1、第六章 過濾,第六章 過濾,第一節(jié)：過濾原理 第二節(jié)：快濾池的構造和工作過程 第三節(jié)：濾料 第四節(jié)：配水系統(tǒng)和承托層 第五節(jié)：濾池的沖洗 第六節(jié)：普通快濾池的設計 第七節(jié)：其他形式的濾池,篩濾機理 設D=0.5mm,以球體計，d80m。 既80m以下的顆粒都可以通過砂層。 而經(jīng)過混凝沉淀的進入濾池的最大顆粒 尺寸一般為2030之間，還有很多更小的 顆粒， 但濾池都能去除掉它們，說明不是 “篩濾”的作用。篩濾的機理無法解釋。 經(jīng)過多人研究，認為過濾主要是懸浮顆粒與濾料顆粒之間粘附作用的結果。,第一節(jié) 過濾原理,水中的懸浮顆粒能夠粘附與顆粒表面上，涉及兩個問題： 第一、被水流夾帶的顆粒如何與濾料顆

2、粒表面接近或接觸； 第二、它們接近時依靠那些力的作用，使它們粘附于濾料表面上。,（一）顆粒遷移,在過濾過程中，濾層孔隙中的水流一般屬層流狀態(tài)。被水流夾帶的顆粒將隨水流流線運動，它之所以會脫離流線而與濾料表面接近，完全是一種物理的力學作用。一般認為有以下幾種作用引起：,當顆粒尺寸較大時，處流線中的顆粒會直接碰到濾料表面產(chǎn)生攔截作用； 顆粒的速度較大時會在重力的作用下脫離流線，產(chǎn)生沉淀作用； 顆粒具有較大慣性時也可以脫離流線與濾料表面接觸（慣性作用）； 顆粒較小時，布朗運動較劇烈時會擴散至濾料表面（擴散作用）； 在濾料表面附近存在速度梯度，非球體顆粒由于在速度梯度作用下，會產(chǎn)生轉動而脫離流線與顆粒

3、流線接觸（水動力作用）。,（二）顆粒粘附,粘附作用是一種物理化學作用。當水中顆粒遷移到濾料表面時則在范德華引力和靜電力相互作用下，以及某些化學鍵和某些特殊的化學吸附力下，粘附于濾料顆粒表面上，或者粘附在濾料表面上原先粘附的顆粒上。此外，絮凝顆粒的架橋作用也會存在。粘附過程與澄清池中的泥渣所起的作用基本類似，不同的是濾料為固定介質，排列的緊密，效果好。 因此，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。未經(jīng)脫穩(wěn)的懸浮物顆粒，過濾效果很差，這就是證明?；谶@一概念，過濾效果主要取決于顆粒表面的性,質而無須增大顆粒尺寸。相反如果懸浮顆粒尺寸過大而形成機械篩濾作用，反而會引起表面濾料孔隙堵塞。

4、 （三）濾料層截留雜質的規(guī)律 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。 如圖：顆粒粘附力和平均水流剪力示意圖。,圖中： Fa1表示顆粒1與濾料表面的粘附力； Fa2表示顆粒2與顆粒之間的粘附力； Fs1表示顆粒1所受到的平均水流剪力； Fs2表示顆粒2所受到的平均水流剪力。 過濾開始階段，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（大量雜質被濾 層表面所截留）。,隨著過濾時間延長，濾層中雜質逐 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

5、漸次得到發(fā)揮。,水中雜質進入濾層后，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堵塞， 嚴重時，由于表層濾料的“篩濾” 結果，形成濾膜，使過濾阻力劇 增。其結果，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穿透整個濾層，出水水質惡化。 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。 （雜質在濾層中的分布情況見圖） 濾層含污能力：是指工作周期結束時，整個濾層單位體 積濾料中所截留的雜質量，以kg/m3或 g/cm3計，顯然含污能 力大，表明整個濾層所發(fā)

6、揮的作用大。,濾池在運轉過程中，由 于濾池出水水質惡化超過水 質標準，而停止工作的濾池 工作周期為水質周期T1。 水質周期常常用實驗得到， 其實驗方程為： k1、a系數(shù)與水質有關（可根據(jù)周期反求） L0濾層厚度； v濾速； d濾料直徑。 T1與L0成正比、與v成反比，與d成反比 。(濾料粗，周期短）,一、清潔濾層的水頭損失 卡曼康悉尼計算公式（CarmanKozony) 式中：h0表示水頭損失（cm）； 水的運動粘度(cm3/s)； g重力加速度(cm/s2)； m0濾料孔隙度； d0與濾料體積相同的球體直徑(cm)； l0濾層厚度(cm)； v濾速(cm/s) 濾料顆粒球度系數(shù)。,實際濾層是

7、非均勻濾料。計算非均勻濾層水頭損失，可分成若干層，則各層水頭損失之和為整個濾層總水頭損失。,設粒徑為di的濾料重量占全部濾料重量之比為pi，則清潔濾層總水頭損失為： 分層越多，計算精度越高。 （懸浮物雜質增多，m0由H0公式知，當d0、 l0 、 T已定時，如m0 、 H0不變v，反之v不變 H0） 這樣就產(chǎn)生了等速過濾與變速過濾兩種過濾方式。 （二）等速過濾中水頭損失的變化 當濾池過濾速度保持不變，亦既濾池流量保持不變時，稱“等速過濾”。,沖洗后剛開始過濾 時， 濾層水頭損失H0 ， 當過濾時間為t時，濾層 水頭損失增加Ht ,于是過 濾時濾池總水頭損失為： 式中：H0清潔濾層水 頭損失cm

8、; h配水系統(tǒng)、承托 層及管（渠）水頭損失之和cm; Ht 在時間為t時的水頭損失增值cm;,式中的H0和h在整個過濾過程中不變。 Ht隨t增加而增大。 Ht與t的關系，實際上反應了濾層截留雜質量與過濾時間的關系，亦既濾層孔隙率的變化與時間關系。由于過濾情況很復雜，目前雖然不少計算公式，但與生產(chǎn)實際都存在著差距。 通過實驗Ht與t一般呈直線關系。（見下圖）,圖中Hmax為水頭損失增 值為最大時的過濾水頭損失。 設計時應根據(jù)技術經(jīng)濟條件 決定，一般為1.52.0m。 圖中T為過濾周期。如 果不出現(xiàn)濾后水質惡化等情 況，過濾周期不僅決定于最 大允許水頭損失、還與濾速 有關，設濾速v v，其清潔 砂

9、層水頭損失為H0 一方面 H0 H0 ，同時單位時間內(nèi) 被濾層截留的雜質量較多， 水頭損失增加也較快，tg tg，,因而，過濾周期T T。其中已忽略了承托層及配水系統(tǒng)、管（榘）等水頭損失的微小變化。 當過濾水頭損失達到最大允許水頭損失 Hmax ，過濾既告終止。 令： T =T2 T2 壓力周期（是由水頭損失達最大允許水頭損失而結束的過濾周期） 實驗方程： k2、b系數(shù)，通過實驗確定； T2與hmax、d成正比；與v、l0成反比，l厚，t2短。,（三）變速過濾中的濾速變化 濾速隨過濾時間而逐漸減小的過濾稱“變速過濾”或“減速過濾”。 在過濾過程中，如果過濾水頭損失始終保持不變，由前H0公式可知

10、，濾層孔隙的逐漸減?。╩0),必然使濾速逐漸減?。╲ ），這種情況稱為“等水頭變速過濾”。 變速過濾的特點： 與等速過濾相比，在平均濾速相同的情況下： 1.減速過濾的濾后水質好； 2.在相同過濾周期內(nèi)，過濾水頭損失較小。 3.相反，濾層內(nèi)截留雜質較多時，雖然濾速降低，但因濾層孔隙率減小， 孔隙流速未必減小。,此圖為一組4座濾池濾速的變化 如一組中濾池個數(shù) 更多就接近連續(xù)曲 線了。 （四）濾層中的負水頭（濾層中的壓力變化） 1.何為負水頭現(xiàn)象 在過濾過程中，濾層截留了大量的雜質以至砂面以下某一深度處的水頭損失，超過該處水深時，便出現(xiàn)了負水頭現(xiàn)象。,各水壓線與 靜水壓力線之 間水平距離表 示過濾時

11、濾層 中的水頭損失。 2.負水頭對過 濾的影響及破 壞作用: 負水頭會導致 溶解與水中的 氣體釋放出來 而形成氣囊。,氣囊對過濾有破壞作用： 減少有效過濾面積，使過濾時的水頭損失及濾速增加，嚴重時會破壞濾后水質； 氣囊會穿透濾層上升，有可能將部分細濾料或輕質濾料帶出，破壞濾層結構，反洗時，氣囊更易將濾料帶出濾池。,3.解決的辦法： 增加砂層上的水深； 濾池出口位置等于或高于濾層表面。（虹吸濾池和無閥濾池所以不會出現(xiàn)負水頭現(xiàn)象就是這個原因） 一旦出現(xiàn)負水頭現(xiàn)象，首先必須停池。 一定有一個經(jīng)濟值，通常采用1.52.5m（hmax）。,第二節(jié) 快濾池的構造和工作過程,（一）對濾料的要求 給水處理所用

12、的濾料，必須符合以下的要求： 1.具有足夠的機械強度，以防沖洗時濾料產(chǎn)生嚴重磨損和破碎現(xiàn)象； 2.具有足夠的化學穩(wěn)定性，不污 染水質； 3.不含有對人體健康和生產(chǎn)有害 的物質； 4.具有一定的顆粒級配和適當?shù)?孔隙率。,第三節(jié) 濾 料,（二）濾料粒徑級配 濾料粒徑是指把濾料包圍在內(nèi)的一個假 想的球體直徑，濾料級配是指濾料粒徑大小 不同的顆粒所占比例，通常用一套不同孔徑 的篩子進行篩分，以選取濾料。,通常以有效粒徑d10和不均勻系數(shù) K80作為濾料級配指標。 d10表示通過濾料重量10 %的篩孔 直徑，它反映濾料中細顆粒的尺寸； 不均勻系數(shù) d80指通過濾料重量80 %的篩孔 直徑，它反映粗顆粒

13、的尺寸。,一、濾料,K80 越大，表示粗細顆粒尺寸相差越大，濾料粒徑越不均 勻，這對過濾和沖洗都很不利。 一般要求 d10=0.50.7 mm K 2 另一種表示方法 dmin dmax (0.51.2 mm) 上圖：Pi通過篩孔的濾料百分數(shù),(三）濾料的篩選方法 取某天然河砂砂樣300g，洗凈后置于105 C恒溫箱中烘干，待冷卻后稱取100g，用一組篩子過篩，最后稱出留在篩子上的重量，作好記錄。,根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)繪成曲線，從曲線上求得 d10=0.4 mm， d80 =1.34 mm ，因此： K80 =1.34/0.4=3.37 上述河砂不均勻系數(shù)較大。根據(jù)設計要求：d10=0.55mm

14、, K80=2.0, 則：d80=2 0.55=1.1mm，按此要求篩選濾料。,在科研上進行研究時存在以下缺點： 1.篩孔尺寸未必精確； 2.未反應濾料顆粒的形狀因素； 為此，常需求出濾料等體積球體直徑，求法是：將濾料樣品過篩后，再將篩用力振動幾下，又會落下一些顆粒，這些顆粒恰是通過篩孔的最大顆粒。從此中取出若干在分析天平上稱重并數(shù)出顆粒數(shù)，按下式求出等體積球體直徑d0。,G顆粒質量（kg） n顆粒數(shù)； 顆粒密度（kg/m3 ）,(四）濾料的當量粒徑 de de粒徑的作用和原來一樣，按濾料表面積相等的原則推求： 把濾料按粒徑分為很多區(qū)段，每段都可得pi/di值和比例數(shù)即為de 。當量粒徑的表面

15、積與不等粒徑的表面積相等，則等粒徑的大小就是不等粒徑的當量粒徑。,（五）濾料孔隙率的測定 濾料層孔隙率與濾料粒形狀、均勻程度以及壓實程度有關： 均勻粒徑、不規(guī)則形狀，m大； 均勻粒徑、 m大；不均勻粒徑、 m??； m大含污能力高，對過濾有利。一般石英砂濾料m=0.42，無煙煤m=0.5。 （六）濾料層的表面積 粒徑、d，濾料的體積、(1-m)，顆粒體積： 顆粒數(shù)： 表面積：,第四節(jié) 配水系統(tǒng)承托層 配水系統(tǒng)功能：1.過濾時收集過濾水；2.反沖洗時均勻均勻分配反沖洗水。 設計主要是滿足反沖洗時的要求，也能同時滿足了過濾水的收集，配水系統(tǒng)分為“大阻力”“小阻力”兩種，還有中阻力配水系統(tǒng)。,（一）大

16、阻力配水系統(tǒng) 快濾池常用的是：“穿孔大阻力配水系統(tǒng)”。,大阻力配水系統(tǒng)原理 在配水系統(tǒng)中，如果孔內(nèi)壓頭相差最大的a和c出流量相等，則可認為整個濾池布水是均勻的。由于排水槽上緣是水平的，可認為沖洗時水流自各空口流出后的終點水頭在同一水平面上。這一水平面相當于排水槽水位?？卓趦?nèi)壓頭與孔口流出后的終點水頭之差，即位水流經(jīng)孔口、承托層和濾料層總水頭損失，分別以Ha和H0表示，上式中Ha和Hc均減去同一終點水頭，可得：,設上式各項水頭損失均與流量平方成正比，則：,將上式代入下式： 由上式可知兩孔口流量不可能相等。但使Qa盡量與Qc接近還是可能的。其措施之一就是減小孔口總面積以增大S1，增大S1就削弱了承

17、托層、濾料層阻力系數(shù)及配水系統(tǒng)壓力不均勻的影響。這就是大阻力配水系統(tǒng)的基本原理。,3.穿孔大阻力配水系統(tǒng)設計 a和c孔出流量在 不考慮承托層和濾料 層的阻力影響時，按 孔口出流公式計算：,承托層的作用： 1.防止過濾時濾料從配水系統(tǒng)中流失； 2.在沖洗時起一定的均勻布水作用。 如承托層造成混層、漏砂，濾池就不能工作了，單層或雙層濾料濾池采用大阻力配水系統(tǒng)時，承托層均用天然卵石三層濾料濾池，由于下層濾料粒徑很小，而比重大，承托層必須與之相適應，采用重質承托層。 如果采用小阻力配水系統(tǒng)，承托層可不設，或適當鋪設一些粗砂或細礫石，視配水系統(tǒng)具體情況而定。,第五節(jié) 濾池的沖洗,沖洗的目的是清除濾層中截

18、留的污物，使濾料層在短時間內(nèi)恢復工作能力，沖洗通常采用水流自下而上的反沖洗，快濾池沖洗方法有以下幾種： 1.高速水流反沖洗； 2.氣、水反沖洗； 3.表面助沖加高速水流反沖洗。,一、高速水流反沖洗 （簡稱高速反沖洗） 沖洗v小,濾層孔隙中 水流剪力?。?沖洗v大,濾層膨脹度 過大，濾層孔隙中水流剪 力也會降低，且由于率料 顆粒過于離散，碰撞摩擦 幾率也減小。 所以，v過大或過小， 沖洗效果均會降低。,（一）沖洗強度、濾層膨脹度 1.沖洗強度q 單位面積濾層上所通過的沖洗流量稱為沖洗強度（q），是以cm/s計的反沖洗流速，換算成單位面積濾層所通過的沖洗流量，以L/sm2計。 1 cm/s=10

19、L/sm2 2.濾層膨脹度（率） 強大的水流自下而上反沖時，濾料層便逐漸膨脹起來，濾層膨脹后所增加的厚度與膨脹前之比，稱為濾層膨脹度。用公式表達： L0濾層膨脹前厚度，cm; L濾層膨脹后的厚度，cm。,由于濾層膨脹前、后單位面積上濾料體積不變，于是： 上式變?yōu)椋?m0濾層膨脹前孔隙率； m濾層膨脹后孔隙率。,e過小,下層濾料浮不起來；e過大，因濾料顆粒較小，它們之間碰撞摩擦幾率減小，還會使上層濾料流失，丞托層發(fā)生移動。 理想的e應是截留雜質的那部分濾料恰好完全膨脹起來為限，或者下層最大濾料顆粒剛剛開始浮起時為宜。 根據(jù)經(jīng)驗，一般單層濾料（砂料） e采用45%左右，煤砂雙層濾料取50%左右可取

20、得良好效果。 3.沖洗時間（沖洗歷時）,當q與e符合要求若沖洗時間不足，也可能清洗掉濾料表面污泥，同時，沖洗廢水也不能將污泥排盡，會導致污泥重返濾層。這樣長期下去濾層表面將形成泥膜。 因此必須保證沖洗時間，生產(chǎn)中一般在實際操作時，主要看沖洗廢水的允許濁度來決定。,二、氣、水反沖洗 優(yōu)點： 1.提高沖洗效果，節(jié)省沖洗水量。 2.沖洗時濾層可不膨脹或輕微膨脹，沖洗后濾層不產(chǎn)生或不明顯產(chǎn)生上細下粗現(xiàn)象?？杀３衷瓉頌V層結構從而提高濾層含污能力。 缺點：（與高速反沖洗相比） 1.增加氣沖設備，（鼓風機或空氣壓縮機和儲氣罐） 2.池子結構和沖洗操作也較復雜。 氣、水反沖效果： 利用上升空氣氣泡的振動，可有

21、效地將附著于濾料表面污物擦洗下來，使之懸浮于水中，然后再用水反沖把污物排除池外。因為氣泡能有效地使濾料表面污物破碎、脫落，故可大大地減小水沖強度，即可采用所謂的“低速反沖”。水沖強度大小，視操作方式不同而異。,氣水反沖方法有以下幾種： 1.先用氣沖，然后再用水沖； 2.先用氣水同時反沖，然后再用水沖。,一般氣沖強度（包括單獨氣沖和氣、水同時的氣沖強度） q氣 = 1020L/m2s 之間。 水沖強度根據(jù)操作方式而異： 1.氣水同時反沖時 q水 = 34L/m2s,2.單獨水沖時，有時采用低速反沖:q水=4 6L/m2s；有時采用高速反沖： q水 =610L/m2s，反沖洗歷時與操作方式有關，總

22、的一般控制在t=610分鐘。,沖洗廢水的排除 （一）沖洗排水槽（見P341） 5.槽與槽中心間距一般在1.52 M之間. 排水槽斷面積: 按自由跌水設計,起端端面積: 4x2按3.5x2計算,(目的是保證跌水) 即求出排水槽尺寸。,(二)排水渠 Q-濾池中沖洗水量; B-渠寬,為施工.檢修方便0.7m. 0.2是保證排水槽排水通暢使廢水渠起端水面低于排水槽底的高度.,五、沖洗水的供給 濾池沖洗的供給方式有兩種： （一）沖洗水塔或高位水箱 特點：造價高、操作簡單、允許長時間向水塔或水箱輸水，專用水泵小，電耗均勻。如條件許可盡量采用。,（二）水泵沖洗 特點：投資省、操作麻煩、在沖洗時間內(nèi)電耗大，陡

23、然聚增。,4.對于較大型濾池，為了節(jié)約閥門，可以虹吸管代替排水和進水管，沖洗水管和清水管仍用閥門，虹吸管由真空系統(tǒng)控制，,第六節(jié) 普通快濾池的設計,一 濾池總面積及單池面積,式中Q設計流量（水廠供水量與水廠自用水量之和），m3/h； V設計流量，m/h； F濾池總面積及。 單池面積F可根據(jù)濾池總面積與濾池個數(shù)確定,公式如下：,二 濾池長寬比 濾池長寬比取決于處理構筑物的布置，同時應考慮造價等因素。單個濾池的長寬比可參考下表。,三 濾池總深度 濾池總深度包括： 1 濾池保護高度：0.20.3m； 2 濾層表面以上水深：1.52.0m； 3 濾層厚度：單層砂濾層一般為0.7m，雙層及多層濾料一般為

24、0.70.8m； 4 承托層厚度。參考P98頁表6-4、6-5選用。 考慮配水系統(tǒng)的高度，濾池總深度一般為3.03.5m。,四 管（渠）設計流速 快濾池管（渠）斷面應根據(jù)設計流速來確定，參見教材P104表6-9。 管廊布置 常見的管廊布置形式有以下幾種。 1.進水、清水、反沖洗水及排水四個總渠全部布置于管廊內(nèi)，圖a。,2.反沖洗水和清水兩個總渠布置于管廊內(nèi)，進水渠和排水渠布置于濾池的一側，圖b。 3.進水、反沖洗及清水管均采用金屬管道，排水總渠單獨設置，圖c。 4.用排水虹吸管和進水虹吸管分別代替排水和進水支管，反沖洗水和清水兩個總渠 布置于管廊內(nèi)，反沖洗水支管和清水管仍用閥門控制，稱為虹吸式

25、雙閥濾池。圖d。,設計中應注意幾點 1.濾池底部應設排空管，進入口處設柵罩，池低 i0.005，坡向排空管。 2.每個濾池都應安裝水頭損失計及取樣管。 3.各種密封渠道上應設人孔，以便檢修。 4.濾池壁與砂層接觸處應拉毛或劇齒狀，以免短路。 普通快濾池運行效果良好，沖洗效果可得到保證，適應任何規(guī)模水廠。 缺點：管配件及閥門家較多，操作較其它濾池復雜。,第七節(jié) 其他形式濾池 1.虹吸濾池 2.無閥濾池 3.移動罩濾池 4.V型濾池,1.虹吸濾池,一、虹吸濾池的構造及工作原理 濾池的進水和沖洗水的排除都由虹吸管完成，所以叫虹吸濾池。虹吸管的運行用真空系統(tǒng)控制。,虹吸濾池過濾時，由于濾后水位永遠高于濾層，保持正水頭過濾，所以不會發(fā)生負水頭現(xiàn)象。每個單元的濾池水位，由于通過濾層的水頭損失不同而不同。 虹吸濾池因為低水頭沖洗，因此要采用小阻力配水。 二、虹吸濾池設計要點 1.虹吸濾池的設計v、濾料組成、沖洗強度等與普通快濾池相同，這里僅討論幾個特殊問題