水质工程（给水处） 弟十七章过滤 第5章过滤 一，教学目的及要求 掌握过滤机理、过滤水力学、滤料和承托层、滤池冲洗、熟悉几种常见的滤池形式及工作过程和 特点。 二.教学内容及学时分配(8学时) 5.1慢滤池和快滤池 在水处理过程中，过滤一般是指以石英砂等粒状滤料层截留水中悬浮杂质，从 而使水获得澄清的工艺过程。滤池通常置于沉淀池或澄清池之后，进水浊度一般 小于15度，滤出水浊度必须达到生活饮用水水质标准。当原水浊度较低（小于100 度)，日水质较好时，也可采用原水直接过滤。 过滤的功效： 1)不仅进一步降低水的浊度，而且水中有机物、细菌乃至病毒等将随浊度的 降低而被除去。 2)残留于滤后水中的细菌、病毒等失去浑浊物的保护或依附时，在滤后消毒 过程中也将容易被杀灭，为滤后消毒创造了良好条件。作为生活饮用水，过滤是 不可缺少的，它是保证饮用水卫生安全的重要指施。 慢滤池：很少使用 滤池形式 「双层 为适应滤层中杂质截留规律以发 普通快滤池了多层广滤料滤池：挥滤料层截留杂质能力发挥而得 U均质滤料 一V型滤池 (减少滤池阀门 虹吸滤池，无阀滤池、移动冲洗罩滤池：过滤原理一样，基本工作过程 也相同，即过滤和冲洗交错进行。 从过滤开始到冲洗结束的一段时间称为快滤池工作周期，从过滤开始至过滤结 束称为过滤周期。 快滤池的产水量决定于滤速（以mh计）。滤速相当于滤池负荷，滤池负荷以 单位时间、单位过滤血积上的过滤水量计，单位为m/h·m。 第1贞共40贞
水质工程1给水处理)弟十七章过滤 5.2颗粒滤料 一、滤料 对滤料的要求为 1、具有足够的机械强度，以防冲洗时滤料产生严重磨损和破碎现象： 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： 3、具有一定的颗粒级配和适当的孔隙率： 4、滤料应就地取材，货源充足、价廉。 (一)滤料级配 滤料级配是指滤料中各种粒径的颗粒所占的重量比例。具有适当的滤料级配， 才能取得良好的过滤效果。通常用一套不同孔径的筛子对滤料进行筛分以选取滤 料，生产上采用的简单方法是用孔径分别为1.2mm和0.5mm两种规格的筛子过筛 所得滤料粒径便在0.5~1.2mm范围内，但不能反映滤料颗粒的均匀程度。因此， 通常以有效粒径d和不均匀系数ks作为滤料级配指标。d表示通过滤料重量10% 的筛孔孔径，它反映滤料中细颗粒的尺寸；kso=dso/d1o,其中dso指通过滤料重量 80%的筛孔孔径，它反映粗颗粒的尺寸。ks愈大，滤料的粒径愈不均匀。这对过 滤和冲洗都很不到。因为过滤时滤层含污能力减少：反冲洗时为满足粗颗粒膨胀 要求，细颗粒可能被冲出滤池：若反为满足细颗粒膨胀要求，粗颗粒将得不到很 好的清洗。 (二)滤料孔隙率的测定 取一定量的滤料，在105℃下烘干称量，并用比重瓶测出密度，然后放入过滤 简中，用清水过滤一段时间后，按下式求出滤料空隙率m: m=1-G 式中：G一滤料重量，g P一滤料层体积，cm: p一滤料重度，g/cm3 滤料层孔隙率与滤料颗粒形状、均匀程度以及压实程度有关。均匀粒径和不规 则形状的滤料，孔隙率大。石英砂一般在0.42左右。 (三)滤料形状 滤料形状影响滤层水头损失和滤层孔隙率。滤料形状用球形度系数中来反映 中=同体积求体表面积/颗粒实际表面积 第2贞共40
水质工程〔给水处理)弟十七章过滤 天然砂滤料的球度系数一般宜采用0.75~0.80 (四)双层及多层滤料级配 在选择双层滤料级配时，应讨论两个问题：1)如何预示不同种类滤料的相互 混杂程度：2)滤料混杂对过滤有何影响 1、不同种类滤料的混杂程度 以双层（煤、砂）滤料为例。上层为粒径大、重度小的煤，下层为粒径小、重 度大的石英砂，煤、砂经反洗后分层是否正常主要决定于煤、砂的密度差、粒径 差及煤和砂的粒径级配、滤料形状、水温及反冲洗强度等因素。 目前根据相邻两滤层之间粒径之比和密度之比的经验数据来确定双层滤料级 配。在煤、砂交界面上粒径之比为1.8/0.5=3.6，而在水中的密度之比为(2.65-1) 1(1.6-1)=2.8。这样的粒径级配，在反冲洗强度为13~16L/s·m时，不会产生严 重混杂现象。需要的强度是，根据经验公式确定的粒径和重度之比，并不能在任 何水温或反冲洗强度下都能保持分层正常。反洗操作中必须十分小心。 三层滤料是否混杂，可参照上述原则。 2、滤料混杂对过滤的影响 有两种观点：1)煤一砂交界面上适度混杂，可避免交界面上积聚过多杂质而 使水头损失增加比较快，故适度混杂是有益的：2)煤一砂交界面上不应有混杂现 象，因为煤层起大量截留杂质作用，砂层起精滤作用，而界面分层清晰，起始水 头损失将减小。生产经验表明，煤一砂交界面混杂厚度在5cm以内，对过滤有益 无害。 对多层滤料的混杂也同样存在着不同看法。 二、承托层 1、作用：1)防止滤料从配水系统中流失，2)对均布冲洗水也有一定作用。 2、单层或双层滤料滤池采用大阻力配水系统时，承托层采用天然卵石或砾石。 3、三层滤料滤池，由于下层滤料粒径小而比重大，承托层必须与之适应，即 上层应采用重质砂石，以免反冲洗时承托层移动。 4、如果采用小阻力配水系统，承托层可以不设，或者适当铺设一些砾石，视 配水系统具体情况而定。 5.3快滤池的运行 单层砂滤池的严重缺点是截留在滤层中的杂质分布不均匀，表层最多，越向 第3贞共40贞
水质工程（给水处理）弟十七章过滤 下越少，以致表面水头损失增加很快，过滤周期明显缩短。其原因为滤料粒径分 布按水流方向逐渐增大所致。由此出现“反粒度”过滤，即过滤水流先经过粗粒 滤料，再依次流过粒度更小的滤料，则1)滤层杂质分布将趋于均匀：2)滤层含 污能力提高。滤层含污能力是指过滤周期结束后时，整个滤层单位体积滤料中所 截留的杂质量，以kg/m3计或g/cm3计：3)滤层中水头损失的增加将会减缓；4) 过滤周期将可延长。含污能力大，表明整个滤层所发挥的作用大。基于“反粒度 过滤概念，出现以下几种过滤方式： 1、双层及多层滤料滤池 双层及多层滤料，其滤池构造和过滤方式与普通单层滤池无多大差别，只是滤 料组成改变 (1)双层滤料组成：上层采用比重小，粒径大的轻质滤料，如无烟煤：下层 采用比重大，粒径小的重质滤料，如石英砂：由于两种滤料的比重差，在一定的 反冲洗强度下，轻质滤料仍在上层，重质滤料仍在下层，构成双层滤料滤池。虽 然每层滤料粒径仍由上而下递增，但就整个滤层而言上层滤料平均粒径大于下层 平均粒径。 实我证明，双层滤料含污能力较单层滤料约高一倍以上，在相同滤速下，过滤 周期延长：在相同过滤周期下，滤速可提高，单层与双层滤料含污能力对比示意 图见P318图17-4所示，由图可知，双层滤料截污曲线与坐标轴所包围的面积大于 单层滤料相应的面积，表明在滤层厚度相同的条件下，前者含污能力大于后者。 (2)多层滤料组成：多层滤料一般指三层滤料。上层为大粒径、小比重的轻 质滤料，如无烟煤：中层为中等粒径，中等比重的滤料，如石英砂：下层为小粒 径、大比重的重质滤料，如石榴石或磁铁砂。各层滤料平均粒径由上而下递减。 三层滤料不仅含污能力大，且下层重质滤料对保证滤后出水有很大作用，故滤速 比双层滤料还可靠些。 (3)均质滤料：指沿整个滤层深度方向的任意横断面上，滤料组成和平均粒 径均匀一致。要做到这一点，必要条件是反冲洗时滤料层不能膨胀。可采用气、 水反冲洗工艺。其含污能力也大于上细下粗的级配滤层。 (五)直接过滤 原水不经沉淀而直接进入滤池称为“直接过滤”，它充分体现了滤层特别是深 层滤料中的接触凝聚或絮凝的作用。 第4贞共40页
水质工程给水处拥）弟十七章过滤 加药 接触过滤： 立→过滤 直接过滤有两种方式 ,加药 做絮凝过滤：→微絮凝→过滤 两种过滤方式，其机理基本相同，即通过脱落颗粒或微絮粒与滤料的充分碰撞 接触和粘附，被滤层截留下来。滤料也是接触凝聚介质，不过前者不宜控制微絮 粒尺寸，后者可以加以控制。 微絮凝池与絮凝池的区别： 微絮凝池：要求形成的絮凝体尺寸较小，便于深入滤层深处以提高滤层含污能 力：絮凝时间较短，一般在几分钟之内 絮凝池：要求絮凝体尺寸愈大愈好，以便在沉淀池内下沉。 采用直接过滤工艺需注意以下几点： (1)、原水深度和色度较低且水质变化较小： (2)、通常采用双层、三层或均质资料： (3)、原水进入滤池前，应为微絮凝体。有时需投加高分子助凝剂。 (4)、滤速应根据原水水质决定。滤速应低，一般在5m/h左右。 直接过滤可用于处理湖泊、水库水等低浊度水，也适用于处理低温低浊水 5.4过滤理论 一、过滤机理 以单层砂滤池为例。其滤料粒径为0.5~1.2mm,厚度为70cm,经反冲洗水力 筛分后滤料粒径自上而下由细到粗依次排列。滤池孔隙尺寸也因此由上而下逐渐 增大。表层0.5mm细滤料，其空隙尺寸为80um,而进入滤池的杂质颗粒尺寸大部 分小于30um,仍被滤层截留下来，而且在滤层深处（空隙大于80um)也会被截 留，说明过滤显然不是机械筛滤作用的结果，过滤主要是悬浮颗粒与滤料颗粒之 间粘附作用的结果。 水流中的悬浮颗粒能够粘附于滤料颗粒表血上，涉及两个问题： 第一、被水流携带的颗粒如何与滤料表面接近或接触，这就涉及颗粒脱离水 流流线而向滤料表面靠近的迂移机理， 第二、当颗粒与滤料表面接触或接近时，依靠哪些力的作用使它们粘附于滤 粒表面上，这就涉及粘附机理。 第5贞共40贞
水质工程（给水处理）弟十七章过滤 (一)迁移机理 在过滤过程中，滤层孔隙中的水流一般为层流状态，被水流携带的颗粒将随着 水流的流线运动，它之所以会脱离流线而与滤粒表面接近，完全是一种物理力学 作用，一般认为由以下几种作用引起： 1、拦截：颗粒尺寸较大时，处于流线中的颗粒会直接碰到滤料表面产生拦截 作用。 2、沉淀：颗粒沉速较大时，会在重力作用下脱离流线，产生沉淀作用。 3、惯性：颗粒具有较大惯性时也可以脱离流线与滤料表面接触，为惯性作用。 4、扩散：颗粒较小，布朗运动剧烈时会扩散至滤料表面，为扩散作用。 5、水动力作用：非球体颗粒由于在速度梯度作用下，会产生转动而脱离流线 与滤粒表血接触。 上述迂移机理所受影响因素复杂，目前只能定性描述，可能几种机理同时存在， 也可能只有其中某些机理起作用。 (二)粘附机理 粘附作用是一种物理化学作用，当水中颗粒迂移到滤料表面上时，则在范德华 引力和静电相互作用下，以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力下，被粘附于 滤料颗粒表面上，或者粘附在滤料表面原先粘附的颗粒上。此外，某些絮凝颗粒 的架桥作用也存在。粘附过程与澄消池中的泥渣所起的粘附作用基本类似，不同 的是滤料为固定介质，排列紧密，效果更好。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，而无需增大颗粒尺寸。 粘附力的来源，其相对数值及作用范围，至今仍是格 有待研究的复杂问题。 (三)杂质在滤层中分布规律 与颗粒粘附的同时，还存在由于孔隙中水流剪力作用 而导致颗粒从滤料表面上脱落趋势。粘附力与水流剪力的 相对大小，决定了颗粒粘附和脱落的程度。图17-3为颗 钓脱落与用示 粒粘附力和平均水流剪力示意图。 图中：F。一表示颗粒与滤料表面或颗粒与颗粒之间的粘附力 F,一颗粒所受的平均水流剪力 过滤初期，滤料较干净，孔隙率较大，水流剪力F,较小，因而粘附作用F。优 第6贞共40页
水质工程给水处拥）弟十七章过滤 势，随者过滤时间的增加，滤层中颗粒逐浙增多，孔隙率逐浙减小，水流剪力逐 渐增大，以致最后粘附的颗粒将首先脱落下来。或者水流携带的颗粒将不再有粘 附现象。于是悬浮颗粒便向下层推移，下层滤料作用逐渐得到发挥 在过滤中，当下层滤料截留悬浮颗粒的作用还未得到充分发挥时，过滤就得停 止。其原因为：表层滤料粒径最小，粘附表面积最大，截留悬浮颗粒量最多，而 空隙尺寸又最小，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。其结果：1)在一定过滤水头下滤 速剧减（或在一定滤速下水头损失达到极限值）：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， 找污量g/ca3 以致悬浮杂质穿出滤层而使出水水质恶化。当上述 两种情况之一出现时，过滤将被迫停止。当过滤周 港 期结束后滤层中所截留的悬浮颗粒数量在滤层深 度方向的分布规律如图54所示。可见，其变化很 大，大量颗粒被表面滤料所截留。图中截污量指单 位体积滤层中所截留的杂质量。 双层滤料 在过滤过程中，滤层中悬浮颗粒截留量随着过 滤时间和滤层深度而变化的规律，以及由此而导致 滤料含污层变化 的水头损失变化规律，与原水进水水质、水温、滤 速、滤料粒径、形状、悬浮物表面性质等因素有关，影响因素非常复杂。 二、过滤水力学 在过滤过程中，滤层中悬浮颖粒的量不断增加，必然导致过滤过程中水力条件 的改变。过滤水力学所阐述的即是过滤时水流通过滤层的水头损失变化及滤速的 变化。 (一)清洁滤层水头损失一一起始水头损失 在通常所采用的滤速范围内，清洁滤层中的水流属层流状态，在层流状态下， 敏茨及长曼-康采尼等人利用因次分析，并通过实验分别求得了计算公式，这里介 绍卡曼·康采尼公式：（当滤层为均匀滤料时） 1网w (5-1) gm。 式中：h一一水流通过清洁滤层水头损失，cm: -水的运动粘度，cm2/s: 第7贞共40贞
水质工程给水处理）弟十七章过滤 m一一滤料孔隙率： 山一一与滤料体积相同的球体直径，cm: 1。一一滤层厚度，cm: 中一一滤料颗粒球度系数。 实际滤层为非均匀滤料，可按筛分曲线分层，计算各层的水头损失，然后叠加 即为清洁滤层总的水头损失，即： 瓜，=2h=180-m(白%正导 (5-2) 8m6 式中：p一一粒径为d 的滤料重量占全部滤料的 重量百分比。分层数愈多， 计算精确度愈高。 随着过滤时间的延长， 滤层中截留的悬浮物量逐 渐增多，滤层孔隙率逐渐减 小，由上式可知，当滤料粒 等速过滤 径(di)、性状（中）、滤层级配(pi)和厚度(lo)以及水温(v)一定时，如果 孔隙率减小，1)则在水头损失保持不变的条件下，将引起滤速的减小。2)反之 在滤速保持不变时，将引起水头损失的增加。这样就产生了等速过滤和变速过滤 两种过滤方式。 (二)等速过滤中的水头损失变化 当滤池进水流量保持不变，亦即滤速不变时，称“等速过滤”。如虹吸滤池和 无阀滤池。在等速过滤中，水头损失随时间逐渐增加，滤池中水位逐渐上升，见 图5-6，当水位上升至最高允许水位时，过滤停止以待冲洗。 冲洗后刚开始过滤时，滤层水头损失为H,当过滤时间为t时，滤层中水头 损失增加△Ht,于是过滤t时滤层总水头损失为： Ht=Ho+h+△Ht (5-3) 式中：H。一清洁滤层水头损失 △H一在时间为t时的水头损失增值 h一配水系统、承托层及管（渠）水头损失之和 式中Ho和h在整个过滤过程中保持不变，△H随1增加而增大。△Ht与t的 第8贞共40页
水质工程给水处理)弟十七章过滤 关系，实际上反映了滤层截留杂质量与过滤时间的关系，亦即孔隙率的变化与时 间的关系，根据实验。△Ht与t一般呈直线关系，如图5-7所示。图中Hmx为水 头损失，增值为最大时的过滤水头损失，一般Hmax=1.5~2.0m。图中T为过滤周 期。如果不出现滤后水质恶化等情况，过滤周期T不仅与最大允许水头损失Hmx有 关，还与滤速v有关。设滤速v'>v,一方面H'>Ho,同时单位时间内被滤层截 留的杂质量较多，水头损失增加较快，故ga'>gQ。因而过滤周期T'<T。 以上仅讨论了整个滤层水头损失的变化情况。至少由上而下逐层滤料水头损失 的变化情况就比较复杂，由于上层滤料截留量多，愈往下愈少，因而水头损失增 值也由上而下逐渐减小。 (三)变速过滤的滤速变化 滤速随时间而逐渐减小的过程称“变速过滤”或“减速过滤”。移动冲洗罩滤 池属于变速过滤的滤池。普通快滤池可以设计成变速过滤，也可以设计成等速过 滤。 在过滤过程中，如果过滤水头损失始终保持不变，由式(5-2)可知，滤层孔 隙率的减小，必然使滤速减小，这种情况称为“等水头变速过滤”。这种变速过滤 方式，在普通快滤池一般不会出现。原因：一级泵站流量基本不变，即滤池进出 水总流量基本不变，因而，尽管水厂内设有多座滤池，根据流量进出平衡关系， 要保持每座滤池水位恒定（滤速必然要减小）而又要保持总的进出水流量平衡当 然不可能。不过，在分格数很多的移动冲洗罩滤池中，有可能达到近似的“等水 头变速过滤”状态。 近似等水头变速过滤的状态分析： 1、对滤池的要求及条件： 第9贞共40贞
水质工程给水处理)弟十七章过滤 1)快滤池进水渠相互连通，且每座滤池进水阀均处于滤池最低水位下（见图 长位4 24 vas vbiove2a4i6速路 减运过 5-8)。 2)设四座滤池组成一个滤池组，进入滤池组的总流量不变，由于进水渠相互 连通，四座滤池内的水位或总水头损失在任何时间内基本上都是相等的（但并不 是不变的)，见图5-8 3)减速过滤按如下方式进行，最干净的滤池滤速最大，截污量最多的滤池滤 速最小。四座滤池按截污量由少到多依次排列，它们的滤速则由高到低依次排列。 但在整个过滤过程中，四座滤池的平均滤速始终不变，以保持总的进出流量平衡 对某一座滤池而言，其滤速随者过滤时间的延长而逐渐降低（呈阶梯形下降）。 2、状态分析 水位1一四座滤池的滤料都干净且均在平均滤速下(V=10m/h)过滤时的 过滤水位。于是图中，便表示清洁滤料、承托层、配水系统及管道配件等水头损 失之和。这种状况在实际操作中不会出现或偶尔出现，例如刚建成投产时。 水位2一四座滤池实际运行时的最低水位，即其中一座滤池刚冲洗完投入运行 时的水位（如D滤池完毕）。因为四座滤池不是在同时冲洗，而且按滤层截污程度 依次冲洗，所以当其中一座滤池冲洗完毕投入运行时，其余三座滤池均截留不同 程度的杂质。又因刚冲洗完毕的滤池恰是后来截污量最多的滤池，所以一旦变为 最干净的滤池投入运行，滤池组的水位便降至最低（原因：该滤格刚冲洗完毕， 滤速突然增大，则其它3座滤池的一部分水量即由该座滤池分担，从而其它3座 滤池均按各自滤速下降一级，相应的4座滤池水位也突然下降一些)。图中2表示 干净滤池在实际滤速(Vp=13m/h)下的水头损失与四座干净滤池在平均滤速下的 水头损失之差。 第10共40贞