第二節過濾法

在常規水處理中，過濾一般是指以石英砂等粒狀濾料層截留水中懸浮雜質，從而使水獲得澄清的工藝過程。

過濾的功效，不僅在于進一步降低水的濁度，而且水中有機物、細菌乃至病毒等將隨水的濁度的降低而被部分去除。殘留的細菌、病毒在失去附著物的保護和依附后，在濾后消毒中也容易被殺死。1.工作過程由過濾與反沖洗兩部分組成。

渾水流經濾料時，水中雜質被截留，隨著濾料層中雜質截留量的逐漸增多，濾料層中的水頭損失也相應增加，當水頭損失增加到一定程度時，會使濾池產水量減少，或濾過水質不符合要求時，應停止過濾進行沖洗。沖洗水自下而上穿過承托層及濾料層，均勻分布于整個濾池平面上，濾料層處于懸浮狀態，濾料得到清洗。

2、過濾理論（1）兩階段理論：由遷移與粘附組成。遷移：沉淀、擴散、慣性、阻截和水動力，見下圖。粘附：范德華引力、靜電力、以及某些化學鍵和某些特殊的化學吸附力作用、絮凝顆粒間的架橋作用。（2）附著力與水流剪力3-3在過濾初期，濾料較干凈，孔隙率較大，孔隙流速較小，水流剪力較小，粘附作用占優勢。隨著過濾時間延長，濾層中雜質逐漸增多，孔隙率減小，水流剪力逐漸增大，以至最后粘附的顆粒將首先脫落，或后續顆粒不再有粘附現象，于是，下層濾料的截留作用漸次發揮。實際上，在下層濾料作用遠未得到充分發揮時，過濾就得停止。表層濾料粒徑最小，孔隙將逐漸被堵塞，或懸浮物穿過過濾層而使水質惡化，過濾將被迫停止。3、過濾方式（1）恒速過濾在恒速過濾狀態，由于濾層逐漸被堵塞，水頭損失隨過濾時間逐漸增加，濾池中水位逐漸上升，當水位上升到最高水位時，過濾停止以待沖洗。無閥濾池與虹吸濾池是典型的恒速過濾濾池。（2）減速過濾在過濾過程中，如果過濾水頭損失始終保持不變，孔隙率逐漸減小，必然使濾速逐漸減小。移動罩濾池屬于變速過濾濾池。

（3）

直接過濾

原水不經過沉淀而直接進入濾池的過濾稱為“直接過濾”。直接過濾有兩種方式：①原水加藥后只經過混合就直接進入濾池過濾，稱為“接觸過濾”。也可稱為“直流過濾”，圖中（a）與（b）所示；②原水加藥后經過混合和微絮凝池后進入濾池過濾，稱為“微絮凝過濾”，如圖中（c）與（d）所示。

直接過濾的兩個特點：①采用雙層或三層濾料濾池；②采用聚合物為混凝劑或助凝劑。

直接過濾要求：①原水濁度和色度較低且水質變化小，常年原水濁度低于50度；②直接過濾中的濾速應根據原水水質決定，濁度偏高時應采用較低濾速，當原水濁度在50度以上時，濾速一般在5m/h左右。

4、濾料與承托層（1）

濾料的要求

a.具有足夠的機械強度

b.具有足夠的化學穩定性

c.具有一定的顆粒級配和適當的孔隙率

d.能就地取材、價廉。

石英砂是使用最廣泛的濾料，雙層和多層濾料中，常用的還有無煙煤、石榴石、鈦鐵礦、磁鐵礦、金剛砂等。輕質濾料有聚苯乙烯及陶粒等。

無煙煤石榴石磁鐵礦金剛砂陶粒(2)濾料性能參數

a.比表面積單位重量或體積的濾料所具有的表面積，單位為cm2/g或cm2/cm3。b.有效粒徑與不均勻系數粒徑級配可以用濾料的有效粒徑和不均勻系數表示，關系如下：

d10——通過濾料重量10％的篩孔孔徑(mm)d10稱為有效粒徑，它反映細顆粒尺寸，小于d10的顆粒是產生水頭損失的主要部分。

d80——通過濾料重量80％的篩孔孔徑(mm)反映粗顆粒尺寸不均勻系數K80——表示粗細顆粒差別的大小或不均勻程度。（通常要求K80

＜2.0）

砂粒級配對濾池的運行的影響：不均勻系數K80越大，則大小顆粒差別越大，顆粒越不均勻。這對過濾和反沖洗都會產生不利影響，因為K80較大時，大小顆粒摻雜的結果，過濾時會降低濾料層的孔隙率，影響濾層的含污能力以及增加過濾時的阻力，反沖洗滿足細顆粒膨脹要求，粗顆粒將得不到很好清洗；若為滿足粗顆粒膨脹要求，則細顆粒可能被沖出池外。

(3)最大粒徑、最小粒徑表1濾料級配與濾速類別濾料組成濾速（m/h）強制濾速（m/h）粒徑（mm）不均勻系數K80厚度（mm）單層石英砂濾料dmax=1.2dmin=0.5<2.07008~1010~14雙層濾料無煙煤dmax=1.8dmin=0.8<2.0300~40010~1414~18石英砂dmax=1.2dmin=0.5<2.0400三層濾料無煙煤dmax=1.6dmin=0.8<1.745018~2020~25石英砂dmax=0.8dmin=0.5<1.5230重質礦石dmax=0.5dmin=0.25<1.770

（4）承托層

承托層的作用：①防止濾料層從配水系統流失；②均勻布置反沖洗水。

表2快濾池大阻力配水系統承托層粒徑和厚度層次（自上而下）粒徑（mm）厚度（mm）12~410024~810038~16100416~32本層頂面高度至少應高于配水系統孔眼100mm表3三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重質礦石（如石榴石、磁鐵礦等）0.5~1.0502重質礦石（如石榴石、磁鐵礦等）1~2503重質礦石（如石榴石、磁鐵礦等）2~4504重質礦石（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高于配水系統孔眼100mm

5、濾池沖洗

常用的反沖洗方法有以下2種：

①高速水流反沖洗：具有一定的膨脹度，形成上細下粗的水力分層，需水量大。

②氣-水聯合反沖洗；

利用上升氣泡的振動，將濾料表面污物破碎、脫落，再由水沖帶出池外。水沖強度可降低，可減少水沖水量，提高濾池沖洗質量。沖洗時濾層不一定膨脹或僅輕微膨脹，沖洗結束后濾層不產生或不明顯產生上細下粗分層，即保持原來濾層結構。

氣-水聯合沖洗具有下述特點：①沖洗效果好；②節約反沖洗水量；③沖洗結束后，濾層不產生或不明顯產生上細下粗的分層現象；④氣-水聯合沖洗操作較為麻煩，池子和設備較復雜，需增加鼓風機或空壓機、儲氣罐等氣沖設備。

氣-水聯合沖洗有3種操作方式：①先氣洗，后水洗；②先氣水混合洗，再用水洗；③先氣洗，再氣水混合洗，最后用水洗（或漂洗）。氣-水聯合沖洗時，總的反沖洗時間約在10min左右。6、配水系統

常見的配水系統有大阻力配水系統、小阻力配水系統、中阻力配水系統等三種。其作用：①反沖洗時，均勻分布反沖洗水；②過濾時，均勻集水。

反沖洗時配水不均勻的危害：①濾池中砂層厚度分布不同；②過濾時，產生短流現象，使出水水質下降；③可能導致局部承托層發生移動，造成漏砂現象。

（1）大阻力配水系統的原理a、構造大阻力配水系統的構造如圖6和圖7所示。67

大阻力配水系統的設計要點：①干管起端流速為0.2~1.2m/s，支管起端流速為1.4~1.8m/s，孔眼流速為3.5~5m/s。②支管中心距為0.25~0.3m，支管長度與其直徑之比一般不應大于60。③孔口直徑約為9~12mm，設于支管兩側，與垂線呈45O角向下交錯排列。④干管橫截面與支管總橫截面之比應大于1.75~2.0。當干管直徑大于300mm時，干管頂部也應開孔布水，并在孔口上方設置擋板。⑤孔口總面積與濾池面積之比稱為開孔比，其值可按下式計算：大阻力配水系統構造尺寸計算的依據

上式說明：①大阻力配水系統配水的均勻性只與干管截面積、支管截面積、支管個數、孔口總面積等有關，而與其它因素無關。②當濾池面積過大時，濾池中砂層和承托層的鋪設、沖洗廢水的排除等的不均勻度都將對沖洗效果產生影響。

式中：ω0

—干管截面積，m2

ωa—支管截面積，m2

f—配水系統孔口總面積，m2大阻力配水系統的特點：①配水均勻性好；②結構復雜；

③管道容易結垢；④孔口水頭損失大，因而要求反沖洗水壓高。

無閥濾池、移動沖洗罩濾池、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。例：設濾池的平面尺寸為7.5m×7.0m=52.5m2，設計大阻力配水系統。解：沖洗強度采用q=14L/s·m2,

沖洗流量Q=14×52.5=735L/s=0.735m3/s（1）干管采用鋼筋混凝土渠道。斷面尺寸：850mm×850mm，長7500mm。起端流速（2）支管支管中心距采用0.25m。支管數n=7.5/0.25×2=60根（每側30根）。支管長（7.00-0.85-0.30）/2≈2.93m，取2.9m。式中0.3m為考慮渠道管壁厚及支管末端與池壁間距。每根支管進口流量=735/60=12.25L/s，支管直徑采用80mm，支管起端流速va=2.43m/s（3）孔口孔口流速采用5.6m/s，孔口總面積配水系統開孔比孔口直徑采用9mm，每個孔口面積=6.36×10-5m2。孔口數m=0.131/(6.36×10-5）=2060個。干管頂端開2排孔，每排40個，孔口中心距e1=7.5/40=0.187m每根支管孔口數=（2060-80）/60=33個，取34個，分兩排布置，孔口向下與中垂線夾角45°交錯排列，每排17個孔，孔口中心距e2=2.9/17=0.17m（4）配水系統校核實際孔口數m’=34×60+80=2120個實際孔口總面積f’=2120×6.36×10-5=0.1348m2實際孔口流速

v’=0.735/0.1348=5.45m/s符合配水均勻性達到95%以上的要求。小阻力配水系統的構造特點：鋪設穿孔濾板或濾磚，開孔比一般為1.0~1.5%。小阻力配水系統的特點：①反沖洗水頭小；②配水均勻性較大阻力配水系統為差，當配水系統室內壓力稍有不均勻，濾層阻力稍不均勻，濾板上孔口尺寸稍有差別或部分濾板受堵塞，配水均勻程度都會敏感地反映出來；③濾池面積較大時，不宜采用小阻力配水系統。

(2)小阻力配水系統91011一般規定：α=0.20%~0.25%為大阻力配水系統；α=0.60%~0.80%為中阻力配水系統；α=1.0%~1.5%為小阻力配水系統。這樣的規定并不十分嚴格，此間并無嚴格界限。為了保證配水均勻，應注意：a.沖洗水到達各個孔口處的流道中流速，應盡量低些，以消除流道中水頭損失和水頭變化對配水均勻性影響；b.各孔口（或濾頭）阻力應力求相等，加工精度要求高。（3）沖洗排水槽的設計要求

a．沖洗排水槽平面總面積一般不大于單個濾池面積的25%。否則，會影響上升水流的均勻性。

b．相鄰兩槽的中心間距一般為1.5~2.0m。間距過大，難以排水均勻。

c．槽內水面以上一般要有7cm左右的保護高，以保證沖洗廢水自由跌水進入排水槽。

d．排水槽的廢水應自由跌水進入排水渠，以免引起壅水現象。

e．每單位槽長的溢入流量應相等。故施工時沖洗排水槽口應力求水平，誤差限制在2mm內。

7．沖洗水的供給兩種：①水泵沖洗；②沖洗水塔或水箱沖洗。

水泵沖洗的特點：①投資省；②但操作較為麻煩；③在沖洗的短時間內耗電量大，往往會使廠區內供電網負荷驟增。

沖洗水箱的特點：①造價高；②但操作簡單；③專用水泵小，耗電量較均勻；④水箱容積按單個濾池沖洗水量的1.5倍計算。8.普通快濾池基本參數

（1）濾速設計濾速一般為8~10m/h。

(2）濾池總面積和工作時間

式中：Q—設計水量（包括水廠自用水量）（m3/d）

v—設計濾速（m/h）

T—濾池每日實際工作時間（h）

T0—濾池每日工作時間（24h）

t0—濾池每日沖洗后停用和排放初濾水時間（h）（一般每次采用0.5~0.67h）

t1—濾池每日沖洗及操作時間（h）

(3)個數和單池面積一般單池面積不大于100m2。濾池的個數在設計時應根據技術經濟比較確定，但不得小于兩個，可參考表4選用。單個濾池面積（m2）可根據濾池總面積F（m2）與濾池個數N進行計算，如下式所示：

表4濾池個數濾池總面積（m2）濾池個數<30230~5031003或41504~62005~63006~8

(4)濾池深度

濾池深度包括：保護高：0.25~0.3m；濾層表面以上水深：1.5~2.0m；濾層厚度：見表1；承托層厚度：見表2和表3。因此，濾池的總深度一般為3.0~3.5m。單層石英砂濾池深度一般稍小；雙層和三層濾料濾池深度稍大。(5)管廊布置

管廊：是指集中布置濾池的管渠、配件及閥門的場所，要求如下：力求緊湊，簡捷；留有設備與管配件安裝、維修時必須的空間；具有良好的防水、排水、通風、照明設備；便于與濾池操作室聯系；管廊中的管道一般用金屬材料，也可用鋼筋混凝土渠道；管廊門及通道應允許最大配件通過，并考慮檢修方便。幾種管廊布置方法，濾池數小于5個時，濾池宜采用單行排列，管廊位于濾池的一側。當濾池數超過5個時，濾池宜采用雙行排列，管廊位于兩排濾池的中間。后者布置緊湊，但管廊通風、采光不如前者，檢修也不太方便。管廊布置主要有如下四種形式：①進水、清水、沖洗水和排水渠，全部布置于管廊內，如圖14（a）所示。特點：渠道結構簡單，施工方便，管渠集中緊湊，但管廊中管件較多，通行和檢修不太方便。②沖洗水和清水渠布置于管廊中，進水和排水渠布置于濾池另一側，如圖14（b）所示。特點：可節省金屬管件及閥門，管廊內管件簡單，施工和檢修方便。但造價稍高。③進水、沖洗水及清水管均采用金屬管道，排水渠單獨設置，如圖14（c）所示，特點：通常用于小型水廠或濾池單行布置。④對于較大濾池，為節約閥門，可以將進水和排水閥門分別用進水虹吸和排水虹吸代替，沖洗水管和清水管仍用閥門，如圖14（d）所示。特點：虹吸管通水或斷水以真空系統控制。快濾池管渠流速可根據表5確定。表5管渠流速名稱流速（m/s）名稱流速（m/s）進水管（渠）0.8~1.2沖洗水管(渠)2.0~2.5清水管(渠)1.0~1.5排水管(渠)1.0~1.5

(6)設計注意事項

①濾池清水管應設短管，管徑一般采用75~200mm，以便濾池翻修后排放初濾水。②濾池底部宜設有排空管，其入口處設柵罩，池底坡度約為0.005，坡向排空管。

③配水系統干管末端一般裝有排氣管。

④每個濾池宜設置水頭損失計及取樣管。⑤各種密封渠道上應設有人孔，以便檢修。⑥濾池池壁與砂層接觸處抹面應拉毛，以免過濾時水流在該處形成“短路”而影響水質。

布置形式優缺點四閥集中優點：1、閥門集中，操作方便；2、管廊布置緊湊，濾池結構簡單，僅一側進水；3、渾、沖、清、排四總管亦可采用鋼筋混凝土總渠，使管配件減少缺點：1、管廊不能過于緊湊，以免安裝檢修困難；2、管路復雜三閥和一閥雙側布置優點：管廊內管道布置較簡單，檢修稍方便缺點：濾池增加了外側渾水渠，如采用人工操作，較麻煩雙閥雙側布置優點：1、管廊內管路簡單；2、安裝檢修方便缺點：1、采用人工操作時管理不便；2、濾池增設外側的渾、排水渠，結構較復雜四閥快濾池管廊布置各種濾池優缺點和適用條件形式濾池特點優缺點適用條件普通快濾池下向流、砂濾料的四閥式濾池優點：（1）有成熟的運轉經驗，運行穩妥可靠（2）采用砂濾料，材料易得，價格便宜（3）采用大阻力配水系統，單池面積可做得較大；池深較淺（4）可采用降速過濾，水質較好缺點：（1）閥門多（2）必須設有全套沖洗設備（1）可適用于大、中、小型水廠（2）單池面積一般不宜大于100m2（3）有條件時盡量采用表面沖洗或空氣助洗設備雙閥濾池下向流、砂濾料的雙閥式濾池優點：（1）同普通快濾池的（1）（2）（3）