水污染控制工程-过-滤

第六讲

过

滤.1容过滤概述●4.2

过滤理论●4.3

滤料和承托层

●4.4

滤池反冲洗高速水流反冲洗大阻力配水系统◆滤池的进水浊度要求在10NTU以下，出水浊度要达到饮用水标

准

(

1NTU

)◆对生活饮用水的水厂

来说，可以没有沉淀，4.1

过滤概述◆过滤：是以石英砂等具有孔隙的粒状滤料层截留水中的悬浮

杂质，从而使水获得澄清的工艺过程。排水

出水反冲进水

放空普

通

快

滤

池

简

图加混凝剂

混凝

沉淀

过滤但必须有过滤，是必

可少的除浊、滤菌加消毒剂

清水池滤料垫层_

配水系统进

水

室进水1.

构造见图4-1789图

4-1

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-

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-

废水渠普通快滤池2.

工作过程由过滤与反冲洗两部分组成。3.滤速

相当于滤池负荷滤速是指单位时间、单位过滤面积上的过滤水量，单位为m³/(m²

h)

或m/h。4.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。从过滤开始到过滤结束称为过滤

周期。滤池的工作周期为12~24h。4.2

过滤理论4.2.1过滤机理不是“机械筛滤”作用介石英砂滤料颗粒间最小孔隙尺寸d≈80μm。如经过混凝沉淀的进入滤池的最大颗粒尺寸≤20~30

μm,但滤池都能去除掉它们。“筛滤机理”:80μm

以下的颗粒都

可以通过砂层。筛滤机理

无法解

释过滤机理过滤是悬浮颗粒与滤料颗粒之间粘附作用的结果颗粒与滤料表面接近时

依靠哪些力的作用，使它

们粘附于滤料表面上被水流夹带的颗粒如何与滤料颗粒表面接近或接触迁移机理

粘附机理拦截

沉淀

惯

性

扩

散

水

动

力图4-2悬浮颗粒的迁移过程拦截

、个杂

质

颗

粒滤

料扩散和水动力引速发度转梯动度1.迁移机理布朗运

动剧烈惯性

、沉淀

、沉速大惯性大大颗粒个2.粘附机理水中的杂质颗粒迁移到滤料表面上时，在：◆范德华引力、静电力；◆某些化学键和某些特殊的化学吸附力；◆絮凝颗粒间的架桥作用。这些力作用下被粘附于滤料颗粒表面上或者

粘附在滤粒表面上原先粘附的颗粒上。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。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3.过滤澄清机理>

与颗粒粘附同时，还存在水

流剪切力导致颗粒有从滤料

表面脱落的趋势。>

粘附力和水流剪力相对大小，

决定了颗粒粘附和脱稳程度。Fa1表示颗粒1与滤料表面的粘附力；Fa₂

表示颗粒2与颗粒之间的粘附力；Fs₁表示颗粒1所受到的平均水流剪力；Fs₂表示颗粒2所受到的平均水流剪力。图4

-

3

颗粒粘附和脱附力示意量杂质被滤层表面所截留)。◆随着过滤时间延长，滤层中杂质逐

渐增大，以至最后粘附上的颗粒(图

中颗粒3)将首先脱落下来，或者被

水流夹带的后续颗粒不在有粘附现

象，于是，悬浮颗粒便向下层推移，下

层滤料截留作用渐次得到发挥。◆过滤开始阶段，滤层比较干净，孔隙率较大，孔隙流速小，水流剪力Fs1较小，因而粘附力作用占优势(大图4

-

3

颗粒粘附和脱附力示意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。图4

-

4

滤料层含污量变化滤层含污量(g/cn²)滤层深度(cm)◆滤层含污量：单位体积滤

层中所截留的杂质量。◆滤层含污能力：是指在一

个过滤周期内，整个滤层单

位体积滤料中平均截留的

杂质量

。以kg/m3或

g/cm3计。含污能力越大，表明整个滤

层所发挥的作用越大。◆滤层含污能力的图解法：

图中曲线与坐标轴所包围

的面积除以滤层总厚度。图4

-

5

滤料层含污量变化滤层厚度一定时，此面

积越大，滤层含污能力

越大

。双层滤料比石英砂单

层滤料截污能力强。滤层含污量(g/cm²)单

层滤

料2双层滤料石英砂

无煤烟1

滤层深度石英砂(cm)4.多层滤料与均质滤料为了改变滤层中杂质分布不均的现象，提高滤层含污能力，双层、多层滤料及均质滤料等滤层

应用而生。(a)

双层滤料

(b)

三层滤料

(c)

均质滤料图4-

6

几种滤料组成示意◆均质滤料：沿整个滤层深度方向的任

一断面滤料组成和平均粒径一致。多层滤料排布特征

：上轻下重

，上大下小微絮凝过滤：凝剂混合后先经微絮凝池，形成粒径

相近的微絮粒后即刻进入滤池过滤硫酸铝

聚合物原水

混合

双层或三层滤料滤池—

过滤出水(a)阳离子型聚合物原水-混合

双层或三层滤料滤池——

过滤出水(b)硫酸铝聚合物原水-混合一一絮凝池——双层或三层滤料滤

池

—

过

滤

出

水(C)阳离子型聚合物原水—混合一一双层或三层滤料滤池—

一过滤出水(d)图4-7

直接过滤流程直接过滤原水加混凝剂后直接进入滤池过滤，

不设任何絮凝设备滤池前设一简易微絮凝池，原水加混5.一种特殊过滤接触过滤：直接过滤直滤注意事项：◆浊度、色度低(要求常年浊度低于50度),水质

变化小的原水方可用；◆通常采用双层、三层或均质滤料；◆采用聚合物为主混凝剂或助凝剂；◆原水进入滤池前，不应形成大絮体，以免堵塞滤

层表面孔隙；◆滤速根据原水水质决定，浊度较高时要降低滤速。4.2.2过滤水力学

过滤过程中水头损失变化1.

清洁滤料层的水头损失“起始水头损失”滤速为8-10m/h

的砂滤池，该水头损失为30-40cm层流状态下，水头损失与滤速的一次方成正比。卡曼-康采尼

(Carman-Kozony)

公式：清洁滤层中的水流属于层流状态。(4-1)式中：h₀—表示水头损失

(cm);v—

水的运动粘度(cm³/s);m₀—滤料孔隙度；

d₀一与滤料体

积相同的球体直径(cm);I₀—

滤层厚度(cm);v—滤速

(cm/s)(

滤料L里球庶玄

数非均匀滤层清洁滤料层的水头损失非均匀滤层按下式计算：(4-2)↓变速过滤

等速过滤滤料粒径、形状、滤层级配和厚度及水温一定时，孔隙率m。,保持滤速

不变，则水头损失孔隙率m。↓,保持水头

损失不变，则滤速2.

等速过滤中的水头损失变化◆

等速过滤：滤池过滤速度保持不变，即滤池流

量保持不变时，称“等速过滤”。◆

等速过滤特点：水头损失随过滤时间而增加，

水位上升到最高

滤池中水位逐渐上升水位时，过滤结

最高水位束以待冲洗。冲洗后刚开始过滤时，滤层水头损失H₀,过滤时间为t时，

滤层水头损失增加△H,于是过滤时滤池总水头损失

为：H₁=H₀+h+△H,

图4-8等速过滤最低

水位云水◆△H随

t增加而增

大。△H与t

的关系，

实际上反映了滤层截

留杂质量与过滤时间

的关系，亦即滤层孔

隙率的变化与时间关

系。◆

实验发现△H₁

与t一般呈直线关系。图4-9等速过滤中水头损失

与时间的关系◆

H₀

和h

在整个过

滤过程中不变。等速过滤的滤速不宜太大3.

变速过滤中的滤速变化◆

变速过滤：滤速随过滤时间而逐渐减小的过

滤，也叫“减速过滤”。◆等水头变速过滤：过滤过程中，保持过滤水头损

失不变，滤速逐渐减小的过滤◆变速过滤特点：1.减速过滤的滤后水质好；2.在相同过滤周期内，过滤水头损失较小。3.过滤初期，滤速较大可使悬浮杂质深入下层滤

料；过滤后期，滤速减小，可防止悬浮颗粒穿

透滤层。变速过滤前提：滤池进水渠相互连通，每座滤池进水阀均

处于滤池最低水位以下。设四座滤池组成一个滤池组，假

设：①进入滤池组的总流量不变；②每个池子的性能完全相

同；③每个滤池恰好按它的编号顺序进行冲洗。则四座滤池的水位与总水头损失在任何时间内基本都相等，但滤速按滤池的干净程度

(截污量由少

到多顺序)由高到低依次降低。移动冲洗罩滤池是典型的减速过滤滤池，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，几乎连续的逐格依次冲

洗。最高水位进水渠最低水位进水阀排水阀排水渠流量控制设备0

过滤时间t(h)图4-10减速过滤(一组4座滤池)

图4-11一座滤池滤速变化(一组4座滤池)滤速v(m/h)清水池4.

负水头现象当过滤进行到一定时刻时，从滤料表面到某一深度处

的滤层的水头损失超过该深度处的水深，该深度处就出现负水

头，见图4-12。图4-12过滤时滤层内压力变化1-静水压力线；2-清洁滤料过滤时水压线；3-过滤时间为t1

时的水压线；4-过滤时间为t2(t2>t1)

时的水压线◆负水头会导致水中的空气释放出来，形成气囊。气囊危害：①减少有效过滤面积，增加滤层局部阻力，使水头

损失及滤速增加，甚至破坏滤后水质；②气囊会穿过滤层上升，甚至把部分碎滤料或煤

粒等轻质滤料带出，破坏滤层结构。反冲洗时，空气更容易把大量的滤料随水带走。◆避免滤池中出现负水头的两个方法：一是增加砂面上的水深；二是令滤池出口位置等于或高于滤层表面。4.3滤料与承托层4.3.1

滤料的选取要求◆具有足够的机械强度◆具有足够的稳定性，无毒◆具有一定的颗粒级配和适当的空隙率◆

能就地取材、

价廉◆外形接近于球状，表面比较粗糙4.3.2

滤料粒径级配滤料粒径级配：滤料中各种粒径颗粒所占的重量比

例

。粒径：正好可以通过某一筛孔的孔径。可用两种方法表示粒径级配：1.有效粒径与不均匀系数法以滤料有效粒径d₁₀

和不均匀系数K₈0表示滤料粒径

级

配

。颗粒越不均匀

(4-4)d₁0—

通过滤料重量10%的筛孔孔径；d80—

通过滤料重量80%的筛孔孔径.代表细颗粒代表粗颗粒类别滤料组成滤速(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=0.5<2.0700~1010~14双层滤料无烟煤dmax=1.8dmin=0.8<2.0300~40010~1414~18石英砂

dmax=1.2

dmin=0.5<2.0400三层滤料无烟煤

dmax=1.6

dmin=0.8<1.745018~2020~25石英砂dmax=0.8dmn=0.5<1.5230重质矿石

dmax=0.5

dmin=0.25<1.770粒径级配表示法：2.最大粒径、最小粒径与不均匀系数法表4-2

滤料级配与滤速4.3.2

滤料筛选方法筛选方法举例：取某天然河砂砂样300g,洗净后置于105℃

恒温箱中烘干，待冷却后取100g,用一组筛子过筛，最后称出留在各个筛子上的砂量，记录填表，

并绘出滤料筛分曲线。筛孔(mm)留在筛上的砂量通过该号筛的砂量质量(g)%质量(g)%2.3620.80.4199.299.61.65118.49.32180.890.40.99140.620.3140.270.10.58985.042.555.227.60.24643.421.711.85.90.2089.24.62.61.3筛底盘2.61.3一一合计200100筛分试验记录表表4-4

筛分试验记录序号形状描述球度系数形状系数孔隙率1圆球形1.01.000.382圆

形0.981.020.383已磨蚀的0.941.060.394带锐角的0.811.230.405有角的0.781.280.43表4-3

滤料颗粒的形状及其球度系数、形状系数、孔隙率图率4T4滤料颡粒形沃亲意图工42354.3.4双层滤料和多层滤料滤池中出现的混层现象一种观点认为：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，故适度混杂是有

益的另一种认为：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。实际生产中，煤-砂混杂不可避免；混杂厚度在5cm左右，对过滤有益无害。4.3.5

承托层◆承托层的作用：①防止滤料层从配水系统流失；②均匀布置反冲洗水。◆

单层或双层滤料滤池采用的承托层(大阻力配水系统):

天然卵石或砾石表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

(

m

m

)厚度12~410024~810038~16100416~32本层顶面高度至少应高于配系统孔眼100层次(自上而下

)水系材料统

)粒径(mm)厚度(mm)1重质矿石(如石榴石、磁铁矿等)0.5~1.0502重质矿石(如石榴石、磁铁矿等)1~2503重质矿石(如石榴石、磁铁矿等)2~4504重质矿石(如石榴石、磁铁矿等)4~8505砾石8~161006砾石16~32本层顶面高度至少

应高于配系统

孔眼100表4-6

三层滤料滤池承托层材料、粒径与厚度(大阻力配注：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。设n=0.012,则当D>1.330.006LH₂

>

H₁则D>1330.006L在快滤池的配水系统中满足

这一条件，因而，图

4-17

沿途均匀泄流管内压力变化(3)配水系统的能量的变化在图4-16所示的大阻力配水系统中，干管起端0点、干管末端/点、最前一根支管起端a点、最后一根支管起端b点、

最后一根支管末端c点之间的能量关系见式(4-17)至式(4-

20),也可形象地用图4-18来描述。(4-17)(4-18)(4-19)(4-20)Ha0

-I

干管b-c

支管图4

-

18

配水系统中的能量变化av3/2Bha

压力水头线ba压力水头线总水头线h②各支管的进口局部水头损失基本相等，即

h≈h

。

并取

a=1,

则式(4-21)可简化为：

(4-22)

在图4-16所示的配水系统中，压力水头差别最大的两个点为孔口a

与孔口c

。若Qc=Q,则认为布水均匀；设冲洗时水流自各孔口流出后的终点水头在同一平面，为H终，孔口a与孔口

c的总水头损失分别为H(4)大阻力配水系统的原理假定：①沿程水头损失OIc点与a点之间的压力关系为(4-21)(4-23)冬S1:

孔口阻力系数；S2',S2'':

孔口a

和c处承托层和滤料层阻力系数之和。(4-25)(4-27)(4-28)(4-29)将式(4-

23)、

(4-24)代入式(4-22)得：假设S2'≈S2'',

则式(4-28)可简化为：

由于：(4-26)将式(4

-

26),(H'=(S₁+S2)Q上式说明Q

大于Qa

增加S₁+S₂

'值，能减小上式右边第二项的值，从而使Q

尽量接近QJa、c两点是孔口内压头相差最大的两点Qa=Q.则认为整个滤池布水是均匀的由于承托层与滤料层的阻力系数之和S₂

'

’不能改变，只有通过减小孔口总面积来增大孔口阻力系数S

,才能

增大S₁+S₂'’。

增大孔口阻力系数S,就削弱了承托层、滤料层

阻力系数及配水系统压力水头不均匀对孔口出流量的影响，这就是大阻力配水系统的原理。大