河北省藥物化工工程技術(shù)研究中心

1、第6章 過 濾Filtration,第一節(jié) 概 述,一、常見過濾方式 （1）表面或淺層過濾 ① 格柵過濾 過濾介質(zhì)為柵條和濾網(wǎng) ② 微孔過濾 成型濾材，如濾布、濾片、燒結(jié)濾管、蜂房濾芯等。 ③ 膜 過 濾 過濾介質(zhì)為半透膜、超濾膜、微濾膜等。 （2）深層過濾 過濾介質(zhì)為顆粒狀濾料，如石英砂、無煙煤等。 為區(qū)別前3種為表面或淺層過濾過程，第4種為深層過濾，簡稱過濾。

2、 過濾的定義：借助于具有一定空隙率的固體介質(zhì)（如石英砂）阻擋截留水中雜質(zhì)而使水得到澄清的工藝過程。,二、過濾截留的對象： 細(xì)小顆粒（SS） 細(xì)小礬花 藻類 細(xì)菌及病毒三、過濾位置： （1）沉淀池或澄清池之后 （2）直接過濾。,,第一節(jié) 概 述,四、過濾作用 1、給水處理 常用過濾處理沉淀或澄清池出水，使濾后出水濁度滿足用水要求。 ① 進一步降低水的濁

3、度；同時水中有機物、細(xì)菌及病毒將隨水的濁度降低而部分被去除。 ② 為濾后消毒創(chuàng)造了良好條件。殘留于濾后水中的細(xì)菌、病毒等失去渾濁物的保護和依附時，在濾后消毒過程中也將容易被殺滅。） 在飲用水凈化工藝中，過濾是不可缺少的，它是保證飲用水衛(wèi)生安全的重要措施。 2、廢水處理 ① 過濾常作為吸附、離子交換、膜分離法等的預(yù)處理手段； ② 作為生化處理后的深度處理，使濾后出水達到回用要求。,第一節(jié) 概 述

4、,五、濾池的種類 (一) 按濾速分 1、慢濾池 0.01～0.4m/h 2、快濾池 4～8m/h 3、高速濾池 10～16m/h (二) 按作用水頭分 1、重力濾池 4～5m 2、壓力濾池 15～25m (三) 按水流方向分 1、下向流濾池 2、上向流濾池 3、雙向流

5、濾池 (四) 按濾料組成分 1、單層濾池 濾速 8-10m/h 2、雙層濾池 濾速10-14m/h 3、多層濾池 濾速18-20m/h,第一節(jié) 概 述,一、過濾機理 (一) 機械篩濾 把濾料間的空隙看作“篩子”，尺寸大于孔隙尺寸的懸浮顆粒被截留下來。 (二) 沉淀作用 懸浮顆?？恐亓ψ饔贸恋碓跒V料的表面。濾料層類似于層層疊起的多層沉淀池

6、，巨大的沉淀面積，將微小的雜質(zhì)沉淀截留下來。 (三) 接觸吸附 懸浮顆粒在布朗運動等作用下遷移擴散到濾料表面，在范德華力等作用下被濾料吸附。,第二節(jié) 過濾理論,第二節(jié) 過濾理論,二、過濾的接觸吸附機理 水中的懸浮顆粒能否粘附于濾料顆粒表面，涉及兩個問題： 1、被水流挾帶的顆粒如何脫離流線與濾料顆粒表面接近或接觸？ ——顆粒的遷移機理 2、當(dāng)顆粒與濾料表面接觸或接近時

7、，依靠哪些力的作用使它們粘附于濾料顆粒表面上？ ——顆粒的粘附機理,1、顆粒的遷移機理 在過濾過程中，濾料孔隙中的水流一般屬層流狀態(tài)。被水流挾帶的顆粒隨水流的流線運動。 顆粒之所以會脫離流線與濾料顆粒表面接近，完全是一種物理-力學(xué)作用，主要有攔截、沉淀、慣性、擴散和水動力作用。,第二節(jié) 過濾理論,（1）攔截作用：顆粒尺寸較大時，處于流線中的顆粒會直接碰到濾料表面產(chǎn)生攔截作用； （2）沉淀作用：顆粒沉

8、速較大時會在重力作用下脫離流線，產(chǎn)生沉淀作用； （3）慣性作用：顆粒具有較大慣性時，也可脫離流線與濾料表面接觸； （4）擴散作用：顆粒較小，布朗運動較劇烈時會擴散至濾料表面；,（5）水動力作用：在濾料表面附近存在速度梯度，非球形顆粒由于在速度梯度作用下，會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動而脫離流線與顆粒表面接觸。,2、顆粒的粘附機理 粘附作用是一種物理化學(xué)作用。當(dāng)水中雜質(zhì)顆粒遷移到濾料表面上時，則在范德華力和靜電力相互作用下，以及某些特殊的化學(xué)

9、吸附力下，被粘附于濾料顆粒表面上，或粘附在濾料表面上原先粘附的顆粒上。此外絮凝顆粒的架橋作用也會存在。,第二節(jié) 過濾理論,Fa1表示顆粒1與濾料表面的粘附力Fa2表示顆料2與顆粒1之間的粘附力FS1表示顆粒1所受到的平均水流剪力FS2表示顆粒2所受到的平均水流剪力F1、F2和F3均表示合力,在顆粒粘附的同時，還存在由于孔隙中水流剪力作用而導(dǎo)致顆粒從濾料表面上脫落趨勢。 粘附力和水流剪力相對大小，決定了顆粒粘附和脫落的程

10、度。,第三節(jié) 快濾池,一、濾池的構(gòu)造 1、進水系統(tǒng) 2、承托墊層 3、濾料層 4、出水系統(tǒng) 5、反洗系統(tǒng) 6、排污系統(tǒng),,第三節(jié) 快濾池,第三節(jié) 快濾池,二、 濾料層 1、濾料層的作用 濾料層是濾池的核心部分。 提供濾料接觸吸附的表面積及顆粒物儲存的空間和容積。 2、濾料 3、污染物在濾層中的分布規(guī)律

11、4、濾層的含污能力 5、不同濾池中濾料層的結(jié)構(gòu),第三節(jié) 快濾池,二、 濾料層 2、濾料 (1) 濾料的要求 ① 有足夠的機械強度。 (在沖洗過程中不因碰撞、摩擦而破碎) ② 有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性。 (不溶于水，對廢水中的化學(xué)成分足夠穩(wěn)定，不產(chǎn)生有害物質(zhì)) ③ 具有一定的大小和級配。 （粒度適中，外形近乎球形，表面粗糙，帶有棱角，能提供較大的比表

12、面和孔隙率，滿足截留顆粒物的要求） ④ 價廉，易得。,第三節(jié) 快濾池,(2)濾料的種類 石英砂 無煙煤粒 石榴石粒 磁鐵礦粒 白云石粒 花崗巖粒 聚苯乙烯發(fā)泡塑料球 纖維濾料 硅藻土,第三節(jié) 快濾池,(3) 濾料的粒徑和級配 濾料的粒徑和級配應(yīng)適應(yīng)顆粒物的大小和去除效率的要求。 ① 粒徑：

13、 表示顆粒的大小。 通常指能把濾料顆粒包圍在內(nèi)的一個假想的球體的直徑。 ② 級配： 是濾料各種粒徑顆粒所占的重量比例。,第三節(jié) 快濾池,① 濾料粒徑的表示方法： A、d10、d80和K80； d10 ：通過10%濾料質(zhì)量的篩孔直徑。表示小顆粒的代表粒徑。 d80 ：通過80%濾料質(zhì)量的篩孔直徑。表示粗顆粒的代表粒徑。 K80 ：濾料不均勻系數(shù)

14、， K80=d80/d10 。反映顆粒大小的差別程度。 K80越大說明粗細(xì)顆粒尺寸相差越大，濾料直徑越不均勻，對過濾和反沖洗都不利。（體現(xiàn)：降低濾料層的孔隙率； 降低其含污能力；增加過濾時的阻力。） B、dmax、dmin和K80 C、平均粒徑d50 D、當(dāng)量直徑de,第三節(jié) 快濾池,式中： pi—兩篩目間濾料重量百分率； di—兩篩目粒徑的幾何平均值。,② 級配的表示

15、方法：是濾料各種粒徑顆粒所占的重量比例。 可通過篩分試驗求得。篩分試驗—— 級配曲線。 級配曲線的應(yīng)用:可以確定濾料的有效粒徑和不均勻系數(shù)。 國內(nèi)：快濾池一般采用d10=0.5～0.6mm，K80=2.0～2.2的濾料； 國外：傾向于選用稍大的d10和較小的d80。,第三節(jié) 快濾池,3、污染物在濾層中的分布規(guī)律 過濾初期，濾料較干凈，孔隙率較大，孔隙流速較小，水流剪力Fa1較小，

16、因而粘附作用占優(yōu)勢。 隨著過濾時間的延長，濾層中雜質(zhì)逐漸增多，孔隙率逐漸減小，水流剪力逐漸增大，以至最后粘附上的顆粒（如圖中顆粒3）將首先脫落下來，或者被水流挾帶的后續(xù)顆粒不再有粘附現(xiàn)象，于是懸浮顆粒便向下層推移，下層濾料截留作用漸次得到發(fā)揮。,第三節(jié) 快濾池,實際工作時，往往是下層濾料截留懸浮顆粒作用遠(yuǎn)未得到充分發(fā)揮時，過濾就得停止。 原因：濾料經(jīng)反沖洗后，濾層因膨脹而分層，表

17、層濾料粒徑最小，粘附比表面積最大，截留懸浮顆粒量最多，而孔隙尺寸又最小，因而，過濾到一定時間后，表層濾料間孔隙將逐漸被堵塞，甚至產(chǎn)生篩濾作用而形成泥膜，使過濾阻力劇增。 導(dǎo)致結(jié)果: (1)在一定過濾水頭下濾速減小（或在一定濾速下水頭損失達到極限值）; (2)或者因濾層表面受力不均勻而使泥膜產(chǎn)生裂縫時，大量水流將自裂縫中流出，以致懸浮雜質(zhì)穿過濾層而使出水水質(zhì)惡化。 當(dāng)上述兩種情況之一出現(xiàn)時，過濾將被迫停止。

18、,第三節(jié) 快濾池,4、濾池的含污能力 根據(jù)污染物在濾層中的分布規(guī)律可知，當(dāng)過濾周期結(jié)束后，濾層中所截留的懸浮顆粒量在濾層深度方向變化很大。 ① 濾層含污量：指單位體積濾層中所截留的雜質(zhì)量。 ② 濾層含污能力：在一個過濾周期內(nèi)，如果按整個濾層計，單位體積濾料中的平均含污量稱為“濾層含污能力”，單位以g/cm3或kg/cm3計。 如何提高濾層含污能力？,第三節(jié) 快濾池,③ 提高濾池含污能力的

19、途徑： A、提高濾料顆粒的均勻性，即減小K80 ，增大d10 。 B、由單層濾料改為多層濾料； 為了改變上細(xì)下粗的濾層中雜質(zhì)分布嚴(yán)重的不均勻現(xiàn)象，提高濾層含污能力，出現(xiàn)了雙層濾料、三層濾料或均質(zhì)濾料等。,第三節(jié) 快濾池,③ 提高濾池含污能力的途徑： A、提高濾料顆粒的均勻性，即減小K80 ，增大d10 。 B、由單層濾料改為多層濾料； C、改變水流方向（上下雙向過濾）

20、。,第三節(jié) 快濾池,5、不同濾池中濾料層的結(jié)構(gòu),第三節(jié) 快濾池,三、承托層 作用：防止濾料從配水系統(tǒng)中流失； 反沖時均勻配水。 （1）單層濾料或雙層濾料池，采用大阻力配水系統(tǒng)由天然卵石或碎石組成。表,第三節(jié) 快濾池,（2）三層濾料濾池 由于下層濾料粒徑小而重量大，承托層必須與之相適應(yīng)。即上層采用重質(zhì)礦石，以免反沖洗時承托層移動。,第三節(jié) 快濾池,四、配水系統(tǒng) 1、配水

21、系統(tǒng)的作用 （配水均勻性對沖洗效果影響很大） 配水系統(tǒng)的作用: (1)均勻收集過濾后水； (2)使沖洗水在整個濾池面積上均勻分布。 配水不均勻的影響: (1)沖洗水量過大的地方，部分濾層膨脹過甚，甚至?xí)兄戮植砍型袑影l(fā)生移動，濾料層和承托層混合，造成漏砂現(xiàn)象。 (2)沖洗水量過小的地方，部分濾層膨脹不足，濾料層中的雜質(zhì)沖洗不干凈，逐漸膠結(jié)變大，形成“泥

22、球”或“泥餅”。,第三節(jié) 快濾池,2、配水系統(tǒng)的類型 （1）配水系統(tǒng)原理 由上式可見，要使配水均勻，可采取以下方式： ① 人為增大孔口阻力系數(shù)S1，即減小孔口面積；（大阻力配水） ② 減小干管和支管流速v1、v2，減小右式根號中的第二項的影響。（小阻力配水）,第三節(jié) 快濾池,2、配水系統(tǒng)的類型 （2

23、）配水系統(tǒng)分類 根據(jù)配水系統(tǒng)原理分為： ① 大阻力配水系統(tǒng) ② 中阻力配水系統(tǒng) ③ 小阻力配水系統(tǒng),第三節(jié) 快濾池,實際上，配水系統(tǒng)孔口阻力由大到小應(yīng)是遞減的，由于孔口阻力與孔口總面積或開孔比成反比，故開孔比a越大（開孔面積越大），孔口阻力越小。 阻力大小只是相對的含義，并無嚴(yán)格劃分的科學(xué)依據(jù)。一般把水頭HW只需要1-1.5m以下的配水系統(tǒng)成為小阻力配水系統(tǒng)，這

24、種系統(tǒng)靠濾池本身的水位，就足以提供所需要的水頭。大阻力配水系統(tǒng)的沖洗水頭HW 則高得多，需要專設(shè)反沖洗設(shè)備。 一般規(guī)定：（開孔比a ） a=0.20％～0.25％為大阻力配水，采用穿孔管系 a=0.60％～0.80％為中阻力配水 a=1.0％～1.5％ 為小阻力配水，采用穿孔濾板、濾磚和濾頭等,第三節(jié) 快濾池,（1） 大阻力配水系統(tǒng) 快濾池中常用的是“穿孔管大阻力配水系統(tǒng)”，見圖。

25、 結(jié)構(gòu)：中間是一根干管（干渠），干管兩側(cè)接出若干根相互平行的支管。支管下方開兩排小孔，與中心線成45º角交錯排列。 特點： 孔口小、孔口阻力大。,沖洗時，水流自干管起端進入后，流入各支管，由支管孔口流出，再經(jīng)承托層和濾料層流入排水槽。,第三節(jié) 快濾池,圖,第三節(jié) 快濾池,大阻力配水系統(tǒng) ① 結(jié)構(gòu),② 大阻力配水系統(tǒng)設(shè)計要求： A、單池面積一般不宜大于100m2 。 B、干管起端

26、流速取1.0-1.5m/s，支管起端流速取1.5-2.0m/s，孔口流速取5-6m/s。 C、支管中心間距約 0.2-0.3m，支管長度與直徑之比一般不大于60； D、開孔比為0.2%～0.25%。 （開孔比：孔口總面積與濾池面積之比） E、孔口直徑取9～12mm。當(dāng)干管直徑大于300mm時，干管頂部也應(yīng)開孔布水，并在孔口上方設(shè)置擋板。,第三節(jié) 快濾池,③ 大阻力配水系統(tǒng)優(yōu)缺點: 優(yōu)點

27、：配水均勻性較好。 缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜； 孔口水頭損太人，沖洗時動力消耗大； 管道易結(jié)垢，增加檢修困難。 對沖洗水頭有限的虹吸濾池和無閥濾池，大阻力配水系統(tǒng)不能采用。,第三節(jié) 快濾池,（2）小阻力配水系統(tǒng) 穿孔（或縫隙）濾板 基本原理： 減小干管和支管進口流速同樣可使布水趨于均勻?？梢詼p小孔口阻力系數(shù)以減小孔口水頭損失。 “小

28、阻力”一詞的涵義，即指配水系統(tǒng)中孔口阻力較小，這是相對于“大阻力”而言的。,第三節(jié) 快濾池,（2）小阻力配水系統(tǒng)鋼筋混凝土穿孔（或縫隙）濾板 在鋼筋混凝土板上開圓孔或條式縫隙。板上鋪設(shè)一層或兩層尼龍網(wǎng)。 特點：造價較低，孔口不易堵塞，配水均勻性較好，強度高，耐腐蝕。,第三節(jié) 快濾池,（3）中阻力配水系統(tǒng) 二次配水的穿孔濾磚 用鋼筋混凝土或陶瓷制成。每平方米濾池面積上鋪設(shè)6塊。開孔比為：上

29、層1.07％，下層0.7%，屬中阻力配水系統(tǒng)。,特點：濾磚構(gòu)造分上下2層連成整體。鋪設(shè)時，各磚的下層相互連通，起到配水渠的作用；上層各磚單獨配水，用板分隔互不相通。實際上是將濾池分成象一塊濾磚大小的許多小格。上層配水孔均勻布置，水流阻力基本接近，保證了濾池的均勻沖洗。 二次配水穿孔濾磚配水均勻性較好，但價格較高。,第三節(jié) 快濾池,圖,第三節(jié) 快濾池,（3）中阻力配水系統(tǒng),（4）濾頭 濾頭由具有縫隙的濾帽和濾柄（具有

30、外螺紋的直管）組成。短柄濾頭用于單獨水沖濾池，長柄濾頭用于氣水反沖洗濾池。 對于穿孔濾板，可在濾板上安裝濾頭。,第三節(jié) 快濾池,五、濾池的沖洗 （一）沖洗目的： 清除濾層中所截留的污物，使濾池恢復(fù)過濾能力。 （二）沖洗原理： 水流自下而上通過濾層，并使濾層膨脹達到一定程度，靠水流的剪切力和濾料顆粒間的碰撞、摩擦使積累在濾料層中的雜質(zhì)剝落下來，隨反沖水流出濾池。 （三）快濾

31、池沖洗方法： 1、高速水流反沖洗； 2、氣、水反沖洗； 3、表面助沖加高速水流反沖洗。,第三節(jié) 快濾池,（四）幾個術(shù)語： 1、沖洗強度：以cm/s計的反沖洗流速，換算成單位面積濾層所通過的沖洗流量，稱“沖洗強度”，以L/(s·m2)計。1cm/s=10 L/(s·m2)。 2、濾層膨脹度：反沖洗時，濾層膨脹后所增加的厚度與膨脹前厚度之比，稱濾層膨脹度。

32、 3、沖洗時間：當(dāng)沖洗強度或濾層膨脹度符合要求，但若沖洗時間不足時，也不能充分地清洗掉包裹在濾料表面上的污泥。,第三節(jié) 快濾池,在實際應(yīng)用中，沖洗強度、濾層膨脹度和沖洗時間根據(jù)濾料層不同按下表確定。,六、沖洗廢水的排出 沖洗時，廢水由沖洗排水槽兩側(cè)溢入槽內(nèi)，各水槽內(nèi)的廢水匯集到廢水渠排出。,,第三節(jié) 快濾池,七、沖洗水的供給 1、沖洗水的供給方式： A、沖洗水塔或沖洗水箱 B、沖洗

33、水泵 2、沖洗水的水源： 濾池出水、自來水,第三節(jié) 快濾池,八、濾池的運行方式 當(dāng)濾料粒徑、形狀、濾層級配和厚度及水溫一定時，隨著過濾的進行，濾料層的孔隙率將逐漸減小。 若過濾時使水頭損失保持不變，將引起濾速的減小。反之，若濾速保持不變時，將引起水頭損失的增加。 由此產(chǎn)生兩種基本過濾方式： （1）等速過濾 （2）變速過濾,第三節(jié) 快濾池,(一) 等速過濾

34、 在過濾過程中濾速保持不變，也即濾池流量保持不變。 如：虹吸濾池和無閥濾池。 在等速過濾的情況下，水頭損失隨時間而逐漸增加，濾池中水位逐漸上升，見圖示。當(dāng)水位上升至最高允許水位時，過濾停止以待沖洗。,第三節(jié) 快濾池,(二) 變速過濾 濾速隨時間逐漸減小的過濾。又稱減速過濾。 如：移動罩濾池 在過濾時，如過濾水頭始終保持不變，而濾層孔隙率逐漸減小，必然使濾速減小。,“等水頭變速過濾”,

35、第三節(jié) 快濾池,結(jié)論： 過濾過程中濾層阻力系數(shù)的變化情況： 在等速過濾中是水頭損失逐漸增加； 在變速過濾中是濾速逐漸減小。 濾層孔隙流速變化情況： 等速過濾實際上孔隙中水流速度逐漸增加； 變速過濾孔隙中水流速度相對較為穩(wěn)定。,,,第三節(jié) 快濾池,九、影響過濾效率的因素： 過濾是濾料和懸浮物的相互作用，懸浮物的分離效率受這兩方面因素影響。

36、 （1）濾料的影響 粒度、形狀、表面性質(zhì)、空隙率 （2）濾池結(jié)構(gòu)的影響 濾料層結(jié)構(gòu)、配水系統(tǒng) （2）懸浮物的影響 粒度、形狀、密度、濃度、表面性質(zhì)、水溫,第三節(jié) 快濾池,十、常見濾池 1、重力式無閥濾池 2、虹吸濾池 3、移動罩濾池 4、V型濾池 5、壓力濾池,第三節(jié) 快濾池,1、重力式無閥濾池,第三節(jié) 快濾池,2、虹吸濾池,第三節(jié)

37、快濾池,3、移動罩濾池,,第三節(jié) 快濾池,4、V型濾池,第三節(jié) 快濾池,5、壓力濾池,第三節(jié) 快濾池,十一、濾池的設(shè)計 (一) 濾速及過濾面積的確定 1、濾速v的確定 濾速分正常工作濾速和強制濾速。 一般濾速是指正常工作條件下的濾速，確定濾速應(yīng)綜合考慮水質(zhì)、濾料、過濾面積、投資、運行管理等因素。 按設(shè)計規(guī)定：單層濾料濾速為v=8～12m/h；雙層濾料為v=12～16m/h；三層濾料

38、為v=30～40m/h 。 實際設(shè)計時，當(dāng)水質(zhì)較差時，使濾池留有一定的生產(chǎn)潛力時，濾速選取的應(yīng)低一些。 2、過濾面積的確定 F=Q/v Q—設(shè)計流量。,第三節(jié) 快濾池,(二) 濾池個數(shù)及尺寸的確定 1、濾池的個數(shù) 綜合考慮因素：運行管理、投資。一般不少于2個。 2、濾池尺寸 池型：正方形或矩形（長︰寬=1.25-1.5:1） 池高：H=h1+h2 + h3+

39、 h4； h1-超高，0.25-0.3m； h2 -濾池上水深，1.5-2.0m； h3-濾層厚度； h4-承托層厚度；見前表。,第三節(jié) 快濾池,(三) 管廊布置 集中布置濾池的管渠、配件及閥門的場所稱為管廊。管廊中的管道一般用金屬材料。也可用鋼筋混凝土渠道。管廊布置應(yīng)力求緊湊、簡捷；要留有設(shè)備及管配件安裝、維修的必要

40、空間；要有良好的防水、排水及通風(fēng)、照明設(shè)備；要便于與濾池操作室聯(lián)系。設(shè)計中，往往根據(jù)具體情況提出幾種布置方案經(jīng)比較后決定。 (四) 管渠設(shè)計流速 進水管（渠）0.8-1.2m/s 清水管（渠）1.0-1.5m/s 沖洗水管（渠）2.0-2.5m/s 排水管（渠）1.0-1.5m/s (五) 注意事項,第三節(jié) 快濾池,第四節(jié) 其它濾池,（1）機械過濾設(shè)備 琥珀Rodisc和

41、西門子Disk Filter開發(fā)的盤式過濾器 美國Aqua Disk公司和浦華控股有限公司纖維轉(zhuǎn)盤過濾器（2）活性砂濾池（3）濾料濾池 彗星濾料濾池（D型濾池）（4）反硝化濾池（生物濾池） STS公司反硝化濾池（5）活性炭過濾,第四節(jié) 其它濾池,第四節(jié) 其它濾池,習(xí)題： 1、過濾的基本原理是什么？ 2、簡述濾池反沖洗配水系統(tǒng)的種類，它們各自的工作原理、特點與適用范圍是什么？思考題：