第17章 过滤(1).ppt

第17章过滤17 1过滤概述 1 过滤 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 过滤对生活饮用水的水厂来说 必须有过滤 这是不可缺少的 它是保证饮用水卫生安全的重要措施 2 作用 降低水的浊度 从沉淀池过来的水浊度一般在10度以下 过滤水的浊度不超过1NTU 水中有机物 细菌乃至病毒等将随水的浊度降低而被部分去除 普通快滤池工作过程 过滤冲洗 17 2过滤理论 粒状介质过滤机理 1 阻力截留 2 重力沉降 3 接触粘附 1 阻力截留 阻力截留或筛滤作用 当原水自上而下流过粒状滤料层时 粒径较大的悬浮颗粒首先被截留在表层滤料的空隙中 从而使此层滤料间的空隙越来越小 截污能力随之变得越来越高 结果逐渐形成一层主要由被截留的固体颗粒构成的滤膜 并由它起主要的过滤作用 筛滤作用的强度 主要取决于表层滤料的最小粒径和水中悬浮物的粒径 并与过滤速度有关 悬浮物粒径愈大 表层滤料和滤速愈小 就愈容易形成表层筛滤膜 滤膜的截污能力也愈高 2 重力沉降 原水通过滤料层时 众多的滤料表面提供了巨大的不受水力冲刷而可供悬浮物沉降的有效面积 形成了无数的小 沉淀池 悬浮物极易在此沉降下来 重力沉降强度主要与滤料直径和过滤速度有关 滤料愈小 沉降面积愈大 滤速愈小 则水流愈平稳 这些都有利于悬浮物的沉降据估计 1m3粒径为0 5mm的滤料中就拥有400m2不受水力冲刷而可供悬浮物沉降的有效面积 3 接触粘附 设D 0 5mm 以球体计 d 80 m 既80 m以下的颗粒都可以通过砂层 给水过滤主要是悬浮颗粒与滤料颗粒之间粘附作用的结果 而经过混凝沉淀的进入滤池的最大颗粒尺寸一般为20 30 m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 水中的悬浮颗粒能够粘附于颗粒表面上 涉及两个问题 第一 被水流挟带的颗粒如何与滤料颗粒表面接近或接触 这就涉及到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接近时 依靠那些力的作用使它们粘附于滤料表面上 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 拦截 沉淀 惯性 扩散和水动力作用等 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 拦截 沉淀 惯性 扩散 水动力 2 颗粒粘附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 或者粘附在滤粒表面上原先粘附的颗粒上 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或滤层空隙尺寸减小时 表层机械筛滤作用也不能完全排除 但反而会引起表面滤料孔隙堵塞 这种现象并不希望发生 在实际过滤过程中 上述三种机理往往同时起作用 只是依条件不同而有主次之分 对粒径较大的悬浮颗粒 以阻力截留为主 由于这一过程主要发生在滤料表层 通常称为表面过滤 对于细微悬浮物 以发生在滤料深层的重力沉降和接触粘附为主 称为深层过滤 3 滤层内杂质分布规律与颗粒粘附同时 还存在由于孔隙中水流剪力作用而导致颗粒从滤料表面上脱落趋势 粘附力和水流剪力相对大小 决定了颗粒粘附和脱落的程度 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 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 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 滤料表层孔隙率较小 分层作用 杂质主要截留在滤料表层 下部滤层的截污能力还未得到充分发挥 由于水头损失的提高 过滤就得停止 导致滤料层截污能力低 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 1 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g cm3或kg m3计 显然含污能力大 表明整个滤层所发挥的作用大 截污量 g cm3 滤层深度cm 石英砂 单层滤料 2 常见滤料组成 单层滤料滤池多层滤料滤池均质滤料滤池 4 直接过滤原水不经沉淀而直接进入滤池过滤称 直接过滤 一般原水浊度较低 在100度以下采用 直接过滤充分体现了滤层中特别是深层滤料中的接触絮凝的作用 直接过滤两种方式原水加药后直接进入滤池过滤 滤前不设任何絮凝设备 成为 接触过滤 滤池前设一简易微絮凝池 原水加药混合后先经微絮凝池 形成粒径相近的微絮粒后即刻进入滤池过滤 称 微絮凝过滤 滤前是否设置微絮凝池 目前还有不同看法 应根据具体水质条件决定 采用直接过滤工艺必须注意以下几点 原水水质较稳定 浊度在100以下 最好40 50 易采用双层 三层或均质滤料 适当增大滤层厚度和粒径 使孔隙率加大 否则易堵塞 不应形成大的絮凝体以免堵塞 为提高絮粒强度和粘附力 可在滤池进口之前附近投加助凝剂 活化硅酸及聚丙烯酰胺等 发挥高分子在滤层中的吸附架桥作用 使粘附在滤料上的杂质不易脱落 滤速根据原水水质 不易太大 一般控制在5m h 最好由试验决定 直接过滤特点 1 工艺简单 2 混凝剂用量少 3 易于处理低温低浊水 17 3滤料和承托层 17 3 1滤料滤料的要求 具有足够的机械强度 以防冲洗时滤料产生磨损和破碎现象 具有足够的化学稳定性 以免滤料与水产生化学反应而恶化水质 尤其不能含有对人类健康和生产有害物质 具有一定的颗粒级配和适当的空隙率 滤料应尽量就地取材 货源充足 价廉 1 有效粒径和不均匀系数法 滤料粒径是指把滤料包围在内的一个假想的球体直径 滤料级配是指滤料粒径大小不同的颗粒所占比例 通常用一套不同孔径的筛子进行筛分 以选取滤料 1 滤料粒径级配 K80越大 表示粗细颗粒尺寸相差越大 滤料粒径越不均匀 这对过滤和冲洗都很不利 2 滤料筛选方法 取某天然河砂砂样300g 洗净后置于105 C恒温箱中烘干 待冷却后称取100g 用一组筛子过筛 最后称出留在筛子上的重量 作好记录 根据以上实验数据绘成曲线 从曲线上求得d10 0 4mm d80 1 34mm 因此 K80 1 34 0 4 3 37上述河砂不均匀系数较大 根据设计要求 d10 0 55mm K80 2 0 则 d80 2 0 55 1 1mm 按此要求筛选滤料 在科研上进行研究时存在以下缺点 1 筛孔尺寸未必精确 2 未反应滤料颗粒的形状因素 为此 常需求出滤料等体积球体直径 求法是 将滤料样品过筛后 再将筛用力振动几下 又会落下一些颗粒 这些颗粒恰是通过筛孔的最大颗粒 从此中取出若干在分析天平上称重并数出颗粒数 按下式求出等体积球体直径d0 3 滤料孔隙率的测定 4 滤料形状 根据实测滤料形状对过滤和反冲洗水力学特性的影响得出 天然砂滤料的球度系数一般宜采用0 75 0 80 一般所用石英砂滤料的孔隙率为0 42左右 5 双层或多层滤料级配 有两个问题值得讨论 1 如何预示不同种类滤料的相互混杂程度 2 滤料混杂对过滤的影响 以石英砂为例 双层 在铺设滤料时 粒径小重度大的砂粒位于滤池底部 而粒径大 重度小的煤粒位于滤层上部 但在反冲洗后 可能出现三种情况 如图 1 分层正常 煤在上 砂在下 2 煤砂相互混杂 也可能部分混杂 在煤砂交界面上 也可能完全混杂 3 煤砂分层颠倒 既上层砂 下层煤 以上这种情况的出现 主要决定于煤砂的重度差 粒径差 砂的粒径级配 滤料的形状 水温及反冲洗强度 煤砂在反冲洗以后 所以能够分层 主要原因是两种不同比重的滤料在反冲洗上升水流中所形成的两种悬浮体比重不同所致 煤 水混合体 砂 水混合体 比重大的趋向下层 比重小的趋向上层 反冲洗一旦停止 两种滤料便保持分层状态 如果两种滤料形成的悬浮体比重相同 则将造成混杂 根据经验 最粗的无烟煤与最细的石英砂粒径之比在3 4之间 可保持良好的分层状态 但交界面处一定的混杂也是难免的 其混杂厚度在5cm左右 对过滤效果并无影响 滤料混杂时对过滤有何影响 有两种观点 1 煤 砂交界面上适度混杂 可避免交界面上积聚过多杂质而使水头损失增加较快 故适度混杂是有宜的 2 煤 砂交界面不应有混杂现象 因为煤层起截留大量杂质作用 砂层起精滤作用 而交界面分层清晰 起始水头损失将较小 实际上 煤 砂交界面上不同程度的混杂是难免的 只要不大于5cm左右就可以 另外 选用无烟煤时 要考虑煤的流失问题 在生产上此问题较严重 单层滤池通常以石英砂作为滤料 由于石英砂粒度较小 因而虽能获得较好的出水水质 但污物穿透深度浅 不能充分利用整个滤层的纳污能力 此外 沉积于细砂顶面上的污物极易固结 反洗时也不易被冲去 增加了水头损失 这种现象在过滤悬浮物浓度较高的原水时尤为严重 双层滤池正是为了克服上述缺点而产生的 一般是在石英砂滤层上铺一层比重轻而粒度较大的无烟煤滤料 无烟煤的棱角多 空隙率比砂大 因而具有较大的纳污能力 能除去进水中的大部分悬浮物 下层的细砂则主要起 精滤 作用 以保证较好的出水水质 双层滤料的纳污能力明显地增大了 此外 无烟煤的比重比砂小 二者分别为1 4 1 7和2 55 2 65 在反洗时比较容易膨胀 只要粒度适宜 反洗后仍能处于滤床的上层 而不致产生很大程度的混杂 17 3 2承托层承托层的作用 1 主要是防止滤料从配水系统中流失 2 同时对均布冲洗水也有一定作用 如承托层造成混层 漏砂 滤池就不能工作了 单层或双层滤料滤池采用大阻力配水系统时 承托层均用天然卵石 三层滤料滤池 由于下层滤料粒径很小 而比重大 承托层必须与之相适应 采用重质承托层 如果采用小阻力配水系统 承托层可不设 或适当铺设一些粗砂或细砾石 视配水系统具体情况而定 表17 5三层滤料滤池承托层材料 粒径与厚度 17 4滤池冲洗 目的 是清除滤层中截留的污物 使滤料层在短时间内恢复工作能力 冲洗通常采用水流自下而上的反冲洗 常用的反冲洗方法 高速水流反冲洗 中国 美国广泛应用 气 水联合反冲洗 国外普遍 中国增多 表面助冲加高速水流反冲洗 17 4 1高速水流反冲洗 1 冲洗强度 滤层膨胀度和冲洗时间1 冲洗强度 指单位面积滤层所通过的冲洗流量 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 e过小 下层滤料浮不起来 e过大 因滤料颗粒较小 它们之间碰撞摩擦机率减小 还会使上层滤料流失 承托层发生移动 理想的e应是截留杂质的那部分滤料恰好完全膨胀起来为限 或者下层最大滤料颗粒刚刚开始浮起时为宜 根据经验 一般单层滤料 砂料 e采用45 左右 煤 砂双层滤料取50 左右可取得良好效果 3 冲洗时间 生产中必须保证冲洗时间 一般在实际操作时 主要看冲洗废水的允许浊度来决定 利用上升空气气泡的振动 可有效地将附着于滤料表面污物擦洗下来 使之悬浮于水中 然后再用水反冲把污物排除池外 因为气泡能有效地使滤料表面污物破碎 脱落 故可大大地减小水冲强度 即可采用所谓的 低速反冲 水冲强度大小 视操作方式不同而异 气水反冲方法有以下几种 1 先用气冲 然后再用水冲 2 先用气水同时反冲 然后再用水冲 17 4 2气 水反冲洗 优点 1 提高冲洗效果 节省冲洗水量 2 冲洗时滤层可不膨胀或轻微膨胀 冲洗后滤层不产生或不明显产生上细下粗现象 可保持原来滤层结构从而提高滤层含污能力 缺点 与高速水流反冲洗相比 1 增加气冲设备 鼓风机或空气压缩机和储气罐 2 池子结构和冲洗操作也较复杂 17 4 3配水系统 作用 反冲洗时 均匀分布反冲洗水 过滤时 均匀集水 反冲洗时配水不均匀的危害 则流量小的部位滤料冲洗不净 污物逐渐粘结成 泥球 或 泥饼 流量大的部位 则可能使垫层被冲动 滤料和垫层混杂 并造成 跑砂 最终必然导致过滤过程的破坏 设计主要是满足反冲洗时的要求 也能同时满足过滤水的收集 常见的配水系