環(huán)境工程原理過濾1第1頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第七章過濾第七章過濾本章主要內(nèi)容第一節(jié)過濾操作的基本概念第二節(jié)表面過濾的基本理論第三節(jié)深層過濾的基本理論2第2頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)過濾操作的基本概念第一節(jié)過濾操作的基本概念本節(jié)的主要內(nèi)容一、過濾過程二、過濾介質(zhì)三、過濾分類3第3頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)過濾操作的基本概念

一、過濾過程混合物的分離：液體和氣體混合物

什么現(xiàn)象屬于過濾？混合物中的流體在推動力（重力、壓力、離心力）的作用下通過過濾介質(zhì)，固體粒子被截留，而流體通過過濾介質(zhì)，從而實現(xiàn)流體與顆粒物的分離。液－固分離，氣－固分離如砂濾池、袋式除塵器、口罩……

過濾分離的對象？粗大顆粒、細(xì)微離子、細(xì)菌、病毒和高分子物質(zhì)等4第4頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)過濾操作的基本概念

二、過濾介質(zhì)固體顆粒過濾介質(zhì)在水處理中的各類濾池中應(yīng)用廣泛，通常稱為濾料。固體顆粒：

由一定形狀的固體顆粒堆積而成，包括天然的和人工合成的。天然：

石英砂、無煙煤、磁鐵礦粒等。人工：

聚苯乙烯發(fā)泡塑料球等。5第5頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)過濾操作的基本概念織物介質(zhì)：

又稱濾布，如棉、麻、絲、毛、合成纖維、金屬絲等編制成的濾布。多孔固體介質(zhì)：

如素?zé)沾砂寤蚬?、燒結(jié)金屬板或管等。多孔膜：

由高分子有機材料或無機材料制成的薄膜，根據(jù)分離孔徑的大小，可分為微濾、超濾等。6第6頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)過濾操作的基本概念三、過濾分類

1.按過濾機理分：有表面過濾和深層過濾

2.按促使流體流動的推動力分：重力過濾：在水位差的作用下被過濾的混合液通過過濾介質(zhì)進行過濾，如水處理中的快濾池。真空過濾：在真空狀態(tài)下過濾，如水處理中的真空過濾機。壓力差過濾：在加壓條件下過濾，如水處理中的壓濾濾池。離心過濾：使被分離的混合液旋轉(zhuǎn)，在所產(chǎn)生的慣性離心力的作用下，使流體通過周邊的濾餅和過濾介質(zhì)，從而實現(xiàn)與顆粒物的分離。7第7頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)過濾操作的基本概念本節(jié)思考題

(1)過濾過程在環(huán)境工程領(lǐng)域有哪些應(yīng)用。

(2)環(huán)境工程領(lǐng)域中的過濾過程，使用的過濾介質(zhì)主要有哪些。

(3)過濾的主要類型有哪些。

(4)表面過濾和深層過濾的主要區(qū)別是什么。8第8頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論第二節(jié)表面過濾的基本理論本節(jié)的主要內(nèi)容一、過濾基本方程二、過濾過程的計算三、過濾常數(shù)的測定四、濾餅洗滌五、過濾機生產(chǎn)能力的計算9第9頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日表面過濾過程表面過濾通常發(fā)生在過濾流體中顆粒物濃度較高或過濾速度較慢的情況。給水處理：慢濾池污泥脫水：使用的各類脫水機（如真空過濾機、板框式壓濾機等）第二節(jié)表面過濾的基本理論多孔性介質(zhì)被過濾的顆粒粒徑較小的情況濾餅過濾10第10頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論回轉(zhuǎn)真空過濾機工作過程示意11第11頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論帶式脫水機12第12頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論一、過濾基本方程主要特征：

隨著過濾過程的進行，流體中的固體顆粒被截留在過濾介質(zhì)表面并逐漸積累成濾餅層。濾餅層厚度：

隨過濾時間的增長而增厚，其增加速率與過濾所得的濾液的量成正比。過濾速度：

因濾餅層厚度的增加，在過濾過程中是變化的。過濾速度是描述過濾過程的關(guān)鍵！推動力其它因素13第13頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論

過濾過程的主要參數(shù)處理量：

處理的流體流量或分離得到的純流體量V(m3)過濾推動力：

由流體位差、壓差或離心力場造成的過濾壓差p過濾面積：

表示過濾設(shè)備的大小A(m2)過濾速度：

單位時間通過單位面積的濾液量u14第14頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論某一過濾時間t時的過濾狀態(tài)過濾速度u定義為：

（7.2.1）p

過濾壓差

Lm過濾面積,m2

dt時間內(nèi)通過過濾面的濾液量,m3微分過濾時間,s15第15頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論達西（Darcy）定律

它反映了過濾速度與推動力之間的關(guān)系：

式中

Rm：過濾介質(zhì)過濾阻力,1/m

Rc：濾餅層過濾阻力,1/m(7.2.2)16第16頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論露絲（Ruth）過濾方程

假設(shè)rm，r分別為過濾介質(zhì)和濾餅層的過濾比阻（1/m2），Rm=rmLm；Rc=rL

式中

r：與過濾介質(zhì)上形成的濾餅層的孔隙結(jié)構(gòu)

特性有關(guān)

L：與濾液量有關(guān)，在過濾過程中是變化的。

(7.2.4)17第17頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論假設(shè)每過濾1m3濾液得濾餅f（m3）

另外，可把過濾介質(zhì)的阻力轉(zhuǎn)化成厚度為Le的濾餅層阻力(7.2.5)(7.2.6)(7.2.7)或：則：(7.2.8)18第18頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論濾餅層的比阻r有兩種情況：不可壓縮濾餅：

濾餅層的顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在壓力的作用下不變形，r與p無關(guān)可壓縮濾餅：

在壓力的作用下容易發(fā)生變形經(jīng)驗式：

r0：單位壓差下濾餅的比阻，m-2Pa-1；

s：濾餅的壓縮指數(shù)：對于可壓縮濾餅，s=0.2～0.8，對于不可壓縮濾餅，s=0(7.2.9)19第19頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論將比阻計算式代入式（7.2.8），得：令q=V/A，qe=Ve/A，則

假設(shè)則：(7.2.10)(7.2.11)(7.2.12)過濾介質(zhì)比當(dāng)量濾液體積濾餅過濾基本方程20第20頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論

K：過濾常數(shù)，如何測定?與下列因素有關(guān)：濾餅的顆粒性質(zhì)懸浮液濃度濾液黏度濾餅的可壓縮性

qe：過濾介質(zhì)特性參數(shù)21第21頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論二、過濾過程的計算確定濾液量與過濾時間和過濾壓差等之間的關(guān)系。

（一）恒壓過濾在過濾過程中，過濾壓差自始自終保持恒定。對于指定的懸浮液，K為常數(shù)。對式(7.2.11)或式(7.2.12)進行積分：

(7.2.13a)(7.2.13b)22第22頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論若過濾介質(zhì)阻力可忽略不計，則簡化為：

K可通過實驗測定。如果恒壓過濾是在濾液量已達到V1，即濾餅層厚度已累計到L1的條件下開始時，應(yīng)如何計算？(7.2.14a)(7.2.14b)L1V1積分時：時間從0t，濾液量V1V

(7.2.15)23第23頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論如何應(yīng)用恒壓過濾方程？設(shè)計型：

已知要處理的懸浮液量和推動力，求所需的過濾面積。操作型：

已知過濾面積和推動力，求懸浮液的處理量；

已知過濾面積和懸浮液的處理量，求推動力。24第24頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論25第25頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論26第26頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論

（二）恒速過濾恒速過濾是指在過濾過程中過濾速度保持不變，即濾液量與過濾時間呈正比?；虼胧剑?.2.11）(7.2.16b)(7.2.16a)或(7.2.17b)(7.2.17a)27第27頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論若忽略過濾介質(zhì)阻力，則簡化為:

在恒速過程方程中，過濾壓差隨時間是變化，因此過濾常數(shù)K隨時間t變化。實際上過濾模式常常采用：先恒速過濾后恒壓過濾。在開始過濾時，以較低的恒速操作，避免顆粒穿透過濾介質(zhì)。當(dāng)壓差上升到給定數(shù)值后，再采用恒壓過濾，直到過濾終止。計算：恒壓過濾中的起始濾液量為恒速過濾末段的濾液量或(7.2.18a)(7.2.18a)28第28頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論29第29頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論30第30頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論31第31頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論三、過濾常數(shù)的測定

（一）過濾常數(shù)K，qe的計算對于恒壓過濾，過濾積分方程改寫為：（二）壓縮指數(shù)s的計算

在不同的過濾壓差下做過濾實驗求得相應(yīng)的K，由上式可得s。t/q

q

2qe/K

斜率1/K

(7.2.19)(7.2.20)32第32頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論四、濾餅洗滌在某些過濾操作中，為了去除或回收濾餅中殘留的濾液或可溶性雜質(zhì)，需要在過濾結(jié)束時，對濾餅進行洗滌。洗滌過程需要確定的主要內(nèi)容是計算洗滌速度和洗滌時間。洗滌速度

是單位時間通過單位洗滌面積的洗滌液量：

洗滌液在濾餅層中的流動過程與過濾過程類似。洗滌速度與過濾終了時的濾餅層狀態(tài)有關(guān)。33第33頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論

若洗滌壓力與過濾終了時的操作壓力相同，則洗滌速度與過濾終了時速度之間有如下近似關(guān)系：

、w——濾液、洗滌液的粘度，Pa·s；

L、Lw——過濾終了時濾餅層厚度、洗滌時穿過的

濾餅層厚度，m。(7.2.21)34第34頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論如果洗滌液走的路徑和過濾終了時的路徑完全相同，洗滌液粘度和濾液粘度亦相同，則：

設(shè)洗滌液用量為Vw，則洗滌時間為(7.2.23)(7.2.24)35第35頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論五、過濾機生產(chǎn)能力的計算

一般以單位時間得到的濾液量qV

表示。

（一）間歇式過濾機間歇式過濾機的每一個操作循環(huán)包括：

假設(shè)在每個操作循環(huán)中過濾機的濾液量為V，則間歇式過濾機的生產(chǎn)能力為：tT過濾tF洗滌tW卸料tD(7.2.26)36第36頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論

（二）連續(xù)式過濾機其定義與間歇式過濾機相同。但連續(xù)式過濾機在生產(chǎn)周期的任一時刻，過濾機不同部位同時進行著過濾、洗滌、卸餅和清洗等操作。轉(zhuǎn)筒真空過濾機的轉(zhuǎn)數(shù)為n(r/s)，即旋轉(zhuǎn)一周的時間為1/n(s)。起過濾作用的是浸沒在液體

中的轉(zhuǎn)筒表面，所對應(yīng)的園

心角與2之比稱為浸沒度。37第37頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論浸沒度等價于過濾時間在旋轉(zhuǎn)周期中所占的比例，因此每個周期中有效的過濾時間為：

由式（7.2.13a）可求得每一周期可得的濾液量為：

轉(zhuǎn)筒真空過濾機的生產(chǎn)能力為：(7.2.29)(7.2.30)（m3/s）(7.2.31)38第38頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)表面過濾的基本理論本節(jié)思考題(1)表面過濾的過濾阻力由哪些部分組成。(2)表面過濾的過濾速度與推動力和阻力的關(guān)系如何表示。(3)過濾常數(shù)與哪些因素有關(guān)。(4)哪些因素影響濾餅層比阻。(5)過濾介質(zhì)的比當(dāng)量濾液量的物理意義是什么。(6)恒壓過濾和恒速過濾的主要區(qū)別是什么。(7)如何通過實驗測定過濾常數(shù)、過濾介質(zhì)的比當(dāng)量濾液量和壓縮指數(shù)。(8)洗滌過程和過濾過程有什么關(guān)系。(9)間歇式過濾機和連續(xù)式過濾機的相同點和不同點是什么。39第39頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論本節(jié)的主要內(nèi)容一、流體通過顆粒床層的流動

二、深層過濾過程中懸浮顆粒的運動

三、深層過濾的水力學(xué)40第40頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論深層過濾過程利用過濾介質(zhì)間空隙進行過濾。通常發(fā)生在以固體顆粒為濾料的過濾操作中。濾料內(nèi)部空隙大于懸浮

顆粒粒徑。懸浮顆粒隨流體進入濾

料內(nèi)部，在攔截、慣性

碰撞、擴散沉淀等作用

下顆粒附著在濾料表面

上而與流體分開。流體在顆粒濾料

層中的流動規(guī)律41第41頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論深層過濾在水

處理中的應(yīng)用

水處理中的快濾池、加壓砂濾器深層過濾一般適用于流體中顆粒含量少的場合。42第42頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論43第43頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論一、流體通過顆粒床層的流動顆粒床層是由一定大小和形狀的顆粒組成。

（一）混合顆粒的幾何特性

1.粒度分布篩分實驗:采用一套標(biāo)準(zhǔn)篩進行測量

大小稱量篩留物，計算在混合顆粒中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)?；旌项w粒的累計粒度分布曲線44第44頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論

2.混合顆粒的平均粒徑混合顆粒的平均粒徑有多種表示方法。通常定義：

比表面積等于混合顆粒的比表面積的顆粒粒徑。

對于球形顆粒，取1kg密度為p的混合顆粒，其中粒徑為dpi的顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為xmi，則混合顆粒的比表面積為：單顆粒比表面積單位體積顆粒所具有的表面積45第45頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論

假設(shè)混合顆粒的平均直徑為dpm，則

對于非球形顆粒：

w：顆粒的球形度

devi：顆粒i的等體積當(dāng)量直徑(7.3.2)(7.3.1)

46第46頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論

（二）顆粒床層的幾何特性

1.顆粒床層的空隙率

空隙率的大小與顆粒的形狀、粒度分布、顆粒床的填充方法和條件、容器直徑與顆粒直徑之比等有關(guān)。對于均勻的球形顆粒，最松排列的空隙率為0.48，最緊密排列時的空隙率為0.26。非球形顆粒任意堆積時的床層空隙率往往要大于球形顆粒，一般為0.35～0.7。(7.3.3)47第47頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論

2.顆粒床層的比表面顆粒的比表面a：單位體積顆粒所具有的表面積

床層的比表面積ab：單位體積的床層中顆粒的表面積，ab與a之間的關(guān)系如下：

ab主要與顆粒尺寸有關(guān)，顆粒尺寸愈小，床層的比表面愈大。(7.3.4)48第48頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論

3.顆粒床層的當(dāng)量直徑顆粒床層中空隙所形成的流體通道結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。采用簡化的流動模型來代替床層內(nèi)的真實流動過程。將實際床層簡化成許多相互平行小孔道組成的管束。l’=L與床層厚度成正比49第49頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論顆粒床層的當(dāng)量直徑定義為：

取面積1m2，厚度為1m的顆粒床層為基準(zhǔn)，根據(jù)簡化模型50第50頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論則顆粒床層的當(dāng)量直徑為：

當(dāng)量直徑與床層空隙率和顆粒尺寸有關(guān)，對于非球形顆粒，則有

式中

dea：等比表面積當(dāng)量直徑

dev：等體積當(dāng)量直徑：形狀系數(shù)(7.3.5)(7.3.6)51第51頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論

（三）流體在顆粒床層中的流動

1.流動速度根據(jù)上述的簡化模型，流體在顆粒床層中的流動可以看成是在小孔道管束中的流動。流體在孔道內(nèi)的流動可以看成是層流。

流動速度可以用Hagen-Poiseuille定律來描述。ul——流體在床層空隙中的實際流速，m/s；deb——顆粒床層的當(dāng)量直徑，m；p——流體通過顆粒床層的壓力差，Pa；——流體粘度，Pa.s；

l’——孔通道的平均長度，m。(7.3.7)52第52頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論

又，顆粒床層的空床流速u：

dV——dt時間內(nèi)通過床層的濾液量，m3；

A——垂直于流向的顆粒床層截面積，m2。床層空隙中的實際流速ul與空床流速u之間有如下關(guān)系：

實際流速與空床流速的物理意義？(7.3.9)(7.3.8)53第53頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論

Kozeny-Carmam方程按照簡化模型，孔通道的長度l′與顆粒床層厚度L成正比，則

Kl為Kozeny系數(shù)，與下列因素有關(guān)：床層顆粒粒徑、形狀床層空隙率等在床層空隙率＝0.3～0.5時，Kl＝5。(7.3.11)54第54頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論

2.顆粒床層的阻力顆粒床層比阻則：流體在顆粒床層中流動速度的影響因素？一是促使流體流動的推動力p；二是阻礙流體流動的因素rL：

(1)

流體黏度；

(2)床層阻力：床層性質(zhì)（比阻r）及厚度L。與顆粒床（過濾介質(zhì)）的顆粒大小和孔隙率有關(guān)(7.3.12)55第55頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)深層過濾的基本理論二、深層過濾過程中懸浮顆粒的運動顆粒進入濾料內(nèi)部后，主要包括以下幾個行為：

(1)遷移行為：顆粒偏離流線運動到濾料內(nèi)部

空隙表面，其推動力主要包括：擴散作用力（布朗運動），

主要對非常小的顆粒（<1m）起作用；重力沉降，當(dāng)顆粒較大時，重力沉降起主要作用；流體運動作用力（慣性力），如慣性離心力，使顆粒偏離流線而運動到濾料表面。56第56頁，共64頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)