《水质工程学》课程授课教案（讲稿）12 第四章 过滤4-1过滤概述4-2过滤理论

第周，第12讲次课程名称：《水质工程学I》摘要四章过滤授课题目（章、节）$4-1过滤概述S4-2过滤理论【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。【重点】【难点】内容【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】第四章、过滤4-1.过滤概述一、过滤的作用：去除部分沉淀池的剩余浊度；去除一定时的细菌、有机物；其出水要求达到饮用水浊度标准（小于3度）。二、滤池对进水要求：一般浊度不大于15度。三、滤池过滤机理介绍：水流在滤料中流动。水中杂质迁移到滤料的表面，由于表面的吸附作用，使杂质被截留。进一步形成了一定的筛滤作用。核心是水流过滤料。四、滤池分类：1、按流向分类：下向流（多为下向流）上向流双向流辐射流2、按滤料组合分类：单层滤料滤池

课程名称：《水质工程学 I》 第 周，第 12 讲次 摘 要 授课题目（章、节） 四章过滤 §4-1 过滤概述 §4-2 过滤理论 【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。 【重 点】 【难 点】 内 容 【本讲课程的引入】 【本讲课程的内容】 第四章、过滤 4-1.过滤概述 一、过滤的作用： 去除部分沉淀池的剩余浊度； 去除一定时的细菌、有机物； 其出水要求达到饮用水浊度标准（小于 3 度）。 二、滤池对进水要求：一般浊度不大于 15 度。 三、滤池过滤机理介绍： 水流在滤料中流动。水中杂质迁移到滤料的表面，由于表面的吸 附作用，使杂质被截留。进一步形成了一定的筛滤作用。 核心是水流过滤料。 四、滤池分类： 1、按流向分类： 下向流（多为下向流） 上向流 双向流 辐射流 2、按滤料组合分类： 单层滤料滤池

双层滤料滤池三层滤料滤池混合滤料滤池3、按药剂投加及前导工艺分类：沉后水过滤接触絮凝过滤（与滤料絮凝）4、按阀门的设置分类：四阀滤池（过滤进、出、反冲进、出）双阀（省进、反冲排阀）（鸭舌、虹吸）5、按滤速分类：慢滤池（v=0.1~0.3m/h)快滤池（v=5m/h）（最初）(现在vmax=40m/h)图17-1普通快滤池构造割视图（箭头表示冲洗水流方向）1一进水总管；2—进水支管；3—清水支管；4冲洗水支管：5—排水阀：6一浮水渠；7一滤料层；8—承托层：9一配水支管：10-配水干管；11冲洗水总管：12—清水总管；13-冲洗排水槽；14废水果五、工作过程：1、过滤2、反冲洗常用名词：①滤速：单位时间水流在滤池中（无滤料计算）流速（m/h）。②滤速与滤池负荷相同：单位时间、单位滤池面积上的过滤水量

双层滤料滤池 三层滤料滤池 混合滤料滤池 3、按药剂投加及前导工艺分类： 沉后水过滤 接触絮凝过滤（与滤料絮凝） 4、按阀门的设置分类： 四阀滤池（过滤进、出、反冲进、出） 双阀（省进、反冲排阀）（鸭舌、虹吸） 5、按滤速分类： 慢滤池 (v=0.1~0.3m/h) 快滤池 (v=5m/h)（最初） (现在 vmax=40m/h） 五、工作过程： 1、过滤 2、反冲洗 常用名词： ①滤速：单位时间水流在滤池中（无滤料计算）流速（m/h）。 ②滤速与滤池负荷相同：单位时间、单位滤池面积上的过滤水量

m/mh。工作参数：进水浓度15度以下单层滤料：810m/h双层滤料：10~14m/h多层滤料：18~24m/h③工作周期：过滤和反冲洗一个全过程的时间，一般1224h。Ho =Zh =180±(l-m,)(1)4-2过滤理论lovdgmo(一、过滤机理：水流夹带颗粒流入滤料、滤料吸附颗粒。有两方面的问题：①颗粒如何与滤料接触（迁移机理）②接触后靠什么力粘附于滤料（附着）（吸附）（一）颗粒的迁移：（是物理力学作用）流线杂质颗粒品 d滤料Y拦惯性扩散水动力沉淀图17-2颗粒迁移机理示意①拦截作用：大颗粒大于过流缝隙。②沉淀作用：颗粒在重力作用下，脱离流线，沉到滤料上。③惯性作用：颗粒质量大，在惯性力的作用，脱离流线与滤料接触。④扩散作用：较小较轻的颗粒在布朗作用下扩散到滤料表面。③水动力：水流在滤料外层有速度梯度，使非球体的颗粒在流速梯度的作用下，产生转动而脱离流线与颗粒表面接触。现阶段只能定性的分析。（二）颗粒的粘附：主要是物化作用开始：颗粒与滤料的接触

m 3 /m2 h。 工作参数：进水浓度 15 度以下 单层滤料：8～10m/h 双层滤料：10～14m/h 多层滤料：18～24m/h ③工作周期：过滤和反冲洗一个全过程的时间，一般 12～24h。 ( ) =        −  =  = n i i i d p l v m m g v H h 1 0 2 2 3 0 2 0 0 0 1 1 180  §4-2 过滤理论 一、过滤机理： 水流夹带颗粒流入滤料、滤料吸附颗粒。有两方面的问题： ①颗粒如何与滤料接触（迁移机理） ②接触后靠什么力粘附于滤料（附着）（吸附） （一）颗粒的迁移：（是物理力学作用） ①拦截作用：大颗粒大于过流缝隙 。 ②沉淀作用：颗粒在重力作用下，脱离流线，沉到滤料上。 ③惯性作用：颗粒质量大，在惯性力的作用，脱离流线与滤料接触。 ④扩散作用：较小较轻的颗粒在布朗作用下扩散到滤料表面。 ⑤水动力：水流在滤料外层有速度梯度，使非球体的颗粒在流速梯 度的作用下，产生转动而脱离流线与颗粒表面接触。 现阶段只能定性的分析。 （二）颗粒的粘附：主要是物化作用 开始：颗粒与滤料的接触

①范德华力作用（主要）②静电力作用③化学键力（少有）后来：颗粒与颗粒接触④絮凝，吸附架桥作用最后：滤料的表层形成泥膜③机械过滤作用，（所不希望产生的）再强制工作：水流在某薄弱部位穿透，形成裂缝水流以高速流过裂缝，使出水水质恶化。（泄漏）（三）滤层内杂质分布规律：1、过程分析：，水流冲力的作用→上层吸附→过多后脱落→下一层吸附→过多后脱落→再下一层吸附。Fs脱附力滤料图17-3颗粒粘附和脱附力示意2、反冲洗作用：滤料在反冲洗作用下，分层（水力级配）上层：沉速小的（粒径小）孔隙小、比面积大、含污能力小。中层：沉速适中（粒径适中）

①范德华力作用（主要） ②静电力作用 ③化学键力（少有） 后来：颗粒与颗粒接触 ④絮凝，吸附架桥作用 最后：滤料的表层形成泥膜 ⑤机械过滤作用，（所不希望产生的） 再强制工作：水流在某薄弱部位穿透，形成裂缝水流以高速流过裂 缝，使出水水质恶化。（泄漏） （三）滤层内杂质分布规律： 1、过程分析： 水流冲力的作用 →上层吸附→过多后脱落→下一层吸附→过多后脱落→再下一层吸 附。. 2、反冲洗作用： 滤料在反冲洗作用下，分层（水力级配） 上层：沉速小的（粒径小）孔隙小、比面积大、含污能力小。 中层：沉速适中（粒径适中）

下层：沉速大（粒径大、比重大）孔隙大、比面积小、含污能力大。这样的级配称为一一反粒度。3、滤层含污能力：单位体积滤料中所截留的杂质量。单位：g/cm3或kg/m3单层滤料截污能力在滤层中是变化的。其平均截污能力（平时所称的截污能力）是总截污量/总滤料体积。滤层含污量（g/cm）单层滤料滤层浓度(cm)双层滤料图17-4滤料层含污量变化4、提高滤料含污能力的措施：（1）反向过滤：进入滤料中的杂质可较均匀地在滤料中被截留（正粒度）。但初滤水浊度高、工艺复杂。（2）辐流过滤：反冲洗困难、工艺复杂。（3）改变滤料水力级配：①双层滤料：无烟煤→石英砂重度小、粒径大重度大、粒径小轻质滤料重质滤料反冲洗时上层无烟煤，中间有一些掺混，下层石英砂。特点：含污能力大②三层滤料：无烟煤→石英砂→石榴石

下层：沉速大（粒径大、比重大）孔隙大、比面积小、含污能力大。 这样的级配称为——反粒度。 3、滤层含污能力：单位体积滤料中所截留的杂质量。 单位：g/cm3 或 kg/m3 单层滤料截污能力在滤层中是变化的。其平均截污能力（平时所称 的截污能力）是总截污量/总滤料体积。 4、提高滤料含污能力的措施： （1）反向过滤：进入滤料中的杂质可较均匀地在滤料中被截留（正 粒度）。但初滤水浊度高、工艺复杂。 （2）辐流过滤：反冲洗困难、工艺复杂。 （3）改变滤料水力级配： ①双层滤料：无烟煤→石英砂 重度小、粒径大 重度大、粒径小 轻质滤料 重质滤料 反冲洗时上层无烟煤，中间有一些掺混，下层石英砂。 特点：含污能力大 ②三层滤料： 无烟煤→石英砂→石榴石

粒径大中小特点：含污能力更大，水质有保证（下层滤料粒径很小）反冲洗强度控制水平高。③均质滤料：要求滤料粒径尽可能相近（不可能完全相同）反冲洗时只要滤料膨胀就有水力级配。保证滤料均匀，反冲洗时，不要滤料膨胀。方法：气水反冲洗。（反冲洗困难）截污：上多、下少、但差的量小了。滤料层中的时间与截污量分布规律：影响因素很多，水质、水温、滤速、滤料粒径、形状、级配。悬污物的性质，颗粒大小、强度、加药量。目前仍是据经验和实验进行设计操作。（四）直接过滤：原水不经沉淀直接进入滤池过滤①原水加药后直接过滤与滤料接触絮凝。一接触过滤。1、两种方式：（②加药原水→微絮凝池→过滤一微絮凝过滤在微絮凝池中形成相近的微絮粒。（40～60μm）2、机理：脱稳颗粒或微絮粒与滤料充分碰撞、接触、粘附，被滤料截留。滤料成了接触的介质。微絮过滤的絮体体积小，便于进入滤料深层进行粘附。3、直接过滤注意的事项：（1）原水浊度低（色度低）水质变化小。常年低于100度。40～50度为宜。并且应有把握。（2）常用双层、多层或均质滤料（增加含污能力）滤料粒径和滤层厚度适当增大（减少形成表面滤膜的机会）（3）原水中的絮凝体不宜太大，防止很快堵塞滤层表面孔隙。达为了提高微絮体强度和粘附力，有时需投加高分子助凝剂（活

粒径 大 中 小 特点：含污能力更大，水质有保证（下层滤料粒径很小）反冲洗强 度控制水平高。 ③均质滤料：要求滤料粒径尽可能相近（不可能完全相同） 反冲洗时只要滤料膨胀就有水力级配。 保证滤料均匀，反冲 洗时，不要滤料膨胀。 方法：气水反冲洗。（反冲洗困难） 截污：上多、下少、但差的量小了。 滤料层中的时间与截污量分布规律： 影响因素很多，水质、水温、滤速、滤料粒径、形状、级配。 悬污物的性质，颗粒大小、强度、加药量。 目前仍是据经验和实验进行设计操作。 （四）直接过滤：原水不经沉淀直接进入滤池过滤 ①原水加药后直接过滤与滤料接触絮凝。—接触过滤。 1、两种方式： ②加药原水→微絮凝池→过滤—微絮凝过滤 在微絮凝池中形成相近的微絮粒。（40～60μm） 2、机理：脱稳颗粒或微絮粒与滤料充分碰撞、接触、粘附，被滤料 截留。 滤料成了接触的介质。 微絮过滤的絮体体积小，便于进入滤料深 层进行粘附。 3、直接过滤注意的事项： （1）原水浊度低（色度低）水质变化小。 常年低于 100 度。40～ 50 度为宜。并且应有把握。 （2）常用双层、多层或均质滤料（增加含污能力）滤料粒径和滤 层厚度适当增大（减少形成表面滤膜的机会） （3）原水中的絮凝体不宜太大，防止很快堵塞滤层表面孔隙。 达为了提高微絮体强度和粘附力，有时需投加高分子助凝剂（活

化硅酸或聚丙烯酰胺）在滤层中起吸附架桥作用。使杂质脱落困难→减少渗透滤层机会。（4）滤速：浊度高→低滤速浊度低→高滤速并且滤速应偏于安全（因为无前置沉淀工艺）通常：原水>50度时，滤速在5m/h左右。最好通过试验来定滤速。主要适用于处理湖泊、水库等低浊水。适于：低温低浊水。二、过滤水力学：两个问题：①过滤时水头损失，设计水位。②滤料中的适宜滤速。（一）清洁滤层的水头损失。清洁滤层水头损失（起始水头损失）：滤砂，当滤速为8～10m/h时，其损失为30～400cm。属层流。1、均匀滤层公式：卡曼一康采尼公式（Carman-Kozong）（适于均匀滤层)h = 180(l-m)(_1l.v(cm)(p-d.gmov一水的运动粘度；（cm2/s）g一重力加速度；981cm/s2mo一滤料孔隙率。d一与滤料体积相同的球体直径。（cm）（单个颗粒是多个的平均值）l一滤层厚度；cmv一滤速；cm/sΦ一滤料颗粒球度（球形）系数；（后面讲）mo一滤料孔隙率。孔体积=1-Gmo=总体积pV

化硅酸或聚丙烯酰胺）在滤层中起吸附架桥作用。 使杂质脱落困难 →减少渗透滤层机会。 （4）滤速：浊度高→低滤速 浊度低→高滤速 并且滤速应偏于安全（因为无前置沉淀工艺） 通常：原水＞50 度时，滤速在 5m/h 左右。最好通过试验来定滤速。 主要适用于处理湖泊、水库等低浊水。 适于：低温低浊水。 二、过滤水力学： 两个问题：①过滤时水头损失，设计水位。 ②滤料中的适宜滤速。 （一）清洁滤层的水头损失。 清洁滤层水头损失（起始水头损失）：滤砂，当滤速为 8～10m/h 时，其损失为 30～400cm。属层流。 1、均匀滤层公式：卡曼一康采尼公式（Carman-Kozong）(适于均匀 滤层) ( ) l (cm) m d m g h 0v 2 0 3 0 2 0 0 1 1 180          − =   ν—水的运动粘度；（cm2/s） g—重力加速度； 981cm/s2 m0—滤料孔隙率。 d0—与滤料体积相同的球体直径。（cm） （单个颗粒是多个的平均值） l0—滤层厚度；cm v—滤速；cm/s φ—滤料颗粒球度（球形）系数；（后面讲） m0—滤料孔隙率。 V G m  0 = =1− 总体积 孔体积

G一颗粒质量；（kg）p一颗粒密度；（kg/m）V一滤料（堆积）体积。2、非均匀滤层：用筛分法：将滤料分级，d, d.di.depi,P2.*.pi..npi一d.滤料量与总滤料重量比。则总水头损失H。（清洁滤层）Ho =Zh =180二(1-m)(1)P台dgmo（p)n一一分层数目，n分的越多计算越精确。（二）等速过滤中的水头损失变化（流量不变）随着过滤过程的进展，滤料中的孔隙逐渐变小。其它因素不变，孔隙减小如：水头损失HO不变→v滤速减小滤速v不变→水头损失HO增大。V不变→水头损失H.变化，称为“等速过滤”（由于Q不变）水位上长至允许水位，开始反冲洗，（如无阀滤池）水头损失增加一个△Ht

G—颗粒质量；（kg） ρ—颗粒密度；（kg/m3） V—滤料（堆积）体积。 2、非均匀滤层： 用筛分法：将滤料分级， d1, d2. di. dn p1, p2. pi. pn pi—di滤料量与总滤料重量比。 则总水头损失 H。（清洁滤层） ( ) =        −  =  = n i i i d p l v m m g v H h 1 0 2 2 3 0 2 0 0 0 1 1 180  n——分层数目，n 分的越多计算越精确。 （二）等速过滤中的水头损失变化（流量不变） 随着过滤过程的进展，滤料中的孔隙逐渐变小。其它因素不变，孔 隙减小 如: 水头损失 H0 不变→v 滤速减小 滤速 v 不变→水头损失 H0 增大。 v 不变→水头损失 H0变化，称为“等速过滤” （由于 Q 不变）水位上长至允许水位，开始反冲洗，（如无阀滤池） 水头损失增加一个△Ht

进最高水位72鼓低水位图出2-图17-6等速过滤总水头损失：H,=H+△H,+hh一配水系统承托层、管渠水头损失。实践证明：△Ht与时间t一般呈直线关系。HDE过滤时间t(h)图17-7水头损失与过滤时间关系Hmax一一损失最大时的过滤水头损失。据技术经济条件定，一般取Hmax=1.5~2.0mT一滤速v时的过滤时间如为v时则（v>v）H>HT<Th一变化较小（视为不变）

总水头损失：Ht=H0+△Ht+h h—配水系统承托层、管渠水头损失。 实践证明：△Ht 与时间 t 一般呈直线关系。 Hmax——损失最大时的过滤水头损失。 据技术经济条件定，一般取 Hmax=1.5～2.0m T—滤速 v 时的过滤时间 如为 v'时则（v '＞v） H'0＞H0 T'＜T h—变化较小（视为不变）

（三）变速过滤中的滤速变化：（作用水头不变）1、变速过滤：“减速过滤”一一滤速随过滤时间而逐渐减小的过滤。2、作用水压不变，是相对变化较小而不是绝对不变。多组滤池的并联，可视为此种过滤。因取水泵站水量不变。并且其变化是由于反冲洗在滤池投入工作时忽然减小反高水化进水果一排水列图17-8减速过港（一组4座滤池）过滤时间：（h）图17-9一座滤池滤速变化（一组共4座滤池）3、新投入使用滤池、滤速的控制反冲洗过的滤池，与过滤一段时间的滤池并联作用水头相同一一使新投入滤池滤速太大。使滤后水水质恶化。控制方法：在出水管加阀控制。4、特点：①滤后水水质好②过滤水头损失小原因：可自然调节（四）滤层中的负水头1、原因：当滤池表层积污太多表层水头损失太大时出水的作用水头并不变，就可形成滤料中层部位出现负压

（三）变速过滤中的滤速变化：（作用水头不变） 1、变速过滤：“减速过滤”——滤速随过滤时间而逐渐减小的过滤。 2、作用水压不变，是相对变化较小而不是绝对不变。多组滤池的并 联，可视为此种过滤。因取水泵站水量不变。 并且其变化是由于反冲洗在滤池投入工作时忽然减小 3、新投入使用滤池、滤速的控制 反冲洗过的滤池，与过滤一段时间的滤池并联作用水头相同——使 新投入滤池滤速太大。使滤后水水质恶化。 控制方法：在出水管加阀控制。 4、特点：①滤后水水质好 ②过滤水头损失小 原因：可自然调节 （四）滤层中的负水头 1、原因：当滤池表层积污太多表层水头损失太大时出水的作用水头 并不变，就可形成滤料中层部位出现负压