当代水处理技术过滤

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.2过滤,教学目的与要求,掌握普通快滤池的构造与工作过程；掌握过滤理论；熟悉滤池反冲洗原理；了解快滤池，包括虹吸滤池，无阀滤池、V型滤池，移动冲洗罩滤池、压力滤池等的工作过程及优缺点。,教学内容,过滤概述；过滤理论；截留机理过滤水力学；滤料和承托层；滤池冲洗；普通快滤池；无阀滤池；虹吸滤池；移动冲洗罩滤池；V型滤池,1,一、过滤概述,1、慢滤池,慢滤池是最早出现的用于水处理的过滤设备，能有效地去除水的色度、嗅和味。由于慢滤池占地面积大、操作麻烦、寒冷季节时其表层容易冰冻，在城镇水厂中使用的慢滤池逐渐被快滤池所代替。,适用的进水条件,出水水质,细菌的去除效率,颗粒物去除效率,浊度10ntu以下；,总大肠菌类101000个/100mL；,藻类不太多；,10000人以下的给水处理,小于1.0ntu,总大肠菌类1个/100mL,细菌总数99%,能去除逗号弧菌,(Vibrio comma),2.77,m 99%,712,m99.9%,较大颗粒99%99.9%,2,2、快滤池,（1）结构,1-总进水管；,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,3,（2）工作过程,由过滤与反冲洗两部分组成。,（3）滤速,滤速是指单位时间、单位过滤面积上的过滤水量，单位为m,3,/（m,2,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1224h。,4,二、过滤基本理论,1、截留机理,（1）悬浮颗粒被截留的机理,两阶段理论：由迁移与吸附组成。,迁移：沉淀、扩散、惯性、阻截和水动力。,吸附：范德华引力、静电力、以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用、絮凝颗粒间的架桥作用。,5,悬浮颗粒的迁移过程,（2）示意图,6,2、吸附与剥离,（1）Ives-Mints争论,Ives：, 附着于滤料之上的悬浮颗粒在过滤过程中绝对不剥离；, 在过滤后期悬浮颗粒穿透滤层进入滤池出水是吸附效率降低的缘故。,Mints：, 吸附和剥离是过滤过程中同时存在的两个相反的现象，且剥离量与含污量成正比；, 剥离是悬浮颗粒穿透滤层进入滤池出水的原因。,争论至目前的结果是Mints理论已取得了优势。,7,（2）附着力与水流剪力,8,三、过滤水力学,1、快滤池滤层的发展与利用,滤层含污能力：单位体积滤层中的平均含污量称为“滤层含污能力”，单位g/cm,3,或kg/m,3,。,采用单水冲洗的石英砂滤料滤池是典型的水力分级滤料滤池，其含污量随深度的变化见下图。,多层滤料滤池接近理想滤料滤池，最常见为双层和三层滤。双层滤池其含污量随深度的变化见下图。,均质滤料过滤目前在实际生产中已经实现，如V型滤池。,9,滤料层含污量变化,10,2、过滤过程中水头损失变化,（1）清洁滤料层的水头损失,卡曼-康采尼公式（Carman-Kozony）公式：,m,0,，h,0,不变v -变速过滤（等水头）, v 不变，m0 h,0, -等速过滤（变水头）,（2）过滤过程中的水头损失变化,过滤时滤池的总水头损失为：,11,（3）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。,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-过滤为t,1,时间时水压线； 4-过滤为t,2,时间时水压线,12,负水头危害：,是增加滤层局部阻力，增加了水头损失；,会导致空气释放出来，空气泡会穿过滤料层，上升到滤池表面，甚至把 煤粒这种轻质滤料带走。在冲洗时，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。,13,3、过滤方式,（1）恒速过滤,最常见的恒速过滤如图所示。在恒速过滤状态，由于滤层逐渐被堵塞，水头损失随过滤时间逐渐增加，滤池中水位逐渐上升，当水位上升到最高水位时，过滤停止以待冲洗。无阀滤池与虹吸滤池是典型的恒速过滤滤池。,14,（2）递降速过滤,设四个滤池组成一个滤池组，假设：进入滤池组的总流量不变；每个池子的性能完全相同；每个滤池恰好按它的编号顺序进行冲洗。则滤池的水位与滤速变化如图所示。,移动冲洗罩滤池是典型的递降速过滤滤池，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，滤池水位变化不大，有可能达到近似的“等水位变速过滤”。,15,4、直接过滤,原水不经过沉淀而直接进入滤池的过滤称为“直接过滤”。,直接过滤有两种方式：,原水加药后只经过混合就直接进入滤池过滤，称为“接触过滤”。也可称为“直流过滤”，见图中（a）与（b）所示；,原水加药后经过混合和微絮凝池后进入滤池过滤，称为“微絮凝过滤” ，如图中（c）与（d）所示。,16,直接过滤的两个特点：,采用双层或三层滤料滤池；,采用聚合物为主混凝剂或助凝剂。,直接过滤要求：,原水浊度和色度较低且水质变化小，常年原水浊度低于50度；,直接过滤中的滤速应根据原水水质决定，浊度偏高时应采用较低滤速，当原水浊度在50度以上时，滤速一般在5m/h左右。,17,四、滤料与承托层,1、要求,（1）具有足够的机械强度,（2）具有足够的稳定性,（3）能就地取材、价廉,（4）外形接近于球状，表面比较粗糙而有棱角。,2、滤料性能参数,（1）比表面积,粒状滤料的比表面积可以表示为单位重量或体积的滤料所具有的表面积，单位为cm,2,/g或cm,2,/cm,3,。,18,（2）有效粒径与不均匀系数,粒径级配可以用滤料的有效粒径和不均匀系数表示，关系如下：,（3）最大粒径、最小粒径,常用的数据见下表。,19,类别,滤料组成,滤速(m/h),强制滤速(m/h),粒径(mm),不均匀系数K,80,厚度(mm),单层石英砂,滤料,d,max,=1.2,d,min,=0.5,2.0,700,10,1014,双层滤料,无烟煤,d,max,=1.8,d,min,=0.8,2.0,300400,1014,1418,石英砂,d,max,=1.2,d,min,=0.5,2.0,400,三层滤料,无烟煤,d,max,=1.6,d,min,=0.8,1.7,450,1820,2025,石英砂,d,max,=0.8,d,min,=0.5,1.5,230,重质矿石,d,max,=0.5,d,min,=0.25,1.7,70,20,（4）滤料的当量直径,式中，,d,e,滤料层的当量粒径，mm,p,i,截留在筛孔为,d,i1,和,d,i2,的筛子之间的滤料重量占滤料总重量的百分数；,（5）球度系数与形状系数,球度系数,滤料颗粒的形状系数为：,21,序号,形状描述,球度系数,形状系数,孔隙率,1,圆球形,1.0,1.00,0.38,2,圆 形,0.98,1.02,0.38,3,已磨蚀的,0.94,1.06,0.39,4,带锐角的,0.81,1.23,0.40,5,有角的,0.78,1.28,0.43,滤料颗粒的形状及其球度系数、形状系数、孔隙率,滤料颗粒的形状示意,22,（6）滤料层的孔隙率,滤料层的孔隙率指整个滤层中孔隙总体积与整个滤层的堆积体积之比。,测定方法：取一定量的滤料，在105,o,C下烘干称重，并用比重瓶测出其密度。然后放入过滤筒中，用清水过滤一段时间后，量出滤层体积，则孔隙率为,式中,G,烘干后的滤料,g；,滤料的密度，g/cm,3,；,V,滤料层的堆积体积，cm,3,。,23,（7）滤料的筛分,取天然河砂砂样300g，洗净置于105度恒温箱中烘干，待冷却后称取100g，用一组筛子过筛，取得数据，绘制筛分曲线。,24,筛分曲线,通过筛孔砂量（）,0,100,d,10,=0.55 d,80,=1.1 d,max,80,10,0,100,d,min,由筛分曲线上求得d,10,=0.4mm,d,80,=1.34,则K,80,=3.37,不均匀系数较大。设计要求d,10,=0.55,K,80,=2,则d,80,=1.1mm。按此要求对原砂进行筛分。在80和10之间等分7份，然后以此向外外延，即得0和100两点。,25,五、,承托层,1、一般由一定级配的卵石组成，敷设于滤料和反冲洗配水系统之间。,2、作用：（1）支承滤料，防止滤料从配水系统中流失,（2）均匀分布冲洗水,3、选材：,材料一般采用天然卵石或碎石。垫层材料亦应有足够的机械强度和化学稳定性，其最小粒径不应小于滤料的最大粒径，从上至下按粒度由小到大分层铺设，反铣时不能被水冲动而发生位移。,26,六、滤池冲洗,常用的反冲洗方法有以下几种：,单水高速反冲洗：,气-水联合反冲洗；,表面助冲加高速水流反冲洗。,1、单水高速反冲洗,（1）反冲洗强度,指单位面积滤层所通过的反冲洗流量，单位为L/s,m,2,。,（2）滤层膨胀度,27,冲洗强度、膨胀度和冲洗时间,序号,滤层类型,冲洗强度,(L/s,m,2,),膨胀度,（%）,冲洗时间,（min）,1,石英砂滤料,1215,45,75,2,双层滤料,1316,50,86,3,三层滤料,1617,55,75,注：,设计水温按20,O,C计，水温每增减1,O,C，冲洗强度相应增减速1%；,由于全年水温、水质有所变化，应考虑有适当调整冲洗强度的可能；,选择冲洗强度应考虑所用混凝剂品种的因素；,无阀滤池冲洗时间可采用低限；,膨胀度数值仅作设计计算用。,28,2、配水系统,常见的配水系统有大阻力配水系统、小阻力配水系统、中阻力配水系统等三种，其作用：,反冲洗时，均匀分布反冲洗水；,过滤时，均匀集水。,反冲洗时配水不均匀的危害：,A 滤池中砂层厚度分布不同；,B 过滤时，产生短流现象，使出水水质下降；,C 可能招致局部承托层发生移动，造成漏砂现象。,29,（1）大阻力配水系统的原理,1）构造,大阻力配水系统的构造如图所示。,30,2）大阻力配水系统的特点：,配水均匀性好；,结构复杂；,但管道容易结垢；,孔口水头损失大，因而要求反冲洗水压高。,无阀滤池、移动冲洗罩滤池、虹吸滤池等的冲洗水头非常有限，不宜采用大阻力配水系统。,31,（2）小阻力配水系统,1）结构,32,2）特点, 反冲洗水头小；, 配水均匀性较大阻力配水系统为差，当配水系统室内压力稍有不均匀，滤层阻力稍不均匀，滤板上孔口尺寸稍有差别或部分滤板受堵塞，配水均匀程度都会敏感地反映出来；, 滤池面积较大时，不宜采用小阻力配水系统。,中阻力配水系统与小阻力配水系统类似，但其开孔比介于大阻力配水系统与小阻力配水系统之间。,33,3、反冲洗废水排除方法,（1）冲洗排水槽、排水渠,34,（2）冲洗排水槽的设计要求,a冲洗排水槽平面总面积一般不大于单个滤池面积的25%。否则，会影响上升水流的均匀性。,b相邻两槽的中心间距一般为1.52.0m。间距过大，难以排水均匀。,c槽内水面以上一般要有7cm左右的保护高，以保证冲洗废水自由跌水进入排水槽。,d排水槽的废水应自由跌水进入排水渠，以免引起壅水现象。,e每单位槽长的溢入流量应相等。故施工时冲洗排水槽口应力求水平，误差限制在2mm内。,35,f单个冲洗排水槽的排水量可按下式计算：,g冲洗排水槽的始端尺寸：一般采用始端深度为末端深度的一半；或槽底采用平坡，使始、两端尺寸相等。,槽底为三角形断面末端尺寸可按下式计算：,槽底为半圆形末端尺寸可按下式计算：,h槽顶距未膨胀时滤料表面的高度为：,36,（3）排水渠的布置, 面积小时，沿池壁一边布置；, 当滤池面积很大时，排水渠布置在滤池中间。,排水渠的断面一般采用矩形。渠底距排水槽底高度H,c,为：,37,4、冲洗水的供给,（1）方式,水泵冲洗；,冲洗水塔或水箱冲洗。,（2）水泵冲洗,1）特点,投资省；,但操作较为麻烦；,在冲洗的短时间内耗电量大，往往会使厂区内供电网负荷骤增。,38,2）水泵流量与扬程的计算,水泵冲洗时，需考虑有备用措施。水泵流量和杨程分别为：,（1）,（2）,H,0,排水槽顶与清水池最低水位之差，m；,h,1,从清水池至滤池的冲洗管道中总水头损失，m；,39,h,2,滤池配水系统水头损失，m。大阻力配水系统按孔口 平均水头损失计算。以 代入式,得：,（3）,h,3,承托层的水头损失，m。可根据承托层的厚度Z（m）及冲洗强度,q,（L/sm,2,）计算：,40,h,4, 滤料层的水头损失，m，,h,5,备用水头，一般取1.52.0m。,41,（3）冲洗水箱,1）特点,造价高；,但操作简单；,专用水泵小，耗电量较均匀。,42,2）冲洗水塔（箱）,冲洗水箱一般与滤池合建，通常建造于滤池操作室层顶上，水塔（箱）中水深不宜超过3m。水塔（箱）容积可按单个滤池冲洗水量的1.5倍计算：,水塔（箱）底高出滤池冲洗排水槽顶的高度可按下式计算：,43,5、气-水联合反冲洗,（1）气-水联合冲洗具有下述特点,冲洗效果好；,节约反冲洗水量；,冲洗结束后，滤层不产生或不明显产生上细下粗的分层现象；,气-水联合冲洗操作较为麻烦，池子和设备较复杂，需增加鼓风机或空压机、储气罐等气冲设备。,44,（2）气-水联合冲洗有3种操作方式：,先气洗，后水洗；,先气水混合洗，再用水洗；,先气洗，再气水混合洗，最后用水洗（或漂洗）。,气-水联合冲洗时，总的反冲洗时间约在10min左右。,45,（3）常用装置,气-水联合冲洗时常用长柄滤头或复合气水反冲洗配水滤砖进行布气与布水，其结构如下图所示。,46,七、主要滤池的工艺结构,1、普通快滤池,（1）几种管渠布置,47,（2）设计要点,1）基本参数,滤速,设计滤速一般为810m/h。,滤池总面积,个数和单池面积,滤池深度,管廊布置,48,2）设计注意事项,滤池清水管应设短管或留有堵板,管径一般采用75200mm，以便滤池翻修后排放初滤水。,滤池底部宜设有排空管，其入口处设栅罩，池底坡度约为0.005，坡向排空管。,配水系统干管末端一般装有排有排气管。,每个滤池宜设置水头损失计及取样管。,各种密封渠道上应设有人孔，以便检修。,滤池池壁与砂层接触处抹面应拉毛，以免过滤时水流在该处形成“短路”而影响水质。,49,2、重力无阀滤池,（1）工艺结构,1-进水分配槽；2-进水管；3-虹吸上升管；4-伞形顶盖；5-挡板；6-滤料层；7-承托层；8-配水系统；9-底部配水区；10-连通渠；11-冲洗水箱；12-出水渠；13-虹吸辅助管；14-抽气管；15-虹吸下降管；16-水封井；17-虹吸破坏斗；18-虹吸破坏管；19-强制冲洗管；20-冲洗强度调节器,50,（2）重力式无阀滤池的设计要点,1） 进水系统, 进水分配槽, 进水管U形存水弯,2）滤池面积与高度,3）冲洗水箱,4）虹吸管的计算,51,（3）优缺点,无阀滤池一般用于中、小型水厂。单池面积一般不大于16 m,2,。,1）优点：,它不需大型阀门，冲洗完全自动，造价较低，操作管理较为方便，过滤过程中不会出现负水头现象。,2）缺点：,池体结构较复杂，滤料装御困难，冲洗水箱位于滤池上部，出水标高较高，相应抬高了滤前处理构筑物如沉定池或澄清池的标高，从而给水厂处理构筑物的总体高程布置带来困难。,52,3、虹吸滤池,（1）结构,1-进水槽；2-配水槽；3-进水虹吸管；4-单格滤池进水槽；5-进水堰； 6-布水管；7-滤层； 8-配水系统；,9-集水槽；10-出水管；11-出水井； 12-出水堰；13-清水管；14-真空系统；15-冲洗虹吸管；16-冲洗排水管；17-冲洗排水槽,53,（2）设计要点,1）滤池分格数,2）滤池的总深度,54,（3）优缺点,1）优点：,不需要大型阀门及相应的启闭控制设备，也无管廊；可以利用滤池本身的出水量、水头进行冲洗，不需要设置冲洗高位水箱或水泵；可以在一定的范围内，根据来水量的变化自动均衡地调节各格滤池的滤速，不需要滤速控制设施；滤出水水位永远高于滤层，不会发生负水头现象。,2）缺点：,池深较大；不能排放初滤水；冲洗强度受其它几格滤池出水量的影响，故冲洗效果不象普通快滤池那样稳定。,55,4、移动冲洗罩滤池,（1）结构,1-进水管；2-穿孔配水墙；3-消力栅；4-小阻力配水系统的配水孔；5-配水系统的配水室；6-出水虹吸中心管；7-出水虹吸管钟罩；8-出水堰；9-出水管；10-冲洗罩；11-排水虹吸管；12-桁车；13-浮筒；14-针形阀；15-抽气管；16-排水渠,56,（2）设计要点,1）滤池分格面积与分格数,2）过滤水头与冲洗水头,3）出水虹吸管与排水虹吸管,57,（3）优缺点,1）优点,池体结构简单；无需冲洗水箱（塔）；无大型阀门，管件小；采用泵吸式冲洗罩时，池深较浅；与同规模的普通快滤池相比，造价有所下降。,2）缺点,不能排放初滤水；机电及控制设备较多；自动控制与维修较复杂。,移动冲洗罩滤池适用于大、中型水厂。,58,5、V型滤池,（1）结构,1-进水气动隔膜阀； 2-方孔； 3-堰口； 4-侧孔； 5-V型槽； 6-小孔； 7-排水渠； 8-气、水分配渠 9-配水方孔； 10-配气方孔；11-底部空间； 12-水封井； 13-出水堰； 14-清水渠； 15-排水阀； 16-清水阀； 17-进气阀； 18-冲洗水阀,59,1-进水气动隔膜阀；3-堰口；4-侧孔；7-排水渠；9-配水方孔； 10-配气方孔；12-水封井； 13-出水堰； 14-清水渠； 15-排水阀； 17-进气阀,60,5-V型槽； 6-小孔； 7-排水渠；,8-气、水分配渠,9-配水方孔；,10-配气方孔,61,（2）设计要点,1）滤料,2）设计滤速,3）配水系统,4）滤层上的水深,5）冲洗强度,62,（3）优缺点,1）优点,采用均质滤料过滤，避免了级配滤料过滤时可能产生的一些缺点。滤料层含污容量大，出水水质较好，过滤周期较长，过滤速度较高。采用气-水联合反冲洗，冲洗耗水量小，冲洗效果好。容易实现自动过滤与冲洗2）缺点是,对冲洗操作要求严格，需要鼓风机等机械。滤池施工要求严格。,63,6、压力滤池,（1）结构,是一个封闭的快速过滤钢罐，在一定压力下进行过滤。在工业给水处理中常与离子交换软化器串联使用。,（2）设计要点,粒径0.6-1.0mm，滤层1.1-1.2m，滤速8-10m/h。,64,7、其他滤池,（1）表面过滤,网状或片状多孔材料；,支撑在网状或其他片状多孔材料上，由粉末材料构成的预涂层；,微孔材料，如多孔陶瓷材料；,滤膜,（2）预涂层过滤器,硅藻土、珍珠岩粉、纤维粉等以薄膜的形式覆盖在刚性或柔性的整体元件上。,65,