（环境工程专业论文）高效无阀滤池进水水力自适应控制技术研究.pdf

硕= k 学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y ，a sar e s u l to ft h eg r e a tl a c k i n go fw a t e rr e s o u r c ea n dt h ed e t e r i o r a t i n go f w a t e rq u a l i t y ，m a n yc o u n t r i e sa r ef a c i n gt h ec r i s i so fw a t e rs h o r t a g e i m p o s i n ga d v a n c e d t r e a t m e n to nw a s t e w a t e rt om a k ei tv a l u a b l ei s g r a d u a l l yb e c o m i n go n eo ft h em o s t i m p o r t a n tw a yt oa l l e v i a t ew a t e rr e s o u r c ed e f i c i e n c y , a n di sg e n e r a l l ya c c e p t e dw o r l d w i d e a sf a ra st h e t e c h n i q u e sa v a i l a b l e b ec o n c e r n e d i ti st h ep r o c e s so f “f i o c c u l a t i o n s e d i m e n t a t i o n f i l t r a t i o n d i s i n f e c t i o n t h a tb em a i n l yu s e d i nt h es t e po ff i l t r a t i o n ，g r a v i t y v a l u e l e s sf i l t e ri sw i d e l yu s e df o ri t sp a r t i c u l a re x c e l l e n c e ss u c ha sl o wc o s tf o rn o tn e e d i n g b i gv a l v e ，c o m p l e t e l ya u t ow a s h i n g ，c o n v e n i e n to p e r a t i o na n dm a n a g e m e n ta n ds oo n h o w e v e rt h i sk i n do ff i l t e rh a st o wb u g si ni t sc i r c u l a t i n g ，t h a ti sc o n t i n u e di n l e t t i n gd u r i n g t h ep h a s eo fi n v e r t e dw a s h i n ga n dc a r r y i n go fg a sw i t ht h ei n l e ti n t ot h ef i l t e rd u r i n gt h e w h o l ec o u r s e t h i sd i s q u i s i t i o nt r i e dt od e v i s eak i n do fh y d r a u l i ca u t o r e g u l a t i n gs y s t e m r e m o v et h et w ob u g s e x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tt ol e a r na b o u ta n dt e s tt h ep a r a m e t e r su s e di n t h ed e s i g n i n go ft h ev a l v e ，a n dd e s i g n e dac o n c r e t eh y d r a u l i ca u t o r e g u l a t i n gs y s t e mt h a ti s a p p l i c a b l et oag r a v i t yv a l v el e s sf i l t e rw h o s et r e a t i n ga b i l i t yi s2 0 m 3 hw i t ht h ep a r a m e t e r s f o u n do u ta n dm a d eah i t t h ec o n c l u s i o n sw ea t t a i n e di sa sf o l l o w s ： f i r s t ，w h e nt h ea r e ar a t i oo f r e s i s t a n c er e g u l a t i n gb o d yt oi n b u i l tt u b ei so 1 、0 2 、0 3 、 0 4 、0 5 、0 6 、0 7 、o 8 a n d 0 9 t h ec o r r e s p o n d i n gl o c a lr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n tc a u s e db y r e s i s t a n c er e g u l a t i n g b o d y i s 0 3 1 、0 7 1 、1 2 5 、2 5 4 、3 9 3 、6 9 3 、1 1 9 2 、2 1 0 3 a n d 8 1 2 5 t h e s h a p eo fr e s i s t a n c er e g u l a t i n gb o d y ( c o n e - s h a p e d o r d i s c a l ) a n d t h ed i s t a n c eb e t w e e n r e s i s t a n c er e g u l a t i n gb o d ya n di n f a l lc a i lg r e a t l ya f f e c tt h el o c a lr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t t h e c o m b i n a t i o no fo b s t r u c t i v ed i s ca n dd i s c a lr e s i s t a n c er e g u l a t i n g b o d yc a na c h i e v et h e e x p e c t e de f f e c ta n dc a nb eu s e di nd e s i g n i n gah y d r a u l i ca u t o - r e g u l a t i n gs y s t e m s e c o n d ，t h er a t i oo fi n b u i l tt u b e sl e n g t ht oi t sd i a m e t e r ( l t d t ) c a l lg r e a t l ya f f e c tt h el o c a l r e s i s t a n c ec o e f f i c i e n tc a u s e d b y i n b u i l t t u b e ( t ) a s t h er a t i o d i m i n i s h e s tw i l le x p e r i e n c ea c o u r s eo f d e c r e a s i n g ，i n c r e a s i n g a n d d e c r e a s i n ga g a i n a n d f i n a l l yg o i n v a r i a b l e n e s t h er a t i ot h a tc a u s et h ep e a kv a l u eo fl o c a lr e s i s t a n c ec o e m c i e n t r 血e b e s tr a t i o ) i sa r o u n d4 0 w h e na t a o o 4 ，t h eb e s tr a t i oi s4 5 ，o t h e r w i s e ，t h eb e s t r a t i os h o u l db e4 0 w h e nt h ei n b u i l tt u b ei sm a d ea tt h eb e s tr a t i o ，t h el o c a lr e s i s t a n c e c o e f f i c i e n tc a u s e d b y i n b u i l t t u b e o f a t a o0 8 1 、0 7 2 、0 6 4 、0 4 9 、0 4 3 、0 3 1 、0 2 2 、 0 0 9i s0 8 1 、1 3 7 、1 7 4 、2 8 8 、5 0 l 、1 3 6 4 、2 7 0 5a n d1 9 8 0 1 丌 硕士学位论文 t h i r d ，ag r a y i t yv a l v el e s sf i l t e rw h i c hc a nf i l t e r2 0 m p e rh o u rw i t hah y d r a u l i c a u t o r e g u l a t i n gs y s t e mc o n t r o l l i n gi t si n l e ti sm a d e t h eh y d r a u l i ca u t o r e g u l a t i n gs y s t e mi s d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ed i m e n s i o no ft h ei n l e tt a n ka n dt h el o c a lr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t a t t a i n e df r o mt h ef o r m e re x p e r i m e n t t h ed e s i g n e dh y d r a u l i ca u t o r e g u l a t i n gs y s t e mc a nr u n w e l la n dm a k et h ee x p e c t e de f f e c tw h i c hs h o w st h a tt h ep a r a m e t e r sw ef o u n do u ta r e a c c t a t ee l l o u 曲 f i n a l l y , t h ed i m e n s i o no fh y d r a u l i ca u t o r e g u l a t i n gs y s t e m sa c c o m m o d a t i n gv a r i e s g r a y i t yv a l v el e s s f i l t e r so fd i f f e r e n tt r e a t i n ga b i l i t ya n dt h ec o r r e s p o n d i n gi n l e tt a n k sa r e d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h eu p w a r d se x p e r i m e n t a lo u t c o m ew h i c hi ss h o w e di nt h e t a b l e 5 - 3 5 - 4 k e y w o r d s ：g r a v i t yv a l v el e s sf i l t e r ；l o c a lr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t ；h y d r a u l i ca u t o - r e g u l a t i n g s y s t e m ；r e s i s t a n c er e g u l a t i n gb o d y ；i n b u i l tt u b e ；f l o a t e r i i 青岛理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 水是人类的生命，地球上所有的动植物都依赖水而生存。它是不可替代的宝贵资 源。随着人类的不断进步和社会生产力的高速发展，人们逐渐认识到水并不是取之不 尽，用之不尽的资源。水资源短缺和日益严重的水污染阻碍了经济和农业的发展，破 坏了生态系统。在2 0 5 0 年左右人类将面临前所未有的严重水资源危机。 1 1 水资源的现状 1 1 1 世界水资源状况 地球1 3 8 6 亿k m 3 的总水量中，有1 3 3 8 x1 0 “m 在海洋中，约占9 6 5 。在全球总水 量中，淡水只占2 5 2 ，而这些淡水中的6 8 7 分布在人迹罕至的南极、北极和高山上 ，3 1 分布在地下，只有0 3 分布在湖泊、江河等地面。在现在的技术条件，海水、深 层地下水、冰川固态水等还难以被人类直接利用；可以被人类利用的主要是河流、湖 泊、浅层地下水的淡水资源，他们经常得到降雨和降雪的补充和更新，可以持续使用 。这部分人类可利用的淡水资源仅为0 1 k m 3 ，只是地球上的很少一部分，约占全球水储 量的0 0 0 7 。 由于降水时空分布不均，而且随着城市化的加速、工农业发展的迅速加快、世界 人口的迅猛增加，导致用水取水量大幅度增加、水资与短缺形势日趋加剧。 目前全球不仅存在水资源严重短缺的问题，水环境污染状况也相当严重。根据世 界卫生组织公布的资料，全世界每年排入自然水体的污水达至u 4 2 0 0 1 0 8 t ，相当于世 界河川径流量的1 2 ，几乎等于2 0 0 0 年全世界的用水量。 1 1 2 我国水资源供需状况 我国是一个水资源短缺的国家。首先，我国的水资源并不丰富，是世界1 3 个贫水 国之一，年均降水量只有6 3 0 m e ，低于全球陆地面积年均降水量( 8 8 0 m m ) 。虽然年均 水资源总量为2 8 l 万亿一居世界第六位，据2 0 0 3 年第三届水资源论坛大会中联合国发 表的“世界水资源开发报告”，对世界上1 8 0 个国家和地区的水资源丰富状况进行排名 ，中国以人均占有水资源量近2 2 6 0 m 3 位居第1 2 8 位。其次，水资源在时空上分布的不均 匀，更使一些地区处于严峻的缺水状态，华北地区显得尤为突出。随着我国经济的发 展和城市化进程的加快，城市缺水问题日益突出，据资料统计，目前全国6 6 6 个城市中 ，缺水城市就达3 3 3 座，其中严重缺水1 0 8 座，主要集中在北方，高峰季节只能满足需 青岛理丁大学坝：卜学位论文 水量的6 5 7 0 ，全国城市日缺水量达1 6 0 0 万m ”，年缺水量6 0 亿r n ”。由于缺水，每年 都将影响工业产值2 0 0 0 多亿元。水资源短缺已成为制约我国经济发展的重要因素。 一方面我国水资源严重短缺，另一方面水环境污染状况却相当严重。大量工业废 水不达标外排，绝大部分生活污水不经处理直接排放，广大农村地区不合理使用化肥 、农药等农用化学物质，对地表水影响日趋严重。根据2 0 0 3 年发布的中国环境状况公 报，全国工业和城镇生活污水排放总量为4 3 9 5 亿t ；其中工业污水排放量2 0 7 2 ，f 7 , t ， 比上年增j j n 2 3 ：城镇生活污水排放量2 3 2 3 亿t ，比上年增加0 9 。我国主要水 系长江、黄河、松花江、珠江、辽河、海河、淮河、太湖、巢湖以及滇池的断面监测 结果表明，3 6 9 的河段达到优于地面水环境质量i i i 级标准，其中i 类水质占8 5 ， 1 i 类水质占2 1 7 ，i i l 类水质占6 7 ；6 3 1 河段的水质为i 、v 或劣v 类，失去了 作为饮用水源的功能，其中类水质河段占1 8 3 v 类水质7 1 ，劣类水质占3 7 7 。我国城市污水集中处理率不高，近6 0 的污水未经处理就直接排放，导致全国近1 2 的河流遭受污染。未来几年内，国家将投入巨资提高污水处理率，即使这样，仍然有 大量的污水进入水体，水体污染不可避免。随着城市化进程的不断加快以及工业的快 速发展，城市居民用水量和工业用水量不断增加，水资源短缺的情况会越来越严重， 水资源供需矛盾将更加突出。因此，为了缓解这种供需矛盾，解决我国城市缺水问题 迫在眉睫。一方面要提高人们的节水意识，采用各种节水措施：另一方面就是寻找新 的可利用水源，而城市污水无疑就是一种潜在的第二水源。1 ，经处理后回用于低水质 要求的用户，如工业冷却用水、景观河道用水、农田灌溉用水、生活杂用水等，从技 术、经济及环境效益等方面都是现实可行的。过滤技术是一种常规的传统水处理技术， 以其经济、高效的水处理效果，成为水处理工艺中的常青树。 1 2 过滤技术在水处理中的应用 1 2 1 过滤技术在给水处理中的应用 给水处理的任务是通过必要的处理方法去除水中杂质，使之符合生活饮用或工业 使用所要求的水质。1 。澄清和消毒是以地表水为水源生活饮用水的常用处理工艺。澄清 工艺通常包括混凝、沉淀和过滤，其处理对象主要是水中悬浮物和胶体杂质，也有相 当的除有机污染物的能力，因为水中有一部分非溶解性的有机污染物可以伴随浊度物 质的去除而去除，一些溶解性的有机污染物也可能附着于浊度物质上而被去除。“混 凝一沉淀一过滤一消毒”可称之为给水工程的常规处理工艺。 2 青岛理：= _ 火学埘一卜学位论文 1 2 2 过滤技术在污水处理中的应用 废水过滤与给水过滤不完全相同，所截留对象是有机生物絮体和无机泥砂，这两 者的强度不同，穿透滤料性能不同，在生物处理后二次沉淀池出水的过滤过程中，隔 滤被认为是去除悬浮固体的主要机理”3 。起初将给水处理过滤技术直接用于废水处理 中，但没有成功，因为废水处理滤池截留的污泥帖而易碎，污泥很快在滤料表面积聚， 形成泥封，当加大水头时污泥又很容易穿透滤层。针对废水处理的特点，经过多年的 精心试验研究，开发出适合废水特点的过滤技术，并应用到大规模水处理厂中，从而 使污水回用在工程上得以顺利实现。 废水深度处理工艺系统通常由不同的单元技术经优化组合而成。在进行废水深度 处理具体技术方法的优化选择时，应综合考虑回用水源的水质及回用用途正两个方面 的因素。表1 - 1 给出根据不同的深度处理目的和去除对象相应可以选用的深度处理技术 【卦 表1 - 1 废水深度处理技术 处理目的去处对象采用的主要处理技术 排放水体或资悬浮状态过滤、混凝、沉淀 源化再用 有机物 溶解状态 混凝沉淀、活性炭吸附、臭氧氧化、膜分离 植物性营氮吹脱、折点加氯、离予交换、生物脱氮 防止富营养化 养盐类磷化学沉淀、生物除磷 溶解性无机盐类反渗透、电渗析、离子交换 资源化再用微量成分 微生物臭氧氧化、消毒 由表1 - 1 可以看出，废水深度处理的具体工艺技术因具体处理目的不同而异。为满 足回用要求的深度处理，一般需进行混凝、沉淀、过滤和消毒；而为满足更为严格的 排放要求所进行的深度处理则往往需要脱氮除磷等。此外，在上述两种目的的深度处 理中，有时还需要辅以其他净化措施，如活性炭吸附、离子交换、反渗透、电渗析、 臭氧氧化等。 污水过滤的作用在于“3 ： ( 1 ) 进一步去除废水二级处理后的生物絮体和政体物质，显著降低出水的悬浮物含 量和浊度，能使出水清澈透明，为出水的安全回用提供保证。 ( 2 ) 进一步降低出水的c o d 值，对重金属、细菌、病毒有很高的去除串。 f 3 ) 去陈化学絮凝过程产生的铁盐、铝盐、石灰等沉积物。 ( 4 ) 去除化学法除磷时水中不溶性磷。 3 青岛理工犬学碰：l 学位论文 ( 5 ) 在活性炭吸附或离子交换之前，作为预处理设施，可提高后续处理装置的安全 性和处理效率。 ( 6 ) 在深度处理厂中，过滤能克服生物和化学处理的不规则性，从而提高回用的连 续性。 0 ) 通过进一步去陈废水中污染物质，可以减少后续的消毒费用。 1 2 3 应用实例 微絮凝一直接过滤技术是省去沉淀过程而将混凝与过滤过程在滤池内同步完成的 一种新型接触絮凝过滤工艺技术。这种直接过滤技术不仅可简化水厂处理流程，降低 投资费用，减少运行费用，而且还可延长过滤周期，提高产水量及出水水质。尤其适 用于水库水、湖泊水等低温低浊水质的净化处理，其净化效果比传统工艺好的多。随 着水体污染的日趋严重，国内外越来越多的城市毗蓄积水库、湖泊作为饮用水源。微 絮凝一直接过滤技术随之就成为各国，尤其是发达国家给水领域的研究热点州。 自2 0 世纪7 0 年代至今，世界各国对直接过滤机理、滤料介质、粒径、絮凝剂的 使用与投加，直接过滤技术条件参数及净化去除效果进行了大量的研究。直接过滤技 术的理论研究是基于过滤机理的研究而逐渐深入进行的。y a oe ta l 提出，直接过滤中颗 粒的去除效率主要取决于传输和黏附过程，悬浮颗粒大小是过滤效率和性能的最基本 决定因素。h a b i r t h & u m e l i a 发现过滤中的化学条件及颗粒物脱稳与絮凝最佳条件一 致，而且絮凝中有效的化学影响在过滤中也有效嘲。 对直接过滤中絮凝剂的使用，研究报道也很多。d e m p s e y 、y a o 、0 m e i a 分别报道 了聚合铁去除浊度、富里酸、低温、低浊时比铝盐更有效且用量少i ”、1 2 ol e - - m m g c e 和t a n g & s t t m m 也分别报告了聚合对浊度去除的效果较好“3 ”3 。最近，中国科学院生态 中心的栾兆坤、李桂平等研究表明，聚合铝、聚合铁均适合微絮凝一深床直接过滤工 艺，但聚合铁比聚合铝形成絮体更快，絮体更密实，抗剪切力更好，滤池的水质周期 和水头周期更长，而且达到相同的处理效果时，聚合铁的投药量和所需床深都明显低 于聚合铝u ”。 微絮凝一直接过滤技术在给水处理领域的应用很广泛。c t d p 报告“”直接过滤适用 于三种源水：( 1 ) 浊度和色度均小于2 5 单位：( 2 ) 低浊度、色度小于或等于1 0 0 色度单位； ( 3 ) 低色度、浊度小于等于2 0 0 n t u 。 目前，微絮凝一直接过滤技术在城市废水深度处理与回用中的研究与应用主要是 脱氮和除磷。利用深床一直接过滤工艺进行同步脱氮除磷的研究是9 0 年代以后才开始 的，即将混凝除磷与反硝化脱氮集中在同一滤床中同步进行，较具代表性的是d y n a s a n d 4 青岛理工大学顶：i j 学位论文 过滤器。h u h m a n ，p l a z a 等试验表明o “1 ，d y n a s a n d 过滤器是一种高效同步脱氮除磷 装置，可将出水中磷和氮分别降到o _ 1 o 2 m g ，( l 和2 3 m g l 。 1 3 过滤原理与几种新型过滤技术 1 3 1 过滤原理 首先以单层砂滤池为例，其滤料粒径通常为0 5 m m 至1 2 m m ，滤层厚度一般为7 0 c m 。 经反冲洗水力分选后，滤料粒径自上而下大致按由细到粗依次排列，称滤料的水力分 级，滤层中孔隙尺寸也因此由上而下逐渐增大。设表层细砂粒径为0 5 哪，以球体计， 滤料颗粒之间的孔隙尺寸约8 0 um 。但是，进入滤池的悬浮物颗粒尺寸大部分小于3 0 um ，仍然能被滤层截留下来，而且在滤层深处( 孔隙大于8 0 um ) 也会被截留，说明过滤 显然不是机械筛滤作用的结果。经过众多研究者的研究，认为过滤主要是悬浮颗粒与 滤料颗粒之间粘附作用的结果。 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 的颗粒如何与滤料颗粒表面接近或接触，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，当颗粒与滤粒表面接触或接近时，依靠哪些力的作用使得他们 粘附于滤粒表面上。这就涉及粘附机理。 ( 1 ) 颗粒迁移 在过滤过程中，滤层孔隙中的水流一般属层流状态。被水流挟带的颗粒将随着水流 流线运动。它之所以会脱离流线而与滤粒表面接近，完全是一种物理化学作用。一般 认为由以下几种作用引起：拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力作用等。图卜1 为上述几 种迁移机理的示意图。颗粒尺寸较大时，处于流线中的颗粒会直接碰到滤料表面产生拦 截作用：颗粒沉速较大时会在重力作用下脱离流线，产生沉淀作用：颗粒具有较大惯性 时也可以脱离流线与滤料表面接触r 睽性作用) ；颗粒较小、布朗运动较剧烈时会扩散至 滤粒表面( 扩散作用) ：在滤粒表面附近存在速度梯度，非球体颗粒由于在速度梯度作用 下，会产生转动而脱离流线与颗粒表面接触( t j v 动力作用1 。对于上述迁移机理，目前只 能定性描述，其相对作用大小尚无法定量估算。虽然也有某些数学模式，但还不能解决 实际问题。可能几种机理同时存在，也可能只有其中某些机理起作用。例如，进入滤池 的凝聚颗粒尺寸一般较大，扩散作用几乎无足轻重。这些迁移机理所受影响因素较复杂， 如滤料尺寸、形状、滤速、水温、水中颗粒尺寸、形状和密度等。 ( 2 ) 颗粒粘附 粘附作用是一种物理化学作用。当水中杂质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，以及某些化学镀和某些特殊的化学吸附力下，被粘附于 5 青岛理丁大学硕_ ：学位论文 滤料颗粒表面上、或者粘附在滤粒表面上原先粘附的颗粒上。此外，絮凝颗粒的架桥 作用也会存在。粘附过程与澄清池中的泥渣所起的粘附作用基本类似，不同的是滤料 为固定介质，排列紧密，效果更好。因此，粘附作用主要决定于滤料和水中颗粒的表 面物理化学性质。未经脱稳的悬浮物颗粒，过滤效果很差这就是证明。不过，在过 滤过程中，特别是过滤后期，当滤层中孔隙尺寸逐渐减小时，表层滤料的筛滤作用也 不能完全排除，但这种现象并不希望发生。 $ 推 l 扩散 采动力 图1 - 1 颗粒迁移机理 f i g1 - 1 t h em e c h a n i s mo fg r a n u l e s t r a n s p l a n t 1 3 2 几种新型过滤技术 ( 1 ) 反粒度过滤技术 杂质在过滤层中的穿透深度是时间的函数，合理而有效的过滤方法是待滤水先经 过粗滤料，再经过细滤料的过滤。目前采用的下向流过滤方式，因反冲洗后造成滤料 粒径从上至下逐渐增大的滤层结构是最不合理的。为了改善水质又充分发挥整个滤层 的截污作用，待滤水应该是先粗后细的过滤方式。这即所谓“反粒度过滤”“”。 为获得“反粒度过滤”的优良效果，同时又解决过滤时滤层膨胀的问题，专家们 采用三层或双层滤料进行“正向”过滤。三层滤料滤池滤层的组成是：底层用重质细 粒的磁铁矿或其他类似物质：中层用石英砂，它的比重小于磁铁矿，粒径大干磁铁矿； 顶层则采用质轻粒粗的无烟煤。这样待滤水从表层粒径粗的无烟煤进：从底层粒径小 的磁铁矿出，能基本上获得反粒度过滤的效果。例但由于反冲沈的结果，每一层滤料粒 径的组成，仍是上细下粗，待滤水在每一层滤料中的过滤，仍是传统的正向过滤，仍 克服不了“正向”过滤的缺点。而且反冲时极易造成相邻两种不同滤料层之间的“混 床”和轻质滤料的流失。双层滤料是由煤和石英砂组成，情况与三层滤料滤池一样。 ( 2 ) 纤维过滤 6 b 尹龇 ，嗲 后严黼 青岛理工大学顶士学位论文 纤维滤料具有呈柔性、可压缩、孔隙率大、比表面积大、截污能力强、工作层具 有上疏下密的理想滤层的孑l 隙分布、易于反洗、具有较强的耐磨性及抗化学侵蚀性， 因而越来越被人们重视。 纤维过滤的积泥形态学研究表明”1 ，当水经过纤维过滤层时，被水流夹带的悬浮 颗粒在某些物理因素如：拦截、惯性扩散、沉降和流体动力等作用下会脱离水流流线， 向滤料表面靠近，在范德华引力、静电力以及物理化学吸附力的作用下，悬浮颗粒就 会粘附在滤料的表面上或粘附在原来已粘附悬浮颗粒的表面上，称之为表层过滤，但 滤料和悬浮颗粒之间粘合程度并不十分牢固，因此，在水力作用下，一部分已粘着的 悬浮颗粒就会从滤料表面剥落下来，被水流带人下一层滤料，重新被吸附截留，称之 为滤料深层过滤。 经混凝处理后，水中的悬浮颗粒被滤料截留的可能性高于未经混凝处理的，原因 是脱稳的悬浮颗粒更易被粘着，所以一般混凝后水的过滤效果更佳。纤维过滤与颗粒 滤料过滤机理相似，具有表层和深层过滤双重作用，但纤维滤料的比表面积大，深层 过滤效果比颗粒滤料实现的更好，因此截污容量更大。 ( 3 ) 变孔隙深层过滤 所谓变孔隙过滤器就是采用一种比通常使用的滤料粒径更大的滤料和另一种细粒 滤料按一定比例混合而成的滤床。”。变孔隙过滤器采用的滤料粒径及所占的比例相差 较大，变孔隙过滤器的粒径及级配关系通常为：粗砂2 8 m 1 2 唧，细砂1 0 栅 0 5 m m 。其中，粗砂占9 6 7 ，细砂占3 3 。 对于污水处理后的过滤来说，由于经石灰一混凝处理后的污水中悬浮物较多、粘 度大，利用一般的普通滤池时，由于它是滤层表面过滤，存在着运行阻力大、易结块、 运行周期短、反洗难度大等问题。为此，对于污水经石灰一混凝处理后的出水，不宜 采用普通滤池。 变孔隙过滤器的机理是：被滤物质在通过滤层的过程中，除可能发生截留、沉淀、 架桥等作用外，还有絮凝作用发生这种絮凝作用对于细小微粒的去除有着很重要的 意义。根据絮凝机理，絮凝粒子的潜在尺寸特征取决于下述乘积此乘积称为絮凝准 数： 1 一。 r g 瓦c j = 13 4 2 专c o 式中：g 速度梯度，s ： t 。絮凝有效时问，s ； c 。r 一初始浓度； e 滤层的孔隙率； 7 青岛理丁= i ；= 学顶i j 学位论文 l 停留区的滤层厚度，i n n ； d _ 滤料直径，m 。 上式说明絮凝效果随孔隙率和滤料直径的减少而增加，随停留区滤层厚度和初始 浓度的增大而增加，与滤速无关。因此，在不改变滤层厚度和颗粒直径的前提下，孔 隙率的降低有助于提高絮凝效果。变孔隙深层过滤层的组成正是这样选择的：即滤料 的平均孔隙通道很大，以致在高滤速下不会产生孔隙堵塞，不会造成表面过滤。而加 入有限量的细滤料并将其均匀地分散在整个滤层中，可降低粗滤料的局部孔隙率，促 使细小颗粒的絮凝作用。这种絮凝作用为同向凝聚，同向凝聚是由于速度梯度产生剪 切力的结果，同向移动的絮凝作用使颗粒聚集，从而增加了悬浮颗粒的去除率。 变孔隙过滤器相对于普通过滤器来说具有以下优点：其一，过滤速度可高达 1 8 m h 2 1 6m h ，截污量大，且周期长；其二，由于它是正流深层过滤，具有运行简 单，反沈不污染出水的优点；其三，由于细小滤料的加入改变了滤床的孔隙度，从而 截留了更多的悬浮颗粒，提高了出水水质；其四，反洗水耗量小；其五，投资低。 ( 4 ) 膜过滤技术 膜过滤与其他分离过程相比具有许多优点：( 1 ) 一般不发生相变，能耗低；( 2 ) 分离 效率高，效果好：( 3 ) 通常在室温下工作，操作、维护简便，可靠性高：( 4 ) 设备的体积 较小，占地面积少。按成膜材料不同，膜可以分为有机膜和无机膜。有机膜制备工艺 简单、方便，膜产品易变形，膜组件的装填密度高，但遇热不稳定、不耐高温、在液 体中易溶胀、强度低、再生复杂、使用寿命短。无机膜制备工艺较复杂，但膜不易变 形、耐高温、耐有机溶剂、抗微生物腐蚀、刚性及机械强度好、不老化等而表现出更 大的潜力。“。 1 4 滤池形式 滤池有多种形式。以石英砂作为滤料的普通快滤池使用历史最久。在此基础上， 人们从不同的工艺角度发展出其它型式快滤池。为充分发挥滤料层截留杂质能力，出 现了滤料粒径循水流方向减小或不变的过滤层，例如，双层、多层及均质滤料滤地， 上向流和双向流滤池等。为了减少滤池阀门，出现了虹吸滤池、无阀滤池、移动冲洗 骂滤池以及其它水力自动冲洗滤池等。在冲洗方式上，有单纯水冲洗和汽水反冲洗两 种。各种形式滤池，过滤原理基本一样，基本工作过程也相同，即过滤和冲洗交错进 行1 。 1 4 1 普通快滤池 普通快滤池的结构见图1 - 2 ，其工作过程如下： 8 青岛理工人学顶：l ：学位论文 图1 2 普通快滤池构造剖视图 f i g1 - 2t h ec u t a w a yv i e wo f as i m p l es p e e d yf i l t e r 1 一进水总管：2 一进水支管；3 一清水支管：4 一冲洗水支管：5 一排水阀 6 一浑水渠：7 一滤料层；8 一承托层；9 一配水支管；l o 一配水干管； 1 l 一冲洗水总管；1 2 一清水总管：1 3 一冲洗排水槽：1 4 一废水渠 过滤过滤时，开启进水支管2 与清水支管3 的阀门。关闭冲沈水支管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 进入滤他。经过滤料层7 、承托层 8 后，出配水系统的配水支管9 汇集起来再经配水系统干管渠1 0 、清水支管、清水总 管1 2 流往清水池。浑水流经滤料层时，水中杂质即被截留。随着滤层中杂质截留量的 逐渐增加，滤料层中水头损失也相应增加。一般当水头损失增至一定程度以致滤池产 水量减少，或由于滤过水质不符合要求时，滤池便须停止过滤进行冲洗。 冲洗冲洗时，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。冲洗水即出冲洗水总管1 1 、支管4 经配水系统的下管、支管及支管上的许多孔 眼流出，由下而上穿过承托层及滤料层，均匀地分布于整个滤池平面上。滤料层在由下 9 青岛理工大学颂士学位论文 i i 剖面 1 2 辜幅 1 4 二孙 、 l p 1 3 1 j l 、 酥 l一 二。三2 _ 公了一7 三 一三三三l0 卜 7 别吲融剧吲眵铡l 6 一 。) l i 4 5 一 一 i 2 圳 t 。州ii 皓9 7 茜 ( 2 4 ) ( 2 1 1 0 6 ) 0 ( 1 5 ) l 1 4 3 l 03 ) 6 t 2 2 ) 持 8ii b ( 1 ) 【2 ) 。，埽1 2 ( 4 ) 门卜l ( 1 ”卜 一 1 0 青岛理工大学坝二卜学位论文 而上均匀分布的水流中处于悬浮状态，滤料得到清洗。冲洗废水流入冲洗排水槽1 3 ，再 经浑水渠6 、排水管和废水渠1 4 进入下水道。冲洗一直进行到滤料基本沈干净为止。 冲洗结束后过滤重新开始。从过滤开始到冲洗结束的一段时间称为快滤池工作 用期。从过滤开始至过滤结束休为过滤周期。 1 4 2 移动罩滤池 移动罩滤池是由许多滤格为一组构成的滤池，利用一个可移动的冲洗罩轮流对各 滤格进行冲洗。某滤格的冲沈水来自本组其它滤格的滤后水，这方面吸取了虹吸滤他 的优点。移动冲洗罩的作用与无阀滤池伞形顶盖相同，冲洗时，使滤格处于封闭状态。 因此，移动罩滤池具有虹吸滤池和无阀滤池的某些特点。图卜3 为一座由2 4 格组成、 双行排列的虹吸式移动罩滤池示意图。为检修需要，水厂内的滤池座数不得少于2 。滤 料层上部相互连通，滤池底部配水区也相互连通。放一座滤池仅有一个进口相出口。 过滤过程： 过滤时，待滤水由进水管1 经穿孔配水墙2 及消力栅3 进入滤池。通过滤层过滤 后由底部配水室5 流入钟罩式虹吸管的中心管6 。当虹吸中心管内水位上升到管顶且溢 流时，带走虹吸管钟罩7 和中心管间的空气，达到一定真空度时，虹吸形成，滤后水 便从钟罩7 和中心管间的空间流出，经出水堰8 流入清水池。滤池内水面标高z l 和出 水堰上水位标高z 2 之差即为过滤水头，一般取1 2 1 5 m 。 冲洗过程： 当某一格滤池需要冲洗时，冲洗罩1 0 由机械车1 2 带动移至浚滤格上面就位，并 封住滤格顶部，同时用抽气设备抽出排水虹吸管1 l 中的空气。当排水虹吸管真空度达 到定值时，虹吸形成( 因此这种冲洗罩称为虹吸式) ，冲洗开始。冲洗水由其余滤格 滤后水经小阻力配水系统的配水室5 配水孔4 进入滤池，通过承托层和滤料层后，冲 洗废水由排水虹吸管1 i 排入排水渠1 6 。出水堰顶水位z 2 和排水渠中水封并上的水位 z 3 之差即为冲沈水头。一般取1 o 1 2 m 。当滤格数较多时，在一格滤池冲洗期间， 滤池组仍可继续向清水池供水。冲洗完毕，冲沈罩移至下一滤格，再准备对下一滤格 进行冲洗。 1 4 3v 型滤池 v 型滤池是法国德格雷蒙( d k g b e m o n t ) 公司设计的一种快滤池，采用气、水反 冲洗，目前在我国的应用日益增多，适用于大、中型水厂。 青岛理工大学坝，i ：学位论义 耋 _ 一 _ o 一 ：= i o ：l ii = = 。j 一妊 反冲f l 守管 卜 曩_ 列一 一3 i ：、 1 7一 、 |2、 - _ 一 ： 一- 圈 4 l 一进水气动隔膜阀：2 一方孔：3 一堰口；4 一侧孔；5 一v 型槽；6 一小孔；7 一排水渠： 8 一汽水分配渠：9 一配水方孔；l o 一配气小孔：l l 一底部空间；1 2 一水封井；1 3 一出水堰 1 4 一清水渠；1 5 一排水阀；1 6 一清水阀：1 7 一进气阀：1 8 - 冲洗水阀 图卜4v 型滤池 f i g1 - 4 vm o d e lf i l t e r 青岛理工大学硕一l 学位论文 v 型滤池因两侧( 或一例也可) 进水槽设计成v 字形而得名。图卜4 为一座v 型滤池 构造简图。通常一组滤池由数只滤池组成。每只滤池中问为双层中央渠道，将滤池分 成左、有两洛。渠道上层是排水渠7 供冲沈排污用；下层是气、水分配渠8 ，过滤时汇 集滤后清水，冲洗时分配气和水。渠8 上部设有一排配气- 5 7 l1 0 ，下部设有一排配水 方孔9 。v 型槽底设有一排小孔6 ，既可作过滤时进水用，冲洗时又可供横向扫洗布水 用，这是v 型滤池的一个特点。滤板上均匀布置长柄滤头，每平方米约布置5 0 6 0 个。 滤板下部是空间1 1 。 过滤过程： 待滤水由进水总渠经进水气动隔膜阀l 和方孔2 后溢过堰口3 再经侧孔4 进入v 型槽5 。 待滤水通过v 型槽底小孔6 和槽顶溢流，均匀进入滤池而后通过砂滤层和长柄滤头流 入底部空间l l ，再经方孔9 汇入中央气水分配渠8 内，最后由管廊中的水封并1 2 、出 水堰1 3 、清水渠1 4 流入清水池。滤邃可在7 2 0 m h 范围内选用，视原水水质、滤料 组成等决定。滤速可根据滤池水位变化自动调节出心蝶阀开启度来实现等速过滤。 冲洗过程： 首先关闭进水阀1 ，但内侧方孔2 常开，故仍有一部分水继续进入v 型槽并经槽底 小孔6 进入滤池。而后开启排水阀1 5 将池面水从排水渠中诽出直至滤池水面与v 型槽 顶相平。 v 型滤池的主要持点是： ( 1 ) 可采用较粗滤科技厚滤层以增加过滤周期。由于反冲时滤层不膨胀，故整个滤 层在深度方向的粒径分布基本均匀，不发生水力分级现象，即所谓“均质滤料”，使滤 层含污能力提高。一般采用砂滤料，有效粒径乩= o 9 5 1 5 0 m m ，不均匀系数i ( 6 0 = 1 2 l i5 ，滤层厚约0 9 5 1 5 m 。 ( 2 ) 气、水反冲再加始终存在的横向表面扫洗，冲洗效果好，冲洗水量大大减少。 1 4 4 压力滤池 压力滤油是用钢制压力容器为外壳制成的快滤池，如图卜5 所示：容器内装有滤 料及进水和配水系统。容器外设置各种管道和阀门等。压力滤池在压力下进行过滤。 进水用泵直接打入，滤后水常借压力直接送到用水装置、水塔或后面的处理设备 中。压力滤池常用于工业给水处理中，往往与离子交换器串联使用。配水系统常用小 阻力系统中的缝隙式滤头。滤层厚度通常大于重力式快滤池，一般约1 0 1 2 m 。期终 允许水头损失值一般可达5 6 m ，可直接从滤层上、下压力表读数得知。为提高冲洗效 果，可考虑用压缩空气辅助冲洗。 1 3 青岛理工大学硕1 j 学位论文 压力滤池有现成产品，宜径般不超过3 m 。它的特点是，可省去清水泵站；运转 管理较方便；可移动位置，临时性给水也很适用。但耗用钢材多，滤料的装卸不方便。 1 4 5 无阀滤池 图1 - 5 压力滤池 f i g1 - 5 p r e s s u r ef i l t e r 无阀滤池具有无需大型阀门造价较低，进水与反冲洗完全自动控制，操作管理方 便等优点，自二十世纪七十年代以来，无阀滤池被广泛应用于工矿企业、中小村镇的 除浊、除铁、除锰的净水处理。随着给排水工作者认识的深入，与各行业采用的传统 过滤设备相比较，目前无阀过滤技术主要在游泳池水过滤，循环冷却水过滤，地下水 除铁除锰过滤，中水处理过滤等方面得到应用“。目前，广泛采用的无阀滤池有重力 式无阀滤池和压力式无阀滤池两种，特别是重力式无阀滤池在国内使用较为广泛。 重力式无阀滤池的结构如图1 6 所示。 其具体结构主要由进水分配箱、进水管、虹吸上升管、顶盖、布水档板、滤料层、 承托层、小阻力配水系统、集水区、连通渠、冲洗水箱、出水管、虹吸辅助管、强制反 冲洗抽气管、虹吸下降管、排水井、虹吸破坏斗、虹吸破坏管、反冲洗强度调节器等组 成。 无阀滤池工作过程：待过滤水一进水分配箱一进水管一u 形进水弯一三通一布水板 一滤层一小阻力配水系统一集水区一三角连通渠一冲洗水箱。 1 4 青岛理工大学硕：i ：学位论文 图卜6 重力式无阀滤池的结构 f i g l 一6 s t r u c t u r eo fg r a v i t yv a l v el e s sf i l t e r l 一进水分配箱2 进水管3 一虹吸上升管4 一顶盖5 一布水档板6 一滤料层7 一承托层 8 小阻力配水系统9 一集水区1 0 一连通渠1 1 一冲洗水箱1 2 一出水管1 3 一虹吸辅助管 1 4 一抽气管1 5 一虹吸一f 降管1 6 一排水井1 7 一虹吸破坏斗1 8 一虹吸破坏