第6章过滤6.1

1、6.1 6.1 过滤基本理论过滤基本理论一、过滤机理一、过滤机理深层过滤深层过滤过滤的概念：过滤的概念：滤速的概念：滤速的概念：单位时间、单位过滤面积上的过滤水量称为单位时间、单位过滤面积上的过滤水量称为滤速。滤速。慢滤池慢滤池 快滤池快滤池普通快滤池普通快滤池 v=810 m/h； 周期周期 T=12 24h双层滤料双层滤料 v=10 14 m/h；多层滤料多层滤料 v=18 24 m/h。第第6 6章章 过过 滤滤表面负荷)/(hmFQv 普通快滤池构造及工作过程普通快滤池构造及工作过程1.构造：滤料层、承托层、配水系统、排水槽。构造：滤料层、承托层、配水系统、排水槽。过滤分类：过滤分类：

2、表层过滤、表层过滤、深层过滤深层过滤 表层过滤机理表层过滤机理筛滤：筛滤：筛滤机理无法解释筛滤机理无法解释滤池滤池滤料的过滤滤料的过滤。 深层过滤机理：接触凝聚深层过滤机理：接触凝聚 过滤主要是悬浮颗粒与滤料颗粒之间粘附过滤主要是悬浮颗粒与滤料颗粒之间粘附作用的结果作用的结果深层过滤深层过滤。水中的悬浮颗粒能够粘附水中的悬浮颗粒能够粘附于于颗粒表面上，涉及两个颗粒表面上，涉及两个过程过程： 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一、被水流夹带的颗粒如何与滤料颗粒表面接近或接触：迁移：迁移 第二、接近时依靠第二、接近时依靠哪些哪些力作用，使它们粘附于滤料表面上力作用，使它们粘附于滤

3、料表面上：粘附：粘附（一）颗粒迁移（一）颗粒迁移（二）颗粒粘附（二）颗粒粘附 带正电荷的絮体在静电力作用下被吸附在滤料表面，或通过带正电荷的絮体在静电力作用下被吸附在滤料表面，或通过吸附架桥作用被粘附在已经粘附的颗粒上。吸附架桥作用被粘附在已经粘附的颗粒上。 粘附作用是一种物理化学作用。粘附作用是一种物理化学作用。粘附作用主要决定于滤料和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。水中颗粒的表面物理化学性质。过滤效果主要取决于颗粒表面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。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相反如果悬浮颗粒尺寸过大而形成机械筛滤作用，反而

4、会引起表面滤料孔隙堵塞。成机械筛滤作用，反而会引起表面滤料孔隙堵塞。（三）杂质在滤料层中的分布（规律）（三）杂质在滤料层中的分布（规律） 粘附力和水流剪力相对大小，决定了颗粒粘附和脱落程度。粘附力和水流剪力相对大小，决定了颗粒粘附和脱落程度。 滤 层c0c0悬浮物浓度滤层深度cc饱和层工作层工作层浓度分布曲线t1t2滤层中悬浮物浓度分布曲线及其变化滤层中悬浮物浓度分布曲线及其变化工作层：能使水中悬浮物浓度不断降低达到出水标准的滤层。工作层：能使水中悬浮物浓度不断降低达到出水标准的滤层。饱和层：当滤层内悬浮物附着速率与脱落速率相等时，该滤层达饱和层：当滤层内悬浮物附着速率与脱落速率相等时，该滤层

5、达到饱和状态失去过滤能力。这一滤层就称饱和层。到饱和状态失去过滤能力。这一滤层就称饱和层。 过滤到一定时间后，表面过滤到一定时间后，表面滤料间孔隙率逐渐被杂质堵塞，滤料间孔隙率逐渐被杂质堵塞，形成滤膜，使过滤阻力剧增。形成滤膜，使过滤阻力剧增。其结果，在一定过滤水头下，其结果，在一定过滤水头下，滤速将急剧减小，或滤膜产生滤速将急剧减小，或滤膜产生裂缝时，大量水流将自裂缝中裂缝时，大量水流将自裂缝中流出，造成局部流速过大而使流出，造成局部流速过大而使杂质穿透整个滤层，出水水质杂质穿透整个滤层，出水水质恶化。恶化。 滤层含污能力：滤层含污能力：是指工作是指工作周期结束时，整个滤层单位体周期结束时，

6、整个滤层单位体积滤料中所截留的杂质量，以积滤料中所截留的杂质量，以kg/m3或或 g/cm3计，显然计，显然含污能力大，表明整个滤层所含污能力大，表明整个滤层所发挥的作用大。发挥的作用大。单层石英砂滤料的单层石英砂滤料的特点特点：优点：机械强度高、化学稳定性好、价廉、取材方便。优点：机械强度高、化学稳定性好、价廉、取材方便。缺点：反冲洗筛分作用，使滤层小颗粒在上，大颗粒在下，上部孔缺点：反冲洗筛分作用，使滤层小颗粒在上，大颗粒在下，上部孔隙小易使滤层堵塞，下部孔隙大易使悬浮颗粒穿透。上小下大的孔隙小易使滤层堵塞，下部孔隙大易使悬浮颗粒穿透。上小下大的孔隙分布不利于过滤。隙分布不利于过滤。改善滤

7、池过滤过程的途径改善滤池过滤过程的途径1.反粒度过滤反粒度过滤 设滤料的粒径循水流方向逐渐减小，设滤料的粒径循水流方向逐渐减小，使水流使水流先先经过粗滤料，再经过细滤料，经过粗滤料，再经过细滤料，既所谓既所谓“反粒度反粒度”过滤过滤。2.双层、多层滤料过滤双层、多层滤料过滤 双层滤料：上层采用的是重力较小的无双层滤料：上层采用的是重力较小的无烟煤，下层采用的是重力较大的石英砂，在烟煤，下层采用的是重力较大的石英砂，在反冲洗后要保持分层状态，不混杂。反冲洗后要保持分层状态，不混杂。 3.粗滤料过滤粗滤料过滤 粗滤料颗粒粗滤料颗粒d增大（粒径可达增大（粒径可达1.0 2.0 mm ），可提高滤层）

8、，可提高滤层的含污能力，增大周期，同时要增大滤层厚度，粗滤料反冲的水量的含污能力，增大周期，同时要增大滤层厚度，粗滤料反冲的水量大，限制了滤料过粗。大，限制了滤料过粗。4.均质滤料过滤均质滤料过滤 均质滤料：均质滤料： 保持均质滤料必要的条件保持均质滤料必要的条件是反冲洗滤料层不能膨胀。是反冲洗滤料层不能膨胀。 可有两条途经：可有两条途经：1）均粒滤料）均粒滤料 2）气水不膨胀反冲洗。）气水不膨胀反冲洗。5.上向流过滤上向流过滤 滤料的粒径由上而下逐渐增大，自滤池下部进水，上部出水，成滤料的粒径由上而下逐渐增大，自滤池下部进水，上部出水，成反粒度过滤方式。反粒度过滤方式。 可加大周期或加大滤速

9、，当滤速较高时，水使砂层悬浮起来，为可加大周期或加大滤速，当滤速较高时，水使砂层悬浮起来，为了稳定滤层加格网，构造较复杂。了稳定滤层加格网，构造较复杂。 缺点是：冲洗时滤层膨胀受到格网限制，增加冲洗困难，影响冲缺点是：冲洗时滤层膨胀受到格网限制，增加冲洗困难，影响冲洗效果，反冲洗时，卵石上的泥冲不净，露天的滤池得想办法防止洗效果，反冲洗时，卵石上的泥冲不净，露天的滤池得想办法防止树叶等杂物堵塞孔眼。树叶等杂物堵塞孔眼。6、双向流过滤、双向流过滤 水从上、下进入，而从中间引出，由正向流和反向流组水从上、下进入，而从中间引出，由正向流和反向流组成，解决了滤料的悬浮问题，由于有上向流同样的缺点而没成

10、，解决了滤料的悬浮问题，由于有上向流同样的缺点而没有推广。有推广。7.辐流式过滤辐流式过滤 中间进水，辐射流经中间进水，辐射流经砂层。砂层。 一般滤池流速太大，一般滤池流速太大，影响水质，影响水质，所以所以v不能提不能提的太高。的太高。（四）直接过滤（四）直接过滤原水不经沉淀池而直接进入滤池过滤称原水不经沉淀池而直接进入滤池过滤称“直接过滤直接过滤”。 直接过滤充分体现了滤层中特别是滤料中接触凝聚或絮凝的作用。直接过滤充分体现了滤层中特别是滤料中接触凝聚或絮凝的作用。1、接触过滤、接触过滤2、微絮凝过滤、微絮凝过滤采用直接过滤工艺必须注意以下几点：采用直接过滤工艺必须注意以下几点： 1.原水水

11、质较稳定，浊度在原水水质较稳定，浊度在50以下，最好以下，最好40 50。 2.宜采用双层、三层或均质滤料，增大滤层厚度、增大宜采用双层、三层或均质滤料，增大滤层厚度、增大d，使孔隙率加大。使孔隙率加大。 3. 控制进入滤池前絮凝体絮粒，可在滤池进口之前附近投控制进入滤池前絮凝体絮粒，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），提高絮粒强度加助凝剂（活化硅酸及聚丙烯酰胺等），提高絮粒强度和粘附力。和粘附力。 4.滤速根据原水水质、不易太大，一般控制在滤速根据原水水质、不易太大，一般控制在5m/h,最最好由试验决定。好由试验决定。直接过滤特点：直接过滤特点： 1.工艺简单；工艺简单

12、； 2.混凝剂用量少；混凝剂用量少； 3.易于处理低温低浊水。易于处理低温低浊水。二、过滤水力学二、过滤水力学（一一）清洁滤层的水头损失）清洁滤层的水头损失卡曼卡曼康采尼计算公式（康采尼计算公式（CarmanKozony)式中：式中：h0表示水头损失（表示水头损失（cm）；）； 水的运动粘度水的运动粘度(cm2/s)； g重力加速度重力加速度(cm/s2)； m0滤料孔隙滤料孔隙率率； d0与滤料体积相同的球体直径与滤料体积相同的球体直径(cm)； L0滤层厚度滤层厚度(cm)； v滤速滤速(cm/s) 滤料颗粒球度系数。滤料颗粒球度系数。 02030200)1()1 (180Ldmmgh滤料

13、的当量粒径滤料的当量粒径 deq 按滤料表面积相等的原则推求：按滤料表面积相等的原则推求： 把滤料按粒径分为很多区段（层），每段都可得把滤料按粒径分为很多区段（层），每段都可得pi/di值和比例数即为值和比例数即为deq 。当量粒径的表面积与不。当量粒径的表面积与不等粒径的表面积相等，则等粒径的大小就是不等粒径等粒径的表面积相等，则等粒径的大小就是不等粒径的当量粒径。的当量粒径。)(2111cmddpdpdniiiiiiqe 实际滤层是非均匀滤料。计算非均匀滤层水头损失，可分成实际滤层是非均匀滤料。计算非均匀滤层水头损失，可分成若若干层，则各层水头损失之和为整个滤层总水头损失。干层，则各层水头

14、损失之和为整个滤层总水头损失。 设粒径为设粒径为di的滤料重量占全部滤料重量之比为的滤料重量占全部滤料重量之比为pi，则清洁滤层则清洁滤层总水头损失为：总水头损失为： 分层越多，计算精度越高。分层越多，计算精度越高。 滤层中悬浮物杂质增多，滤层中悬浮物杂质增多，m0 由由H0公式知，当公式知，当d0、 L L0 、 T已定时，如已定时，如m0 ： （1）v不变不变则则 H0 （变水头变水头）等速过滤等速过滤 （2）H0不变（不变（恒水头恒水头）则则v ， 变速过滤变速过滤niiidpvLmmghH1202302000)/()1()1 (180过滤时滤池总水头损失为：过滤时滤池总水头损失为： H

15、0和和h在整个过滤过程中不变。在整个过滤过程中不变。 Ht随随t增加而增大。增加而增大。 Ht与与t的的关系，实际关系，实际上反应了滤层截留杂上反应了滤层截留杂ttHhHH0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。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。 通过实验通过实验Ht与与t一般呈直线关系。一般呈直线关系。（二）等速过滤中水头损失的变化（二）等速过滤中水头损失的变化变水头恒速过滤变水头恒速过滤 等速过滤的概念：等速过滤的概念：滤池流量保持不变滤池流量保持不变 是滤池运行的一种主要形式。是滤池运行的一种主要形式。如：虹吸滤池和无阀滤池。如：虹吸滤池和无阀滤池。

16、Hmax：最大过滤水头（损失），：最大过滤水头（损失），一般为一般为1.52.0m。 T为过滤周期。为过滤周期。 T 、T压力周期（是由水头损失达最大允许水头损失而结束的过压力周期（是由水头损失达最大允许水头损失而结束的过滤周期）滤周期）tTHhHH0HmaxhHhHHT0变水头恒速过滤的特点变水头恒速过滤的特点 优点：优点：控制简单，单池过滤水量恒定。控制简单，单池过滤水量恒定。 缺点：缺点：能量浪费；水头损失大；过滤水质不如减速过滤好。能量浪费；水头损失大；过滤水质不如减速过滤好。（三）变速过滤中的滤速变化（三）变速过滤中的滤速变化减速过滤减速过滤 减速过滤的概念：滤速随过滤时间而逐渐减小

17、的过滤，或称减速过滤的概念：滤速随过滤时间而逐渐减小的过滤，或称“变速过滤变速过滤” 。 在过滤过程中，如果过滤水头损失始终保持不变，滤层孔隙在过滤过程中，如果过滤水头损失始终保持不变，滤层孔隙的逐渐减小（的逐渐减小（m0 ),必然使滤速逐渐减小（必然使滤速逐渐减小（v ），），这种情况这种情况称为称为“等水头变速过滤等水头变速过滤”。此图为一组此图为一组4座滤池某滤池滤速的变化座滤池某滤池滤速的变化如一组中滤池个数更多就接近连如一组中滤池个数更多就接近连续曲线了。续曲线了。变速过滤的特点：变速过滤的特点：与等速过滤相比，在平均滤速与等速过滤相比，在平均滤速相同的情况下：相同的情况下：1.可以

18、最大程度发挥滤料层的过滤能力。可以最大程度发挥滤料层的过滤能力。2.减速过滤的滤后水质好；减速过滤的滤后水质好；3.在相同过滤周期内，过滤水头损失较小。在相同过滤周期内，过滤水头损失较小。（四）滤层中的负水头（滤层中的压力变化）（四）滤层中的负水头（滤层中的压力变化）1.何为负水头现象何为负水头现象 在过滤过程中，滤层截留了大量的杂质以至砂面以在过滤过程中，滤层截留了大量的杂质以至砂面以下某一深度处的水头损失，超过该处水深时，便出现了负下某一深度处的水头损失，超过该处水深时，便出现了负水头现象。水头现象。 出水出水 各水压线与静各水压线与静水压力线之间水平水压力线之间水平距离表示过滤时滤距离表

19、示过滤时滤层中的水头损失。层中的水头损失。2.负水头对过滤的影响及破坏作用负水头对过滤的影响及破坏作用: 负水头会导致溶解于水中的气体释放出来而负水头会导致溶解于水中的气体释放出来而形成气囊。形成气囊。气囊对过滤有破坏作用：气囊对过滤有破坏作用： 减少有效过滤面积，使过滤时的水头损失减少有效过滤面积，使过滤时的水头损失及滤速增加，严重时会破坏滤后水质；及滤速增加，严重时会破坏滤后水质； 气囊会穿透滤层上升，有可能将部分细滤气囊会穿透滤层上升，有可能将部分细滤料或轻质滤料带出，破坏滤层结构，反洗时，气囊料或轻质滤料带出，破坏滤层结构，反洗时，气囊更易将滤料带出滤池。更易将滤料带出滤池。3.解决的办法：解决的办法： 增加砂层上的水深；增加砂层上的水深； 滤池出口位置等于或高于滤层表面滤池出口位置等于或高于滤层表面 一旦出现负水头现象，首先必须停池。一旦出现负水头现象，首先必须停池。出水出水出水出水三、滤池的最佳工况三、滤池的最佳工况水质周期水质周期压力周