真空过滤机（连续操作）过滤式离心机第二节过滤设备转筒真空过滤机第二节过滤设备转筒真空过滤机（1）结构：滤板、滤框、滤布、夹紧机构、机架等组成。滤板：凹凸不平的表面，凸部用来支撑滤布，凹槽是滤液的流道。滤板右上角的圆孔，是滤浆通道；左上角的圆孔，是洗水通道。滤板一般采用高分子聚合物(如增强聚丙烯等)制造。洗涤板：左上角的洗水通道与两侧表面的凹槽相通，使洗水流进凹槽；非洗涤板：洗水通道与两侧表面的凹槽不相通。1、板框压滤机第二节过滤设备转筒真空过滤机滤框：滤浆通道：滤框右上角的圆孔洗水通道：滤框左上角的圆孔料液通道2钮1钮3钮洗涤液通道洗涤板框非洗涤板图3-37板框压滤机的滤板和滤框的结构第二节过滤设备•滤板和滤框两侧均设吊耳，安装时悬挂于两纵梁上。滤框是中空的，滤板两侧表面有沟槽。•在滤板和滤框的右上角均有一小孔，安装后，这些小孔便形成了滤浆通道。滤框上还有与该小孔相连的通道，将滤浆导入框内。•过滤时，滤液穿过滤布进入滤板；滤渣则积沉于滤布上，在框内形成滤饼。进入滤板的滤液沿沟槽向下流动。第二节过滤设备滤布一般采用棉织或合成纤维工业滤布，尺寸应大于板框外围尺寸，密度及层数视料液而定。滤布：第二节过滤设备转筒真空过滤机板框过滤机的操作是间歇式的，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸渣、整理五个阶段。（2）过滤过程1)、装合：将板与框按1-2-3-2-1-2-3的顺序，滤板的两侧表面放上滤布，然后用手动的或机动的压紧装置固定，使板与框紧密接触。压紧后，滤框与其两侧滤布之间形成滤室。滤布介质同时起着密封垫片的作用，防止滤框与滤板接触面间的泄漏。第二节过滤设备转筒真空过滤机3)、洗涤：将洗水送入洗水通道，经洗涤板左上角的洗水进口，进入板的两侧表面的凹槽中。然后，洗水横穿滤布和滤饼，最后由非洗涤板下角的滤液出口排出。在此阶段中，洗涤板下角的滤液出口阀门关闭。4)、卸渣、整理打开板框，卸出滤饼，洗涤滤布及板、框。2)、过滤：用泵把滤浆送进右上角的滤浆通道，由通道流进每个滤框里。滤液穿过滤布沿滤板的凹槽流至每个滤板下角的阀门排出。固体颗粒积存在滤框内形成滤饼，直到框内充满滤饼为止。第二节过滤设备转筒真空过滤机滤浆洗水滤板滤框洗板滤布第二节过滤设备板框压滤机的操作板框压滤机为间歇操作，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸饼、清理5个阶段组成。悬浮液在指定压强下经滤浆通路由滤框角上的孔道并行进入各个滤框。滤液分别穿过滤框两侧的滤布，沿滤板板面的沟道至滤液出口排出颗粒被滤布截留而沉积在滤布上，待滤饼充满全框后，停止过滤。洗板板框压滤机框非洗板洗板滤液流出悬浮液入口第二节过滤设备洗板板框压滤机框非洗板洗板洗涤液流出洗涤液入口横穿洗涤法：洗涤时，先将洗涤板上的滤液出口关闭，洗涤水经洗水通路从洗涤半角上的孔道并行进入各个洗涤板的两侧。第二节过滤设备转筒真空过滤机结构简单，价格低廉，占地面积小，过滤面积大。可根据需要增减滤板的数量，调节过滤能力。对物料的适应能力较强，由于操作压力较高（3~10kg/cm2），对颗粒细小而液体粘度较大的滤浆，也能适用。间歇操作，生产能力低，卸渣清洗和组装阶段需用人力操作，劳动强度大，所以它只适用于小规模生产。（3）板框压滤机的特点：第二节过滤设备转筒真空过滤机第二节过滤设备转筒真空过滤机第二节过滤设备转筒真空过滤机（1）结构：转筒，扇形格(18格)；滤室；分配头；动盘(18个孔，分别与扇形格的18个通道相连)；定盘(三个凹槽：滤液真空凹槽、洗水真空凹槽、压缩空气凹槽，分别将动盘的18个孔道分成三个通道)；金属网；滤布；滤浆槽。2、转筒真空过滤机第二节过滤设备转筒真空过滤机转筒真空过滤机结构示意图动盘定盘转筒金属网滤布滤饼搅拌器洗涤喷头料浆槽刮刀第二节过滤设备转筒真空过滤机转筒旋转时，借分配头的作用，能使转筒旋转一周的过程中，每个小过滤室可依次进行过滤、洗涤、吸干、吹松卸渣等项操作。整个转筒圆周在任何瞬间都划分为:（2）工作过程过滤区;洗涤区;干燥卸渣区。第二节过滤设备转筒真空过滤机110987654321817161514131112转筒及分配头的结构动盘定盘f槽h槽g槽18格分成6个工作区1区(1~7格)：过滤区；2区(8~10格)：滤液吸干区；3区(12~13格)：洗涤区；4区(14格)：洗后吸干区；5区(16格)：吹松卸渣区；6区(17格)：滤布再生区。过滤区(1~2区)，f槽;洗涤区(3~4区)，g槽;干燥卸渣区(5~6区)，h槽;转筒真空过滤机（3）特点：•优点：•①连续式操作，效率高，劳动强度小；•②能够在过滤过程中刮除滤渣，减小滤层堵塞，因而能适用于处理量大，固体颗粒含量较多的滤浆；•③过滤面在大气压一侧，便于检查维修。缺点：①真空下操作，其过滤推动力较低(最高只有1atm)，对于滤饼阻力较大的物料适应能力较差。•②结构复杂，造价高；•③体积大，占地面积大。第二节过滤设备