水质工程学——第5章 过滤

②受反冲洗方式的限制, 难 以去除在滤料层底部聚集 的大量污泥, 滤料易板结; ③反向过滤的设计滤速取 值过大, 容易造成滤料层的 膨胀而导致出水水质变差。
（1）上向流过滤 （反向过滤）
（2）反粒度过滤—双层滤料
（3）反粒度过滤—三层滤料
石榴石 石英砂 无烟煤
无烟煤
（1）
石英砂
（2）
（3）
（4）均质滤料：沿整个滤层深度方向的任一断面上，滤料
第五章

过 滤


过滤概述 过滤理论 滤料和承托层 滤池反冲洗 普通快滤池 其他形式滤池
5.1 过滤概述
一、过滤的作用
•发展
清洁的井水是通过底层的过滤作用而获 得的，这一经验启发了人类用过滤的方法处 理水。
•概念 过滤就是以具有孔隙的粒状滤料层（如 石英砂）截留水中杂质。
•作用 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。

由于过滤情况很复杂，目前有不少计算公式，但与生产实际存在 差距。

通过实验Ht与t一般呈直线关系。（见图）
Hmax为水头损失增值为 最大时的过滤水头损失， 一般为1.5~2.0m。 T 为过滤周期。如果不出 现滤后水质恶化等情况，过滤 周期不仅决定于最大允许水头 损失、还与滤速有关。 设滤速 vˊ >v ，其清洁 砂 层水头损失为H0 ˊ 。一方面H0 ˊ> H0 ，同时单位时间内滤层 截留的杂质量较多，
措施的, 在印度、泰国等国家的农村饮水处理 中也广泛采用慢滤。
慢滤池的净水机理相当复杂, 它是在机械筛 滤、生物吸附降解、沉淀、扩散、传递及静电
吸附等物理化学和生物化学作用下完成净水过 程的。
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。
慢滤池的成熟期：慢滤池在开始使用的1~2周内，
滤层过滤(depth filtration) 被截留的颗粒物分布在过滤介质内部，借助滤料表面的粘 附作用截留悬浮固体。因此，当滤层过滤的滤池出现表面过滤 的现象时，会妨害其内部过滤功能的发挥，对过滤是不利的。
4. 提高滤层含污量的方法
理想滤层、反向过滤、均质滤料、多层滤料
①各组滤池之间和滤池内 部配水不均匀, 容易导致局 部穿透;
进一步降低浊度。
水中部分的有机物、病毒、细菌等随水浊度的降低 部分去除。 残留于滤后水中的病毒、细菌等在失去浑浊物的保 护或依附时，在滤后消毒作用中将容易灭活。
二、慢滤池（扩展内容）
慢滤水处理工艺是1804年英格兰John Cibb为 制取高质量的洁净水而发明的。 该工艺因占地面积大, 后来被美国人发明的 快滤池所取代。 伦敦约有80%的自来水是以慢滤作为最终处理
阳离子型聚合物
原水 混合 （b） 硫酸铝 原水 混合 （C） 阳离子型聚合物 原水 混合 （d） 絮凝池 双层或三层滤料滤池 过滤出水 絮凝池 聚合物 双层或三层滤料滤池 过滤出水 双层或三层滤料滤池 过滤出水
直接过滤的要求
原水浊度和色度较低且水质变化小，常年原水浊度低 于50度。 直接过滤中的滤速应根据原水水质决定，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。 原水进入滤池前不应形成大的絮凝体。
9
进水
滤池反洗过程示意图
反洗：F1、 F2关，F3、 F4开
反洗水
10
工作过程 滤速
由过滤与反冲洗两部分组成。 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。单层滤料 8~10m/h，双层10~14m/h，多层18~20m/h 。 水头损失， 出水水质
直接过滤的应用
湖泊、水库等低浊度水。
二、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
卡曼——康悉尼计算公式（Carman——Kozony)
2
根据均质滤料层
υ (1 m0 ) 1 2 h0 180 ( ) l0 v 3 g m0 d0
式中：h0—水流通过清洁滤层水头损失（cm）； υ—水的运动粘度(cm2/s)； g—重力加速度(cm/s2)； m0—滤料孔隙度； d0—与滤料体积相同的球体直径(cm)； l0—滤层厚度(cm)； v—滤速(cm/s) —滤料颗粒球度系数。 实际滤层是非均匀滤料。计算非均匀滤层水头损失，可分成若干层，则 各层水头损失之和为整个滤层总水头损失。
浊度10ntu以下； 总大肠菌类10~1000个 小于1.0ntu /100mL； 总大肠菌类<1个 藻类不太多； /100mL 10000人以下的给水处 理
细菌总数99% 能去除逗号弧菌 (Vibrio comma)
三、快滤池
滤池构造示意图
快滤池构造透视图
快速滤池过滤过程示意图
过滤：F1、F2 开，F4、F3关 反洗：F1、F2 关，F3、F4开 出水
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：
υ (1 m0 ) 1 2 2 H0 h0 180 ( ) l0 v ( pi / di ) 3 g m0 i 1
2 n
分层越多，计算精度越高。
（分析：悬浮物杂质增多，m0，由H0公式知，当d0、 l0 、 T
反冲洗的条件 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。从过滤开始到过滤结束称为 过滤周期。滤池的工作周期为12~24h。
在保证滤后水质前提下，设法提高滤速和工作周期，这 一直是过滤技术研究的一个重要课题。并因此推动了过滤技 术的发展。
5.2 过滤理论

是机械筛除作用吗？ 单层石英砂滤池，滤料粒径0.5-1.2mm，滤层厚度70cm，反冲洗 后水力分级，设表层砂粒0.5mm，则孔隙尺寸80微米。 但30微米的杂质仍能被截留下来，说明不是机械筛滤作用。 粘附作用 过滤主要是悬浮颗粒与滤料颗 粒之间粘附作用的结果。
滤层含污量（g/cm3） 1
单层滤料
双层滤料
石英砂
滤 层 深 度 (cm)
石英砂源自文库
2
在一个过滤周期内，单 位体积滤层中的平均含 污量称为“滤层含污能 力”，单位g/cm3或 kg/m3。
无煤烟
表面过滤(surface filtration) 被截留的颗粒物聚集在过滤介质表面时，称表面过滤。 粗滤、微滤和膜滤都属于表面过滤，利用孔隙的筛除作用。
图 9-4 滤料层含污量变化
石英砂 石英砂
图
颗粒粘附和脱附力示意
3. 滤层利用与含污量的变化
前提：单水冲洗的石英砂滤料滤池典型的水力分级滤料层。 滤层利用过程： 过滤开始阶段，滤层较干净，孔隙率较大，孔隙流速
小，水流剪力Fs1较小， 粘附力作用占优势。
随着过滤时间延长，滤层中杂质逐渐增大，以至最后
滤后水质较差，而后绿层顶部几厘米厚，由原来的松散 砂粒，变成一个发粘的滤层（滤膜），具有微生物的净 化作用。
清洗：慢滤池的运行周期较长, 一般在几个月或一年
以上。当滤料堵塞需要清洗时, 可采用人工方法进行。 用铲将表层25 ~30mm 厚度的滤层铲出清洗。
设计参数：
慢滤池的滤料多采用粒径为0.3 ~1.0mm的石英砂或普通河沙。 慢滤池内的滤料层厚度一般在0.65 ~1.50m之间, 不得小0.65m。 为保证慢滤池正常工作, 滤层上面应保持一定的作用水头, 一般在 0.1~0.5m。 慢滤池的水力负荷一般为0.1 ~0.3m/h。
2.悬浮颗粒粘附与剥离
Fs3 脱附力 F3 Fs2 F2 Fs1 Fa2 1
附着力与水流剪力
滤层含污量（g/cm2） 从颗粒的受力图分析 粘附力和水流剪力的相对大小决 1 单层滤料 定了颗粒粘附和脱落的程度。
无煤烟
3 Fa3 2
F1 Fa1 滤料
从过滤过程分析 2 滤 • 杂质进入滤层后，首先被第一层滤料 层 截留大部分 深 度 • 少量 “漏网” 杂质被下层滤料截留。 (cm) 双层滤料 • 悬浮颗粒向下层推移，下层滤料截留 作用渐次发挥。 • 过滤到一定时间后，表面滤料间孔隙 逐渐被杂质堵塞，形成滤膜。
粘附上的颗粒将首先脱落下来，或被水流夹带的后续
颗粒不再有粘附现象，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。
往往是下层滤料的截留悬浮颗粒的作用还没有得到充
分发挥，过滤就必须停止了。滤料水力分级导致结果。
结果：
表层滤料间的空隙将被堵塞，严重时，由于滤料的“筛滤” 结 果，甚至产生泥膜，使过滤阻力剧增。 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 ，局部流速过大而使杂质穿透滤层，出水水 质恶化。 下层滤料还未发挥应有作用，过滤也将被停止。 单层滤料的含污能力随滤池深度的变化很 大，滤层含污量少。
（2）粘附机理
当颗粒与滤料表面接触或接近时，依靠范德华引力、静电力以及某 些化学键和某些特殊的化学吸附力作用 ： 当范德华引力大于双电层斥力时，能粘附。如投加铝、铁盐混凝剂。 絮凝颗粒间的架桥作用使它们粘附。投高分子絮凝剂。
是不是颗粒尺寸越大，过滤时越有利？
• 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。 • 相反如果悬浮颗粒尺寸过大而形成机械筛滤作用，反 而会引起表面滤料孔隙堵塞。
已定时，如m0 、 H0不变v，反之v不变H0） 这样就产生了等速过滤与变速过滤两种过滤方式。
（2）过滤过程中的水头损失
过滤时滤池的总水头损失为：
式中：H0—清洁滤层水头损失，cm;
H t H 0h H t
h—配水系统、承托层及管（渠）水头损失之和，cm; Ht —在时间为t时的水头损失增值，cm。 式中的H0和h在整个过滤过程中不变。 Ht随t增加而增大。Ht 与t的关系，实际上反应了滤层截留杂质量与过滤时间的关系， 亦即滤层孔隙率的变化与时间关系。
组成和平均粒径均匀一致。要实现均质滤料过滤，反冲洗时滤 料层不能膨胀。
均质滤料

双层滤料和多层滤料滤池中出现的混层现象
一种观点认为：适度的混层，可避免交界面上积聚过多杂质而
使水头损失增长较快，故适度混杂是有益的 另一种认为：煤-砂交界面上不应有混杂现象。因为煤层起截留
大量杂质作用，砂层则起精过滤作用，而界面分层清晰，起始水头
由于慢滤池占地面积大、操作麻烦、寒冷季节时其表层容 易冰冻，在城镇水厂中使用的慢滤池逐渐被快滤池所代替。现 代慢滤池主要用于村镇小型水厂。
表5-1 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
出水水质
细菌的去除 效率
颗粒物去除 效率 2.7~7m99% 7~12m99.9% 较大颗粒 99%~99.9%
图 9-7 恒速过滤
进 水 最高水位
最低水位
出 水
h Ho
△Hmax
（2）变速（减速）过滤
滤速随过滤时间而逐渐减小的过滤。 四个滤池组成一个滤池组，假设：进入滤池组的总流量不变； 每个池子的性能完全相同；每个滤池恰好按编号顺序进行冲洗
损失将较小。
5. 直接过滤
原水加药后不经过沉淀，而直接进入滤池的过滤。 接触过滤 原水加药后只经过混合就直接进入滤池过滤 微絮凝过滤 原水加药后经过混合和微絮凝池后进入滤池过滤
直接过滤的特点
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。 工艺简单，药剂用量少。
硫酸铝 原水 混合
聚合物 双层或三层滤料滤池 （a） 过滤出水

一、截留机理
1.悬浮颗粒被 截留的机理
滤料
悬浮颗粒
流线
1—沉淀
2—扩散
3—惯性
4—阻截
5—水动力
（1）迁移机理
被水流挟带的颗粒如何与滤料表面接近或接触。
沉淀：流速小，重力作用。 扩散：存在浓度梯度，颗粒小，布朗运动较剧烈时。 惯性：本身速度具有的惯性力。 拦截：颗粒尺寸较大，表面接触拦截。 水动力：存在速度梯度，非球形颗粒的转动。
水头损失增加也较快，tg ˊ> tg，因而，过滤周期T ˊ<T。其中已忽略了承托层及 配水系统、管（渠）等水头损失的微小变化。
H t H 0h H t
当过滤水头损失达到最大允许水头损失 Hmax ，过滤既告终止。
（1）等速（恒速）过滤
2.等速过滤与变速过滤
滤池的过滤速度保持不变，即 流量保持不变时称等速过滤。 在恒速过滤状态，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，当水位上 升到最高水位时，过滤停止 以待冲洗。 无阀滤池与虹吸滤池是 典型的恒速过滤滤池。