一种内循环连续式砂滤器的结构设计

一种内循环连续式砂滤器的结构设计 I摘 要 压力过滤器(pressure filter)是将滤料填于密闭的压力容器内，利用外加压 力克服滤池阻力进行过滤，作用水头达 0.150.25MPa。由于在较高的最终水头 损失下操作，过滤周期短，反冲洗次数少，运行管理都比较方便，特别适用于水 量较小而悬浮物浓度又相对较高的场合。连续式砂滤器属于一种压力过滤器，具 有经济高效、适用水质范围广等优点，主要用于饮用水、食品、纺织、冶金、造 纸、金属加工、化工等行业以及城市污水二级出水的深度处理方面。内循环连续 砂滤器采用体内提砂，过滤层的反冲洗在过滤器内部完成，集混凝、澄清、过滤 于一体，同时具有较高的表面负荷。 本设计对污水深度处理用内循环连续砂滤器进行了具体的结构设计。其中包 括砂滤器的主体结构尺寸，封头、支腿的选型，各个水管以及法兰的设计。通过 上述计算和设计，进行了CAD机械制图。 关键字：内循环，连续式砂滤器，结构设计 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 II abstract Pressure Filters (pressure filter) filter sucked in a closed pressure vessel filled, the use of external pressure to overcome resistance filter to filter, the role of head up to 0.15 0.25MPa. As the head loss at the higher end to operate, the filter cycle is short, fewer backwash, operation and management are more convenient, especially for relatively small amount of water and relatively high concentration of suspended matter the occasion. Continuous sand filter is a kind of pressure filtration device, cost-effective, wide range of application such as water main for drinking water, food, textile, metallurgy, paper making, metal processing line of chemicals, etc. As well as urban wastewater secondary effluent depth of processing. Continuous sand filter used inside the loop body put sand filter layer inside the filter backwash complete set of coagulation, clarification, filtration in one, but also has higher surface load. The design of wastewater treatment within the cycle of continuous sand filter used for a specific structural design. Including the size of the main structure of sand filter, head, legs in the selection, all pipes and flange design. Through the above calculation and design, CAD mechanical drawing conducted. Keyword：Inner loop，Continuous Sand Filter，Structural Design 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 III 目录 第一章 前言.1 1.1砂滤器设计的意义.1 1.2砂滤器的介绍.2 1.3内循环连续式砂滤器的发展情况.3 1.4砂滤器的分类.3 1.4.1 轻质滤料过滤器介绍.4 1.4.2 微孔陶瓷过滤器介绍.4 1.4.3 膜过滤器介绍.4 1.4.4 纤维介质过滤器介绍.6 1.4.5 石英砂过滤器介绍.6 1.5砂滤器的工作原理.10 1.6本设计研究基本内容.14 第二章 设计计算.15 2.1设计依据.15 2.2内循环连续式砂滤器的主体尺寸计算.15 2.2.1 砂滤器罐的直径、截面积的计算.14 2.2.2 砂滤器罐的高度的计算.16 2.3 内循环连续式砂滤器的结构设计.21 2.3.1 砂滤器的罐体材料的选择.21 2.3.2 上封头与下封头的材料选择及设计.21 2.3.3 支腿的设计.23 2.3.4 砂滤器中各个进出水管的尺寸进行设计.26 2.3.5 洗砂器的设计.25 2.3.6 砂滤器内出水堰的设计.28 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 IV 2.3.7 砂滤器法兰的设计.29 2.3.8 人孔的设计.31 2.3.9 开孔补强计算.32 2.3.10 焊条的选择.33 2.3.11 砂滤器质量的计算.34 2.3.12 砂滤器设计造价预算.34 第三章 结论与展望.36 3.1结论.36 3.2展望.36 参考文献.37 致谢.38 声明.39 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 1 第一章 前言 1.1 砂滤器设计的意义 随着水资源短缺，各国逐渐重视起对城市污水的深度处理，常规的城市污水深 度处理工艺通常采用传统的絮凝、沉淀、过滤工艺或微絮凝过滤工艺，但由于二级 出水的悬浮物含量相比于沉后水高了许多，滤池需要频繁冲洗，反冲洗水量所占的 比例较大，人们开始考虑利用连续式砂滤器自动洗砂的特点，将其用于二级出水的 深度处理。经过研究开发美国、德国成功的将其用于二级出水过滤，出水回用于市 政、景观用水，取得较好的处理效果。1995年 David A.Stem 1 研究小组在 Delhi 和 Stamford 研究采用两个串联的连续式砂滤器处理城市污水二级出水，试验水量 为36gpm(即10m 3 /h)，连续式砂滤器面积为10.7平方英尺(即1m 2 )，厚8英尺 (0.3048*8m),滤速为3.36gmp/ft(10m/h)，第一个滤池的滤料有效粒径为1.4mm，第 二个滤池的滤料有效粒径为0.9mm，试验结果表明处理出水很好的去除水中生物絮 体和病原菌，达到污水回用的标准。 随着社会的发展，各国对氮磷排放的标准越来越严格，采用普通的连续式砂滤 器用于二级污水深度处理时，出水氮磷浓度不能达标。九十年代中期，瑞典、法国 等国家研究了连续式砂滤器脱氮除磷性能， 通过对砂滤器的改进， 取得较好的效果。 试验时砂滤器增高到6米，滤料层厚度也达到4.5米，在滤层中形成厌氧区、缺氧 区和局部好氧区，从而能够在设备中完成硝化、反硝化及除磷的过程。B.Hultman 在 Loudden 和 Balsta 污水处理厂试验，研究内循环连续式砂滤器同时去除悬浮物 和氮磷的情况，实验设备截面积4.7平米，净高6米，滤料填充厚度分别为2米、 3.5米，实验进水硝酸氮浓度平均8.5mg/1，进水COD平均26.6mg/1进水磷浓度平 均0.8mg/1， 经过4.5米厚滤层连续式砂滤装置处理出水氮浓度为2-3mg/l,磷浓度 为 0.1-0.2mg/1，同时去除 COD25mg/1。提出滤前投药和投加适当的碳源是保证氮 反硝化完成，保证较高氮去除率的有效手段，经过改进后的连续式砂滤器可以同时 去除悬浮物和氮磷，具有较好的推广和使用价值，相信又将在世界各地推广使用。 正因如此，砂滤器被广泛的应用在各个领域，成为现在环保中不可或缺的环保设备 之一。 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 2 1.2 砂滤器的介绍 连续式砂滤器首先由瑞典的 Axel Johnson 研究所在70年代后期开发成功，由 于砂滤设备的滤料提升需要动力提升而命名为动力式砂滤器 2 (dynamic sandfilter)，称为DynaSande 1974年Axe1 Johnson研究所的Dr.Hans F.Larsson 和Mr.Ulf Hjelmner开始研究连续式砂滤器，提出单独对吸附饱和的滤料进行清洗 的想法，并解决了对滤料有效清洗和防止滤后水与反洗水相混这两个关键问题，设 备在1976年研制成功并申请专利，1978年瑞典专利部门批准该专利生产使用。1977 年9月 Axel Johnson 研究所与美国 Parkson 公司和 Waterlink“s Nordic Water Products AB 公司合作在加拿大、美国生产销售连续式砂滤器，并注册为 “DynaSand“.1981年美国批准了“DynaSand”系列相关技术的专利连续式砂滤设备 在生产使用的过程中不断改进，研究开发了适应不同水质的系列连续式过滤装置， 从1980年至1997年4月Parkson 公司销售不断研制成功的连续式砂滤器15000余台。 最初的连续式砂滤装置主要用于饮用水的处理， 主要针对水质比较稳定的湖泊 水库水和浊度稍低的江河水。 由于其结构紧凑、 投资及运行费用低而在瑞典、 法国、 荷兰、土耳其、丹麦、芬兰、加拿大、美国、日本等国家的中小城镇广受欢迎。为 保护该技术的知识产权，Parkso。公司从1981年至1997年申请了8项不断完警的连 续过滤技术的相关专利。 由于连续过浦技术具有经济高效、 适用水质范围广等优点， 引起了法国、荷兰、土耳其、丹麦、芬兰、加拿大、日本等国研究者的极大兴趣， 它们在从Parkson公司引进连续过滤设备后，通过对连续过滤设备的布水方式、洗 砂方式、 滤料提升手段进行不同形式的改进， 生产出Das DynaSand- Filter, Uniflo sand filter, Centra-floGravity Sand Filter, Vortisand, Gyrosand、Astrasar 等不同类型的连续式砂滤器。 最初研制成功的连续式砂滤器主要是采用体内提砂，称为内循环连续砂滤器， 为方便观察连续式砂滤器内的滤料的提升状况，Parkson公司将滤料提升管移到砂 滤器提外，研究出体外循环的连续式砂滤器。 为解决多个钢制砂滤器联用带来基建投资增加的问题.Parkson 公司致力于混 凝土形式的连续式砂滤器研究，并开发了混凝土形式的连续式砂滤组合装置，将多 个提砂、洗砂装置放置于同一个过滤器中，不仅解决了适用大型水厂的水量限制的 问题，并节约了钢材，同时也使设备简单易操作控制。 英、法、日本等国引进连续式砂滤装置后，通过对连续过滤技术系列的研究，一种内循环连续式砂滤器的结构设计 3 扩大其水质适用范围，成功的将连续式砂滤器用于食品、纺织、金属加工、玻璃抛 光、化工等悬浮物含量大的污水处理中。美国、法国也成功的将连续式砂滤系统应 用于冶金、造纸、电镀、钢铁等行业的废水处理中，取得较好的去除效果。 1.3内循环连续式砂滤器的发展情况 连续式砂滤器 3 是一种新型一体化水处理设备，在石油、化工、钢铁、电力有 很多应用，是清洁生产的重要装备。它可省略常规净水工艺中的反应、沉淀工段， 在装置中完成絮凝、过滤和反冲洗过程，使得在滤床中直接进行凝聚和分离成为可 能。由于几乎所有的化学处理步骤都直接在滤床中进行，因此连续式砂滤器在设备 体积上比传统的化学处理节省80%以上，加药量则节省了20%30%。 随着我国水资源的紧缺、工业的高速发展、环境的恶化，连续式砂滤器必将获 得越来越多的重视。前联合国秘书长德奎利亚尔曾讲到： “过去人类最可怕的是战 争，未来人类最可怕的是淡水资源的紧缺” 。我国的工业水重复利用和再生利用程 度较低，用水工艺比较落后,用水效率较低。这些都预示着连续式砂滤器会在我国 有较快的发展。 连续动态过滤器采用上向流过滤原理和气提洗砂技术,过滤效率和反洗砂效率 均比传统过滤器有大幅提高,而且结构简化,运行安全,维护和检修容易。在相关的 滤料过滤器系统中,连续动态过滤器的改造技术符合我国水处理过滤行业现状,达 到了充分利用原有设备和设施,通过最小投资获得新技术的革新效果。 1.4 砂滤器的分类 砂滤器 16 是采用一种石英砂填料作为过滤器滤料， 该滤料具有吸附和过滤双重 功效，因此更有利于对水中杂质的去除。其还有比表面积大，过滤阻力小，抗污染 性好，耐酸碱性强等优点，砂过滤器的独特优点还在于通过优化滤料和过滤器的设 计，实现了过滤器的自适应运行，滤料对原水浓度、操作条件、预处理工艺等具有 很强的自适应性，即在过滤时滤床自动形成上疏下密状态，有利于在各种运行条件 下保证出水水质，反洗时滤料充分散开，清洗效果好。砂过滤器可有效去除水中的 悬浮物，并对水中的有机物、农药、胶体、铁、锰、细菌、病毒等污染物有明显的 去除作用。并具有过滤速度快、过滤精度高、截污容量大等优点。广泛用于电力、 石油、化工、冶金、电子、纺织、造纸、食品、饮料、自来水、游泳池、市政工程一种内循环连续式砂滤器的结构设计 4 等各种工艺用水、循环用水、生活用水及其废水的深度处理领域。 随着技术的不断发展，科技的不断几步，各种不同类型的砂滤器被发明创造出 来，并在不同的地方被人们使用。下面来介绍几种最常见的砂滤器。 1.4.1轻质滤料过滤器介绍 轻质滤料过滤器主要是核桃壳过滤器， 这种过滤器的基本结构和过滤原理与石 英砂过滤器相同，区别是作为滤料的核桃壳的密度较小，一般在1.2g/cm左右。由 于滤料较轻，反冲洗时在水流作用下滤层成为沸腾床，由滤料间隙形成的微孔被解 除，吸附的悬浮物得以脱附。因此，这种过滤器属于非固定孔隙过滤器，反洗再生 能力较强，过滤性能稳定，适合于中高渗透率地层水质要求的采出水过滤。 1.4.2 微孔陶瓷过滤器介绍 这种过滤器的过滤原件是烧结而成的多孔陶瓷管， 它的本体既作为滤层也作为 承托层。这种过滤介质的特点是孔隙均匀且稳定，对较大的悬浮物有筛除作用，而 对较小的悬浮物有吸附作用。反冲洗是通过逆向流和横向流对过滤介质进行冲刷， 对筛除物的清除效果较好，而对吸附物的清除效果则不明显，因而容易造成堵塞。 这种过滤器适合中等渗透率地层水质的清水过滤。用于含油的采出水过滤时，过滤 原件的反洗再生比较困难， 需要加人清洗剂并采用气吹等办法， 反洗工艺非常复杂。 如图1.1微孔陶瓷过滤器所示： 图1.1 微孔陶瓷过滤器 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 5 1.4.3 膜过滤器介绍 这种过滤器的核心原件是滤膜， 这是一种制备在微孔承托层(支撑体)上的布满 更微小孔隙的薄膜。制作滤膜的材料有很多，分为有机膜和无机膜。滤膜作为过滤 原件其结构特点是滤层非常薄， 因而它的过滤机理主要是筛除作用， 吸附效应很小。 因此，膜过滤器的过滤精度较高，粒径控制比较稳定，而且反冲洗容易恢复性能。 不过如果水中含有油的话，则很容易堵塞而且不易反洗。国内外许多研究者曾基于 陶瓷材料的亲水性质而寄希望于用陶瓷膜处理采出水，但经过研究后，普遍认为膜 污染问题仍然很难解决。膜污染是非常复杂的问题，但有一点是可以肯定的，即污 染物中有机物的大量存在是确定无疑的， 不过一般往往关注膜本身而较少考虑承托 层。按照吸附机理并结合膜层和承托层的孔隙特征来分析，可以解释为什么膜过滤 针对清水不易堵塞而对于含油污水极易堵塞。对于一般固体悬浮物来说，大于膜孔 的颗粒被截留(筛除)在膜的表面，小于膜孔的颗粒通过膜孔，由于作为滤层的膜很 薄， 而不能对这些颗粒产生吸附， 虽然承托层相对较厚， 但其孔隙相对于膜孔较大， 不足以产生吸附。这样只有筛除作用，所以很容易反洗清除。如图1.2膜过滤器所 示： 图1.2 膜过滤器 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 6 1.4.4 纤维介质过滤器介绍 这也是一种深床过滤器，滤层介质采用纤维材料，一般为合成纤维，常用的有 纤维球和纤维束。这种过滤器的过滤机理是纤维介质在外力(水力或机械力) 作用 下被压紧后形成微小的孔隙，主要产生吸附作用，将水中的悬浮物滤除。反洗时， 解除压紧力使纤维滤材蓬松，被吸附的悬浮物脱附并在反洗水流的冲洗下被清除。 由于纤维材料非常细，压紧后形成的孔隙也就非常小，因此过滤精度非常高，是比 较理想的精细过滤器。不过，如果水中含油，则会非常麻烦。因为一般合成纤维都 是亲油的，对油会有很强的吸附力，而油被吸附到纤维滤材上之后作为粘结剂将纤 维滤材粘在一起，很难松开，反洗非常困难。这种过滤器适用于以清水作为水源的 低渗透地层注水水质过滤。目前已得到比较成功的应用。此外，国内一些研究单位 (如江汉机械研究所)正在研究不亲油纤维以及纤维改性技术， 目的是将这种过滤器 用于含油的采出水过滤，目前已取得了很大的进展。如果能将纤维材料本身对油的 吸附力减小到足够的程度，纤维介质过滤器，尤其是纤维束过滤器将会成为低渗透 油田采出水回注水质过滤的理想设备。 1.4.5 石英砂过滤器介绍 石英砂过滤器 4 是一种典型的深床过滤器，其结构特点是滤层较厚，过滤介质 石英砂的密度较大，滤床比较稳定。石英砂过滤器工作的机理主要是吸附作用，而 筛除作用是次要的。由于滤床在反冲洗时是固定的，属于固定孔隙过滤器，被吸附 在滤层中的微小颗粒脱附比较困难，因此用反洗来恢复过滤性能的效果有限，使用 一段时间后过滤性能会严重下降，往往需要更换滤料。这种过滤器一般应用在对水 质要求相对不高的清水过滤。如图1.3所示： 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 7图 1.3 石英砂过滤器 其中石英砂过滤器是比较常见的一种砂滤器， 近年来国外报道了几种连续砂滤 器,可以把它们归纳成两种。第一种连续砂滤器是瑞典、英国、日本等国试制的连 续砂滤器,其结构如图1.4所示。 图 1.4 连续式砂滤器示意图 1-进水口；2-配水器；3-人字形布水器；4-落砂管； 5-出水管；6-排泥口；7-分离室；8-分布罩；9-砂；10-提砂器 原水由进水口进入,由下向上通过砂层,原水中的污物微粒在原水上升过程中 被砂层截留,处理后的净水由上部出水口排出。 提砂器气动吸引管或砂循环管 装在 设备底部中心处,少量的空气连续地供给提砂器。被污染的砂由提砂器从设备底部 提升到顶部的分离室,于是整个砂层始终向下移动,原水向上流动,原水和砂层呈逆 流流动且最脏的砂子始终在设备底部。污砂在提砂器立管中高速流动时相互碰撞、一种内循环连续式砂滤器的结构设计 8 摩擦使粘附在砂粒表面上的污物清除下来。在提砂器内冲洗砂子速率极高,高达普 通反冲洗速率的十倍。洗净的砂和污物在位于设备上部的分离室内分离,洗净砂由 落砂管自动地落到分布罩上,靠分布罩将砂重新分布在砂层上,污物向排泥口排出。 由于“下层污砂提升洗净上层净砂”的连续循环结果,导致过滤砂层的不 断更新,于是将过去的固定床过滤发展成连续移动床过滤,实现了连续过滤。 上述的连续砂滤器存在下述不足之处连续砂滤器被处理水的体积和砂滤层的 横截面积成正比,因此若希望增加被处理水的体积就必须增加砂层的横截面积即增 加其直径从而增大了设备体积。为于获得高质量的净水,砂层中应有如下的粒度分 布在原水进口处装粗砂粒,砂子的粒径沿原水流动方向上应渐渐减小,即原水进口 附近的砂层空隙率应较大,以便使原水中大颗粒污物被粗砂层截留而使细小的污物 不能沉积或粘附在粗砂层表面沿着原水流动方向砂层的空隙率逐渐减小,靠近出口 附近的砂层空隙率最小,以使很细小的污物被沉积或粘附在细砂层表面于是获得高 质量的净水。若粗细砂层的配置与上述相反,原水中的细小污物将沉积或粘附在位 于原水入口侧的细砂层表面上,在很短的时间内将出现砂层的堵塞或部分堵塞使过 滤压降增大,使能耗增加。 而上述砂滤器靠分配罩使砂层的粒度分布沿径向从圆周向圆心是逐渐减小而 原水是由下向上流,因此在短时间内,靠近中心处的细砂层将会出现堵塞而靠近圆 周处的粗砂层因空隙率大、流动阻力小使原水通过此层短路流向出口,从而使净水 水质低劣。 为了弥补第一种连续砂滤器的不足,对其作了改进,研制了第二种连续砂滤器, 其结构如图1.5所示。 图 1.5 连续砂滤器示意图 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 91-原水进水管；2-外支撑墙；3-内之撑强；4-砂；5-过滤室；6-未处理水的进水室；7 已处理水室；8-分布罩；9-污物排出管；10-调节管；11-分离箱；12-循环管；13-净水出水管； 14 筒体；15-罩；16-筒底；17-支脚；18-喷嘴； 未处理的原水经进水管进入进水室,沿水平方向通过充满砂子的过滤室,原水 中的污物被砂层截留。经过滤后获得的净水己处理的水进入己处理水室,然后净水 由和已处理水室连接的出水管排出。砂层的洗净喷嘴装在过滤室底部的中心处,当 空气通过喷嘴鼓入过滤室时,空气流使位于筒体底而上的砂子在循环管内以湍流形 式向上运动,被吸入的污砂中含有水和污物,它们在循环管内上升的过程中由于气 流的湍动,相互碰撞、 摩擦使粘附在过滤介质砂上的污物从砂表面上完全分离下来, 污物和砂子一起从循环管的上部开口处排出。由于污物比砂轻,它们在水面上聚集 在一起从分离箱经排出管排出,净砂通过锥形分布罩返回到过滤室。由于连续鼓入 空气通过喷嘴,过滤室底部污砂相继地吸入循环管,砂层不断下降,实现了移动床并 使砂子连续洗净。 表 1.1 砂滤器的性能比较 5型式比较 普通快滤 传统压力式 连续过滤 过滤方式 下流式过滤 下流式过滤 上流式过滤 动力消耗 反冲洗水泵 压力较大 进水及反冲洗 时需较大动力 使用空气进行洗 砂，动力消耗小 过滤效果 滤床阻力及 反冲后出水 波动 滤床反冲洗后 出水水质不稳 定 维持滤床一定的压 力降，出水水质稳 定 连续性 不连续 不连续 连续 滤床使用周 期 一年后需补 充 一年后需全部 更换 不需更换，少量补 充 反冲洗水比 率 510% 510% 510% 维护成本 低 高 低 适用水质 生活污水、 矿 井水、废水 生活污水、矿 井水、废水 生活污水、造纸废 水、工业污水 占地面积 大 小 小 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 10 1.5砂滤器的工作原理 连续式砂滤器 6 是近年来国外研制成功的一种新型一体化水处理设备,它省略 常规净水工艺中的反应、沉淀工段,在滤池中完成絮凝、过滤和反冲洗过程,使得在 滤床中直接进行凝聚和分离成为可能。 由于几乎所有的化学处理步骤都直接在滤床 中进行,因此在设备体积上与传统的化学处理相比较,连续式砂滤器可以节省80%以 上,加药量也比传统的化学处理节省20%-30%。正是基于以上的优点,连续式砂滤器 得到广泛的开发应用,目前美国、 日本已经有1000多套连续式砂滤器应用于中小型 水厂。近几年研究人员对连续式砂滤器机理和运行工况进行研究,探讨了滤池工作 参数对连续式砂滤器处理效果的影响,在此基础上开发出内循环连续一体化净水设 备。本文对影响过滤器工作效率的各项因素,对出水水质的影响进行了定量的试验 研究,得到一整套运行参数,为这种新型一体化净水设备的开发应用创造了条件。 图 1.6 砂滤器的结构图 内循环连续式砂滤器的混凝、过滤机理是以微絮凝过滤技术为理论基础,是微 絮凝过滤技术与气固液流态化工程反洗技术的综合应用。 其作用机理 17 可以从以下 三个方面分析。 （1） 改变水中悬浮物的表面状态和电位。通过对水中的絮凝体电位与投 药时间之间的变化关系进行测定表明,连续过滤中的絮凝体正是在电位达到最高 时进入滤池的。这就使本来在絮凝池中进行的压缩双电层作用,深入到滤料层中进 行。当投药量达到一定的数值时,微粒间的吸引力开始起作用,颗粒开始快速絮凝。一种内循环连续式砂滤器的结构设计 11 由于此过程是在滤层从表面到深部普遍进行的,有利于发挥深层滤料的截污能力。 （2） 水力学分析。从水力学方面来看,连续过滤时,砂滤料孔隙内水流呈层流 状态,它产生的速度梯度会使微絮凝体不断旋转,当其脱离自己的流线时,与砂粒接 触,就会产生足够的吸引力被滤料吸附,从而从水中分离出去。 （3） 胶体化学分析。从胶体化学方面来看,投加混凝剂后,混凝剂提供的大量 正离子将会扩散进入胶体扩散层甚至吸附层,电位降低,为加强颗粒间的范德华 力创造了条件。 以上主要解释连续流过滤的混凝机理,下面对其过滤机理进行探讨。内循环连 续式过滤是以接触絮凝作用为主,机械筛滤及沉淀作用为辅的。研究结果也说明滤 料或其沉积物与过滤微絮体间的吸附架桥是连续过滤附着的主要机理。 通过对电 位的测定证实:连续过滤的机理是以表面能和范德华力为主的接触絮凝作用,改变 微絮凝体电位为附着创造了条件。故连续过滤属于微絮凝深层过滤范畴。虽然在 过滤后期有向表面过滤转变的趋势 ,但不是主要的。 内循环连续式砂滤器的反冲洗原理是在空气提升管内,砂、泥、水流、空气在 向上流动过程中,发生了短期却剧烈的反冲洗过程,此间冲洗的原理仍然是利用水 流及空气流的剪力以及颗粒间的摩擦力作用。 但在中心提砂管内的滤料的清洗主要 是碰撞和摩擦作用,水流剪切作用是次要的。尽管在空气提升管内发生了剧烈的反 冲洗过程,但由于时间短,反冲洗并不彻底,需要二次清洗。 下面我们来了解一下连续式砂滤器的技术优势： （1）无需大功率、 大流量、 大扬程的反冲洗水泵对脏砂滤层进行反冲洗； （2）无需停机即可实现过滤工序的连续； （3）药剂用量相对省、处理成本低； （4）无活动部件、设备维护工作量小； （5）操作极为简便，无需开启反冲洗水泵及相应管阀； （6）自动化程度高； （7）无需反冲洗贮水池，土建工程量小，投资省。 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 12图 1.7 砂滤器示意图 连续式砂滤器也称为活性砂过滤器 7 。1974 年，瑞典家族企业 Axel Johnson 公司的 HansF.Larsson 和 Uif Hjelmner 开始研究连续式砂滤器，提出单独对吸附 饱和滤料进行清洗的想法，并解决了对滤料有效清洗、防止滤后水与反冲洗水相混 这两个关键问题，设备在 1976 年轻你研制成功并申请专利。1977 年 9 月，美国 Parkson 公司被授予在北美地区生产销售连续式砂滤器，并注册为“DynaSand,该 公司于19811997年申请了8项不断完善的连续式过滤技术专利。 由于连续式过滤 技术具有经济高效、适用水质范围广等优点，引起了法国、荷兰、土耳其、丹麦、 芬兰、加拿大、日本等国研究者的极大兴趣，在从Parkson公司引进连续式过滤设 备后，通过对布水方式、洗砂方式、滤料提升手段进行不同形式的改进，生产出多 种不同类型的连续式砂滤器。 应用范围也从最初的饮用水处理， 拓展到视频、 纺织、 冶金、造纸、金属加工、化工等行业悬浮物含量大的废水处理，以及城市污水二级 出水的深度处理方面。 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 13图 1.8 砂滤器内部构造图 内循环连续式砂滤器的工作过程 8 可以分为两个，分别是过滤过程和反冲洗过 程，其过程可参考图1.8说明： 过滤过程如下：投加了混凝剂的原水经过进水管（A）向下流动，通过进水环 空流道（B）进入径向布水器（C） 。水流从布水支管的孔口流出后经过砂滤层，自 下而上的流经滤床，滤砂在滤床中自上而下的进行循环清洗，水与砂在过滤器中呈 逆流状态，增强了滤砂的截留效果。原水中的悬浮物在由下而上通过砂滤层的过程 中，被滤料截流下来，过滤水上升漫过过滤出水堰（J）后，经出水管（E）进入贮 水池。 反冲洗过程是：在空气提砂管（F）的底部通入少量的压缩空气，通过气提作 用带动过滤器底部的脏砂一同上升，空气提砂管内的砂、泥、水流、空气在向上流 动过程中，利用水流及空气流的剪力以及颗粒间的摩擦力作用，发生短期但强烈的一种内循环连续式砂滤器的结构设计 14 反冲洗过程，从而完成一次清洗。被提升的混合物从顶部空气提砂管（G）落入洗 砂槽（H） ，在此气、污水、砂完成分离，洗砂水经过反冲洗出水管（L）排出，滤 料向下进入呈错环、迷宫式结构的洗沙器（I） 。少量向上流动的滤后水进入洗沙器 后流速加快，使其内向下运动的滤料呈旋转、翻腾状态，做到了对滤料的彻底反冲 洗。在过滤出水与反冲洗出水水位差的作用下，提砂管内的气提水与洗沙器在重力 作用下缓缓向下移动，从而开始新一轮的过滤过程。 为解决多个钢制砂滤器联用带来基建投资增加的问题，Parkson公司开发了混 凝土形势的连续式砂率组合设置，将多个提砂、洗砂装置放在同一个过滤器中，不 仅解决了适用大型水厂的水量限制问题，而且节约了钢材，同时也使设备简单、易 操作控制。20世纪90年代中期，瑞典、法国等国家研究了连续式砂滤器脱氮除磷 性能，通过对砂滤器的改进，去的较好的效果。实验时砂滤器增高到 6M，滤料层 厚度也达到 4.5M，在滤层中形成厌氧区、缺氧区和局部好氧区，从而能够在设备 中完成硝化、反硝化以及除磷过程。 1.6本设计研究基本内容 内循环连续式砂滤器和传统的过滤设备相比是一种新型的过滤设备。 是将液体 中的颗粒在一定条件下自动地过滤清除的分离过滤装置。 由于改造后的连续砂滤器 为上向流过滤,而上向流过滤为“反粒径过滤”,与传统的下向流过滤相比,具有提 高滤料截污量、延长过滤周期的潜力。因此,改造后的连续动态过滤器处理能力得 到增强,能够适应更大的进水流量。 本设计拟对污水深度处理用内循环连续砂滤器进行具体的结构设计及计算。 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 15 第二章 设计计算 内循环连续式砂滤器的已知设计参数： 用于污水深度处理 处理量：30 3 m /h 过滤速度：1012m/h 作用水头达：0.150.25MPa 设计温度： C 20 02.1设计依据 本章将对给定的设计参数和要求对内循环连续式砂滤器进行结构设计计算， 计 算主要涉及砂滤器的体积、进水管出水管管径、滤料高度、法兰盖和支架的选择、 以及压力计算等等。 设计依据标准 国家标准（GB150-1998）钢制压力容器 （JB/T4746-2002）钢制压力容器用封头 （JB/T 4713-1992)腿式支座 (JB4708)钢制压力容器焊接工艺评定 2.2内循环连续式砂滤器的主体尺寸计算 92.2.1砂滤器罐的直径、截面积的计算 已知砂滤器的流量为30 3 m /h,流速可在范围内定为10m/h。 则由公式 V=Q/A （2-1） 式中 V流速， h / m Q流量， 3 m /h A截面积， 2 m 把V=10m/h和Q=30 3 m /h带入上式得到 A=Q/V=30/10=3 2 m 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 16 得到了砂滤器的横截面积为3 2 m 。 由公式 A= 2 D 4 （2-2） 式中 A截面积， 2 m D为直径，m 把A=3 2 m 带入上式 得到 D= A 4（2-3） = 14 . 3 3 4 =1.96m 经过计算得到砂滤器的直径为1.96m。 因为在选择流速时是在一定的范围内取的值， 所以经计算得到的砂滤器的直径 可以取圆整，所以得到的砂滤器的直径取为2m。 由以上计算得到根据要求算出的砂滤器罐的直径为2m，截面积为3 2 m 。 2.2.2砂滤器罐的高度的计算 砂滤器罐的总高度可以由各个部分的高度总和来确定。 图 2.1 内循环连续式砂滤器 从结构来看，砂滤器可以由支腿、下封头、上封头、罐体这四部分组成，所以 砂滤器的总高度就由这四部分的高度总和来确定。 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 17 （一）下封头的尺寸计算 根据（JB/T4746-2002）-钢制压力容器用封头的规定以及本砂滤器的 设计要求，选择折边锥形封头CHC，由砂滤器的直径为2m，所以得到折边锥形封头 的总高度为776mm。 图 2.2 折边锥形封头 CHC （二）支腿的高度计算 根据（JB/T 4713-1992)- 腿式支座的规定以及本砂滤器的设计要求得 知砂滤器的支腿一般取 500-750mm，由于下锥形封头的高度为 776mm，所以支腿的 高度一定要高于封头的高度，这样才能使下锥形封头不与地面接触，所以可以定支 腿的高度为650mm。 支腿的上端应与砂滤器罐体的下封头斜边中间位置焊接。 （三）上封盖的设计计算 上封头采用平板封盖，顶上有开孔，与罐体采用螺栓连接。平板的厚度要比罐 体的壁厚要大一些， 因为在封盖上边有开口需要补强， 所以要比罐体的厚度大一些， 定为比壁厚大3mm。 砂滤器为压力容器，压力容器的最小厚度 min 主要是考虑工艺要求以及运输安 装过程中的刚度要求，根据国家标准（GB150-1998）-钢制压力容器 10 ，内 压圆筒的计算壁厚为： p pD t i = 2（2-4） 式中 计算壁厚，mm 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 18p内部工作压力,MPa i D 砂滤器的内直径，也称压力容器的公称直径,mm t 砂滤器的设计温度下的许用应力，MPa 焊接接头的系数。 其中 p为内部工作压力值为0.25MPa i D 为砂滤器的直径值为2000mm t 为许用应力，根据GB150得值为133MPa 为焊缝系数值为1.0 代入上式 = 25 . 0 0 . 1 133 2 2000 25 . 0 =2.18mm 规定该砂滤器的腐蚀裕量为： 2 C =2mm 设计壁厚为： 2 d C + = =2.18+2=4.18mm 考虑材料的负偏差后，取设计厚度 n =4.5mm 检查罐体最小厚度 mm 4 1000 2000 2 1000 2 min = = = i D 设计厚度与腐蚀裕量之和 mm 5 . 6 2 5 . 4 2 min = + = +C 所以砂滤器罐体的名义壁厚为6.5mm。所以本砂滤器的罐体的厚度定为6.5mm。 因为上封头选择的是平板封盖，且厚度比罐体的厚度大3mm，所以上封盖的厚 度为9.5mm，为方便设计定上封盖的厚度为10mm。 砂滤器的罐体高度的计算是由它内部的各部分高度来确定的， 下面来计算内部 各部分的高度。 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 19图 2.3 Dynasand 公司砂滤器结构简图 由图 2.3 可知砂滤器的内部由空气提升泵、布水器、滤床、洗砂器、洗砂出水 口、进水口、滤液出口等部分组成。 所以计算出布水器、滤床的尺寸就能确定砂滤器罐体的尺寸高度。下面先进行 布水器的计算。 （四）布水器就是在一定的工作面积上按一定的规律布置一定的水量，最常见 的是在工作面上均匀布水。常见的布水器有穿孔管、喷头、滤头、旋转布水器。譬 如，砂滤池中的布水器就是由干管-支管-布水孔组成的，每根支管的下侧均匀布置 很多等孔距等直径的小孔，滤池反冲洗的水由干管到支管，再由支管的孔眼流出向 上均匀冲洗滤砂。布水器对水流起消能作用，使水流平稳地进入滤层，均匀旋流布 水器下端的布水板起到均匀布水的作用。 布水板是一个圆锥形的结构，布水器的支管与布水板顶端处在一个水平的位 置，布水板的形状如图2.4。 图 2.4 布水板的结构示意图 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 20 布水板的底面直径要略小于砂滤器罐体的直径，因为砂滤器罐体的直径为2m， 故布水板的直径可以定为1.6m， 顶角可以定为 0 120 ， 由底面半径0.8m， 半顶角 0 60 ， 可以算出布水板高度： 0 tan60 0.8 h =（2-5） = 3 .8 0=0.46m 所以由此算出布水板的高度为0.46m。 布水板底面与砂滤器罐体底部之间有着一定的距离， 布水板与罐体底部的距离 为0.2m为宜。 布水器与布水板相接，布水器选择八爪径向布水器，如图2.5所示。 图 2.5 八爪径向布水器结构图 布水器管径的直径为 50mm，由 8 个出水管组成，每个管的有效长度为 700mm, 出水孔方向向下开口，每根管都是由 13 个出水孔组成，每个出水孔之间的距离为 50mm，每两个水管之间的角度按 0 45 安装。 （五）滤床的高度的计算，滤料选择石英砂，滤料层是单层，石英砂粒径为 0.51.2mm。 滤层的高度一般都是粒径的700-900倍， 所以如果选择粒径为1.0mm， 所以滤层的高度为700-900mm，定为860mm。 （六）在滤床的上边有滤料反洗膨胀层，在砂滤器结构中有洗沙器，洗沙器就 位于滤料反洗膨胀层，滤料反洗膨胀层的高度是滤料层的1/2。由于滤床的高度为 860mm，故滤料反洗膨胀层得高度为 430mm。在滤料反洗膨胀层中设有洗砂槽，洗 砂槽的上面要与顶盖流出一部分的距离， 以保证顶部空气提砂管与滤后出水不互相 影响，所以应留出 50mm的高度。 一种内循环连续式砂滤器的结构设计 21 由以上的设计计算可以确定砂滤器的总高度 设砂滤器的总高度为 H，支腿的高度为 1 H ,布水器部分的高度为 2 H ,滤料层部 分的高度为 3 H ，滤料反洗膨胀层的高度为 4 H ，上封盖的高度为 5 H 。 则 砂滤器的总高度 5 4 3 2 1 H H H H H H + + + + = （2-6） = 2 1 776 +650+20+460+50+860+430+10+50 =2918mm 所以经初步计算得到的砂滤器的总高度为 2918mm，为了保护砂滤器的正常运 行，滤床的高度应相对高出之前设计的高度，所以可以加高砂滤器的罐体高度，最 后确定砂滤器的总高度为 2920mm。 2.3 内循环连续式砂滤器的结构设计 2.3.1砂滤器的罐体