第8章 过滤

留）。 随着过滤时间延长，滤层中杂质逐渐增 大，以至最后粘附上的颗粒（图中颗粒3）将 首先脱落下来，或者被水流夹带的后续颗粒 不在有粘附现象，于是，悬浮颗粒便向下层
推移，下层滤料截留作用渐次得到发挥
水中杂质进入滤层后，首先被第一层滤料 截留大部分，少量 “漏网”的杂质被下层 的滤料所截留。过滤到一定时间后，表面 滤料间孔隙率逐渐被杂质堵塞，严重时， 由于表层滤料的“筛滤” 结果，形成滤膜， 使过滤阻力剧增。其结果，在一定过滤水 头下，滤速将急剧减小，或滤膜产生裂缝 时，大量水流将自裂缝中流出，造成局部 流速过大而使杂质穿透整个滤层，出水水 质恶化。 这时尽管下层滤料还未发挥它们 应有的作用，过滤也将被停止。 （杂质在滤层中的分布情况见图） 滤层含污能力：是指工作周期结束时， 整个滤层单位体积滤料中所截留的杂质量， 以kg/m3或g/cm3计，显然含污能力大，表 明整个滤层所发挥的作用大。
第8章 过 滤
过滤概述 原水经过沉淀后，水中尚残留一些 细微的悬浮杂志，需用过滤的方法除去, 过滤就是以具有孔隙的粒状滤料层（如 石英砂）截留水中杂质，从而使水获得 澄清的工艺过程。 过滤水的浊度不超过3mg/l (新标准 不超过1mg/l)。 过滤对生活饮用水的水厂来说， 必 须有过滤，这是不可缺少的。 右图为常用的普通快滤池的构造图， 池体为钢筋混凝土水池。 滤料层、垫层、配水系统、排水槽。 工作周期：从过滤开始到冲洗结束的一 段时间称为快滤池工作周期。
滤池在运转过程中，由于滤池出水 水质恶化超过水质标准，而停止工 作的滤池工作周期为水质周期T1。 水质周期常常用实验得到，其实验
方程为：
L0 1 ad T1 ( 1.7 0.7 ) k1 v d v
k1、a—系数与水质有关（可根据周期反求） L0—滤层厚度； v—滤速； d—滤料直径。 T1与L0成正比、与v成反比，与d成反比 。(滤料粗，周期短）
设粒径为di的滤料重量占全部滤料重量之比为pi，则清洁滤层总水头损失为：
(1 m0 ) 1 2 H 0 h0 180 ( )l0v ( pi / d i ) 3 g m0 i 1
2 n
分层越多，计算精度越高。 （悬浮物杂质增多，m0由H0公式知，当d0、 l0 、 T已定时，如m0 、 H0不 变v，反之v不变 H0） 这样就产生了等速过滤与变速过滤两种过滤方式。 （二）等速过滤中水头损失的变化 当滤池过滤速度保持不变，亦既滤池流量保持不变时，称“等速过滤”。
（一）颗粒迁移
在过滤过程中，滤层孔隙中的水流一般属层流状态。被水流夹带的颗粒将随 水流流线运动，它之所以会脱离流线而与滤料表面接近，完全是一种物理的 力学作用。一般认为有以下几种作用引起：
当颗粒尺寸较大时，处流线中的颗粒会直接碰到滤料表面产生拦截作用； 颗粒的速度较大时会在重力的作用下脱离流线，产生沉淀作用； 颗粒具有较大惯性时也可以脱离流线与滤料表面接触（惯性作用）； 颗粒较小时，布朗运动较剧烈时会扩散至滤料表面（扩散作用）； 在滤料表面附近存在速度梯度，非球体颗粒由于在速度梯度作用下，会产生 转动而脱离流线与颗粒流线接触（水动力作用）。
滤速：单位时间、单位过滤面积上的过滤水量称为滤速。
Q v （m/h)
单位面积上的过滤水量，这是表面负荷，但它具有速度的 因次“米/小时”所以习惯上又把表面负荷称作过滤速度。 Q—滤池的过滤水量(m3/h) —滤池的过滤面积(m2) 普通快滤池 v=8~10 m/h； 周期 T=12~24h 在保证滤后水质前提下，设法提高滤速和工作周期，这一直是 过滤技术研究的一个重要课题。并因此推动了过滤技术的发展。 双层滤料 v=10~14 m/h； 多层滤料 v=18~24 m/h。
冲洗后刚开始过滤时， 滤层水头
损失H0，当过滤时间为t时，滤层
水头损失增加Ht ，于是过滤时滤 池总水头损失为：
H t H 0h H t
式中：H0—清洁滤层水头损失cm; h—配水系统、承托层及管（渠）水头损失之和cm; Ht —在时间为t时的水头损失增值cm; 式中的H0和h在整个过滤过程中不变。 Ht随t增加而增大。 Ht与t 的关系，实际上反应了滤层截留杂质量与过滤时间的关系，亦既滤层孔 隙率的变化与时间关系。由于过滤情况很复杂，目前虽然不少计算公式， 但与生产实际都存在着差距。 通过实验Ht与t一般呈直线关系。（见下图）
T1和T2不会恰好相等，如何使T1和T2接近： L大 、 T1大，直线关系； L大 、 T2小，直线关系； L＜L0时， T1＜T2。 T2没达到，水质恶化，是不经济的、不理想的，水质控制较麻烦，在 L1厚时工况是理想的，但是不经济。 最佳工况应该是： T1=T2 、L=L0 （滤层厚度为L0 ） 加厚滤层厚度，就可以加大水质周期，使T1接近T2 ，设计时使工况 在最佳点右侧，使T1始终大于T2 （加大L0即可达到）也可通过改变粒径 达到。 T1=（1.2~1.5）T2，这样比较有利，管理方便，但不是最优的。
H T H 0 H
当过滤水头损失达到最大允许水头损失 Hmax ，过滤既告终止。 令： T ‘ =T2，T2 —压力周期（是由水头损失达最大允许水头损失而结束 的过滤周期）
实验方程：
hmax d 1 1 T2 ( 0.5 k2 d bv
2
l0 )
k2、b系数，通过实验确定； T2与hmax、d成正比；与v、l0成反比，l厚，T2短。 （三）变速过滤中的滤速变化 滤速随过滤时间而逐渐减小的过滤称“变速过滤”或“减速过滤”。 在过滤过程中，如果过滤水头损失始终保持不变，由前H0公式可知， 滤层孔隙的逐渐减小（m0),必然使滤速逐渐减小（v ），这种情况称为 “等水头变速过滤”。 变速过滤的特点： 与等速过滤相比，在平均滤速相同的情况下： 1.减速过滤的滤后水质好； 2.在相同过滤周期内，过滤水头损失较小。 3.相反，滤层内截留杂质较多时，虽然滤速降低，但因滤层孔隙率减小， 孔隙流速未必减小。
图中Hmax为水头损失增值为最大时的过滤 水头损失。设计时应根据技术经济条件决 定，一般为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，过滤周期不仅决定于最大 允许水头损失、还与滤速有关，设滤速v ' >v，其清洁砂层水头损失为H0 '一方面H0 '> H0 ，同时单位时间内被滤层截留的杂质 量较多，水头损失增加也较快，tg ' > tg， 因而，过滤周期T ' <T。其中已忽略了承托 层及配水系统、管（榘）等水头损失的微 小变化。
破坏作用： 负水头会导致溶解与水中
的气体释放出来而形成气
囊。
气囊对过滤有破坏作用： 减少有效过滤面积，使过滤时的水头损失及滤速增加，严重时会破
坏滤后水质；
气囊会穿透滤层上升，有可能将部分细滤料或轻质滤料带出，破坏 滤层结构，反洗时，气囊更易将滤料带出滤池。
3.解决的办法： 增加砂层上的水深； 滤池出口位臵等于或高于滤层表面。（虹吸滤池和无阀滤池所以 不会出现负水头现象就是这个原因） 一旦出现负水头现象，首先必须停池。
（二）颗粒粘附
粘附作用是一种物理化学作用。当水中颗粒迁移到滤料表面时则在范德华 引力和静电力相互作用下，以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力下，
粘附于滤料颗粒表面上，或者粘附在滤料表面上原先粘附的颗粒上。此外，
絮凝颗粒的架桥作用也会存在。粘附过程与澄清池中的泥渣所起的作用基 本类似，不同的是滤料为固定介质，排列的紧密，效果好。
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。未
经脱稳的悬浮物颗粒，过滤效果很差，这就是证明。基于这一概念，过滤 效果主要取决于颗粒表面的性质而无须增大颗粒尺寸。相反如果悬浮颗粒
尺寸过大而形成机械筛滤作用，反而会引起表面滤料孔隙堵塞。
（三）滤料层截留杂质的规律 粘附力和水流剪力相对大小，决定了颗粒粘附和脱稳 卡曼——康悉尼计算公式（Carman——Kozony)
h0 180
(1 m0 ) 2
g m0
3
1 2 ( ) l0 d0
式中：h0—表示水头损失（cm）； —水的运动粘度(cm3/s)； g—重力加速度(cm2/s)； m0—滤料孔隙度； d0—与滤料体积相同的球体直径(cm)； l0—滤层厚度(cm)； v—滤速(cm/s) —滤料颗粒球度系数。 实际滤层是非均匀滤料。计算非均匀滤层水头损失，可分成若干层， 则各层水头损失之和为整个滤层总水头损失。
此图为一组4座滤池滤速的变化
如一组中滤池个数更多就 接近连续曲线了。
（四）滤层中的负水头（滤层中的压力变化） 1.何为负水头现象 在过滤过程中，滤层截留了大量的杂质以至砂面以下某一深度处的水头
损失，超过该处水深时，便出现了负水头现象。
各水压线与静水压力线之间水平距离表示过滤时滤层中的水头损失。
2.负水头对过滤的影响及
过滤理论
一、过滤机理
筛滤机理 设D=0.5 mm,以球体计， d80 nm。既80 nm 以下的颗粒都可以通过砂层。 而经过混凝沉淀的进入滤池的最大颗粒尺 寸一般为20~30 nm之间，还有很多更小的颗粒， 但滤池都能去除掉它们，说明不是 “筛滤”的 作用。筛滤的机理无法解释。 经过多人研究，认为过滤主要是悬浮颗粒 与滤料颗粒之间粘附作用的结果。 水中的悬浮颗粒能够粘附与颗粒表面上，涉及 两个问题： 第一、被水流夹带的颗粒如何与滤料颗粒 表面接近或接触， 第二、它们接近时依靠那些力的作用，使 它们粘附于滤料表面上。
d 增大，粗滤料颗可提高滤
层的含污能力，增大压力周期， 有的粒径可达1.0 2.0 mm ，同
时要增大滤层厚度，粗滤料反冲
的水量大，限制了滤料过粗。
4.均质滤料的组成 均质滤料是指沿整个滤层深度方向任意横断面上，滤料组成和平均粒 径均匀一致。要做到这一点，必要的条件是反冲洗滤料层不能膨胀。当前 应用较多的气、水反冲洗滤池就属于均质滤料滤池，这种均质滤料层的含 污能力显然也大于上细、下粗的级配滤层。 5.辐流式过滤