1、第四章、過濾,1,優質教資,第一節、概述,水處理中的過濾一般是指借助網狀材料或粒狀介質截留水中雜質，使水獲得澄清的過程。 通過網狀材料的過濾稱表面過濾； 通過粒狀介質的過濾稱深層過濾。 在這里我們主要介紹深層過濾,2,優質教資,一、過濾功能 過濾工藝的主要目的是去除水中懸浮物質，但由于不少細菌和病毒依附于懸浮物質，因而過濾工藝對去除細菌和病毒也有明顯作用。由于過濾是給水常規處理中除消毒外的最終處理工藝，因此對確保供水水質具有重要作用。 進一步去除經過沉淀或澄清后的水中的細小雜質、有機物、細菌和病毒等。 當原水濁度較低時，可直接過濾去除水中的懸浮雜質,3,優質教資,二、濾池分類 完成過濾工藝的處

2、理構筑物稱濾池。 按濾料的不同可分為單層濾料、雙層濾料、多層濾料及均質濾料等濾池。 按水流方向的不同可分為下向流、上向流、雙向流等濾池。 按濾池受壓情況可分為壓力式濾池和重力式濾池。 按藥劑投加方式不同可分為沉淀后過濾、微絮凝過濾和接觸絮凝過濾。 按運行周期內濾速的變化可分為等速過濾和降速過濾,4,優質教資,三、快濾池的構造和工作過程 1、構造 普通快濾池的構造見圖41。其構造主要由池體、管廊、進水管、清水管、反沖洗水管、洗砂排水槽、排水管、放空管等組成。 2、工作過程 過濾過程 沖洗過程 快濾池工作周期濾池從過濾開始到沖洗結束所需時間過濾周期沖洗時間 過濾周期濾池從過濾開始到過濾結束,5,優

3、質教資,圖41 普通快濾池構造圖,6,優質教資,第二節、過濾理論,一、過濾機理 對于普通石英砂濾料來說，濾料粒徑通常為0.51.2mm，濾料層厚度為700mm，表層粒徑最小，為0.5mm，以球體計算，則表層顆粒間孔隙尺寸約為80 。原水經過混凝沉淀后，進入濾池的水中的顆粒直徑大致為3040 ，這些顆粒能被濾池截留下來，說明過濾不是簡單的機械篩濾過程。 歐、美專家認為：過濾機理主要有兩個，即遷移機理和粘附機理,7,優質教資,1、遷移機理 遷移機理指顆粒脫離水流流線接近或接觸濾料表面。這是一種物理力學作用，主要由以下作用引起： 攔截：直徑為d的顆粒，在d/2的范圍內被濾料攔截。 沉淀：顆粒較重時，

4、在重力G作用下沉淀在濾料表面。 慣性：顆粒在慣性力F作用下脫離了水流流線接近濾料表面。 擴散：小顆粒受水分子擠壓而擴散至濾料表面。 水動力：水的紊動作用，存在速度梯度，使顆粒脫離水流流線接觸濾料表面,8,優質教資,2、粘附機理 粘附機理指水中雜質顆粒遷移到濾料表面時，在范德華引力、靜電力、化學鍵等作用下，被粘附在濾料表面。這是一種物理化學作用。 粘附機理與接觸絮凝類似，接觸介質為粒狀濾料，排列緊密，絮凝效果更好。因此，粘附機理主要決定于水中顆粒的表面特性，脫穩顆粒過濾效果較好，而未經脫穩的懸浮物顆粒的過濾效果很差,9,優質教資,1、截留過程 如圖42所示，水中顆粒被粘附在濾料表面的同時，還存在

5、著由于水流對顆粒的剪切作用而使顆粒從濾料表面上脫落的趨勢。粘附力和水流剪力的大小，決定了顆粒粘附和脫落的程度,二、濾料層截留雜質規律,圖42 雜質粘附和脫落受力圖,10,優質教資,1）過濾初期 過濾初期濾料層孔隙率大，孔隙流速小，水流剪力小，則粘附占優勢。 （2）過濾繼續 隨著過濾時間的延長，濾料層中截留雜質逐漸增多，濾料層的孔隙變得越來越小，孔隙流速越來越大，水流剪力逐漸增大，則脫落逐漸占優勢。于是，脫落下來的雜質逐漸向下層推移，使下層濾料的截留作用漸次得到發揮,11,優質教資,2、雜質分布規律 濾料經過反沖洗后因濾料膨脹而分層，濾料顆粒上細下粗，造成水力分級。在過濾過程中，上層截留的雜質最

6、多，表層水頭損失約占整個濾料層水頭損失的5060（如圖43所示）。 由于濾料表層孔隙尺寸最小，而表層截污量最大，所以過濾一段時間后，表層孔隙被堵塞，甚至形成泥膜，使過濾阻力劇增，或者泥膜破裂，使水質惡化，從而必須停止過濾。此時，下層濾料截留雜質較少，未充分發揮濾料的截污作用。這就是單層石英砂濾料截留雜質分布規律中存在的缺陷,12,優質教資,圖43 濾層截留雜質后水頭損失水力分級,13,優質教資,濾層含污能力：指一個過濾周期內，整個濾料層上單位體積濾料中所截留的雜質量。 穿透深度：指濾池的某一深度處，在過濾結束后，該處的出水濁度為3度，則這個深度稱為穿透深度。在實際設計時，應使濾料層的厚度大于穿

7、透深度,14,優質教資,3、改善措施 針對單層石英砂濾料截留雜質分布嚴重的不均勻，使下層濾料未充分發揮作用的現象，可采取以下措施，來提高濾層含污能力。 （1）反粒度過濾 反粒度過濾指過濾時，濾料層中濾料粒徑順水流方向由大變小，以提高濾層含污能力的過濾方式。反粒度過濾方式有以下幾種： 上向流過濾：雜質分布較均勻，可提高濾層含污能力，延長過濾周期，但沖洗不干凈。 雙向流過濾：結構比較復雜，很少采用。 雙層濾料濾池：濾料為無煙煤和石英砂。 三層濾料濾池：濾料為無煙煤、石英砂和磁鐵礦,15,優質教資,2）均質濾料 均質濾料濾池沿深度方向不會出現水力分級，濾料組成和平均粒徑沿深度方向基本均勻一致。保證濾

8、料均勻的必要條件是反沖洗時濾料不膨脹，一般采用氣水反沖洗。 （3）纖維球濾料 采用纖維球濾料時，對于下層的濾料由于受水壓力而收縮，使粒徑變小，形成天然反粒度過濾。一般濾速v3050m/h，常用于工業水處理,16,優質教資,三、過濾水力學 1、清潔濾層水頭損失 清潔濾層水頭損失指通過干凈濾層的水頭損失，又稱起始水頭損失，記為h0，h0的計算公式為卡曼康采尼（Carman-Kozony）公式： （41） 一般單層石英砂濾池的h02040cmH2O。 對于非均勻濾料，清潔濾層水頭損失應該分層計算，清潔濾層總水頭損失為： （42,17,優質教資,由公式（41）和（42）知道，當濾料粒徑、形狀、濾層級配

9、和厚度以及水溫已定時，水頭損失H與濾速v和孔隙率m0有如下關系： （43） 隨著過濾的進行，如果孔隙率m0因濾層截污量增加而使m0下降，則會發生下面兩種情況： 保持水頭損失不變濾速v逐漸減小由此產生變速過濾。 保持濾速不變水頭損失逐漸增大由此產生等速過濾。 等速過濾和變速過濾是濾池的兩種基本過濾方式,18,優質教資,2、等速過濾 等速過濾指濾池過濾時濾速保持不變，即濾池流量保持不變。 等速過濾的濾池有虹吸濾池和無閥濾池。在等速過濾狀態下，水頭損失隨時間而逐漸增加，濾池中水位逐漸上升，見圖44。當水位上升至最高允許水位時，過濾停止以待沖洗,圖44 等速過濾,19,優質教資,設濾層清潔水頭損失為H

10、0，當過濾時間為t時，濾層中水頭損失增加，則過濾時濾層的總水頭損失為： （44） 與t的關系，反映了濾層截留雜質量與過濾時間的關系，即濾層孔隙率的變化與時間的關系。根據實驗， 與t一般呈直線關系，見圖45。 圖中Hmax為水頭損失增值最大時的過濾總水頭損失，一般Hmax1.52.0m。T為過濾周期，T不僅決定于最大允許水頭損失，還與濾速有關,20,優質教資,圖45 水頭損失與過濾時間關系,21,優質教資,3、變速過濾 變速過濾指濾速隨過濾時間而逐漸減小的過濾方式，又稱減速過濾。減速過濾的濾池有普快濾池和移動罩沖洗濾池。 在過濾過程中，濾池內水位保持不變，濾速隨時間逐漸較小，但濾池進水總流量基本

11、不變，在每座濾池中實現恒水頭減速過濾是不可能的，只有在分格數很多的移動沖洗罩濾池中有可能達到近似的恒水頭減速過濾狀態,22,優質教資,4、負水頭 負水頭指在過濾過程中，濾層截留了大量的雜質，以致于砂面以下某一深度處的水頭損失超過該處水深的現象。負水頭現象見圖46。 由于上層濾料截留雜質最多，故水頭現象往往出現在上層濾料中。 （1）負水頭產生后果 過濾時，負水頭使水中溶解氣體釋放出來形成氣囊，因而占有濾料孔隙中的一定空間而縮小過水斷面，從而增大阻力，水頭損失增大而使過濾周期縮短。 在沖洗時，氣囊與濾料顆粒吸附在一起，會上浮帶出濾料，破壞濾層結構。 （2）避免產生負水頭的方法 增加砂面以上水深。

12、使濾池出水口位置等于或高于濾層表面,23,優質教資,圖46 過濾時濾層內壓力變化,24,優質教資,第三節、濾池沖洗,一、概述 1、沖洗的作用 當濾料層過濾水頭超過規定值，或出水水質超過標準時，必須進行濾層的沖洗。 沖洗的作用：去除濾層中的截留雜質，以恢復濾池過濾能力。 2、沖洗機理 （1）水流的剪切力作用。 （2）濾料顆粒之間的碰撞摩擦作用。 若采用氣水反沖洗的沖洗方式，還有兩種作用： （3）泡振作用力，即壓縮空氣沖洗時，氣泡引起振動，使雜質吸附強度減弱，泥層剝落。 （4）尾渦混摻力，可加強剪切和碰撞,25,優質教資,3、沖洗要求 有適當的沖洗強度； 保證足夠的沖洗時間； 沖洗水要求均勻分布；

13、 沖洗的廢水應及時排除。 4、沖洗方法 水力沖洗 水力沖洗表面輔助沖洗 氣水反沖洗,表面輔助沖洗： 濾池表面上設噴嘴噴水輔助沖洗； 濾池表面通以壓縮空氣輔助沖洗。有適當的沖洗強度； 氣水反沖洗有三種方式： 空氣反沖洗水反沖洗。 氣水同時反沖洗水反沖洗。 空氣反沖洗氣水同時反沖洗水單獨沖洗,26,優質教資,二、濾層膨脹度 濾層膨脹度指反沖洗時，濾層膨脹后所增加的厚度與膨脹前厚度之比。用公式表示為： （45） 在反沖洗過程中，濾層膨脹前后單位面積上濾料體積不變，即： （46） 所以有： （47） 一般單層石英砂濾料e45，雙層濾料e50,27,優質教資,三、沖洗強度 沖洗強度q指單位面積濾料層上所

14、通過的沖洗水量，單位為L/sm2。 1、q值的確定 在設計中，通常以最粗濾料開始膨脹作為設計q的依據。因為在一定沖洗流速下，粒徑小的濾料膨脹度大，粒徑大的濾料膨脹度小，實踐證明，下層最粗濾料也必須達到最小流態化程度，即剛剛開始膨脹，才能獲得較好的沖洗效果。 考慮到其它影響因素，設計沖洗強度q可按下式確定： （48,28,優質教資,vmf可按下述方法求得： 假設濾料粒徑是均勻的，沖洗時濾料層未膨脹，則水流通過濾料層的水頭損失可用歐根公式計算： （49） 當濾料層膨脹以后，處于懸浮狀態下的濾料對沖洗水流的阻力等于濾料層在水中單位面積上的重量。即： （410） 將公式 代入上式得到： （411,29

15、,優質教資,當濾料粒徑、形狀、密度、濾料層厚度和孔隙率以及水溫等已知時，由歐根公式（49）和（411）繪制水頭損失和沖洗流速關系圖，得到圖47,圖47 水頭損失和沖洗流速關系圖,30,優質教資,2、q與e的關系 由上圖可看出，沖洗流速超過vmf后，濾料層中水頭損失h不變，達到最大水頭損失hmax，但是沖洗強度q越大，則膨脹度e越大。經實驗研究，qe為直線關系。見圖48,圖48 沖洗強度和均勻濾層膨脹度關系,31,優質教資,四、沖洗歷時t 沖洗時間控制指標為：沖洗廢水濁度50度。 對單層石英砂濾料，沖洗時間t57min；雙層濾料t68min。 規定沖洗時間是因為：q、e雖然符合要求，但沖洗歷時不

16、足，就不能充分清除包裹在濾料表面的污泥，且沖洗廢水排除不盡而導致污泥重返濾料層。 設計中可參照P330的表176來確定q、e、t的取值,32,優質教資,五、配水系統 1、作用 配水系統的作用有兩個： 反沖洗時均勻布水，使沖洗水在整個濾池面積上均勻分布。 過濾時均勻收集濾后水。 2、配水系統分類 （1）大阻力配水系統 大阻力配水系統的主要形式為帶有干管(渠)和穿孔支管的多叉管配水系統，如圖49所示。通過配水系統的水頭損失一般為47mH2O,33,優質教資,圖49 穿孔管大阻力配水系統,34,優質教資,2）中阻力配水系統 中阻力配水系統的主要形式有濾球式、管板式和標準穿孔濾磚等。常用標準穿孔濾磚，

17、如圖410所示。配水系統的水頭損失一般在0.41.0 mH2O之間,圖410 標準穿孔濾磚中阻力配水系統,35,優質教資,3）小阻力配水系統 小阻力配水系統的主要形式有豆石濾板、鋼制格柵、穿孔濾板及長柄濾頭等，常用穿孔濾板和長柄濾頭，如圖411所示。配水系統水頭損失小于0.4mH2O,圖411 穿孔濾板小阻力配水系統,36,優質教資,3、配水系統工作原理 下面以穿孔配水管大阻力配水系統為例來分析配水系統的工作原理。沖洗水流在穿孔配水管中的流線見圖412,圖412 大阻力穿孔配水管內沖洗水流流線示意,37,優質教資,設配水干管進口流速為v1，配水支管進口流速為v2，支管上孔口流速為v0，如果起端

18、支管a孔出水與末端c孔出水均勻一致，則整個配水系統就達到了均勻配水。 假設： 流線：沖洗水從干管進水到起端支管a孔出水并經過承托層、濾料層排入沖洗排水槽； 流線：沖洗水從干管進水到末端支管c孔出水并經過承托層、濾料層排入沖洗排水槽。 對這兩條流線的阻力進行分析，各部分阻力系數如表41,38,優質教資,表41 流線和流線的阻力系數比較,流線的總水頭損失為： H（S11S21S31S41）Qa2 （412） 流線的總水頭損失為： H（S12S22S32S42）Qc2 （413,39,優質教資,Qa為孔眼a的流量，Qc為孔眼c的流量，總水頭即為壓力水頭與流速水頭之和，由于排水槽上緣水平，則起端a孔與

19、末端c孔的總水頭相等。即： HH （S11S21S31S41）Qa2（S12S22S32S42）Qc2 所以有： （414） 顯然，Si1Si2，故QaQc,40,優質教資,在各阻力系數中，S3和S4在承托層、濾料層鋪好后為定值，不能調節，要使QaQc，可采取以下措施： 使S2增大，即減小孔口面積來增大S21和S22，同時削減了S11S12、S31S32、S41S42所造成的布水不均勻的影響。這就是大阻力配水系統的設計原理。 使S1減小，減小配水系統S11S12對配水均勻性的影響，并在此基礎上減小S2以減小孔口水頭損失。這就是小阻力配水系統的設計原理,41,優質教資,4、大阻力配水系統設計 （

20、1）構造：配水干管和配水穿孔支管 支管上開孔，斜下方45雙側開孔。當干管直徑大于300mm時，頂部也開孔布水，并在孔口上方設置擋板。 （2）均勻配水的條件 對配水系統設計計算完畢后，校核： （415） 公式（415）為大阻力配水系統配水均勻性好壞的判別依據,42,優質教資,公式（415）推導過程如下： 按孔口出流公式有： （416） 式中，Ha和Hc分別為a孔、c孔的壓力水頭。 而壓力水頭恢復等于干管、支管的流速水頭之和，即： （417,43,優質教資,將（417）代入（416）得到： （418） 配水均勻性指標為：如果Qa/Qc0.95，則認為配水是均勻的。所以有： （419） 若以a孔壓力

21、水頭Ha近似代替整個池子的平均水頭損失，已知： （420,44,優質教資,將（420）代入（419）得到： （421） ， ，0.62， 代入上式并整理即得到： （415,45,優質教資,3）評價 優點：配水均勻性較好。 缺點：結構復雜，水頭損失大，以致沖洗時電耗較大。 適用：單池面積F100m2的普快濾池,46,優質教資,5、小阻力配水系統設計 （1）配水均勻性的關系式 （422） 結論： 越小，配水均勻性越好，但是過小，阻力大，則沖洗水頭大。虹吸濾池沖洗水頭有限，一般為1.01.2m。 配水室高度H越大，配水均勻性越好，但池深大，造價高，一般H0.30.5m。 所以小阻力配水系統的配水均勻

22、性比大阻力配水系統差,47,優質教資,2）評價 優點：阻力較小。 缺點：配水均勻性稍差。 適用：虹吸濾池、無閥濾池、移動罩沖洗濾池，單池面積25m2,48,優質教資,六、沖洗廢水的排出 1、沖洗排水槽 （1）作用：反沖洗時均勻及時排出沖洗廢水，過濾時均勻分布待濾水。 （2）斷面形式：矩形和標準形，常用標準形斷面形式，見圖413。 （3）設計要求,圖413 沖洗排水槽標準斷面,49,優質教資,2、廢水渠 （1）布置 當單個濾池的面積F50m2時，廢水渠布置在濾池的一側； 當F50m2時，廢水渠布置在濾池中央。 （2）廢水渠為矩形斷面，廢水渠內水深為： （423,50,優質教資,七、沖洗水的供給

23、供給沖洗水的方式有兩種： （1）沖洗水泵 （2）沖洗水箱（塔,51,優質教資,第四節、普通快濾池,普通快濾池是應用較普遍的一種濾池形式，其基本構造如圖414所示。 普快濾池一般由幾個單只濾池組成。每只濾池可以獨立運行、沖洗或檢修。與各只濾池連結的進水管、出水管、反沖洗水管及排水管往往集中布置于室內(管廊)，便于操作管理。 每只濾池的進水、出水、反沖洗水及排水支管上均應設置閘閥。出于這些閘閥操作頻繁，一船采用電動或液動。 濾池的下層為配水系統，一般采用大阻力配水系統，配水系統與池外出水管和沖洗管相接,52,優質教資,圖414 普通快濾池,53,優質教資,第五節、虹吸濾池,典型的虹吸濾池是由數格濾

24、池組成為組濾池。 過濾時水由進水管進入進水槽，通過虹吸進水管流入配水槽，水流溢過堰板后，流入每格濾池。水流通過濾料層、小阻力配水系統進入濾池底部空間，出水連通后由出水管流出。見圖415。 反沖洗時，先破壞進水虹吸管虹吸，停止進水。當水位下降后，形成排水虹吸，反沖洗開始。濾料沖洗干凈后，破壞排水管虹吸，沖洗停止，恢復進水虹吸管工作，過濾重新開始。見圖416,54,優質教資,圖415 虹吸濾池過濾過程,55,優質教資,圖416 虹吸濾池沖洗過程,56,優質教資,與普通快濾池濾池相比，虹吸濾池具有如下特點： 各格濾池的出水通過連通渠相通，反沖洗水利用其他格濾池的出水，不需另設沖洗水箱或沖洗水泵。 進水和排水采用虹吸方式，不需設置閘門。 配水系統需采用小阻力系統，以減少沖洗水頭。 過濾方式為變水頭等速過濾。 由于利用濾池出水水頭進行反沖洗，故池深一般要比普通快濾池高2m左右。 由于各格濾池的出水一般是相互連通的，因此在翻砂或檢修時，整組濾池需同時停止運行,57,優質教資,第六節、重力式無閥濾池,重力式無閥濾池的基本構造如圖417和圖418所示，下部為濾池，池頂以上設清水箱，作為儲存沖洗水用。 進水由進水管進入濾池，自上而下經濾層過濾。濾后清水由連通管送至上層清水箱、然后以溢流方式經出水管至清水池，見圖417中的過濾狀態。 隨著濾層阻力增加，與進水管相連的