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1、情境2 地表水处理,单元2 地表水处理工艺,任务1 地表水的混凝处理 任务2 地表水的沉淀处理 任务3 地表水的过滤处理 任务4 地表水的消毒处理,任务3 地表水的过滤处理,一、过滤原理 二、快滤池的构造和工作过程 三、滤 料 四、配水系统和承托层 五、滤池的冲洗 六、普通快滤池的设计 七、其它形式滤池,地表水的过滤处理,过滤是指以粒状材料（如石英砂等）组成具有一定孔隙率的滤料层来截留水中悬浮杂质，使水获得澄清的工艺过程。过滤工艺采用的构筑物称为滤池。滤池通常设在沉淀池或澄清池之后。,一、过滤原理,1.过滤的作用 （1）进一步降低了水的浊度，使滤后水浊度达到生活饮用水标准。在常规工艺中，原水经
2、混凝沉淀后，沉淀（澄清）池的出水浊度通常在10度以下，为进一步降低沉淀（澄清）池出水的浊度，必须进行过滤处理。 （2）为滤后消毒创造良好条件。水中附着于悬浮物上的有机物、细菌乃至病毒等在过滤的同时随着水的浊度降低被部分去除，而残存于滤后水中的细菌、病毒等也因失悬浮物的保护或依附，将在滤后消毒过程中容易被消毒剂杀灭。 在生活饮用水净化工艺中，过滤是极为重要的净化工序，有时沉淀池或澄清池可以省略，但过滤是不可缺少的，它是保证生活饮用水卫生安全的重要措施。,2. 过滤机理 石英砂滤料粒径通常为0.51.2mm，滤料层厚度一般为700mm左右。石英砂滤料新装入滤池后，经高速水流反洗，向上流动的水流使砂
3、粒处于悬浮状态，从而使滤料粒径自上而下大致按由细到粗的顺序排列，称为滤料的水力分级。这种水力分级作用，使滤层中孔隙尺寸也因此由上而下逐渐增大。设表层滤料粒径为0.5mm，并假定以球体计，则表层细滤料颗粒之间的孔隙尺寸约为80m。经过混凝沉淀后的悬浮物颗粒尺寸大部分小于30m，这些悬浮颗粒进入滤池后却仍然能被滤层截留下来，且在孔隙尺寸大于80m的滤层深处也会被截留。过滤主要是悬浮颗粒与滤料颗粒之间粘附作用的结果。,悬浮颗粒与滤料颗粒之间粘附包括颗粒迁移和颗粒附着两个过程。过滤时，水在滤层孔隙中曲折流动，被水流挟带的悬浮颗粒，依靠颗粒尺寸较大时产生的拦截作用、颗粒沉速较大时产生的沉淀作用、颗粒惯性
4、较大时产生的惯性作用、较小颗粒的布朗运动产生的扩散作用及非球体颗粒由于速度梯度产生的水动力作用，脱离水流流线而向滤料颗粒表面靠近接触，此种过程称为颗粒迁移。当水中悬浮颗粒迁移到滤料表面上时，则在范德华引力、静电力、某些化学键和某些特殊的化学吸附力、絮凝颗粒的架桥作用下，附着在滤料颗粒表面上，或者附着在滤料颗粒表面原先粘附的杂质颗粒上，此种过程称为颗粒附着。,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，见图9-2。 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。 悬浮颗粒的迁移过程,吸附与剥离 Ives-
5、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，且剥离量与含污量成正比； 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。,附着力与水流剪力,当水中的悬浮物颗粒未经脱稳时，其过滤效果很差。因此，过滤效果主要取决于滤料颗粒和水中悬浮颗粒的表面物理化学性质，而无需增大水中悬浮颗粒的尺寸。相反，若水中悬浮颗粒尺寸过大时，会形成机械筛滤而造成表层滤料很快堵塞。在过滤过程中，特别是过滤后期，当滤层中孔隙尺寸逐渐
6、减小时，表层滤料的筛滤作用也不能完全排除，快滤池运行中应尽量避免这种现象出现。,根据上述过滤机理，在水处理技术中出现了“直接过滤”工艺。直接过滤是指原水不经沉淀而直接进入滤池过滤。 在生产中，直接过滤工艺的应用方式有两种： 原水加药后不经任何絮凝设备直接进入滤池过滤的方式称“接触过滤”。 原水加药混合后先经过简易微絮凝池（絮凝时间通常在几分钟），待形成粒径大约在4060m左右的微絮粒后即刻进入滤池过滤的方式称“微絮凝过滤”。,采用直接过滤工艺时要求： 原水浊度较低（一般要求常年原水浊度低于50度）、色度不高、水质较为稳定。 滤料应选用双层、三层或均质滤料，且滤料粒径和厚度要适当增大，以提高滤层
7、含污能力。 需投加高分子助凝剂（如活化硅酸等）以提高微絮粒的强度和粘附力。 滤速应根据原水水质决定，一般在5m/h左右。,3.滤层内杂质分布规律,由于反冲洗时的水力筛分作用，在滤料层中按自上而下的顺序，滤料粒径逐渐由细到粗，滤层中孔隙尺寸也因此逐渐由小增大。 滤料截流的颗粒杂质主要集中在滤料层的上部，尤其是其表面。过滤到一定程度后，表层滤料间的孔隙将会逐渐被堵塞，甚至在滤料层表面形成一层“泥膜”。,在一定过滤水头下，滤速急剧减小，产水效率下降； 在一定滤速下水头损失达到极限值，无法满足过滤水头要求； 由于滤层表面受力不均匀而使“泥膜”产生裂缝，大量的水流自裂缝中流出，造成水中杂质颗粒穿透滤层使
8、出水水质恶化。,单位体积滤层中所截留的杂质量，称为滤层截污量。在一个过滤周期内，整个滤层单位体积滤料中的平均含污量，称为“滤层含污能力”，单位以g/cm3或kg/m3计。图2-44曲线与坐标轴包围面积除以滤层总厚度即为滤层含污能力。在滤层厚度一定的条件下，此面积愈大，滤层含污能力也愈大。在水质不变、滤速不变的情况下，提高滤层含污能力可相应延长过滤周期。,4.快滤池滤层的发展和利用 提高滤层含污能力的根本途径是尽量使杂质在滤层中均匀分布。为此，出现了“反粒度”过滤，即沿过滤水流方向滤料粒径逐渐由大到小。具有代表性的有双层滤料、三层滤料及均质滤料等 。,为提高整个滤层含污能力，即顺水流方向，滤料粒
9、径由大到小。最好采用“反粒度”过滤方法，实现“反粒度”过滤有两种途径：一是改变水流方向,二是改变滤料层的组成，比较有代表性的为双层滤料滤池、三层滤料滤池及均匀级配滤料滤池，它们的滤料组成如图所示。,滤料层构造示意图 (a)双层滤料； (b)三层滤料； (c)均质滤料,双层滤料的组成为：上层采用密度小、粒径较大的轻质滤料 (如无烟煤，密度约1.5g/cm3，粒径约为0.81.8mm)，下层采用密度大、粒径较小的重质滤料 (如石英砂，密度2.60g/ cm3，粒径为0.51.2mm) 。可提高产水量。 三层滤料与双层滤料相似，组成分为三层：上层为大粒径、重度小的轻质滤料(如无烟煤)，中层为中等粒径
10、、中等重度的滤料 (如石英砂)，下层为小粒径、重度大的重质滤料 ( 如石榴石、磁铁矿)，各层滤料平均粒径由上而下递减。 均匀级配滤料，并非指滤料粒径完全相同，而是说粒径相对比较均匀，其不均匀系数K80（K80的含义参见滤料内容）一般为1.31.4。在铺设滤料层时，整个滤层深度方向的任一横断面上，滤料组成和平均粒径均匀一致。反冲洗时，一般采用气-水反冲洗。避免产生水力筛分。,5.过滤的水头损失 （1）清洁滤层水头损失,在过滤过程中，待滤水流经滤层时，由于滤层的阻力所产生的压力降，称为水头损失。水头损失是滤池设计、运行必须考虑的一个指标。 过滤开始时，滤层是干净的，水流经过干净滤层的水头损失称“清
11、洁滤层水头损失”或称“起始水头损失”，用h0表示。可采用卡曼-康采尼公式计算：,（2）等速过滤与变速过滤 过滤开始以后，随着过滤时间的延续，滤层中截留的杂质越来越多，滤层的空隙率逐渐减少。 当滤料形状、粒径、级配、厚度以及水温一定时，随着滤料孔隙率的减小，若水头损失保持不变，将引起滤速的逐渐减小。反之，在滤速保持不变时，将引起水头损失的增加。这样就产生了快滤池的两种基本过滤方式：等速过滤和变速过滤。,过滤过程中，滤池过滤速度保持不变，亦即滤池流量保持不变的过滤方式，称“等速过滤”。在等速过滤状态下，滤层水头损失增加值与过滤时间 一般呈直线关系。随着过滤水头损失逐渐增加，滤池内水位随之升高，当水
12、位升高至最高允许水位时，过滤停止以待冲洗，故“等速过滤”又称为“变水头等速过滤”。,过滤过程中，滤池过滤速度随过滤时间的延续而逐渐减小的过滤方式称“变速过滤”或“减速过滤”。在变速过滤状态下，过滤水头损失始终保持不变，由于滤层的孔隙率逐渐减小，必然使滤速也逐渐减小，故“变速过滤”又称为“等水头变速过滤”。,（3）滤层中的负水头 过滤过程中，当滤层截留了大量杂质，以致砂面以下某一深度处的水头损失超过该处水深时，便出现负水头现象。滤层出现负水头后，由于压力减小，原来溶解在水中的气体会不断释放出来。释放出来的气体对过滤有两个破坏作用：一是增加滤层局部阻力，减少有效过滤面积，增加过滤时的水头损失，严重
13、时会影响滤后水质；二是气体会穿过滤层，上升到滤池表面，有可能把部分细滤料或轻质滤料带上来，从而破坏滤层结构。在反洗时，气体更容易将滤料带出滤池，造成滤料流失。,图2.3.5 过滤时滤层压力变化 1-静水压强线；2-清洁滤料过滤时水压线；3-过滤时间为t1时的水压线； 4-过滤时间为t2（t2t1）时的水压线,二、快滤池的构造和工作过程,1.快滤池的类型 人类早期使用的滤池称为慢滤池,其主要是依靠滤层表面因藻类、原生动物和细菌等微生物生长而生成的滤膜去除水中的杂质。慢滤池能较为有效地去除水中的色度、嗅和味，但由于滤速太慢（滤速仅为0.10.3m/h）、占地面积太大而被淘汰。快滤池就是针对这一缺点
14、而发展起来的，其中以石英砂作为滤料的普通快滤池使用历史最久。,为了增加滤层的含污能力以提高滤速和延长工作周期、减少滤池阀门以方便操作和实现自动化，人们从不同的工艺角度进行了改进和革新，出现了其它形式的快滤池，大致分类如下： （1）按滤料层的组成可分为：单层石英砂滤料、双层滤料、三层滤料、均质滤料、新型轻质滤料滤池等； （2）按阀门的设置可分为：普通快滤池、双阀滤池、单阀滤池、无阀滤池、虹吸滤池、移动冲洗罩滤池等； （3）按过滤的水流方向可分为：下向流、上向流、双向流滤池等； （4）按工作的方式可分为：重力式滤池，压力式滤池。 （5）按滤池的冲洗方式可分为：高速水流反冲洗滤池、气、水反冲洗滤池、
15、表面助冲加高速水流反冲洗滤池。,2.快滤池的工作过程 普通快滤池又称四阀滤池，其构造见图。小型水厂滤池的格数较少时，采用的单行排列的布置形式。而大中型水厂由于滤池的格数较多，则宜采用双行对称排列，两排滤池中间布置管渠和阀门，称为管廊。普通快滤池本身包括浑水渠（进水渠）、冲洗排水槽、滤料层、承托层和配水系统五个部分。管廊内主要是进水、清水、冲洗水、冲洗排水（或废水渠）等五种管渠及其相应的控制阀门。,普通快滤池构造 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-承托曾； 9配水支管； 10-配水干管； 11-冲洗水总渠； 12-清水
16、总管； 13-冲洗排水槽； 14-排水管； 15-废水渠,三、滤料,1.对滤料的基本要求 在水处理中，过滤是利用具有一定孔隙率的滤料层截留水中悬浮杂质的。地表水处理中所用的滤料，必须符合以下要求： （1）具有足够的机械强度，以免在冲洗过程中滤料出现磨损和破碎现象； （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物质； （3）具有合适的粒径、良好的级配和适当的孔隙率； （4）货源充足，价格低廉，应尽量就地取材。,2.滤料粒径级配 滤料粒径级配是指滤料中各种粒径颗粒所占的重量比例。 生产中，滤料的粒径级配通常以最大粒径d max 、最小粒径dmin和不均匀系数K 80来表示。这也是我国室外给水设计规范中所采用的滤料粒径级配法。,式中 d 10通过滤料重量10 %的筛孔孔径，mm； d 80通过滤料重量80 %的筛孔孔径，mm。,其中d 10又称为有效粒径，它反映滤料中细颗粒尺寸；d 80反映滤料中粗颗粒尺寸。由此可见，K 80的大小反映了滤料颗粒粗细不均匀程度，K 80越大，则粗细颗粒的尺寸相差越大，颗粒越不均匀，对过滤和反冲洗都会产生非常
