第16章 物理化學(xué)處理(過濾)

第二節(jié)過濾法

在常規(guī)水處理中，過濾一般是指以石英砂等粒狀濾料層截留水中懸浮雜質(zhì)，從而使水獲得澄清的工藝過程。

過濾的功效，不僅在于進(jìn)一步降低水的濁度，而且水中有機(jī)物、細(xì)菌乃至病毒等將隨水的濁度的降低而被部分去除。殘留的細(xì)菌、病毒在失去附著物的保護(hù)和依附后，在濾后消毒中也容易被殺死。1.工作過程由過濾與反沖洗兩部分組成。

渾水流經(jīng)濾料時，水中雜質(zhì)被截留，隨著濾料層中雜質(zhì)截留量的逐漸增多，濾料層中的水頭損失也相應(yīng)增加，當(dāng)水頭損失增加到一定程度時，會使濾池產(chǎn)水量減少，或濾過水質(zhì)不符合要求時，應(yīng)停止過濾進(jìn)行沖洗。沖洗水自下而上穿過承托層及濾料層，均勻分布于整個濾池平面上，濾料層處于懸浮狀態(tài)，濾料得到清洗。

2、過濾理論（1）兩階段理論：由遷移與粘附組成。遷移：沉淀、擴(kuò)散、慣性、阻截和水動力，見下圖。粘附：范德華引力、靜電力、以及某些化學(xué)鍵和某些特殊的化學(xué)吸附力作用、絮凝顆粒間的架橋作用。（2）附著力與水流剪力3-3在過濾初期，濾料較干凈，孔隙率較大，孔隙流速較小，水流剪力較小，粘附作用占優(yōu)勢。隨著過濾時間延長，濾層中雜質(zhì)逐漸增多，孔隙率減小，水流剪力逐漸增大，以至最后粘附的顆粒將首先脫落，或后續(xù)顆粒不再有粘附現(xiàn)象，于是，下層濾料的截留作用漸次發(fā)揮。實際上，在下層濾料作用遠(yuǎn)未得到充分發(fā)揮時，過濾就得停止。表層濾料粒徑最小，孔隙將逐漸被堵塞，或懸浮物穿過過濾層而使水質(zhì)惡化，過濾將被迫停止。3、過濾方式（1）恒速過濾在恒速過濾狀態(tài)，由于濾層逐漸被堵塞，水頭損失隨過濾時間逐漸增加，濾池中水位逐漸上升，當(dāng)水位上升到最高水位時，過濾停止以待沖洗。無閥濾池與虹吸濾池是典型的恒速過濾濾池。（2）減速過濾在過濾過程中，如果過濾水頭損失始終保持不變，孔隙率逐漸減小，必然使濾速逐漸減小。移動罩濾池屬于變速過濾濾池。

（3）

直接過濾

原水不經(jīng)過沉淀而直接進(jìn)入濾池的過濾稱為“直接過濾”。直接過濾有兩種方式：①原水加藥后只經(jīng)過混合就直接進(jìn)入濾池過濾，稱為“接觸過濾”。也可稱為“直流過濾”，圖中（a）與（b）所示；②原水加藥后經(jīng)過混合和微絮凝池后進(jìn)入濾池過濾，稱為“微絮凝過濾”，如圖中（c）與（d）所示。

直接過濾的兩個特點：①采用雙層或三層濾料濾池；②采用聚合物為混凝劑或助凝劑。

直接過濾要求：①原水濁度和色度較低且水質(zhì)變化小，常年原水濁度低于50度；②直接過濾中的濾速應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)決定，濁度偏高時應(yīng)采用較低濾速，當(dāng)原水濁度在50度以上時，濾速一般在5m/h左右。

4、濾料與承托層（1）

濾料的要求

a.具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度

b.具有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性

c.具有一定的顆粒級配和適當(dāng)?shù)目紫堵?/p>

d.能就地取材、價廉。

石英砂是使用最廣泛的濾料，雙層和多層濾料中，常用的還有無煙煤、石榴石、鈦鐵礦、磁鐵礦、金剛砂等。輕質(zhì)濾料有聚苯乙烯及陶粒等。

無煙煤石榴石磁鐵礦金剛砂陶粒(2)濾料性能參數(shù)

a.比表面積單位重量或體積的濾料所具有的表面積，單位為cm2/g或cm2/cm3。b.有效粒徑與不均勻系數(shù)粒徑級配可以用濾料的有效粒徑和不均勻系數(shù)表示，關(guān)系如下：

d10——通過濾料重量10％的篩孔孔徑(mm)d10稱為有效粒徑，它反映細(xì)顆粒尺寸，小于d10的顆粒是產(chǎn)生水頭損失的主要部分。

d80——通過濾料重量80％的篩孔孔徑(mm)反映粗顆粒尺寸不均勻系數(shù)K80——表示粗細(xì)顆粒差別的大小或不均勻程度。（通常要求K80

＜2.0）

砂粒級配對濾池的運行的影響：不均勻系數(shù)K80越大，則大小顆粒差別越大，顆粒越不均勻。這對過濾和反沖洗都會產(chǎn)生不利影響，因為K80較大時，大小顆粒摻雜的結(jié)果，過濾時會降低濾料層的孔隙率，影響濾層的含污能力以及增加過濾時的阻力，反沖洗滿足細(xì)顆粒膨脹要求，粗顆粒將得不到很好清洗；若為滿足粗顆粒膨脹要求，則細(xì)顆粒可能被沖出池外。

(3)最大粒徑、最小粒徑表1濾料級配與濾速類別濾料組成濾速（m/h）強(qiáng)制濾速（m/h）粒徑（mm）不均勻系數(shù)K80厚度（mm）單層石英砂濾料dmax=1.2dmin=0.5<2.07008~1010~14雙層濾料無煙煤dmax=1.8dmin=0.8<2.0300~40010~1414~18石英砂dmax=1.2dmin=0.5<2.0400三層濾料無煙煤dmax=1.6dmin=0.8<1.745018~2020~25石英砂dmax=0.8dmin=0.5<1.5230重質(zhì)礦石dmax=0.5dmin=0.25<1.770

（4）承托層

承托層的作用：①防止濾料層從配水系統(tǒng)流失；②均勻布置反沖洗水。

表2快濾池大阻力配水系統(tǒng)承托層粒徑和厚度層次（自上而下）粒徑（mm）厚度（mm）12~410024~810038~16100416~32本層頂面高度至少應(yīng)高于配水系統(tǒng)孔眼100mm表3三層濾料濾池承托層材料、粒徑與厚度層次（自上而下）材料粒徑（mm）厚度（mm）1重質(zhì)礦石（如石榴石、磁鐵礦等）0.5~1.0502重質(zhì)礦石（如石榴石、磁鐵礦等）1~2503重質(zhì)礦石（如石榴石、磁鐵礦等）2~4504重質(zhì)礦石（如石榴石、磁鐵礦等）4~8505礫石8~161006礫石16~32本層頂面高度至少應(yīng)高于配水系統(tǒng)孔眼100mm

5、濾池沖洗

常用的反沖洗方法有以下2種：

①高速水流反沖洗：具有一定的膨脹度，形成上細(xì)下粗的水力分層，需水量大。

②氣-水聯(lián)合反沖洗；

利用上升氣泡的振動，將濾料表面污物破碎、脫落，再由水沖帶出池外。水沖強(qiáng)度可降低，可減少水沖水量，提高濾池沖洗質(zhì)量。沖洗時濾層不一定膨脹或僅輕微膨脹，沖洗結(jié)束后濾層不產(chǎn)生或不明顯產(chǎn)生上細(xì)下粗分層，即保持原來濾層結(jié)構(gòu)。

氣-水聯(lián)合沖洗具有下述特點：①沖洗效果好；②節(jié)約反沖洗水量；③沖洗結(jié)束后，濾層不產(chǎn)生或不明顯產(chǎn)生上細(xì)下粗的分層現(xiàn)象；④氣-水聯(lián)合沖洗操作較為麻煩，池子和設(shè)備較復(fù)雜，需增加鼓風(fēng)機(jī)或空壓機(jī)、儲氣罐等氣沖設(shè)備。

氣-水聯(lián)合沖洗有3種操作方式：①先氣洗，后水洗；②先氣水混合洗，再用水洗；③先氣洗，再氣水混合洗，最后用水洗（或漂洗）。氣-水聯(lián)合沖洗時，總的反沖洗時間約在10min左右。6、配水系統(tǒng)

常見的配水系統(tǒng)有大阻力配水系統(tǒng)、小阻力配水系統(tǒng)、中阻力配水系統(tǒng)等三種。其作用：①反沖洗時，均勻分布反沖洗水；②過濾時，均勻集水。

反沖洗時配水不均勻的危害：①濾池中砂層厚度分布不同；②過濾時，產(chǎn)生短流現(xiàn)象，使出水水質(zhì)下降；③可能導(dǎo)致局部承托層發(fā)生移動，造成漏砂現(xiàn)象。

（1）大阻力配水系統(tǒng)的原理a、構(gòu)造大阻力配水系統(tǒng)的構(gòu)造如圖6和圖7所示。67

大阻力配水系統(tǒng)的設(shè)計要點：①干管起端流速為0.2~1.2m/s，支管起端流速為1.4~1.8m/s，孔眼流速為3.5~5m/s。②支管中心距為0.25~0.3m，支管長度與其直徑之比一般不應(yīng)大于60。③孔口直徑約為9~12mm，設(shè)于支管兩側(cè)，與垂線呈45O角向下交錯排列。④干管橫截面與支管總橫截面之比應(yīng)大于1.75~2.0。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。⑤孔口總面積與濾池面積之比稱為開孔比，其值可按下式計算：大阻力配水系統(tǒng)構(gòu)造尺寸計算的依據(jù)

上式說明：①大阻力配水系統(tǒng)配水的均勻性只與干管截面積、支管截面積、支管個數(shù)、孔口總面積等有關(guān)，而與其它因素?zé)o關(guān)。②當(dāng)濾池面積過大時，濾池中砂層和承托層的鋪設(shè)、沖洗廢水的排除等的不均勻度都將對沖洗效果產(chǎn)生影響。

式中：ω0

—干管截面積，m2

ωa—支管截面積，m2

f—配水系統(tǒng)孔口總面積，m2大阻力配水系統(tǒng)的特點：①配水均勻性好；②結(jié)構(gòu)復(fù)雜；

③管道容易結(jié)垢；④孔口水頭損失大，因而要求反沖洗水壓高。

無閥濾池、移動沖洗罩濾池、虹吸濾池等的沖洗水頭非常有限，不宜采用大阻力配水系統(tǒng)。例：設(shè)濾池的平面尺寸為7.5m×7.0m=52.5m2，設(shè)計大阻力配水系統(tǒng)。解：沖洗強(qiáng)度采用q=14L/s·m2,

沖洗流量Q=14×52.5=735L/s=0.735m3/s（1）干管采用鋼筋混凝土渠道。斷面尺寸：850mm×850mm，長7500mm。起端流速（2）支管支管中心距采用0.25m。支管數(shù)n=7.5/0.25×2=60根（每側(cè)30根）。支管長（7.00-0.85-0.30）/2≈2.93m，取2.9m。式中0.3m為考慮渠道管壁厚及支管末端與池壁間距。每根支管進(jìn)口流量=735/60=12.25L/s，支管直徑采用80mm，支管起端流速va=2.43m/s（3）孔口孔口流速采用5.6m/s，孔口總面積配水系統(tǒng)開孔比孔口直徑采用9mm，每個孔口面積=6.36×10-5m2。孔口數(shù)m=0.131/(6.36×10-5）=2060個。干管頂端開2排孔，每排40個，孔口中心距e1=7.5/40=0.187m每根支管孔口數(shù)=（2060-80）/60=33個，取34個，分兩排布置，孔口向下與中垂線夾角45°交錯排列，每排17個孔，孔口中心距e2=2.9/17=0.17m（4）配水系統(tǒng)校核實際孔口數(shù)m’=34×60+80=2120個實際孔口總面積f’=2120×6.36×10-5=0.1348m2實際孔口流速

v’=0.735/0.1348=5.45m/s符合配水均勻性達(dá)到95%以上的要求。小阻力配水系統(tǒng)的構(gòu)造特點：鋪設(shè)穿孔濾板或濾磚，開孔比一般為1.0~1.5%。小阻力配水系統(tǒng)的特點：①反沖洗水頭??；②配水均勻性較大阻力配水系統(tǒng)為差，當(dāng)配水系統(tǒng)室內(nèi)壓力稍有不均勻，濾層阻力稍不均勻，濾板上孔口尺寸稍有差別或部分濾板受堵塞，配水均勻程度都會敏感地反映出來；③濾池面積較大時，不宜采用小阻力配水系統(tǒng)。

(2)小阻力配水系統(tǒng)91011一般規(guī)定：α=0.20%~0.25%為大阻力配水系統(tǒng)；α=0.60%~0.80%為中阻力配水系統(tǒng)；α=1.0%~1.5%為小阻力配水系統(tǒng)。這樣的規(guī)定并不十分嚴(yán)格，此間并無嚴(yán)格界限。為了保證配水均勻，應(yīng)注意：a.沖洗水到達(dá)各個孔口處的流道中流速，應(yīng)盡量低些，以消除流道中水頭損失和水頭變化對配水均勻性影響；b.各孔口（或濾頭）阻力應(yīng)力求相等，加工精度要求高。（3）沖洗排水槽的設(shè)計要求

a．沖洗排水槽平面總面積一般不大于單個濾池面積的25%。否則，會影響上升水流的均勻性。

b．相鄰兩槽的中心間距一般為1.5~2.0m。間距過大，難以排水均勻。

c．槽內(nèi)水面以上一般要有7cm左右的保護(hù)高，以保證沖洗廢水自由跌水進(jìn)入排水槽。

d．排水槽的廢水應(yīng)自由跌水進(jìn)入排水渠，以免引起壅水現(xiàn)象。

e．每單位槽長的溢入流量應(yīng)相等。故施工時沖洗排水槽口應(yīng)力求水平，誤差限制在2mm內(nèi)。

7．沖洗水的供給兩種：①水泵沖洗；②沖洗水塔或水箱沖洗。

水泵沖洗的特點：①投資??；②但操作較為麻煩；③在沖洗的短時間內(nèi)耗電量大，往往會使廠區(qū)內(nèi)供電網(wǎng)負(fù)荷驟增。

沖洗水箱的特點：①造價高；②但操作簡單；③專用水泵小，耗電量較均勻；④水箱容積按單個濾池沖洗水量的1.5倍計算。8.普通快濾池基本參數(shù)

（1）濾速設(shè)計濾速一般為8~10m/h。

(2）濾池總面積和工作時間

式中：Q—設(shè)計水量（包括水廠自用水量）（m3/d）

v—設(shè)計濾速（m/h）

T—濾池每日實際工作時間（h）

T0—濾池每日工作時間（24h）

t0—濾池每日沖洗后停用和排放初濾水時間（h）（一般每次采用0.5~0.67h）

t1—濾池每日沖洗及操作時間（h）

(3)個數(shù)和單池面積一般單池面積不大于100m2。濾池的個數(shù)在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定，但不得小于兩個，可參考表4選用。單個濾池面積（m2）可根據(jù)濾池總面積F（m2）與濾池個數(shù)N進(jìn)行計算，如下式所示：

表4濾池個數(shù)濾池總面積（m2）濾池個數(shù)<30230~5031003或41504~62005~63006~8

(4)濾池深度

濾池深度包括：保護(hù)高：0.25~0.3m；濾層表面以上水深：1.5~2.0m；濾層厚度：見表1；承托層厚度：見表2和表3。因此，濾池的總深度一般為3.0~3.5m。單層石英砂濾池深度一般稍?。浑p層和三層濾料濾池深度稍大。(5)管廊布置

管廊：是指集中布置濾池的管渠、配件及閥門的場所，要求如下：力求緊湊，簡捷；留有設(shè)備與管配件安裝、維修時必須的空間；具有良好的防水、排水、通風(fēng)、照明設(shè)備；便于與濾池操作室聯(lián)系；管廊中的管道一般用金屬材料，也可用鋼筋混凝土渠道；管廊門及通道應(yīng)允許最大配件通過，并考慮檢修方便。幾種管廊布置方法，濾池數(shù)小于5個時，濾池宜采用單行排列，管廊位于濾池的一側(cè)。當(dāng)濾池數(shù)超過5個時，濾池宜采用雙行排列，管廊位于兩排濾池的中間。后者布置緊湊，但管廊通風(fēng)、采光不如前者，檢修也不太方便。管廊布置主要有如下四種形式：①進(jìn)水、清水、沖洗水和排水渠，全部布置于管廊內(nèi)，如圖14（a）所示。特點：渠道結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，管渠集中緊湊，但管廊中管件較多，通行和檢修不太方便。②沖洗水和清水渠布置于管廊中，進(jìn)水和排水渠布置于濾池另一側(cè)，如圖14（b）所示。特點：可節(jié)省金屬管件及閥門，管廊內(nèi)管件簡單，施工和檢修方便。但造價稍高。③進(jìn)水、沖洗水及清水管均采用金屬管道，排水渠單獨設(shè)置，如圖14（c）所示，特點：通常用于小型水廠或濾池單行布置。④對于較大濾池，為節(jié)約閥門，可以將進(jìn)水和排水閥門分別用進(jìn)水虹吸和排水虹吸代替，沖洗水管和清水管仍用閥門，如圖14（d）所示。特點：虹吸管通水或斷水以真空系統(tǒng)控制?？鞛V池管渠流速可根據(jù)表5確定。表5管渠流速名稱流速（m/s）名稱流速（m/s）進(jìn)水管（渠）0.8~1.2沖洗水管(渠)2.0~2.5清水管(渠)1.0~1.5排水管(渠)1.0~1.5

(6)設(shè)計注意事項

①濾池清水管應(yīng)設(shè)短管，管徑一般采用75~200mm，以便濾池翻修后排放初濾水。②濾池底部宜設(shè)有排空管，其入口處設(shè)柵罩，池底坡度約為0.005，坡向排空管。

③配水系統(tǒng)干管末端一般裝有排氣管。

④每個濾池宜設(shè)置水頭損失計及取樣管。⑤各種密封渠道上應(yīng)設(shè)有人孔，以便檢修。⑥濾池池壁與砂層接觸處抹面應(yīng)拉毛，以免過濾時水流在該處形成“短路”而影響水質(zhì)。

布置形式優(yōu)缺點四閥集中優(yōu)點：1、閥門集中，操作方便；2、管廊布置緊湊，濾池結(jié)構(gòu)簡單，僅一側(cè)進(jìn)水；3、渾、沖、清、排四總管亦可采用鋼筋混凝土總渠，使管配件減少缺點：1、管廊不能過于緊湊，以免安裝檢修困難；2、管路復(fù)雜三閥和一閥雙側(cè)布置優(yōu)點：管廊內(nèi)管道布置較簡單，檢修稍方便缺點：濾池增加了外側(cè)渾水渠，如采用人工操作，較麻煩雙閥雙側(cè)布置優(yōu)點：1、管廊內(nèi)管路簡單；2、安裝檢修方便缺點：1、采用人工操作時管理不便；2、濾池增設(shè)外側(cè)的渾、排水渠，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜四閥快濾池管廊布置各種濾池優(yōu)缺點和適用條件形式濾池特點優(yōu)缺點適用條件普通快濾池下向流、砂濾料的四閥式濾池優(yōu)點：（1）有成熟的運轉(zhuǎn)經(jīng)驗，運行穩(wěn)妥可靠（2）采用砂濾料，材料易得，價格便宜（3）采用大阻力配水系統(tǒng)，單池面積可做得較大；池深較淺（4）可采用降速過濾，水質(zhì)較好缺點：（1）閥門多（2）必須設(shè)有全套沖洗設(shè)備（1）可適用于大、中、小型水廠（2）單池面積一般不宜大于100m2（3）有條件時盡量采用表面沖洗或空氣助洗設(shè)備雙閥濾池下向流、砂濾料的雙閥式濾池優(yōu)點：（1）同普通快濾池的（1）（2）（3）