第七章-过滤

2 当颗粒与滤料表面接触或接近时，依靠哪些力的作用，使 它们粘附于滤料表面上—这涉及粘附机理。
颗粒迁移 滤料孔隙的水流一般属于层流状态，被水流挟带的颗粒随着水流流线运 动，它之所以会脱离流线而与滤料表面接近，完全是物理—力学作用。 拦截：颗粒沉速较大时，处于流线中的颗粒会直接碰到滤料表面，产生拦 截作用。 惯性：颗粒具有较大惯性时，可脱离流线与颗粒表面接触。 扩散：颗粒较小，布朗运动叫剧烈时，会扩散到滤料表面。
分类
1 按滤速：慢滤池和快滤池 2 按滤料层结构：单层、双层和多层滤料 3 按水流流经滤层的方向：上向流、下向流等 4 按阀门配置：四阀滤池（普通快滤池）、双阀滤池、 无阀滤池、虹吸滤池、单阀滤池 5 按滤池运行方式：间歇式和连续式 6 按过滤驱动力：重力式和压力式
滤池的分类：
普通快滤池
慢滤池
根据滤速的不同分为:
3 滤料性能参数
1) 滤料的比表面积 单位体积滤层中滤料的表面积称为滤料的比表面积。对于粒径不相 等的非均匀滤料，可以看作是由许多粒径相同的均匀滤料所组成。 单位为cm2/g或cm2/ cm3。
a
ai P i

6 1 di
P di的组分再滤料中所占权 重。 i为粒径 P i＝P i P i 1
滤膜 砂粒径0.3～1mm 卵石粒径1～32mm 集水系统 图7--1
1.2～1.5
0.8～1.2 0.5～0.6 0.4～0.5
慢滤池是最早出现的用于水处理的过滤设备，能有效地 去除水的色度、嗅和味，见7-1。由于慢滤池占地面积大、 操作麻烦、寒பைடு நூலகம்季节时其表层容易冰冻，在城镇水厂中使用 的慢滤池逐渐被快滤池所代替。
承托层组成
层次（自上而下） 1 2 3 4 粒径（mm） 2~4 4~8 8~16 16~32 厚度 100 100 100 本层顶面高度至少应 高于配系统孔眼100
7.4 快滤池过滤机理
一.悬浮颗粒被截留的机理
两阶段理论：由迁移与吸附组成。 迁移：沉淀、扩散、惯性、阻截和水动力。 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。
V ——滤料层的堆积体积，cm3。
石英砂的孔隙率（度）一般在0.42左右，无烟煤0.5～0.6， 陶粒0.45～0.60
二 承托层
1 一般由一定级配的卵石组成，敷设于滤料和反冲洗配水系统之间。 2 作用：（1）支承滤料，防止滤料从配水系统中流失 （2）均匀分布冲洗水 3 选用：一般按习惯，不必仔细计算 (1) 大阻力配水系统总厚度约450～500mm (2) 中、小阻力系统总厚度约200mm左右，也可不设
双层滤料
9~12
<2.0 400
12~16
<1.7
450
三层滤料
石英砂 dmax=0.8 dmin=0.5 重质矿石 dmax=0.5 dmin=0.25
<1.5
230
16~18
18~24
<1.7
70
4) 滤料的当量粒径 滤料的当量粒径是指一假想的均匀滤料的粒径，这个均匀 滤料的比表面积与实际的不均匀滤料的比表面积相等。 5）球度系数与形状系数
3）最大粒径、最小粒径
表7-2 滤料级配与滤速
滤料组成 类别 粒径 （mm） 不均匀系数 K80 <2.0 <2.0 厚度 （mm） 700 300~400 滤速 （m/h） 7~9 强制滤速 （m/h） 9~12
单层石英砂 滤料
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
同体积球体表面积 球度系数 颗粒实际表面积
序号 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
滤料颗粒的形状系数为：
双层或三层滤料滤池
接触滤池 重力式无阀滤池 虹吸滤池 移动罩滤池
快滤池
V型滤池
7.2 慢滤池和快滤池
一 慢滤池
于1826年在英国伦敦首先建立，亦名英国滤池。 构造如图：
超高0.3m
慢滤池进水浊度宜小于20NTU。 慢滤池滤料宜采用石英砂, 滤 层厚度800～1200mm。 慢滤池滤料表面以上水深宜为 1.2～1.5m。 过滤速度慢：v=0.1～0.3m/h
1 构造 进水系统、过滤系统、集水系统、反洗系统 H滤层＝0.7～0.8m; d=0.5～1.2mm K80=d80/d10=2.0左右； H水深=1.5～2.0m 进水浊度一般在10NTU左右，出水可达饮用水标准。 V滤速＝8～12m/h（滤池的产水量用滤速表示）滤速是指 单位时间、单位过滤面积上的过滤水量，单位为m3/（m2 h）或m/h。 2 工作过程 （1）过滤过程： （2）反冲洗过程： 快滤池的工作周期：从过滤开始到冲洗结束的一段时间，称为快 滤池的工作周期。一般12～24小时，它直接关系到滤池的实际工作时 间和冲洗水量的消耗。 过滤周期：从过滤开始到过滤结束。 如何提高滤速和延长工作周期，一直是过滤技术研究的一个重要课题。
1
1 2 3 4 5
6）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105℃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
G m 1 V
式中，G ——烘干后的滤料, g； ——滤料的密度，g/cm3；
d k80 80 反映滤料颗粒的均匀程度。 d10
k80大（粗细相差大），对过滤和反冲洗不利。
，滤层含污能力减小 过滤时，杂质积在表层 粗颗粒洗不净 满足细颗粒膨胀要求， 反洗时， 细颗粒冲出滤池 满足粗颗粒膨胀要求，
d 80 k80 反映滤料颗粒的均匀程度。 d10
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
设表层细砂粒径为0.5mm，其孔隙尺寸约为80µm，而水中细小 杂质只有2～30µm，对于这样细小的颗粒能被滤料层截留下来 的现象，作用机理： 水中悬浮物能够粘附于滤料颗粒表面，涉及两个问题： 1 被水流挟带的颗粒如何与滤料颗粒接近或接触—这就是涉 及颗粒脱离水流流线而向滤料颗粒表面靠近的迁移机理。
优缺点： 优点：水质好，能去除细菌、病毒，分别达98～99%， 可直接饮用。
缺点：生产效率太低，占地面积大。 如生产量为2000m3/h的水厂，需占滤池面积2000/0.2＝ 10000㎡=1公顷。 慢滤池砂的清洗很费时间，很费人工，劳动强度大。
二 快滤池
经历60年后于1884年被提出，其特点有： 1) 原水必须加混凝剂，经混凝处理之后过滤才能有效地去除浑浊度。 2) 去除浊度不是靠筛除颗粒作用，而是靠接触絮凝作用。因为过滤时， 在砂粒孔隙内的水流都是层流状态，而层流产生速度梯度，会使微小的 矾花不断旋转，亦使矾花跨过流线向砂粒表面运动，当矾花接触砂粒时， 如果彼此间有足够的吸力，就被吸附去除了，而加混凝剂，压缩双电层 作用就为加强颗粒间的范德华引力创造了条件。构造如下图：
2.7~7m 99% 7~12m99.9% 较大颗粒 99%~99.9%
工作条件 1.出水浊度可接近于0NTU，而且能很好的去除细菌、臭味、色度，水质很 好，可直接饮用。 2.过滤速度慢：v=0.1～0.3m/h 3.在滤料表面几厘米砂层中形成发粘的滤膜，这滤膜是一些藻类和原生动 植物繁殖的结果，形成滤膜大约需要1～2week。 4.滤池工作1～6个月后，被淤泥堵塞，需人工将表面1～2cm砂刮出来清洗， 再重新铺装。
k80大（粗细相差大），对过滤和反冲洗不利。
，滤层含污能力减小 过滤时，杂质积在表层 粗颗粒洗不净 满足细颗粒膨胀要求， 反洗时， 细颗粒冲出滤池 满足粗颗粒膨胀要求，
K80愈大, 表示粗细颗粒尺寸相差愈大, 颗粒愈不均匀, 这时对过 滤和冲洗均不利。 因为K80较大时, 过滤时滤层含污能力减小; 反冲洗时, 为满足粗 颗粒膨胀要求, 细颗粒可能被冲出滤池, 若为满足细颗粒膨胀要求, 粗颗粒将得不到很好清洗。 如果K80愈接近于1, 滤料愈均匀, 过滤和反冲洗效果愈好, 但滤料 价格提高。 砂滤池控制K80=2.0左右。 (2)在生产中常用dmax、dmin、k80控制滤料粒径分布。 采用有效粒径法筛选滤料。
7.3
颗粒滤料和承托层
一 滤料 1 要求 1)具有足够的机械强度，以防止冲洗时，滤料产生严重磨损和破碎现象。 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 其不能含有对人体健康和生产有害的物质。 3)具有一定的颗粒粒度级配和适当的孔隙率，尤其外形近于球形的颗粒 孔隙率大，表面比较粗糙者，其比表面积较大。 此外，滤料应尽量就地取材，货源充足，价廉。 2 种类： 在单层滤料中，目前常用的滤料是石英砂；在双层、多层滤料中常用的 还有无烟煤、石榴石、钛铁矿、磁铁矿、金刚砂等。 活性炭滤池中，使用粒状活性炭； 硅藻土滤池中，用硅藻土； 轻质滤料（聚苯乙烯塑料珠、陶粒等） 双层和多层滤料效果较好，但无烟煤、磁铁矿、石榴石等滤料来源和加 工尚有一定困难，价格比较贵。
2）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：
k 80
d 80 d10
(1)有效粒径d10和不均匀系数k80表示
d10－通过滤料重量10％的筛孔孔径，反映小颗粒所占比例。是产生 水头损失的主要部分。砂滤池d10 =0.5～0.6mm。 实验表明：若滤料d10相等，即使其级配曲线不一样，过滤时产生的 水头损失仍然相近，由此可知造成水头损失有效部分正是粒径小于 d10的哪些颗粒，所以把d10称为有效粒径。
第 七 章
过滤
以普通快滤池的过滤和反冲洗 为重点，讲授过滤理论和反冲洗理 论。其它则介绍其工艺特点。
7.1 过滤概述
过滤：混凝、沉淀之后进一步降低水中的杂质，达到生活饮用水
标准的工艺过程。因为混凝沉淀之后水中浊度约为10NTU，含有 微小的絮凝颗粒（即2～30µm的颗粒）需要进一步去除。
功能： 1 进一步去除水中的悬浮颗粒。 若原水浊度较低，一般在150mg/l以下时，并且未受工业废水 的严重污染，可以直接过滤，亦可以加药混凝后，直接进入滤池 进行过滤，这通常称为接触滤池。 过滤是不可缺少的水处理工艺过程，它是保证生活饮用水卫生 安全的必要措施，也是活性炭过滤除臭除味、离子交换处理工业 给水的前处理。 2 过滤能去除水中有机物、细菌、病毒等，去除率大约为70～80 ％以上。 3 残留于滤后水中的细菌、病毒、有机物，失去浑浊度（物质） 的保护或依存而大部分呈裸露状态，为消毒杀菌创造了条件。
表7-1 现代慢滤池的适用的进水条件与出水水质
适用的进水条件
浊度10ntu以下； 总大肠菌类 10~1000个 /100mL； 藻类不太多； 10000人以下的给 水处理
出水水质
细菌的去除效率
颗粒物去除效率
小于1.0ntu 总大肠菌类<1个 /100mL
细菌总数99% 能去除逗号弧菌 (Vibrio comma)
1
6 2
13
11
10 5 4 12 14
7 8 9
3
图 6-3 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
水动力：在滤料表面附近存在速度梯度，颗粒在速度梯度的作用下，产生 转动而脱离流线与颗粒表面接触。 上述迁移机理只能定性的描述，而无法定量估算。可能几种机理同时存在， 也可能只有其中某些机理起作用。因影响因素如滤料尺寸、形状、滤速、水 温、水中颗粒尺寸、形状、密度等胶复杂。
(二)粘附机理
粘附作用是一种物理化学作用，取决于颗粒表面的性质 和滤料表面的物理化学性质，即借范德华力和静电力相互作 用以及某些化学键、某些特殊的化学吸附力，絮凝颗粒被粘 附在滤料颗粒表面上，或粘附在滤料表面上原先粘附的颗粒 上，类似于澄清池中泥渣层所起的粘附作用，而且滤料为固 定介质，排列紧密，效果更好。 滤料颗粒可看作接触吸附介质，但它比澄清池中的泥渣 层浓度更高，排列更加紧密，更加稳定。由滤床颗粒提供的 接触碰撞机会比搅拌水流更多，而且过滤池滤床的去除率与 施加的浓度无关。（接触絮凝作用）