第九章 过滤

直接过滤的两个特点：
①采用双层或三层滤料滤池； ②采用聚合物为主混凝剂或助凝剂。 直接过滤要求： ①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； ②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。
9.3 滤料与承托层
（9-3）
（3）负水头现象
当过滤进行到一定时刻时，从滤料表面到某一深度处 的滤层的水头损失超过该深度处的水深，该深度处就出现负 水头，见图9-6。
水深
175 150
45°
100
负水头区
hb
hc
15
25
a b c
-50
-15
4 50
3 100
2 1 150 175
滤料 卵石
出水
图 9-6 过滤时滤层内压力变化
9.3.1 要求 1.具有足够的机械强度 2.具有足够的稳定性 3.能就地取材、价廉 4.外形接近于球状，表面比较粗糙而有棱角。
9.3.2 滤料性能参数
1.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。 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： d 80 k的堆积体积，cm3。
6．滤料的筛分方法
(1) 筛分试验记录 筛分试验记录见表9-4.
表9-4 筛分试验记录
筛孔 （mm） 2.362 1.651 0.991 0.589 留在筛上的砂量 质量 （g） 0.8 18.4 40.6 85.0 通过该号筛的砂量 质量 （g） 199.2 180.8 140.2 55.2
6G d0 3 n
式中， G —— n个颗粒的总重量, g；
（9-9）
—— 颗粒密度, g/cm3。
7.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：煤-砂交界面上适度的混层，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
7 8 9
3
图 9-1 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
2. 工作过程
由过滤与反冲洗两部分组成。
4．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
（9-6） （9-7）
滤料颗粒的形状系数为：
1
表9-3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9-11。
表9-3
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
进 水 最高水位
最低水位
出 水
图 9-7 恒速过滤
h Ho
△Hmax
（2）递降速过滤
设四个滤池组成一个滤池组，假设：①进入滤池组的 总流量不变；②每个池子的性能完全相同；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99所示。 移动冲洗罩滤池是典型的递降速过滤滤池，当移动冲洗罩 滤池的分格数很多时，这格滤池冲冼与下一格滤池冲洗的间 隔时间很近，滤池水位变化不大，有可能达到近似的“等水 位变速过滤”。
非均匀滤层按下式计算：
n (1 m0 ) 2 1 2 h0 h i 180 ( ) l0 v ( pi / d i2 ) 3 g m0 i 1 i 1 n
（9-2）
（2）过滤过程中的水头损失变化
过滤时滤池的总水头损失为：
H H1 H 2 H 3 H 4
（2）附着力与水流剪力
见图9-3。
Fs3 脱附力 F3
滤层含污量（g/cm2） 1
无煤烟
3 Fa3 2 Fa2 1
单层滤料
Fs2 F2
双层滤料
F1 Fa1 滤料
图 9-3 颗粒粘附和脱附力示意
图 9-4 滤料层含污量变化
石英砂
滤 层 深 度 (cm)
石英砂
Fs1
2
9.2.2 过滤水力学 1．快滤池滤层的发展与利用 滤层含污能力：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。 采用单水冲洗的石英砂滤料滤池是典型的水力 分级滤料滤池，其含污量随深度的变化见图9-4 多层滤料滤池接近理想滤料滤池，最常见为双 层和三层滤见图9-5。双层滤池其含污量随深度的 变化见图9-4曲线2。 均质滤料过滤目前在实际生产中已经实现，如 V型滤池。要实现均质滤料过滤，反冲洗时滤料层 不能膨胀。
无烟煤
无烟煤
石英沙
石英沙
（a）
（b）
石榴石
（c）
图 9-5 几种滤料组成示意
均质滤料
3．过滤过程中水头损失变化
（1）清洁滤料层的水头损失 卡曼-康采尼公式（Carman-Kozony）公式： 2
h0 180

g

(1 m 0 ) 1 ( ) 2 l 0 3 d0 m0
（9-1）
避免滤池中出现负水头的两个方法： 一是增加砂面上的水深； 二是令滤池出口位置等于或高于滤层表面。
4 过滤方式
（1）恒速过滤 最常见的恒速过滤如图9-7所示。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。
第九章
过 滤
9.1 过滤概述
9.1.1 慢滤池
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9—1。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。
表9—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
最高水位 进水渠 最低水位 进水阀 排水阀
滤速v（m/h）
排水渠
清 水 池
0 图 9-8 减速过滤（一组4座滤池）
过滤时间t（h）
图 9-9 一座滤池滤速变化（一组共4座滤池）
5. 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：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（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9-10中 （c）与（d）所示。
0.44 100
1.54 (％) 100 80
通过筛孔砂量 (％)
80
60 60 40 20 40 20 10
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 9-12 滤料筛分曲线
(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：
%
0.4 9.32 20.3 42.5
%
99.6 90.4 70.1 27.6
0.246
0.208 筛底盘 合计
43.4
9.2 2.6 200
21.7
4.6 1.3 100
11.8
2.6 –
5.9
1.3 –
(2) 筛分方法
见图9-12，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 %。
3.最大粒径、最小粒径 常用的数据见表9-2。
表9-2 滤料级配与滤速
滤料组成 类别 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 厚度 （mm） 700 滤速 （m/h） 强制滤速 （m/h）
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9-2 悬浮颗粒的迁移过程
2．吸附与剥离
（1）Ives-Mints争论 Ives： ①附着于滤料之上的悬浮颗粒在过滤过程中绝对不 剥离； ②在过滤后期悬浮颗粒穿透滤层进入滤池出水是吸 附效率降低的缘故。 Mints： ①吸附和剥离是过滤过程中同时存在的两个相反的 现象，且剥离量与含污量成正比； ②剥离是悬浮颗粒穿透滤层进入滤池出水的原因。 争论至目前的结果是Mints理论已取得了优势。
单层石英砂 滤料
~10
10~14
<2.0
300~400 10~14 14~18
双层滤料
<2.0
400
<1.7
450
<1.5
230
18~20
20~25
<1.7
70