第六講

過

濾.1容過濾概述●4.2

過濾理論●4.3

濾料和承托層

●4.4

濾池反沖洗高速水流反沖洗大阻力配水系統(tǒng)◆濾池的進水濁度要求在10NTU以下，出水濁度要達到飲用水標

準

(

1NTU

)◆對生活飲用水的水廠

來說，可以沒有沉淀，4.1

過濾概述◆過濾：是以石英砂等具有孔隙的粒狀濾料層截留水中的懸浮

雜質(zhì)，從而使水獲得澄清的工藝過程。排水

出水反沖進水

放空普

通

快

濾

池

簡

圖加混凝劑

混凝

沉淀

過濾但必須有過濾，是必

可少的除濁、濾菌加消毒劑

清水池濾料墊層_

配水系統(tǒng)進

水

室進水1.

構(gòu)造見圖4-1789圖

4-1

普通快濾池構(gòu)造剖視圖(箭頭表示沖洗水流方向)1-

進水總管；2-

進水支管；3-

清水支管；4-

沖洗水支管；5-排水閥；6-

渾水閥；7

-

濾料層；8-

承托層；9-

配水支管；10-

配水干管；11-

沖洗水總管；12-

清水總管；13-

沖洗排水槽；14-

廢水渠普通快濾池2.

工作過程由過濾與反沖洗兩部分組成。3.濾速

相當于濾池負荷濾速是指單位時間、單位過濾面積上的過濾水量，單位為m3/(m2

h)

或m/h。4.工作周期從過濾開始到?jīng)_洗結(jié)束的一段時間稱為快濾池的工作周期。從過濾開始到過濾結(jié)束稱為過濾

周期。濾池的工作周期為12~24h。4.2

過濾理論4.2.1過濾機理不是“機械篩濾”作用介石英砂濾料顆粒間最小孔隙尺寸d≈80μm。如經(jīng)過混凝沉淀的進入濾池的最大顆粒尺寸≤20~30

μm,但濾池都能去除掉它們?！昂Y濾機理”:80μm

以下的顆粒都

可以通過砂層。篩濾機理

無法解

釋過濾機理過濾是懸浮顆粒與濾料顆粒之間粘附作用的結(jié)果顆粒與濾料表面接近時

依靠哪些力的作用，使它

們粘附于濾料表面上被水流夾帶的顆粒如何與濾料顆粒表面接近或接觸遷移機理

粘附機理攔截

沉淀

慣

性

擴

散

水

動

力圖4-2懸浮顆粒的遷移過程攔截

、個雜

質(zhì)

顆

粒濾

料擴散和水動力引速發(fā)度轉(zhuǎn)梯動度1.遷移機理布朗運

動劇烈慣性

、沉淀

、沉速大慣性大大顆粒個2.粘附機理水中的雜質(zhì)顆粒遷移到濾料表面上時，在：◆范德華引力、靜電力；◆某些化學鍵和某些特殊的化學吸附力；◆絮凝顆粒間的架橋作用。這些力作用下被粘附于濾料顆粒表面上或者

粘附在濾粒表面上原先粘附的顆粒上。粘附作用主要決定于濾料和水中顆粒的表面物理化學性質(zhì)。過濾效果主要取決于顆粒表面的性質(zhì)而無須增大顆

粒尺寸3.過濾澄清機理>

與顆粒粘附同時，還存在水

流剪切力導致顆粒有從濾料

表面脫落的趨勢。>

粘附力和水流剪力相對大小，

決定了顆粒粘附和脫穩(wěn)程度。Fa1表示顆粒1與濾料表面的粘附力；Fa?

表示顆粒2與顆粒之間的粘附力；Fs?表示顆粒1所受到的平均水流剪力；Fs?表示顆粒2所受到的平均水流剪力。圖4

-

3

顆粒粘附和脫附力示意量雜質(zhì)被濾層表面所截留)?！綦S著過濾時間延長，濾層中雜質(zhì)逐

漸增大，以至最后粘附上的顆粒(圖

中顆粒3)將首先脫落下來，或者被

水流夾帶的后續(xù)顆粒不在有粘附現(xiàn)

象，于是，懸浮顆粒便向下層推移，下

層濾料截留作用漸次得到發(fā)揮?！暨^濾開始階段，濾層比較干凈，孔隙率較大，孔隙流速小，水流剪力Fs1較小，因而粘附力作用占優(yōu)勢(大圖4

-

3

顆粒粘附和脫附力示意水中雜質(zhì)進入濾層后，首先被第一

層濾料截留大部分，少量“漏網(wǎng)”的雜

質(zhì)被下層的濾料所截留。過濾到一定

時間后，表面濾料間孔隙率逐漸被雜質(zhì)

堵塞，嚴重時，由于表層濾料的“篩濾”結(jié)果，形成濾膜，使過濾阻力劇增。其結(jié)果，在一定過濾水頭下，濾速將急劇減小，

或濾膜產(chǎn)生裂縫時，大量水流將自裂縫

中流出造成局部流速過大而使雜質(zhì)穿

透整個濾層，出水水質(zhì)惡化。這時盡管

下層濾料還未發(fā)揮它們應有的作用，過

濾也將被停止。圖4

-

4

濾料層含污量變化濾層含污量(g/cn2)濾層深度(cm)◆濾層含污量：單位體積濾

層中所截留的雜質(zhì)量?！魹V層含污能力：是指在一

個過濾周期內(nèi)，整個濾層單

位體積濾料中平均截留的

雜質(zhì)量

。以kg/m3或

g/cm3計。含污能力越大，表明整個濾

層所發(fā)揮的作用越大?！魹V層含污能力的圖解法：

圖中曲線與坐標軸所包圍

的面積除以濾層總厚度。圖4

-

5

濾料層含污量變化濾層厚度一定時，此面

積越大，濾層含污能力

越大

。雙層濾料比石英砂單

層濾料截污能力強。濾層含污量(g/cm2)單

層濾

料2雙層濾料石英砂

無煤煙1

濾層深度石英砂(cm)4.多層濾料與均質(zhì)濾料為了改變?yōu)V層中雜質(zhì)分布不均的現(xiàn)象，提高濾層含污能力，雙層、多層濾料及均質(zhì)濾料等濾層

應用而生。(a)

雙層濾料

(b)

三層濾料

(c)

均質(zhì)濾料圖4-

6

幾種濾料組成示意◆均質(zhì)濾料：沿整個濾層深度方向的任

一斷面濾料組成和平均粒徑一致。多層濾料排布特征

：上輕下重

，上大下小微絮凝過濾：凝劑混合后先經(jīng)微絮凝池，形成粒徑

相近的微絮粒后即刻進入濾池過濾硫酸鋁

聚合物原水

混合

雙層或三層濾料濾池—

過濾出水(a)陽離子型聚合物原水-混合

雙層或三層濾料濾池——

過濾出水(b)硫酸鋁聚合物原水-混合一一絮凝池——雙層或三層濾料濾

池

—

過

濾

出

水(C)陽離子型聚合物原水—混合一一雙層或三層濾料濾池—

一過濾出水(d)圖4-7

直接過濾流程直接過濾原水加混凝劑后直接進入濾池過濾，

不設任何絮凝設備濾池前設一簡易微絮凝池，原水加混5.一種特殊過濾接觸過濾：直接過濾直濾注意事項：◆濁度、色度低(要求常年濁度低于50度),水質(zhì)

變化小的原水方可用；◆通常采用雙層、三層或均質(zhì)濾料；◆采用聚合物為主混凝劑或助凝劑；◆原水進入濾池前，不應形成大絮體，以免堵塞濾

層表面孔隙；◆濾速根據(jù)原水水質(zhì)決定，濁度較高時要降低濾速。4.2.2過濾水力學

過濾過程中水頭損失變化1.

清潔濾料層的水頭損失“起始水頭損失”濾速為8-10m/h

的砂濾池，該水頭損失為30-40cm層流狀態(tài)下，水頭損失與濾速的一次方成正比。卡曼-康采尼

(Carman-Kozony)

公式：清潔濾層中的水流屬于層流狀態(tài)。(4-1)式中：h?—表示水頭損失

(cm);v—

水的運動粘度(cm3/s);m?—濾料孔隙度；

d?一與濾料體

積相同的球體直徑(cm);I?—

濾層厚度(cm);v—濾速

(cm/s)(

濾料L里球庶玄

數(shù)非均勻濾層清潔濾料層的水頭損失非均勻濾層按下式計算：(4-2)↓變速過濾

等速過濾濾料粒徑、形狀、濾層級配和厚度及水溫一定時，孔隙率m。,保持濾速

不變，則水頭損失孔隙率m?！?保持水頭

損失不變，則濾速2.

等速過濾中的水頭損失變化◆

等速過濾：濾池過濾速度保持不變，即濾池流

量保持不變時，稱“等速過濾”?！?/p>

等速過濾特點：水頭損失隨過濾時間而增加，

水位上升到最高

濾池中水位逐漸上升水位時，過濾結(jié)

最高水位束以待沖洗。沖洗后剛開始過濾時，濾層水頭損失H?,過濾時間為t時，

濾層水頭損失增加△H,于是過濾時濾池總水頭損失

為：H?=H?+h+△H,

圖4-8等速過濾最低

水位云水◆△H隨

t增加而增

大?！鱄與t

的關系，

實際上反映了濾層截

留雜質(zhì)量與過濾時間

的關系，亦即濾層孔

隙率的變化與時間關

系?！?/p>

實驗發(fā)現(xiàn)△H?

與t一般呈直線關系。圖4-9等速過濾中水頭損失

與時間的關系◆

H?

和h

在整個過

濾過程中不變。等速過濾的濾速不宜太大3.

變速過濾中的濾速變化◆

變速過濾：濾速隨過濾時間而逐漸減小的過

濾，也叫“減速過濾”?！舻人^變速過濾：過濾過程中，保持過濾水頭損

失不變，濾速逐漸減小的過濾◆變速過濾特點：1.減速過濾的濾后水質(zhì)好；2.在相同過濾周期內(nèi)，過濾水頭損失較小。3.過濾初期，濾速較大可使懸浮雜質(zhì)深入下層濾

料；過濾后期，濾速減小，可防止懸浮顆粒穿

透濾層。變速過濾前提：濾池進水渠相互連通，每座濾池進水閥均

處于濾池最低水位以下。設四座濾池組成一個濾池組，假

設：①進入濾池組的總流量不變；②每個池子的性能完全相

同；③每個濾池恰好按它的編號順序進行沖洗。則四座濾池的水位與總水頭損失在任何時間內(nèi)基本都相等，但濾速按濾池的干凈程度

(截污量由少

到多順序)由高到低依次降低。移動沖洗罩濾池是典型的減速過濾濾池，當移

動沖洗罩濾池的分格數(shù)很多時，這格濾池沖冼與下一

格濾池沖洗的間隔時間很近，幾乎連續(xù)的逐格依次沖

洗。最高水位進水渠最低水位進水閥排水閥排水渠流量控制設備0

過濾時間t(h)圖4-10減速過濾(一組4座濾池)

圖4-11一座濾池濾速變化(一組4座濾池)濾速v(m/h)清水池4.

負水頭現(xiàn)象當過濾進行到一定時刻時，從濾料表面到某一深度處

的濾層的水頭損失超過該深度處的水深，該深度處就出現(xiàn)負水

頭，見圖4-12。圖4-12過濾時濾層內(nèi)壓力變化1-靜水壓力線；2-清潔濾料過濾時水壓線；3-過濾時間為t1

時的水壓線；4-過濾時間為t2(t2>t1)

時的水壓線◆負水頭會導致水中的空氣釋放出來，形成氣囊。氣囊危害：①減少有效過濾面積，增加濾層局部阻力，使水頭

損失及濾速增加，甚至破壞濾后水質(zhì)；②氣囊會穿過濾層上升，甚至把部分碎濾料或煤

粒等輕質(zhì)濾料帶出，破壞濾層結(jié)構(gòu)。反沖洗時，空氣更容易把大量的濾料隨水帶走?！舯苊鉃V池中出現(xiàn)負水頭的兩個方法：一是增加砂面上的水深；二是令濾池出口位置等于或高于濾層表面。4.3濾料與承托層4.3.1

濾料的選取要求◆具有足夠的機械強度◆具有足夠的穩(wěn)定性，無毒◆具有一定的顆粒級配和適當?shù)目障堵省?/p>

能就地取材、

價廉◆外形接近于球狀，表面比較粗糙4.3.2

濾料粒徑級配濾料粒徑級配：濾料中各種粒徑顆粒所占的重量比

例

。粒徑：正好可以通過某一篩孔的孔徑?？捎脙煞N方法表示粒徑級配：1.有效粒徑與不均勻系數(shù)法以濾料有效粒徑d??

和不均勻系數(shù)K?0表示濾料粒徑

級

配

。顆粒越不均勻

(4-4)d?0—

通過濾料重量10%的篩孔孔徑；d80—

通過濾料重量80%的篩孔孔徑.代表細顆粒代表粗顆粒類別濾料組成濾速(m/h)強制濾速(m/h)粒徑(mm)不均勻系數(shù)

K80厚度(mm)單層石英砂濾料dmax=1.2dmin=0.5<2.0700~1010~14雙層濾料無煙煤dmax=1.8dmin=0.8<2.0300~40010~1414~18石英砂

dmax=1.2

dmin=0.5<2.0400三層濾料無煙煤

dmax=1.6

dmin=0.8<1.745018~2020~25石英砂dmax=0.8dmn=0.5<1.5230重質(zhì)礦石

dmax=0.5

dmin=0.25<1.770粒徑級配表示法：2.最大粒徑、最小粒徑與不均勻系數(shù)法表4-2

濾料級配與濾速4.3.2

濾料篩選方法篩選方法舉例：取某天然河砂砂樣300g,洗凈后置于105℃

恒溫箱中烘干，待冷卻后取100g,用一組篩子過篩，最后稱出留在各個篩子上的砂量，記錄填表，

并繪出濾料篩分曲線。篩孔(mm)留在篩上的砂量通過該號篩的砂量質(zhì)量(g)%質(zhì)量(g)%2.3620.80.4199.299.61.65118.49.32180.890.40.99140.620.3140.270.10.58985.042.555.227.60.24643.421.711.85.90.2089.24.62.61.3篩底盤2.61.3一一合計200100篩分試驗記錄表表4-4

篩分試驗記錄序號形狀描述球度系數(shù)形狀系數(shù)孔隙率1圓球形1.01.000.382圓

形0.981.020.383已磨蝕的0.941.060.394帶銳角的0.811.230.405有角的0.781.280.43表4-3

濾料顆粒的形狀及其球度系數(shù)、形狀系數(shù)、孔隙率圖率4T4濾料顙粒形沃親意圖工42354.3.4雙層濾料和多層濾料濾池中出現(xiàn)的混層現(xiàn)象一種觀點認為：煤-砂交界面上適度的混層，可避免交界面上積聚過多雜質(zhì)而使水頭損失增長較快，故適度混雜是有

益的另一種認為：煤-砂交界面上不應有混雜現(xiàn)象。因為煤層起截留大量雜質(zhì)作用，砂層則起精過濾作用，而界面分層清

晰，起始水頭損失將較小。實際生產(chǎn)中，煤-砂混雜不可避免；混雜厚度在5cm左右，對過濾有益無害。4.3.5

承托層◆承托層的作用：①防止濾料層從配水系統(tǒng)流失；②均勻布置反沖洗水?！?/p>

單層或雙層濾料濾池采用的承托層(大阻力配水系統(tǒng)):

天然卵石或礫石表4-5

快濾池大阻力配水系統(tǒng)承托層粒徑和厚度層次(自上而下)粒

徑

(

m

m

)厚度12~410024~810038~16100416~32本層頂面高度至少應高于配系統(tǒng)孔眼100層次(自上而下

)水系材料統(tǒng)

)粒徑(mm)厚度(mm)1重質(zhì)礦石(如石榴石、磁鐵礦等)0.5~1.0502重質(zhì)礦石(如石榴石、磁鐵礦等)1~2503重質(zhì)礦石(如石榴石、磁鐵礦等)2~4504重質(zhì)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

應高于配系統(tǒng)

孔眼100表4-6

三層濾料濾池承托層材料、粒徑與厚度(大阻力配注：配水系統(tǒng)如用濾磚且孔徑為4mm

時，第6層可不設。◆為了防止反沖洗時承托層移動，美國對

單層和雙層濾料濾池也有采用“粗-細-粗”

的礫石分層方式。◆如果采用小阻力配水系統(tǒng)，承托層可以不

設，或者適當鋪設一些粗砂或細礫石，視配水

系統(tǒng)的具體情況而定。設n=0.012,則當D>1.330.006LH?

>

H?則D>1330.006L在快濾池的配水系統(tǒng)中滿足

這一條件，因而，圖

4-17

沿途均勻泄流管內(nèi)壓力變化(3)配水系統(tǒng)的能量的變化在圖4-16所示的大阻力配水系統(tǒng)中，干管起端0點、干管末端/點、最前一根支管起端a點、最后一根支管起端b點、

最后一根支管末端c點之間的能量關系見式(4-17)至式(4-

20),也可形象地用圖4-18來描述。(4-17)(4-18)(4-19)(4-20)Ha0

-I

干管b-c

支管圖4

-

18

配水系統(tǒng)中的能量變化av3/2Bha

壓力水頭線ba壓力水頭線總水頭線h②各支管的進口局部水頭損失基本相等，即

h≈h

。

并取

a=1,

則式(4-21)可簡化為：

(4-22)

在圖4-16所示的配水系統(tǒng)中，壓力水頭差別最大的兩個點為孔口a

與孔口c

。若Qc=Q,則認為布水均勻；設沖洗時水流自各孔口流出后的終點水頭在同一平面，為H終，孔口a與孔口

c的總水頭損失分別為H(4)大阻力配水系統(tǒng)的原理假定：①沿程水頭損失OIc點與a點之間的壓力關系為(4-21)(4-23)冬S1:

孔口阻力系數(shù)；S2',S2'':

孔口a

和c處承托層和濾料層阻力系數(shù)之和。(4-25)(4-27)(4-28)(4-29)將式(4-

23)、

(4-24)代入式(4-22)得：假設S2'≈S2'',

則式(4-28)可簡化為：

由于：(4-26)將式(4

-

26),(H'=(S?+S2)Q上式說明Q

大于Qa

增加S?+S?

'值，能減小上式右邊第二項的值，從而使Q

盡量接近QJa、c兩點是孔口內(nèi)壓頭相差最大的兩點Qa=Q.則認為整個濾池布水是均勻的由于承托層與濾料層的阻力系數(shù)之和S?

'

’不能改變，只有通過減小孔口總面積來增大孔口阻力系數(shù)S

,才能

增大S?+S?'’。

增大孔口阻力系數(shù)S,就削弱了承托層、濾料層

阻力系數(shù)及配水系統(tǒng)壓力水頭不均勻?qū)卓诔隽髁康挠绊?，這就是大阻力配水系統(tǒng)的原理。大