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并且其平均停留时间小于设计的停留时间。
(3)循环流的存在
E(t)分布有多峰现象。
对于非理想的实际反应器中的流动,我们可以用CSTR串联模型、轴向扩散模型和组合模型等模拟。
一维纵向分散模型的介绍(PFD)
其基本设想是在推流型模型的基础上加上一个纵向混合。
纵向混合可以用纵向分散系数D1来表征它的特性:
该模型假设:
流体以恒定的流速通过系统;
在垂直于流体的运动方向的横截面上径向浓度分布均一;
由于分子扩散、涡流扩散以及流速分布而产生的扩散,仅发生在流动方向。
根据以上假设,可建立轴向扩散模型的数学方程式。
在水处理中,沉淀池、氯消毒池、生物滤池、冷却塔等,均可作为PFD型反应器来进行研究。
第17章过滤
v过滤概论
v过滤理论
v滤料和承托层
v滤池冲洗
v普通快滤池
v无阀滤池
v其他形式滤池
17.1过滤概述
过滤:
指以石英砂等粒状滤料层截留水中悬浮杂质,从而使水获得澄清的工艺过程。
一、作用
•进一步降低水的浊度。
•水中有机物、细菌乃至病毒等将随水的浊度降低而被部分去除。
•为滤后消毒创造良好的条件,细菌等失去杂质保护易被杀灭。
二、分类
1.按滤速分为:
慢滤池与快滤池
2.按滤料层结构:
单层、双层和多层滤料
3.按水流流经滤层的方向:
上向流、下向流等
4.按阀门配置:
四阀滤池(普通快滤池)、双阀滤池、无阀滤池、虹吸滤池、单阀滤池
5.按滤池运行方式:
间歇式和连续式
6.按过滤驱动力:
重力式和压力式
(一)慢滤池
慢滤池是最早出现的用于水处理的过滤设备,能有效地去除水的浊度、色度、嗅和味。
1.慢滤池的构造
慢滤池为一个长方形池子;
上部清水层1.2~1.5m;
滤层:
0.8~1.0m,粒径0.3~1.0mm;
承托层:
0.5m,粒径1~32mm;
集水系统:
0.8~1.0m。
2.慢滤池的工作过程
慢滤池的工作经历两个阶段:
滤层的成熟期:
新投入运行的滤池,出水混浊,1-2个星期后,滤层表面生长一层致密的滤膜,出水变得清澈。
滤膜是被截留的杂质,以及在其中藻类、原生动物、细菌等微生物生长繁殖的结果。
滤层表面生成滤膜的过程,称为滤层的成熟过程。
过滤期:
在过滤期间,水中的杂质被截留在滤膜上,使滤膜的阻力增大。
当滤膜的阻力增大到使滤速减小时,停止过滤,人工将表层1~2cm的含泥膜砂层刮去,再进水进行过滤,进入下一个周期。
工作原理
微生物分泌出起凝聚作用的酶,它能压缩双电层,使杂质吸附在沙砾上,滤膜中的生物吞食细菌,滤膜中的藻类产生氧气,起氧化作用。
3.效果:
浊度可降到0;
能很好地去除水的色度、嗅和味,达到饮用水水质标准;
很好的去除细菌,可以不消毒。
5.优缺点
•滤速慢:
V=0.1~0.3m/h,生产效率低,占地面积大;
运行可靠,运行和维护费用低;
进水为自然沉淀后的水,一般不需要化学预处理;
∙1~3个月后堵塞,需将表层的砂刮走,重新形成滤膜,并重新补砂,添加新砂,操作麻烦;
寒冷季节时其表层容易冰冻。
表17—1现代慢滤池的适用的进水条件与出水水质
适用的进水条件
出水水质
细菌的去除效率
颗粒物去除效率
浊度10ntu以下;
总大肠菌类10~1000个/100mL;
藻类不太多;
10000人以下的给水处理
小于1.0ntu
总大肠菌类<
1个/100mL
细菌总数99%
能去除逗号弧菌
(Vibriocomma)
2.7~7m99%
7~12m99.9%
较大颗粒99%~99.9%
虽然慢滤池的处理效果很好,但由于滤速太慢,不能满足生产要求,提高滤速,发展为快滤池,滤速可以达到8~10m/h。
但经过自然沉淀的水再经过快滤池的过滤,出水浊度一般
达不到用户的要求,因此,快滤池前必须有化学预处理。
另外由于滤速的加快,滤层堵塞快,一般只能运行10个小时左右,清洗砂层成为一个问题,反冲洗技术的发展,为快滤池的应用扫除了障碍,在城镇水厂中使用的慢滤池逐渐被快滤池所代替。
(二)快滤池
1、构造
进水系统
过滤系统
集水系统
反冲洗系统
管廊:
浑水进水管
清水出水管
初滤水
冲洗来水
冲洗排水
四大阀门(至少)
2.效果:
出水浊度<
1度,同时可去除一部分细菌、病毒。
3.普通快滤池工作过程(图)
过滤
冲洗
1、过滤过程(图)
2、反冲洗过程(图)
4.滤速
滤速是指单位时间、单位过滤面积上的过滤水量,单位为m3/(m2h)或m/h。
单层石英砂滤池8~12m/h
双层滤料滤池12~16m/h
5.工作周期
从过滤开始到冲洗结束的一段时间称为快滤池的工作周期。
从过滤开始到过滤结束称为过滤周期。
普通快滤池的工作周期为12—24h。
17.2.1过滤机理
一、过滤机理
1.机械筛滤作用(阻力截留)
将滤料层看作“筛子”,当原水自上而下流过滤料层时,粒径较大的悬浮颗粒(大于孔隙尺寸)首先被截留在表层滤料的空隙中,从而使此层滤料间的空隙越来越小,截污能力随之变得越来越高,结果逐渐形成一层主要由被截留的固体颗粒构成的滤膜,并由它起主要的过滤作用。
2.沉淀作用
原水通过滤料层时,众多的滤料表面提供了巨大的不受水力冲刷而可供悬浮物沉降的有效面积,类似于层层叠叠的一个多层“沉淀池”,悬浮物极易在此沉降下来。
据估计,1m3粒径为0.5mm的滤料中就拥有400m2。
3.接触粘附
接触粘附是过滤的主要机理,主要有两个过程:
迁移和粘附。
(1)颗粒迁移
由拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力作用等引起。
拦截:
当颗粒尺寸较大时,流线中的颗粒会直接碰到滤料表面产生拦截作用;
沉淀:
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;
惯性:
颗粒具有较大惯性时也可以脱离流线与滤料表面接触;
扩散:
颗粒较小时,布朗运动较剧烈时会扩散至滤料表面;
水动力作用:
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相接触。
迁移机理示意图
(2)颗粒粘附
粘附作用是一种物理化学作用。
当水中杂质颗粒迁移到滤料表面上时,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,被粘附于滤料颗粒表面上,或者粘附在滤粒表面上原先粘附的颗粒上。
粘附的作用力:
范德华力、静电力、化学亲和力及混凝颗粒的吸附架桥作用。
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。
因此,过滤效果主要取决于颗粒表面性质而无需增大颗粒尺寸。
根据这一理论,发展出低浊度水不经沉淀的直接过滤方式。
在实际过滤过程中,上述三种机理往往同时起作用,只是依条件不同而有主次之分。
对粒径较大的悬浮颗粒,以阻力截留为主,由于这一过程主要发生在滤料表层,通常称为表面过滤。
对于细微悬浮物,以发生在滤料深层的重力沉降和接触粘附为主,称为深层过滤。
二、滤层内杂质分布规律
关于滤料层截留杂质的规律描述,迄今只限范围。
从接触粘附的角度考虑:
在杂质微粒与滤料颗粒接触絮凝的同时,还存在着由于孔隙中剪力作用而导致颗粒从滤料表面上脱落趋势。
粘附力和水流剪力相对大小,决定了颗粒粘附和脱落的程度。
接触絮凝作用决定于微絮体表面特性及其强度。
后者主要决定于孔隙率。
颗粒粘附和脱附力示意图
过滤刚开始,滤层比较干净,孔隙率较大,孔隙流速小,水力冲刷作用小,大量杂质被表层5~10cm厚度的滤料所截留,少量杂质因粘附不牢而下移,并被下层滤料所截留。
随着过滤地进行,表层滤料孔隙率越来越小,孔隙流速增大,可粘附表面积减少,于是表层滤料上的杂质脱落趋势增强,杂质将向下层推移,下层滤料的
截留作用渐次得到发挥。
但是,下层滤料的截污能力尚未得到全部发挥,过滤就得停止。
滤层的截污能力沿深度的变化见下图。
这是由于反冲洗的水力筛选作用,造成沿滤层深度方向滤料粒径逐渐增大,表层滤料粒径小,
孔隙率最小,吸附表面积最大;
下层滤料粒径大,孔隙率大,吸附表面积小。
在过滤时,表层滤料孔隙率最小,吸附表面积最大,吸附杂质最多,杂质主要截留在滤料表层。
过滤一段时间后,表层滤料的空隙将逐渐被杂质堵塞,使过滤阻力剧增,当过滤水头达到一定时,产水量急剧下降。
严重时,滤层表面受力不均匀,而使滤膜产生裂隙,致使大量的水将从裂隙中流出,造成裂隙中流速过大,而使出水水质恶化,过滤被迫停止。
影响因素分析
◆滤速
滤速越大,水流的冲刷作用也大,杂质在滤层中的穿透深度越大,杂质在整个滤层中的分布越均匀。
穿透深度:
指过滤行将结束时,自滤料表层以下某一深度所取水样恰好符合滤后水质要求。
◆滤料粒径及级配的影响
滤料粒径越大,粒径越均匀,孔隙率越大,杂质的穿透深度增加,水头损失增加缓慢,延长工作周期且能提高截污能力。
滤层含污量:
过滤结束后,单位体积滤层所截留的杂质量,Kg/m3
◆滤料组成的影响
常见滤料组成:
单层滤料滤池、多层滤料滤池、均质滤料滤池
滤层组成的改变,改变了单层级配滤料层中杂质的分布状况,提高了滤层含污能力,降低了滤层中水头损失的增长速率。
三、直接过滤
原水不经沉淀而直接进入滤池过滤称“直接过滤”。
直接过滤有两种方式:
1)原水经加药后直接进入滤池过滤,滤前不设任何絮凝设备,这种过滤方式称为“接触絮凝”。
2)滤池前设一简易微絮凝池,原水经加药后先经微絮凝池,形成微絮粒后,进入滤池过滤,这种方式称为“微絮粒过滤”。
直接过滤适用的条件
(1)原水浊度和色度较低且水质变化较小,浊度不超过50度;
(2)通常采用双层和多层及均质滤料滤池,滤料的粒径和厚度适当增大;
(3)有时需投加助凝剂
(4)滤速设计应偏与安全。
特点:
工艺简单、混凝剂用量少。
适宜于处理低温、低浊水。
四、提高滤池截污能力的途径(图)
上细下粗的滤层杂质分布严重不均匀,对过滤不利。
1.向上流
缺点:
反冲洗水流与过滤水流方向一致,反冲洗水流受到限制,大量污泥需通过整个滤层才能排出,往往使污泥排除不净,冲洗效果不好。
2.双向流
效果虽好,但滤池构造复杂。
3.双层及多层滤料滤
双层滤料:
上层采用密度较小、粒径较大的轻质滤料(无烟煤),下层采用密度较大、粒径较小的重质滤料(石英砂)。
三层及多层滤料:
上层采用密度较小、粒径较大的轻质滤料(无烟煤),中层采用中等密度、中等粒径的滤料(石英砂),下层为粒径较小、大密度的重质滤料(石榴石)
均质滤料滤池:
是指沿整个滤层深度方向的任意断面,滤料组成和平均粒径完全一样,也就是不存在水力分级现象,这就要求在反冲洗时不发生膨胀。
几种滤料组成图
滤层截污量示意
17.2.2过滤水力学
过滤水力学就是阐述过滤过程中水头损失变化及滤速的变化。
1、清洁滤层水头损失
(1)卡曼-康采尼公式(Carman-Kozony)公式:
非均匀滤层按下式计算:
(2)清洁水头损失的影响因素
(3)滤层中的水头损失的分布及其变化规律
而滤料颗粒沿水流方向粒径越来越大,即de是增大的。
随着过滤地进行,滤层中截留的杂质含量逐渐增多,空隙率减小,从上式可以看出(滤料组成不变),水头损失不变,则滤速减小;
若滤速不变,则水头损失增大,这样产生了两种过滤方式:
等速过滤和变速过滤。
2、等速滤层中的水头损失变化
等速过滤:
过滤过程中滤速或过滤流量自始至终保持不变。
1)变水头的等速过滤
在等速过滤状态,由于滤层逐渐被堵塞,水头损失随过滤时间逐渐增加,滤池中水位逐渐上升,当水位上升到最高水位时,过滤停止以待冲洗。
无阀滤池与虹吸滤池是典型的恒速过滤滤池。
等速过滤图
vH0:
清洁滤层的水头损失;
vh:
配水系统、承托层及管渠水头损失之和;
vHt:
滤层的水头损失增值;
vHt与时间的关系反映了滤层截留杂质与过滤时间的关系。
v过滤任意时刻的总水头损失H=h+H0+Ht
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。
变水头等速过滤中水头损失与过滤时间的关系(图)
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1.52.0m。
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越多,水头损失增加越快,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(渠)等水头损失的微小变化。
2)等水头等速过滤
在整个过滤周期内,滤池的水位和滤速都保持不变,通过设置出水流速调节器。
――普通快滤池。
如果测得滤池进水、出水以及出水阀后的水头,就能得出滤池各部位水头损失的变化情况。
滤池的总水头H可分解为五部分:
1、流经滤料层的水头损失Ht:
(从开始时的H0,随时间呈直线增加);
2、流经垫层和集水系统的水头损失h1(不随时间而变);
3、流经流量控制阀的水头损失ht(开始时为h0,可通过开启阀门改变);
4、出水管内流速水头v2/2g
5、剩余水头h2。
过滤时,Ht逐渐增加,为使剩余水头h2不变,可开大出水阀,使ht减小。
3.等水头变速过滤中水头损失变化
如果过滤水头始终保持不变,滤速必然要降低。
随着过滤地进行,滤层截留的杂质增多,滤层阻力系数增大,滤层损失增大;
而其他部分的损失因滤速降低而减小,保持总水头不变。
过滤滤层阻力沿深度的变化规律等同于等速。
v多格滤池进水渠相通,各池的水位和总水头相同,但滤速不等,干净的滤池滤速大。
v每座滤池的滤速是阶梯形下降的,但在每个阶梯段还是等速过滤,滤池内的水位有一定程度上升,待某一个滤池反冲洗重新投入运行时后,其它滤池的滤速下降一级,相应的滤池组的水位也突然下降一些。
v滤池组整体的总平均出水量是保持不变的。
则滤池的水位与滤速变化如图17-9所示。
移动冲洗罩滤池是典型的降速过滤滤池,当移动冲洗罩滤池的分格数很多时,这格滤池冲冼与下一格滤池冲洗的间隔时间很近,滤池水位变化不大,有可能达到近似的“等水位变速过滤”。
一座滤池滤速变化图
减速过滤图
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。
17.3滤料和承托层
17.3.1滤料
一、滤料的要求:
•具有足够的机械强度,以防冲洗时滤料产生磨损和破碎现象;
•具有足够的化学稳定性,以免滤料与水产生化学反应而恶化水质。
尤其不能含有对人类健康和生产有害物质;
•具有一定的颗粒级配和适当的空隙率。
•滤料应尽量就地取材,货源充足,价廉。
常用的滤料:
石英砂、无烟煤、大理石、石榴石、白云石、聚苯乙烯发泡塑料、纤维球滤料
二、粒状滤料的粒径与级配
⏹粒径:
将滤料颗粒包围在内的一个假想球面直径。
⏹滤料级配:
各种大小不同滤料粒径所占的比例。
⏹级配曲线:
各种粒径的颗粒所占重量比例的累积曲线。
1)有效粒径和不均匀系数法
d10和d80:
分别通过滤料重量10%和80%的筛孔孔径,分别反映细颗粒和粗颗粒的尺寸。
d10反映了产生水头损失的主要部分,也称为有效粒径。
不均匀系数越大
不均匀系数以小为佳。
但是,不均匀系数愈小,加工费用也愈高。
生产上要求:
d10=0.5~0.6mm;
d80=1.0~1.2mm;
K80=1.65—1.80的范围内。
2)最大粒径、最小粒径和不均匀系数法:
我国规范中,采用dmax,dmin,K80来控制滤料粒径分布。
工程上为方便,一般dmind10,dmaxd80
三、滤料筛选方法
一般通过筛分试验。
取天然河沙300g,洗净烘干,冷却后称取100g,然后用一组筛子过滤,称出留在各个筛子上的砂量,填入p325表17-1中,根据此表的数据绘制滤料筛分曲线。
如图17-11。
但上述方法存在如下缺点,一是筛孔尺寸不精确,二是未反映滤料形状的影响。
因此,滤料等体积球体的直径为:
滤料筛分曲线图
四、滤料孔隙率的测定:
取一定量的滤料,在105度下烘干称重,用比重瓶测得密度。
然后放入过滤筒中,用清水过滤一段时间后,量出滤层体积,即可求得孔隙率。
五、滤料形状:
滤料形状影响滤层中的水头损失和孔隙率。
序号
形状描述
球度系数
孔隙率
1
圆球形
1.0
0.38
2
圆形
0.98
3
已磨蚀的
0.94
0.39
4
带锐角的
0.81
0.40
5
有角的
0.78
0.43
六、双层及多层滤料的级配
有两个问题值得讨论:
1.如何预示不同种类滤料的相互混杂程度;
2.滤料混杂对过滤的影响。
以石英砂和无烟煤为例(双层),在铺设滤料时,粒径小重度大的砂粒位于滤池底部,而粒径大、重度小的煤粒位于滤层上部,但在反冲洗后,可能出现三种情况:
(如图)
1.分层正常,煤在上、砂在下;
2.煤砂相互混杂,也可能部分混杂(在煤砂交界面上)也可能完全混杂;
3.煤砂分层颠倒,既上层砂、下层煤。
以上这种情况的出现,主要决定于煤砂的密度差、粒径差以及煤和砂的粒径级配、滤料的形状、水温及反冲洗强度。
滤料混杂时对过滤有何影响,有两种观点:
1.煤—砂交界面上适度混杂,可避免交界面上积聚过多杂质而使水头损失增加较快,故适度混杂是有宜的。
2..煤—砂交界面不应有混杂现象,因为煤层起截留大量杂质作用,砂层起精滤作用,而交界面分层清晰,起始水头损失将较小。
实际上,煤—砂交界面上不同程度的混杂是难免的,只要不大于5cm左右就可以。
另外,选用无烟煤时,要考虑煤的流失问题,在生产上此问题较严重。
滤料级配与滤速
类别
滤料组成
滤速
(m/h)
强制滤速
粒径
(mm)
不均匀系数
K80
厚度
单层石英砂
滤料
dmax=1.2
dmin=0.5
<
2.0
700
~10
10~14
双层滤料
无烟煤
dmax=1.8
dmin=0.8
300~400
14~18
石英砂
400
三层滤料
dmax=1.6
1.7
450
18~20
20~25
dmax=0.8
1.5
230
重质矿石
dmax=0.5
dmin=0.25
70
17.3.2承托层
承托层填充于滤层和集配水系统之间,主要作用是防止滤料从配水系统中流失,同时对均布冲洗水也有一定作用。
垫层材料一般采用天然卵石或碎石。
垫层材料亦应有足够的机械强度和化学稳定性,其最小粒径不应小于滤料的最大粒径,从上至下按粒度由小到大分层铺设,反洗时不能被水冲动而发生位移。
单层或双层滤料滤池承托层规格
层次(自上而下)
粒径(mm)
2~4
100
4~8
8~16
16~32
本层顶面高度至少应高于配系统孔眼100
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