深層過濾.ppt

1、第五章深層過濾，第一節(jié)普通快速過濾池的構(gòu)造第二節(jié)過濾理論第三節(jié)快速過濾池的運(yùn)行第四節(jié)快速過濾池的設(shè)訂第五節(jié)其他過濾池，第一節(jié)普通快速過濾池的構(gòu)造，圖5-1是普通快速過濾池的透視和剖面示意圖。 快速過濾池一般由鋼筋混凝土組成，其中有排水溝、過濾材料層、墊材層和配水系統(tǒng)，此外還有集中管廊，配備供水管、出水管、沖洗水管、沖洗水排出管等管道和附件。 過濾時，加入凝集劑的混水從供水管通過集水路、排水槽進(jìn)入過濾池，從上向下通過過濾材料層、襯材層，由配水系統(tǒng)收集，通過出水管排出，此時打開F1、F2，關(guān)閉F3、F4、F5。 經(jīng)過一定時間的過濾，被濾材層捕集的浮游物的數(shù)量增加，過濾層的空隙率減少，孔隙水流速增大

2、，其結(jié)果，過濾阻力增大，另一方面，水流對被空隙捕集的雜質(zhì)的清洗力增大，出水的質(zhì)量變差。 水頭損失超過允許值時，或者水的浮游物濃度超過規(guī)定值時，過濾結(jié)束，進(jìn)行應(yīng)該進(jìn)行過濾的逆洗。 反沖洗時，將F3、F4設(shè)為on，將F1、F2設(shè)為off。 反洗水從清洗水管經(jīng)由配水系進(jìn)入過濾池，從下向上通過墊層、過濾材料層，最后從排水溝經(jīng)由集水路排出。 反沖洗結(jié)束后又進(jìn)入下一個過濾循環(huán)，一、過濾材料、過濾材料是過濾池的核心部分，浮游物凝聚的表面和接受污垢的空間工業(yè)過濾材料應(yīng)滿足以下要求：具有充分的機(jī)械強(qiáng)度，在沖洗過程中不會因碰撞、摩擦而破碎。 具有充分的化學(xué)穩(wěn)定性，不溶于水，對廢水中的化學(xué)成分充分穩(wěn)定，不產(chǎn)生有害物

3、質(zhì)。 具有一定的大小和傾斜度，滿足浮游物捕集的要求。 外形大致為球形，表面粗糙，有棱角，能提供比表面和帶隙率大的比。 又便宜又容易得到。 水處理中最常用的濾材為石英砂、無煙煤粒、石榴石粒、磁鐵礦粒、白云石粒、花崗巖粒位和聚苯乙烯泡沫塑料對等。 其中石英砂使用最廣泛。 濾池過濾材料的粒徑和傾斜必須符合浮游粒子的大小和去除效率的要求。 傾斜表示不同粒徑的粒子在濾材中的比例，濾材粒子的傾斜關(guān)系取可以通過篩分試驗(yàn)求出的某個濾材的樣品，放入105的恒溫槽中進(jìn)行干燥，準(zhǔn)確稱量后，放入一成分的篩中通過篩，最后各篩中殘留的粒子的重量，通過各篩孔的粒子的重量占樣品的總重量根據(jù)斜率曲線，可以確定過濾材料的有效粒徑

4、和不均勻系數(shù)兩個殘奧。 有效粒徑表示通過10個過濾材料的質(zhì)量的網(wǎng)徑，d10在圖5-1中記載為d100.53mm。 d10表示小粒子的粒徑。 實(shí)驗(yàn)表明，圖5-2的濾材篩分傾斜曲線，濾材的d10相等，即使其傾斜曲線不同，過濾時產(chǎn)生的水位損失也接近。 由此可知，發(fā)揮主要過濾作用的有效部分是粒徑小于d10的粒子，因此，將d10稱為有效粒徑，用d80表示通過80濾材質(zhì)量的網(wǎng)格直徑，即濾材中的粗粒子的代表性粒徑。 有時在生產(chǎn)中也用規(guī)定最大和最小2種粒徑的比較簡便的方法來表示濾材的規(guī)格。 由于過濾材料粒子的大小的形狀不同，因此在進(jìn)行水力修正計(jì)算時，總是用當(dāng)量粒徑de反映粒徑的大小，作為調(diào)和平均值，將(5-1

5、)篩分曲線分為幾個階段，意味著在粒徑di1和di2之間其平均值di、de和平均粒徑ds0的值接近。 考慮到篩孔和粒子的不規(guī)則性，理論修正時篩孔需要如下認(rèn)可。 將干燥后的濾材試樣放入篩孔d的篩子上，篩上細(xì)小的粒子，放置在紙上，蓋上篩子，進(jìn)行篩子，將篩子甩落數(shù)次，從中落下幾個正好能夠通過篩孔d的粒子，正確地修正其重量，用下式表示篩子的承認(rèn)孔徑d :d正好通過篩孔d過濾層的含污能力和過濾效果除了取決于過濾器粒徑之外，還取決于過濾層的厚度，即過濾層的厚度與過濾器粒徑之比L/de。 L/de值越大，除去率也越高，由于L/de值與每單位過濾面積的過濾材料的總表面積和粒子數(shù)成比例，因此，(5-2)、表5-1

6、表示通常的高速過濾池的過濾材料組成和過濾速度范圍。 單層過濾材料濾池在逆洗后通過水力篩分作用，沿過濾水流方向的過濾材料粒徑逐漸增大。 形成上部細(xì)、下部粗的濾床(圖5-3 )。 合并空隙尺寸和污垢的能力也從上到下逐漸增大。 在下流過濾中，水流經(jīng)過粒徑小的上部過濾材料層后到達(dá)粒徑大的下部過濾材料層。 理想的過濾池過濾材料的排列是沿著水流方向從粗到細(xì)。 為了解決實(shí)際濾池與理想濾池的矛盾，路徑有三條。 改變水流的方向，即原水從下到上通過過濾層。 采用雙向供水、中部出水可提高上流式濾池的過濾速度，但下層過濾材料仍難以清洗，結(jié)構(gòu)和操作復(fù)雜。 使用二層或多層過濾材料，在砂層上部放置粒徑大、密度小的輕質(zhì)過濾材

7、料，在砂層下部放置粒徑小、密度大的重質(zhì)過濾材料，過濾材料層數(shù)越多越接近理想過濾池(參照圖53 )。 采用了用纖維球，輕量發(fā)泡塑料珠，橡膠粒等柔軟的材料人工制作的新的密度或者空孔率可變的濾材。 纖維球在濾床上比較松弛，大致呈球狀。 整個床層的上部空孔率高，下部空孔率低，與理想的過濾池空孔率分布接近的實(shí)測纖維球過濾床的空孔率分布如圖5圖4所示。 實(shí)驗(yàn)表明，纖維球?yàn)V池的過濾速度是砂濾池的58倍，采用相同的過濾速度，纖維球過濾周期比砂濾池長3倍，能有效去除0.510m級微小浮游物的過濾水的懸浮物含量一般在10mg/L以下。 但是，目前纖維球價格高，再生需要?dú)怏w、水并用回沖，氣體主要起作用，氣體量控制在

8、4Q50L/m2.s，水量為l0L/m2.s時，可以清洗干凈。 二、墊層、墊層主要起到承接濾材的作用。 因此，也稱為承接層，一般配合大電阻供水系統(tǒng)使用。 由于濾材顆粒的直徑小，所以配水系的孔大，為了防止濾材與過濾水一起流失，并且?guī)椭鶆虻呐渌?，在濾材和配水系之間增設(shè)墊層。 配水系的孔徑小，布水也均勻的話，可以減薄或省略墊層。 對于墊層，要求不被逆洗水沖動、形成的空隙均勻、布水均勻、化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高。 墊層通常使用天然玉石或碎石。 目前濾材的最大粒徑為12mm，因此墊層的最小粒徑一般為2mm以上，考慮到其最大粒徑不會破壞通常的反洗強(qiáng)度下的水流沖擊，一般為32mm。 通常，層疊配置粒徑不同

9、的墊，各層的厚度如表5-2所示。 三、供水系統(tǒng)的供水系統(tǒng)的作用是均勻地收集過濾后的水，更重要的是均勻地分配反洗水，因此也稱為排水系統(tǒng)。 合理修訂供水系統(tǒng)是濾池正常運(yùn)行、穩(wěn)定濾料層的重要保證。 由于反洗水流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通常過濾水的流量，因此，配水系應(yīng)考慮主要是反洗水均勻分布的要求圖5-5是在反洗水進(jìn)入后、接近入口的a點(diǎn)和配水系末端b點(diǎn)的水流路徑。 圖5-5表示反洗水進(jìn)入后、入口附近的a點(diǎn)和配水系末端b點(diǎn)的水流路徑。 假設(shè)逆洗水各處的分布均勻，設(shè)各水流路中的單位面積、每單位時間的逆洗水量為q。 各水流路的總水頭損失包括：配水系的水頭損失s1q2、配水系上的出水孔的水頭損失s2q2、墊層的水頭損失s3

10、q2、濾材層的水頭損失s4q2、即入水壓力h為流路：流速水頭(5-3)流路：流速水頭(5-4)配水系統(tǒng)的接縫可以在各處一致，因此上述2式的s2A=s2B=s2； s3A=s3B=s3； s4A=s4B=s4，這樣，兩流路的逆洗水的每單位面積的流量之比是(5-5)、式(5-5)中的s1A總是與s1B不相等，因此是qAqB，但是在設(shè)定修正中必須盡量使qa=的分析式(55 )嗎盡量增大配水系中的接縫的電阻，即減小接縫尺寸，使得式(5-5)右邊的根編號內(nèi)的分子接近分母值。 這種人為增大眼睛阻力的供水系統(tǒng)稱為大阻力供水系統(tǒng)。 穿孔管式的供水系統(tǒng)是大阻力供水系統(tǒng)。 為了盡可能減小s1值，即，允許水忽略從入

11、口到末端的水頭損耗，s1s2 s3 s4能夠滿足qA=qB。 該配水系統(tǒng)稱為小電阻配水系統(tǒng)，例如豆石濾板、格子板等為小電阻配水系統(tǒng)。 管式大阻力排水系統(tǒng)(圖5-6 )由一根干管(或水路)和多個支管組成，干管截面積是支管總截面積的1.52.0倍，支管長度和直徑之比小于60。 支管上開有向下成45度角的配水孔，相鄰的2個孔的方向錯開，孔間距離為75200mm，配水孔的總面積和過濾池面積之比為0.20.25%。 支管底和池底的距離在子管半徑以上。 為了排除反洗水的空氣，干管在末端頂部設(shè)有排氣管，干管從入口端向末端傾斜向上。 排氣管的直徑為4050mm，應(yīng)在末端設(shè)置閥門。 在濾池面積大、干管徑大的情況

12、下，為了確保干管頂部的配水，在千管項(xiàng)上開孔安裝過濾頭(圖5-7a )，或者將干管埋設(shè)在濾池底板下，干管連接短管，通過底板與支管連接(圖5-7b )。 小阻力供水系統(tǒng)的形式很多，最常用的是在穿孔板上安裝過濾器。 常見的過濾頭有圓柱型和塔型2種(圖5-8和5-9 )，廢水從穿孔板的下空間流入過濾頭，通過過濾頭的間隙分配到濾池中。 穿孔板和過濾池底的空間為集水空間，高度為0.3m，水在集水空間內(nèi)流動的阻力可以忽略不計(jì)。 通常，每平方米的濾池面積安裝有4060個濾頭，總間隙面積為濾池面積的0.52。 四、排水槽及集水路、排水槽為了均勻地收集、輸送反沖洗污水，排水槽的分布應(yīng)該是排水槽溢水周邊的服務(wù)面積相

13、等，且過濾池內(nèi)的分布均勻。 另外，排水溝必須立即將反沖洗污水輸送到集水路，以免發(fā)生壅水現(xiàn)象。 在排水槽的末端，逆洗污水以自由落下的形式流入集水路，使集水路的水面不干擾排水槽的流出。 溝渠和集水路的水流狀態(tài)如圖510所示。 為了使設(shè)置的排水槽不影響反洗水的均勻分布，壞的橫截面采用圖511所示的形狀。 每單位槽的長溢流流量應(yīng)相等，槽頂溢流部分應(yīng)盡可能水平，海拔誤差應(yīng)在2mm范圍內(nèi)。 2列水槽中心線的間隔一般為1.52.2m。 最壞的長度是56m。 槽所占面積應(yīng)小于過濾池面積的25。 為了確保充分的過水能力，槽內(nèi)水面以上有一定的超高(千舷)，通常采用7cm。 一般槽寬沿槽的長度方向不變，采用傾斜槽底

14、，始端的槽深為終端深度的一半，終端的過水截面的流速控制在0.6m/s。 排水溝的表面要高于過濾層逆洗時的最大膨脹高度，以免過濾材料流失。 集水路收集從各排水增進(jìn)的逆洗污水，通過逆洗排水管排出到下水道的同時，因?yàn)樗€發(fā)揮連接入水管的作用，所以也被稱為入水路。 反沖排水時的集水路的水面，為了使洗水槽的水流順暢，請低于排水槽出口的底部海拔。 比移動機(jī)構(gòu)(1)過濾層細(xì)孔大的粒子被機(jī)械篩選、捕集到過濾表面，然后捕集到的粒子形成細(xì)孔小的濾餅層，增加過濾水頭，甚至發(fā)生堵塞。 (2)截?cái)嘌亓骶€流動的小粒子，在流線聚集的地方與濾材表面接觸。其去除概率與粒徑的平方成正比，與濾材粒徑的立方成反比，也是雷諾準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)

15、。 (3)當(dāng)慣性流線繞過濾材料表面時，由于慣性沖擊，具有大運(yùn)動量和密度的粒子從流線脫離，與濾材表面碰撞。 (4)沉淀浮游物的粒徑和密度大的話，存在沿重力方向的相對沉淀速度。 由于凈重力，粒子偏離流線沉淀在濾材表面。 沉淀效率取決于粒子的沉淀速度和過濾水速度的相對大小和方向。 此時，過濾層的各細(xì)孔作為淺層沉淀池發(fā)揮功能(5)布朗運(yùn)動對于d1m這樣的微小浮游粒子，通過布朗運(yùn)動向過濾器表面擴(kuò)散。 (6)由于水力作用過濾層中的細(xì)孔和浮游粒子的形狀極不規(guī)則，在不均勻的剪切流場中，粒子受到不平衡力的作用而不斷旋轉(zhuǎn)偏離流線。 在實(shí)際過濾中，浮游粒子的移動受到上述各機(jī)理的作用，它們的相對重要性取決于水流狀況、

16、過濾層的細(xì)孔形狀及粒子自身的性質(zhì)(粒度、形狀、密度等)。 (1)使原水與凝集的凝集劑接觸，壓縮懸浮粒子和濾材粒子表面的雙電層，但沒有生成微絮凝物時，立即進(jìn)行過濾。 (2)通過靜電引力粒子表面的電荷和由此形成的電氣雙層產(chǎn)生靜電引力和斥力。 浮游粒子和濾材粒子具有異號電荷時相吸收，相反排斥。 (3)吸附浮游粒子細(xì)小，有較強(qiáng)的吸附傾向，吸附作用也有可能通過凝聚劑的交聯(lián)作用來實(shí)現(xiàn)。 絮凝物的一端附著在濾材表面，另一端附著在浮游粒子上。 (4)分子引力原子、分子間引力在粒子附著時發(fā)揮重要作用。 萬有引力可以疊加，其作用范圍有限(通常小于50m )，與兩分子間距的6次方成反比。 3脫落機(jī)理，通常的快速過濾

17、池通常用水進(jìn)行反洗，有時先用壓縮空氣進(jìn)行輔助表面清洗。 反洗時，過濾層膨脹到一定高度，過濾材料處于流動化狀態(tài)。 被濾材捕集附著的浮游物被高速反洗水沖洗而脫落的濾材粒子在水流中旋轉(zhuǎn)，與沖撞摩擦，浮游物也脫落。 反沖洗效果主要取決于沖洗強(qiáng)度和時間。 在采用同向流清洗的情況下，也會導(dǎo)致清洗流速的變動。 二、過濾方程式可以認(rèn)為，將含有均勻分散的非凝聚性粒子的懸濁液在均勻?yàn)V材床中過濾澄清時，液相濃度根據(jù)過濾層深度z和過濾時間t而變化，即懸浮物的除去速度和其濃度成立的比，即-dc/dt=kc。 因此，式(5-6)可以寫成(5-6)、(5-7)、(5-8)，上式左邊的第二項(xiàng)表示濾材的孔隙水浮游物濃度的經(jīng)時變

18、化率，與第一項(xiàng)相比，其值非常小，在可以忽略的t=0的情況下，積分上式為c=c0exp(-0Z )，積分上式為c=c0exp(-0Z )。 t0時的濾波系數(shù)的初始值。 粒子的堆積會使細(xì)孔的流動狀態(tài)和濾材表面的性質(zhì)發(fā)生變化，因此不是常數(shù)，而是堆積量的函數(shù)。 Ives，1969 )導(dǎo)出的以下通用修正公式。 (5-9)、(5-10 )、2連續(xù)過濾方程式在過濾層中任意取厚度dZ、體積dV均勻的單元。 如果將流量設(shè)為q，濃度c的原水流通過該段，則水平的浮游物濃度和濾材上的浮游物量發(fā)生變化(圖512所示)。 根據(jù)材料平衡，在dt時間內(nèi)，流入和流出量之差應(yīng)被稱為濾波器層上的增量，即，(5-11 )，等式(511 )被稱為濾波器的連續(xù)性方程。 如果忽略式左邊的第2項(xiàng)，則連續(xù)式簡化為(5-12 )，通過實(shí)測不同過濾層深度的水相濃度及運(yùn)轉(zhuǎn)時間，能夠求出以上述模式評價過濾池的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的式(5-9)、(5-10 )及(5-12 )的方程式3阻力方程，經(jīng)過過濾的水頭損失包括干凈過濾層的水頭損失和沉淀物引起的水頭損失2個。 卡門柯西(