深层过滤

第五章深层过滤第一节普通快滤池的构造第二节过滤理论第三节快滤池的运行第四节快滤池的设计第五节其他滤池第一节普通快滤池的构造图5-1为普通快滤池的透视与剖面示意图。快滤池一般用钢筋混凝土建造，它内有排水槽、滤料层、垫料层和配水系统；它外有集中管廊，配有进水管、出水管、冲洗水管、冲洗水排出管等管道及附件。过滤时，加入凝聚剂的浑水自进水管经集水渠、排水槽进入滤池，自上而下穿过滤料层、垫料层，由配水系统收集，并经出水管排出．此时开F1、F2，关F3、F4、F5。经过一段时间过滤，滤料层截留的悬浮物数量增加；滤层孔隙率减小，使孔隙水流速增大，其结果一方面造成过滤阻力增大，另一方面水流对孔隙中截留的杂质冲刷力增大，使出水水质变差。当水头损失超过允许值，或者出水的悬浮物浓度超过规定值，过滤即应终止，进行滤他反冲洗。反冲洗时，开F3、F4，关F1、F2。反冲洗水由冲洗水管经配水系统过入滤池，由下而上穿过垫料层，滤料层，最后由排水槽经集水渠排出。反冲洗完毕，又进入下一过滤周期．图5-1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1621112453987131014一、滤料滤料是滤池的核心部分，它提供悬浮物接触凝聚的表面和纳污的空间．工业滤料应满足下列要求：①有足够的机械强度，在冲洗过程中不因碰撞、摩擦而破碎。②有足够的化学稳定性，不溶于水，对废水中的化学成分足够稳定，不产生有害物质。③具有一定的大小和级配，满足截留悬浮物的要求。④外形近乎球形，表面粗糙，有棱角，能提供较大比表面和扎隙率。⑤价廉，易得。在水处理中最常用的滤料有石英砂、无烟煤粒、石榴石粒、磁铁矿粒、白云石粒、花岗岩粒位以及聚苯乙烯发泡塑料对等。其中以石英砂使用最广。滤池滤料的粒径和级配应适应悬浮颗粒的大小和去除效率要求。级配表示不同粒径的颗粒在滤料中的比例，滤料颗粒的级配关系可由筛分试验求得；取一定滤料试样，置于105℃的恒温箱中烘干，准确称量后置于一组分样筛筛中过筛，最后称出留在每一筛上的颗粒重量．以通过每一筛孔的颗粒重量占试样总重量的百分数为纵坐标，以对应的筛孔孔径为横坐标作图，得如图5-2所示的滤滤料级配曲线。根据级配曲线，可以确定滤料的有效粒径和不均匀系数两个参数。有效粒径表示通过10％滤料质量的筛孔直径，记作d10在图5-1中，d10＝0.53mm。d10表示小颗粒的粒径。图5-2滤料筛分级配曲线实验表明，若滤料的d10相等，即使其级配曲线不一样，过滤时所产生的水头损失仍旧相近。由此可知，起主要过滤作用的有效部分正是粒径小于d10的那些颗粒，故将d10称为有效粒径．类似地，以d80表示通过80％滤料质量的筛孔直径，即滤料中粗颗粒的代表性粒径。在生产中也有规定最大和最小两种粒径的较为简便的方法来表示滤料的规格。由于滤料颗粒大小形状不一，进行水力计算时，常以当量粒径de来反映粒径的大小，为调和平均值，可按下式计算：(5-1)其意义是将筛分曲线分为若干段，在粒径di1和di2之间取其平均值di,de与平均粒径ds0的数值接近。考虑到筛孔和颗粒的不规则性，在理论计算时，需对筛孔进行如下核准。将干燥后滤料试样放入筛孔为d的筛上，筛去细颗粒，然后放在一纸上，盖好筛盖，再振筛几下，落下一些恰好能通过筛孔的颗粒，从中任取n个颗粒，准确称其重量ω，按下式计算筛的核准孔径d’：d’相当于恰好通过筛孔d的滤料颗粒的等体积球体的直径，d’应略小于d（见图5-2）。上述de的计算通常以校准筛孔后级配曲线为准。滤层的含污能力和过滤效果除取决于滤料粒径外，还与滤层厚度有关，即决定于滤层厚度和滤料粒径的比值L/de。L/de值愈大，去除率也愈高，因为L/de值与单位过滤面积上滤料总表面积和颗粒数目成正比．(5-2)表5-1列出了普通快滤池的滤料组成和滤速范围。表5-1普通快滤池的组成与滤速滤池类型滤料及粒径，mm相对密度滤料厚度，m滤速，m/h强制滤速，m/h单层滤池石英砂0.5-1.22.650.78-1210-14双层滤料无烟煤0.8-l.2石英砂0.5-1.2l.52.650.4-0.50.4—0.54.8-24一般为1214-18三层滤料无烟煤0.8—2.0石英砂0.5-0.8磁铁矿0.25—0.51.52.654.750.420.230.074.8-24一般为12三层滤料无烟煤1-2石英砂0.5-1.0石榴石0.2—0.41.72.654.130.450.200.104.8-24一般为12单层滤料滤池在反冲洗后由于水力筛分作用，使得沿过滤水流方向的滤料粒径逐渐变大。形成上部细，下部粗的滤床（如图5-3）。孔隙尺寸及合污能力也是从上到下逐渐变大。在下向流过滤中，水流先经过粒径小的上部滤料层，再到粒径大的下部滤料层。理想滤池滤料排列应是沿水流方向由粗到细。为了解决实际滤池与理想滤池的矛盾，途径有三条。①改变水流方向，即原水自下向上穿过滤层。采用双向进水、中部出水的办法可以提高上流式滤池的滤速，但下层滤料仍然难以冲洗干净，且结构和操作较复杂。②改用双层或多层滤料．在砂层上部放置粒径较大，密度较小的轻质滤料．在砂层下部放置粒径较小，密度较大的重质滤料.滤料层数越多，愈趋近于理想滤池（见图5－3）。③采用新型的密实度或孔隙率可变的滤料，这类滤料由柔性材料人工制成，如纤维球、轻质泡沫塑料珠、橡胶粒等。纤维球在滤床上都比较松散，基本上呈球状。整个床层．上部孔隙率较高，下部孔隙率较低，近似理想滤池孔隙率分布，实测纤维球滤床的孔隙率分布如图5-4所示。实验表明，纤维球滤池过滤速度为砂滤池的5～8倍，如果采用同样的滤速，则纤维球过滤周期比砂滤池长3倍；能有效地去除0.5～10μm级的微小悬浮物；滤过水的悬浮物含量一般在10mg/L以下。但目前纤维球价格较贵；再生需用气、水联合反冲，气起主要作用，控制气量在4Q～50L/m2.s,水量在l0L/m2.s时，可冲洗干净。二、垫料层垫料层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。由于滤料粒得径小，而配水系统的孔眼较大，为了防上滤料随过滤水流失，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。垫料层要求不被反洗水冲动，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。目前滤料的最大粒径为1～2mm，故垫料层的最小粒径一般不小于2mm．而其最大粒径以不破常规反洗强度下的水流冲动来考虑，一般为32mm。通常,不同粒径的垫料分层布置、各层厚度如表5-2示。表5-2垫料层的规格（大阻力系统）层次（自上而下）粒径，mm厚度,mm层次（自上而下）粒径mm厚度mm12～410024～810038～16100416～32150三、配水系统配水系统的作用是均匀收集滤后水，更重要的是均匀分配反冲洗水，所以，它又称为排水系统.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。由于反冲洗水流量比正常过滤水的流量大得多，因此,配水系统应主要考虑反冲洗水均匀分布的要求．图5-5表示反洗水进入后，靠近进口的A点及配水系统末端B点的水流路线Ⅰ和Ⅱ。图5-5表示反洗水进入后，靠近进口的A点及配水系统末端B点的水流路线Ⅰ和Ⅱ。假定反洗水各处分布都是均匀的，各水流路线上单位面积、单位时间的反洗水量为q。个各水流路线的总水头损失应包括配水系统的水头损失s1q2、配水系统上出水孔眼的水头损失s2q2、垫料层水头损失s3q2、滤料层水头损失s4q2，即进水压力H为流道Ⅰ：流速水头（5-3）流道Ⅱ：流速水头（5-4）两个流道中的垫料层、滤料层虽然不能认为是绝对相同的，但其差异不大。配水系统的布水孔眼可孔制为各处是一致的，所以，可以认为上两式中的s2A=s2B=s2；s3A=s3B=s3;s4A=s4B=s4，这样，两流道的反洗水单位面积流量之比(5-5)式（5-5）中s1A总是不等于s1B，所以qA≠qB,但是，设计中必须尽可能使qA=qB。分析式(5-5)可知，为使qA=qB，可采取两种方法。①尽可能增大配水系统中布水孔眼的阻力，即减小孔眼尺寸，使s2》s1+s3+s4，从而使式（5-5）右边根号内的分子接近于分母值。这种人为增大孔眼阻力的配水系统称为大阻力配水系统。穿孔管式的配水系统就是大阻力配水系统。②尽可能减小s1的数值，亦即使水从进口端流到末端的水头损失可以忽略不计，s1《s2+s3+s4，从而可使qA=qB。这种配水系统称为小阻力配水系统，如豆石滤板，格栅板等就是小阻力配水系统。管式大阻力排水系统(图5-6）由一条干管（或渠）和若干支管所组成，干管截面积为支管总截面积的1.5～2.0倍，支管长与直径之比小于60。支管上开有向下成45度角的配水孔，相邻两孔的方向相错开，孔间距75～200mm，配水孔总面积与滤池面积之比为0.2％～0.25%。支管底与池底距离不小于子管半径。为了排除反洗水的空气，干管应在末端顶部设排气管，干管自进口端至末端倾斜向上。排气管直径40～50mm，末端应设阀门。当滤池面积较大，干管直径较大时，为了保证干管顶部配水，可在千管项上开孔安装滤头（图5-7a），或将干管埋设在滤池底板以下，干管须连接短管，穿过底板与支管相连（图5-7b）。小阻力配水系统的形式很多，最常用的是穿孔板上安装滤头。常见的滤头为圆柱型和塔型两种（图5-8和5-9），废水从穿孔板下空间流入滤头，通过滤头的缝隙分配入滤池。穿孔板与滤池底的空间为集水空间，高度为0.3m，水在集水空间内流动的阻力可以忽略不计。通常，每平方米滤池面积，安装滤头40～60个，总缝隙面积为滤池面积的0.5％～2％。四、排水槽及集水渠排水槽用以均匀收集和输送反冲洗污水，因此，排水槽的分布应使排水槽溢水周边的服务面积相等，并且滤池内分布均匀。此外，排水槽应及时将反洗污水输送到集水渠，不致产生壅水现象。在排水槽的末端，反洗污水应以自由跌落的形式流入集水渠，集水渠的水面不干扰排水槽的出流。排水槽与集水渠的水流状态，如图5-10所示。为了使所设置的排水槽不影响反洗水的均匀分布，糟的横断面一般采用图5-11所示的形状。每单位槽长溢流流量必须相等，槽顶溢流部分应尽量水平，标高的误差应在±2mm范围内。两排水槽中心线的间距一般为1.5～2.2m；糟长为5～6m。槽所占的面积应不超过滤池面积的25％。为保证足够的过水能力，槽内水面以上有一定超高（千舷），通常采用7cm。一般沿槽长方向槽宽不变，而是采用倾斜槽底，起端的槽深度为末端深度的一半，末端过水断面的流速采用0.6m/s控制。排水槽面应高出滤层反洗时的最大膨胀高度，以免滤料流失．集水渠一方面用以收集各排水增进来的反洗污水，通过反洗排水管排入下水道，同时，它也起着连接进水管之用，故也称之为进水渠。反洗排污时集水渠的水面应低于排水槽出口的底部标高，以保证洗水槽的水流畅通。Return第二节过滤理论一、过滤机理1.迁移机理（1）筛滤比滤层孔隙大的颗粒被机械筛分，截留于过滤表面上，然后这些被截留的颗粒形成孔隙更小的滤饼层，使过滤水头增加，甚至发生堵塞。（2）拦截随流线流动的小颗粒，在流线会聚处与滤料表面接触。其去除概率与颗粒直径的平方成正比，与滤料粒径的立方成反比，也是雷诺准数的函数。（3）惯性当流线绕过滤料表面时，具有较大动量和密度的颗粒因惯性冲击而脱离流线碰撞到滤料表面上。（4）沉淀如果悬浮物的粒径和密度较大，将存在一个沿重力方向的相对沉淀速度。在净重力作用下，颗粒偏离流线沉淀到滤料表面上。沉淀效率取决于颗粒沉速和过滤水速的相对大小和方向。此时，滤层中的每个小孔隙起着一个浅层沉淀池的作用（5）布朗运动对于微小悬浮颗粒（如d＜1μm），由于布朗运动而扩散到滤料表面。（6）水力作用由于滤层中的孔隙和悬浮颗粒的形状是极不规则的，在不均匀的剪切流场中，颗粒受到