【水處理-課件】第6章-過(guò)濾

第六章過(guò)濾(Filtration)過(guò)濾：水流通過(guò)具有一定空隙率的過(guò)濾介質(zhì)，其中的懸浮物被截留在介質(zhì)表面或內(nèi)部而除去。第一節(jié)、概述格篩過(guò)濾微孔過(guò)濾膜過(guò)濾深層過(guò)濾（根據(jù)過(guò)濾介質(zhì)）格篩過(guò)濾以柳條/濾網(wǎng)為過(guò)濾介質(zhì)，e.g.格柵、篩網(wǎng)、微濾機(jī)城市污水廠沉砂池入口處的細(xì)格柵水處理用篩網(wǎng)過(guò)濾介質(zhì)：濾布、濾片、燒結(jié)濾管、蜂房濾芯等濾芯濾布微孔過(guò)濾：膜過(guò)濾采用特別的半透膜作為過(guò)濾介質(zhì)在一定壓力或電場(chǎng)力等作用下進(jìn)行過(guò)濾。反滲透超過(guò)濾電滲析超過(guò)濾膜采用顆粒狀濾料，e.g.石英砂、無(wú)煙煤等。石英砂無(wú)煙煤深層過(guò)濾(簡(jiǎn)稱過(guò)濾)濾料顆粒之間存在孔隙，原水穿過(guò)一定深度的濾層，水中的懸浮物即被截留。深層過(guò)濾分類過(guò)濾速度作用力水流方向?yàn)V料層組成慢濾池重力濾池下向流單層濾料快濾池壓力濾池上向流雙層濾料高速濾池雙向流多層濾料徑向流普通快濾池結(jié)構(gòu)過(guò)濾過(guò)程過(guò)濾機(jī)理：顆粒遷移+顆粒黏附/脫落過(guò)濾的影響因素：過(guò)濾速度、濾料、濾層過(guò)濾過(guò)程中的水頭損失濾池沖洗配水系統(tǒng)：大阻力配水系統(tǒng)、小阻力配水系統(tǒng)、承托層第二節(jié)、過(guò)濾理論

過(guò)濾初期：表層過(guò)濾中期：濾層過(guò)濾末期：濾料堵塞或?yàn)V膜裂縫，導(dǎo)致濾速急劇降低或出水惡化沖洗(backwash)過(guò)濾沖洗一、過(guò)濾過(guò)程二、過(guò)濾機(jī)理

顆粒遷移+顆粒黏附/脫附1.顆粒遷移顆粒遷移機(jī)理過(guò)濾機(jī)理(con’d)2.顆粒黏附/脫落顆粒黏附：是一種物理化學(xué)作用。范德華力/靜電力/化學(xué)鍵/吸附/絮凝顆粒的架橋顆粒剝落：水流沖刷、顆粒碰撞和摩擦導(dǎo)致雜質(zhì)與濾料顆粒間碰撞無(wú)效有利于雜質(zhì)輸送到濾層內(nèi)部，進(jìn)行深層濾層過(guò)濾，避免局部污泥聚集。AQ,v過(guò)濾速度ν：

水在濾料中的實(shí)際流速>v流速增大：過(guò)濾周期縮短、水頭損失增加、出水濁度上升三、過(guò)濾影響因素

濾速、濾料、濾層等

過(guò)水?dāng)嗝?，m2過(guò)濾速度,m/h(空塔流速,emptytowervelocity)過(guò)濾水量，m3/h濾料種類的選擇：明確過(guò)濾目的：石英砂、無(wú)煙煤：水中懸浮雜質(zhì)錳砂：地下水中的Fe,Mn活性炭：水中有機(jī)物、顏色、異味、余氯合成纖維濾料：水中懸浮雜質(zhì)、地下水中Fe，Mn濾料的機(jī)械強(qiáng)度濾料的化學(xué)穩(wěn)定性：不溶于水，對(duì)廢水中化學(xué)成分足夠穩(wěn)定，不產(chǎn)生有害物質(zhì)。

2.濾料：種類、粒徑

d10:通過(guò)濾料重量10%的篩孔孔徑---反映細(xì)顆粒尺寸

d80:通過(guò)濾料重量80%的篩孔孔徑---反映粗顆粒尺寸

K80:不均勻系數(shù)，K80=d80/d10對(duì)粒徑要求：大小適中

粒徑大:濾料間孔隙增大，在過(guò)濾過(guò)程中細(xì)小雜質(zhì)顆粒容易穿透濾層，影響出水水質(zhì)。

粒徑?。簽V料間孔隙減小，影響雜質(zhì)顆粒在濾層中載送，增加水流阻力，造成過(guò)濾時(shí)水頭損失過(guò)快增長(zhǎng)。

濾料粒徑：濾層：孔隙率、濾層組成濾層孔隙率(porosity)：濾層中濾料顆粒與顆粒之間的空間體積占濾層總體積的百分率。ε:濾層孔隙率，%;m:烘干的濾料重量，kgρ:濾料的密度，kg/m3;

V:濾層體積，m3ε過(guò)大：懸浮雜質(zhì)易穿透；ε過(guò)小：截污空間小，水流阻力大，過(guò)濾周期短;過(guò)濾沖洗濾層組成

沿過(guò)濾水流方向：濾料粒徑和孔隙率↑大部分懸浮物被截留在濾層上部下層濾層未被充分利用

上層:密度小、粒徑大，起粗濾作用，去除大尺寸雜質(zhì)。e.g.無(wú)煙煤、陶粒、塑料珠等下層：密度大、粒徑小，起精濾作用，去除細(xì)小的剩余雜質(zhì)。e.g.磁鐵礦石、石榴石等每層濾層的截污能力得到充分利用濾料層含污量變化水流經(jīng)過(guò)濾層時(shí)，由于濾層的阻力所產(chǎn)生的壓力降，稱為水頭損失(headloss)清潔濾層水頭損失：水流通過(guò)干凈濾層的水頭損失，也稱為“起始水頭損失”。ΔH0：清潔濾層的水頭損失,cm;v:過(guò)濾速度，cm/sL：過(guò)濾高度，cm;K：達(dá)西系數(shù)四、過(guò)濾過(guò)程中的水頭損失卡曼-康采尼(Carman-Kozony公式）：h0:水流通過(guò)清潔濾層的水頭損失，cm

γ:水的運(yùn)動(dòng)粘度，cm2/s; g:重力加速度，981cm/s2

ε:濾料孔隙率; ?L:濾層高度,cmv:過(guò)濾速率，cm/h; ?k:通過(guò)試驗(yàn)所得無(wú)因次系數(shù)

d:與濾料體積相同的球體直徑

φ:濾料顆粒球形度系數(shù)非均相濾層的水頭損失：假設(shè)粒徑為di的濾料占全部濾料質(zhì)量之比為piH0∝γ,L,v:L，v應(yīng)控制在合適范圍內(nèi)H0∝1/φ

2:盡量避免采用帶尖角的濾料H0∝1/d2:細(xì)濾料對(duì)過(guò)濾不利2.過(guò)濾過(guò)程中水頭變化H:濾池的總水頭損失；H1:進(jìn)水管（渠）與附件的水頭損失；H2:濾料層的水頭損失；H3:承托層與配水系統(tǒng)的水頭損失；H4:出水管（渠）與附件的水頭損失。過(guò)濾過(guò)程中，當(dāng)濾層截留了大量雜質(zhì)以致濾層某一深度處的水頭損失超過(guò)該處水深時(shí)，便出現(xiàn)負(fù)水頭(negativeloss)。

避免濾池中出現(xiàn)負(fù)水頭：

1.增加砂面上的水深

2.令濾池出口位置等于或高于濾層表面。2.濾層中的負(fù)水頭五、濾池沖洗高速水流反沖洗氣、水反沖洗表面助沖加高速水流反沖洗反沖水濾層L0L1.高速水流反沖洗：用流速較大的反向水流沖洗濾料層，使整個(gè)濾層達(dá)到流態(tài)化狀態(tài)，且具有一定的膨脹度。截流于濾層中的污物，在水流剪力和濾料顆粒碰撞摩擦雙重作用下，從濾料表面脫落并且被沖洗水帶出濾池。沖洗強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積濾層所通過(guò)的沖洗流量，L/(s?m2)濾層膨脹度e：反沖洗時(shí)，濾層膨脹后所增加的厚度與膨脹前厚度(L0)之比。沖洗時(shí)間ε0

,ε:濾料膨脹前后的孔隙率2.氣、水反沖洗：采用空氣和水流同時(shí)沖洗優(yōu)點(diǎn)：沖洗效果好，耗用水量少小，沖洗過(guò)程中不需濾層流化。缺點(diǎn)：需增加空氣系統(tǒng)，與單獨(dú)用水沖洗相比所需設(shè)備較多。3.表面助沖加高速水流反沖洗：在濾層表面設(shè)置高速水沖洗系統(tǒng)，利用高速水流對(duì)表層濾料加以攪動(dòng)，增加濾料顆粒的碰撞機(jī)會(huì)，利用高速水流的剪切作用來(lái)提高反沖洗效果。六、配水系統(tǒng)

使反沖洗水在整個(gè)過(guò)濾裝置平面上均勻分布，同時(shí)過(guò)濾時(shí)殼均勻收集過(guò)濾出水。大阻力配水系統(tǒng)小阻力配水系統(tǒng)1.大阻力配水系統(tǒng)穿孔支管孔口位置穿孔管大阻力配水系統(tǒng)

Qa,Qc:孔口a,c出流量；

S2’,S2”:孔口a,c處承托層和濾料層阻力系數(shù)之和

S1:孔口阻力系數(shù)

g:重力加速度

v0:干管進(jìn)口流速

va:起端支管進(jìn)口流速Q(mào)c>Qa

配水系統(tǒng)要使Qa,Qc盡量接近減小孔口總面積以增大孔口阻力系數(shù)S1，以消弱承托層、濾料層阻力系數(shù)及配水系統(tǒng)壓力不均勻的影響。“大阻力”abc大阻力配水系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則：配水均勻性在95%以上，即Qa/Qc≥0.95:f:孔口總面積，m2;w0:干管截面積，m2

wa:支管截面積，m2； n:支管根數(shù)?干管起端流速：1~1.5m/s?支管起端流速：1.5~2.0m/s

?孔口流速：5~6m/s?支管間距：0.2~0.3m?支管：直徑75~100mm,長(zhǎng)度和直徑比≤60?支管孔徑：9~12mm?孔間距離：75~300mm?開孔比α(孔口總面積f與濾池面積F之比):0.2%~0.25%

Q:沖洗流量，m3/s;v:孔口流速，m/sq:濾池的反沖洗強(qiáng)度，L/(sm2)穿孔管大阻力配水系統(tǒng)大阻力配水系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

大阻力配水系統(tǒng)的特點(diǎn)：配水均勻性好；結(jié)構(gòu)復(fù)雜；管道容易結(jié)垢；孔口水頭損失大，因而要求反沖洗水壓高。無(wú)閥濾池、移動(dòng)沖洗罩濾池、虹吸濾池等的沖洗水頭非常有限，不宜采用大阻力配水系統(tǒng)。例題：

假設(shè)濾池平面尺寸為7.5m*7.0m=52.5m2，試設(shè)計(jì)大阻力配水系統(tǒng)。確定沖洗強(qiáng)度q和沖洗流量Qq:14L/s.m22.干管設(shè)計(jì)：

采用鋼筋混凝土渠道，斷面尺寸：850mm*850mm,長(zhǎng)7500mm。3.支管設(shè)計(jì)：

支管中心距支管直徑0.25m80mm濾池寬干管寬渠道壁厚及支管末端與池壁間距3.支管設(shè)計(jì)(con’d)：4.孔口設(shè)計(jì)：孔口流速孔口直徑

5.6m/s9mm4.孔口設(shè)計(jì)(con’d)：考慮干管頂開2排孔，每排40個(gè)孔:孔口中心距e1=7.5m/40=0.187m每根支管孔口數(shù)=(2060-80)/60=33個(gè)---取34個(gè)孔，分兩排布置，孔口向下與中間垂線夾角45°交錯(cuò)排列，每排17個(gè)孔：孔口中心距e2=2.9m/17=0.17m(0.131)5.配水系統(tǒng)校核：(2060)(5.6)符合配水均勻性達(dá)到95%以上的要求！

通過(guò)減小干管和支管進(jìn)口流速v0和va，可使布水趨于均勻在此基礎(chǔ)上，可以減小孔口阻力系數(shù)S1特點(diǎn)反沖洗水頭小；配水均勻性較大阻力配水系統(tǒng)為差;濾池面積較大時(shí)，不宜采用小阻力配水系統(tǒng)。“小阻力”2.小阻力配水系統(tǒng)：小阻力系統(tǒng)配水方式：

穿孔濾板、濾磚、濾頭等3.承托層(supportinglayer)

主要指敷設(shè)于濾料層與配水系統(tǒng)之間的卵石層。用于支承濾料，防止濾料從配水系統(tǒng)中流失；要求在反水沖洗時(shí)保持穩(wěn)定，并對(duì)均勻配水起協(xié)助作用。層次(自上而下）粒徑（mm）厚度(mm)12~410024~810038~16100416~32本層頂面高度至少應(yīng)高于配系統(tǒng)孔眼100

三層濾料濾池承托層材料、粒徑與厚度層次（自上而下）材料粒徑（mm）厚度（mm）1重質(zhì)礦石（如石榴石、磁鐵礦等）0.5~1.0502重質(zhì)礦石（如石榴石、磁鐵礦等）1~2503重質(zhì)礦石（如石榴石、磁鐵礦等）2~4504重質(zhì)礦石（如石榴石、磁鐵礦等）4~8505礫石8~161006礫石16~32本層頂面高度至少應(yīng)高于配系統(tǒng)孔眼100第三節(jié)、過(guò)濾池設(shè)備快濾池其它濾池：無(wú)閥濾池虹吸濾池移動(dòng)罩濾池壓力濾池一、普通快濾池及其設(shè)計(jì)濾池個(gè)數(shù)和尺寸Q——設(shè)計(jì)流量（包括廠用水量），m3/h；v——設(shè)計(jì)濾速，m/h。

濾池總面積：1.濾池個(gè)數(shù)和尺寸(con’d)濾池的平面形狀：正方形或矩形長(zhǎng):寬：1:1(F≤30m2)1.25：1~1.5：1(F>30m2)1:1,2:1,3:1(采用旋轉(zhuǎn)管式表面沖洗)濾池總深度(3.0~3.5m)：超高(0.25~0.3m)濾層上水深(1.5~2.0m)

濾料厚度、墊料層厚度2.管廊管廊：集中布置濾池主要管道、配件及閥門的池外場(chǎng)所；力求緊湊，簡(jiǎn)捷；留有設(shè)備與管配件安裝、維修時(shí)必須的空間；具有良好的防水、排水、通風(fēng)、照明設(shè)備；便于與濾池操作室聯(lián)系；管廊中的管道一般用金屬材料，也可用鋼筋混凝土渠道；管廊門及通道應(yīng)允許最大配件通過(guò)，并考慮檢修方便。2.管廊(con’d)管廊的布置:與濾池的數(shù)目和排列方式有關(guān)濾池個(gè)數(shù)<5:單排布置，管廊位于濾池的一側(cè)；濾池個(gè)數(shù)>5:雙排布置，管廊位于兩排濾池中間。

進(jìn)水、清水、沖洗水和排水渠，全部布置在管廊內(nèi)。沖洗水和清水渠布置在管廊內(nèi)，進(jìn)水和排水以渠道形式布置于濾池另一側(cè)進(jìn)水、沖洗水及清水管均采用金屬管道，排水渠單獨(dú)設(shè)置。對(duì)于較大型濾池，為節(jié)約閥門，可以虹吸管代替排水和進(jìn)水支管；沖洗水管和清水管仍用閥門3.管渠流速設(shè)計(jì):進(jìn)水管：0.8~1.2m/s清水管：1.0~1.5m/s沖洗水管：2.0~2.5m/s排水管：1.0~1.5m/s4.設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)濾池清水管應(yīng)設(shè)短管或留有堵板,管徑一般采用75~200mm，以便濾池翻修后排放初濾水。濾池底部宜設(shè)有排空管，其入口處設(shè)柵罩，池底坡度約為0.005，坡向排空管。配水系統(tǒng)干管末端一般裝有排有排氣管。每個(gè)濾池宜設(shè)置水頭損失計(jì)及取樣管。各種密封渠道上應(yīng)設(shè)有人孔，以便檢修。濾池池壁與砂層接觸處抹面應(yīng)拉毛，以免過(guò)濾時(shí)水流在該處形成“短路”而影響水質(zhì)。例題：普通快濾池池體的計(jì)算已知：（1）設(shè)計(jì)水量Q’=12000m3/d；計(jì)算水量(水廠自用水量占5%)Q=1.05Q’=1.05*12000=12600m3/d（2）濾速v=5m/h（3）沖洗強(qiáng)度q=14L/(s.m2)（4）沖洗時(shí)間t0=6min=0.1h（5）沖洗周期T=12h設(shè)計(jì)計(jì)算：（1）濾池工作時(shí)間T’：濾池24h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，其有效工作時(shí)間為：

T’=24–t0=24–0.1*24/12=23.8h（2）濾池總面積F：

F=Q/vT’=12600/(5*23.8)=106m2濾池個(gè)數(shù)：N=4，單行排列，則每個(gè)濾池面積：

f=F/N=106/4=26.5m2設(shè)計(jì)計(jì)算(con’d)（3）單池平面尺寸：濾池長(zhǎng)寬比L/B=1

濾池平面尺寸：L=B=f1/2=26.51/2=5.15m（4）校核強(qiáng)制濾速v’：

v’=Nv/(N-1)=4*5/(4-1)=6.7m/h

（5）濾池高度H： 承托層H1=0.45m濾料層H2=0.70m

沙面上水深H3=1.70m

濾池超高H4=0.30mH=H1+H2