给水工程教学案第11课

./§17过滤§17.1过滤概述过滤：悬浮液通过粒状滤层而使固液分离的过程。目的：1.去除沉淀不能去除的悬浮物；2.去除水中微生物和细菌；3.去除地下水中的铁、锰。当原水水质较好时,沉淀池、澄清池可以省略,但过滤工艺不可少,是保证生活用水卫生安全的主要措施。普通快滤池一、基本构造配水系统、承托层〔卵石、砾石组成、石英砂d=0.5~1.2mm,0.7m。二、基本工作过程1.过滤过程：进水→滤料层→承托层→出水至出水不符合要求。反冲洗2.反冲洗过程：水质不合格时反冲洗水头耗尽时反冲洗进水→配水系统→承托层→滤料→排水渠→排出过滤→反冲洗交替进行工作周期：过滤开始到冲洗结束的延续时间。过滤周期：过滤开始到过滤结束的延续时间。三、滤速的概念表面负荷m3/<m3·h>单位面积、单位时间过滤的水量。滤速m/h一般v=8~10m/h,工作周期T=12－24h。v↑、T↑、q↑,设法提高v、T,是过滤研究的问题,从而推动了过滤技术的发展。有的v达40m/h或更大。§17.1过滤理论一、过滤机理1.过滤机理慢滤池v=0.1~0.3m/h,滤料表面形成"滤膜"→筛滤。快滤池滤料粒径d=0.5~1.2mm,由冲洗水力分级作用在滤层上小、下大排列。dDdD滤池进水颗粒,d<30μm,仍然能被去除,显然不是机械筛滤作用2.接触絮凝作用机理滤料具有很大的比表面积：约400m2杂质在滤料表面絮凝－接触絮凝,杂粒一旦接触滤料表面就被粘附去除。〔1迁移机理过滤过程中,滤层孔隙中为层流。拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力作用引起。〔接触〔2粘附机理①范德华引力；②静电作用力；③某些化学键；〔氢键④吸附架桥作用,如助凝剂→活化硅酸,PAM结论：①过滤效果取决于滤料的表面,而不是孔隙〔粗滤料②过滤效果取决于杂质颗粒的表面性质,而不是颗粒尺寸,如直接过滤：1接触过滤；2微絮凝过滤。二、过滤澄清过程1.滤层截留杂质的规律〔1附着→饱和〔2脱落、下移水质周期：T1——过滤开始到水质恶化2.影响杂质分布的因素〔1滤速vv↑杂质穿透深度大,滤层中杂质分布越均匀,下层滤料发挥作用增大。穿透深度：过滤行将结束时,自滤料表面以下某一深度取水样,恰好符合水质要求时的深度。〔2滤层①粒径及级配的影响滤料粒径d大,孔隙尺寸大,穿透深度大。滤料粒径均匀,孔隙率大,穿透深度大。②滤料层组成的影响单层滤料：水力分层,上细下粗,杂质分布极不均匀。截留不均匀。d=0.5~1.2mm上面截留杂质多,下层截留杂质少。h增加快,T短,主要缺点。反粒度过滤：循水流方向粒径由大→小,杂质分布均匀,含污能力强。含污能力〔截污量——单位体积滤层一个水质周期截留的杂质量。kg/m3三、改善滤池过滤过程的途径为改变单层滤料存在的缺点,提高含污能力G,出现了各种滤料级配滤池。1.上向流过滤反粒度过滤双向流滤池2.多层滤料过滤双层滤料滤池：上层无烟煤,比重1.5,d=0.8~1.8mm下层石英砂,比重2.65,d=0.5~1.2mm粒径大的在上,小的在下,基本实现反粒度。含污能力提高1倍以上,过滤周期增长。三层滤料：上层无烟煤,比重1.5,d=0.8~1.6mm中层石英砂,比重2.65,d=0.5~0.8mm下层磁铁矿,比重4.7,d=0.25~0.5mm整体上实现了反粒度过滤,G↑↑反冲洗时三种滤料适当混杂——称混合滤料。平均粒径由上→下递减。下层重质滤料粒径很小,保证出水水质。3.均质滤料〔指粒径相等的滤料实际很难做到d完全相同,要做到各断面平均粒径相同,气水反冲洗,滤料不膨胀,不产生水力分级。G克服了上细下粗。4.直接过滤原水不经沉淀,直接进滤池。〔1原水投药后进入滤池——直接过滤。〔2滤前做一简单絮凝池,原水投药混合后经微絮凝池,形成40~60μm颗粒,进入滤池——微絮凝过滤。直接过滤适用条件：〔1原水浊度、色度低、水质变化小,C0<100mg/L,最为<40-60mg/L；〔2采用反粒度过滤,L、d适当增大；〔3进入滤池前,不应形成大的絮凝体,以免堵塞滤料表面孔隙,为提高微粒、强度和粘附力,有时需投加活化硅酸、PAM以发挥高分子在滤层中吸附架桥作用；〔4适当减小滤速,以保证水质,最好通过实验确定。优点：工艺简单,节省药剂,约为混凝的1/3。四、过滤水力学1.清洁滤层水头损失起始水头损失〔干净滤层：层流下h与v一次方成正比v=8~10m/h时,v=0.3~0.4m卡曼－康采尼公式：γ——水的运动粘度；m0——滤料孔隙率；φ——滤料颗粒的球度系数；d0——与滤料体积相同的球体直径,cm；l——滤层厚度；v——滤速,cm/s。非均匀滤料：①分段求和法。〔式17－2②用当量直径deq代替式中的d,依次求得h0,m0,vh0不变,m0小,v小——"变速过滤"v不变,m0小,h0大——"等速过滤"2.等速过滤中的水头损失变化如：v不变,即Q不变——等速过滤,h随t增大,水位上升到最高水位,需冲洗。t时刻Ht=H0+h+ΔHtH0——清洁滤层水头损失,cm；h——配水系统、承托层、管渠水头损失之和,cm；ΔHt——t时刻水头损失的增值,cm。总有一时间达Hmax,称最大过滤水头,1.5~2.0m设：T——压力周期,从开始〔清洁砂层→Hmax,从H0→Hmax的时间。还和滤速有关：假如v/>v,则H0/>H0,tga/>tga,T/<T。"减速过滤"3.变速过滤中的滤速变化系统水头损失h不变,由于m0逐渐减小,v↓,称"等水头变速过滤"实质上：对滤料孔隙中的流速而言：4.滤层中的负水头负水头出现位置：砂面以下某一深度处的水头损失>该处水深时位置静水压线清洁滤层过滤时的水压线过滤到某一时刻后的水压线截留了大量杂质时的水压线危害：①气体释放,形成气囊,减少有效过滤面积A,增加水头损失,必须停池冲洗,结果使压力周期T下降；②气囊上升,带走部分细滤料,破坏滤层结构。措施：①增加砂面以上水深；②令滤池出水位置等于或高于砂面标高。五、滤池的优化设计设：水质周期为T1压力周期为T2由图：T1与L成正比,与d成反比。T2与L成反比,与d成正比