排水工程课件 17过滤.ppt

第17章过滤,17-1过滤概述原水经过沉淀后，水中尚残留一些细微的悬浮杂志，需用过滤的方法除去,过滤就是以具有孔隙的粒状滤料层（如石英砂）截留水中杂质，从而使水获得澄清的工艺过程。过滤水的浊度不超过3mg/l(新标准不超过1mg/l)。对生活饮用水的水厂来说，必须有过滤，这是不可缺少的。右图为常用的普通快滤池的构造图，池体为钢筋混凝土水池。滤料层、垫层、配水系统、排水槽。工作周期：从过滤开始到冲洗结束的一段时间称为快滤池工作周期。分为过滤和冲洗两过程,普通快滤池构造剖视图,滤速：单位时间、单位过滤面积上的过滤水量称为滤速。（m/h)单位面积上的过滤水量，这是表面负荷，但它具有速度的因次“米/小时”所以习惯上又把表面负荷称作过滤速度。Q滤池的过滤水量（m3/h)滤池的过滤面积（m2)普通快滤池v=810m/h；周期T=1224h在保证滤后水质前提下，设法提高滤速和工作周期，这一直是过滤技术研究的一个重要课题。并因此推动了过滤技术的发展。双层滤料v=1014m/h；多层滤料v=1824m/h。,17-2过滤理论,一、过滤机理筛滤机理设D=0.5mm,以球体计，d80m。即80m以下的颗粒都可以通过砂层。而经过混凝沉淀的进入滤池的最大颗粒尺寸一般为2030m之间，还有很多更小的颗粒，但滤池都能去除掉它们，说明不是“筛滤”的作用。筛滤的机理无法解释。经过多人研究，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。水中的悬浮颗粒能够粘附与颗粒表面上，涉及两个问题：第一、被水流夹带的颗粒如何与滤料颗粒表面接近或接触，第二、它们接近时依靠那些力的作用，使它们粘附于滤料表面上。,（一）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。被水流夹带的颗粒将随水流流线运动，它之所以会脱离流线而与滤料表面接近，完全是一种物理的力学作用。一般认为有以下几种作用引起：当颗粒尺寸较大时，处流线中的颗粒会直接碰到滤料表面产生拦截作用；颗粒的速度较大时会在重力的作用下脱离流线，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（惯性作用）；颗粒较小时，布朗运动较剧烈时会扩散至滤料表面（扩散作用）；在滤料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流线接触（水动力作用）。,（二）颗粒粘附,粘附作用是一种物理化学作用。当水中颗粒迁移到滤料表面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，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。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作用基本类似，不同的是滤料为固定介质，排列的紧密，效果好。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。基于这一概念，过滤效果主要取决于颗粒表面的性质而无须增大颗粒尺寸。相反如果悬浮颗粒尺寸过大而形成机械筛滤作用，反而会引起表面滤料孔隙堵塞。（三）滤料层截留杂质的规律粘附力和水流剪力相对大小，决定了颗粒粘附和脱稳程度。如图：颗粒粘附力和平均水流剪力示意图。,图中：Fa1表示颗粒1与滤料表面的粘附力；Fa2表示颗粒2与颗粒之间的粘附力；Fs1表示颗粒1所受到的平均水流剪力；Fs2表示颗粒2所受到的平均水流剪力。过滤开始阶段，滤层比较干净，孔隙率较大，孔隙流速小，水流剪力Fs1较小，因而粘附力作用占优势（大量杂质被滤层表面所截留）。随着过滤时间延长，滤层中杂质逐渐增大，以至最后粘附上的颗粒（图中颗粒3）将首先脱落下来，或者被水流夹带的后续颗粒不在有粘附现象，于是，悬浮颗粒便向下层推移，下层滤料截留作用渐次得到发挥。,水中杂质进入滤层后，首先被第一层滤料截留大部分，少量“漏网”的杂质被下层的滤料所截留。过滤到一定时间后，表面滤料间孔隙率逐渐被杂质堵塞，严重时，由于表层滤料的“筛滤”结果，形成滤膜，使过滤阻力剧增。其结果，在一定过滤水头下，滤速将急剧减小，或滤膜产生裂缝时，大量水流将自裂缝中流出，造成局部流速过大而使杂质穿透整个滤层，出水水质恶化。这时尽管下层滤料还未发挥它们应有的作用，过滤也将被停止。（杂质在滤层中的分布情况见图）滤层含污能力：是指工作周期结束时，整个滤层单位体积滤料中所截留的杂质量，以kg/m3或g/cm3计，显然含污能力大，表明整个滤层所发挥的作用大。,滤池在运转过程中，由于滤池出水水质恶化超过水质标准，而停止工作的滤池工作周期为水质周期T1。水质周期常常用实验得到，其实验方程为：k1、a系数与水质有关（可根据周期反求）L0滤层厚度；v滤速；d滤料直径。T1与L0成正比、与v成反比，与d成反比。(滤料粗，周期短）,二、过滤水力学,一、清洁滤层的水头损失卡曼康悉尼计算公式（CarmanKozony)式中：h0表示水头损失（cm）；水的运动粘度(cm3/s)；g重力加速度(cm/s2)；m0滤料孔隙度；d0与滤料体积相同的球体直径(cm)；l0滤层厚度(cm)；v滤速(cm/s)滤料颗粒球度系数。实际滤层是非均匀滤料。计算非均匀滤层水头损失，可分成若干层，则各层水头损失之和为整个滤层总水头损失。,根据均质滤料层,设粒径为di的滤料重量占全部滤料重量之比为pi，则清洁滤层总水头损失为：分层越多，计算精度越高。（分析：悬浮物杂质增多，m0，由H0公式知，当d0、l0、T已定时，如m0、H0不变v，反之v不变H0）这样就产生了等速过滤与变速过滤两种过滤方式。（二）等速过滤中水头损失的变化当滤池过滤速度保持不变，亦既滤池流量保持不变时，称“等速过滤”。,冲洗后刚开始过滤时，滤层水头损失H0，当过滤时间为t时，滤层水头损失增加Ht,于是过滤时滤池总水头损失为：式中：H0清洁滤层水头损失cm;h配水系统、承托层及管（渠）水头损失之和cm;Ht在时间为t时的水头损失增值cm;式中的H0和h在整个过滤过程中不变。Ht随t增加而增大。Ht与t的关系，实际上反应了滤层截留杂质量与过滤时间的关系，亦既滤层孔隙率的变化与时间关系。由于过滤情况很复杂，目前虽然不少计算公式，但与生产实际都存在着差距。通过实验Ht与t一般呈直线关系。（见下图）,图中Hmax为水头损失增值为最大时的过滤水头损失。设计时应根据技术经济条件决定，一般为1.52.0m。图中T为过滤周期。如果不出现滤后水质恶化等情况，过滤周期不仅决定于最大允许水头损失、还与滤速有关，设滤速vv，其清洁砂层水头损失为H0一方面H0H0，同时单位时间内被滤层截留的杂质量较多，水头损失增加也较快，tgtg，因而，过滤周期TH1条件下的直径和长度关系：在快滤池大阻力配水系统中，干管和支管的管径及长度均符合上式条件，因而，末端压头通常大于起端压头。（如前图）,在大阻力配水系统中，支管中压头相差最大的是a孔和c孔两点。根据绘出干管和bc支管的水头线，可求得a孔和c内的压头，见图：H0干管起端0点压头；Ha支管a压头；Hb支管b压头；HC支管c压头；ha起端支管进口局部水头损失；hb末端支管进口局部水头损失；h01干管01沿程水头损失；hbc支管bc沿程水头损失；v0干管进口流速；va起端支管进口流速；vb末端支管进口流速；,上图为配水系统能量转换示意图。假定干管和支管沿程水头损失忽略不计，即令：h0-1近似等于0，hb-c近似等于0，同时各支管进口局部水头损失基本相等，即ha近似等于hb，并取=1，于是按图可得a孔和c孔处压头关系：2.大阻力配水系统原理在配水系统中，如果孔内压头相差最大的a和c出流量相等，则可认为整个滤池布水是均匀的。由于排水槽上缘是水平的，可认为冲洗时水流自各孔口流出后的终点水头在同一水平面上。这一水平面相当于排水槽水位。孔口内压头与孔口流出后的终点水头之差，即为水流经孔口、承托层和滤料层总水头损失，分别以HA/和HC/表示，上式中Ha和Hc均减去同一终点水头，可得：,设上式各项水头损失均与流量平方成正比，则：将上式代入：由上式可知两孔口流量不可能相等。但使Qa尽量与Qc接近还是可能的。其措施之一就是减小孔口总面积以增大S1，增大S1就削弱了承托层、滤料层阻力系数及配水系统压力不均匀的影响。这就是大阻力配水系统的基本原理。,3.穿孔管大阻力配水系统设计a和c孔出流量在不考虑承托层和滤料层的阻力影响时，按孔口出流公式计算：,将由上三式可得：上式为大阻力配水系统构造尺寸依据。穿孔大阻力配水系统设计步骤（）选孔眼配水流速v0=56m/s；开孔比：孔眼总面积与滤池总面积之比，也可换算流速之比。f=Q/v0,=Q/q,根据反冲洗要求（滤层都悬浮），选冲洗强度1215L/s,代入：=0.20.25%关键参数是孔眼流速v0,因为q是已确定的，是推出的。（）选定v干、v支，v干=1.01.5m/s，v支=1.52.0m/s。代入上式验算看能否满足配水均匀性的要求。（）布置支管，支管轴距0.20.3（支管长与支管直径比不大于60).（）孔眼计算:f=Q/v0,孔眼直径d=912mm,孔眼间距l=L/n小于200300mm.,4.小阻力配水系统,大阻力配水系统的优点是配水均匀性好，但结构较复杂；孔口水头损失大，冲洗时动能消耗大，管道易结垢，增加检修困难，此外，对冲洗水头有限的虹吸滤池和无阀滤池，大阻力配水系统不能采用。小阻力配水系统可以克服上述缺点。（如公式）可以减小干管和支管流速，同样可以使布水趋于均匀。可以减小孔口阻力系数，来提高布水均匀性。（小阻力的来历）常用的是钢筋混凝土穿孔板即在钢筋混凝土板上开圆孔或条形缝隙,板上铺设两层尼龙网，也有用滤头或滤砖的。,孔口阻力与孔口面积或开孔比成反比，故开孔比愈大，阻力愈小。（1）大阻力配水系统：穿孔管上总的开孔率（孔口面积与滤池面积之比）很低，为0.200.25。（2）小阻力配水系统：开孔率一般在1.01.5，反冲洗水头只需1m左右。（3）中阻力配水系统，开孔率在0.60.8，配水系统多用双层滤砖。凡开孔比较大者，为保证配水均匀，应注意：（1）流道中流速要低，减小水损；（2）各孔口阻力应力求相等，加工精度要求高。基于上述原理，小阻力配水和大阻力配水系统不采用穿孔管系而是用穿孔滤板、滤砖和滤头。,钢筋混凝土穿孔滤板,5、冲洗废水的排除（一）冲洗排水槽1.槽与槽中心间距一般在1.52m之间.排水槽断面积:按自由跌水设计,起端端面积:4x2按3.5x2计算,(目的是保证跌水)即求出排水槽尺寸,(二)排水渠Q-滤池中冲洗水量;B-渠宽,为施工.检修方便0.7M.0.2是保证排水槽排水通畅使废水渠起端水面低于排水槽底的高度.,五、冲洗水的供给滤池冲洗的供给方式有两种：（一）冲洗水塔或高位水箱特点：造价高、操作简单、允许长时间向水塔或水箱输水，专用水泵小，电耗均匀。如条件许可尽量采用。,（二）水泵冲洗特点：投资省、操作麻烦、在冲洗时间内电耗大，陡然聚增。,17.5普通快滤池,、设计滤速及滤池总面积计算设计快滤池时，首先应当确定合适的过滤速度，再根据设计水量，计算出所需的滤池总面积。设计滤速直接涉及过滤水质、处理成本及运行管理等一系列问题应根据具体情况综合考虑。饮用水过滤池的滤速应符合有关设计规范要求，我国规定单层砂滤池的正常滤速为812m/h；在其他滤池冲洗，检修时，设计总水量通过工作滤池时的强制滤速为1014m/h。过滤废水时的滤速主要取决于悬浮物的浓度和处理要求。滤速确定后，滤池总面积F由下式确定：F=Q/v(m2),、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，可参考表17-8选用。单个滤池面积（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：,表17-8滤池个数,3、滤池深度滤池深度包括，保护高：0.25-0.3m；滤层表面以上水深：1.5-2.0m；滤层厚度：见表17-3；承托层厚度：见表17-4和表17-5。因此，滤池的总深度一般为3.0-3.5m。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。,4、管廊布置管廊：是指集中布置滤池的管渠、配件及阀门的场所，要求如下：（1）力求紧凑，简捷；（2）留有设备与管配件安装、维修时必须的空间；（3）具有良好的防水、排水、通风、照明设备；（4）便于与滤池操作室联系；（5）管廊中的管道一般用金属材料，也可用钢筋混凝土渠道；（6）管廊门及通道应允许最大配件通过，并考虑检修方便。,几种管廊布置方法见图17-26，滤池数小于5个时，滤池宜采用单行排列，管廊位于滤池的一侧。当滤池数超过5个时，滤池宜采用双行排列，管廊位于两排滤池的中间。后者布置紧凑，但管廊通风、采光不如前者，检修也不太方便。,管廊布置主要有如下四种形式：（1）进水、清水、冲洗水和排水渠，全部布置于管廊内，如图17-24（a）所示。特点：渠道结构简单，施工方便，管渠集中紧凑，但管廊中管件较多，通行和检修不太方便。（2）冲洗水和清水渠布置于管廊中，进水和排水渠布置于滤池另一侧，如图17-24（b）所示。特点：可节省金属管件及阀门，管廊内管件简单，施工和检修方便。但造价稍高。（3）进水、冲洗水及清水管均采用金属管道，排水渠单独设置，如图17-24（c）所示，特点：通常用于小型水厂或滤池单行布置。（4）对于较大滤池，为节约阀门，可以将进水和排水阀门分别用进水虹吸和排水虹吸代替，冲洗水管和清水管仍用阀门，如图17-24（d）所示。特点：虹吸管通水或断水以真空系统控制。,5、快滤池管渠流速可根据表17-10确定。表17-10管渠流速,6设计注意事项（1）滤池清水管应设短管或留有堵板,管径一般采用75-200mm，以便滤池翻修后排放初滤水。（2）滤池底部宜设有排空管，其入口处设栅罩，池底坡度约为0.005，坡向排空管。（3）配水系统干管末端一般装有排有排气管。（4）每个滤池宜设置水头损失计及取样管。（5）各种密封渠道上应设有人孔，以便检修。（6）滤池池壁与砂层接触处抹面应拉毛，以免过滤时水流在该处形成“短路”而影响水质。,17.6无阀滤池,一般快滤池都有复杂的管道系统，并设有各种控制阀门，操作步骤相当复杂，同时也增加了建造费用。无阀滤池是利用水力学原理，通过进出水的压差自动控制虹吸产生和破坏，实现自动运行的滤池。无阀滤池的运行全部自动进行，操作方便，工作稳定可靠；在运转中滤层不会出现负水头；结构简单，材料节省，造价比普通快滤池低3050。但滤料进出困难；因冲洗水箱位于滤池上部，使滤池总高度较大；滤池冲洗时，原水也由虹吸管排出，浪费了一部分澄清的原水，且反洗污水量大。,17.6.1重力式无阀滤池的构造重力式无阀滤池的结构如图所示。,17.6.2重力式无阀滤池的设计要点1进水系统（1）进水分配槽（2）进水管U形存水弯2滤池面积与高度3冲洗水箱4虹吸管的计算5.优缺点无阀滤池一般用于中、小型水厂。单池面积一般不大于16m2。优点：它不需大型阀门，冲洗完全自动，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。,17.7虹吸滤池,虹吸滤池的滤料组成和滤速选定，与普通快滤池相同，采用小阻力配水系统。所不同的是利用虹吸原理进水和排走反洗水，其构造和工作原理如图所示。虹吸滤池的冲洗水头一般为1.11.3m（即集水槽水位与排水槽顶的高差）。因一组滤池的集水槽相互连通一个滤池的反冲洗水量由其他滤池的滤过水供给。为了使其他滤池的总出水量能满足冲洗水量的要求，所以滤池的总数必须大于反冲洗强度和滤速的比值。虹吸滤池不需要大型进水阀或控制滤速装置，也不需冲洗水塔或水泵。比同规模的快滤池造价投资省2030，但滤池深度较大(56m）。适用户中、小型水处理厂。,17.7.1构造见图。,17.7.2设计要点1、滤池分格数2、滤池的总深度3、优缺点优点：不需要大型阀门及相应的启闭控制设备，也无管廊；可以利用滤池本身的出水量、水头进行冲洗，不需要设置冲洗高位水箱或水泵；可以在一定的范围内，根据来水量的变化自动均衡地调节各格滤池的滤速，不需要滤速控制设施；滤出水水位永远高于滤层，不会发生负水头现象。缺点：池深较大；不能排放初滤水；冲洗强度受其它几格滤池出水量的影响，故冲洗效果不象普通快滤池那样稳定。,17.8移动冲洗罩滤池,滤池被分隔成细长的格间，过滤时水由上向下流过格间。滤过水流出水位大体保持一定，随着过滤阻力增大，池内水位逐渐上升。当水位达到预定值时将装有冲洗水泵和排水泵的移动罩移至该过滤格间。这时，水泵把冲洗水由出水渠送至滤