过滤概述gscl4

1、第四章 过 滤 4-1 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)。 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。 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。 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

2、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=810 m/h； 周期 T=12 24h 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=10 14 m/h； 多层滤料 v=18 24 m/h。 Q v 4-2 过滤理论 一、过滤机理 筛滤机理 设D=0.5 mm,以球体计， d80 m。 既80 m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20 30 之间，还有很多更小的 颗粒， 但滤池都能

3、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，

4、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

5、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。 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

6、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：是指工作周是指工作周 期结束时，整个滤层单位体积滤期结束时，整个滤层单位体积滤 料中所截留的杂质量，以料中所截留的杂质量，以kg/m3或或 g/cm3计，显然含污能力大，表明计，显然含污能力大，表明 整个滤层所发挥的作用大。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

7、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） （见教材P316） )( 1 7 . 07 . 1 0 1 1 v ad dv L k T 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

8、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。 0 2 0 3 0 2 0 0 ) 1 ( )1 ( 180l dm m g h 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。 （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”。 n i ii dpvl m m g hH 1 2 0 3 0 2 0 00 )/() 1

9、( )1 ( 180 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） tt HhHH 0 图中Hmax为水头损失增 值为最大时的

10、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v v，其清洁 砂层水头损失为H0 一方面 H0 H0 ，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，tg tg，因而，过滤周期T H1 条件下的直径和长度关系： 经验公式 D 0.015 L 0.8， L的单位M。 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 式 条件，因而，末端压头通常大于起端压头。（如前图） 2 2 12 3 1 2 aLQ g v HH 252 64 cD a

11、 6 1 1 R n c 4 D R g v D Ln HH 2 )5.411( 2 33.1 2 12 05.411 33.1 2 D Ln 33.1 006.0LD 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

12、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 流自各空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，即位水流经孔口、 承托层和滤料层总水头损失，分别以Ha和H0表示，上式中Ha和Hc均减 去同一终点水头，可得： . )( 2 1 22 0a

13、ac vv g HH )( 2 1 22 0 ! aAC vv g HH 设上式各项水头损失均与流量平方成正比，则： 将上式代入式： . 由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、式代入式 穿孔大阻力配水系统设计步骤 选孔眼配水流速 v0 = 56 m/h ； 开孔比：孔眼总面积与滤池总面积之比，也可换算流速

14、 之比。 f=Q/Vf=Q/V0 0 , , =Q/q=Q/q %100 1000 %100 0 v qf 根据反冲洗要求（滤层都悬浮），选冲洗强度 12 15 L/s,代入： = 0.2 0.25 %= 0.2 0.25 % 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 v干 干、 、v v支 支， v v干干=1.01.5m/s =1.01.5m/s， v v支 支=1.52.0m/s =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 M（支管长与支管直径比不 大于60). 孔眼计算: f=Q/v f=Q/v0 0 ,孔

15、眼直径 d-912 mm d-912 mm ,孔眼间距 l=l= L/n L/n 小于 200300 mm . 4.小阻力配水系统 常用的是钢筋混凝土穿孔板即在钢筋混凝土板上开园孔 或条形缝隙,板上铺设两层尼龙网. 也有用滤头或滤砖的. V/vV/v0=1:2=1:2 v很小, v v0也较小,水头损 失也小,但配水均匀性不太好. 过去认为v v0越小越好,实际上不是, v v0不小于11.5m/s,太小了不好. 开孔比 1 1 % , ,在工艺允许的情 况下,增大v v0是有好处的. H-进水室高度; L-配水室长度. 小阻力配水系统的主要缺点是:配 水均匀性较大阻力配水系统差,(所以, 滤

16、池面积不能太大) 10 H L 四、冲洗废水的排除 （一）冲洗排水槽（见P341） 5.槽与槽中心间距一般在1.52 M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 2 4x 3 2 73.1 g BQ 3 2 2 73.15.3 g BQ x 4.0 45.0Qx (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. 2.073.1 3 2 2 gB Q H c 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：

17、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。 4.对于较大型滤池，为了节约阀门，可以虹吸管代替排水和 进水管，冲洗水管和清水管仍用阀门，虹吸管由真空系统控制， 设计中应注意几点（p346） 1.滤池底部应设排空管，进入口处设栅罩，池低 i0.005， 坡向排空管。 2.每个滤池都应安装水头损失计及取样管。 3.各种密封渠道上应设人孔，以便检修。 4.滤池壁与砂层接触处应拉毛或剧齿状，以免短路。 普通快滤池运行效果良好，冲洗效果可得到保证，适应 任何规模水厂。 缺点：管配件及阀门

18、家较多，操作较其它滤池复杂。 4-6 虹吸滤池 一、虹吸滤池的构造及工作原理 滤池的进水和冲洗水的排除都由虹吸管完成，所以叫虹吸滤池。虹 吸管的运行用真空系统控制。 虹吸滤池过滤时，由于滤后水位永远高于滤层，保持正水头过滤， 所以不会发生负水头现象。每个单元的滤池水位，由于通过滤层的水头 损失不同而不同。 虹吸滤池因为低水头冲洗，因此要采用小阻力配水。 二、虹吸滤池设计要点 1.虹吸滤池的设计v、滤料组成、冲洗强度等与普通快滤池相同， 这里仅讨论几个特殊问题。 2.滤池分格数： 为满足滤池冲洗要求，滤池分格数应满足以下条件： v F ( n - 1 ) 3.6 q F q 冲洗强度L/m2S；

19、 F单格滤池面积m2； v设计滤速m/h, n滤池分格数。 通常滤池分格数68格，成组设计，每个水厂最少有两组滤池。 1 6 .3 v q n 虹吸滤池不需要冲洗水塔或冲洗水泵,因各格滤池底部空间通过连 通渠相互沟通,当一格冲洗时,所需冲洗水由其他数格滤池的过滤水通过 连通渠源源不断地供给,所以,必须成组设置,单格滤池不能单独生产. 通常,分格数6 8格,成组设计,每个水厂最少有两组滤池. 3.滤池高度： H=H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7+H8 式中: H1池底部集水空间高度,一般取0.3 m ; H2 小阻力配水系统高度(豆石绿板0.10.2m) ; H3 滤层厚度 ; H4 冲

20、洗时滤料膨胀高度H4=H3e % ; H5 冲洗排水槽总高度(净高+底版厚约0.1m) ; H6 出水堰与排水槽顶高差,(既冲洗水头1.0 1.2 m) ; H7 最大过滤水头(1.5 2.0 m) ; H8 滤池保护高(0.1 0.3 m) ; 由此可看出,虹吸滤池深度较普通快滤池大的多,一般在5m左右. 4.虹吸管计算 先给定滤速v,不低于0.5 1.0 m/s,太小气泡不能顺利排出,v过大虹 吸破坏不了,因气被带走,而应推算虹吸水位差. 也可根据水位差推求虹吸管端面尺寸. 三 、虹吸滤池的优缺点 优点: 1.不需要大型闸门及相应的电动或水力等控制设备; 2.不需要设置冲洗水箱或冲洗水泵;

21、 3.操作管理方便及易于实现自动化等。 缺点： 1.池深较大（5 6 m),池体构造较复杂； 2.洗水排水槽的水浪费掉，消耗水量较大； 3.由于采用小阻力配水系统，冲洗效果不佳，所以，单元滤池面 积不宜过大。 4-7无 阀滤池 一、重力 式无阀滤 池的构造 和工作原 理 1.构造及 过滤过程 2. 冲洗 过程 如果反冲洗水头损失还未达到最大允许值而因某种原因， 需要冲洗时，可进行人工强制冲洗。强制冲洗设备是在辅助 管与抽气管相连接的三通上部接一根压力水管，当压力水大 量流进辅助管并在三通处 形成高真空和高流速，从 而大量挟气，虹吸很快形 成。 进水管与上升管连接 处A点的压力，A点水位 低于大

22、气压，有一定真空 值，A点形成真空。 可能形成真空抽进空气， 影响虹吸的正常工作， 进水管上设U型管形成 水封，设计中常把存水 弯底部中心标高至于排 水井底标高处。 二、虹吸管计算及反冲强度的变化 初步选定管径，算出原水头损失h，当h接近Ha时，所选管径适 合，否则重新计算，总水头损失为： h=h1+h2+h3+h4+h5+h6 h1连通渠水头损失； h2小阻力配水系统水 头损失； h3承托层水头损失； h4滤层水头损失； h5挡板水头损失； h6虹吸管沿程水头损 失和局部水头损失之和。 在上述各项水头损失 中，当滤池构造和q已定 时 ， h1 h5便已确定，虹 吸 管径的大 小则决定于冲洗

23、水头 Ha ，一般管径应适当 选大一些,以便 h Ha ,其 差值消耗于虹吸下降管出口管端的调节器中。 由于反冲洗过程中，开始时Hmax，结束时Hmin qmax Hmax ; qmin Hmin ; Hmax =hL+SQ2ma x SQ2ma x = Hmax - hL Hmin =hL+SQ2min SQ2min = Hmin - hL hL为滤层水头损失； SQ2ma x所有管渠水头损失。 滤层在悬浮状态， hL是相等的。 K反冲洗强度变化系数。 因为： 所以: 按平均水头计算,没考虑反冲洗水头的变化,在生产中出现一些问题, 应控制在要求范围内,K=1.5 2.0. L L hH hH

24、 Q Q q q k min max min max min max HHH max L hH H k min 1 水箱高H不要过大, Hmin - hL不能过小,即Hmin不能过小,为减小H, 两个以上滤池合用一个冲洗水箱就可以减小H。 如相差过大，可按Hmax求出qmax、emax进行核算。 三、冲洗水箱 重力式无阀滤池冲洗水箱与滤池整体浇注，位于上部。水箱容积按 冲洗一次所需水量确定。 V冲洗水箱容积m3； q冲洗强度L/m2S； f单位面积m2； t冲洗历时（分）（一般取46分）。 水箱高度： （自己用自己的水箱冲洗） 水箱3M多深。 H大，K大，对冲洗不利，为使反冲洗均匀，反冲洗水箱

25、面积加大。 H减小，有利于冲洗，在大中小型水厂，可以几个滤池合用一个水箱， 有利于减小H。 qFtV06. 0 qt F V H06.0 设几个滤池合用一个冲洗水箱，水箱有效深度为： 太保守，应考虑其它滤池在工作，水箱可减小，其减小容积即为 （n-1)个滤池在冲洗时间t内过滤水量。于是水箱有效深度为： v滤速m/h。 四、进水分配箱 分配箱堰顶标高应等于虹吸 辅助管和虹吸管连接处的管口标 高加进水管的水头损失，再加 1015cm富裕高度，以保证堰顶 自由跌水。槽底标高力求降低以 便于气水分离。 n qt nF qFt H 06. 006. 0 6 . 3 ) 1(06. 0 3600 ) 1(

26、60 nv q n t nF nvFt V H ) 5 . 01 . 0( 21 hZZ (五）冲洗时自动进水装置 无阀滤池多用于中、小型给水工 程，单池面积不大于16m2,最好不大于 1012m2，也有达25m2（哈尔滨三棵树 水厂，长春东北市政设计院设计）， 35m2（辽宁丹东艾河水厂，哈尔滨建 筑大学设计）。 如面积大，要增加配水系统阻力 （称为中阻力配水系统，辽宁丹东艾 河水厂采用滤球中阻力）。 优点：1.节省大型阀门，造价低，比 普通快滤池低3050%； 2.冲洗完全自动化，操作方便， 减少人力，工作稳定可靠； 缺点：1.滤池结构较复杂； 2.滤池处于封闭结构中，进出检修困难； 3.

27、冲洗水箱位于滤池上部，出水标高较高，滤池总高度较大，水 厂总体高程有困难。 4.滤后水在表面，宜受污染。 无阀滤池连通渠的几种布置形势 虹吸辅助管与虹吸管连接 虹吸破坏斗 反冲洗强度调节器 强制反冲洗 二、压力式无阀滤池 4-8 移动罩滤池 移动罩滤池至少分为两组，一般以4组以上为宜，每组又分成很多格， 主要设计参数为： v=10m/h左右； q=1215L/m2s（多为15L/m2s）； 滤料厚度700mm;滤料粒径0.51.2mm（多为0.51.0）； 冲洗历时47分钟； 配水系统：小阻力； 分为泵吸式和虹吸式两种。 移动罩滤池比普通快滤池在造价方面可降低2045%； 动力消耗约为普通快滤池的1/7； 占地可节省1421%。 4-9 其它滤池 一、V型滤池 （一）构造及工作原理 1.构造 2.工作原理 过滤时，待滤水由进水总渠经水气动隔膜阀和方孔后，溢过堰口再 经侧孔进入V型槽，V型槽底小孔和槽顶溢流堰溢流，均匀进入滤池，而 后经过砂滤层和长柄滤头流入底部空间，再经方孔汇入中央气水分配渠 内，最后由管廊中水封井、出流堰、清水渠流入清水池，滤速在 720m/h范围内选用，视原水水质变化自动调节出水蝶阀开启度来实现 等速过滤。 反冲洗时，首先要关闭进水阀，但两侧方孔常开