第五章 过滤2

1.大阻力和小阻力配水系统分析 1.大阻力和小阻力配水系统分析
1和2两条水流线路水头损失组成: 两条水流线路水头损失组成: 水在配水系统内的水头损失h (1) 水在配水系统内的水头损失h1
式中:s1 配水系统内的水力阻抗; 式中:s1-配水系统内的水力阻抗; :s1滤池的反冲洗强度. q-滤池的反冲洗强度.
第五章 过滤
李卫华
（3） 快滤池运行的控制
（1）过滤方式
①
等速过滤
即在滤池的整个过滤周期内滤速不 变也即是 滤池流量保持不变（溢流堰控制进水、 滤池流量保持不变（溢流堰控制进水、滤速调 节器调节出水）。 节器调节出水）。 最常见的等速过滤如图5 所示。 最常见的等速过滤如图5-9所示。在等速过滤 状态，由于滤层逐渐被堵塞， 状态，由于滤层逐渐被堵塞，水头损失随过滤 时间逐渐增加，滤池中水位逐渐上升， 时间逐渐增加，滤池中水位逐渐上升，当水位 上升到最高允许水位时，过滤停止以待冲洗。 上升到最高允许水位时，过滤停止以待冲洗。 无阀滤池与虹吸滤池是典型的等速过滤滤池
③ 直接过滤 原水不经过沉淀而直接进入滤池的过滤称为“直接过滤” 原水不经过沉淀而直接进入滤池的过滤称为“直接过滤”。 直接过滤有两种方式： 直接过滤有两种方式：①原水加药后只经过混合就直接进入滤池 过滤，称为“接触过滤” 也可称为“直流过滤” 见图9 10中 过滤，称为“接触过滤”。也可称为“直流过滤”，见图9-10中 所示； （a）与（b）所示；②原水加药后经过混合和微絮凝池后进入滤池 过滤，称为“微絮凝过滤” 如图5 11中 所示。 过滤，称为“微絮凝过滤” ，如图5-11中（c）与（d）所示。
5.4.1 过滤水力学
1．过滤过程中水头损失变化
（1）清洁滤料层的水头损失 均质滤料可按卡曼-康采尼公式（Carman-Kozony） 均质滤料可按卡曼-康采尼公式（Carman-Kozony）公 式： ν (1 − m )2 1
h0 = 180 • g
0
3 m0
(
ϕ • d0
)2 l0υ
式中：h0－水流通过清洁水头损失，cm； 水流通过清洁水头损失，cm； 式中： 水的运动粘度， /s； ν－水的运动粘度，cm2/s； g－重力加速度，981cm/s2; 重力加速度， 滤料的孔隙率； m0－滤料的孔隙率； 与滤料体积相同的球体直径，cm； d0－与滤料体积相同的球体直径，cm； 滤层的厚度，cm； L0－滤层的厚度，cm； 滤速， cm/s计 υ－滤速，以cm/s计; 滤料颗粒球度系数。 φ－滤料颗粒球度系数。
2．反冲洗水力学
（1）反冲洗强度 指单位面积滤层所通过的反冲洗水流量。 指单位面积滤层所通过的反冲洗水流量。
Q q= A
式中：q——滤层的反冲洗强度，L/(s﹒m2) 式中： ——滤层的反冲洗强度，L/(s﹒ 滤层的反冲洗强度 Q——反冲洗水流量，L/s ——反冲洗水流量， 反冲洗水流量 A——滤层的平面面积，m2。 ——滤层的平面面积， 滤层的平面面积
（2）滤层膨胀度
L −L 0 e= ×100(%) L0
式中： ——滤层的膨胀率； 式中：e——滤层的膨胀率； 滤层的膨胀率 L0——反冲洗前滤层的厚度； ——反冲洗前滤层的厚度； 反冲洗前滤层的厚度 L——反冲洗时滤层的厚度。 ——反冲洗时滤层的厚度。 反冲洗时滤层的厚度
（3）常用数据 表5-6 冲洗强度、膨胀度和冲洗时间 冲洗强度、
滤料
悬浮颗粒
流线
1—沉淀
2—扩散
3—惯性
4—阻截
5—水动力
图5-14 悬浮颗粒的迁移过程
在实际过滤过程中，上述两种机理往往同时起 在实际过滤过程中， 作用，只是依条件不同而有主次之分。 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， 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 于这一过程主要发生在滤料表层，通常称为表面过 滤。 对于细微悬浮物， 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 深层过滤。 降和接触粘附为主，称为深层过滤。
进 水 最高水位
最低水位
h H o
出 水
图 5-9 恒速过滤
△m x Ha
②
减速过滤
即在滤池的整个过滤周期内滤速逐渐减小。 即在滤池的整个过滤周期内滤速逐渐减小。 设四个滤池组成一个滤池组，假设： 设四个滤池组成一个滤池组，假设： 进入滤池组的总流量不变； ①进入滤池组的总流量不变； 每个池子的性能完全相同； ②每个池子的性能完全相同； 每个滤池恰好按它的编号顺序进行冲洗。 ③每个滤池恰好按它的编号顺序进行冲洗。 则滤池的水位与滤速变化如图5 10所示 所示。 则滤池的水位与滤速变化如图5-10所示。 移动冲洗罩滤池是典型的减速过滤滤池。 移动冲洗罩滤论
1937年 1937年，日本的岩崎提出一个悬浮物在滤层 中的去除速率公式： 中的去除速率公式：
式中： 分别为滤层x 式中： －分别为滤层x处的颗粒浓度和过滤 系数； 系数；一个能全面反映实验现象的过滤系数的公 式：
5.5 滤层的反冲洗 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 滤池的反冲洗方式及水力学 滤池的配水系统 反冲洗废水的排除 反冲洗水的供给
气-水联合冲洗时常用长柄滤头或复合气水反冲洗 配水滤砖进行布气与布水，其结构如图5 15和图 和图5 配水滤砖进行布气与布水，其结构如图5-15和图5-16 所示。 所示。
气/水
套筒 滤帽 滤板
气/水
气/水
直管 气
气
水 气/水反冲
水
图 5-15 复合气水反冲洗配水滤砖 图 5-16 气-水同时冲洗时长柄滤头工况示意
(2) 水在配水系统孔眼中流出时的水头损失h2 水在配水系统孔眼中流出时的水头损失h (3) 水在承托层的水头损失h3 水在承托层的水头损失h (4) 水在悬浮层中的水头损失h4 水在悬浮层中的水头损失h
H = H0 + h + ∆H(t )
5.4.2 过滤去除悬浮物的机理
两阶段理论： 颗粒迁移与颗粒吸附组成。 两阶段理论：由颗粒迁移与颗粒吸附组成。 迁移与颗粒吸附组成 颗粒迁移：沉淀、扩散、惯性、阻截和水动力（ 颗粒迁移：沉淀、扩散、惯性、阻截和水动力（非球形颗粒在 速度梯度作用下发生转动） 见图5 14。 速度梯度作用下发生转动） ，见图5-14。 颗粒吸附：范德华引力、静电力、 颗粒吸附：范德华引力、静电力、以及某些化学键和某些特殊 的化学吸附力作用、絮凝颗粒间的架桥作用。 的化学吸附力作用、絮凝颗粒间的架桥作用。
图5-11
直接过滤流程
直接过滤的两个特点： 直接过滤的两个特点： 采用双层或三层滤料滤池； ①采用双层或三层滤料滤池； 采用聚合物为主混凝剂或助凝剂。 ②采用聚合物为主混凝剂或助凝剂。 直接过滤要求： 直接过滤要求： 原水浊度和色度较低且水质变化小， ①原水浊度和色度较低且水质变化小， 原水浊度低于50度 常年 原水浊度低于50度； ②直接过滤中的滤速应根据原水水质决 浊度偏高时应采用较低滤速， 定，浊度偏高时应采用较低滤速，当原水 浊度在50度以上时 滤速一般在5m/h左右 度以上时， 浊度在50度以上时，滤速一般在5m/h左右
最高水位 进水渠 最低水位 进水阀 排水阀
滤速v（m/h） 0
排水渠
清 水 池
图 5-10 减速过滤（一组4座滤池）
过滤时间t（h）
图5-10 一座滤池滤速变化（一组共4座滤池）
减速过滤的优点
1. 与等速过滤相比，在平均滤速相同的情况下，减速过滤 与等速过滤相比，在平均滤速相同的情况下， 后的出水水质较好,产水量较大。 后的出水水质较好,产水量较大。这可能因为在过滤周期 后期，减速过滤滤速较低， 后期，减速过滤滤速较低，因而相应的管道等的水损较 在作用水头相同的条件下， 小，在作用水头相同的条件下，提供给滤层的可利用的 水头较大；同样在过滤后期，恒速过滤出水浊度较高， 水头较大；同样在过滤后期，恒速过滤出水浊度较高， 而减速过滤由于滤速较低，出水水质较好； 而减速过滤由于滤速较低，出水水质较好； 2. 在相同过滤周期内，过滤水损也较小。这是因为当滤料 在相同过滤周期内，过滤水损也较小。 干净时，滤层的孔隙率较大，虽然滤速较其它滤池较高， 干净时，滤层的孔隙率较大，虽然滤速较其它滤池较高， 但孔隙流速并非按流速增高倍数增大。相反滤层内截留 但孔隙流速并非按流速增高倍数增大。 杂质量较多时，虽然滤速较低，但因滤层孔隙滤减小， 杂质量较多时，虽然滤速较低，但因滤层孔隙滤减小， 孔隙流速并未过多减小。因而，过滤初期， 孔隙流速并未过多减小。因而，过滤初期，滤速较大可 使悬浮物深入下层滤料；过滤后期滤速减小， 使悬浮物深入下层滤料；过滤后期滤速减小，可防止悬 浮颗粒穿透滤层。等速过滤则不具备这种调节功能。 浮颗粒穿透滤层。等速过滤则不具备这种调节功能。
5.5.2 滤池的配水系统
常见的配水系统有大阻力配水系统、小阻力配 常见的配水系统有大阻力配水系统、 水系统、中阻力配水系统等三种，其作用： 水系统、中阻力配水系统等三种，其作用： ①反冲洗时，均匀分布反冲洗水； 反冲洗时，均匀分布反冲洗水； ②过滤时，聚集过滤水引出池外。 过滤时，聚集过滤水引出池外。 反冲洗时配水不均匀的危害： 反冲洗时配水不均匀的危害： ①滤池中砂层厚度分布不同； 滤池中砂层厚度分布不同； ②过滤时，产生短流现象，使出水水质下降； 过滤时，产生短流现象，使出水水质下降； ③可能招致局部承托层发生移动，造成漏砂现象。 可能招致局部承托层发生移动，造成漏砂现象。
非均匀滤层按下式计算： 非均匀滤层按下式计算： n n ν (1− m0 )2 1 2 h0 = ∑h i = 180 • ( ) l0υ × ∑( pi / di2 ) 3 g m0 ϕ i =1 i =1 粒径为d 式中：pi－粒径为di的滤料重量占全部滤料重量之 式中： 其余符号同前。 比；其余符号同前。 由上式知： 不变时，滤速v 由上式知：m0↓， H0不变时，滤速v ↓ ； 滤速v不变， 滤速v不变， H0 ↑ 。 （2）等速过滤过程中的水头损失变化 过滤时滤池的总水头损失为： 过滤时滤池的总水头损失为：