第七章-过滤
环境工程原理思考题
环境工程原理思考题第一章绪论1.“环境工程学”的主要研究对象是什么?2. 去除水中的溶解性有机污染物有哪些可能的方法?它们的技术原理是什么?3. 简述土壤污染治理的技术体系。
4. 简述废物资源化的技术体系。
5. 阐述环境净化与污染控制技术原理体系。
6. 一般情况下,污染物处理工程的核心任务是:利用隔离、分离和(或)转化技术原理,通过工程手段(利用各类装置),实现污染物的高效、快速去除。
试根据环境净化与污染防治技术的基本原理,阐述实现污染物高效、快速去除的基本技术路线。
第二章质量衡算与能量衡算第一节常用物理量1.什么是换算因数?英尺和米的换算因素是多少?2.什么是量纲和无量纲准数?单位和量纲的区别是什么?3.质量分数和质量比的区别和关系如何?试举出质量比的应用实例。
4.大气污染控制工程中经常用体积分数表示污染物的浓度,试说明该单位的优点,并阐述与质量浓度的关系。
5.平均速度的涵义是什么?用管道输送水和空气时,较为经济的流速范围为多少?第二节质量衡算1.进行质量衡算的三个要素是什么?2.简述稳态系统和非稳态系统的特征。
3.质量衡算的基本关系是什么?4.以全部组分为对象进行质量衡算时,衡算方程具有什么特征?5.对存在一级反应过程的系统进行质量衡算时,物质的转化速率如何表示?第三节能量衡算1.物质的总能量由哪几部分组成?系统内部能量的变化与环境的关系如何?2.什么是封闭系统和开放系统?3.简述热量衡算方程的涵义。
4.对于不对外做功的封闭系统,其内部能量的变化如何表现?5.对于不对外做功的开放系统,系统能量能量变化率可如何表示?第三章流体流动第一节管流系统的衡算方程1.用圆管道输送水,流量增加1倍,若流速不变或管径不变,则管径或流速如何变化?2.当布水孔板的开孔率为30%时,流过布水孔的流速增加多少?3.拓展的伯努利方程表明管路中各种机械能变化和外界能量之间的关系,试简述这种关系,并说明该方程的适用条件。
第七章-过滤案例
3 滤料性能参数
1) 滤料的比表面积 单位体积滤层中滤料的表面积称为滤料的比表面积。对于粒径不相 等的非均匀滤料，可以看作是由许多粒径相同的均匀滤料所组成。 单位为cm2/g或cm2/ cm3。
a
ai P i
6 1 di
P di的组分再滤料中所占权 重。 i为粒径 P i＝P i P i 1
滤料
悬浮颗粒
流线
1—沉淀
2—扩散
3—惯性
4—阻截
5—水动力
悬浮颗粒的迁移过程
设表层细砂粒径为0.5mm，其孔隙尺寸约为80µm，而水中细小 杂质只有2～30µm，对于这样细小的颗粒能被滤料层截留下来 的现象，作用机理： 水中悬浮物能够粘附于滤料颗粒表面，涉及两个问题： 1 被水流挟带的颗粒如何与滤料颗粒接近或接触—这就是涉 及颗粒脱离水流流线而向滤料颗粒表面靠近的迁移机理。
2.7~7m 99% 7~12m99.9% 较大颗粒 99%~99.9%
工作条件 1.出水浊度可接近于0NTU，而且能很好的去除细菌、臭味、色度，水质很 好，可直接饮用。 2.过滤速度慢：v=0.1～0.3m/h 3.在滤料表面几厘米砂层中形成发粘的滤膜，这滤膜是一些藻类和原生动 植物繁殖的结果，形成滤膜大约需要1～2week。 4.滤池工作1～6个月后，被淤泥堵塞，需人工将表面1～2cm砂刮出来清洗， 再重新铺装。
2）有效粒径与不均匀系数 粒径级配可以用滤料的有效粒径和不均匀系数表示，关系如下：
k 80
d 80 d10
(1)有效粒径d10和不均匀系数k80表示
d10－通过滤料重量10％的筛孔孔径，反映小颗粒所占比例。是产生 水头损失的主要部分。砂滤池d10 =0.5～0.6mm。 实验表明：若滤料d10相等，即使其级配曲线不一样，过滤时产生的 水头损失仍然相近，由此可知造成水头损失有效部分正是粒径小于 d10的哪些颗粒，所以把d10称为有效粒径。
环境工程原理期末复习资料河南工业大学
1、管路分为简单管路（①、通过各管路的质量流量不变；②、整个管路阻力损失等于各管路阻力损失之和。
）和复杂管路，复杂管路包括分支管路（①、总管流量等于各支管流量之和；②、主管段各段流量不同，阻力损失需分段加以计算；③、机械能守恒。
）和并联管路（①、总流量等于各支管流量之和；②、各支管中阻力损失相等；③、各支管的流量依据阻力损失相同的原则进行分配。
）。
2、流量计包括测速管（毕托管）（测得的是点速度）、孔板流量计（固定安装，阻力损失较大）、文丘里流量计（比孔板流量计减少了机械能损失），转子流量计（必须垂直安装，流体自上而下流动）。
3、热量传递包括热传导、对流传热、辐射传热。
4、导热系数：①、气体导热系数很小，利于绝热保温，随温度和压强的升高而升高。
②、水的导热系数最大，常用做导热介质。
液体（除水和甘油外）导热系数随温度的升到而减小，压力影响不大。
③、固体：金属的λ选大于非金属的λ；金属有杂质，λ减小；纯金属λ随温度升高而减小，合金λ随温度升高增大；晶体λ随温度升高而减小，非晶体λ随温度升高而增大。
5、环境工程中常见的传质过程有：吸收、萃取、吸附、离子交换、膜分离。
6、重力沉降和离心沉降的比较：区别：①、重力沉降的动力是重力，沉降方向向下，沉降速度恒定，沉降的加速度为重力加速度；②、离心沉降的动力是离心力，沉降方向向外，沉降的速度与半径有关，是变化的，沉降的加速度为离心加速度。
联系：离心分离因数，是离心分离设备的重要指标，表示离心沉降速度较沉降速度可以提高的倍数。
7、过滤可以分为：表面过滤（滤饼过滤）和深层过滤。
8、表面过滤与深层过滤的比较：区别：①、表面过滤的条件是颗粒物浓度高，滤速慢，虑饼易形成，过滤的介质是织布或多孔固体，过滤介质的孔一般比颗粒物的粒径小，有效过滤介质主要是虑饼，实际应用于真空过滤机、板框式压滤机、慢滤池、袋滤器。
②、深层过滤的条件是颗粒物浓度底，滤速快，过滤介质是固体颗粒，过滤介质的空隙大于颗粒物粒径，有效的过滤介质是固体颗粒，实际应用于快滤池。
06第七章__凝胶过滤
实践中 测定外水体积（Vo）
通常选用蓝色葡聚糖2000作为测定外水体积的物质。 理由是： 该物质分子质量大(为200万)，呈蓝色， 在各种型号的葡聚糖凝胶中都被完全排阻， 并可借助本身的颜色，采用肉眼或分光光度计检测(在210nm或 260nm、620nm)洗脱体积Ve，即 V e = Vo
测定内水体积(Vi)
常用于： 分离纯化蛋白质(包括酶类)、核酸、多糖、激素、氨 基酸和抗生素等物； 还可用于: 测定蛋白质的分子质量，样品的浓缩和脱盐等方面。
第一节 凝胶的分类及性质
凝胶是不溶于水但在水中有较大膨胀度和较好分子筛 功能的一类化合物。 这化合物目前主要有： 葡聚糖凝胶 天然琼脂糖 交联琼脂糖 其次还有： 聚丙烯酰胺凝胶(生物胶Bio-gel) 交联葡聚糖与双丙烯酰胺共聚凝胶 交联琼脂糖与葡聚糖共结合的凝胶 (superdex) 详见表6-1。
三、聚丙烯酰胺凝胶
聚丙烯酰胺凝胶的商品名称为Bio-gel。 它是以甲撑双丙烯酰胺(双体)作交联剂，以过硫酸铵 作催化剂， 在N,N,N’,N’,- 四甲基乙二胺(TEMED)加速剂的作用 下， 将丙烯酰胺(不同的产物。
该物质对尿素和盐酸胍等破坏氢键的试剂有较强的抵 抗力，在pH4.0~9.0的缓冲液中是稳定的。 琼脂糖凝胶室温保存，其物理稳定性超过了聚丙烯酰 胺和葡聚糖凝胶。 琼脂糖凝胶在干燥状态下保存时易破裂，故一般存放 在含防腐剂的水溶液中，同时还要避免剧烈的搅动。 琼脂糖凝胶按其浓度来分有Sepharose 2B(2％)、4B(4％) 和6B(6％)。
Kav值的计算
从公式Kav=（Ve-Vo）/（Vt-Vo）看出， 只要测出：床体积Vt 外水体积Vo 洗脱体积Ve 即可计算出Kav值。
第七章《过滤》答案
7.1 用板框压滤机恒压过滤某种悬浮液，过滤方程为252610V V A t -+=⨯式中：t 的单位为s 。
(1)如果30 min 内获得5 3m 滤液，需要面积为0．4 2m 的滤框多少个?(2)求过滤常数K ，e q ，e t 。
解：（1）板框压滤机总的过滤方程为 252610V V A t -+=⨯在t=30×60s=1800s 内，V=5m 3, 则根据过滤方程有52+5 = 6×10-5A 2×1800求得需要的过滤总面积为A = 16.67 m2所以需要的板块数 n = 16.67 m 2/0.4 m 2= 41.675 ≈42 （2）恒压过滤的基本方程为 222e V VV KA t ==与板框压滤机总的过滤方程比较可得 K= 6×10-5m 2/sVe = 0.5 m 3 , qe = Ve/A =0.5 m 3/16.67 m 2 =0.03 m 3/ m2te = qe 2/K = 0.03 /6×10-5=15 ste 为过滤常数，与qe 相对应，可以称为过滤介质的比当量过滤时间，te = qe 2/K 。
7.2 如例题7．3．3中的悬浮液，颗粒直径为0．1 m m ，颗粒的体积分数为0．1，在9．81×310Pa 的恒定压差下过滤，过滤时形成不可压缩的滤饼，空隙率为0．6，过滤介质的阻力可以忽略，试求：(1)每平方米过滤面积上获得1．5 3m 滤液所需的过滤时间； (2)若将此过滤时间延长一倍，可再得多少滤液?7.3 用过滤机处理某悬浮液，先等速过滤20 min ，得到滤液2 3m ，随即保持当时的压差等压过滤40 min ，则共得到多少滤液(忽略介质阻力)?解：恒速过滤的方程式为 22112KA t V =所以过滤常数为 21212V K A t =此过滤常数为恒速过滤常数，也是恒压过滤开始时的过滤常数，在恒压过滤过程中保持不边，所以恒压过滤方程式为2222222222112112121122V V t V V KA t V V A t V V A t t -=→-=→-=2222261211222(2)2020V t V V m t ⨯=+=⨯40+=总的滤液量为V=4.47m 37.4 有两种悬浮液，过滤形成的滤饼比阻都是13210 6.7510m Pa r --=⨯ ，其中一种滤饼不可压缩，另一种滤饼的压缩系数为0．5。
环境工程原理期末复习资料 河南工业大学
1、管路分为简单管路（①、通过各管路的质量流量不变；②、整个管路阻力损失等于各管路阻力损失之和。
）和复杂管路，复杂管路包括分支管路（①、总管流量等于各支管流量之和；②、主管段内各段流量不同，阻力损失需分段加以计算；③、机械能守恒。
）和并联管路（①、总流量等于各支管流量之和；②、各支管中阻力损失相等；③、各支管的流量依据阻力损失相同的原则进行分配。
）。
2、流量计包括测速管（毕托管）（测得的是点速度）、孔板流量计（固定安装，阻力损失较大）、文丘里流量计（比孔板流量计减少了机械能损失），转子流量计（必须垂直安装，流体自上而下流动）。
3、热量传递包括热传导、对流传热、辐射传热。
4、导热系数：①、气体导热系数很小，利于绝热保温，随温度和压强的升高而升高。
②、水的导热系数最大，常用做导热介质。
液体（除水和甘油外）导热系数随温度的升到而减小，压力影响不大。
③、固体：金属的λ选大于非金属的λ；金属有杂质，λ减小；纯金属λ随温度升高而减小，合金λ随温度升高增大；晶体λ随温度升高而减小，非晶体λ随温度升高而增大。
5、环境工程中常见的传质过程有：吸收、萃取、吸附、离子交换、膜分离。
6、重力沉降和离心沉降的比较：区别：①、重力沉降的动力是重力，沉降方向向下，沉降速度恒定，沉降的加速度为重力加速度；②、离心沉降的动力是离心力，沉降方向向外，沉降的速度与半径有关，是变化的，沉降的加速度为离心加速度。
联系：离心分离因数，是离心分离设备的重要指标，表示离心沉降速度较沉降速度可以提高的倍数。
7、过滤可以分为：表面过滤（滤饼过滤）和深层过滤。
8、表面过滤与深层过滤的比较：区别：①、表面过滤的条件是颗粒物浓度高，滤速慢，虑饼易形成，过滤的介质是织布或多孔固体，过滤介质的孔一般比颗粒物的粒径小，有效过滤介质主要是虑饼，实际应用于真空过滤机、板框式压滤机、慢滤池、袋滤器。
②、深层过滤的条件是颗粒物浓度底，滤速快，过滤介质是固体颗粒，过滤介质的空隙大于颗粒物粒径，有效的过滤介质是固体颗粒，实际应用于快滤池。
水污染控制工程第七章
Se S010 K1t
（7-4）
式中：t—污水与滤料平均接触时间，与滤层深度，水力负荷以及 滤料特性有关。
H Echenfelder提出可用下式计算接触时间 t C n q
（7-5）
式中：C、n是与滤料比表面积及水流特性有关的常数。当为紊流 时，n=2/3；当为层流时，n=1/2。代入式7-4，得
生物滤池的设计计算
供氧量 由温差确定
（7-8）
v = 0.075△T - 0.15 式中：v ─ 空气流速(m/min)
△T ─ 池内外温差，一般为6℃
氧的利用率一般按5～8％考虑。
生物滤池的运转管理与优、缺点
运行管理
挂膜、防止堵塞、减小环境影响
优点
动力省（不需曝气）、操作运转简便
缺点
处理效率低于活性污泥法
工艺特征及优缺点
工艺特征
工艺特征 高负荷率、滤层内部的分层
优缺点 与普通生物滤池和高负荷生物滤池相比，塔式生物滤池具有如下的 优缺点： 1）具有较高的负荷率，因此所需滤池体积较小； 2）塔身高，因而占地面积小； 3）对冲击负荷的适应性好。当受突变负荷冲击时，一般只是上层滤 料的生物膜受到影响，因此可较快地恢复正常工作； 4）塔身高,形成拔风状态,通风效果好;必要时塔顶可加设引风机; 5）由于塔身高，因而废水的提升费用高； 6）运行管理不甚方便。
生物滤池的设计计算
工艺设计
有机负荷法 已知 Fv a 滤料层容积 b 平面尺寸
V A H
Q ( S0 S e ) V FV
H=1~3m
（7-1） （7-2）
c 校核水力负荷
Q q A
（7-3）
q应在适宜范围内，否则改变H，重新求A
环境工程原理第07章过滤讲解
u
?
?p
r? ?L ?
Le ?
过滤过程中饼厚 L 难以直接测定，而滤液体积 V 易于测量，故用 V 计算过滤速度更为方便。
假设每过滤 1m3 滤液，产生滤饼量 f m3 ，
fV ? LA
L ? fV V：滤液体积， m3 A
同理，生成厚度 Le的滤饼获得过滤介质的当量滤液体
下易变形，导致滤饼中通道变小， 阻力增大。
为降低可压缩滤饼的过滤阻力，可加入助滤剂改 变滤饼的结构。 助滤剂是某种质地坚硬而能形成疏松 饼层的固体颗粒或纤维状物质 ，有两种加法：一是直 接将其混入悬浮液；二是预涂于过滤介质上。
一般只有在以获得清净滤液为目的时才使用助滤 剂。常用的 助滤剂有粒状 （硅藻土，珍珠岩粉，碳粉 或石棉粉等）和 纤维状（纤维素、石棉等）两大类。
悬浮液 (滤浆)
滤饼 过滤介质
滤液
过滤操作的外力：重力、压力差或惯性离心力。
过滤方式很多，适用广泛，固 -液、固 -气、大、小颗 粒等。无论采用何种过滤方式，均需过滤介质，过滤 介质是影响过滤操作重要因素。
二、过滤介质
起支撑滤饼作用，并让滤液通过，基本要求是具有足 够的机械强度、尽可能小的流动阻力，耐腐蚀和耐热
第一节 过滤操作的基本概念
本节思考题
(1)过滤过程在环境工程领域有哪些应用？ (2)环境工程领域中的过滤过程，使用的过滤介
质主要有哪些？ (3)过滤的主要类型有哪些？ (4)表面过滤和深层过滤的主要区别是什么？
第二节 表面过滤的基本理论
主要内容 一、过滤基本方程 二、过滤过程的计算 三、过滤常数的测定 四、滤饼洗涤 五、过滤机生产能力的计算
过滤p 压差?
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2 种类： 在单层滤料中，目前常用的滤料是石英砂；在双层、多层滤料中常用的 还有无烟煤、石榴石、钛铁矿、磁铁矿、金刚砂等。 活性炭滤池中，使用粒状活性炭； 硅藻土滤池中，用硅藻土； 轻质滤料（聚苯乙烯塑料珠、陶粒等） 双层和多层滤料效果较好，但无烟煤、磁铁矿、石榴石等滤料来源和加 工尚有一定困难，价格比较贵。
3 滤料性能参数
1) 滤料的比表面积
单位体积滤层中滤料的表面积称为滤料的比表面积。对于粒径不相 等的非均匀滤料，可以看作是由许多粒径相同的均匀滤料所组成。 单位为cm2/g或cm2/ cm3。
a
ai • Pi
2.7~7m 99% 7~12m99.9% 较大颗粒
99%~99.9%
工作条件
1.出水浊度可接近于0NTU，而且能很好的去除细菌、臭味、色度，水质很 好，可直接饮用。
2.过滤速度慢：v=0.1～0.3m/h
3.在滤料表面几厘米砂层中形成发粘的滤膜，这滤膜是一些藻类和原生动植 物繁殖的结果，形成滤膜大约需要1～2week。
一 滤料 1 要求
1)具有足够的机械强度，以防止冲洗时，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，尤 其不能含有对人体健康和生产有害的物质。 3)具有一定的颗粒粒度级配和适当的孔隙率，尤其外形近于球形的颗粒 孔隙率大，表面比较粗糙者，其比表面积较大。
分类
1 按滤速：慢滤池和快滤池 2 按滤料层结构：单层、双层和多层滤料 3 按水流流经滤层的方向：上向流、下向流等 4 按阀门配置：四阀滤池（普通快滤池）、双阀滤池、
无阀滤池、虹吸滤池、单阀滤池 5 按滤池运行方式：间歇式和连续式 6 按过滤驱动力：重力式和压力式
滤池的分类：
普通快滤池
慢滤池 双层或三层滤料滤池
根据滤速的不同分为:
接触滤池
快滤池 重力式无阀滤池
虹吸滤池
移动罩滤池
V型滤池
7.2 慢滤池和快滤池
一 慢滤池
于1826年在英国伦敦首先建立，亦名英国滤池。 构造如图：
慢滤池进水浊度宜小于20NTU。 慢滤池滤料宜采用石英砂, 滤 层厚度800～1200mm。 慢滤池滤料表面以上水深宜为 1.2～1.5m。 过滤速度慢：v=0.1～0.3m/h
滤膜 砂粒径0.3～1mm
卵石粒径1～32mm 集水系统 图7--1
超高0.3m 1.2～1.5
0.8～1.2 0.5～0.6 0.4～0.5
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，见7-1。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。
第 七 章 过滤
以普通快滤池的过滤和反冲洗 为重点，讲授过滤理论和反冲洗理 论。其它则介绍其工艺特点。
7.1 过滤概述
过滤：混凝、沉淀之后进一步降低水中的杂质，达到生活饮用水
标准的工艺过程。因为混凝沉淀之后水中浊度约为10NTU，含有
微小的絮凝颗粒（即2～30µm的颗粒）需要进一步去除。
功能： 1 进一步去除水中的悬浮颗粒。
1
6
13
2
10
7
11
5
8
4
9
12 14
3
图 6-3 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-浑水阀；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
1 构造
进水系统、过滤系统、集水系统、反洗系统
H滤层＝0.7～0.8m;
d=0.5～1.2mm
K80=d80/d10=2.0左右； H水深=1.5～2.0m
进水浊度一般在10NTU左右，出水可达饮用水标准。
V滤速＝8～12m/h（滤池的产水量用滤速表示）滤速是指
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。
若原水浊度较低，一般在150mg/l以下时，并且未受工业废水 的严重污染，可以直接过滤，亦可以加药混凝后，直接进入滤池 进行过滤，这通常称为接触滤池。
过滤是不可缺少的水处理工艺过程，它是保证生活饮用水卫生 安全的必要措施，也是活性炭过滤除臭除味、离子交换处理工业 给水的前处理。 2 过滤能去除水中有机物、细菌、病毒等，去除率大约为70～80 ％以上。 3 残留于滤后水中的细菌、病毒、有机物，失去浑浊度（物质）的 保护或依存而大部分呈裸露状态，为消毒杀菌创造了条件。
4.滤池工作1～6个月后，被淤泥堵塞，需人工将表面1～2cm砂刮出来清洗， 再重新铺装。
优缺点： 优点：水质好，能去除细菌、病毒，分别达98～99%，
可直接饮用。
缺点：生产效率太低，占地面积大。 如生产量为2000m3/h的水厂，需占滤池面积2000/0.2＝ 10000㎡=1公顷。
慢滤池砂的清洗很费时间，很费人工，劳动强度大。
表7-1 现代慢滤池的适用的进水条件与出水水质
适用的进水条件
出水水质
细菌的去除效率 颗粒物去除效率
浊度10ntu以下； 总大肠菌类 10~1000个 /100mL；
藻类不太多；
10000人以下的给 水处理
小于1.0ntu 总大肠菌类<1个
/100mL
细菌总数99% 能去除逗号弧菌
(Vibrio comma)
二 快滤池
经历60年后于1884年被提出，其特点有：
1) 原水必须加混凝剂，经混凝处理之后过滤才能有效地去除浑浊度。
2) 去除浊度不是靠筛除颗粒作用，而是靠接触絮凝作用。因为过滤时， 在砂粒孔隙内的水流都是层流状态，而层流产生速度梯度，会使微小的 矾花不断旋转，亦使矾花跨过流线向砂粒表面运动，当矾花接触砂粒时， 如果彼此间有足够的吸力，就被吸附去除了，而加混凝剂，压缩双电层 作用就为加强颗粒间的范德华引力创造了条件。构造如下图：
2 工作过程
（1）过滤过程：
（2）反冲洗过程：
快滤池的工作周期：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。一般12～24小时，它直接关系到滤池的实际工作时 间和冲洗水量的消耗。
过滤周期：从过滤开始到过滤结束。
如何提高滤速和延长工作周期，一直是过滤技术研究的一个重要课题。
7.3 颗粒滤料和承托层