給水工程19-20課時(shí) 過濾2 講稿

1、給水排水工程講稿（第19-20課時(shí)）第17章 過濾主要內(nèi)容v 過濾概論 v 過濾理論v 濾料和承托層v 濾池沖洗v 普通快濾池v 無閥濾池v 其他形式濾池17.3 濾料和承托層17.3.1 濾料一、濾料的要求： 具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以防沖洗時(shí)濾料產(chǎn)生磨損和破碎現(xiàn)象； 具有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性，以免濾料與水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而惡化水質(zhì)。尤其不能含有對人類健康和生產(chǎn)有害物質(zhì)； 具有一定的顆粒級配和適當(dāng)?shù)目障堵省?濾料應(yīng)盡量就地取材，貨源充足，價(jià)廉。常用的濾料：石英砂、無煙煤、大理石、石榴石、白云石、聚苯乙烯發(fā)泡塑料、纖維球?yàn)V料 二、粒狀濾料的粒徑與級配n 粒徑：將濾料顆粒包圍在內(nèi)的一個(gè)假想球面直徑。n 濾料

2、級配：各種大小不同濾料粒徑所占的比例。n 級配曲線：各種粒徑的顆粒所占重量比例的累積曲線。 1）有效粒徑和不均勻系數(shù)法 d10和d80：分別通過濾料重量10和80的篩孔孔徑，分別反映細(xì)顆粒和粗顆粒的尺寸。 d10反映了產(chǎn)生水頭損失的主要部分，也稱為有效粒徑。不均勻系數(shù)越大不均勻系數(shù)以小為佳。但是，不均勻系數(shù)愈小，加工費(fèi)用也愈高。 生產(chǎn)上要求： d10=0.50.6mm； d80=1.01.2mm； K801.651.80的范圍內(nèi)。 2）最大粒徑、最小粒徑和不均勻系數(shù)法： 我國規(guī)范中，采用dmax, dmin, K80來控制濾料粒徑分布。 工程上為方便，一般dmin»d10, dmax

3、»d80 三、濾料篩選方法 一般通過篩分試驗(yàn)。取天然河沙300g，洗凈烘干，冷卻后稱取100g，然后用一組篩子過濾，稱出留在各個(gè)篩子上的砂量，填入p325 表17-1中，根據(jù)此表的數(shù)據(jù)繪制濾料篩分曲線。如圖17-11。但上述方法存在如下缺點(diǎn)，一是篩孔尺寸不精確，二是未反映濾料形狀的影響。因此，濾料等體積球體的直徑為：濾料篩分曲線圖四、濾料孔隙率的測定： 取一定量的濾料，在105度下烘干稱重，用比重瓶測得密度。然后放入過濾筒中，用清水過濾一段時(shí)間后，量出濾層體積，即可求得孔隙率。五、濾料形狀： 濾料形狀影響濾層中的水頭損失和孔隙率。序號形狀描述球度系數(shù)孔隙率1圓球形1.00.382圓

4、形0.980.383已磨蝕的0.940.394帶銳角的0.810.405有角的0.780.43六、雙層及多層濾料的級配 有兩個(gè)問題值得討論： 1.如何預(yù)示不同種類濾料的相互混雜程度； 2.濾料混雜對過濾的影響。 以石英砂和無煙煤為例（雙層），在鋪設(shè)濾料時(shí)，粒徑小重度大的砂粒位于濾池底部，而粒徑大 、重度小的煤粒位于濾層上部，但在反沖洗后，可能出現(xiàn)三種情況：（如圖） 1.分層正常，煤在上、砂在下； 2.煤砂相互混雜，也可能部分混雜（在煤砂交界面上）也可能完全混雜； 3.煤砂分層顛倒，既上層砂、下層煤。 以上這種情況的出現(xiàn)，主要決定于煤砂的密度差、粒徑 差以及煤和砂的粒徑級配、濾料的形狀、水溫及反

5、沖洗強(qiáng)度。濾料混雜時(shí)對過濾有何影響，有兩種觀點(diǎn)： 1.煤砂交界面上適度混雜，可避免交界面上積聚過多雜質(zhì)而使水頭損失增加較快，故適度混雜是有宜的。 2. .煤砂交界面不應(yīng)有混雜現(xiàn)象，因?yàn)槊簩悠鸾亓舸罅侩s質(zhì)作用，砂層起精濾作用，而交界面分層清晰，起始水頭損失將較小。 實(shí)際上，煤砂交界面上不同程度的混雜是難免的，只要不大于 5 cm左右就可以。 另外，選用無煙煤時(shí)，要考慮煤的流失問題，在生產(chǎn)上此問題較嚴(yán)重。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<2.0700101014雙層濾料無煙煤dma

6、x=1.8dmin=0.8<2.030040010141418石英砂dmax=1.2dmin=0.5<2.0400三層濾料無煙煤dmax=1.6dmin=0.8<1.745018202025石英砂dmax=0.8dmin=0.5<1.5230 琰茞Ü 琰茞Ü 琰茞Ü17.3.2 承托層 承托層填充于濾層和集配水系統(tǒng)之間，主要作用是防止濾料從配水系統(tǒng)中流失，同時(shí)對均布沖洗水也有一定作用。單層或雙層濾料濾池承托層規(guī)格 層次（自上而下）粒徑（mm）厚度124100248100381610041632本層頂面高度至少應(yīng)

7、高于配系統(tǒng)孔眼10017.4 濾池沖洗目的：去除截留在濾層中的雜質(zhì)，使濾池恢復(fù)過濾能力。 當(dāng)出水水質(zhì)不合格或水頭損失達(dá)到設(shè)計(jì)最大值時(shí)開始沖洗常用的反沖洗方法有以下幾種 高速水流反沖洗 利用流速較大的反向水流沖洗濾料層，使整個(gè)濾層達(dá)到流態(tài)化狀態(tài)，在水流剪切和顆粒摩擦的雙重作用下，使截留于濾層中的污物從濾料表面脫落，并帶出濾池。 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。 表面助沖加高速水流反沖洗 表面沖洗管上有噴嘴或孔眼，在濾池的上部，利用射流使濾料顆粒表面的污泥擊碎，更容易脫落。 17.4.1 高速水流反沖洗（1）沖洗強(qiáng)度、濾層膨脹度和沖洗時(shí)間1）沖洗強(qiáng)

8、度 指單位面積濾層所通過的沖洗流量(q)，單位L/s.m2 。2）濾層膨脹度 濾層膨脹后增加的厚度與膨脹前厚度之比。L0濾層膨脹前厚度，cm;L濾層膨脹后的厚度，cm。由于濾層膨脹前、后單位面積上濾料體積不變，于是： 故m0濾層膨脹前孔隙率； m濾層膨脹后孔隙率。 e過小,下層濾料浮不起來；e過大，因?yàn)V料顆粒較小，它們之間碰撞摩擦幾率減小，還會使上層濾料流失，丞托層發(fā)生移動。理想的e應(yīng)是截留雜質(zhì)的那部分濾料恰好完全膨脹起來為限，或者下層最大濾料顆粒剛剛開始浮起時(shí)為宜。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般單層濾料（砂料） e采用45%左右，煤砂雙層濾料取50%左右可取得良好效果。3）沖洗時(shí)間 序號濾層類型沖洗強(qiáng)度(

9、L/s·m2)膨脹度（%）沖洗時(shí)間（min）1石英砂濾料121545752雙層濾料131650863三層濾料16175575（2）沖洗強(qiáng)度與濾層膨脹度關(guān)系對于均勻?yàn)V料，沖洗時(shí)如果濾層沒有膨脹，則水流流過濾料層的水頭損失可用歐根公式計(jì)算： 當(dāng)濾層膨脹起來后，處于懸浮狀態(tài)下的濾料對沖洗水流的阻力，等于它們在水中的重量： 當(dāng)濾料粒徑、形狀、密度、濾層厚度和孔隙率以及水溫等已知時(shí)，將17-11式和17-13式繪成水頭損失和沖洗流速關(guān)系圖。Vmf是反沖洗時(shí)濾料剛剛開始流態(tài)化的沖洗流速，稱為“最小流態(tài)化流速”當(dāng)濾料粒徑、形狀和密度不同時(shí)， Vmf值也不同。粒徑越大， Vmf值越大。沖洗流速和膨脹

10、后濾層孔隙率的關(guān)系。由上式可知，當(dāng)濾料粒徑、形狀、密度及水溫已知時(shí)，沖洗流速僅與膨脹后的濾層孔隙率有關(guān)，按照式17-10將m換算成e，則得到?jīng)_洗強(qiáng)度與膨脹度的關(guān)系式。敏茨和舒別爾特通過實(shí)驗(yàn)研究提出下列公式：理查遜和贊基提出以下公式，可用于沖洗計(jì)算：當(dāng)砂粒粒徑為0.51.2mm時(shí)，在常溫情況下，a值為43，粒徑小則a值大，反之亦然。（3）沖洗強(qiáng)度的確定和非均勻?yàn)V料膨脹度的計(jì)算1）沖洗強(qiáng)度的確定 設(shè)計(jì)時(shí)，按最粗濾料剛開始膨脹作為確定沖洗強(qiáng)度的依據(jù)。若由此導(dǎo)致上層細(xì)濾料流失，通過調(diào)整濾料級配解決。考慮到其他因素，涉及沖洗強(qiáng)度可按下式確定： 一般k=1.11.3，濾料粒徑不均勻程度較大者，取低限。 V

11、mf最大粒徑濾料的最小流態(tài)化流速，cm/s.2）膨脹度的計(jì)算 可將濾層分成若干層，各層膨脹度之和即為整個(gè)濾層的膨脹度。 17.4.2 氣、水反沖洗v 利用上升空氣氣泡的振動可有效地將附著于濾料顆粒表面污物擦洗掉，懸浮于水中，然后再用水反沖將污物排出池外。v 與高速反沖洗相比氣水反沖洗既可提高沖洗效果，又節(jié)省沖洗水量，沖洗濾層不一定需要膨脹或僅有輕微膨脹，沖洗后，濾層不產(chǎn)生明顯的分層現(xiàn)象。v 但增加氣沖設(shè)備，（鼓風(fēng)機(jī)或空氣壓縮機(jī)和儲氣罐），另外池子結(jié)構(gòu)和沖洗操作也較復(fù)雜。氣、水反沖洗的操作方式：1）先用空氣反沖，然后再用水反沖；2）先用氣水同時(shí)反沖，然后再用水反沖；3）先用空氣反沖，然后氣水同時(shí)

12、反沖，最后再用水反沖 。 沖洗方式氣沖強(qiáng)度(L/s·m2)水沖洗強(qiáng)度(L/s·m2)沖洗時(shí)間（min）空氣反沖1020 75氣水同時(shí)反沖10203486單獨(dú)水沖 低速：46高速： 6107517.4.3 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。 作用： 反沖洗時(shí)，均勻分布反沖洗水； 過濾時(shí)，均勻集水。 反沖洗時(shí)配水不均勻的危害： 水量小的部分，沖洗不干凈，污物逐漸粘結(jié)成“泥球”或“泥餅”，造成過濾時(shí)，產(chǎn)生短流現(xiàn)象，使出水水質(zhì)下降； 水量大的部分，則可能招致局部承托層發(fā)生移動，造成濾料層和墊層的“混雜”，并造成“跑砂

13、”現(xiàn)象，最終導(dǎo)致過濾過程的失敗。1、 大阻力配水系統(tǒng)（圖）1）沿途泄流穿孔管中壓力變化（圖） 干管和支管均可近似看作沿途泄流管道，因此，沿途均勻泄流管道中的水頭損失為: （忽略）則： 故：由上式可以看出：當(dāng) 時(shí)，即：穿孔管末端壓頭大于起端壓頭。（忽略）設(shè)n=0.012，則當(dāng) 時(shí)， ， ，在快濾池的配水系統(tǒng)中，滿足 這一條件，因而 。 2）大阻力配水系統(tǒng)的原理 假定干管、支管沿程水頭損失忽略不計(jì)，各支管進(jìn)口局部水頭損失基本相等。相距最遠(yuǎn)a、c孔壓頭差為：（忽略） 由于濾池排水槽上緣水平，沖洗時(shí)水流自各孔口流出后，終點(diǎn)水頭同在一水面。孔口壓頭與終點(diǎn)水頭差即水流經(jīng)孔口、承托層和濾料層的總水頭損失。

14、由于：所以 大阻力配水系統(tǒng)原理是，減小孔口總面積，使孔口阻力系數(shù)S1增大，第二項(xiàng)近似為0。削弱了配水系統(tǒng)壓力不均勻、承托層濾料層阻力系數(shù)S2的影響，可認(rèn)為QaQc。n 開孔比：配水孔眼面積與濾池面積的比值，配水均勻性達(dá)到95%以上時(shí)，開孔比為：0.20.25%。特點(diǎn)：配水均勻性好； 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沖洗水頭要求高，耗能大； 管道和孔眼容易結(jié)垢，檢修困難。 一般為穿孔管大阻力配水系統(tǒng)。3）穿孔管大阻力配水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖17-15中孔口a與孔口c的出流量Qa、Qc在不考慮承托層和濾料層阻力的影響時(shí)，可按下式進(jìn)行計(jì)算：整理得：上式說明，當(dāng)孔口水頭損失越大時(shí)，a孔與b孔的出流量之比越接近于1。 設(shè)配水系統(tǒng)配

15、水均勻性要求在95%以上時(shí)，即令Qa/Qc³0.95，則： 整理上式可得： 為了簡化計(jì)算，假設(shè)每根支管的進(jìn)口流量相同，v0和va可分別按下列兩式進(jìn)行計(jì)算：為了簡化計(jì)算，Ha可以孔口平均水頭損失計(jì)算，則Ha為：得：將=0.62代入上式并整理得：(P359.4)上式為大阻力配水系統(tǒng)構(gòu)造尺寸計(jì)算的依據(jù)v 上式說明： 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(gè)數(shù)、孔口總面積等有關(guān)，而與其它因素?zé)o關(guān)。 當(dāng)濾池面積過大時(shí)，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的產(chǎn)生影響，一般單池面積小于100m2。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（1）干管起端流速v1.01.5 m/s，

16、支管起端v=1.52.0 m/s， 孔口v=56m/s（2）孔口總面積與濾池面積之比稱為開孔比0.20.25% （3）支管中心間距0.20.3m， 支管L/D60（末端壓力大于起端）（4）孔口D912mm，當(dāng)干管D>300mm，干管頂部也應(yīng)開孔布水，并在孔口上方設(shè)置擋板。大阻力配水系統(tǒng)圖2）小阻力配水系統(tǒng)（1）原理 減小干管和支管流速Va、V0，第二項(xiàng)對布水均勻性影響大大削弱，即流速v減小，壓力變化小，HaHc，使QaQc。（2）特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單，反沖洗水頭??； 配水均勻性較大阻力配水系統(tǒng)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

17、度都會敏感地反映出來； 單池濾池面積較大時(shí)，不宜采用小阻力配水系統(tǒng)。 小阻力配水系統(tǒng)圖常見形式（1）鋼筋混凝土穿孔（或縫隙）濾板（圖）（2）二次配水穿孔濾磚（圖）（3）長柄濾頭（氣、水反沖洗）（圖）17.4.4 沖洗廢水的排除 1.沖洗排水槽沖洗排水槽設(shè)計(jì)要求v 沖洗廢水應(yīng)自由跌落入沖洗排水槽；v 沖洗排水槽內(nèi)的廢水應(yīng)自有跌落入廢水渠；v 每單位槽長溢入的流量應(yīng)相等，因此，槽口齊平，誤差小于2mm；v 沖洗排水槽的總面積不大于濾池面積的25%；v 槽與槽之間的中心距一般為1.52.0m；v 沖洗排水槽高度適當(dāng)，槽頂距未膨脹濾層高度為： Q：單個(gè)排水槽流量圖v 2.排水渠 排水渠為矩形斷面，渠底

18、距排水槽底高度為：17.4.5 沖洗水的供給（1）沖洗水塔或沖洗水箱 沖洗水箱一般與濾池合建，通常建造于濾池操作室層頂上，水塔（箱）中水深不宜超過3m。水塔（箱）容積可按單個(gè)濾池沖洗水量的1.5倍計(jì)算： 水塔（箱）底高出濾池沖洗排水槽頂?shù)母叨瓤砂聪率接?jì)算：式中：h1塔至管道中總水頭損失 h2配水系統(tǒng)總水頭損失大阻力系統(tǒng)按孔口平均水頭損失計(jì)算h3承托層水頭損失。 h4濾層水頭損失。 h5備用水頭，取1.52.0m。 （2）水泵沖洗水泵流量和楊程分別為：式中：H0水池最低水位至洗砂排水槽槽頂距離； H1從清水池至濾池的沖洗管道中的總水頭 損失，m； 其余同上。17.5 普通快濾池工作原理：進(jìn)水從進(jìn)

19、水渠進(jìn)入，經(jīng)過濾后，從清水渠流走。沖洗時(shí)，水從沖洗水渠進(jìn)入，從排水渠排走。17.5.1 單池面積和濾池深度1.面積 濾池個(gè)數(shù)濾池總面積（m2）<303050100150200300濾池個(gè)數(shù)233或44656562池深HH1+ H2 + H3+ H4 式中：H1 承托層厚度，0.40.5mH2 濾層厚度，單層0.7m，雙層0.70.8mH3濾層表面以上水深，1.52.0m。H4 超高，0.250.3m。17.5.2 管廊布置 管廊：集中布置濾池的管渠、配件及閥門的場所。要求：（1）力求緊湊，簡捷；（2）留有設(shè)備與管配件安裝、維修時(shí)必須的空間；（3）具有良好的防水、排水、通風(fēng)、照明設(shè)備；（4

20、）便于與濾池操作室聯(lián)系；（5）管廊中的管道一般用金屬材料，也可用鋼筋混凝土渠道；（6）管廊門及通道應(yīng)允許最大配件通過，并考慮檢修方便。2n<5個(gè)，單排，管廊在一側(cè) n>5個(gè)，雙排，管廊在中間（緊湊，采光不好） 布置形式：（1）進(jìn)水、清水、沖洗水和排水渠，全部布置在管廊內(nèi)(見圖a) 。（2）沖洗水和清水渠布置在管廊內(nèi)，進(jìn)水和排水以渠道形式布置于濾池另一側(cè)(見圖b) 。（3）進(jìn)水、沖洗水及清水管均采用金屬管道，排水渠單獨(dú)設(shè)置(見圖c) 。（4）對于較大型濾池，為節(jié)約閥門，可以虹吸管代替排水和進(jìn)水支管；沖洗水管和清水管仍用閥門(見圖d) 。圖17.5.3 管渠設(shè)計(jì)流速管渠流速（為什么進(jìn)水管的最小，沖洗管的最大？）名稱流速（m/s）名稱流速（m/s）進(jìn)水管（渠）0.81.2沖洗水管(渠)2.02.5清水管(渠)1.01.5排水管(渠)1.01.517.5.4 設(shè)計(jì)中注意幾點(diǎn) （1）濾池清水管應(yīng)設(shè)短管或留有堵板,管徑一般采用75200mm，以便濾池翻