第17章 过滤(1)

滤料混杂时对过滤有何影响，有两种观点： 1.煤—砂交界面上适度混杂，可避免交界面上积聚过 多杂质而使水头损失增加较快，故适度混杂是有宜的。 2. 煤—砂交界面不应有混杂现象，因为煤层起截留大 量杂质作用，砂层起精滤作用，而交界面分层清晰，起 始水头损失将较小。 实际上，煤—砂交界面上不同程度的混杂是难免的， 只要不大于 5cm左右就可以。 另外，选用无烟煤时，要考虑煤的流失问题，在生产 上此问题较严重。
直接过滤特点： 1.工艺简单； 2.混凝剂用量少；
3.易于处理低温低浊水。
17.3 滤料和承托层
17.3.1 滤料 滤料的要求： 1. 具有足够的机械强度，以防冲洗时滤料产生磨 损和破碎现象； 2. 具有足够的化学稳定性，以免滤料与水产生化 学反应而恶化水质。尤其不能含有对人类健康 和生产有害物质； 3. 具有一定的颗粒级配和适当的空隙率。 4. 滤料应尽量就地取材，货源充足，价廉。
严重时，由于表层滤料的“筛滤”结果，形成滤膜， 使过滤阻力剧增。其结果，在一定过滤水头下，滤速 将急剧减小，或滤膜产生裂缝时，大量水流将自裂缝 中流出，造成局部流速过大而使杂质穿透整个滤层， 出水水质恶化。 这时尽管下层滤料还未发挥它们应有的作用，过滤也 将被停止。
1）滤层含污能力：是指工作周期结束时，整个滤 层单位体积滤料中所截留的杂质量，以g/cm3或 kg/m3 计，显然含污能力大，表明整个滤层所发 挥的作用大。
（2）滤料筛选方法：
取某天然河砂砂样300g，洗净后置于105 º C恒温箱中烘干，待 冷却后称取100g，用一组筛子过筛，最后称出留在筛子上的重 量，作好记录。 根据以上实验数据绘成曲线，从曲线上求得 d10=0.4 mm，d80 =1.34 mm ，因此：K80 =1.34/0.4=3.37 上述河砂不均匀系数较大。根据设计要求：d10=0.55mm , K80 1.54 0.44 100 =2.0, 则： d80=2 × 0.55=1.1mm，按此要求筛选滤料。 (％)
3.接触粘附
设D=0.5 mm，以球体计， d80 μm。既80 μm以下的颗 粒都可以通过砂层。 而经过混凝沉淀的进入滤池的 最大颗粒尺寸一般为20～ 30 μm之间，还有很多更小的颗 粒， 但滤池都能去除掉它们， 说明不是“筛滤”的作用。筛 滤的机理无法解释。 给水过滤主要是悬浮颗粒与滤料颗粒之间粘附作 用的结果。
相反如果悬浮颗粒尺寸过大或滤层空隙尺寸减小时， 表层机械筛滤作用也不能完全排除，但反而会引起 表面滤料孔隙堵塞，这种现象并不希望发生。
������ ������ 在实际过滤过程中，上述三种机理往往同时 起作用，只是依条件不同而有主次之分。
������ ������ 对粒径较大的悬浮颗粒，以阻力截留为主， 由于这一过程主要发生在滤料表层，通常称为表面过 滤。
滤料组成 类别 单层石英砂 滤料 粒径 （mm） dmax=1.2 dmin=0.5 无烟煤 dmax=1.8 dmin=0.8 石英砂 dmax=1.2 dmin=0.5 无烟煤 dmax=1.6 dmin=0.8 三层滤料 石英砂 dmax=0.8 dmin=0.5 重质矿石 dmax=0.5 dmin=0.25 不均匀系数 K80 <2.0 <2.0 厚度 （mm） 700 300~400
为此，常需求出滤料等体积球体直径，求法是：将滤料样品过 筛后，再将筛用力振动几下，又会落下一些颗粒，这些颗粒恰 是通过筛孔的最大颗粒。从此中取出若干在分析天平上称重并 数出颗粒数，按下式求出等体积球体直径d0。
6G d0 3 n
G （3）滤料孔隙率的测定： m 1 V
一般所用石英砂滤料的孔隙率为0.42左右。
������ ������ 对于细微悬浮物，以发生在滤料深层的重力 沉降和接触粘附为主，称为深层过滤。
（3）滤层内杂质分布规律 与颗粒粘附同时，还存在由于孔隙中水流剪力 作用而导致颗粒从滤料表面上脱落趋势。粘附力和 水流剪力相对大小，决定了颗粒粘附和脱落的程度。
Fs3
过滤开始阶段，滤层比较 干净，孔隙率较大，孔隙流 速小，水流剪力Fs1较小，因 而粘附力作用占优势。
脱附力
3 Fa3 2
F3 Fs2
随着过滤时间延长，滤层 中杂质逐渐增大，以至最后 粘附上的颗粒，将首先脱落 下来，或者被水流夹带的后 续颗粒不在有粘附现象，于 是，悬浮颗粒便向下层推移， 下层滤料截留作用渐次得到 发挥。
F2
Fa2 1 F1
Fs1
Fa1 滤料
图17-3 颗粒粘附和脱附力示意
滤料表层孔隙率较小（分层作用），杂质主要截留在 滤料表层。下部滤层的截污能力还未得到充分发挥， 由于水头损失的提高，过滤就得停止，导致滤料层截 污能力低。
拦截
沉淀
惯性
扩散 水动力
（2）颗粒粘附 当水中杂质颗粒迁移到滤料表面上时，则在 范德华引力和静电力相互作用下，以及某些化学 键和某些特殊的化学吸附力下，被粘附于滤料颗 粒表面上，或者粘附在滤粒表面上原先粘附的颗 粒上。
因此，粘附作用主要决定于滤料和水中颗粒的表面 物理化学性质。未经脱稳的悬浮物颗粒，过滤效果 很差，这就是证明。基于这一概念，过滤效果主要 取决于颗粒表面的性质而无须增大颗粒尺寸。
有角的
0.81
0.78
0.40
0.43
有两个问题值得讨论： 1.如何预示不同种类滤料的相互混杂程度； 2.滤料混杂对过滤的影响。
以石英砂为例（双层）， 在铺设滤料时，粒径小重 度大的砂粒位于滤池底部， 而粒径大 、重度小的煤 粒位于滤层上部，但在反 冲洗后，可能出现三种情 况：（如图）
1.分层正常，煤在上、砂在下； 2.煤砂相互混杂，也可能部分混杂（在煤砂 交界面上）也可能完全混杂； 3.煤砂分层颠倒，既上层砂、下层煤。
原水水质较稳定，浊度在100以下，最好40~50。 易采用双层、三层或均质滤料，适当增大滤层厚 度和粒径，使孔隙率加大，否则易堵塞。 不应形成大的絮凝体以免堵塞。为提高絮粒强度 和粘附力，可在滤池进口之前附近投加助凝剂（活 化硅酸及聚丙烯酰胺等），发挥高分子在滤层中的 吸附架桥作用，使粘附在滤料上的杂质不易脱落。 滤速根据原水水质、不易太大，一般控制在5m/h， 最好由试验决定。
（4）滤料形状：

同体积球体表面积 颗粒实际表面积
根据实测滤料形状对过滤和反冲洗水力学特性的影响得出， 天然砂滤料的球度系数一般宜采用0.75～0.80。
（5）双层或多层滤料级配：
序号
1
2 3
形状描述
圆球形
圆 形 已磨蚀的
球度系数
1.0
0.98 0.94
孔隙率
0.38
0.38 0.39
4
5
带锐角的
流线 杂质颗粒
滤料
拦截
沉淀
惯性
扩散
水动力
图17-2 颗粒迁移机理示意
当颗粒尺寸较大时，处流线中的颗粒会直接碰到滤料 表面产生拦截作用； 颗粒的速度较大时会在重力的作用下脱离流线，产生 沉淀作用； 颗粒具有较大惯性时也可以脱离流线与滤料表面接触 （惯性作用）； 颗粒较小时，布朗运动较剧烈时会扩散至滤料表面 （扩散作用）； 在滤料表面附近存在速度梯度，非球体颗粒由于在速 度梯度作用下，会产生转动而脱离流线与颗粒流线接 触（水动力作用）。
17.2 过滤理论
粒状介质过滤机理 ������ ������ ������ ������ 1、阻力截留 2、重力沉降
������ ������
3、接触粘附
1、阻力截留
������ ������
阻力截留或筛滤作用
������ ������ 当原水自上而下流过粒状滤料层时，粒 径较大的悬浮颗粒首先被截留在表层滤料的空隙 中，从而使此层滤料间的空隙越来越小，截污能 力随之变得越来越高，结果逐渐形成一层主要由 被截留的固体颗粒构成的滤膜，并由它起主要的 过滤作用。
以上这种情况的出现，主要决定于煤砂的重度 差、粒径差，砂的粒径级配、滤料的形状、水 温及反冲洗强度。
煤砂在反冲洗以后，所以能够分层，主要原因是两种 不同比重的滤料在反冲洗上升水流中所形成的两种悬浮 体比重不同所致。 （煤——水混合体，砂——水混合体）。
比重大的趋向下层，比重小的趋向上层，反冲洗一旦 停止，两种滤料便保持分层状态。如果两种滤料形成的 悬浮体比重相同，则将造成混杂。 （根据经验）最粗的无烟煤与最细的石英砂粒径之比 在3：4之间，可保持良好的分层状态，但交界面处一定 的混杂也是难免的。其混杂厚度在5cm左右，对过滤效 果并无影响。
（1）滤料粒径级配
滤料粒径是指把滤料包围在内的一个假想的球体直径，滤料 级配是指滤料粒径大小不同的颗粒所占比例，通常用一套不 同孔径的筛子进行筛分，以选取滤料。
1）有效粒径和不均匀系数法：
d 80 K 80 d10
K80 越大，表示粗细颗粒尺寸相差越 大，滤料粒径越不均匀，这对过滤 和冲洗都很不利。
3. 普通快滤池工作过程： ① 过滤 ② 冲洗
1 6 2 11 10 5 4 12 14 7 8 9 13
3
图17-1 普通快滤池构造剖视图（箭头表示冲洗水流方向）
1-进水总管；2-进水支管；3-清水支管；4-冲洗水支管；5-排水阀； 6-浑水阀；7-滤料层；8-承托层；9-配水支管；10-配水干管； 11-冲洗水总管；12-清水总管；13-冲洗排水槽；14-废水渠
截污量（g/cm3）
单层 滤料
无 烟 煤 石 英 砂
滤 层 深 度 cm
Leabharlann Baidu石 英 砂
双层 滤料
2）常见滤料组成： 单层滤料滤池 多层滤料滤池 均质滤料滤池
无烟煤
无烟煤
石英沙
石英沙
石榴石
（a）
（b）
（c）
图17-5
几种滤料组成示意
均质滤料
（4）直接过滤 原水不经沉淀而直接进入滤池过滤称“直接过滤”。 一般原水浊度较低，在100度以下采用。 直接过滤充分体现了滤层中特别是深层滤料中的接 触絮凝的作用。
������ ������ 筛滤作用的强度，主要取决于表层滤 料的最小粒径和水中悬浮物的粒径，并与过滤 速度 有关。 ������ ������ 悬浮物粒径愈大，表层滤料和滤速愈 小，就愈容易形成表层筛滤膜，滤膜的截污能 力也 愈高。
2、重力沉降 ������ ������ 原水通过滤料层时，众多的滤料表面 提供了巨大的不受水力冲刷而可供悬浮物沉降的 有效面积，形成了无数的小“沉淀池”，悬浮物 极易在此沉降下来。 ������ ������ 重力沉降强度主要与滤料直径和过滤 速度有关。 ������ ������ 滤料愈小，沉降面积愈大，滤速愈小， 则水流愈平稳，这些都有利于悬浮物的沉降 据估计，1m3粒径为0.5mm的滤料中就拥有400m2 不受水力冲刷而可供悬浮物沉降的有效面积
第17章 过滤
17.1 过滤概述
1.过滤：指以石英砂等粒状滤料层截留水中悬浮杂质， 从而使水获得澄清的工艺过程。 2.作用： ①降低水的浊度。从沉淀池过来的水浊度一般在10度 以下，过滤水的浊度不超过1NTU。 ②水中有机物、细菌乃至病毒等将随水的浊度降低而 被部分去除。 过滤对生活饮用水的水厂来说，必须有过滤，这是不 可缺少的,它是保证饮用水卫生安全的重要措施。
水中的悬浮颗粒能够粘附于颗粒表面上，涉及两个 问题：
第一、被水流挟带的颗粒如何与滤料颗粒表面接近 或接触，这就涉及到颗粒脱离水流流线而向滤料颗 粒表面靠近的迁移机理。
第二、当颗粒与滤料表面接触或接近时，依靠那些 力的作用使它们粘附于滤料表面上。这就涉及粘附 机理。
（1）颗粒迁移 在过滤过程中，滤层孔隙中的水流一般属 层流状态。被水流夹带的颗粒将随水流流线运动， 它之所以会脱离流线而与滤料表面接近，完全是 一种物理的力学作用。一般认为有以下几种作用 引起：拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力作用等。
直接过滤两种方式
原水加药后直接进入滤池过滤，滤前不设任何絮 凝设备，成为“接触过滤”。
滤池前设一简易微絮凝池，原水加药混合后先经 微絮凝池，形成粒径相近的微絮粒后即刻进入滤 池过滤，称“微絮凝过滤”。 滤前是否设置微絮凝池，目前还有不同看法，应根 据具体水质条件决定。
采用直接过滤工艺必须注意以下几点：
80 100 80 60 60 40 20 40 20 10
通过筛孔砂量(％)
0 0.2 0.4 0.55 0.6 0.8 1.0 1.1 1.2 1.34 1.4 筛孔孔径（mm） 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4
图17-11 滤料筛分曲线
在科研上进行研究时存在以下缺点： 1.筛孔尺寸未必精确； 2.未反应滤料颗粒的形状因素；