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1、第六章第六章 过滤过滤（filtration)主要内容：主要内容：概述 过滤理论 过滤工艺及设备过滤过滤：借助于具有一定空隙率的固体介：借助于具有一定空隙率的固体介质质阻阻挡挡截留水中截留水中 杂质杂质而使水得到澄清的工而使水得到澄清的工艺过艺过程。程。一、一、过滤过滤的分的分类类表表层过滤层过滤：机械机械滤滤除，除，产产水率低（孔隙的机械水率低（孔隙的机械筛滤筛滤作用）作用）格格筛过滤筛过滤：介：介质为栅质为栅条或条或筛筛网，除去粗大的网，除去粗大的悬悬浮物，浮物，杂杂草、草、纤维纤维等，格等，格栅栅、筛筛网等网等 微微孔孔过过滤滤：滤滤布布、滤滤片片、烧烧结结滤滤管管等等，用用以以除除去去
2、粒粒径径细细微微 的的颗颗粒粒 膜膜过过滤滤：采采用用特特别别的的半半透透膜膜作作过过滤滤介介质质在在一一定定的的推推动动力力下下 进进行行过过滤滤，滤滤膜膜孔孔隙隙极极小小，可可以以去去除除水水中中细细菌菌、病病毒毒、有有 机物和溶解性物机物和溶解性物质质，反渗透、超反渗透、超过滤过滤、电电渗析等渗析等深深层过滤层过滤：过滤过滤介介质为颗质为颗粒状粒状滤滤料料，如石英砂、无烟煤等，如石英砂、无烟煤等，简简称称 过滤过滤,（利用（利用滤滤料的粘附作用）。料的粘附作用）。第一第一节节 概概 述述格筛过滤以栅条/滤网为过滤介质，e.g.格栅、筛网、微滤机城市污水厂沉砂池入口处的细格栅水处理用筛网4
3、过滤介质：滤布、滤片、烧结滤管、蜂房滤芯等滤芯滤布微孔过滤：5膜过滤采用特别的半透膜作为过滤介质在一定压力或 电场力等作用下进行过滤。反渗透超滤 电渗析超超过滤过滤膜膜6采用颗粒状滤料，e.g.石英砂、无烟煤等。石英砂石英砂无烟煤无烟煤深层过滤(简称过滤)滤料颗粒之间存在 孔隙，原水穿过一 定深度的滤层，水 中的悬浮物即被截 留。7：。：。：。：。：。：。：。：。：1.过滤过程过滤过程：。：。：。：。：。：。：。：。：1.1.过滤过过滤过程程过滤过程：。：。：。：。：。：。：。：。：过滤过程1.1.过滤过过滤过程程1.1.过滤过过滤过程程：。：。：。：。：。：。：。：。过滤过程：1.1.过滤过
4、过滤过程程：。：。：。：。：。：。：。：。过滤过程：。：。：。：。：。：。：。：。：1.1.过滤过过滤过程程过滤过程：。：。：。：。：。：。：。：。：1.1.过滤过过滤过程程过滤过程：。：。：。：。：。：。：。：。：1.1.过滤过过滤过程程过滤过程：。：。：。：。：。：。：。：。：1.1.过滤过过滤过程程过滤过程：。：。：。：。：。：。：。：。：1.1.过滤过过滤过程程过滤过程2.反冲洗过程：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：。：
5、。：。：。：。：。：二、截留的二、截留的对对象：象：细细小小颗颗粒、粒、细细小小矾矾花、藻花、藻类类、细细菌及病毒。菌及病毒。三、位置：三、位置：在在给给水水处处理中，理中，常用常用过滤过滤处处理沉淀或澄清池出水，使理沉淀或澄清池出水，使滤滤后出水后出水浊浊度度满满足用水要求。足用水要求。沉淀池或澄清池之后。（出水仍有一定沉淀池或澄清池之后。（出水仍有一定浊浊度度)直接直接过滤过滤。（原水。（原水浊浊度低，水度低，水质质好）好）在在废废水水处处理中，理中，过滤过滤常作常作为为吸附、离子交吸附、离子交换换、膜分离、膜分离 法等的法等的预处预处理手段，也作理手段，也作为为生化生化处处理后的深度理后
6、的深度处处理，使理，使 滤滤后出水达到回用要求。后出水达到回用要求。四、作用四、作用(给给水水)1 1、进进一步降低水的一步降低水的浊浊度；度；2 2、同、同时时水中有机物、水中有机物、细细菌及病毒将随水的菌及病毒将随水的浊浊度度 降低降低而部分被去除。而部分被去除。3 3、为滤为滤后消毒后消毒创创造了良好条件。造了良好条件。（残留于（残留于滤滤后水中的后水中的细细菌、病毒等失去菌、病毒等失去浑浊浑浊物的保物的保护护和依附和依附时时，在，在滤滤后后 消毒消毒过过程程中也将容易被中也将容易被杀灭杀灭。）。）五、五、滤滤池的种池的种类类(一一)按按滤滤速速1 1、慢、慢滤滤池池2 2、快、快滤滤池
7、池0.010.010.4m/h0.4m/h8 810m/h10m/h3 3、高速、高速滤滤池池101016m/h16m/h五、五、滤滤池的种池的种类类(二二)按作用水按作用水头头1 1、重力、重力滤滤池池4 45m5m2 2、压压力力滤滤池池151525m25m(三三)按水流方向按水流方向1 1、下向流、下向流滤滤池池2 2、上向流、上向流滤滤池池3 3、双向流、双向流滤滤池池(四四)按按滤滤料料组组成成1 1、单层滤单层滤池池滤滤速速 8-10m/h8-10m/h2 2、双、双层滤层滤池池滤滤速速10-14m/h10-14m/h3 3、多、多层滤层滤池池滤滤速速18-20m/h18-20m/
8、h慢慢滤滤池池是是最最早早出出现现的的用用于于水水处处理理的的过过滤滤设设备备，能能有有效效地地去去除除水水的的 色色度度、嗅嗅和和味味。由由于于慢慢滤滤池池占占地地面面积积大大、操操作作麻麻烦烦、寒寒冷冷季季节节时时 其其表表层层容容易易冰冰冻冻，在在城城镇镇水水厂厂中中使使用用的的慢慢滤滤池池逐逐渐渐被被快快滤滤池池所所代代 替。替。最早在上海最早在上海杨树杨树浦水浦水 厂，共有厂，共有3939座，每池座，每池过过 滤滤面面积积1500m1500m2 2，制水量，制水量 1212万万m m3 3/d/d。(1883(1883年年)慢慢滤滤池：依靠池：依靠滤滤料表面料表面滤滤 膜去除膜去除杂
9、质杂质。滤滤速速0.10.1 0.3m/h0.3m/h，生，生产产率低，占地率低，占地 大大,刮砂，洗砂工作量刮砂，洗砂工作量 大；但出水水大；但出水水质质好。好。慢慢滤滤池池滤池发展史快快滤滤池：池：滤滤速速 8m/h8m/h以以 上上图 17-1 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-浑水渠；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1013789541214311261快快滤滤池池1.构造构造排水槽排水渠排水渠清水管排水管冲洗水管进水
10、管2.2.工作工作过过程程由由过滤过滤与反冲洗两部分与反冲洗两部分组组成。成。滤滤料的分布与水力料的分布与水力筛筛分作用分作用滤层由一种滤料组成时，其滤料的粒径是不均匀的，比如石 英砂组成的滤层，其标准dmax=1.2mm、dmin=0.5mm，滤层厚 度700mm。其在滤床中的分布：并不是均匀分布，而是上小下大。原因：水力筛分造成的。什么是水力筛分？反冲洗时上升水流的作用，滤料颗粒大小不一，它们顺着水流 方向，由大到小排列，降落后组成的滤床自上而下：滤料粒径由小到大；滤料孔隙率依次增大此称水力筛分现象。反洗反洗 反洗又称反冲洗或冲洗：就是以较大的水流速度，从滤层底部进水，使滤料颗粒实 现流态
11、化，污泥随反洗水从顶部排出。滤料在悬浮状态下得以清洗，冲洗至滤料基本干净为止。反冲洗是过滤器的重要运行操作；反冲洗流速控制不当：可能产Th滤料流出，承托层错动和冲洗效果差(未冲洗干 净)等问题。3.3.滤滤速（速（v v）滤滤速相当于速相当于滤滤池池负负荷，即荷，即单单位位时间时间、单单位位过滤过滤面面积积上上 的的过滤过滤水量，水量，单单位位为为m3/(m2.h)或或m/h。v=Q/A 滤滤速越高，速越高，滤滤池的池的产产水量越大水量越大(滤滤池占地面池占地面积积越小越小)。水在水在滤滤料中的料中的实际实际流速流速 v4.4.工作周期工作周期从从过过滤滤开开始始到到冲冲洗洗结结束束的的一一段
12、段时时间间称称为为快快滤滤池池的的工工作作 周周期期。从从过过滤滤开开始始到到过过滤滤结结束束称称为为过过滤滤周周期期。滤滤池池的的工工 作周期作周期为为1224h。3.4 两个参数两个参数 均会影响均会影响滤滤池的池的产产水量水量。一一.截留机截留机理理主要主要为悬为悬浮浮颗颗粒与粒与滤滤料料颗颗粒粒间间的粘附的粘附 作用。作用。1 1悬悬浮浮颗颗粒被截留的机理粒被截留的机理以以简简化的球形化的球形滤滤料料单层单层砂砂滤滤池池 为为例，假例，假设设砂砂滤滤料直径料直径为为0.5mm0.5mm，以最，以最紧紧密方式排列，密方式排列，滤滤料料间间孔隙直径孔隙直径约为约为8080微米，而微米，而进
13、进入入 滤滤料的料的悬悬浮物尺寸大部分浮物尺寸大部分为为2-2-1010微米，微米，这这些些杂质杂质可被截留可被截留90%90%以上，而且在以上，而且在滤层滤层深深处处（孔隙（孔隙 大于大于8080微米）也会被截留。微米）也会被截留。第二节 过滤理论两两阶阶段理段理论论：由迁移与吸附由迁移与吸附组组成。成。迁移迁移：沉淀、：沉淀、扩扩散、散、惯惯性、阻截和水性、阻截和水动动力，力，见见图图17-217-2。沉淀沉淀（孔隙（孔隙=沉淀池）沉淀池）惯惯性性（惯惯性引起，使本身被性引起，使本身被“抛抛”到到滤滤料表面）料表面）截阻截阻（颗颗粒沿流粒沿流线线运运动动，最后与，最后与滤滤料表面接触）料表
14、面接触）扩扩散散（布朗运（布朗运动动 扩扩散至表面）散至表面）水流水流动动力（非球形力（非球形颗颗粒在粒在速度梯度速度梯度产产ThTh转动转动）1沉淀2扩散3惯性5水动力流线滤料悬浮颗粒 4阻截粘附作用是一种物理化学作用。当水中粘附作用是一种物理化学作用。当水中颗颗粒迁移到粒迁移到滤滤料料 表面表面时则时则在范德在范德华华引力和静引力和静电电力相互作用下，以及某些力相互作用下，以及某些 化学化学键键和某些特殊的化学吸附力下，粘附于和某些特殊的化学吸附力下，粘附于滤滤料料颗颗粒表粒表 面上，或者粘附在面上，或者粘附在滤滤料表面上原先粘附的料表面上原先粘附的颗颗粒上。此粒上。此 外，絮凝外，絮凝颗
15、颗粒的架粒的架桥桥作用也会存在。粘附作用也会存在。粘附过过程与澄清池程与澄清池 中的泥渣所起的作用基本中的泥渣所起的作用基本类类似，不同的是似，不同的是滤滤料料为为固定介固定介 质质，排列的，排列的紧紧密，效果好。密，效果好。因此，粘附作用主要决定于因此，粘附作用主要决定于滤滤料和水中料和水中颗颗粒的表面物理粒的表面物理 化学性化学性质质。未未经经脱脱稳稳的的悬悬浮物浮物颗颗粒，粒，过滤过滤效果很差，效果很差，这这 就是就是证证明。基于明。基于这这一概念，一概念，过滤过滤效果主要取决于效果主要取决于颗颗粒表粒表 面的性面的性质质而无而无须须增大增大颗颗粒尺寸。粒尺寸。相反如果相反如果悬悬浮浮颗
16、颗粒尺寸粒尺寸 过过大而形成机械大而形成机械筛滤筛滤作用，反而会引起表面作用，反而会引起表面滤滤料孔隙堵料孔隙堵 塞。塞。2 2吸附与剥离吸附与剥离（1）Ives-Mints争争论论Ives：附着于附着于滤滤料之上的料之上的悬悬浮浮颗颗粒在粒在过滤过过滤过程中程中绝对绝对不剥离；不剥离；在在过滤过滤后期后期悬悬浮浮颗颗粒穿透粒穿透滤层进滤层进入入滤滤池出水是吸附效率降低的池出水是吸附效率降低的缘缘 故。故。Mints：吸附和剥离是吸附和剥离是过滤过过滤过程中同程中同时时存在的两个相反的存在的两个相反的现现象，象，剥离是剥离是悬悬浮浮颗颗粒穿透粒穿透滤层进滤层进入入滤滤池出水的原因。池出水的原因
17、。争争论论至目前的至目前的结结果是果是MintsMints理理论论已取得了已取得了优势优势。（2）附着力与水流剪力）附着力与水流剪力见图见图17-3。悬悬浮浮颗颗粒与粒与滤滤料料颗颗粒之粒之间间受力受力粘附力：利于粘附力：利于杂质颗杂质颗粒被粒被过滤过滤水流水流剪切力：不利于剪切力：不利于杂质颗杂质颗粒被粒被过滤过滤F Fa a1 1表示表示颗颗粒粒1 1与与滤滤料表面的粘附力；料表面的粘附力；F Fa2a2表示表示颗颗料料2 2与与颗颗粒粒1 1之之间间的粘附力的粘附力；F FS1S1表示表示颗颗粒粒1 1所受到的平均水流剪力所受到的平均水流剪力；F FS2S2表示表示颗颗粒粒2 2所受到的
18、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 F3 3均表示合力。均表示合力。二、反冲洗清洗二、反冲洗清洗滤层滤层机理机理常采用水反冲洗，即采用自下而上的常采用水反冲洗，即采用自下而上的水流冲洗水流冲洗，或，或辅辅 以以压缩压缩空气空气进进行表面冲洗行表面冲洗。在反冲洗。在反冲洗时时，滤层滤层膨膨胀胀一一 定高度，定高度，滤滤料料处处于于流化流化态态，粘附在，粘附在滤滤料上的料上的悬悬浮物受浮物受 到高速反冲洗到高速反冲洗水流的冲刷水流的冲刷而脱落，而脱落，滤滤料料颗颗粒在水流中粒在水流中 旋旋转转，碰撞摩擦碰撞摩擦，也是，也是悬悬浮物脱落的主要原因之一。浮物脱落的主要原
19、因之一。反冲洗效果主要取决于反冲洗效果主要取决于冲洗冲洗强强度，度，时间时间和和滤滤池膨池膨胀胀度度。三、三、过滤过过滤过程分析程分析(滤层滤层截留截留杂质规杂质规律）：律）：过滤过滤初期：初期：杂质杂质截留在上面一截留在上面一层滤层滤料中，而下料中，而下层处层处于等待状于等待状态态；过过滤滤中中期期：上上层层滤滤层层中中杂杂质质逐逐渐渐增增多多，孔孔隙隙率率逐逐渐渐减减小小，水水流流剪剪 力力逐逐渐渐增增大大，以以至至最最后后粘粘附附上上的的颗颗粒粒将将首首先先脱脱落落下下来来，或或者者被被水水 流流挟挟带带的的后后续续颗颗粒粒不不再再有有粘粘附附现现象象，迫迫使使一一部部分分杂杂质质输输送
20、送到到下下一一 层层滤滤料料中中滤滤除除，于于是是悬悬浮浮颗颗粒粒便便向向下下层层推推移移，下下层层滤滤料料截截留留作作用用 渐渐次得到次得到发挥发挥。过过滤滤末末期期：截截留留带带进进一一步步向向下下推推进进，下下层层滤滤料料的的截截留留作作用用依依次次得得 到到发发挥挥，当当截截留留带带前前沿沿接接近近最最底底部部滤滤层层后后，再再继继续续过过滤滤，则则出出水水 浊浊度增加。度增加。含悬浮杂质的水 滤床 浊度降低。实际实际工作工作时时，往往是下，往往是下层滤层滤料截留料截留悬悬浮浮颗颗粒粒 的能力的能力远远未得到充分未得到充分发挥时发挥时，过滤过滤就得停止。就得停止。原因：原因：滤滤料料经
21、经反冲洗后，反冲洗后，滤层滤层因膨因膨胀胀而分而分层层，表，表层滤层滤料粒径最料粒径最 小，粘附比表面小，粘附比表面积积最大，最大，单单位体位体积滤积滤料能提供的粘附表面料能提供的粘附表面积积最多，最多，而孔隙尺寸又最小，同而孔隙尺寸又最小，同时进时进水水悬悬浮物浮物浓浓度最高，因此截留度最高，因此截留悬悬浮浮颗颗粒粒 量最多。因而，量最多。因而，过滤过滤到一定到一定时间时间后，表后，表层滤层滤料料间间孔隙将逐孔隙将逐渐渐被堵塞被堵塞，甚至，甚至产产生生筛滤筛滤作用而作用而形成泥膜形成泥膜，使，使过滤过滤阻力阻力剧剧增。增。导导致致结结果果:(1)水水头损头损失失剧剧增，增，滤滤速减小，速减小
22、，滤滤池池产产水量减少；水量减少；(2)或者或者因因滤层滤层表面受力不均匀而使泥膜表面受力不均匀而使泥膜产产生裂生裂缝时缝时，大量水流，大量水流 将自裂将自裂缝缝中流出，以致中流出，以致悬悬浮浮杂质杂质穿穿过滤层过滤层而使出水水而使出水水质恶质恶化。化。当上述两种情况之一出当上述两种情况之一出现时现时，过滤过滤将被迫停止。将被迫停止。过滤过滤周期周期（无上述因素出（无上述因素出现现但但过滤时间过长过滤时间过长，也，也应应停止）停止）故水反冲洗引起的故水反冲洗引起的滤滤料的水利料的水利筛筛分分现现象，象，导导致的致的滤滤 料粒径分布，料粒径分布，不利于不利于整个整个滤滤料料层层截截污污能力的充分
23、能力的充分发发 挥挥。采用采用单层单层水冲洗的石英砂水冲洗的石英砂滤滤料料滤滤池是典型的水力分池是典型的水力分 级滤级滤料料滤滤池，其含池，其含污污量随深度的量随深度的变变化化见图见图中曲中曲线线1 1。滤层滤层含含污污能力能力：在一个：在一个过滤过滤周期内，按整个周期内，按整个滤层计滤层计 算，算，单单位体位体积滤层积滤层中的平均含中的平均含污污量称量称为为“滤层滤层含含污污能能 力力”，单单位位g/cmg/cm3 3或或kg/mkg/m3 3。过滤结过滤结束后，束后，滤层滤层含含污污量沿量沿滤层滤层深度深度变变化化解决方案：解决方案：均匀均匀滤滤料：但生料：但生产产上不易上不易实现实现。均
24、均质滤质滤料料指沿整个指沿整个滤层滤层深度方向上的任一截面上，深度方向上的任一截面上，滤滤料的料的组组成及平均粒径均匀一致。成及平均粒径均匀一致。均均质滤质滤料料过滤过滤目前在目前在实际实际生生产产中已中已经实现经实现，如，如V V型型滤滤池池。要。要实现实现均均质滤质滤料料过滤过滤，反冲洗反冲洗时滤时滤料料层层不能膨不能膨胀胀。区区别别均均 匀匀滤滤料料 理想理想滤滤料：料：颗颗粒粒径和密度成反比，大粒粒径和密度成反比，大颗颗粒，低密粒，低密 度；小度；小颗颗粒，高密度粒，高密度反冲洗后，上大下小。反冲洗后，上大下小。形成近似理想形成近似理想滤层滤层的方法：的方法：反向反向过滤过滤（有缺点）
25、（有缺点），双双层层、多、多层层滤滤料。料。反向反向过滤过滤：截：截污污量量较较大，但冲洗大，但冲洗时时膨膨胀层胀层受格网限受格网限 制，且冲洗水流与制，且冲洗水流与过滤过滤方向一致，影响冲洗效果。方向一致，影响冲洗效果。多多层层滤滤料料滤滤池池接接近近理理想想滤滤料料滤滤池池，最最常常见见为为双双层层 和和三三层层滤滤料料见见下下图图。双双层层滤滤池池其其含含污污量量随随深深度度的的变变 化化见图见图曲曲线线2 2。上上层层用用密密度度小小，粒粒径径大大的的轻轻质质滤滤料料（如如无无烟烟煤煤），下下层层 用用密密度度大大，粒粒径径小小的的重重质质滤滤料料（如如石石英英砂砂），仍仍然然不不是是
26、 理想理想滤层滤层。特点：双特点：双层层或多或多层层的的滤层滤层含含污污能力能力较单层滤层较单层滤层大得多大得多。过滤结过滤结束后，束后，滤层滤层含含污污量沿量沿滤层滤层深度深度变变化化 沿过滤水流方向：滤料粒径和孔隙率大部分悬浮物被截留在滤层上部下层滤层未被充分利用 上层:密度小、粒径大，起粗滤作 用，去除大尺寸杂质。e.g.无烟煤、陶粒、塑料珠等下层：密度大、粒径小，起精滤作 用，去除细小的剩余杂质。e.g.磁铁 矿石、石榴石等每层滤层的截污能力得到充分利用均均质质实际实际理想理想二二层层三三层层直接直接过滤过滤（一）定（一）定义义 原水不原水不经经沉淀而直接沉淀而直接进进入入滤滤池池过滤
27、过滤称称“直接直接过滤过滤”。（二）直接（二）直接过滤过滤方式方式接触絮凝接触絮凝(1)(1)原水加原水加药药后直接后直接进进入入滤滤池池过滤过滤，滤滤前不前不设设任何絮任何絮凝凝设备设备。“接触接触过滤过滤”。(2)(2)滤滤池前池前设设微絮凝池微絮凝池，原水加，原水加药药混合后在微絮凝池混合后在微絮凝池，形成粒径相近的微絮粒后（粒径大致在，形成粒径相近的微絮粒后（粒径大致在 40-60m 40-60m）即）即 刻刻进进入入滤滤池池过滤过滤。“微絮凝微絮凝过滤过滤”。通通过过脱脱稳颗稳颗粒或微絮粒与粒或微絮粒与滤滤料的充分碰撞接触和粘附料的充分碰撞接触和粘附，被，被滤层滤层截留，截留，滤滤料
28、也是接触絮凝介料也是接触絮凝介质质。双层或三层滤料滤池过滤出水硫酸铝聚合物（a）双层或三层滤料滤池双层或三层滤料滤池阳离子型聚合物 原水混合原水硫酸铝混合絮凝池聚合物（C）絮凝池原水混合阳离子型聚合物 原水混合双层或三层滤料滤池（b）过滤出水过滤出水过滤出水（d）直接直接过滤过滤流程流程（三）直接（三）直接过滤过滤的两个功能特点：的两个功能特点：采用双采用双层层或三或三层滤层滤料料滤滤池池,；采用聚合物采用聚合物为为主混凝主混凝剂剂或助凝或助凝剂剂。（四）直接（四）直接过滤过滤要求：要求：原水原水浊浊度和色度度和色度较较低且水低且水质变质变化小，常年化小，常年 原原 水水浊浊度低于度低于505
29、0度；度；直直接接过过滤滤中中的的滤滤速速应应根根据据原原水水水水质质决决定定，浊浊 度度偏偏高高时时应应采采用用较较低低滤滤速速，当当原原水水浊浊度度在在5050度度以以上上 时时，滤滤速一般在速一般在5m/h5m/h左右。左右。（五）（五）特点及适用：特点及适用：利利用用滤滤料料介介质质作作为为附附加加颗颗粒粒以以提提高高颗颗粒粒碰碰撞撞 效效率率，强强化化了了接接触触絮絮凝凝效效果果，简简化化了了反反应应沉沉淀淀过过 程，同程，同时时明明显显提高了提高了滤滤池截池截污污能力。能力。可可节节省混凝省混凝剂剂用量，用量，节约节约投投资资和运行和运行费费用。用。近近年年来来，采采用用该该工工艺
30、艺处处理理低低浊浊水水或或低低温温低低浊浊 水水发发展迅速。展迅速。四、四、过滤过滤水力学水力学研究研究过滤过滤中中水水头损头损失失及及过滤过滤速度速度变变化化清洁滤层及堵塞滤层的水头损失公式两种过滤方式：等速过滤变速过滤（减速过滤）负水头（危害，措施）四、四、过滤过滤水力学水力学过滤过滤中水中水头损头损失及失及过滤过滤速度速度变变化化计算水头损失的公式比较多，但其基本形式是一致的，只 是公式中，有关的系数略有不同。这里仅介绍清洁滤层水头损失公式：达西(decry)公式，卡门柯 真尼(CarmanKozeng)公式；堵塞滤层的水头损失公式。一、清一、清洁滤层洁滤层的水的水头损头损失失1.dec
31、rys law最早研究清最早研究清洁滤层洁滤层水水头损头损失失规规律的是律的是达西公式达西公式；在在过滤过滤开始开始阶阶段，段，滤层较滤层较干干净净，滤层滤层中的水流属中的水流属层层流流状状态态，此，此时时，水，水头损头损失的达西公式是：失的达西公式是：h0=vl式式中中：h0砂砂滤滤层层的的起起始始水水头头损损失失，cm；v滤滤速速，cm/s；l 滤滤层层高高度度，cm；K达达西西系系数数，即即砂砂层层和和水水流流的的特特性性常常数数，由由试试验验求求 得。得。是是经验经验公式公式，它，它简单说简单说明了水明了水头损头损失失与与v、l的关系，其它因素，如的关系，其它因素，如 (滤滤料孔隙率料
32、孔隙率)；di(滤滤料的粒径料的粒径)，f(滤滤料的形状料的形状)等等因素，等等因素，都包都包 括在系数括在系数k中中，未作，未作专门专门的的讨论讨论。后来，有后来，有许许多人更深入地研究了影响水多人更深入地研究了影响水头损头损失失变变化的各种因素，化的各种因素，现现介介绍绍卡卡门门柯真尼公式柯真尼公式K1卡卡门门柯真尼公式（柯真尼公式（Carman-KozonyCarman-Kozony）：）：gm3020)2 l1(d 0(1 m 0)h 180 h h0 0:水流通水流通过过清清洁滤层洁滤层的水的水头损头损失，失，cmcm:水的运水的运动动粘度，粘度，cmcm2 2/s;/s;g:g:重
33、力加速度，重力加速度，981981 cm/scm/s2 2 l:l:滤层滤层高度高度,cm,cm m m0 0:滤滤料孔隙率料孔隙率;v v:过滤过滤速率，速率，cm/s;cm/s;d:d:与与滤滤料体料体积积相同的球体直径相同的球体直径:滤滤料料颗颗粒球形度系数，反映粒球形度系数，反映滤滤料形状。料形状。v 增加，增加，h0 增加；增加；m0减小，减小，h0增加；增加；d增加，增加，h0减小；减小；l增加，增加，h0 增加。增加。水水头损头损失失 影响因素影响因素实际滤层实际滤层是非均匀的，非均匀是非均匀的，非均匀滤层滤层按下式按下式计计算：算：2302n(p/d)gmn0i i i10i
34、i1h h 180 (1 m0)(1)2 l v 21d0n滤层滤层分分层层数；数；h0为为各各层层水水头损头损失之和。失之和。随随着着过过滤滤的的进进行行，滤滤层层中中截截留留的的杂杂质质含含量量逐逐渐渐 增增多多，空空隙隙率率减减小小，从从上上式式可可以以看看出出（滤滤料料组组成成不不 变变），水水头头损损失失不不变变，则则滤滤速速减减小小；若若滤滤速速不不变变，则则水水头头损损失失增增大大，这这样样产产生生了了两两种种过过滤滤方方式式：等等速速 过滤过滤和和变变速速过滤过滤。二、堵塞二、堵塞滤层滤层的水的水头损头损失失 过过滤滤到到一一定定阶阶段段，由由于于悬悬浮浮物物沉沉积积在在滤滤料
35、料表表面面，引引起起滤滤层层孔孔 隙隙率率下下降降，引引起起滤滤料料颗颗粒粒的的形形状状系系数数的的变变化化和和水水流流在在滤滤料料中中 的的流流态态(Re)的的变变化化。这这些些变变化化难难以以定定量量计计算算，且且这这种种变变化化在在 滤层滤层中又无中又无规规律可循，律可循，难难以数学描述。以数学描述。对对此艾夫斯此艾夫斯 （Ives）从从实实验验角角度度观观察察了了堵堵塞塞滤滤层层水水头头损损失失变变化化规规律律，将将堵堵塞塞滤滤 层层水水头头损损失失分分解解成成清清洁洁滤滤层层水水头头损损失失和和上上述述原原因因引引起起的的附附加加 水水头损头损失失之和之和h=h0+hh的的产产生是由
36、于截留的生是由于截留的悬悬浮物，因此其大小分布浮物，因此其大小分布规规律律 与与悬悬浮物量的分布浮物量的分布规规律律类类似。似。但其影响因素太多，太复但其影响因素太多，太复杂杂，无理，无理论论公式，公式，实验观测实验观测 发现发现，等速等速过滤时过滤时，h堵塞堵塞滤层滤层水水头损头损失随失随过滤时间过滤时间 线线性增性增长长，变变速速过滤时过滤时，h 与与过滤时间过滤时间的关系更复的关系更复 杂杂。三、等速三、等速过滤过滤等等速速过过滤滤：过过滤滤过过程程中中滤滤 速速或或过过滤滤流流量量自自始始至至终终保保 持不持不变变。在在等等速速过过滤滤状状态态，由由于于滤滤层层逐逐渐渐 被被堵堵塞塞，
37、水水头头损损失失随随过过滤滤时时间间逐逐 渐渐增增加加，滤滤池池中中水水位位逐逐渐渐上上升升，当当水水位位上上升升到到最最高高水水位位时时，过过滤滤 停停止止以以待待冲冲洗洗。无无阀阀滤滤池池与与虹虹吸吸 滤滤池是典型的恒速池是典型的恒速过滤滤过滤滤池。池。经过时间经过时间t t后，后，总总水水头损头损失失H H总总h hH H0 0H Ht t h h：配水系：配水系统统、承托、承托层层及管（渠）水及管（渠）水头损头损失之和失之和；H H0 0：清清洁滤层洁滤层水水头损头损失；失；HtHt：截留：截留悬悬浮物使浮物使滤层滤层的水的水头损头损失增失增值值；滤滤料料层层 水水头损头损失失整个整个
38、过过程中，程中，h和和H0保持不保持不变变，Ht随随t增加而成增加而成 直直线线增加。增加。变变水水头头等速等速过滤过滤中水中水头损头损失与失与过滤时间过滤时间的关系的关系TT H0vvHtt水水头头 损损 失失Hmax过滤过滤周期不周期不仅仅与与HmaxHmax有关，有关，还还与与滤滤速速v v有关。有关。过滤过滤周期周期H总总意意义义H0h过滤时间过滤时间（t）HmaxHmax 为为最大最大过滤过滤水水头损头损失，一般失，一般为为1.51.5 2.0 m2.0 m 。等速等速过滤过滤的不妥之的不妥之处处：当：当滤层滤层阻力逐阻力逐渐渐增大增大时时，滤滤速速仍仍保保持持不不变变，则则水水流流
39、剪剪切切力力逐逐渐渐增增加加，可可能能将将已已经经 粘粘附附在在滤滤料料上上的的悬悬浮浮固固体体冲冲刷刷下下来来（穿穿透透滤滤层层），使使 水水质质下降。下降。变变速速过滤过滤（减速（减速过滤过滤）三、变速过滤 滤滤速随速随过滤时间过滤时间而逐而逐渐渐减小的减小的过滤过滤称称“变变速速过过滤滤”或或“减速减速过滤过滤”。在在过滤过过滤过程中，如果程中，如果过滤总过滤总水水头损头损失始失始终终保持不保持不 变变，由前，由前H H0 0公式可知，公式可知，滤层滤层孔隙的逐孔隙的逐渐渐减小（减小（m m0 0),),必然使必然使滤滤速逐速逐渐渐减小（减小（v v ），），这这种情况称种情况称为为“等
40、水等水 头变头变速速过滤过滤”。变变速速过滤过滤的特点：的特点：与等速与等速过滤过滤相比，在平均相比，在平均滤滤速相同的情况下：速相同的情况下：1.1.减速减速过滤过滤的的滤滤后后水水质质好好；2.2.在相同在相同过滤过滤周期内，周期内，过滤过滤水水头损头损失失较较小小。这这是是因因为为当当滤滤料料干干净净时时，滤滤层层孔孔隙隙率率较较大大，虽虽然然滤滤速速较较 高高，但但孔孔隙隙中中流流速速并并非非按按滤滤速速增增高高倍倍数数而而增增大大；相相反反，滤滤层层内内截截留留杂杂质质较较多多时时，虽虽滤滤速速较较低低，但但因因滤滤层层孔孔隙隙率率 减减小小，孔孔隙隙流流速速并并未未过过多多减减少少
41、。因因而而过过滤滤初初期期，滤滤速速较较 大大可可使使悬悬游游杂杂质质深深入入下下层层滤滤料料，过过滤滤后后期期滤滤速速减减小小，可可 防防止止悬悬浮浮颗颗粒粒穿穿透透滤滤层层。等等速速过过滤滤则则不不具具备备这这种种自自然然调调 节节的功能。的功能。普通快普通快滤滤池中很池中很难实现难实现，可采用，可采用进进水渠水渠 连连通的多格通的多格滤滤池形成。池形成。移移动动冲冲洗洗罩罩滤滤池池是是典典型型的的递递降降速速过过滤滤滤滤 池池，当当移移动动冲冲洗洗罩罩滤滤池池的的分分格格数数很很多多时时，这这格格滤滤池池冲冲冼冼与与下下一一格格滤滤池池冲冲洗洗的的间间隔隔时时 间间很很近近，滤滤池池水水
42、位位变变化化不不大大，有有可可能能达达到到 近似的近似的“等水位等水位变变速速过滤过滤”。五、五、负负水水头现头现象象当当过滤进过滤进行到一定行到一定时时刻刻时时，从，从滤滤料表面到某一深度料表面到某一深度处处的的滤层滤层的水的水头损头损失超失超过该过该深度深度处处的水深，的水深，该该深度深度处处就出就出现负现负水水 头头，见图见图17-617-6。负负水水头头危害危害：导导致溶解于水中的气体致溶解于水中的气体释释放形成气囊。放形成气囊。减少有效减少有效过滤过滤面面积积，增加，增加滤层滤层局部阻力，增加了水局部阻力，增加了水头损头损 失；失；空气泡会穿空气泡会穿过滤过滤料料层层，上升到，上升到
43、滤滤池表面，甚至把池表面，甚至把 煤粒煤粒 这这种种轻质滤轻质滤料料带带走。在冲洗走。在冲洗时时，空气更容易把，空气更容易把 大量的大量的滤滤料随料随 水水带带走。走。避免避免滤滤池中出池中出现负现负水水头头的两个方法：的两个方法：一一 是增加砂面上的水深；是增加砂面上的水深；二二 是令是令滤滤池出口位置等于或高于池出口位置等于或高于滤层滤层表面。表面。第三第三节节 滤滤料和承托料和承托层层滤滤料料层层承托承托层层一、一、滤滤料料层层1 1、作用、作用滤滤料料层层是是滤滤池的核心部分。提供接触凝聚、吸附的池的核心部分。提供接触凝聚、吸附的 表面表面积积及及悬悬浮物浮物储储存的存的容容积积。2
44、2、滤滤料料(1)(1)滤滤料的要求料的要求 有足有足够够的机械的机械强强度。度。(在冲洗在冲洗过过程中不因碰撞、摩擦而破碎。程中不因碰撞、摩擦而破碎。)有足有足够够的化学的化学稳稳定性。定性。(不溶于水，化学成分足不溶于水，化学成分足够稳够稳定，不定，不产产生有害物生有害物质质。)具有一定的具有一定的级级配和适当的孔隙率。配和适当的孔隙率。（粒度适中，外形近乎球形，表面粗糙，（粒度适中，外形近乎球形，表面粗糙，带带有棱角，能提供有棱角，能提供较较大的大的 比表面和孔隙率，比表面和孔隙率，满满足截留足截留悬悬浮物的要求。）浮物的要求。）价廉，易得。价廉，易得。(2)(2)滤滤料的种料的种类类石
45、英砂石英砂 无烟煤粒无烟煤粒 石石榴石粒榴石粒 磁磁铁矿铁矿粒粒 白云石粒白云石粒 花花岗岗岩岩粒粒 纤维纤维球，陶粒球，陶粒等。等。（3 3）滤滤料性能参数料性能参数 滤料粒径是指把滤料包围在 内的一个假想的球体直径 滤料级配是指滤料粒径大小 不同的颗粒所占比例。一般 采用筛子筛分的方法确定。一般采用以下2种方法来表示 颗粒级配。以有效粒径d10和不均匀系数 K80作为滤料级 配指标。d10表示通过滤料重量10%的筛孔直径，它反映反映滤滤料中料中细颗细颗粒粒的尺寸；K80=d80/d10不均匀系数d80指通过滤料重量80%的筛孔直径，它反映粗反映粗颗颗 粒的尺寸粒的尺寸。K80越大，表示粗细
46、颗粒尺寸相差越大，滤料粒径 越不均匀，这对过滤和冲洗都很不利。反映了反映了产产ThTh水水头损头损失的主要部分失的主要部分满足粗颗粒膨胀要求，细颗粒冲出滤池不均匀系数以小不均匀系数以小为为佳。但是，不均匀系数愈小，加工佳。但是，不均匀系数愈小，加工 费费用也愈高。用也愈高。满足细颗粒膨胀要求，粗颗粒洗不净反洗时，过滤时，杂质积在表层 ，滤层含污能力减小不均匀系数越大不均匀系数越大 类别类别滤滤料料组组成成滤滤速速（m/hm/h）强强制制滤滤速速（m/hm/h）粒径（粒径（mmmm）不均匀系数不均匀系数 K K8080厚度（厚度（mmmm）单层单层石英砂石英砂滤滤 料料d10=0.552.070
47、079912双双层滤层滤料料=0.8无烟煤无烟煤d10=0.852.03004009121216石英砂石英砂d10=0.552.0400三三层滤层滤料料无烟煤无烟煤d10=0.851.745016182024石英砂石英砂d10=0.51.5250重重质矿质矿石石d10=0.251.770取某天然河砂砂取某天然河砂砂样样300g300g，洗，洗净净后置于后置于105105 C C恒温箱恒温箱 中烘干，待冷却后称取中烘干，待冷却后称取100g100g，用一，用一组筛组筛子子过筛过筛，最后，最后 称出留在称出留在筛筛子上的重量，作好子上的重量，作好记录记录。滤滤料的料的筛选筛选方法方法根据以上根据以
48、上实验实验数据数据绘绘成曲成曲线线，从曲，从曲线线上求得上求得d d1010=0.4=0.4 mmmm，d d80 80=1.34=1.34 mm mm，因此：，因此：K K8080 =1.34/0.4=3.37=1.34/0.4=3.37上述河砂不均匀系数上述河砂不均匀系数较较大。根据大。根据设计设计要求：要求：d d1010=0.55mm=0.55mm,K K8080=2.0,=2.0,则则：d d8080=2=2 x 0.55=1.1mm0.55=1.1mm，按此要求，按此要求筛选滤筛选滤料。料。在实际运行中.一般用粒径范围表示滤料粒径的大小，用不均匀系数表示滤料的均匀 程度。粒径范粒径
49、范围围：系指：系指滤滤料中最小料中最小颗颗粒的粒径与最大粒的粒径与最大颗颗 粒之粒之间间的范的范围围。例如，要求石英砂。例如，要求石英砂滤滤料的粒径范料的粒径范 围为围为0.51.2mm时时.可以用两个可以用两个筛筛子来子来筛筛分出所要分出所要 求的粒径范求的粒径范围围的的滤滤料。料。取一个取一个筛筛子的孔径子的孔径为为0.5mm，另一个，另一个为为1.2mm，夹夹在两个在两个筛筛子中子中间间的的滤滤料的粒径范料的粒径范围围即即为为0.5 1.2mm。滤料形状-球度系数颗粒实际表面积滤滤料料颗颗粒的球度系数粒的球度系数为为：同体积球体表面积滤滤料料颗颗粒的形状及其球度系数、形状系数、孔隙率粒的
50、形状及其球度系数、形状系数、孔隙率图图3-11 滤滤料料颗颗粒的形状示意粒的形状示意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滤料层的孔隙率滤滤料料层层的孔隙率指整个的孔隙率指整个滤层滤层中中孔隙孔隙总总体体积积与整与整 个个滤层滤层的堆的堆积积体体积积之比之比。测测定定方方法法：取取一一定定量量的的滤滤料料，105105o oC C烘烘干干称称 重重，用用比比重重瓶瓶测测密密度度。放放入入过过滤滤筒筒中中，清清水水过过滤滤一一 段段时间时间