给水工程滤料讲义.ppt

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1、上次课程的要点回顾,一 过滤基本机理1 迁移2 黏附二 滤料的基本要求三 滤料的基本性能和参数1 平均粒径和比重2 球度系数3 孔隙率4 比表面积,过滤基本理论,一、过滤的机理 水的过滤可视为一种“物理化学”过程，使水通过颗粒物料滤床，分离出水中的悬浮杂质和胶体杂质。水充满在滤池滤料的空隙内，杂质被吸附在颗粒的表面或被截留在空隙中。从而获得澄清的过程。过滤的机理主要包含迁移和粘附两个机理。1.颗粒迁移 在滤料层孔隙中随水流动的小颗粒在拦截、重力沉降、惯性、扩散、水动力等作用下与滤料颗粒的表面进行接触。2.颗粒粘附 当颗粒迁移到滤料表面，在各种物化、生物作用下，被粘附于滤料的颗粒或已经被截留在滤

2、料孔隙内的颗粒表面上。二、过滤的几个基本概念 1.滤层的含污能力 在一个过滤周期内，单位体积滤料中所截留的杂质。,过滤的几个基本概念,1.滤层的含污能力 在一个过滤周期内，单位体积滤料中所截留的杂质。2 反粒度过滤 使滤料粒径沿进水水流方向逐渐减小，使滤层中截留的杂质分布更趋于均匀，含污能力大大提高。3 理想滤层概念：沿着过滤的水流方向，滤层中滤料的粒径是从大到小递减的，那么沿水流方向滤料颗粒间的孔隙也是从大到小递减的。这样，一方面使进入滤池的水先接触到的那部分滤层能够比后接触到的那部分滤层多容纳悬浮固体，另一方面使这部分本来较大的孔隙，在容纳更多的悬浮固体后，仍然保留了一定的孔隙大小，允许水

3、中的悬浮物进入滤层的内部，从而在过滤的水头损失达到最大允许值的时候，整个滤层的截留悬浮固体的能力都得到充分地利用。,基本概念,4 滤料的粒径级配滤料中各种粒径颗粒所占的重量比例。不均匀系数：K80,过滤池的发展历史,最早的过滤设备是一种横向水流的滤池，后来才发展为竖向水流的，即慢滤池。其运行有两个特点：一是过滤的水流速度很慢，其滤速为，另一个是在过滤的初期存在一个称为成熟期的时间，新建的慢滤池要运转1-2周后，才能出现清亮的过滤水，在滤层表面形成一层滤膜，滤膜发挥着对水的净化作用。在慢滤池运行的过程中，一般慢滤池在运行2-3个月后，须停止滤水，并把滤层表面2-3cm的砂刮掉，刮砂后的慢滤池又需

4、经过23天的成熟期。缺点：滤速太慢、占地面积太大，建造费用大,过滤池的发展历史,1885年，美国人研究发明了快滤池，并于1909年建立了第一座快滤池。其滤料与慢滤池基本相同，有效粒径约为0.351.00mm，滤层厚度约为7090cm，滤速约为5-10m/h。快滤池必须解决两个问题：1 在高速水流条件下，如何让水中悬浮固体粘在滤料表面上？解决办法：向原水中投加混凝剂，使水中悬浮固体脱稳后再经过滤池过滤，脱稳后的悬浮固体极易被滤料表面吸附截留。2 如何清除在数小时甚至数十小时内，滤层中所截留的大量悬浮固体。快滤池的净化机理是利用滤料与脱稳粒子的相互作用来净化水质？解决办法：快滤池过滤一段时间后，截

5、留在滤料表面的浊质增加，使得过滤后水质不能达到出水水质要求，这时快滤池采用反冲洗的办法，使滤层膨胀或稍有膨胀，滤料在水力的剪切作用下或滤料之间的相互碰撞，从而使被截留的浊质被剥落，滤料得以清洗干净。所以，反冲洗是快滤池构造定性的一项关键技术。,第二节 水处理常用滤料,1）石英砂(sand filter medium)滤料 基本参数：粒径dmin=0.5mm，dmax=1.2mm，K802.0；滤料层厚度h=700mm；正常滤速v=810m/h，强制滤速v强1014m/h wash indensity(反冲洗强度)q=1215L/（sm2），反冲洗膨胀率(expension ratio)约为45

6、，冲洗时间57min。石英砂滤料具有机械强度高、化学稳定性好、廉价、取材便利等优点。但是由于反冲洗的水力筛分作用，反冲洗后滤层为小颗粒在上，大颗粒在下，其上小下大的孔隙分布不利于过滤，上部孔隙小易使滤层堵塞，下部孔隙大易使颗粒穿透。,传统石英砂滤料存在的问题：,截污能力差,过滤周期短,耗水量大,易板结、成球,综 合 技 术 经 济 效 益 低 下,严重结球板结的滤池,2）无烟煤(anthracite)-石英砂双层滤料,基本参数：上层为无烟煤滤料，粒径dmin=0.8mm，dmax=1.8mm，K802.0，厚度h=300400mm；下部为石英砂滤料，粒径dmin=0.5mm，dmax=1.2m

7、m，K802.0，厚度h=300400mm；正常速率v=1014m/h，强制速率v强1418m/h；反冲洗强度q=1316L/（sm2），反冲洗膨胀率约为50，冲洗时间68min。,无烟煤石英砂双层滤料在一定程度上克服了石英砂滤料孔隙分布的缺点。上层大颗粒的无烟煤能够多纳污，下层石英砂可以保证出水水质。滤速高于砂滤料，纳污量大，过滤周期长。,双层滤料的特点,3）均质(uniform)滤料,均质滤料是指使滤料层中上下颗粒分布均匀的滤料。基本参数：有效粒径d10=0.951.35mm，K60950mm,一般在10001500mm；设计滤速v=815m/h；反冲洗：先气冲12min，再气水同时冲34

8、min，最后水冲34min；气冲强度1317L/（sm2），气水同时冲时水冲洗强度34.5L/（sm2），最后水冲强度1.42.3L/（sm2）。均质滤料层的纳污能力大，可增加过滤周期。,正在进行冲洗的均质滤料滤池,4）纤维球(fibreball)滤料,日本最早由尤尼卡公司开发出纤维球滤料，在由该材料组成的滤层中，机械筛滤、沉淀和接触絮凝作用都可以得到充分发挥，因此纤维球滤料具有滤速高、水头损失小、滤层截污量大、周期长、操作简便等优点。国内清华大学环境工程研究所研制的国产纤维球滤料，是由丝径为20-80微米左右的聚酯纤维丝制成的。将其应用于工业给水和废水处理领域后，在某些处理效果上优于天然石英

9、砂。并且，和日本纤维球相比，国产纤维球滤层具有柔性可压缩的特点。因此，在进行过滤时，国产纤维球滤层从上到下逐渐压实，滤层孔隙和比表面积从上到下逐渐减小，更近似一种理想滤料。而日本纤维球属于刚性不可压缩的材料，不具备这样的功能。,日本纤维球滤料,清华产纤维球滤料,工程实例：纤维球与石英砂滤柱过滤出水的试验结果,5）核桃壳滤料,核桃壳滤料具有亲水性好、抗油浸、吸附截污能力强（吸附率2759）、除油率高（8590）、耐磨性好、硬度高、抗压能力强等良好性能，因此对采油废水可实现高速（2030m/h）的过滤处理，而较低的颗粒密度，易于进行水力反冲，且所需的反冲洗强度较低；核桃壳滤料在进行必要的脱脂处理和

10、化学处理后，可具有相当好的化学稳定性(不易在酸碱溶液中溶解、耐腐蚀)。,6）瓷砂滤料,瓷砂滤料是一种新型人工滤料。它是以优质高岭土为原料，掺合一定的成孔剂、粘合剂和发泡剂，经过炼泥、陈腐、成型、干燥、烧成等工艺生产而成的一种球型均质滤料，表面坚硬，外观白色，内部多微孔。,瓷砂滤料的微孔结构,瓷砂滤料的表观结构,三、承托层,承托层一般采用 天然鹅卵石或砾石，其作用是防止滤料流失及均匀布水。规格：粒径：2-4mm；厚度：100mm 4-8mm；厚度：100mm 8-16mm；厚度：100mm 16-32mm；厚度：至少应高于配水系统孔眼的100mm,第三节 滤层工作方式,1 传统下向流过滤 目前普

11、通快滤池、虹吸滤料、无阀滤池、“V”型滤池等多种形式的滤池均采用下向流过滤。过滤形式：,待滤水从滤床的表层细滤料进，从底层粗滤料出。反冲洗时，向上流动的水流速度足以把滤层托起来，使砂砾处于悬浮状态。处于悬浮状态的砂砾就会自动的重新按小颗粒在上大颗粒在下的顺序排列，这称为水力分级现象。冲洗完毕后，在沿滤层的厚度方向上，滤料是按从小到大的顺序排列的。,过滤特点,这种分级作用，使下向流过滤存在弊端。表层细滤料粒径小，由它们所组成的滤层孔隙直径亦小，待滤水中粒径大的悬浮物就先被表层细滤料所截留。由于表层细滤料孔隙直径小，很快就被悬浮物堵塞，整个滤床水头损失上升很快。表层细滤料截污量越来越多，待滤水中的

12、杂质大量移向下层粗滤料。由于滤料粗，孔隙直径大，细小的杂质很难被其截留，故滤后水浊度逐渐升高。当表层细滤料截污达到饱和，大量杂质穿透整个滤床时出水水质恶化，此时水头损失也达到了期终水头损失值，一个过滤周期结束。,2 上向流过滤,反粒度过滤理论认为，为了改善水质又充分发挥整个滤床的截污作用，待滤水应该是先粗后细的过滤方式。上向流过滤就是对这一理论的应用。,上向流过滤有一个明显的优点，可以用单一滤料实现从粗到细的过滤。沿着向上过滤的方向无论是孔隙空间还是颗粒尺寸，均为从粗到细的级配。相同方向上的反冲洗的水力分级又会使滤料按从小到大的顺序排列。,上向流过滤的弊端,当水头损失大于某给定高度，并超过了该

13、高度以上的滤床重量时，滤床就会上腾或部分滤料流失，从而使以前已截除的悬浮杂质逸入出水中。前苏联的滤床深1.8m，以期尽量减少滤床的上腾范围；美国在表层细滤料上放置一套平行板或一块金属网来解决滤床膨胀问题，但给反冲洗带来不便。,3 双向流过滤,双向流是上向流的改造形式，用池中的分流来试图截住向上流的那部分滤床，办法是在上向流滤床上面加一个向下流的滤床。采用双向流过滤的滤池由前苏联研制，又叫AKX滤池。,双向流滤池最主要的特点是，顶部与底部两半都是完全独立的两个滤池，其容量相等，从而在结构上和排水系统上都得到某些节省。,双向流过滤的缺陷,双向流滤池存在一个固有的局限性，使它不能用来作为生产出水质量

14、高的设备。对于单一滤料的双向流滤池，它的最细滤料放在处于上半部的下向流滤池滤床的顶部，上半部就构成了一个快滤池或表面式过滤池，其滤出水最好也不会超过普通快滤池的水质；而处于下半部的是粒径由粗到细的反粒度过滤池，其最细滤料的粒径也比普通快滤池中有效应用的最细滤料粒径还要粗，因为没有由一定粒度的细滤料所组成的水质保护层，显然滤出的水比上部普通快滤池出水水质还要差。,4 辐射流过滤,辐射流过滤装置中，水由圆筒形滤料层的中心水平向周围放射性流动，并在周边排出，沿流向其滤速与半径成反比，且滤速在流入处最大，向四周逐渐减小，在流出处最小。滤速大时，悬浮物达到的深度也大。所以在滤速沿滤层逐渐减速小的滤池中，

15、悬浮物的截留深度也将增大，从而使整个滤层发挥作用。特点：截留杂质沿流向分布趋于均匀，过滤水头损失的增长会减慢，工作周期可以延长。同时，经内周滤层除去了大部分杂质的悬浮液，通过外周滤层时，以更低的滤速进行最后精滤可以得到良好的水质。,（1）外向型辐射流,A 外向辐射流过滤中，杂质去除基本上集中在表层至多14厘米以内，比普通下向流的穿透深度还低，这意味着它实际上将很快地产生表层阻塞。B 外向辐射流依靠增加水动力能量消耗来迫使杂质向滤层深处穿透并不经济。,（2）收敛流过滤,是基于过滤截留杂质的自然趋势主要是表层作用的原理而出现的一种新的过滤方式。它是指过滤水由外向内横向水平收敛式地流过滤床进行过滤。

16、这种水流方式增大了滤池的过滤进水表面面积，使环绕周边的表层滤料充分发挥了过滤作用，提高了过滤效率。收敛流滤池便于安装使用和节约占地，可用于煤矿、村镇、工厂的给水和废水处理。,课外作业,居住在美国佛罗里达州Tampa Bay的Tommy一家喝到的水带有一股藻腥味，当他们移居到加州后，发现所喝到的饮用水中藻腥味消失了。据了解，加州自来水厂多采用双层滤料滤池，而佛州则多为单层石英砂滤池。假设这两地水源均取自山间地表水，试运用今天所学知识来解释上述现象。,4 高分子聚合物对过滤过程的影响,1968年，Tuepker和Buescher研究发现聚电解质(0.003mg/l)可明显改善常规过滤出水水质,并能

17、有效阻止由于滤速突然改变而引起的悬浮颗粒穿透；1974年，Adin和Rebhum研究发现在直接过滤前投加0.050.4mg/l的阳离子聚电解质可有效降低滤后水浊度，提高周期产水量.,作用原理分析,这是因为高分子聚合物，特别是聚丙烯酰胺这种有机高分子聚合物，通常具有发达的链状结构和自由基团。借助于这种发达的链状结构和自由基团，聚合物能比较牢固地吸附在滤料和悬浮颗粒表面，并在各种颗粒之间形成架桥作用。因此,当作为助滤剂的PAM投入待滤水中，可加强待滤水中悬浮颗粒和滤料颗粒的吸附,从而起到阻止或延缓悬浮颗粒穿透的作用。,淀粉聚丙烯酸钠接枝聚合物模型图,第四节 滤池的运行,滤池过滤的运行方式有两种：变

18、水头恒速过滤、减速过滤。1.变水头恒速过滤 过滤的过程中，过滤的水头损失不断增加，滤速保持不变。变水头恒速过滤的优点是控制简单，单池过滤水量恒定。缺点是滤池水头损失大、当滤层纳污量已经较大时仍需保持较高滤速，易使小颗粒穿透，过滤的水质不如减速过滤好。2.恒水头减速过滤 过滤的过程中，过滤的水头损失近似保持不变，滤速不断降低。如移动冲洗罩滤池。在过滤初期，较大的滤速可使悬浮杂质深入到滤层内部，在过滤后期，较小的滤速可防止悬浮杂质穿透滤层，具有自然调节能力。因此，滤后水质较好，水头损失较低。,第四节 滤池的冲洗,一、冲洗方式 1.水冲洗 截留于滤层中的污物，在水流剪力和滤料颗粒碰撞摩擦双重作用下，

19、从滤料表面脱落下来，然后被冲洗水带出滤池 2.气水反冲洗：有三种方式：1）先气冲，再水冲；2）先气水同时反冲，再用水反冲；3）先气冲，然后用气水同时反冲，最后再用水冲。第三种方式效果最好，但应注意滤料的流失 作用原理：1）利用上升空气气泡的振动；2）促进滤料颗粒之间的相互摩擦，可有效地将附着于滤池表面的污物擦洗下来，再用水洗将其排出池外。,二、配水系统 配水系统的作用在于使反冲洗水在整个滤池面积上均匀分布。1.大阻力配水系统 大阻力配水系统是减少孔口总面积以增大孔口阻力系数，从而削弱承托层、滤料层阻力系数及配水系统压力布均匀的影响。2.小阻力配水系统 小阻力配水系统是通过减小干管和支管进口流速

20、，从而使布水趋于均匀。3.两种配水系统的比较 大阻力配水系统的配水均匀性较好，但结构比较复杂，而且增加了能耗。小阻力配水系统的配水均匀性较差，这是由于当滤池内的其它结构如滤层、承托层的分布稍不均匀，就会严重影响配水的均匀性，所以滤池的面积不宜过大。,配水系统作用原理,假定A、C两点分别位于路线1和2上，而且是距离进口最近和最远的两点，也就是冲洗强度相差最大的两点。设A点的冲洗强度为qA，C点的冲洗强度为qC,则在a面积上的流量qA=qAa 在a面积上的流量qc=qca 从路线1上来看:Hw=配水系统沿程损失和局部损失S1A(qA2)+配水孔眼出流水头损失S2(qA2)+承托层水头损失S3(qA

21、2)+滤料层水头损失S4(qA2)+溢流水头从路线2上来看:Hw=S1c(qc2)+S2(qc2)+S3(qc2)+S4(qc2)+溢流水头,作用原理,即:S1AqA2+S2qA2+S3qA2+S4qA2=S1cqc2+S2qc2+S3qc2+S4qc2qA/qc=(S1c+S2+S3+S4)/(S1A+S2+S3+S4)1/2=(Sc/SA)1/2Sc和SA为A C两条路线的总阻力系数,由于S1C不等于S1A,所以qA不等于qC可以通过两种方法,使得两者接近,作用原理,1 加大S2,使得S1A和S1C的差值在S 中变得微不足道,从而使得qA接近于qC即通过缩小配水管道的孔眼面积的方法来实现,

22、这就是大阻力系统的原理.2 在保持S2值较小的条件下,通过把S1值尽量减小,以使得S1C和 S1A的差值在S 中变得微不足道,从而使得qA接近于qC实际运行中通过减小干管和支管的进口流速来实现.这就是小阻力配水系统的原理,第五节 滤池的类型,给水处理中常用的滤池的池型有：普通快滤池、双阀滤池、虹吸滤池、重力式无阀滤池、移动罩滤池、均粒滤料滤池、压力滤灌等。1.普通快滤池 普通快滤池采用大阻力配水系统，设有滤池进水、滤后清水、反冲洗进水、反冲洗排水四个阀门。其应用广泛，运行稳定可靠，适用于大、中、小型水厂，但是阀门多，运行操作与检修工作量大。设计要点：1）滤池的单池面积小于100m2，一般在20

23、50m2。2）滤池池深一般为3.23.6m；3）当滤池的个数少于5个时，宜采用单排布置，反之采用双排布置；4）滤层上面的水深一般采用1.52.0m；5）超高一般采用0.3m；6）一般采用管式大阻力配水系统，配水孔眼总面积与滤池面积之比为0.25%0.30%。,2.双阀滤池 双阀滤池的结构与普通快滤池基本相同，只是把进水阀和反冲洗排水阀改用虹吸管代替，单池减少两个大阀门，但需增加虹吸管控制的真空系统。3.虹吸滤池 虹吸滤池是利用虹吸作用来代替滤池的各阀门，反冲洗所需的水头和水量均来自滤池本身。虹吸滤池采用小阻力配水系统，运行方式为变水头恒速过滤。虹吸滤池适用于大中型水厂，优点是不需大型阀门；不设

24、单独的反冲洗水塔或水泵；滤出水水位高于滤层表面，不致产生负水头现象。缺点是池深较大，不利于施工；滤出水的水质不如普通快滤池。4.移动罩滤池 移动罩滤池是由许多滤格为一组构成的滤池，利用一个可移动的冲洗罩轮流对各滤格进行冲洗。移动罩滤池的特点是池身浅、占地省，造价低；但是对移动罩体的密闭性要求极高，自动化控制的程度高。,4.移动罩滤池 移动罩滤池是由许多滤格为一组构成的滤池，利用一个可移动的冲洗罩轮流对各滤格进行冲洗。移动罩滤池的特点是池身浅、占地省，造价低；但是对移动罩体的密闭性要求极高，自动化控制的程度高。,5 V型滤池,特点：1 采用均质滤料2 气水不膨胀反冲3 减速过滤方式,第五章 消毒

25、(deinfection),第一节 氯消毒(Chloride)第二节 其它消毒剂,第一节 氯消毒,1.消毒机理 通过破坏病原体的基本生理功能单元，如酶、辅酶和氢载体等来杀灭病菌。2.氯消毒反应 Cl2H2OHOClHCl HOCl H+OCl HOCl为主要的消毒产物。PH值越低，抑制该反应向右进行，故其消毒作用也越强。自由性余氯：HOCl Cl2 OCl 化合性余氯：水中的氯以氯胺形式存在。NH3HOCl NH2ClH2O NH2Cl HOCl NHCl2H2O NHCl2H2O NCl3H2O,3 折点加氯（1）折点前，以化合性余氯为主要消毒剂，消毒效果相对较差，但节省费用（2）折点后，以

26、自由性余氯为主要消毒剂，消毒效果好，但费用高,折点加氯,第二节 其它消毒剂,一、ClO2消毒 1.特点：1）消毒能力强，对细菌、病菌有很强的消毒能力；2）不会与水中的有机物生成有机氯化物；3）不会与氨反应，因而在原水中NH4H含量高时仍然能保持全部的消毒能力；4）ClO2的残余量在管网中能维持很长的时间；5）须现场制备后投加，由于在较高的蒸汽压下可能发生爆炸，使用时注意安全。2.制备：1）用NaClO2和Cl2制备 Cl22NaClO22ClO22NaCl 2）用NaClO2和Cl2制备 4HCl5NaClO24ClO25NaCl2H2O,二、氯胺消毒 特点：1）不会产生氟臭和氯酚臭；2）大大减小了产生三卤甲烷的可能性；3）在水中保持消毒的能力较长；4）杀菌能力比自由性余氯弱。除此以外，还有O3消毒、紫外线消毒、高锰酸钾复合药剂消毒等。,