过滤的理论和应用

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1、过滤工艺的理论与应用一 过滤工艺理论的发展历程对过滤理论研究的目的就是为阐述过滤工艺中的微观过程并最终给予定量 的预测。到目前为止，人们对于过滤机理及其工艺进行了大量的深入研究，先后 提出了许多理论方程及计算模型、模式，纵观其发展历程，主要经历了三个阶段。六十年代以前，过滤过程一直采用 Tominisa Iwasaki、Mintz、Ives 等人逐步 发展的宏观经验理论，即依据过滤过程中存在的颗粒泄漏（TC）与水头损失（Th） 两个不同的过滤周期而寻求tc=th的最佳条件而建立的理论模式，宏观经验理 论主要研究过滤工艺的宏观现象，其优点在于对过滤的全过程进行了模型化，基 本符合实际情况，因此，

2、对滤池的设计和操作具有重要的指导作用。六十年代后，随着科技的发展，传统过滤宏观经验理论不能很好的解释过滤 过程中的许多问题。以研究过滤的微观物化作用机理并强调过滤的微观物化过程 的理论得到迅速发展。这一理论将源于气体过滤中的轨迹理论引入水质过滤中。 其突出特点是将滤池中单个滤料作为研究对象，研究流场中的运动轨迹，颗粒向 其传送及粘附的微观物理化学过程，先后提出了过滤过程中的轨迹理论模型及计 算模式，着重研究了颗粒沉积的内部机理，沉积过程发生的物理化学变化及介质 结构和特性对沉积过程的影响。八十年代后，随着水质恶化和水资源污染问题的日趋加剧，同时随着界面电 位计算体系和表面络合模式的发展，已有许

3、多研究者开始在过滤研究中引入表面 络合概念和定量计算方法，试图建立定量计算模式。近年来有关过滤动力学方面 也逐渐重视，并将分形理论应用于絮体的结构、密度、粒径等方面的研究，同时 也考虑水体溶夜的物理化学条件对过滤的影响。二 过滤理论的主要内容2.1 悬浮颗粒去除理论现代过滤理论研究认为，在快滤池中，悬浮颗粒的去除，主要是由颗粒与滤 料之间以及颗粒与颗粒之间的吸附（粘附）作用而被去除的。这就涉及到两个方 面的问题：一是被水挟带的悬浮颗粒如何脱离水流流线向滤料表面靠近的颗粒迁 移机理。二是当悬浮颗粒与滤料表面接触时，依靠哪些力的作用使得他们粘附在 滤料表面上的颗粒粘附机理。悬浮颗粒的迁移机理：在过

4、滤过程中，滤层空隙中的水流一般处于层流状态， 被水挟带的悬浮颗粒将沿着水流流线运动。他之所以脱离流线而与滤料表面接 近，完全是一种物理力学作用，一般认为是由拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力 学等作用引起的。悬浮颗粒脱离流线可能是几种机理同时作用，也可能只有其中 的某些机理起作用。贾亚军等人通过对这五种作用的理论分析和合理假设，得出 过滤动力学的模型及方程。悬浮颗粒的吸附机理：当水中的悬浮颗粒运动到滤料表面附近时，将受到范 德华引力和静电场斥力，以及某些特殊的化学吸附力的作用。在这些力的共同作 用下，悬浮颗粒将被粘附在滤料表面上或者粘附在以前粘附在滤料表面上的颗粒 上，从而将悬浮颗粒去除。粘附在滤

5、料表面上的絮体颗粒，不但具有化学吸附力， 同时也具有吸附架桥作用。因此，粘附作用是一种物理化学作用，它主要取决于 滤料和水中悬浮颗粒的表面物理化学性质。过滤效果主要取决于颗粒表面的性质 而不是颗粒尺寸的大小。2.2 浊质剥离理论Mintz 首先提出了浊质“剥离机理”，在颗粒吸附的同时，已经吸附于滤料 上的颗粒还有剥离的趋势。悬浮颗粒移动到滤料颗粒上后，会以不同几何构造聚集。这些几何构造不仅 与滤料颗粒有关，还与先前沉积物有关。一般的构造是位于滤料颗粒顶部的球冠 形和处于孔隙中的管状结构。如果过滤速度保持不变，随着悬浮颗粒的不断沉积， 孔隙中实际水流速度会逐渐增大。结果导致沉积颗粒受到逐渐增大的

6、水流剪切力 的作用，当剪切力大到与粘附力相同数量级时，颗粒就有可能剥落下来并在滤层 较下层被截留。剥离机理的另外一种解释还可以是沉积颗粒的崩落效应。因此， 在达到饱和状态但沉积颗粒呈现亚稳态构造的滤料层中，吸附和剥离可以同时发 生。2.3 过滤模型的研究发展1、唯象模型从 30 年代末起才出现有关过滤过程的理论研究论文。这些论文可分为两类：是研究过滤周期或者絮体在滤层中的穿透深度等过滤指标与滤料的粒度、滤速 等参数的关系，另一类是企图建立整个过滤过程的数学模型。1937 年日本的Tominisa Iwasaki 根据长期对滤池过滤过程的研究发表了如下的数学模型。19372-i)2-2)年Bay

7、lis得出过滤周期和d02.i5V-i.5成正比，d10和V分别为滤层的有效粒径和 滤速，这是头一类研究的第一个公式。dxdC氐v +-dxdt九二九 + b G(2-3)0式中：C从滤层表层算起的深度为x处的单位时间内单位面积的微粒数(微粒数/cm2 d)；久过滤系数，滤料粒径、滤速和微粒的函数;a比沉积量(微粒数/cm3)；久o清洁滤层过滤系数；t过滤时间(d)；b常数，为滤料粒径、滤速和微粒的函数。Iwasaki 的数学公式是后来约 4o 年内的许多文献经常引用的，他的试验条件是：(1)滤料粒径为0.230.83mm； (2)滤速310m/h； (3)原水是在自然状 态下未经混凝处理而进

8、行过滤的；(4)悬浮微粒包括陶土、大肠杆菌及栅藻和脆 杆藻。Horner 等对式(2-1)进行了修正，得出了更精确的表达式2-4)dC & dC+二一九 Cdx v dt式中：床层孔隙率。为了计算出水水质随床层深度及过滤历时的变化，必须将久的表达式代入式(2-1)或(2-4)中。对久的表达式各研究者持不同意见，其中以Ives的球管模 型最具代表性，久的表达式为34：2-5)九=九1+匹卜1-S z 1一2x088C0 0 u式中： 床层初始孔隙率;00滤料的填充系数;b饱和比沉积量；ux、y、z指数，通过试验求得。其余符号意义同前。Soo和Radke发展了经验模型，在他们的模型中含有3个具有明

9、确意义的经验参数，这些参数分别是清洁床层的平均过滤系数九，平均流动再分配系数和0平均流动阻力系数0。这3个参数可通过经验关系式及Soo等介绍的3个附加参数进行估算。这3个附加参数中最重要的是单层表面覆盖分数0，它可以通过Payatakes的单位床单元（unit bed element）结果进行估算。Soo和Radke模型的数学表达式为：厂（1 罗 Vc（2-6）ato 0匚二 1 （厶7） k 00式中：k时刻t时的渗透率；xk0初始渗透率。方程（2-6）、（2-7）在适当的初始条件和边界条件下可以求解得到积泥量、 出水浓度及介质的渗透率。此外，还有其它许多学者应用滤料澄清原理，通过实验对过滤

10、过程建立起数 学模型，以期预测滤池的工作进程或合理设计滤层。2、迹线分析模型过滤时水流经滤床，水中颗粒在流体动力及力矩、重力、伦敦范德华力 和双电层力作用下向滤料表面运动，到达滤料表面后主要因伦敦范德华力作 用颗粒被捕获。原则上，颗粒在滤床中的沉积速率可通过跟踪颗粒在孔隙空间的 轨迹和应用沉积判据（一旦颗粒与滤料表面接触即被去除）来确定。这就是迹线 分析模型的基本思想。迹线理论将滤料层看作一系列收集器的集合体，通过颗粒迹线决定颗粒沉 积。这种思想最早是由Sell、Albrecht在研究气体过滤时提出来的，OMelia和 Stumm首次将这个概念引用到液体深层过滤中，Yao首先将这一方法应用在深

11、层 过滤数学模型研究中，提出了计算方法。1979年，Tien对迹线理论作出了较为 完善的总结。迹线理论综合考虑了以下几方面：（1）收集器的形状与大小；（2）收集器周围的流场；（3）作用于悬浮颗粒的各种作用力的特点及大小；（4）悬浮颗粒的粘附性能。迹线理论侧重于理论分析，它试图抛开试验数据并建立单个微观收集器效率 0的计算公式。3、构建过滤模型的新方法过滤过程是动态的，受多重因素影响的复杂过程，涉及颗粒捕获和颗粒脱附， 且与悬浮液的理化性质有关。尽管过滤过程的物理模型构建有很多方法，但参数 的计算及适应性仍有待提高，一些新的建模方法也被移植到过滤的模型构建中。 表现在：Stephan等将遗传算法

12、应用到过滤中，实现以最少的实验来获得更多的参数; Stephan认为，对不同条件下的过滤模型只需将算法程序中的一些参数进行修改 即可，这使得过滤过程的计算机模拟成为可能。Osmak则采用综合衰变神经网络系统（GRNN）建立了过滤中悬浮颗粒分布、 沉降颗粒分布与速率分布间的关系o Osmak在假设含悬浮颗粒的水相以接近推流 式的方式通过床层及沉降动力学是悬浮颗粒分布和沉降颗粒分布函数的前提下， 构建出新的过滤数学模型。Ortiz等则将计算流体力学（CFD）应用到过滤中，用来描述过滤过程中阻 塞的时间空间变化提出了对数过滤定律及有效比表面积的几何模型。实验表明， CFD可有效地用于过滤阻塞的定量描

13、述。Ortiz等还采用拉格朗日一一欧拉CFD 方法评价两相流滴滤床过滤过程中的压力降，运用弹道轨迹理论，建立了不同过 滤阶段捕集效率和过滤系数方程。2.4 直接过滤机理传统水处理过程中，混凝与过滤是分属两个独立的操作单元。水中胶体杂质 经混凝单元处理而形成大的絮体颗粒后，经沉淀后大部分被去除。而余下微细絮 体颗粒则通过过滤单元处理除去。直接过滤则是混凝与过滤过程有机结合而形成 的新的单元处理过程。按照AWWA混凝一过滤水质分委会的定义，直接过滤为滤前不进行沉淀的 处理系统。原水在滤前预处理中，仍然依靠压缩双电层、电性中和作用以及吸附 架桥、表面络合作用，使原水中悬浮物质脱稳或凝聚成具有良好过滤

14、性能的微絮 体，然后，这些脱稳粒子或微絮体按过滤模式被滤床所截除。随着过滤的推移， 附着和剥离会交替进行直到整个滤床穿透。直接过滤充分体现了滤层中特别是深 层滤料中的接触凝聚或絮凝作用，也就是当带胶体的水流通过宏观滤料的表面 时，脱稳的胶体通过与宏观滤料的表面接触从水中分离出来，相当于微观颗粒与 宏观滤料间的絮凝，脱稳胶体所接触的可以是滤料的表面本身，也可以是原先吸 附在滤料表面的其他微粒表面，其机理可视为混凝与过滤两种机理的结合。该工艺既利用了滤料介质作为附加颗粒以提高颗粒碰撞效率，又明显提高了 滤池截污能力和处理效果，可显著节省投资和运行费用，尤其是对低浊低色水的 显著净化处理效能和经济效

15、益。三 滤池类型及应用在给水处理技术上，当前还是以常规水处理即混凝沉淀过滤处理为 主，滤池是给水处理最后的一个程序（不包括消毒），尤其是处理饮用水更是最 重要的一个关键环节，因此滤池处理始终是放在一个核心位置上。自应用快滤池 以来，到现在已经 100 多年，用慢滤池的时间更长，在宏观上还是在用着滤料过 滤没有变化。但在微观上则改进很多，不论是在类型上或是在运行方式上都有着 很大的变化。为便于叙述起见，本文仅限于谈论滤池本身类型这个话题。（一）滤池类型 在类型上滤池大体分为两大类，即自上向下流动的重力式过滤池和自下向上 流动的上向式过滤池，及另外一些其他类型的过滤池。1、重力式滤池：（1）单层滤池 包括砂滤池、深床滤池、均质滤池、煤滤池、硅藻土滤池、 低水头滤多、移动罩滤池、无阀滤池、虹吸滤池、连续过滤滤池等。(2) 多层滤池 包括双层滤池、三层滤池、混合滤池、臭氧活性炭生物滤 池、陶粒滤池、煤铝滤池等。单层滤池或多层滤池都可应用的有两级过滤滤池、直接过滤滤池、压力滤池 等。2、上向流滤池 有反粒度滤池(接触滤池)、双向滤池、哈伯瑞尔滤池等。3、其它类型滤池 有水平式过滤式的幅射式滤池、磁力分离过滤器等。4、膜过滤滤池 最近膜过滤滤池是当前过滤最新的型式，有微滤(MF)、