环境工程原理过滤

环境工程原理过滤1第1页，课件共64页，创作于2023年2月第七章过滤第七章过滤本章主要内容第一节过滤操作的基本概念第二节表面过滤的基本理论第三节深层过滤的基本理论2第2页，课件共64页，创作于2023年2月第一节过滤操作的基本概念第一节过滤操作的基本概念本节的主要内容一、过滤过程二、过滤介质三、过滤分类3第3页，课件共64页，创作于2023年2月第一节过滤操作的基本概念

一、过滤过程混合物的分离：液体和气体混合物

什么现象属于过滤？混合物中的流体在推动力（重力、压力、离心力）的作用下通过过滤介质，固体粒子被截留，而流体通过过滤介质，从而实现流体与颗粒物的分离。液－固分离，气－固分离如砂滤池、袋式除尘器、口罩……

过滤分离的对象？粗大颗粒、细微离子、细菌、病毒和高分子物质等4第4页，课件共64页，创作于2023年2月第一节过滤操作的基本概念

二、过滤介质固体颗粒过滤介质在水处理中的各类滤池中应用广泛，通常称为滤料。固体颗粒：

由一定形状的固体颗粒堆积而成，包括天然的和人工合成的。天然：

石英砂、无烟煤、磁铁矿粒等。人工：

聚苯乙烯发泡塑料球等。5第5页，课件共64页，创作于2023年2月第一节过滤操作的基本概念织物介质：

又称滤布，如棉、麻、丝、毛、合成纤维、金属丝等编制成的滤布。多孔固体介质：

如素烧陶瓷板或管、烧结金属板或管等。多孔膜：

由高分子有机材料或无机材料制成的薄膜，根据分离孔径的大小，可分为微滤、超滤等。6第6页，课件共64页，创作于2023年2月第一节过滤操作的基本概念三、过滤分类

1.按过滤机理分：有表面过滤和深层过滤

2.按促使流体流动的推动力分：重力过滤：在水位差的作用下被过滤的混合液通过过滤介质进行过滤，如水处理中的快滤池。真空过滤：在真空状态下过滤，如水处理中的真空过滤机。压力差过滤：在加压条件下过滤，如水处理中的压滤滤池。离心过滤：使被分离的混合液旋转，在所产生的惯性离心力的作用下，使流体通过周边的滤饼和过滤介质，从而实现与颗粒物的分离。7第7页，课件共64页，创作于2023年2月第一节过滤操作的基本概念本节思考题

(1)过滤过程在环境工程领域有哪些应用。

(2)环境工程领域中的过滤过程，使用的过滤介质主要有哪些。

(3)过滤的主要类型有哪些。

(4)表面过滤和深层过滤的主要区别是什么。8第8页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论第二节表面过滤的基本理论本节的主要内容一、过滤基本方程二、过滤过程的计算三、过滤常数的测定四、滤饼洗涤五、过滤机生产能力的计算9第9页，课件共64页，创作于2023年2月表面过滤过程表面过滤通常发生在过滤流体中颗粒物浓度较高或过滤速度较慢的情况。给水处理：慢滤池污泥脱水：使用的各类脱水机（如真空过滤机、板框式压滤机等）第二节表面过滤的基本理论多孔性介质被过滤的颗粒粒径较小的情况滤饼过滤10第10页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论回转真空过滤机工作过程示意11第11页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论带式脱水机12第12页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论一、过滤基本方程主要特征：

随着过滤过程的进行，流体中的固体颗粒被截留在过滤介质表面并逐渐积累成滤饼层。滤饼层厚度：

随过滤时间的增长而增厚，其增加速率与过滤所得的滤液的量成正比。过滤速度：

因滤饼层厚度的增加，在过滤过程中是变化的。过滤速度是描述过滤过程的关键！推动力其它因素13第13页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论

过滤过程的主要参数处理量：

处理的流体流量或分离得到的纯流体量V(m3)过滤推动力：

由流体位差、压差或离心力场造成的过滤压差p过滤面积：

表示过滤设备的大小A(m2)过滤速度：

单位时间通过单位面积的滤液量u14第14页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论某一过滤时间t时的过滤状态过滤速度u定义为：

（7.2.1）p

过滤压差

Lm过滤面积,m2

dt时间内通过过滤面的滤液量,m3微分过滤时间,s15第15页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论达西（Darcy）定律

它反映了过滤速度与推动力之间的关系：

式中

Rm：过滤介质过滤阻力,1/m

Rc：滤饼层过滤阻力,1/m(7.2.2)16第16页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论露丝（Ruth）过滤方程

假设rm，r分别为过滤介质和滤饼层的过滤比阻（1/m2），Rm=rmLm；Rc=rL

式中

r：与过滤介质上形成的滤饼层的孔隙结构

特性有关

L：与滤液量有关，在过滤过程中是变化的。

(7.2.4)17第17页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论假设每过滤1m3滤液得滤饼f（m3）

另外，可把过滤介质的阻力转化成厚度为Le的滤饼层阻力(7.2.5)(7.2.6)(7.2.7)或：则：(7.2.8)18第18页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论滤饼层的比阻r有两种情况：不可压缩滤饼：

滤饼层的颗粒结构稳定，在压力的作用下不变形，r与p无关可压缩滤饼：

在压力的作用下容易发生变形经验式：

r0：单位压差下滤饼的比阻，m-2Pa-1；

s：滤饼的压缩指数：对于可压缩滤饼，s=0.2～0.8，对于不可压缩滤饼，s=0(7.2.9)19第19页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论将比阻计算式代入式（7.2.8），得：令q=V/A，qe=Ve/A，则

假设则：(7.2.10)(7.2.11)(7.2.12)过滤介质比当量滤液体积滤饼过滤基本方程20第20页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论

K：过滤常数，如何测定?与下列因素有关：滤饼的颗粒性质悬浮液浓度滤液黏度滤饼的可压缩性

qe：过滤介质特性参数21第21页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论二、过滤过程的计算确定滤液量与过滤时间和过滤压差等之间的关系。

（一）恒压过滤在过滤过程中，过滤压差自始自终保持恒定。对于指定的悬浮液，K为常数。对式(7.2.11)或式(7.2.12)进行积分：

(7.2.13a)(7.2.13b)22第22页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论若过滤介质阻力可忽略不计，则简化为：

K可通过实验测定。如果恒压过滤是在滤液量已达到V1，即滤饼层厚度已累计到L1的条件下开始时，应如何计算？(7.2.14a)(7.2.14b)L1V1积分时：时间从0t，滤液量V1V

(7.2.15)23第23页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论如何应用恒压过滤方程？设计型：

已知要处理的悬浮液量和推动力，求所需的过滤面积。操作型：

已知过滤面积和推动力，求悬浮液的处理量；

已知过滤面积和悬浮液的处理量，求推动力。24第24页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论25第25页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论26第26页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论

（二）恒速过滤恒速过滤是指在过滤过程中过滤速度保持不变，即滤液量与过滤时间呈正比。或代入式（7.2.11）(7.2.16b)(7.2.16a)或(7.2.17b)(7.2.17a)27第27页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论若忽略过滤介质阻力，则简化为:

在恒速过程方程中，过滤压差随时间是变化，因此过滤常数K随时间t变化。实际上过滤模式常常采用：先恒速过滤后恒压过滤。在开始过滤时，以较低的恒速操作，避免颗粒穿透过滤介质。当压差上升到给定数值后，再采用恒压过滤，直到过滤终止。计算：恒压过滤中的起始滤液量为恒速过滤末段的滤液量或(7.2.18a)(7.2.18a)28第28页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论29第29页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论30第30页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论31第31页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论三、过滤常数的测定

（一）过滤常数K，qe的计算对于恒压过滤，过滤积分方程改写为：（二）压缩指数s的计算

在不同的过滤压差下做过滤实验求得相应的K，由上式可得s。t/q

q

2qe/K

斜率1/K

(7.2.19)(7.2.20)32第32页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论四、滤饼洗涤在某些过滤操作中，为了去除或回收滤饼中残留的滤液或可溶性杂质，需要在过滤结束时，对滤饼进行洗涤。洗涤过程需要确定的主要内容是计算洗涤速度和洗涤时间。洗涤速度

是单位时间通过单位洗涤面积的洗涤液量：

洗涤液在滤饼层中的流动过程与过滤过程类似。洗涤速度与过滤终了时的滤饼层状态有关。33第33页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论

若洗涤压力与过滤终了时的操作压力相同，则洗涤速度与过滤终了时速度之间有如下近似关系：

、w——滤液、洗涤液的粘度，Pa·s；

L、Lw——过滤终了时滤饼层厚度、洗涤时穿过的

滤饼层厚度，m。(7.2.21)34第34页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论如果洗涤液走的路径和过滤终了时的路径完全相同，洗涤液粘度和滤液粘度亦相同，则：

设洗涤液用量为Vw，则洗涤时间为(7.2.23)(7.2.24)35第35页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论五、过滤机生产能力的计算

一般以单位时间得到的滤液量qV

表示。

（一）间歇式过滤机间歇式过滤机的每一个操作循环包括：

假设在每个操作循环中过滤机的滤液量为V，则间歇式过滤机的生产能力为：tT过滤tF洗涤tW卸料tD(7.2.26)36第36页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论

（二）连续式过滤机其定义与间歇式过滤机相同。但连续式过滤机在生产周期的任一时刻，过滤机不同部位同时进行着过滤、洗涤、卸饼和清洗等操作。转筒真空过滤机的转数为n(r/s)，即旋转一周的时间为1/n(s)。起过滤作用的是浸没在液体

中的转筒表面，所对应的园

心角与2之比称为浸没度。37第37页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论浸没度等价于过滤时间在旋转周期中所占的比例，因此每个周期中有效的过滤时间为：

由式（7.2.13a）可求得每一周期可得的滤液量为：

转筒真空过滤机的生产能力为：(7.2.29)(7.2.30)（m3/s）(7.2.31)38第38页，课件共64页，创作于2023年2月第二节表面过滤的基本理论本节思考题(1)表面过滤的过滤阻力由哪些部分组成。(2)表面过滤的过滤速度与推动力和阻力的关系如何表示。(3)过滤常数与哪些因素有关。(4)哪些因素影响滤饼层比阻。(5)过滤介质的比当量滤液量的物理意义是什么。(6)恒压过滤和恒速过滤的主要区别是什么。(7)如何通过实验测定过滤常数、过滤介质的比当量滤液量和压缩指数。(8)洗涤过程和过滤过程有什么关系。(9)间歇式过滤机和连续式过滤机的相同点和不同点是什么。39第39页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论本节的主要内容一、流体通过颗粒床层的流动

二、深层过滤过程中悬浮颗粒的运动

三、深层过滤的水力学40第40页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论深层过滤过程利用过滤介质间空隙进行过滤。通常发生在以固体颗粒为滤料的过滤操作中。滤料内部空隙大于悬浮

颗粒粒径。悬浮颗粒随流体进入滤

料内部，在拦截、惯性

碰撞、扩散沉淀等作用

下颗粒附着在滤料表面

上而与流体分开。流体在颗粒滤料

层中的流动规律41第41页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论深层过滤在水

处理中的应用

水处理中的快滤池、加压砂滤器深层过滤一般适用于流体中颗粒含量少的场合。42第42页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论43第43页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论一、流体通过颗粒床层的流动颗粒床层是由一定大小和形状的颗粒组成。

（一）混合颗粒的几何特性

1.粒度分布筛分实验:采用一套标准筛进行测量

大小称量筛留物，计算在混合颗粒中的质量分数。混合颗粒的累计粒度分布曲线44第44页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论

2.混合颗粒的平均粒径混合颗粒的平均粒径有多种表示方法。通常定义：

比表面积等于混合颗粒的比表面积的颗粒粒径。

对于球形颗粒，取1kg密度为p的混合颗粒，其中粒径为dpi的颗粒的质量分数为xmi，则混合颗粒的比表面积为：单颗粒比表面积单位体积颗粒所具有的表面积45第45页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论

假设混合颗粒的平均直径为dpm，则

对于非球形颗粒：

w：颗粒的球形度

devi：颗粒i的等体积当量直径(7.3.2)(7.3.1)

46第46页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论

（二）颗粒床层的几何特性

1.颗粒床层的空隙率

空隙率的大小与颗粒的形状、粒度分布、颗粒床的填充方法和条件、容器直径与颗粒直径之比等有关。对于均匀的球形颗粒，最松排列的空隙率为0.48，最紧密排列时的空隙率为0.26。非球形颗粒任意堆积时的床层空隙率往往要大于球形颗粒，一般为0.35～0.7。(7.3.3)47第47页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论

2.颗粒床层的比表面颗粒的比表面a：单位体积颗粒所具有的表面积

床层的比表面积ab：单位体积的床层中颗粒的表面积，ab与a之间的关系如下：

ab主要与颗粒尺寸有关，颗粒尺寸愈小，床层的比表面愈大。(7.3.4)48第48页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论

3.颗粒床层的当量直径颗粒床层中空隙所形成的流体通道结构非常复杂。采用简化的流动模型来代替床层内的真实流动过程。将实际床层简化成许多相互平行小孔道组成的管束。l’=L与床层厚度成正比49第49页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论颗粒床层的当量直径定义为：

取面积1m2，厚度为1m的颗粒床层为基准，根据简化模型50第50页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论则颗粒床层的当量直径为：

当量直径与床层空隙率和颗粒尺寸有关，对于非球形颗粒，则有

式中

dea：等比表面积当量直径

dev：等体积当量直径：形状系数(7.3.5)(7.3.6)51第51页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论

（三）流体在颗粒床层中的流动

1.流动速度根据上述的简化模型，流体在颗粒床层中的流动可以看成是在小孔道管束中的流动。流体在孔道内的流动可以看成是层流。

流动速度可以用Hagen-Poiseuille定律来描述。ul——流体在床层空隙中的实际流速，m/s；deb——颗粒床层的当量直径，m；p——流体通过颗粒床层的压力差，Pa；——流体粘度，Pa.s；

l’——孔通道的平均长度，m。(7.3.7)52第52页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论

又，颗粒床层的空床流速u：

dV——dt时间内通过床层的滤液量，m3；

A——垂直于流向的颗粒床层截面积，m2。床层空隙中的实际流速ul与空床流速u之间有如下关系：

实际流速与空床流速的物理意义？(7.3.9)(7.3.8)53第53页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论

Kozeny-Carmam方程按照简化模型，孔通道的长度l′与颗粒床层厚度L成正比，则

Kl为Kozeny系数，与下列因素有关：床层颗粒粒径、形状床层空隙率等在床层空隙率＝0.3～0.5时，Kl＝5。(7.3.11)54第54页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论

2.颗粒床层的阻力颗粒床层比阻则：流体在颗粒床层中流动速度的影响因素？一是促使流体流动的推动力p；二是阻碍流体流动的因素rL：

(1)

流体黏度；

(2)床层阻力：床层性质（比阻r）及厚度L。与颗粒床（过滤介质）的颗粒大小和孔隙率有关(7.3.12)55第55页，课件共64页，创作于2023年2月第三节深层过滤的基本理论二、深层过滤过程中悬浮颗粒的运动颗粒进入滤料内部后，主要包括以下几个行为：

(1)迁移行为：颗粒偏离流线运动到滤料内部

空隙表面，其推动力主要包括：扩散作用力（布朗运动），

主要对非常小的颗粒（<1m）起作用；重力沉降，当颗粒较大时，重力沉降起主要作用；流体运动作用力（惯性力），如惯性离心力，使颗粒偏离流线而运动到滤料表面。56第56页，课件共64页，创作于2023年2