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1、 第六章过滤 filtration 1 主要内容 概述 过滤理论 过滤工艺及设备 2 过滤 借助于具有一定空隙率的固体介质阻挡截留水中杂质而使水得到澄清的工艺过程 一 过滤的分类 表层过滤 机械滤除 产水率低 孔隙的机械筛滤作用 格筛过滤 介质为栅条或筛网 除去粗大的悬浮物 杂草 纤维等 格栅 筛网等 微孔过滤 滤布 滤片 烧结滤管等 用以除去粒径细微的颗粒 膜过滤 采用特别的半透膜作过滤介质在一定的推动力下进行过滤 滤膜孔隙极小 可以去除水中细菌 病毒 有机物和溶解性物质 反渗透 超过滤 电渗析等 深层过滤 过滤介质为颗粒状滤料 如石英砂 无烟煤等 简称过滤 利用滤料的粘附作用 第一节概述
2、3 格筛过滤 以栅条 滤网为过滤介质 e g 格栅 筛网 微滤机 城市污水厂沉砂池入口处的细格栅 水处理用筛网 4 4 过滤介质 滤布 滤片 烧结滤管 蜂房滤芯等 滤芯 滤布 微孔过滤 5 5 膜过滤 采用特别的半透膜作为过滤介质在一定压力或电场力等作用下进行过滤 反渗透超滤电渗析超过滤膜 6 6 采用颗粒状滤料 e g 石英砂 无烟煤等 石英砂 无烟煤 深层过滤 简称过滤 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 7 7 1 过滤过程 过滤过程 8 1 过滤过程 过滤过程 9 过滤过程 1 过滤过程 10 1 过滤过程 过 滤过程 11 1 过滤过程 过 滤过程 1
3、2 1 过滤过程 过滤过程 13 1 过滤过程 过滤过程 14 1 过滤过程 过滤过程 15 1 过滤过程 过滤过程 16 1 过滤过程 过滤过程 17 2 反冲洗过程 18 19 20 21 22 23 24 二 截留的对象 细小颗粒 细小矾花 藻类 细菌及病毒 三 位置 在给水处理中 常用过滤处理沉淀或澄清池出水 使滤后出水浊度满足用水要求 沉淀池或澄清池之后 出水仍有一定浊度 直接过滤 原水浊度低 水质好 在废水处理中 过滤常作为吸附 离子交换 膜分离法等的预处理手段 也作为生化处理后的深度处理 使滤后出水达到回用要求 25 四 作用 给水 1 进一步降低水的浊度 2 同时水中有机物 细
4、菌及病毒将随水的浊度降低而部分被去除 3 为滤后消毒创造了良好条件 残留于滤后水中的细菌 病毒等失去浑浊物的保护和依附时 在滤后消毒过程中也将容易被杀灭 26 五 滤池的种类 一 按滤速 1 慢滤池2 快滤池 0 01 0 4m h8 10m h 3 高速滤池 10 16m h 27 五 滤池的种类 28 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 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 最早在上海杨树浦水厂 共有39座 每池过滤面积1500m2 制水量12万m3 d 1883年 慢滤池 依靠滤料表面滤膜去
5、除杂质 滤速0 1 0 3m h 生产率低 占地大 刮砂 洗砂工作量大 但出水水质好 慢滤池 滤池发展史 29 快滤池 滤速8m h以上 图17 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 浑水渠 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 10 13 789 54 12143 11 2 6 1 快滤池 1 构造 30 31 排水槽 排水渠 清水管 排水管 冲洗水管 进水管 32 33 34 2 工作过程 由过滤与反冲洗两部分组成 滤料的分布与
6、水力筛分作用 滤层由一种滤料组成时 其滤料的粒径是不均匀的 比如石英砂组成的滤层 其标准dmax 1 2mm dmin 0 5mm 滤层厚度700mm 其在滤床中的分布 并不是均匀分布 而是上小下大 原因 水力筛分造成的 什么是水力筛分 反冲洗时上升水流的作用 滤料颗粒大小不一 它们顺着水流方向 由大到小排列 降落后组成的滤床自上而下 滤料粒径由小到大 滤料孔隙率依次增大 此称水力筛分现象 35 36 反洗 反洗又称反冲洗或冲洗 就是以较大的水流速度 从滤层底部进水 使滤料颗粒实现流态化 污泥随反洗水从顶部排出 滤料在悬浮状态下得以清洗 冲洗至滤料基本干净为止 反冲洗是过滤器的重要运行操作 反
7、冲洗流速控制不当 可能产Th滤料流出 承托层错动和冲洗效果差 未冲洗干净 等问题 37 3 滤速 v 滤速相当于滤池负荷 即单位时间 单位过滤面积上的过滤水量 单位为m3 m2 h 或m h v Q A 滤速越高 滤池的产水量越大 滤池占地面积越小 水在滤料中的实际流速 v4 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 3 4两个参数均会影响滤池的产水量 38 一 截留机理 主要为悬浮颗粒与滤料颗粒间的粘附作用 1 悬浮颗粒被截留的机理以简化的球形滤料单层砂滤池为例 假设砂滤料直径为0 5mm 以最紧密方式排列 滤
8、料间孔隙直径约为80微米 而进入滤料的悬浮物尺寸大部分为2 10微米 这些杂质可被截留90 以上 而且在滤层深处 孔隙大于80微米 也会被截留 第二节过滤理论 39 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 见图17 2 沉淀 孔隙 沉淀池 惯性 惯性引起 使本身被 抛 到滤料表面 截阻 颗粒沿流线运动 最后与滤料表面接触 扩散 布朗运动扩散至表面 水流动力 非球形颗粒在速度梯度产Th转动 1 沉淀 2 扩散 3 惯性 5 水动力 流线 滤料 悬浮颗粒 4 阻截 40 粘附作用是一种物理化学作用 当水中颗粒迁移到滤料表面时则在范德华引力和静电力相互作用下 以及某些化学
9、键和某些特殊的化学吸附力下 粘附于滤料颗粒表面上 或者粘附在滤料表面上原先粘附的颗粒上 此外 絮凝颗粒的架桥作用也会存在 粘附过程与澄清池中的泥渣所起的作用基本类似 不同的是滤料为固定介质 排列的紧密 效果好 因此 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 41 2 吸附与剥离 1 Ives Mints争论Ives 附着于滤料之上的悬浮颗粒在过滤过程中绝对不剥离 在过滤后期悬浮颗粒穿透滤层进入滤池出水
10、是吸附效率降低的缘故 Mints 吸附和剥离是过滤过程中同时存在的两个相反的现象 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 42 2 附着力与水流剪力 见图17 3 悬浮颗粒与滤料颗粒之间受力 粘附力 利于杂质颗粒被过滤水流 剪切力 不利于杂质颗粒被过滤Fa1表示颗粒1与滤料表面的粘附力 Fa2表示颗料2与颗粒1之间的粘附力 FS1表示颗粒1所受到的平均水流剪力 FS2表示颗粒2所受到的平均水流剪力 F1 F2和F3均表示合力 43 二 反冲洗清洗滤层机理 常采用水反冲洗 即采用自下而上的水流冲洗 或辅以压缩空气进行表面冲洗 在反冲洗时 滤层膨胀一
11、定高度 滤料处于流化态 粘附在滤料上的悬浮物受到高速反冲洗水流的冲刷而脱落 滤料颗粒在水流中旋转 碰撞摩擦 也是悬浮物脱落的主要原因之一 反冲洗效果主要取决于冲洗强度 时间和滤池膨胀度 44 三 过滤过程分析 滤层截留杂质规律 过滤初期 杂质截留在上面一层滤料中 而下层处于等待状态 过滤中期 上层滤层中杂质逐渐增多 孔隙率逐渐减小 水流剪力逐渐增大 以至最后粘附上的颗粒将首先脱落下来 或者被水流挟带的后续颗粒不再有粘附现象 迫使一部分杂质输送到下一层滤料中滤除 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 过滤末期 截留带进一步向下推进 下层滤料的截留作用依次得到发挥 当截留带前沿接
12、近最底部滤层后 再继续过滤 则出水浊度增加 含悬浮杂质的水 滤床 浊度降低 45 实际工作时 往往是下层滤料截留悬浮颗粒的能力远未得到充分发挥时 过滤就得停止 原因 滤料经反冲洗后 滤层因膨胀而分层 表层滤料粒径最小 粘附比表面积最大 单位体积滤料能提供的粘附表面积最多 而孔隙尺寸又最小 同时进水悬浮物浓度最高 因此截留悬浮颗粒量最多 因而 过滤到一定时间后 表层滤料间孔隙将逐渐被堵塞 甚至产生筛滤作用而形成泥膜 使过滤阻力剧增 导致结果 1 水头损失剧增 滤速减小 滤池产水量减少 2 或者因滤层表面受力不均匀而使泥膜产生裂缝时 大量水流将自裂缝中流出 以致悬浮杂质穿过滤层而使出水水质恶化 当
13、上述两种情况之一出现时 过滤将被迫停止 过滤周期 无上述因素出现但过滤时间过长 也应停止 46 47 故水反冲洗引起的滤料的水利筛分现象 导致的滤料粒径分布 不利于整个滤料层截污能力的充分发挥 采用单层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中曲线1 滤层含污能力 在一个过滤周期内 按整个滤层计算 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 48 过滤结束后 滤层含污量沿滤层深度变化 49 解决方案 均匀滤料 但生产上不易实现 均质滤料指沿整个滤层深度方向上的任一截面上 滤料的组成及平均粒径均匀一致 均质滤料过滤目前在实际生产中已经
14、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 区别均匀滤料 50 理想滤料 颗粒粒径和密度成反比 大颗粒 低密度 小颗粒 高密度 反冲洗后 上大下小 形成近似理想滤层的方法 反向过滤 有缺点 双层 多层滤料 反向过滤 截污量较大 但冲洗时膨胀层受格网限制 且冲洗水流与过滤方向一致 影响冲洗效果 多层滤料滤池接近理想滤料滤池 最常见为双层和三层滤料见下图 双层滤池其含污量随深度的变化见图曲线2 上层用密度小 粒径大的轻质滤料 如无烟煤 下层用密度大 粒径小的重质滤料 如石英砂 仍然不是理想滤层 特点 双层或多层的滤层含污能力较单层滤层大得多 51 过滤结束后 滤层含污量沿滤层深度
15、变化 52 沿过滤水流方向 滤料粒径和孔隙率 大部分悬浮物被截留在滤层上部 下层滤层未被充分利用 上层 密度小 粒径大 起粗滤作用 去除大尺寸杂质 e g 无烟煤 陶粒 塑料珠等 下层 密度大 粒径小 起精滤作用 去除细小的剩余杂质 e g 磁铁矿石 石榴石等 每层滤层的截污能力得到充分利用 53 均质 实际 理想 二层 三层 54 直接过滤 一 定义原水不经沉淀而直接进入滤池过滤称 直接过滤 二 直接过滤方式 接触絮凝 1 原水加药后直接进入滤池过滤 滤前不设任何絮 凝设备 接触过滤 2 滤池前设微絮凝池 原水加药混合后在微絮凝池 形成粒径相近的微絮粒后 粒径大致在40 60 m 即刻进入滤
16、池过滤 微絮凝过滤 通过脱稳颗粒或微絮粒与滤料的充分碰撞接触和粘附 被滤层截留 滤料也是接触絮凝介质 55 双层或三层滤料滤池 过滤出水 硫酸铝 聚合物 a 双层或三层滤料滤池 双层或三层滤料滤池 阳离子型聚合物原水混合 原水 硫酸铝 混合 絮凝池 聚合物 C 絮凝池 原水混合阳离子型聚合物原水混合 双层或三层滤料滤池 b 过滤出水 过滤出水 过滤出水 d 直接过滤流程 56 三 直接过滤的两个功能特点 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 四 直接过滤要求 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 57 五 特点及适用 利用滤料介质作为附加颗粒以提高颗粒碰撞效率 强化了接触絮凝效果 简化了反应沉淀过程 同时明显提高了滤池截污能力 可节省混凝剂用量 节约投资和运行费用 近年来 采用该工艺处理低浊水或低温低浊水发展迅速 58 四 过滤水力学 研究过滤中水头损失及过滤速度变化 清洁滤层及堵塞滤层的水头损失公式 两种过滤方式 等速过滤变速过滤 减速过滤
