第11章 工业废水物理处理(过滤)

1、第二章第二章 过滤过滤滤料和承托层滤池冲洗配水系统常见滤池概述 过滤机理过滤水力学2.1 过滤概述n环工原理中过滤主要从原理方面，包括过滤方程、过滤速率、过滤常数等，以及恒压、恒速过滤。应用方面着重压滤机（介质是滤布）、加压叶滤机（介质是金属多孔板或金属网）。n工业废水处理中过滤着重介绍滤池，采用堆积介质，如石英砂、滤板、无烟煤及磁铁矿等。n过滤是分离悬浮物的最普遍、最有效的操作。与沉淀分离相比，过滤使悬浮液分离更迅速、更彻底，可以去除更小的颗粒。n滤池在给水处理中放在沉淀池，可除去SS、降低浊度外，还可去除部分有机物、细菌及病毒，保证饮水安全。对于废水处理，滤池主要用于经混凝或生物处理后的低

2、浓度悬浮物的去除。工业废水处理的过滤设备可分为两类：一种是用于水处理，另一种是用于污泥处理。n用于水处理的过滤设备：根据过滤介质不同可分为粒状滤料与多孔材料两类。粒状滤料有石英砂、无烟煤、磁铁矿等。多孔材料有筛网、滤芯等。n用于污泥处理的过滤设备：压滤机。污泥的过滤主要以多孔材料如滤布为过滤介质，个别场合也用到较大的卵石等粒状滤料。 2.1.1 普通快滤池na. 普通快滤池是以石英砂为滤料，采用下向流形式， 基本构造见图4-1。 1621112453987131014图 9-1 普通快滤池构造剖视图（箭头表示冲洗水流方向）1-进水总管；2-进水支管；3-清水支管；4-冲洗水支管；5-排水阀；6

3、-浑水阀；7-滤料层；8-承托层；9-配水支管；10-配水干管；11-冲洗水总管；12-清水总管；13-冲洗排水槽；14-废水渠 b. 工作过程：由过滤与反冲洗两部分组成。 c. 滤速：滤速是指单位时间、单位过滤面积上的过 滤水量，单位为m3/（m2 h）或m/h。滤速是按整个滤池面积计算的水流速度，故滤速又称为空塔滤速(滤池负荷)。单层砂滤池一般为810m/h，双层滤料滤速1014m/h，多层为1820m/h。d.工作周期：从过滤开始到冲洗结束的一段时间称为快滤池的工作周期。滤池的工作周期为1224h。e. 过滤周期：从过滤开始到过滤结束称为过滤周期。2.1.2 慢滤池 慢滤池是最早出现的用

4、于水处理的过滤设备，能有效地去除水的色度、嗅和味，见表4-1。由于慢滤池占地面积大、操作麻烦、寒冷季节时其表层容易冰冻，在城镇水厂中使用的慢滤池逐渐被快滤池所代替。表4-1 现代慢滤池的适用的进水条件与出水水质适用的进水条件适用的进水条件出水水质出水水质细菌的去除效率细菌的去除效率颗粒物去除效率颗粒物去除效率浊度浊度10NTU以下；以下；总大肠菌类总大肠菌类101000个个/100mL；藻类不太多；藻类不太多；10000人以下的给水人以下的给水处理处理小于小于1.0ntu总大肠菌类总大肠菌类1个个/100mL细菌总数细菌总数99%能去除逗号弧菌能去除逗号弧菌(Vibrio comma)2.77

5、 m 99%712 m99.9%较大颗粒较大颗粒99%99.9%2.1.3 以快滤池为基础发展的滤池n为了发挥滤料层截留杂质能力，出现了滤料粒么沿水流方向减小或不变的过滤层，如双层、多层及均质滤料池，上向流滤池等。n为减少滤池水力损失，出现了无阀滤池、虹吸滤池、移动罩滤池及其他自动反冲洗滤池。n在冲洗方式上，由单纯的水冲洗发展到了气水反冲，以及气水多种组合形式的冲洗。 2.2 过滤机理n单层砂滤（滤料粒径0.51.2mm，滤层厚0.7m）经反冲洗水力分级后，滤料粒径自上而下逐渐增大，孔隙增大。0.5mm滤料的孔隙尺寸为80m。n但实际应用中发现，即使进入滤池的颗粒径小于30m也可被大部分截留，

6、这表明不是机械筛滤作用的结果，而是悬浮物与滤料颗粒之间粘附作用的结果。n环工原理讲述滤饼层过滤时，对该现象的解释是“架桥”。因此，压滤机的过滤作用主要是滤饼的作用而非滤布。2.2.1 截留机理n两阶段理论：由迁移与吸附组成。n吸附：属于物理化学作用，主要取决于滤料和水中颗粒表面的物理化学性质。这种物理化学作用包括范德华引力、静电引力、以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力的作用、絮凝颗粒间的架桥作用等。n迁移：是指被水流挟带的颗粒如何脱离水流流线而与滤料颗粒表面接近或接触。一般认为，包括五种物理力学作用，即：沉淀、扩散、惯性、阻截和水动力，见图4-2。n沉淀：颗粒沉速较大时，脱离流线而沉淀；n扩

7、散：颗粒小，布朗运动剧烈，易扩散到滤料表面；n惯性：颗粒由于惯性作用而脱离流线；n阻截：大尺寸颗粒被滤料拦截；n水动力作用：是由于上、下层滤料存在粒径差，因此，水流也存在速度梯度，这种作用会使非球体颗粒产生转动，从而脱离流线，与滤料接触。1沉淀2扩散3惯性5水动力流线滤料悬浮颗粒4阻截2.2.3 .3 滤层杂质分布规律滤层杂质分布规律n图示：过滤结束时，单层下向流滤池、双层滤料池中滤料含污量（单位体积滤层中所含杂质的质量）。n由图可以看出，下层滤料截留作用很小，从而造成整个滤池的含污能力小。脱附力Fa3Fa2Fa1Fs3Fs2Fs1F3F2F1123滤料图 9-3 颗粒粘附和脱附力示意 图 9

8、-4 滤料层含污量变化21(cm)滤层深度滤层含污量（g/cm2）双层滤料单层滤料石英砂石英砂无煤烟n理想的滤层应该是：理想的滤层应该是：沿过滤的水流方向，滤料的粒径是从大到小递减的。它有利于：进入滤池的水先接触到的那部分滤层能够比后接触到的那部分滤层多容纳悬浮固体； 孔隙较大的部分滤料在容纳较多的悬浮固体后，仍然保留了一定的孔隙大小，允许水中的悬浮颗粒进入滤层的内部，从而在过滤的水头损失达到最大允许值的时候，整个滤层的截留悬浮固体的能力都得到充分利用。n为了改变滤层中杂质严重分布不均匀现象，人们开始探索新型滤料滤池。n多层滤料滤池接近理想滤料滤池，最常见的多层滤料滤池有双层和三层滤料滤池。n

9、双层滤料滤池：上层用密度小、粒径大的轻质滤料（如无烟煤）、下层用密度大、粒径小的重质滤料（如石英砂），这样，经水冲洗后，轻质料仍在上部。含污能力较单层滤料约高1倍以下。在相同的滤速下，过滤周期增长；在相同的过滤周期下，滤速可提高。 n三层滤料滤池：是在无烟煤层和石英砂层的下面，加设一层比密度比石英砂大，粒度比石英砂小的重质滤料（如石榴石、磁铁矿）构成的。n在多层滤料池中，滤料经反冲洗后，各层滤料会有一定程度的混杂，但各层主体仍不变，并非完全混合在一起。针对多层滤料池中的混层现象，有不同的观点：n一种观点认为：煤-砂交界面上适度的混层，可避免交界面上积聚过多杂质而使水头损失增长较快，故适度混杂是

10、有益的。n另一种认为：煤-砂交界面上不应有混杂现象。因为煤层起截留大量杂质作用，砂层则起精过滤作用，而界面分层清晰，起始水头损失将较小。 n上向流滤池：进水和冲洗水都从下部向上。其截污能力有所增强，但存在一些缺点：v需防止气泡进入滤层而引起气阻，因此需加入气体分离设施，如排气阀；v由于污染物被截留在下部，滤池不易冲洗；v水流从下向上流动，能耗较大。n均质滤料过滤：“均质”并非指粒径完全相同，只是在深度方向上滤料的组成和平均粒径判别小、比较均匀。要实现均质滤料过滤，反冲洗时滤料层不能膨胀，所以，多采用气水反冲洗。目前在实际生产中已经实现，如V型滤池。 石英沙石英沙无烟煤石榴石无烟煤均质滤料（a）

11、（b）（c）图 9-5 几种滤料组成示意2.2.2 过滤过程中的的水头损失n过滤时滤池的总水头损失为：n （4-3） nH1进水管（渠）与附件的水头损失；nH2滤料层的水头损失；nH3承托层与配水系统的水头损失；nH4出水管（渠）与附件的水头损失。 4321HHHHH 2.2.3 过滤方式n（1 1）恒速过滤）恒速过滤n最常见的恒速过滤如图4-7所示。在恒速过滤状态，由于滤层逐渐被堵塞，水头损失随过滤时间逐渐增加，滤池中水位逐渐上升。n当水位上升到最高水位时，过滤停止以待冲洗。无阀滤池与虹吸滤池是典型的恒速过滤池。最 高 水 位最 低 水 位进水出水图 9 - 7 恒 速 过 滤Hmaxh H

12、o 总水头损失不变，滤速逐渐减小，称为“等水头变速过滤”。这种情况一般在普通快滤池中不可能实现，因为很难在实现水流进、出平衡的同时又实现滤池水位恒定。移动冲洗罩滤池是典型的递降速过滤滤池，当移动冲洗罩滤池的分格数很多时，这格滤池冲冼与下一格滤池冲洗的间隔时间很近，滤池水位变化不大，有可能达到近似的“等水位变速过滤”。与等速过滤相比，减速滤池出水水质一般较好，同时在过滤周期内的水头损失也较小。（2 2）减速过滤）减速过滤最高水位进水渠进水阀排水阀排水渠最低水位清水池图 9-8 减速过滤（一组4座滤池）0过滤时间t（h）滤速v（m/h）图 9-9 一座滤池滤速变化（一组共4座滤池）四个滤池组成一个

13、滤池组，假设：进入滤池组的总流量不变；每个池子的性能完全相同；每个滤池恰好按它的编号顺序进行冲洗。则滤池的水位与滤速变化如图4-9所示。2.3 滤料与承托层2.3.1 滤料n1 1、滤料要求、滤料要求v(1)足够的机械强度，防止冲洗时磨损与破碎v(2)足够的化学稳定性，耐腐蚀、防止化学反应、产生有害物v(3)能就地取材、价廉v(4)一定的粒径及孔隙率。外形接近于球状，表面比较粗糙而有棱角。 n常见滤料：石英砂、无烟煤、石榴石、钛铁矿、磁铁矿、金钢石，以及合成轻质料如聚氯乙烯、聚苯乙烯纤维球等。2 2、 滤料性能参数滤料性能参数n(1)比表面积：粒状滤料的比表面积可以表示为单位重量或体积的滤料所

14、具有的表面积，单位为cm2/g或cm2/ cm3。n(2)粒径级配：即各种粒径颗粒所占的重量比例。v粒径级配可以用滤料的有效粒径d10与不均匀系数k80 表示，关系如下： n （4-4）108080ddk80%滤料通过的筛孔孔径，反映粗粒尺寸10%滤料通过的筛孔孔径，反映细粒尺寸nK801，滤料均匀；K80愈大，则粒么相差大，不均匀，对过滤和冲洗不利。过滤时，含污能力减小；反冲洗时，如满足粗粒膨胀要求，则可能导致细粒被反冲洗水冲出滤池；如满足细粒要求，粗粒会清洗不净。n除K80外，生产上常利用K60来表示。n(3) 最大粒径dmax、最小粒径dmin和K80控制法我国规范中使用的粒径级配法常用

15、的数据见表4-2。 表4-2 滤料级配与滤速类别滤料组成滤速（m/h）强制滤速（m/h）粒径（mm）不均匀系数K80厚度（mm）单层石英砂滤料dmax=1.2dmin=0.52.0700101014双层滤料无烟煤dmax=1.8dmin=0.82.030040010141418石英砂dmax=1.2dmin=0.52.0400三层滤料无烟煤dmax=1.6dmin=0.81.745018202025石英砂dmax=0.8dmin=0.51.5230重质矿石dmax=0.5dmin=0.251.54d1.54）颗粒约筛除）颗粒约筛除13.0 %13.0 %，小粒径，小粒径（d0.44d0.44）

16、颗粒约筛除）颗粒约筛除19.0 %19.0 %。0204060801000.20.4 0.550.81.01.2 1.341.61.82.02.22.420104060801001.10.441.54()筛孔孔径（mm）通过筛孔砂量图 9-12 滤料筛分曲线0.61.4() 筛分求得筛分求得d80d80 筛分求得筛分求得d10d10 设计要求设计要求d10d10 根据设计要求的根据设计要求的K80K80求求d80d80需去除需去除需去除需去除 n (3)同一粒径砂n上述筛选法对生产而言可满足要求，但对研究工作而言存在一定缺点：筛孔尺寸未必精确；未反映出颗粒形状因素。n精确取用同一粒径滤料的方法

17、将滤料样品倾入某一筛子过筛后，将筛子上的砂全部倒掉，再将卡在筛孔中的那部分砂振动掉下来，如此重复进行，可得到同一粒径的滤料。从这些振动下来的砂粒中取出几粒，按以下公式可求出其等体积球体直径： （4-9） 式中， G n个颗粒的总重量, g； 颗粒密度, g/cm3。306nGd2.3.2 承托层n承托层的作用： 防止滤料层从配水系统流失； 均匀布置反冲洗水。组成见表4-5与4-6。n表4-5 快滤池大阻力配水系统承托层粒径和厚度层次（自上而下）粒径（mm）厚度124100248100381610041632本层顶面高度至少应高于配系统孔眼100 表表4-6 4-6 三层滤料滤池承托层材料、粒径

18、与厚度三层滤料滤池承托层材料、粒径与厚度层次（自上而下）材料粒径（mm）厚度（mm）1重质矿石（如石榴石、磁铁矿等）0.51.0502重质矿石（如石榴石、磁铁矿等）12503重质矿石（如石榴石、磁铁矿等）24504重质矿石（如石榴石、磁铁矿等）48505砾石8161006砾石1632本层顶面高度至少应高于配系统孔眼100注:配水系统如用滤砖且孔径为4mm时，第6层可不设。 为了防止反冲洗时承托层移动，美国对单层和双层滤料滤池也有采用“粗-细-粗”的砾石分层方式。 如果采用小阻力配水系统，承托层可以不设，或者适当铺设一些粗砂或细砾石，视配水系统的具体情况而定。2.4 滤池冲洗2.4.1 基本概念

19、基本概念n1.反冲洗强度(q)：指单位面积滤层所通过的反冲洗流量，单位为L/sm2。n2.滤层膨胀度(e)： （4-10）n由于滤层膨胀前、后单位面积上滤料体积不变，于是： （4-11）n故： （4-12） (%)10000LLLe)1 ()1 (00mLmLmmme103. 冲洗强度q与膨胀度e的关系n有相关的理论推导，但公式复杂。n可通过试验得到q-e关系。n对于非均匀滤料，在一定q下，粒径大的e较小，而粒径小的e大，同时满足两者要求不可能。n实际操作中应考虑上层小颗粒的截污量大，应尽量满足其膨胀度，但同时又要保证下层大颗粒达到最小的流化程度（开始膨胀）。n如果满足不了要求，可通过粒径级配

20、进行调整。n双、三层滤料q值选择较为复杂，除考虑清洗效果外，还应考虑滤料层的混杂。n4. 冲洗时间(t)n冲洗时间短时，污物清洗不净、冲洗废水也排不尽而重返滤层；n冲洗时间过长，滤层表面形成泥膜，影响过滤能力。n常用的反冲洗方法有以下几种：单水高速反冲洗； 气-水联合反冲洗；表面助冲加高速水流反冲洗。2.5.2 单水高速反冲洗单水高速反冲洗n利用较大流速的反向水流冲洗滤层，使滤料达到流态化状态，且具有一定的膨胀度。n污染物的清除主要依靠水流剪力和滤料颗粒的碰撞磨擦。n优点：曾被广泛采用、操作方便、设备简单。n缺点：耗水量大、滤料被反冲洗后水力分级明显、对多滤层结构破坏较大而降低了含污能力。表4

21、-7列出了冲洗强度、膨胀度和冲洗时间序号序号滤层类型滤层类型冲洗强度冲洗强度(L/s m2)膨胀度膨胀度（%）冲洗时间冲洗时间（min）1石英砂滤料石英砂滤料121545752双层滤料双层滤料131650863三层滤料三层滤料16175575注：注：1设计水温按设计水温按20度计，水温每增减度计，水温每增减1度，冲洗强度相应增减速度，冲洗强度相应增减速1%； 由于全年水温、水质有所变化，应考虑有适当调整冲洗强度的可能；由于全年水温、水质有所变化，应考虑有适当调整冲洗强度的可能； 选择冲洗强度应考虑所用混凝剂品种的因素；选择冲洗强度应考虑所用混凝剂品种的因素； 无阀滤池冲洗时间可采用低限；无阀滤

22、池冲洗时间可采用低限； 膨胀度数值仅作设计计算用。膨胀度数值仅作设计计算用。2.5.3 气-水联合反冲洗n利用气泡的振动将污物擦洗下来，然后由水将其排出滤池。n气-水联合冲洗具有下述优点：n冲洗效果好；n节约反冲洗水量；n冲洗结束后，滤层不产生或不明显产生上细下粗的分层现象；n气-水反冲缺点：操作较为麻烦，池子和设备较复杂，需增加鼓风机或空压机、储气罐等气冲设备。n气-水联合冲洗有3种操作方式：n先气洗，后水洗；n先气水混合洗，再用水洗；n先气洗，再气水混合洗，最后用水洗（或漂洗）。n气-水联合冲洗时，总的反冲洗时间约在10min左右。 气-水联合冲洗时常用长柄滤头或复合气水反冲洗配水滤砖进行

23、布气与布水，其结构如图4-22和图4-23所示。水水水水气气/水气/水单独水冲气/水反冲水气/水图 9-22 复合气水反冲洗配水滤砖 套 筒滤 帽滤 板直 管气水图 9 - 2 3 气 - 水 同 时 冲 洗 时 长 柄 滤 头 工 况 示 意2.5.4 配水系统 n常见的配水系统有大阻力配水系统、小阻力配水系统、中阻力配水系统等三种。n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。n反冲洗时配水不均匀的危害：滤池中砂层厚度分布不同；过滤时，产生短流现象，使出水水质下降；可能招致局部承托层发生移动，造成漏砂现象。1.穿孔管大阻力配水系统n构造：大阻力配水系统构造如图4-13和图

24、4-14所示。 图 9 - 1 3 穿 孔 支 管 孔 口 位 置4 5 4 5 a干 管进 水cb支 管图 9-14 穿 孔 大 阻 力 配 水 系 统2.穿孔管大阻力配水系统的设计n大阻力配水系统配水的均匀性只与干管截面积、支管截面积、支管个数、孔口总面积等有关，而与其它因素无关。n管道设计根据相关内容，如流量、水头损失等进行计算，最后验算孔口流量，如果孔口内的压头相差最大的孔流量相等，则认为布水均匀。 大阻力配水系统的设计要点：干管起端流速为0.21.2m/s，支管起端流速为1.41.8 m/s，孔眼流速为3.55 m/s。支管中心距为0.250.3 m，支管长度与其直径之比一般不应大于

25、60。孔口直径约为912 mm，设于支管两侧，与垂线呈45O角向下交错排列。干管横截面与支管总横截面之比应大于1.752.0。当干管直径或渠宽大于300mm时，顶部应装滤头、管嘴或把干管埋入池底。孔口总面积与滤池面积之比称为开孔比，其值可按下式计算：（4-40） %100%10010001/%100vqqQvQFf3.小阻力配水系统n大阻力配水系统的特点： 配水均匀性好；结构复杂；但管道容易结垢；孔口水头损失大，因而要求反冲洗水压高。n无阀滤池、移动冲洗罩滤池、虹吸滤池等的冲洗水头非常有限，不宜采用大阻力配水系统。n小阻力配水系统的构造特点：铺设穿孔滤板或滤砖，开孔比一般为1.01.5%。可以

26、采用滤板、滤砖和滤头。 707070 3535707070图 9-18 钢筋混凝土穿孔滤板3010图 9-17小阻力配水系统冲洗水膨胀砂面排水槽滤板底部配水室100n钢筋砼穿孔（或缝隙）滤板：n滤板安装时，上面再铺12层尼龙网。n造价低、均匀性好、耐腐蚀。 清水池浑水渠冲洗水流滤砖上层用10mm导板隔开11:2水泥砂浆嵌缝粉平12802806002502801-1剖面图图 9-19 穿孔滤砖n穿孔滤砖：n上、下两层，安装时，上层用板隔开，使布水均匀，下层连通配水。n小阻力配水系统的特点：v开孔面积大、孔口阻力小、反冲洗水头小；v配水均匀性较大阻力配水系统为差，当配水系统室内压力稍有不均匀，滤层

27、阻力稍不均匀，滤板上孔口尺寸稍有差别或部分滤板受堵塞，配水均匀程度都会敏感地反映出来；v滤池面积较大时，不宜采用小阻力配水系统。n4. 中阻力配水系统与小阻力配水系统类似，但其开孔比介于大阻力配水系统与小阻力配水系统之间。2.6 普通快滤池n4.6.1 基本参数n1.滤速n 设计滤速一般为810m/h。n2.滤池总面积n （4-52）n （4-53）n3.个数和单池面积n 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4-8选用。n 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： n （4-54） vTQF 1

28、00ttTTNFf 表表4-8 4-8 滤池个数滤池个数滤池总面积（滤池总面积（m2）滤池个数滤池个数302305031003或或4150462005630068 4. 4.滤池深度：包括，保护高：滤池深度：包括，保护高：0.250.3m0.250.3m；滤层表面以上；滤层表面以上水深：水深：1.52.0m1.52.0m；滤层厚度：见表；滤层厚度：见表4-24-2；承托层厚度：见；承托层厚度：见表表4-54-5和表和表4-64-6。 因此，滤池的总深度一般为因此，滤池的总深度一般为3.03.5m3.03.5m。单层石英砂滤池。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。深度一般稍小

29、；双层和三层滤料滤池深度稍大。 5管廊布置：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；（6）管廊门及通道应允许最大配件通过，并检修方便。 q几种管廊布置方法见图4-24，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。q管廊布置主要有如下四种形式：(a)清水渠冲洗水渠

30、排水渠进水渠（1）进水、清水、冲洗水和排水渠，全部布置于管廊内，如图4-24（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。(b)进水渠进水渠清水渠冲洗水渠（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4-24（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。 进 水 管清 水 管冲 洗 水 管排 水 管排 水 渠排 水 槽(c)（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4-24（c）所示，特点：通常用于小型水厂或滤池单行布置。图 9-24 快 滤 池 管 廊 布 置冲 洗 水 管清 水 渠清 水 管排 水 渠排 水 虹 吸 管真 空 管泄 气 管排 水 槽进 水 虹 吸 管真空管进水渠冲 洗 水 渠冲 洗 水 箱H0(d)（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