第四章 水的过滤技术

滤料颗粒的形状示意
滤料层的孔隙率
滤料层的孔隙率指整个滤层中孔隙总体积与整个滤层的 堆积体积之比。 测定方法：取一定量的滤料，在105Co下烘干称重，并 用比重瓶测出其密度。然后放入过滤筒中，用清水过滤一段 时间后，量出滤层体积，则孔隙率为
m 1
G V
式中，G ——烘干后的滤料, g； ——滤料的密度，g/cm3；
普通快滤池构造剖视图
普通快滤池构造剖面图
滤料照片
二、 滤池的工作周期
当滤池的水头损失 达到最大允许值 （1.5-2.0m）时， 则停止过滤，对滤 池进行冲洗。
从过滤开始到冲洗 结束的一段时间称 为滤池的工作周 期。
三、 滤池的水头损失 1. 清洁滤层水头损失
预测水通过滤层所产生的水头损失是过滤水力学的一项最基本内容， 但由于缺乏滤层孔隙率在过滤过程中随时间及高度变化的可靠理论， 目前只能计算清洁滤层的水头损失。
V ——滤料层的堆积体积，cm3。
过滤筒
比重瓶
滤料的筛分方法 取天然河沙300g，洗净后置于105℃恒温箱中烘干后称 取200g，用一组筛子过筛，最后称出留在筛子上的重量
(1) 筛分试验记录 筛分试验记录见表4-2.
表4-2 筛分试验记录
筛孔 （mm） 2.362 1.651 0.991 0.589 0.246 0.208 筛底盘 合计 留在筛上的砂量 质量 （g） 0.8 18.4 40.6 85.0 43.4 9.2 2.6 200 % 0.4 9.32 20.3 42.5 21.7 4.6 1.3 100 通过该号筛的砂量 质量 （g） 199.2 180.8 140.2 55.2 11.8 2.6 – % 99.6 90.4 70.1 27.6 5.9 1.3 –
污量不同， 滤速v不等。 干净滤料滤速大。 •整个系统平均滤速不变。
•每个滤池滤速逐渐降低。
•分隔数很多时，可以近似达到“等水头等速过滤”
▲
等速与变速过滤的差别？
在平均滤速相同的条件下，减速过滤的滤后水质较
好。 而且在相同过滤周期内，过滤水头损失要小。 清洁时，过滤速度虽大，但孔隙也大，孔隙内的速
2.变水头等速过滤
当滤池过滤速度保持不变，即滤 池流量保持不变时，随着过滤进行， 滤层孔隙率减少， 水头损失增 加，滤池内水位自动上 升，自由进流，以保持 过滤速度不变。
-------虹吸滤池
无阀滤池
3．等水头变速过滤
•如果过滤水头始终保持不变，滤速必然要降低。
－－移动罩滤池
•多格滤池进水渠连通，各池水位相等， 但由于各池截
滤膜
•效果： 浊度可降到0，可不消毒。
第一节
过滤概述
慢滤池作用机理： •微生物吞食细菌 •微生物分泌出起凝聚作用的酶 •藻类产生氧气，起氧化作用 。 •但生产效率低， 1~3月后堵塞，需刮掉滤膜， 重新补砂。
第一节
过滤概述
三、快滤池及其机理
● 条件：滤速大于10 m/h 必须先投加混凝剂 ● 作用：去除浊度，浊度<5度，同时可去除一部分细菌、病毒 ● 机理：表层细砂层粒径为0.5mm，孔隙尺寸为80μm，但进入滤池的颗粒 尺寸大部分小于30μm，但仍能被去除。 不光是简单的机械筛滤，还有接触粘附的作用。主要有两个过程：迁移和粘附 迁移：是颗粒脱离流线接近滤料的过程，主要作用力有：拦截、沉淀、 惯 性、 扩散、水动力（非球形颗粒在速度梯度作用下发生转动）对于这几 种力的大小，目前只能定性描述。 粘附：物理－化学作用力（范德华引力、静电力、以及一些特殊化学力） 但表层滤料的筛分作用也不能排除，特别是在过滤后期，当滤层中的孔 隙尺寸逐渐减少时。
过滤时滤池的总水头损失为：
H
H1
H2
H3
H4
2. 过滤过程中水头损失
H=H0+△Ht+h
假设：水位和滤速不变 H： 滤池总水头
洗砂排水槽
Ht: 滤料层水头损失
h1: 配水系统水头损失
滤层 垫层 ht: 控制阀水头损失 v2/2g:流速水头 h2: 剩余水头 H0： 清洁滤料水头损失 △ Ht：在时间t时的水头 损失增殖
五、滤料层内 杂质分布规律
六、提高滤池截污能力的途径
第二节
滤池的运行
一、滤池的工作过程:过滤过程和反冲洗过程交替进行
普通快滤池的构组成： 集水渠 进水 洗砂排水渠 滤料层 承托层 配水系统 出水 管廊：浑水进水管 清水出水管 初滤水 冲洗来水 冲洗排水 四大阀门（至少） 过滤过程：最大过滤水头 损失1.5－2m 工作周期：过滤开始－冲 洗结束＝12－24h
滤料 悬浮颗粒
流线
1—沉淀
2—扩散
3—惯性
4—阻截
5—水动力
悬浮颗粒的迁移过程
第一节
过滤概述
应用： •给水处理 原水→混凝沉淀/澄清→过滤 原水→微絮凝→过滤（微絮凝过滤） 原水→加药→过滤（接触过滤） •废水处理 原水→生物处理→过滤 原水→生物处理→混凝沉淀→过滤 直接过滤
第二节
滤池的运行
一、滤池的工作过程 二、滤池的工作周期 三、滤池的水头损失 四、滤池的过滤方式
最大与最小粒径： dmax, dmin工程上为方便，一般dmin≈d10, dmax≈d80 我国规范中，采用 dmax, dmin, K80来控制滤料粒径分布。
滤料的当量直径
n
de
i 1
pi d i1 d i2
式中，de ——滤料层的当量粒径，mm pi ——截留在筛孔和筛子之间的滤料重量占滤料总重量 的百分数； d1 、d2为上下筛网的孔尺寸。
d0
3
6G n
式中， G —— n个颗粒的总重量, g； —— 颗粒密度, g/cm3。
滤速：单层： 8~10m/h 2． 滤料层规格 双层： 10~14m/h 材质、粒径和厚度 三层： 18~20m/h 粒径：小，比表面积大，有利于矾花吸附但易堵塞 滤速：流量/面积； 厚度：矾花穿透深度＋保护厚度 强制滤速：一个或2个滤池停产时其余 穿透深度与粒径、 滤速及水的混凝效果有关 滤池超过正常负荷下的滤速
球度系数与形状系数
球度系数
同体积球体表面积 颗粒实际表面积
滤料颗粒的形状系数为：
1
表4-1列出了常见的滤料形状与其球度系数和形状系数，滤 料颗粒的形状示意见图。
表4-1
序号 1 2 3 4 5
滤料颗粒的形状及其球度系数、形状系数、孔隙率
形状描述 圆球形 圆 形 已磨蚀的 带锐角的 有角的 球度系数 1.0 0.98 0.94 0.81 0.78 形状系数 1.00 1.02 1.06 1.23 1.28 孔隙率 0.38 0.38 0.39 0.40 0.43
实际滤层是非均匀滤料，计算非均匀滤层水头损失，可分成若 干均匀层，则各层水头损失之和为整个滤层的总水头损失。
设粒径为di的滤料重量占全部滤料重量之比为pi，则清洁 滤层总水头损失为：
n
h0
i 1
hi
(1 m0 ) 2 1 2 180 ( ) l0 3 g m0
n i 1
( pi / d i2 )
(3) 过滤过程中的水头损失变化
(2) 滤料性能参数
比表面积 粒状滤料的比表面积可以表示为单位重量或体积的滤料 所具有的表面积，单位为cm2/g或cm2/ cm3。 有效粒径与不均匀系数 粒径级配可以用滤料的有效粒径和不均匀系数表示，关 系如下： d 80 k 80 d 10 通常用一套不同孔径的筛子进行筛分而来。 d10有效 粒径，是通过滤料重量的10%的筛孔直径，使滤料中 细颗粒尺寸； d80是指通过滤料重量的80%的筛孔直径， 是较粗颗粒。K80为滤料级配指标——不均匀系数。 K80越大，滤料粒径越不均匀，对过滤和反冲很不利。 一般要求：d10=0.5-0.7mm， K80≤2， 或dmin~dmax=0.5~1.2mm
第一节
过滤概述
一、什么是过滤 二、慢滤池及其机理 三、快滤池及其机理
第一节
过滤概述
一、什么是过滤 过滤一般是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。 相应的处理构筑物称为滤池。
第一节
过滤概述
二、慢滤池及其机理 •滤速慢v＝ 0.1~0.3 m/h •表面生长一层滤膜（1~2个星期后）
第三节 滤池的基本构造
一、快滤池的构成 二、滤料层
三、配水系统
四、承托层 五、反冲洗排水系统
第三节 滤池的基本构造
一、快滤池的构成 滤料层 承托层 配水系统 冲洗集水槽 集水渠 管廊
进水
出水
第三节 滤池的基本构造
二、滤料与承托层 1．滤料的种类 石英砂、无烟煤、大理石、 石榴 石、 白云石、聚苯乙烯发泡塑料、纤维球滤料 (1) 要求 具有足够的机械强度 ；具有足够的稳定性 ； 能就地取材、价廉 外形接近于球状，表面比较粗糙而有棱角。
0.44 100 1.54 (％) 100 80 60 60 40 20 40 20 10
通过筛孔砂量 (％)
80
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
(3)同一粒径砂
精确取用同一粒径滤料的方法：将滤料样品倾入某一筛 子过筛后，将筛子上的砂全部倒掉，再将卡在筛孔中的那部 分砂振动掉下来，如此重复进行，可得到同一粒径的滤料。 从这些振动下来的砂粒中取出几粒，按以下公式可求出其等 体积球体直径：
(1)均匀滤层计算 卡曼-康采尼公式（Carman-Kozony）公式：
h0
180
(1
m 0 )2 m
3 0
g
(
1
d0
)2
0
h0——清洁滤料层的水头损失 m0——滤料空隙率 d0——与滤料体积相同的球体直径 0——滤料层厚度 ——滤速
ϕ——滤料颗粒球度系数 —— 运动粘滞系数
(2) 非均匀滤层按下式计算：
第四章 水的过滤技术
第1节 过滤概述
第2节 滤池的运行
第3节 滤池的基本构造 第4节 滤池的发展
广义的过滤概念
过滤介质不同，过滤分类也不同。 （1）格筛过滤：过滤介质为柳条或滤网，用以去除粗大的悬 浮物，如杂草、破布、纤维、纸浆等，其典型设备有格栅、筛 网和微滤机。 （2）微孔过滤：采用成型滤材，如滤布、滤片、烧结滤管、 蜂房滤芯等，也可在过滤介质上预先涂上一层助滤剂（如硅藻 土）形成孔隙细小的滤饼，用以去除粒径细微的颗粒。其定型 的商品设备很多。 （3）膜过滤：采用特别的半透膜作过滤介质在一定的推动力 （如压力、电场力等）下进行过滤，由于滤膜孔隙极小且具选 择性，可以除去水中细菌、病毒、有机物和溶解性溶质。其主 要设备有反渗透、超滤和电渗析等。 （4）深层过滤：采用颗粒状滤料，如石英砂、无烟煤等。
本章主要内容以颗粒滤料过滤为主：
● 由于滤料颗粒之间存在孔隙，原水穿过一定深度的滤层，
水中的悬浮物即被截留。为区别于表面或浅层过滤过程， 将这类过滤称之为深层过滤，简称过滤。
● 常用的深层过滤设备是各种类型滤池。 ▴按过滤速度不同，有慢滤池（<0.4m/h）、快滤池
（4～10m/h）和高速滤池（10～6Om/h）三种； ▴按作用力不同，有重力滤池（水头为4～5m）和压力 滤池（作用水头15～25m）两种； ▴按过滤对水流方向分类，有下向流、上向流、双向流 和任向流滤池四种； ▴按滤料层组成分类，有单层滤料、双层滤料和多层滤 料滤池三种。
பைடு நூலகம்
度并不太大，可将一些悬浮杂质带入下层滤料。而
当截留有杂质时，孔隙减少，滤速也减少，可防止 悬浮物穿透滤层。
五、滤料层内杂质分布规律
•反洗后由于水力筛分，粒 径顺过滤方向由小变大。
•滤料表层孔隙率较小。 •杂质主要截留在滤料表层。 •下部滤层截污能力未得到
充分发挥 。
六、提高滤池截污能力的途径 改进方向： 提高滤层含污能力，延长过滤周期
Ht
h1
ht
h：配水系统、承托 层及管路水头损失
四、滤池的过滤方式
1．等水头等速
过滤
通过设置出水流速 调节器⇒普通快滤池
随着过滤进行，滤层内截留的杂质量逐渐增加，在等速过滤 状态下，水头损失随时间逐渐增加，滤池内的水位自然会逐 渐上升，但是为了维持在等水头状态下的等速过滤，需要在 出口处设置滤速控制阀，以调节滤速和水位恒定。
(2) 筛分方法
见图，d10=0.4mm，d80=1.34mm，因此 k80=1.34/0.4=3.37，此河沙不均匀系数较大。 根据设计要求：d10=0.55mm，k80=2.0，则 d80=1.1mm，按此要求筛选滤料。 大粒径（d>1.54）颗粒约筛除13.0 %，小粒径（d<0.44） 颗粒约筛除19.0 %。
1.上向流 2.双向流
3.双层或多层滤池
密度较小、 粒径较大
无烟煤 石英砂
无烟煤 石英砂 重质矿石
密度较大、 粒径较小 （石榴石）
双层
密度较大、 粒径较小
三层
4. 均质滤料
思考题
(1) 滤池的过滤过程包括哪两个环节？ (2) 滤池的工作周期如何确定？受什么因素影响？ (3) 滤池有几种过滤方式？ 如何实现？各有什么特点？ (4) 什么是滤料层含污能力？ 如何改善？