1、第4章 过滤法,4.0 概述4.1 过滤机理4.2 过滤水力学4.3 过滤的操作过程4.4 滤料与承托层4.5 滤池的冲洗4.6 滤池的配水系统4.7 过滤构筑物与设备4.8 和过滤相关的一些工艺,过滤法（一）,概念过滤是利用过滤材料分离废水中杂质的一种技术，其工作原理为机械阻挡。过滤的分类从滤料来分颗料材料过滤石英砂过滤器：砂滤池和砂滤器。塑料、石英砂过滤器：混合型滤池和过滤器。,4.0 概述,过滤的分类-从滤料来分,（2）丝网过滤纤维球过滤：纤维过滤池和纤维过滤器；筛网过滤：各种筛网过滤器和捞毛机；（3）多孔材料过滤微孔过滤：PE微孔过滤机。（4）膜过滤超滤、反渗透和电渗析。,过滤的分类-
2、从过滤的动力来分,从过滤的动力来分重力式过滤水靠重力而自流穿过过滤介质，如快速滤池；压力式过滤水靠外加压力的作用下而穿过过滤介质，如各种压力式过滤器和上流式过滤池。真空式过滤水是靠过滤介质另一侧的吸力而穿过过滤介质的，如各种真空过滤器。,过滤工艺在水处理的应用,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。,实验现象:以粒径0.5 mm的细砂作为滤料, 它们形成的滤料颗粒之间的孔隙尺寸约为80um。进
3、水中的悬浮物尺寸大多小于30um,但仍为过滤所去除。这表明，过滤绝不是仅仅的机械筛滤。,4.1 过滤机理,一、水中颗粒为滤料所拦截，涉及到以下问题：,1）水流中的颗粒如何与滤料颗粒相互碰撞颗粒的迁移机理2）颗粒与滤料表面接触时如何粘附粘附机理 3）悬浮颗粒在滤料中的分布情况,1) 迁移：包括：沉淀、扩散、惯性、阻截和水动力。对于这几种力的大小，目前只能定性描述。,2) 粘附： 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。,1）过滤初期,滤料干净,孔隙率较大,水流剪力较小,因而粘附作用占优势。颗粒被截留在表面滤层.2）过滤中期,表面滤层空隙率减少,水流剪力
4、增大, 部分颗粒被冲刷到滤层深处.3）但是,下层滤料尚未充分发挥时,过滤就得停止.压力过大,会漏滤.,二、滤层内杂质的分布 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右图。 双层滤池其含污量随深度的变化见图右曲线2。,滤层内杂质分布规律,双层滤料含污能力较单层滤料约高1倍以上。,多层滤料滤池接近理想滤料滤池，最常见为双层和三层滤料，见下图。总体布置原则:颗粒大的在上面,小的在下面；密度小的在上面,密度大的在下面.,提高滤池截污能力的途径： 上向流 双层或多层滤料 均质滤
5、料,横断面,横断面上滤料组成和平均粒径均匀一致,在过滤过程中，滤层中悬浮颗粒量不断增加，必然导致过滤过程中水力条件的改变.过滤水力学：就是研究过滤时水流通过滤层的水头损失变化及滤速的变化。,4. 过滤水力学,一、清洁滤层的水头损失及其公式过滤开始时，滤层是干净的，水流的水头损失为“清洁滤层的水头损失”对于砂滤池：滤速8-10m/h，水头损失约为30-40cm。,水头损失 （head loss ）：水流中单位质量水体因克服水流阻力做功而损失的机械能。 其中：外界对水流的阻力是产生水头损失的外因，液体的粘滞性是产生水头损失的内因，也是根本原因。,卡曼-康采尼公式（Carman-Kozony）公式（
6、P169）：,清洁滤层的水头损失公式,h0水头损失,mv水的运动粘度, m2/sm0滤料空隙率（P177）d0滤料球体直径, mL0滤料厚度, mV 滤速, m/s 球度系数（颗粒球形度-P177）,过滤水头损失与滤速与空隙率均有关，随着过滤的进行，空隙率变小，此时如果滤速不变，则水损增加，如果水损不变，则滤速增大。引出3种过滤方式： 等速变水头过滤（虹吸滤池、无阀滤池 ） 变速等水头过滤（移动罩滤池） 等速等水头过滤 （普通快滤池 ）-通过设置出水流速调节器,空隙率：颗粒间空隙的体积与滤料层体积之比 砂滤料 ：0.4 无烟煤：0.5,二、等速过滤中的水头变化最常见的恒速过滤如图所示。在恒速过
7、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。Hmax=1.5-2.0m,二、等速过滤中的水头变化 Ht=H0+h+Ht,三、等水位变速过滤中的速度变化 如果将所有的滤池的进水渠相连接，这样，所有的滤池的水位差将保持不变，即水头损失不变，随着过滤的进行，滤速将逐渐降低。,四、过滤过程中的负水头,负水头会导致空气释放出来，危害： 是增加滤层局部阻力，增加了水头损失； 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
8、的水深； 二是令滤池出口位置等于或高于滤层表面。,4.3 过滤的工作过程,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.浑水渠; 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,过滤时,开启进水支管2、清水支管3的阀门。关闭冲洗水支管4阀门与排水阀5。浑水就经进水总管1、支管2从浑水渠6进入滤池。经过滤料层7、承托层8后，由配水系统的配水支管9汇集起来，再经配水系统干管10、清水支管3、清水总管12流向清水池。,一、过滤,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
9、.浑水渠; 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,过滤过程中的水头损失,滤池刚开始过滤：总水头 H=H0+h1+h0+v2/2g+h2,过滤时间t时（P170图7-5）: H= Ht + h1 + ht + v2/2g + h2,冲洗时，关闭进水支管2与清水支管3阀门，开启排水阀5与冲洗水支管4阀门。冲洗水即由冲洗水总管11、支管4, 经配水系统的干管、支管、及支管上的孔眼流出，由下而上穿过承托层及滤料层，均匀地分布于滤池平面上。滤料层在由下而上均匀分布的水流中，处于悬浮状态，从而得到清洗。冲洗废水流入冲洗排
10、水槽13,再经浑水渠6、排水管和废水渠14，排放。,二、冲洗,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.浑水渠; 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,两个基本参数,1.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。 2.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1224h。,一、滤料给水处理所用的滤料，必须符合以下要求：1. 机械强度，冲洗损失2.化学稳定性，影响水质3
11、.具有颗粒级配，适当的空隙率4.便于取材石英砂是最广泛的滤料。在双层与多层滤料中，常用的还有无烟煤、石榴石、金钢砂等。一些轻质滤料：聚苯乙烯、陶粒,4.4 滤料与承托层,石英砂滤料主要成份是采用天然石英矿石，经破碎、水洗、烘干、二次筛选而成，SiO2约占99.8%。特点无杂质、无校角、密度大、机械强度高、载污能力大、使用周期长，是化学水处理的理想材料。,高效速纤维球滤料特性呈柔性，可压缩；孔隙率大，截污能力强；工作时滤层孔隙上疏下密，孔隙分布合理；比重略大于水，易反冲洗起来，但不易冲洗干净，也容易被冲走；有较强的耐磨性和搞化学侵蚀性能。,二、滤料的参数 1.比表面积 粒状滤料的比表面积可以表示
12、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. 不均匀系数（ K80d80/d10 ：颗粒大小的不均匀程度） 粒径级配可以用滤料的有效粒径（ d10,d80 ）和不均匀系数（K80）表示，关系如下： D10,d80：通过滤料重量10%、80%的筛孔孔径； K80越接近于1,滤料越均匀,过滤和反冲洗效果愈好。,3. 滤料的含污能力： 在保持滤池出水水质的条件下,在整个工作周期内, 单 位体积滤料内的截留污物量. kg/m3滤料 K80，颗粒愈不均匀孔隙率 易堵塞 周期缩短 含污能力 反冲洗强度不好确定。 4. 最大与最小粒径 一般dmind10, dmaxd80
13、 我国采用dmax, dmin, K80来控制滤料粒径分布。,滤料层规格 含义：是指材质、粒径和滤料层厚度 材质： 石英砂等 粒径：小，比表面积大，有利于矾花的吸附但易堵 塞 ，一般：0.5 2 mm 厚度：矾花穿透深度保护厚度 穿透深度与粒径、滤速、水的混凝效果有关，粒径大、滤速高、混凝效果差的其穿透深度都较大。 一般：穿透深度约40cm， 保护高度：20 30cm 注意：双层滤料中砂与煤的粒径选择很重要；混层现象。,滤料对过滤的影响 滤料层含污的分布情况 滤料含污量上层最大，逐层往下减小； 滤料级配相同时，滤速大的比滤速小的分布均匀， 较能发挥下层滤料的作用。 粒径大小的影响 细粒径的穿透
14、深度较小； 较粗的粒径对滤水周期、滤水能力及含污能力有较 大的优越性。,双层滤料与单层滤料的比较,出水水质相同时, 双层滤料的滤水周期长, 截污能力大。,图 滤料筛分曲线,级配曲线:各种粒径的颗粒所占重量比例的累积曲线。,表 滤料组成及滤池滤速,5.颗粒球形度（球度系数）与形状系数 颗粒球形度 滤料颗粒的形状系数（球度系数的倒数）为：,下表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下图：,表 滤料颗粒的形状及其球度系数、形状系数、空隙率,6滤料层的空隙率（m） 概念：滤料层的空隙率（m）指整个滤层中空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105下
15、烘干称重G，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V，则空隙率为 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。,几种滤料空隙率m比较,承托层（一般采用天然卵石或者砾石） 作用： 防止滤料层从配水系统流失； 均匀布置反冲洗水。 要求：在反冲洗高流速时不被冲动；形成均匀的孔隙, 以造成水均匀分布的条件；材料坚固稳定, 一般采用天然卵石或碎石；颗粒尺寸：2 32 mm。,表 快滤池大阻力配水系统承托层粒径和厚度,表 三层滤料滤池承托层材料、粒径与厚度,思考题,简述过滤法的两种机理；什么是水头损失、负水头？简述负水头的危害
16、及避免方法；简述滤料的不均匀系数；简述滤料的筛分曲线。,过滤法（二）,4.5 滤池的冲洗4.6 滤池的配水系统4.7 过滤构筑物与设备4.8 和过滤相关的一些处理工艺,常用的反冲洗方法有以下几种： 单水高速反冲洗； 气-水联合反冲洗； 表面助冲加高速水流反冲洗。,4.5 滤池的冲洗,一、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/sm2。 2.滤层膨胀度 由于滤层膨胀前、后单位面积上滤料体积不变，于是： 故： 3.冲洗时间,注： 设计水温按20计，水温每增减1 ，冲洗强度相应增减速1%； 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； 选择冲洗强度
17、应考虑所用混凝剂品种的因素； 无阀滤池冲洗时间可采用低限；,表 冲洗强度、膨胀度和冲洗时间,4.常用数据,二、气水联合反冲洗 气-水联合冲洗具有下述特点： 冲洗效果好； 节约反冲洗水量； 冲洗结束后，滤层不产生或不明显产生上细下粗的分层现象； 气-水联合冲洗操作较为麻烦，池子和设备较复杂，需增加鼓风机或空压机、储气罐等气冲设备。,气-水联合冲洗有3种操作方式： 先气洗，后水洗； 先气水混合洗，再用水洗； 先气洗，再气水混合洗，最后用水洗（或漂洗）。 注：气-水联合冲洗时，总的反冲洗时间约在10min左右。,气水反冲洗 气冲强度：15L/S.m2,时间min 气水同时冲：气冲强度15L/S.m2
18、,水冲强度4L/S.m2,时间min. 最后水冲，强度4L/S.m2,时间min.关于气水反冲洗的参数与具体要求，目前我国还没有统一规定。,4.6 滤池的配水系统,作用：保证进入滤池的冲洗水能够均匀分配在整个滤池面积上；且在过滤时起到均匀集水作用。 常见的配水系统有大阻力配水系统、小阻力配水系统、中阻力配水系统等三种，其作用： 反冲洗时，均匀分布反冲洗水； 过滤时，均匀集水。,排管式配水系统的结构,反冲洗时配水不均匀的危害： 滤池中砂层厚度分布不同； 冲洗水量小的地方：会形成“泥球”或“泥饼”，过滤时，产生短流现象，使出水水质下降； 冲洗水量大的地方：可能导致局部承托层发生移动，造成“走砂”现
19、象。,一、大阻力配水系统（穿孔管式）,孔口阻力大,上式说明Qc大于Qa。增加S1+S2值，能减小上式右边第二项的值，从而使Qa尽量接近Qc。 由于承托层与滤料层的阻力系数之和S2不能改变，只有通过减小孔口总面积来增大孔口阻力系数S1，才能增大S1+S2。增大孔口阻力系数S1就削弱了承托层、滤料层阻力系数及配水系统压力水头不均匀对孔口出流量的影响。这就是大阻力配水系统的原理。,大阻力配水系统原理,大阻力配水系统的设计要点：干管起端流速为0.21.2m/s，支管起端流速为1.41.8m/s，孔眼流速为3.55 m/s。支管中心距为0.250.3m.支管长度与其直径之比一般不应大于60。孔口直径约为
20、912mm，设于支管两侧，与垂线呈45O角向下交错排列。,孔口总面积与滤池面积之比称为开孔比，开孔比0.20.25%,其值可按下式计算：,大阻力配水系统的特点： 配水均匀性好； 结构复杂； 但管道容易结垢； 孔口水头损失大，因而要求反冲洗水压高。 无阀滤池、移动冲洗罩滤池、虹吸滤池等的冲洗水头非常有限，不宜采用大阻力配水系统。,二、小阻力配水系统 构造特点：铺设穿孔滤板或滤砖。 小阻力配水系统的特点： 反冲洗水头小； 配水均匀性较大阻力配水系统为差，当配水系统室内压力稍有不均匀，滤层阻力稍不均匀，滤板上孔口尺寸稍有差别或部分滤板受堵塞，配水均匀程度都会敏感地反映出来； 滤池面积较大时，不宜采用
21、小阻力配水系统。 中阻力配水系统与小阻力配水系统类似，但其开孔比介于大阻力配水系统与小阻力配水系统之间。,小阻力配水系统构造之一-钢筋混凝土穿孔板： 板上铺设一层或两层尼龙网。造价低，孔口不易堵，配水均匀性好，强度高，耐腐蚀尼龙网接缝应接好，有时可铺一层卵石。,小阻力配水系统构造之二-穿孔滤砖既可用于单独水反冲,也可用于气水反冲洗.一般上层开孔比小, =0.5-0.8%斜面开孔比稍大, =1.2-1.5%材质: 一般为ABS工程塑料（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile-Butadiene-Styrene，简称ABS)是一种通用型热塑性聚合物 ）配水均匀性较好,价格较高.,
22、小阻力配水系统构造之二-穿孔滤砖,滤头：短柄滤头用于单独水冲洗滤池，长柄滤头用于气水反冲洗滤池。,滤头、滤帽（图片）,滤帽上有许多缝隙, 缝宽0.25-0.4mm,防止滤料流失.直管上部开1-3个小孔,下部有一直缝.气水反冲时,上部为气,形成气垫,下部为水.气从上部进入,水从下部进入气水在直管内充分混合,进入滤帽.滤头布置数一般为50-60个/m2, 开孔比为1.5%左右.,三 冲洗废水排放方法（1）冲洗排水槽、排水渠 见下图。（2）冲洗排水槽的设计要求 a冲洗排水槽平面总面积一般不大于单个滤池面积的25%。否则，会影响上升水流的均匀性。 b相邻两槽的中心间距一般为1.52.0m。间距过大，难
23、以排水均匀。 c槽内水面以上一般要有7cm左右的保护高，以保证冲洗废水自由跌水进入排水槽。 d排水槽的废水应自由跌水进入排水渠，以免引起壅水现象。 e每单位槽长的溢入流量应相等。故施工时冲洗排水槽口应力求水平，误差限制在2mm内。,四冲洗水的来源 两种： 水泵冲洗； 冲洗水塔或水箱冲洗。 水泵冲洗的特点： 投资省； 但操作较为麻烦； 在冲洗的短时间内耗电量大，往往会使厂区内供电网负荷骤增。 冲洗水箱的特点： 造价高； 但操作简单； 专用水泵小，耗电量较均匀。,（1）水泵冲洗 水泵冲洗时，需考虑有备用措施。水泵流量和杨程分别为： H0排水槽顶与清水池最低水位之差，m； h1从清水池至滤池的冲洗管
24、道中总水头损失，m； h2滤池配水系统水头损失，m。大阻力配水系统按孔口 平均水头损失计算。得： h3承托层的水头损失，m。可根据承托层的厚度Z（m）及冲洗强度q（L/sm2）计算：,4.7 过滤构筑物与设备,一、普通快滤池 基本参数 1.滤速 设计滤速一般为810m/h。 2.滤池总面积F（m2） 3.个数和单池面积 一般单池面积不大于100m2。 滤池的个数在设计时应根据技术经济比较确定，但不得小于两个，可参考下表选用。 单个滤池面积f（m2）可根据滤池总面积F（m2）与滤池个数N进行计算，如下式所示：,滤池面积与个数关系,4.滤池深度 滤池深度包括， 保护高：0.250.3m； 滤层表面
25、以上水深：1.52.0m； 滤层厚度：见下表； 承托层厚度：见下表。 因此，滤池的总深度一般为3.03.5m。单层石英砂滤池深度一般稍小；双层和三层滤料滤池深度稍大。,滤料级配、滤层厚度与滤速,5.承托层粒径和厚度,三层滤料滤池承托层材料、粒径与厚度,6.管渠系统流速进水管渠:0.8-1.2m/s清水管渠:1.0-1.5m/s冲洗水管渠:2.0-2.5m/s排水管渠: 1.0-1.5m/s普通快滤池具有运转效果好,适用于大小型规模水厂.缺点在于管配件阀门过多,操作较复杂.,二、无阀滤池,过滤过程,冲洗过程,无阀滤池一般用于中、小型水厂。单池面积一般不大于16 m2。 优点： 它不需大型阀门，冲
26、洗完全自动，造价较低，操作管理较为方便，过滤过程中不会出现负水头现象。 缺点： 池体结构较复杂，滤料装御困难，冲洗水箱位于滤池上部，出水标高较高，相应抬高了滤前处理构筑物如沉定池或澄清池的标高，从而给水厂处理构筑物的总体高程布置带来困难。,三、虹吸滤池,虹吸滤池,特点 ：利用虹吸原理进水和排走洗砂水； 小阻力配水系统 ；变水头等速过滤 ；滤过水头高于滤层 ；易于自动化控制 ；池深大，冲洗效果不够理想，单池面积不宜大。应用：中小水厂 （水质 滤料）设计：国家标准图 滤池分格数 n3.6 q/v,四、压力过滤装置1）砂滤器,2 ）纤维过滤器,3）精密过滤器滤布滤元烧结滤元绕线滤元,压力过滤装置特点
27、：允许水头损失大；可防止有害气体逸出；无需冲洗水箱与水泵；滤料的装卸不方便；配水系统 （大 小 ）。,五、移动罩冲洗滤池,移动罩冲洗滤池特点：兼有虹吸滤池和重力无阀滤池的特点反冲洗来自其它格的滤过水 ；移动冲洗罩 ；结构简单；无冲洗水箱或水塔，无大阀门，管件少；池深浅；设备多，维修难。应用： 大、中型水厂设计：冲洗罩移动、定位和密封,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：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（a）与（b）所示；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（c）与（d）所示。,4.8 和过滤相关的一些工艺,过滤技术的新发展,1. 非粒状的新型滤料研究活跃 塑料或纤维球等轻质材料 （纤维球滤料、纤毛型滤料、纤维束状滤料） 特点：滤速高、水头损失小、周期长、冲洗水量小2. 多孔材料过滤筛网及捞毛机微滤机3. 过滤装置朝自动化、管理容易、智能型方向发展,思考题,简述气-水联合反冲洗的特点和操作方式；比较大阻力配水系统与小阻力配水系统；5类构筑物的原理、特点及应用。,
