（市政工程专业论文）陶瓷滤料在给水处理中的应用研究.pdf

摘要 在国内外水处理过程实践中，传统石英砂滤料在作为给水过滤介质时，长 期以来一直存在过滤运行周期短、水头损失增长快的缺陷，其综合效益指数不 高。针对石英砂的这一缺陷提出了一种新型过滤介质陶瓷滤料。 陶瓷滤料以其优良的物化性能被越来越多的应用到水处理中，目前陶瓷滤 料主要应用于污水和废水处理，然而将陶瓷滤料用于饮用水的处理的研究还处 于初级阶段。因此，研究陶瓷滤料在给水过滤处理中的应用有着重大的理论意 义和现实意义。本文在系统回顾滤池过滤及滤料发展的基础上，对陶瓷滤料的 过滤性能进行了较系统的试验研究和理论分析。 试验采用了山东铝业公司提供的陶瓷滤料，在武汉市自鹤嘴水厂滤柱模型 处进行了小试试验，在滤池模型处进行了中试试验。我们首先在相同的过滤条 件下比较了陶瓷滤料和石英砂滤料的过滤性能，结果表明，陶瓷滤料较石英砂 有过滤周期长、水头损失小、浊度去除率高、截污均匀、反冲洗耗水量少等优 点，其综合过滤性能明显好于石英砂滤料，并且陶瓷滤料具有更强的抗冲击负 荷能力。然后我们在不同的滤速、滤层厚度、粒径f 对陶瓷滤料的过滤性能做 了正交试验，最后我们得出，当滤速为6 m h 、滤层厚度为8 0 c m 、d 】o 为0 8 3 m m 时，陶瓷滤料的综合过滤性能最好。最后我们在滤池模型处限制最大过滤周期、 固定反冲沈强度和历时，采用水厂过滤参数进行中试试验，并与白鹤嘴水厂滤 料的过滤效果对比，结果过滤效果大大好于该水厂石英砂滤料的过滤效果。 本文根据试验结果对陶瓷滤料与石英砂滤料做了经济性比较，建立了适合 陶瓷滤料滤层的水头损失方程以及过滤过程方程，并根据试验结果验证了反冲 洗作用机理。 关键词：陶瓷滤料浊度水头损失过滤周期截污量反冲洗滤速滤 层厚度级配 a b s t r a c t i nt h ew a t e rt r e a t m e n tp r o j e c tp r a c t i c ei nd o m e s t i ca n da b r o a d ，a saw a t e rf i l t e r m e d i u m t r a d i t i o n a lq u a r t zs a n dh a st h ed i s a d v a n t a g el i k es h o f tp e r i o da n db i g g e r h y d r a u l i cp r e s s u r el o s se t c t h ec o m p o s i t i v eb e n e f i ti n d e xi sl o w t oa i ma tt h i s d i s a d v a n t a g eo fq u a r t zs a n d ，w ep r o p o s ean e wf i l t e rm e d i u m - - c e r a m i c sf i l t e r t h ec e r a m i c sf i l t e rh a sb e e nu s e di nw a t e rt r e a t m e n tm o r ea n dm o r eb e c a u s ei t s g o o dp h y s i c a lm e c h a n i c a lc a p a b i l i t y t h ec e r a m i c sf i l t e rw a sm a i n l yu s e di nt h e t r e a t m e n to fs e w a g ea n dw a s t ew a t e ra tp r e s e n t h o w e v e rt h er e s e a r c ht ou s et h e c e r a m i c sf i l t e ri nt h ed r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n ti ss t i l li nt h ei n i t i a ls t a g e t h e r e f o r e ，t o r e s e a r c ht h ea p p l i c a t i o no fc e r a m i c sf i l t e ri nt h ew a t e rs u p p l yt r e a t m e n th a sg r e a t a c a d e m i ca n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l e ，o nt h eb a s eo fa n a l y s i so f r e v i e w i n g s y s t e m a t i c a l l yt h ed e v e l o p m e n to ff i l t r a t i o na n dm e d i af i l t e r , m a k ear e l a t i v es y s t e m e x p e r i m e n tr e s e a r c ha n dt h e o r ya n a l y s i sf o rt h ep e r f o r m a n c eo ff i l t r a t i o nb yc e r a m i c s f i l t e r t h ee x p e r i m e n tu s et h ec e r a m i c sf i l t e rw h i c ht h es h a n d o n ga l u m i n u mb u s i n e s s c o m p a n yp r o v i d e d ，w em a k eas m a l le x p e r i m e n ti nt h ef i l t e rp o l em o d e li nw u h a n w h i t ec r a n em o u t hw a t e rs u p p l yp l a n t ，t h a nw em a k eam i d d l i n ge x p e r i m e n ti nt h e f i l t e rt a n km o d e l f i r s t l y , w ec o m p a r e dt h ef i l t e rc a p a b i l i t yo fc e r a m i c sf i l t e ra n d q u a r t zs a n df i l t e ru n d e rt h ee q u a lf i l t e rc o n d i t i o n t h ec o n c l u s i o ni n d i c a t e dt h a t ，t o c o m p a r ew i t ht h eq u a a zs a n df i l t e r t h ec e r a m i c sf i l t e rh a st h ea d v a n t a g e so fl o n g e r f i l t e rp e d o d 、s m a l l e rh y d r a u l i cp r e s s u r el o s s 、h i g h e rt u r b i d i t yr e m o v er a t e 、m o r e e q u a l l yi m p u r i t yi n t e r c e p t i o n 、l e s sw a t e rc o n s u m ei nc o u n t e rw a s h i n g s e c o n d l y , w e m a k eac i o s se x p e r i m e n tu n d e rt h ec h a n g e dp e r c o l a t i o ns p e e d 、t h ec h a n g e df i l t e r l a y e rt h i c k n e s s 、t h ec h a n g e df i l t e rd i a m e t e r w ef i n a l l yf o u n d ，w h e nt h ep e r c o l a t i o n s p e e di s6 m h ，t h ef i l t e rl a y e rt h i c k n e s si s8 0 c r n ，t h ed l oi so 8 3 m m ，t h ec o m p o s i t i v e c a p a b i l i t yi sb e s t l a s t l y , i nt h ef i l t e rt a n km o d e l ，w el i m i t e dt h em a x i m a lf i l t e r p e r i o d 、p e gt h ec o u n t e rw a s h i n gi n t e n s i o na n dt i m e ，m a k et h em i d d l i n ge x p e r i m e n t u n d e rt h ef i l t e rp a r a m e t e ro ft h ew a t e rs u p p l yp l a n t ，a n dt h a nc o m p a r e dt h ef i l t e r e f f e c tw i t ht h ew a t e rs u p p l yp l a n t t h ec o n c l u s i o ni n d i c a t e dt h a tt h ef i l t e re f f e c tw a s m u c hb e t t e rt h a nt h eq u a r t zs a n df i l t e ri nt h ep l a n t t h i sa r t i c l em a k eae c o n o m i cc o m p a r i s o no f c e r a m i c sf i l t e ra n d q u a r t zs a n df i l t e r a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t ，b a s e dh y d r a u l i cp r e s s u r el o s se q u a t i o na n df i l t e r p r o c e s se q u a t i o nw h i c hi sa d a p tt ot h ec e r a m i c sf i l t e r a n dv a l i d a t et h ec o u n t e r w a s h i n gm e c h a n i s ma c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t k e yw o r d s ：c e r a m i c sf i l t e r t u r b i d i t yh y d r a u l i cp r e s s u r el o s s f i l t e r p e r i o d c o u n t e rw a s h i n gf i l t e rs p e e df i l t e rl a y e rt h i c k n e s s 1 1 i 武汉理- i = 大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 在水处理过程中，过滤一般是指以石英砂等粒状滤料层截留水中悬浮杂质， 从而使水获得澄清的工艺过程。过滤的功效，不仅在于进一步降低水中的浊度， 而且水中的有机物、细菌甚至病毒等将随水的浊度降低而被去除。至于残留于 滤后水中的细菌、病毒等在失去浑浊物的保护或依附后，在滤后消毒过程中也 将容易被杀死，这就为滤后消毒创造了良好条件。所以在饮用水的净化工艺中， 过滤过程是不可缺少的，它是保证饮用水卫生安全的重要措施【”。 滤池通常置于沉淀池或澄清池之后，进水浊度一般在1 0 度以下，出水浊度 必须达到饮用水标准。当源水浊度较低时，也可采用直接过测“。 1 2 过滤技术的发展 1 6 2 7 年，英国发表了过滤澄清净化水的第一个试验报告f 1 4 】。1 8 2 9 年，英国 伦敦的c h e l s e a 供水公司建成了用于实际生产的第一座慢滤池1 1 5 】。在慢滤池中， 水以0 1 o 3 m h 的速度缓慢通过由0 2 1 o m m 构成的厚度约为1 0 0 0 m m 的砂 层，在沙层表面自然形成几厘米厚的滤膜，依靠这些滤膜的筛除作用和滤膜中 微尘物的生物氧化作用去除水中的杂质。慢滤池在运行过程中，水中的悬浮杂 质不断积累在滤膜内，增大了过滤阻力，滤层的水头损失增加，滤速逐渐降低。 因此，慢滤池在运行2 3 个月后，须要停止滤水，并把滤层表面2 3 c m 的砂 刮掉，膜再生后重新投入运行。然而，由于滤速极慢，只有0 1 o 3 m h ，远远 不能满足用水量迅速增长的需要，而且占地太多1 2 , 6 i 。后来实践还证明，慢滤池 的生物处理作用，对于水中所有微量污染物质并不是很有效( 如有机氯农药去 除约5 0 ) 。因此，慢滤池只能看作是一种功能有限的处理方法。 为了满足人民日益增长用水量的需要，1 8 8 5 年，美国人研究发明了快滤池。 并于1 9 0 9 年建立了第一座快滤池。最初采用的快滤池标准滤速为5 m h ，现代快 滤池滤速可达4 0 m h 。目前采用快滤技术的普通快滤池、虹吸滤池、无阀滤池、 “v ”型滤池等多种形式的滤池在世界上得到了广泛的使用。现在，很多国家已 经采用深床高速的过滤方法。 理想滤池概念促使在过滤水流方向和滤料级配组合两方面加以改进，其主 武汉理工大学硕士学位论文 要表现在： 过滤水流方向上，开发了上向流过滤、双向流过滤、水平流过滤等；滤料 级配组合方面上，开发了双层滤料滤床，三层或多层滤床以及混合滤料，均质 滤料滤床等。 根据不同类型快滤池的运行及滤床结构的特性，反冲洗技术也得到了很大 的发展，从早期的单独手动高速水冲方式，到今天已广泛采用的自动控制气、 水混合冲洗，表面助冲等方式，滤池的冲洗正朝着高效、节能、节水的方向发 展。 1 3 过滤技术在国内外的研究现状 世界各国都认为过滤工艺是水处理工艺环节中去除悬浮浊质的最后和最重 要的一环。美国设计运行确定的滤池能去除浊质颗粒和胶体颗粒，使总的过滤 效率达到和超过9 9 。 为适应客观需要，己大量开发应用各式滤料滤池包括传统单层滤池，双层、 多层、学层上向流、单层双向流滤池等。掘1 9 8 9 年报道，国外绝人多数为高速 滤池，其滤速为1 2m h 。在挖潜改造旧滤池上，既保证了高出水品质0 1 0 5 n t u ，又取得了高产水量，这是一种经济实用的经验，大大节约了基建投资。 还有一种具有0 3 化及良好絮凝预处理的2 m 深床煤滤料滤池。 深床滤池用空气擦沈及水反冲沈，双层、多层滤料则用表面冲沈及反冲洗， 以保持其良好的运行状态。直接过滤在关国有2 0 年经验，可节省基建投资和同 常开支，但是须要源水浊度不大于1 5 n t u 。 解放以来，我国给水工作者与科学研究者通过努力学习国外先进理论和技 术并长期致力于科学试验和生产实践，积累了丰富的经验和成果，在过滤工艺 方面已接近国际先进水平。 就过滤工艺过程而言在过滤机理与结构方面，从慢滤到快滤，从单层到双 层、反粒度混合滤料过滤；从等速过滤到减速过滤；从黄砂、白煤滤料等到新 颖的陶粒滤料研制与应用；从下向流到前苏联k o 型上向流和a k x 双向流滤池； 从虹吸滤池到具有独创性的移动罩滤池；从四阀滤池到无阀滤池；从大阻力配 水系统到小阻力配水系统；从传统的水力分级滤层到均质滤料滤层等，都有了 自己的实践成果和结论，保证了滤后水的水质符合国家饮用水卫生标准。 在滤池群体白置方面，继组合式虹吸滤池后，我国研制的移动罩滤池具有 武汉理t 大学硕士学何论文 基建投资低廉( 为一般普通滤池的6 5 8 0 ) ，操作已可做到完全自动，具有恒 水位变滤速和低水头小阻力滤池的特点。 虽然国内在过滤工艺上取得很大进展，但是还存在以下主要问题： ( 1 ) 对滤池滤床中颗粒滤料的组成及其配置的重要性缺乏正确认识，有的 尚未切实执行严格的定期检查，分析其组成的变异和趋势，造成滤料的级配的 盲目，过滤性能低下。 ， ( 2 ) 国内单层砂滤料滤池用得较多，然而其过滤运行周期短、水头损失增 长快，其综合技术效益不高。 ( 3 ) 双层滤池，三层滤池运行效果并不理想。上层轻质滤料容易跑掉；层 问滤料混杂过度，且易产生板结；级配组织得选择原则不够明确。 ( 4 ) 滤池滤床的冲洗再生机制不健全。冲洗不按出水浊度或水头损失值而 按定时反冲洗；反冲洗强度不稳定，有高有低，造成滤料逸走或漏失，承托层 走动，砂面凹陷等不良效果；反冲沈系统布水不均匀或反冲洗水头损失很大或 水量与能量不足，容易造成局部板结。 近年来v 型滤池在我圈得应用得到了一定发展，v 型滤池采用大含污量的 单层均质颗粒砂滤料，应用气、水反冲洗技术，冲洗时滤层不膨胀或微膨胀， 作为生活饮用水处理时，滤速在7 1 4 m h 。滤池的工艺保证了：( 1 ) 整个过滤 周期中都能获得优质出水；( 2 ) 运行周期长，而运行费用低：( 3 ) 反冲洗采用 气水反冲沈，因此，节省了水耗、电耗1 6 1 。 v 型滤池采用均质洁料的优点是：在整个滤层上分布了均质滤料，并用不膨 胀的气水反冲洗法，因而不会水力分级，就实现了大含污能力的深层截污，由 于滤层的厚度也较常规的大，则可进一步保证滤池的高滤速、长周期和优良的 滤后水质1 6 j 。 1 4 陶瓷滤料在水处理中的应用 快滤池的发展和对快滤池的研究，一直是为提高滤池的含污能力增大 单位体积内滤料截留杂质( 絮粒、粘土、藻类、细菌、病毒及其它胶体颗粒) 的含量而努力。从7 0 年代开始，人们对滤料截留杂质的机理有了新的认识。为 提高滤池的工作效率，减少传统滤池过滤的不合理性，在澹池滤料研究上做了 大量工作，开发了多种优质净水滤料。 均质滤料并非指滤料粒径完全相同，滤料粒径仍存在一定程度的差别，而 武汉理工大学硕士学位论文 是指沿整个滤层深度方向的任一横断面上，滤料组成和平均粒径均匀一致。随 着人类对供水水质要求的提高和供水量的增加，已开发研究出了各种净水材料， 石英砂是使用最广泛的滤料，在双层和多层滤料中还有无烟煤、石榴石、钦铁 矿、磁铁矿、金刚砂等；人工合成的轻质滤料中有聚苯乙烯球粒、聚氯乙烯球 粒等，主要用于工业水处理中。用无机材料经烧结，破碎后制成的滤料有陶粒 滤料、陶瓷滤料等。用于给水处理的滤料，直接影响滤后水的水质，这就要求 滤料具有足够的机械强度，化学性能稳定，具有一定的颗粒级配和适当的孔隙 率等。 石英砂、无烟煤等普遍存在的问题足比表面积小、孔隙率小，截污能力受 到限制。国内外的水处理工程实践中，传统采用的是石英砂、无烟煤等材料作 为过滤工艺的滤料，长期以来一直存在截污能力低，运行周期短，耗水量大的 缺陷，其综合技术效益普遍不高。陶瓷滤料就是针对上述滤料的缺点研究开发 的一种新型人工滤料，其生产原料来自于铝厂的废矿料，掺合一定的成孔剂、 粘合剂和发泡剂，经过炼泥、陈腐、成型、干燥、烧成等工艺生产而成的一种 球型滤料，其表面f 簪硬，内部多微孔。经过中南市政设计院中国滤料检测中心 检测，其各项性能指标如破损率、磨损率、含泥量等都完全达到并优于国家规 定的质量标准，不仅比国内市场上正在采用的各种滤料性能更好，甚至达到美 国、日本等先进国家制定的质量标准。更为重要的是，新型陶瓷滤料在水中的 溶出盐含量极低，完全满足国家规定的饮用水卫生标准f 1 9 1 。 口河，陶粒滤料在水处理中主要应用予污水、工业废水的处理。1 9 9 9 年， 山东建材学院采用陶粒处理含镍废水，镍的去除率达9 9 以上。2 0 0 3 年，济南 大学采用陶粒分别处理含铅和锌废水，铅和锌的去除率均达9 8 以上。此外， 陶粒在解决水源微污染问题上也有了一定的研究应用。1 9 9 8 年，清华大学利用 生物陶粒对深圳水库水进行生物预处理现场试验研究，结果表明，生物陶粒能 有效地降低水中的n 0 2 _ n 、n h 3 一n 、o c 、浊度、色度、m n 和藻类，在工作 滤速为4 m h ，气水比为1 ：1 的条件下平均去除率分别为9 0 8 、8 4 、2 1 4 、 6 2 、4 7 、8 9 和6 8 ，是解决水源水微污染问题有效的预处理单元工艺【1 6 ，1 。”。 然而，陶粒滤料用于水厂直接作为过滤介质的应用研究目前还处于初步阶 段，考虑到新型陶瓷滤料其本身的性能具有良好的物理、化学和水力性能，比 表面积大，孔隙率高；吸附能力强，截污能力大，而且它是原材料来自铝厂的 废矿料，将其应用于新水厂建设和旧水厂的改建将是一个创新。并且可以带来 4 武汉理工大学硕士学位论文 技术、经济和环境等方面的效益。 1 5 选题的内容及意义 目前，人们面临水量、水质的矛盾，国内外的水处理工程实践中，传统采 用的是石英砂、无烟煤等材料作为过滤工艺的滤料，长期以来一直存在截污能 力低，运行周期短，耗水量大的缺陷，其综合技术效益普遍不高。因此，如何 研究工业化生产的孔隙率较高的、比表面积较大的、适宜于去除水中胶体杂质 的新型滤料就成为环保工作者面l 临的当务之急。 武汉理工大学和山东铝业合作利用铝厂的生产废料，研究丌发出种新型 过滤材料陶瓷滤料，本课题就是研究这种新型陶瓷滤料的过滤性能及相对 于石英砂滤料对浊度的去除效果，并就其反冲洗技术进行了试验研究。 试验采用了山东铝业公司提供的陶瓷滤料，在武汉市白鹤嘴水厂滤柱模型 处进行小试试验，在滤池模型处进行中试试验。我们首先在相同的过滤条件下 比较陶瓷滤料和石英砂滤料的过滤性能。然后我们在不同的滤速，滤层厚度、 粒径下对陶瓷滤料的过滤性能做j e 交试验，找出在何种条件下的过滤性能最好。 最后我们在滤池模型处限制最大过滤周期、固定反冲洗强度和历时，采用水厂 过滤参数进行中试试验，并与自鹤嘴水厂滤料的过滤效果进行对比。 本文根据试验结果对陶瓷滤料与石英砂滤料做经济性比较，建立适合陶瓷 滤料滤层的水头损失方程以及过滤过程方稃，并根据试验结果验证反冲沈作用 机理。 武汉理工大学硕士学伊论文 2 1 过滤机理 第二章过滤理论 水流中的悬浮颗粒能够粘附于滤料颗粒表面上，涉及两个问题。首先，被 水流挟带的颗粒如何与滤料表面接近或接触，这就涉及颗粒脱离水流流线而向 滤料颗粒表面靠近的迁移机理；第二，当颗粒与滤料表面接触或靠近时，依靠 哪些力的作用使得他们粘附于滤料表面上，这就涉及粘附机理。因此，完整的 过滤机理要包括对这两个过程的定量描述l l l 。 去除机理的发展大致可分为三个阶段。第一个阶段是定性的，实际上是一 些宏观的设想，把滤层的孑l 隙当作是一个微型沉淀池，把悬浮颗粒的沉淀作用 作为去除机理。第二个阶段主要是对迁移过程进行数学描述，得出在去除过程 中各种作用于悬浮颗粒物的因素和粒径大小问的关系。第三个阶段是把胶体的 表面化学以及物理化学流体力学的理论应用到迁移和附着两个过程中，对去除 过程进行数学的描述，涉及到了表面双电层的电动力作用、范德华吸力以及化 学键等旧。 2 1 1 颗粒迁移 在过滤过程中，滤层孔隙中的水流一般属于层流状念，被水流挟带的颗粒 将随着水流流线运动，在某种作用力的作用下，颗粒会脱离流线而与滤料表面 接近。一般认为存在以下几种作用力：拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力作用1 1 , 4 5 , 4 9 1 。 拦截：当悬浮颗粒沿着一条流线运动时，尺寸较大的颗粒会直接碰到滤料 表面产生拦截作用，这种俘获就称为拦截作用【甜。 沉淀：对于粒径和密度较大的悬浮颗粒，在重力方向上存在较大的沉速， 颗粒会偏离流线沉淀到滤料表面上。1 9 0 4 年h a z e n 第一个提出杂质颗粒在滤料 空隙中受重力作用会沉淀，其基本思想是杂质粒子以沉降速度( 斯托克斯速度) 沿重力方向运动，穿过流线并接近滤料表面，特别是滤料上表面。但在后期的 研究分析认为，只有当颗粒很接近滤料颗粒表面时( 例如2 0 9 m 以内) ，由于水 流的速度很小，由重力产生的沉速彳。足以影响颗粒物的运动，最后完成去除的 作用i 2 ，4 5 1 。 惯性：具有较大动量和密度的颗粒在绕过滤料表面时会因惯性作用脱离流 武汉理工大学硕十学付论文 线，碰撞到滤料表面上。1 9 0 4 年h a g e n 提出：滤料的作用类似一个无数底盘的 沉淀池，在滤床中每一个空隙空日j 均起着一个微型沉淀池作用，滤料则提供了 巨大的沉淀面积，同时，优良的水力条件为颗粒沉降创造了有利条件，惯性力 足够大的时候，把颗粒抛到滤料表面上，即完成了迁移的过程1 2 1 。 扩散：对于微小颗粒，布朗运动剧烈时会扩散到滤料表面上。水处理中杂 质颗粒的尺寸较大，扩散作用不明显1 2 】o 水动力作用：滤料| b j 隙构成的滤层的孔隙是极不规则的流体在其中流动， 由黏性引起的剪应力的分布也会很不均匀，特别是不规则颗粒就会由于受到不 平衡的力的作用产生径向运动或转动而脱离流线与滤料表面接触【引。 影响颗粒迁移的因素较复杂，如滤料尺寸、形状、滤速、水温以及悬浮颗 粒的粒径、形状和密度等。颗粒的粒度与去除机理的关系，大致是，对= 3 0 a m 的颗粒，沉淀和截阻都起作用，对约1 3 2m 的颗粒，以截阻为主要作用；对 o 1 1m 的颗粒，以截阻和扩散起主要作用；对3 3 0 2m 的颗粒，沉淀和截阻都起 作用。 2 1 2 颗粒粘附 粘附作用是一种物理化学作用。当水中的颗粒迁移到滤料表面上时，则在 范德华引力和静电力相互作用下，以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力下， 被粘附于滤料颗粒表面上，或者粘附在滤料表面上原先粘附的颗粒上。这些物 理化学力包括范德华力、静电力、化学键和化学吸附等。 接触絮凝：在源水中投加凝聚剂，压缩悬浮颗粒和滤料颗粒表面的双电层， 但尚未生成微絮凝体时，立即进行过滤。此时，水中脱稳的胶体很容易与滤料 表面凝聚，即发生接触絮凝作用。接触絮凝是附着作用的主要作用形式。 静电引力：由于悬浮颗粒表面上所带的电荷与滤料表面上所带电荷异性相 吸。 吸附：悬浮颗粒细小，具有很强的吸附趋势，吸附作用也可能通过絮凝剂 的架桥作用实现。絮凝物的一端附着在滤料表面，另一端附着在悬浮颗粒上。 某些聚合电介质能降低双电层的排斥力或者在两表面活性点问起键的作用而改 善附着性能。 分子引力：原子、分子日j 的引力在颗粒附着时起重要作用。分子引力可以 叠加，其作用范围有限( 通常小于5 0 m ) 与两分子| 日j 距的6 次方成反比。 武汉理e 大学硕士学位论文 在颗粒黏附的同时，还存在由于孔隙中水流的剪切力作用导致从滤料表面 脱落的趋势，黏附与脱落的程度往往决定于水流剪应力的相对大小。随着过滤 进行，悬浮颗粒的黏附，滤料间的孔隙逐渐减小，水流速度加快，水流剪力增 大，最后黏附的颗粒由于黏附力较弱就可能优先脱落。脱落的颗粒以及没有黏 附的颗粒会被水流夹带向下层推移，下层滤料的截留作用渐次得到发挥。 2 2 过滤过程中出水浊度和过滤水头损失的变化 当过滤的总水头损失值达到最大值，或者滤出水的浊度不合格时，滤池就 必须停止运行并开始反冲。 2 2 1 滤出水浊度的变化 过滤刚开始时出水浊度并不能满足水质标准，甚至大大超过所要求的合格 浊度值，随后浊度逐渐下降到达到水质标准的要求，这段时间称为过滤的成熟 期。之后出现一段浊度在一个稳定值附近波动并极缓慢上升的时间，在这段时 问后浊度即稳步迅速上升。浊度迅速上爿的这一点称为泄漏点，相应的浊度称 为泄漏浊度。对于一座滤池来说，它的泄漏浊度不能超过水质标准所要求的合 格浊度【2 1 。 图2 1 滤出水浊度变化曲线图 2 2 2 水头损失增长过程 滤池开始过滤时，水头损失由下列两个部分组成：( 1 ) 水流经过滤层所产 武汉理工大学硕+ 学伊论文 生的水头损失h 。；( 2 ) 水流过承托层、配水系统及管道的水头损失h l 。在刚开 始过滤时，h t 为水流经过清洁滤层的水头损失，随着过滤的进行，滤层截污后， h i 会逐渐增长，增长值为h t ，a h 。一般与t 呈直线关系。水头损失增长到一定 值后，滤层中截留了大量的杂质以致与砂面以下某一深度的水头损失超过该处 水深时，便会出现负水头。在负压区由于压力减小，原来溶解在水里的空气会 不断释放出来，释放出来的空气起了两个坏作用，一是增加滤层局部阻力，增 加了水头损失，二是空气泡会穿过滤层，上升到滤池表面，甚至会把滤料带出 水面，这就直接破坏了过滤的作用1 1 , 2 1 。 要避免出现负压，一个方法是增高滤层的上水深，另一个方法是限制过滤 时的最大水头损失。增加上水深同时也要增加滤池的高度，经济上会有所限制。 所以，一般我们在实际情况中限制过滤时的最大水头损失为1 6 m 。 2 3 过滤过程理论 3 0 年代木出现了有关过滤过程的理论研究论文，这些论文可分为两类，一 类是研究过滤周期或者絮体在滤层中的穿透深度等过滤指标与滤料的粒度、滤 速等参数的关系，另一类是企图建立整个过滤过程的数学模型。许多研究者都 进行了通过建立某种数学模式来描述深层粒状介质的过滤的尝试，他们常常是 将出水水质和水头损失与过滤时间相互关联起来，同时引入可测的宏观过滤变 量，如滤速、粒径、水流的粘滞度等。将各种悬浮液进行过滤试验，观察记录 滤层不同深度处的水质和水头损失的变化，最后经分析整理求得过滤的数学方 程式。过滤理论的数学表示式主要有过滤方程式和滤层水头损失公式。 1 、澄清方程式 1 9 3 7 年，日本t o m i n i s al w a s a k i ( 岩崎) 根据长期对过滤过程的研究，发表 了下列关系式： _ o c ；一肥 ( 2 1 ) m 。 d x v o c + 丝0 ( 2 2 ) a x田 a 1 九+ 6 6( 2 3 ) 式中：c 一滤层深度工处的单位时间内的面积微粒浓度( 微粒数c m ：d ) ； a 过滤系数，为滤料粒径、滤速和微粒的函数； 9 武汉理工大学硕十学位论文 j 0 _ 一清洁滤层过滤系数； t 过滤时间，d ； ，一过滤时间，d ； b 常数，为滤料粒径、滤速和微粒的函数； 毋一比沉积量，微粒数c m 2 。 上述澄清方程式的物理意义是，当悬浊液通过滤层时，悬浊液浓度随其通 过滤层的深度而减少，并且悬浊液浓度的减少速度与该点的悬浊液浓度成比例。 岩崎的动力学方程和连续性方程式是以慢滤池为对象提出来的，后来许多研究 者发现它们在快滤池中同样成立。 t o m i n i s al w a s a k i ( 岩崎) 的澄清方程式( 2 1 ) 和连续方程式( 2 2 ) 得 到了后来的m i n t s 、i v e s 、m a r o u d a s 的认同，只是在2 的函数表达式上各人持不 同意见。例如，岩崎认为a 的增加量与d 成正比；而i v e s 是用d 的二次式表示五， 并提出了在过滤初期增加，随后又减少的模式。以下是他们提出的a 表示式： m i n t s 公式： n 九k ) 叫， i v e s 公式； a = a o 【1 + 口1 6 一a z 62 ) ( 2 5 ) 式中：a ，口厂有笑滤料填充情况有关的系数； d o 给定条件下的极限截留量，即等- 0 时的d 量。 其余符号意义同前。 2 、清洁滤层水头损失公式 滤层由大量滤料颗粒堆积而成，当水流通过时，滤料颗粒对水流运动产生 了很大的阻力，在滤床层两端造成了很大的压降，称为过滤阻力，用水柱高度 表示即为过滤的水头损失。 水头损失无论在过滤设计和操作中都是重要参数，因此研究者们一直试图 用数学方法加以描述。目| i i ，流体通过尚未截留悬浮物的滤层的水头损失常用 利瓦( i _ e v a ) 公式和费尔一哈奇( f a i r - - h a t c h ) 公式进行计算，两公式都是从 康尼尔一卡曼( k o z e n y - - c a r m a n ) 公式推导出来的。特别是费尔一哈奇( f a i r - - h a t c h ) 公式是以滤池为对象求出的，与实测值吻合，但以r e = l 为界，方程 1 0 武汉理t = 大学硕士学伊论文 的形式有变化，因此在r e = l 附近探讨过滤阻力有些不便。然而利瓦( l e v a ) 公 式适用于r e 1 0 的范围，所以是个便于应用的公式。 康尼尔一卡曼( k o z e n y - - c a r m a n ) 公式： 伽兰g 警2 研n 。i 怛l oj 。 式中水流通过清洁滤层水头损失，啪： v 水的运动粘度，c m z s ： g 重力加速度，9 8 1 c m s 2 ： m o 滤料孔隙率； 幽与滤料体积相同的球体直径，c m ： t o 滤层厚度，c n l ； v 滤速，c m s 吵滤料颗粒球度系数。 上述公式只适用于均匀滤料滤池，而实际滤层是非均匀滤料，计算非均匀 滤料层水头损失，可按筛分曲线分成若干层，取相邻两筛子的筛孔孔径的平均 值作为各层的计算粒径，则各层水头损失之和即为整个滤层总水头损失。设粒 径为面的滤料重量占全部滤料重量之比为n ，则清洁滤层总水头损失为： = ! h , f f i l 8 0 9 学肛船) c z 刊 式中各符号意义同( 2 - 7 ) 式。 利瓦( l e v a ) 公式： ”裂 费尔一哈奇( f a i rh a t c h ) 公式： r e p d _ _ z 1 0 ( 2 8 ) p ”晋g t =o 倒 g 。万2 4 + 丙3 + 。3 4r 苫1 或巳一薏疋c 1 ( 2 - - 9 ) 式中： 液体的动力粘滞系数( k g m s ) ： 武汉理工大学硕士学位论文 d 滤料粒径： 垂一滤料的形状系数； 广液体的密度( 幻m 3 ) ； n 与滤料表面积有关的形状系数； 卜与滤料体积有关的形状系数。 其余符号意义同前。 i v c s 称，若过滤满足c c o 5 ，即滤床在去除大多数悬浮物杂质时，均匀粒 径的全滤层总水头损失的经验方程式可近似表示为： h ；h 。+ k v c o f ( 2 1 0 ) 。 1 一m o 式中：爵一常数： q - _ 一原水中悬浮物浓度； c 一出水中悬浮物浓度。 其余符号意义同前。 以岩崎的过滤方程为基本理论研究建立的一系列针对整个过滤过程的数学 模型，较成功地预测了因多变量的变化引起的过滤特性的变化，因而对设计和 操作具有一定的实用价值。但受多种因素影响的过滤本身的复杂性决定了要建 立一个适用于任何操作条件下的过滤过程并包括各种理论常数的精确的数学模 式事实上是不可能的。 滤坛的水头损失有如f 变化规律： ( 1 ) 滤料粒径越大，水头损失的绝对值增长越慢。 ( 2 ) 对悬浮物截留量及截留模式都相同的滤层来说，水头损失与滤速成比例 变化。 2 4 影响过滤过程的因素 过滤的影响因素可以分为物理和化学的两大类，但在具体情况下，某几种 影响因素特别显著。因此，当把下面一些影响因素分开来讨论时，假定其它因 素保持不变。 2 4 1 滤层的厚度和粒径 与欧洲的实践相比，中国所用的滤层较薄，但粒径较细，这就说明了这两 1 2 武汉理t 大学硕士学位论文 个因素的消长与过滤水质的关系。在同种滤料、相同反冲洗条件下，滤层孔隙 尺度以及有效孔隙率随滤料粒度的加大而增加。即滤料粒度越粗，可容纳悬浮 物的有效空间越大。其表现为过滤能力增强，截污量增大。同时，滤层孔隙度 越大，水中悬浮物能被更深地输送至下一层滤层，在有足够保护厚度的条件下， 悬浮物可以被更多地截留，使中下层滤层更好地发挥截留作用，滤池截污量增 加“。 从力学特性讲，过滤水流在滤料层中的流动与滤料颗粒自j 的水流剪力则具 有使被截留吸附在滤料颗粒表面的悬浮物剥落的可能，并同时产生附加水头， 即产生水头损失。滤料粒度增大，孔隙尺度加大，有效孔隙空f h j 增加，过水通 道尺度大，过滤水流阻力减弱，水头损失增量将得以延缓，其结果达到规定水 头损失的过滤周期得以延长，产水量得以增加。 欧洲采用粗的滤料，用较厚的滤层，同样也能得到良好的水质。厚的滤层 要求池子较深，这就存在经济上的比较以及全厂高程卸置是否合适的问题。 滤层厚度和粒径的影响表现为，单位滤层所提供的表面积须满足某一最低 数值的要求。单位滤池面积滤料的表面积表示为： z 白。妒) 2 捌一掣嚣( 2 - - 1 1 ) 6 式中：厶。滤层厚度； 滤层的孔隙度； t f r 滤料的球形度； d 8 滤料的几何平均粒径。 2 4 2 滤层的有效粒径和不均匀系数 滤料粒径级配是指滤料中各种粒径颗粒所占的重量比例。粒径是指正好通 过某筛孑l 的孔径。 d l o 为通过滤料重量1 0 的筛孔孔径，对于级配不同的滤料，只要d ，o 相同， 则过滤时所产生的水头损失相同，故我们称d 。o 为有效粒径，而称d s o d l o 为不均 匀系数，以k s o 表示。o 越大，表示粗细颗粒尺寸相差越大，颗粒越不均匀， 武汉理工大学硕士学位论文 这对过滤和反冲洗都不利。因为k s o 较大时，滤层下部的孔隙会比较大，而截污 主要依靠了在滤层上部的细滤料，上部细滤料不能截取的杂质颗粒，下部粗滤 料也不能有效地截获，无法发挥出整个滤层的过滤效率。而且，反冲洗时，为 了满足粗颗粒的膨胀要求，细颗粒由可能被冲出滤池，若只满足细滤料的冲洗 要求，则粗颗粒得不到很好的冲洗。 在实际生产中，不可能得到百分之百均匀的滤料，即k s o 不可能等于1 ，我 们只是尽可能采用小的不均匀系数的滤料。滤料均匀是指沿整个滤层深度方向 上，滤料组成和粒径分布基本均匀，反冲洗时不允许滤料层发生水力分级现象。 滤床上下方向的滤料孔隙率相同，使滤床内的水力流态相同，滤池能更好地克 服表面阻塞，使絮体深入滤床，提高滤层的含污能力，以达到滤出水量多，水 质好的效果。 2 4 3 滤速 一般认为，滤速越大，穿透深度也越大，因面需要的滤层厚度也越大。1 9 7 8 年t a t e 等人报导在其他过滤条件相同的情况下增加滤速导致滤后水中杂质颗粒 的增加。1 9 9 2 年c l a r k 等人发现随着滤速的增加，水中杂质颗粒的去除率下降。 1 9 9 3 年m o r a n 等人的研究也得到了同样的结果，但如果采用其它辅助措施，将 会减弱上述因滤速加大而带来的负面影响。1 9 6 8 年，t u e p k e r 等人研究发现，滤 速的增加要避免突然，应从丌始增加到达到预定滤速经过1 0 分钟逐渐增加，滤 速的提高可通过一个滤速控制器或慢丌阀如果水经过了适当的预处理，或者通 过滤层的速率适当，滤速不发生突然变化、不控制滤速的情况下，从滤层底部 直接过滤可能对水质没有决定性的影响i 捌。 2 4 4 水温 水温与穿透深度成正比，水温越低，水的粘度越大，胶体不容易脱稳，滤料 和没脱稳的粒子的凝聚、吸附作用减弱，使粒子不容易被截留，滤池的吸附性能 下降，滤层穿透加快，滤后出水浊度也因此增加较快。 而且水温的增加使水的运动粘度增加，在过滤时的水头损失增长也会加快， 终导致过滤周期的缩短。 2 4 5 水力波动 滤出水压力的不规则跳动现象称为水力波动。水力波动和滤速波动是并存 1 4 武汉理工大学硕十学位论文 的。因此，数值大的水力波动和滤速的大波动是同时出现，滤出水水质也就出 现恶化现象。水力波动的产生有下列情况：( 1 ) 由于滤池进口或出口处所装的 流量控制设施所引起的水流不稳定，甚至暂时失灵。( 2 ) 由于全厂流量的增加， 使滤池的滤速在短时间内的增加，或者由于一个滤池的冲洗引起别的滤池的滤 速变化。( 3 ) 滤池冲洗后开始过滤，或者别的滤池的开、停所引起的滤速变化。 当这些情况引起滤速的瞬变值过大时，则会产生滤出水水质显著恶化的现象， 研究表明，加少量聚合物就足以控制因水力波动所产生的浊度波动现象。 2 4 6 化学因素 影响过滤效果的化学因素很多，包括原水的各种化学水质系数、悬浮固体 的化学性质和过滤静的化学处理过程等等。化学因素有滤前水的水质特征综合 反应出来，而影响滤前水水质特征的则是滤前水所经过的化学处理。许多研究 资料表明：( 1 ) 未经化学处理的水，滤后水水质不合格；( 2 ) 仅加硫酸铝处理， 容易出现浊度泄漏，以致高滤速下不能采用；( 3 ) 采用阳离子型聚合物为混凝 剂时，滤后水不h 现泄漏现象。 2 4 7 其他因素 影响过滤的其它因素还有极限水头损失，颗粒的球形度，水的p h 值等。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章：试验内容及试验条件 3 1 陶瓷滤料的物化性能 3 1 1 陶瓷滤料的化学成分 多孔陶瓷滤料的制备所采用的主要原料为山东铝厂的烧结法赤泥，赤泥中 钙的含量较高，碱性太强，为了增加硅的含量，加入了硅石粉。那么以赤泥和 硅石粉作为主要原料，添加特制的调节剂，经造粒成型、高温烧结制备而成。 所以陶瓷滤料的化学成分见表3 一l ： 表3 1 陶瓷滤料化学成分表 s i o 。a l ：魄 c a o m g o f e ：仉 n a 2 0 、k 2 0 6 7 2 6 1 0 7 o 1 4 3 1 2 陶瓷滤料的性能特征 陶瓷滤料为白色球形颗粒，内有微孔，微孔形态不规则，孔隙的内表面凹 凸不平，具很高的比表面积，孔隙率为4 0 4 5 。经中南市政设计院中国滤 料检测中心检测，其各项性能指标见表3 2 ： 表3 2 陶瓷滤料性能指标表 粒径( 规格)