水污染控制工程過濾理論

1、第二章第二章 水的物理處理水的物理處理第八節(jié)第八節(jié) 過過 濾濾8.1 8.1 概概 述述 一、過濾：一、過濾：借助于具有一定空隙率的固體借助于具有一定空隙率的固體介質(zhì)（如石英砂）阻擋截留水中雜質(zhì)而使水介質(zhì)（如石英砂）阻擋截留水中雜質(zhì)而使水得到澄清的工藝過程。得到澄清的工藝過程。二、截留的對(duì)象：二、截留的對(duì)象： 細(xì)小顆粒、細(xì)小礬花、藻類、細(xì)菌及病細(xì)小顆粒、細(xì)小礬花、藻類、細(xì)菌及病毒。毒。 三、位置：三、位置：沉淀池或澄清池之后。沉淀池或澄清池之后。 直接過濾。直接過濾。 8.1 8.1 概概 述述 在給水處理中，在給水處理中，常用過濾處理沉淀或澄常用過濾處理沉淀或澄清池出水，使濾后出水濁度滿足用

2、水要求。清池出水，使濾后出水濁度滿足用水要求。 在廢水處理中，在廢水處理中，過濾常作為吸附、離子過濾常作為吸附、離子交換、膜分離法等的預(yù)處理手段，也作為交換、膜分離法等的預(yù)處理手段，也作為生化處理后的深度處理，使濾后出水達(dá)到生化處理后的深度處理，使濾后出水達(dá)到回用要求。回用要求。 8.1 8.1 概概 述述 四、作用四、作用 ( (給水給水) ) 1 1、進(jìn)一步降低水的濁度；、進(jìn)一步降低水的濁度； 2 2、同時(shí)水中有機(jī)物、細(xì)菌及病毒將隨水的、同時(shí)水中有機(jī)物、細(xì)菌及病毒將隨水的濁度降低而部分被去除。濁度降低而部分被去除。 3 3、為濾后消毒創(chuàng)造了良好條件。、為濾后消毒創(chuàng)造了良好條件。 （殘留于濾

3、后水中的細(xì)菌、病毒等失去渾濁物的保護(hù)和依附時(shí)，（殘留于濾后水中的細(xì)菌、病毒等失去渾濁物的保護(hù)和依附時(shí)，在濾后消毒過程中也將容易被殺滅。）在濾后消毒過程中也將容易被殺滅。） 4 4、在飲用水凈化工藝中，過濾是不可缺少、在飲用水凈化工藝中，過濾是不可缺少的，它是保證飲用水衛(wèi)生安全的重要措施。的，它是保證飲用水衛(wèi)生安全的重要措施。8.2 8.2 概概 述述五、濾池的種類五、濾池的種類 ( (一一) ) 按濾速按濾速 1 1、慢濾池、慢濾池 0.010.010.4m/h0.4m/h 2 2、快濾池、快濾池 4 48m/h8m/h 3 3、高速濾池、高速濾池 101016m/h16m/h ( (二二)

4、) 按作用水頭按作用水頭 1 1、重力濾池、重力濾池 4 45m 5m 2 2、壓力濾池、壓力濾池 151525m25m ( (四四) ) 按濾料組成按濾料組成 1 1、單層濾池、單層濾池 濾速濾速 8-10m/h 8-10m/h 2 2、雙層濾池、雙層濾池 濾速濾速10-14m/h 10-14m/h 3 3、多層濾池、多層濾池 濾速濾速18-20m/h 18-20m/h 8.2 8.2 過濾理論過濾理論 一、過濾機(jī)理一、過濾機(jī)理 ( (一一) ) 機(jī)械篩濾機(jī)械篩濾 把濾料間的空隙看作把濾料間的空隙看作“篩子篩子”，大于孔隙尺寸的雜，大于孔隙尺寸的雜質(zhì)被截留下來。質(zhì)被截留下來。 ( (二二)

5、) 重力沉降重力沉降 靠重力作用沉淀在濾料的表面。濾料層類似于層層靠重力作用沉淀在濾料的表面。濾料層類似于層層疊起的多層沉淀池，巨大的沉淀面積，將微小的雜質(zhì)沉疊起的多層沉淀池，巨大的沉淀面積，將微小的雜質(zhì)沉淀截留下來。淀截留下來。 ( (三三) ) 接觸絮凝接觸絮凝 在范德華力作用下被濾料吸附；在布朗運(yùn)動(dòng)作用下在范德華力作用下被濾料吸附；在布朗運(yùn)動(dòng)作用下遷移擴(kuò)散到濾料表面被吸附。遷移擴(kuò)散到濾料表面被吸附。8.2 8.2 過濾理論過濾理論 水中的懸浮顆粒能夠粘附于濾料顆粒表面，水中的懸浮顆粒能夠粘附于濾料顆粒表面，涉及兩個(gè)問題：涉及兩個(gè)問題： 1 1、被水流挾帶的顆粒如何與濾料顆粒表面、被水流挾

6、帶的顆粒如何與濾料顆粒表面接近或接觸，這涉及顆粒脫離流線而向?yàn)V料顆粒接近或接觸，這涉及顆粒脫離流線而向?yàn)V料顆粒表面靠近的表面靠近的遷移機(jī)理。遷移機(jī)理。 2 2、當(dāng)顆粒與濾料表面接觸或接近時(shí)，依靠、當(dāng)顆粒與濾料表面接觸或接近時(shí)，依靠哪些力的作用使它們粘附于濾料顆粒表面上，這哪些力的作用使它們粘附于濾料顆粒表面上，這涉及涉及粘附機(jī)理粘附機(jī)理。8.2 8.2 過濾理論過濾理論1 1、顆粒遷移機(jī)理、顆粒遷移機(jī)理 在過濾過程中，濾料孔隙中的水流一般屬層流狀態(tài)。在過濾過程中，濾料孔隙中的水流一般屬層流狀態(tài)。被水流挾帶的顆粒隨水流的流線運(yùn)動(dòng)。它之所以會(huì)脫離被水流挾帶的顆粒隨水流的流線運(yùn)動(dòng)。它之所以會(huì)脫離流線

7、與濾料顆粒表面接近，完全是一種物理流線與濾料顆粒表面接近，完全是一種物理- -力學(xué)作用，力學(xué)作用，主要有攔截、沉淀、慣性、擴(kuò)散和水動(dòng)力作用。主要有攔截、沉淀、慣性、擴(kuò)散和水動(dòng)力作用。 8.2 8.2 過濾理論過濾理論 （1 1）攔截作用：）攔截作用：顆粒尺寸較大時(shí)，處于流線中的顆粒顆粒尺寸較大時(shí)，處于流線中的顆粒會(huì)直接碰到濾料表面產(chǎn)生攔截作用；會(huì)直接碰到濾料表面產(chǎn)生攔截作用； （2 2）沉淀作用：）沉淀作用：顆粒沉速較大時(shí)會(huì)在重力作用下脫離顆粒沉速較大時(shí)會(huì)在重力作用下脫離流線，產(chǎn)生沉淀作用；流線，產(chǎn)生沉淀作用； （3 3）慣性作用：）慣性作用：顆粒具有較大慣性時(shí)，也可脫離流線顆粒具有較大慣性時(shí)

8、，也可脫離流線與濾料表面接觸；與濾料表面接觸； （4 4）擴(kuò)散作用：）擴(kuò)散作用：顆粒較小，布朗運(yùn)動(dòng)較劇烈時(shí)會(huì)擴(kuò)散顆粒較小，布朗運(yùn)動(dòng)較劇烈時(shí)會(huì)擴(kuò)散至濾料表面；至濾料表面； （5 5）水動(dòng)力作用：）水動(dòng)力作用：在濾料表面附近存在速度梯度，非在濾料表面附近存在速度梯度，非球形顆粒由于在速度梯度作用下，會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)而脫離流球形顆粒由于在速度梯度作用下，會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)而脫離流線與顆粒表面接觸。線與顆粒表面接觸。8.2 8.2 過濾理論過濾理論2 2、顆粒粘附機(jī)理、顆粒粘附機(jī)理 粘附作用是一種物理化學(xué)作用。當(dāng)水中雜質(zhì)粘附作用是一種物理化學(xué)作用。當(dāng)水中雜質(zhì)顆粒遷移到濾料表面上時(shí)，則在顆粒遷移到濾料表面上時(shí)，則在范

9、德華力和靜電范德華力和靜電力相互作用下，以及某些特殊的化學(xué)吸附力下力相互作用下，以及某些特殊的化學(xué)吸附力下，被粘附與濾料顆粒表面上，或粘附在濾料表面上被粘附與濾料顆粒表面上，或粘附在濾料表面上原先粘附的顆粒上。原先粘附的顆粒上。 此外，絮凝顆粒的架橋作用也會(huì)存在。此外，絮凝顆粒的架橋作用也會(huì)存在。8.2 8.2 過濾理論過濾理論二、濾層內(nèi)雜質(zhì)的分布規(guī)律二、濾層內(nèi)雜質(zhì)的分布規(guī)律 （一）濾層內(nèi)雜質(zhì)的分布規(guī)律（一）濾層內(nèi)雜質(zhì)的分布規(guī)律 在顆粒粘附的同時(shí)，還存在由于孔隙中水流在顆粒粘附的同時(shí)，還存在由于孔隙中水流剪力作用剪力作用而導(dǎo)致顆粒從濾料表面上而導(dǎo)致顆粒從濾料表面上脫落趨勢(shì)脫落趨勢(shì)。 粘附力和水

10、流剪力相對(duì)大小，決定了顆粒粘粘附力和水流剪力相對(duì)大小，決定了顆粒粘附和脫落的程度。附和脫落的程度。圖圖 顆粒粘附力和平均水流剪力示意圖。顆粒粘附力和平均水流剪力示意圖。8.2 8.2 過濾理論過濾理論二、濾層內(nèi)雜質(zhì)的分布規(guī)律二、濾層內(nèi)雜質(zhì)的分布規(guī)律 F Fa1a1表示顆粒表示顆粒1 1與濾料表面的粘附力；與濾料表面的粘附力；F Fa2a2表示顆料表示顆料2 2與顆粒與顆粒1 1之間的粘附力；之間的粘附力；F FS1S1表示顆粒表示顆粒1 1所受到的平均水流剪力；所受到的平均水流剪力；F FS2S2表示顆粒表示顆粒2 2所受到的平均水流剪力；所受到的平均水流剪力；F F1 1、F F2 2和和F

11、 F3 3均表示合力。均表示合力。8.2 8.2 過濾理論過濾理論 過濾初期，過濾初期，濾料較干凈，孔隙率較大，孔濾料較干凈，孔隙率較大，孔隙流速較小，水流剪力隙流速較小，水流剪力F Fa1a1較小，因而粘附作用占較小，因而粘附作用占優(yōu)勢(shì)。優(yōu)勢(shì)。 隨著過濾時(shí)間的延長(zhǎng)，隨著過濾時(shí)間的延長(zhǎng)，濾層中雜質(zhì)逐漸增多，濾層中雜質(zhì)逐漸增多，孔隙率逐漸減小，水流剪力逐漸增大，以至最后孔隙率逐漸減小，水流剪力逐漸增大，以至最后粘附上的顆粒粘附上的顆粒（如圖中顆粒（如圖中顆粒3 3）將首先脫落下來，將首先脫落下來，或者被水流挾帶的后續(xù)顆粒不再有粘附現(xiàn)象，于或者被水流挾帶的后續(xù)顆粒不再有粘附現(xiàn)象，于是懸浮顆粒便向下

12、層推移，下層濾料截留作用漸是懸浮顆粒便向下層推移，下層濾料截留作用漸次得到發(fā)揮。次得到發(fā)揮。 第二節(jié)第二節(jié) 過濾理論過濾理論 實(shí)際工作時(shí)，往往是下層濾料截留懸浮顆粒實(shí)際工作時(shí)，往往是下層濾料截留懸浮顆粒作用遠(yuǎn)未得到充分發(fā)揮時(shí)，過濾就得停止。作用遠(yuǎn)未得到充分發(fā)揮時(shí)，過濾就得停止。 原因：濾料經(jīng)反沖洗后，濾層因膨脹而分層，表層濾料粒徑最原因：濾料經(jīng)反沖洗后，濾層因膨脹而分層，表層濾料粒徑最小，粘附比表面積最大，截留懸浮顆粒量最多，而孔隙尺寸又最小，小，粘附比表面積最大，截留懸浮顆粒量最多，而孔隙尺寸又最小，因而，過濾到一定時(shí)間后，表層濾料間因而，過濾到一定時(shí)間后，表層濾料間孔隙將逐漸被堵塞孔隙將逐

13、漸被堵塞，甚至產(chǎn)，甚至產(chǎn)生篩濾作用而生篩濾作用而形成泥膜形成泥膜，使過濾阻力劇增。，使過濾阻力劇增。導(dǎo)致結(jié)果導(dǎo)致結(jié)果: (1)在一定過濾水頭下濾速減?。ɑ蛟谝欢V速下水頭損失達(dá)到在一定過濾水頭下濾速減?。ɑ蛟谝欢V速下水頭損失達(dá)到極限值）極限值）; (2)或者或者因?yàn)V層表面受力不均勻而使泥膜產(chǎn)生裂縫時(shí)，大量水流因?yàn)V層表面受力不均勻而使泥膜產(chǎn)生裂縫時(shí)，大量水流將自裂縫中流出，以致懸浮雜質(zhì)穿過濾層而使出水水質(zhì)惡化。將自裂縫中流出，以致懸浮雜質(zhì)穿過濾層而使出水水質(zhì)惡化。 當(dāng)上述兩種情況之一出現(xiàn)時(shí)，過濾將被迫停止。當(dāng)上述兩種情況之一出現(xiàn)時(shí)，過濾將被迫停止。 8.2 8.2 過濾理論過濾理論（二）濾池的

14、含污能力（二）濾池的含污能力 當(dāng)過濾周期結(jié)束后，濾層中所截留的懸浮顆粒當(dāng)過濾周期結(jié)束后，濾層中所截留的懸浮顆粒量在濾層深度方向變化很大量在濾層深度方向變化很大. . 濾層含污量濾層含污量指單位體積濾層中所截留的雜質(zhì)量。指單位體積濾層中所截留的雜質(zhì)量。 在一個(gè)過濾周期內(nèi)，如果按整個(gè)濾層計(jì)，單位在一個(gè)過濾周期內(nèi)，如果按整個(gè)濾層計(jì)，單位體積濾料中的平均含污量稱為體積濾料中的平均含污量稱為“濾層含污能力濾層含污能力”，單位以單位以g/cmg/cm3 3或或kg/cmkg/cm3 3計(jì)。計(jì)。圖17-4 濾料層含污量變化21(cm)濾層深度濾層含污量（g/cm2）雙層濾料單層濾料石英砂石英砂無煤煙8.2

15、8.2 過濾理論過濾理論 提高提高濾池含污能力濾池含污能力的途徑：的途徑： A A、提高濾料顆粒的均勻性，即減小、提高濾料顆粒的均勻性，即減小K K8080 ，增大，增大d d1010 。 B B、由單層濾料改為多層濾料；（反粒度過濾。提高、由單層濾料改為多層濾料；（反粒度過濾。提高濾層含污能力，延長(zhǎng)過濾周期。濾層含污能力，延長(zhǎng)過濾周期。 ） C C、改變水流方向（上下雙向過濾）（反粒度過、改變水流方向（上下雙向過濾）（反粒度過濾）濾） 。進(jìn)水出水承托層石英砂a.上向流過濾b.雙向流過濾承托層石英砂進(jìn)水出水c.雙層濾料承托層石英砂出水d.三層濾料無煙煤承托層石英砂出水無煙煤磁鐵礦8.2 8.2

16、 過濾理論過濾理論 為了改變上細(xì)下粗的濾層中雜質(zhì)分布嚴(yán)重的不均勻?yàn)榱烁淖兩霞?xì)下粗的濾層中雜質(zhì)分布嚴(yán)重的不均勻現(xiàn)象，現(xiàn)象，提高濾層含污能力，提高濾層含污能力，出現(xiàn)了出現(xiàn)了雙層濾料、三層濾料雙層濾料、三層濾料或均質(zhì)濾料或均質(zhì)濾料等，等，見圖。見圖。 8.2 8.2 過濾理論過濾理論三、直接過濾三、直接過濾 （一）定義（一）定義 原水不經(jīng)沉淀而直接進(jìn)入濾池過濾稱原水不經(jīng)沉淀而直接進(jìn)入濾池過濾稱“直接過直接過濾濾”。 （二）直接過濾方式（二）直接過濾方式 (1)(1)原水加藥后面接進(jìn)入濾池過濾，濾前不設(shè)任何絮原水加藥后面接進(jìn)入濾池過濾，濾前不設(shè)任何絮凝設(shè)備。凝設(shè)備。“接觸過濾接觸過濾”。 (2)(2)濾池前設(shè)濾池前設(shè)微絮凝池微絮凝池，原水加藥混合后在微絮凝池，原水加藥混合后在微絮凝池，形成粒徑相近的微絮粒后（粒徑大致在形成粒徑相近的微絮粒后（粒徑大致在 40-6040-60mm）即刻）即刻進(jìn)入濾池過濾。進(jìn)入濾池過濾?！拔⑿跄^濾微絮凝過濾”。 8.2 8.2 過濾理論過濾理論三、直接過濾三、直接過濾 原水混合雙層或三層濾料濾池過濾出水硫酸鋁聚合物（a）陽離子型聚合物雙層或三層濾料濾池雙層或三層濾料濾池陽離子型聚合物原