水质工程（给水处理）弟十七章过滤 (一)迁移机理 在过滤过程中，滤层孔隙中的水流一般为层流状态，被水流携带的颗粒将随着 水流的流线运动，它之所以会脱离流线而与滤粒表面接近，完全是一种物理力学 作用，一般认为由以下几种作用引起： 1、拦截：颗粒尺寸较大时，处于流线中的颗粒会直接碰到滤料表面产生拦截 作用。 2、沉淀：颗粒沉速较大时，会在重力作用下脱离流线，产生沉淀作用。 3、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，为惯性作用。 4、扩散：颗粒较小，布朗运动剧烈时会扩散至滤料表面，为扩散作用。 5、水动力作用：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 与滤粒表血接触。 上述迂移机理所受影响因素复杂，目前只能定性描述，可能几种机理同时存在， 也可能只有其中某些机理起作用。 (二)粘附机理 粘附作用是一种物理化学作用，当水中颗粒迂移到滤料表面上时，则在范德华 引力和静电相互作用下，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，或者粘附在滤料表面原先粘附的颗粒上。此外，某些絮凝颗粒 的架桥作用也存在。粘附过程与澄消池中的泥渣所起的粘附作用基本类似，不同 的是滤料为固定介质，排列紧密，效果更好。因此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，而无需增大颗粒尺寸。 粘附力的来源，其相对数值及作用范围，至今仍是格 有待研究的复杂问题。 (三)杂质在滤层中分布规律 与颗粒粘附的同时，还存在由于孔隙中水流剪力作用 而导致颗粒从滤料表面上脱落趋势。粘附力与水流剪力的 相对大小，决定了颗粒粘附和脱落的程度。图17-3为颗 钓脱落与用示 粒粘附力和平均水流剪力示意图。 图中：F。一表示颗粒与滤料表面或颗粒与颗粒之间的粘附力 F,一颗粒所受的平均水流剪力 过滤初期，滤料较干净，孔隙率较大，水流剪力F,较小，因而粘附作用F。优 第6贞共40页
水质工程给水处拥）弟十七章过滤 势，随者过滤时间的增加，滤层中颗粒逐浙增多，孔隙率逐浙减小，水流剪力逐 渐增大，以致最后粘附的颗粒将首先脱落下来。或者水流携带的颗粒将不再有粘 附现象。于是悬浮颗粒便向下层推移，下层滤料作用逐渐得到发挥 在过滤中，当下层滤料截留悬浮颗粒的作用还未得到充分发挥时，过滤就得停 止。其原因为：表层滤料粒径最小，粘附表面积最大，截留悬浮颗粒量最多，而 空隙尺寸又最小，因而，过滤到一定时间后，表层滤料间孔隙将逐渐被堵塞，甚 至产生筛滤作用而形成泥膜，使过滤阻力剧增。其结果：1)在一定过滤水头下滤 速剧减（或在一定滤速下水头损失达到极限值）：2)或者因滤层表面受力不均匀 而使泥膜产生裂缝时，大量水流将自裂缝中流出， 找污量g/ca3 以致悬浮杂质穿出滤层而使出水水质恶化。当上述 两种情况之一出现时，过滤将被迫停止。当过滤周 港 期结束后滤层中所截留的悬浮颗粒数量在滤层深 度方向的分布规律如图54所示。可见，其变化很 大，大量颗粒被表面滤料所截留。图中截污量指单 位体积滤层中所截留的杂质量。 双层滤料 在过滤过程中，滤层中悬浮颗粒截留量随着过 滤时间和滤层深度而变化的规律，以及由此而导致 滤料含污层变化 的水头损失变化规律，与原水进水水质、水温、滤 速、滤料粒径、形状、悬浮物表面性质等因素有关，影响因素非常复杂。 二、过滤水力学 在过滤过程中，滤层中悬浮颖粒的量不断增加，必然导致过滤过程中水力条件 的改变。过滤水力学所阐述的即是过滤时水流通过滤层的水头损失变化及滤速的 变化。 (一)清洁滤层水头损失一一起始水头损失 在通常所采用的滤速范围内，清洁滤层中的水流属层流状态，在层流状态下， 敏茨及长曼-康采尼等人利用因次分析，并通过实验分别求得了计算公式，这里介 绍卡曼·康采尼公式：（当滤层为均匀滤料时） 1网w (5-1) gm。 式中：h一一水流通过清洁滤层水头损失，cm: -水的运动粘度，cm2/s: 第7贞共40贞
水质工程给水处理）弟十七章过滤 m一一滤料孔隙率： 山一一与滤料体积相同的球体直径，cm: 1。一一滤层厚度，cm: 中一一滤料颗粒球度系数。 实际滤层为非均匀滤料，可按筛分曲线分层，计算各层的水头损失，然后叠加 即为清洁滤层总的水头损失，即： 瓜，=2h=180-m(白%正导 (5-2) 8m6 式中：p一一粒径为d 的滤料重量占全部滤料的 重量百分比。分层数愈多， 计算精确度愈高。 随着过滤时间的延长， 滤层中截留的悬浮物量逐 渐增多，滤层孔隙率逐渐减 小，由上式可知，当滤料粒 等速过滤 径(di)、性状（中）、滤层级配(pi)和厚度(lo)以及水温(v)一定时，如果 孔隙率减小，1)则在水头损失保持不变的条件下，将引起滤速的减小。2)反之 在滤速保持不变时，将引起水头损失的增加。这样就产生了等速过滤和变速过滤 两种过滤方式。 (二)等速过滤中的水头损失变化 当滤池进水流量保持不变，亦即滤速不变时，称“等速过滤”。如虹吸滤池和 无阀滤池。在等速过滤中，水头损失随时间逐渐增加，滤池中水位逐渐上升，见 图5-6，当水位上升至最高允许水位时，过滤停止以待冲洗。 冲洗后刚开始过滤时，滤层水头损失为H,当过滤时间为t时，滤层中水头 损失增加△Ht,于是过滤t时滤层总水头损失为： Ht=Ho+h+△Ht (5-3) 式中：H。一清洁滤层水头损失 △H一在时间为t时的水头损失增值 h一配水系统、承托层及管（渠）水头损失之和 式中Ho和h在整个过滤过程中保持不变，△H随1增加而增大。△Ht与t的 第8贞共40页
水质工程给水处理)弟十七章过滤 关系，实际上反映了滤层截留杂质量与过滤时间的关系，亦即孔隙率的变化与时 间的关系，根据实验。△Ht与t一般呈直线关系，如图5-7所示。图中Hmx为水 头损失，增值为最大时的过滤水头损失，一般Hmax=1.5~2.0m。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T不仅与最大允许水头损失Hmx有 关，还与滤速v有关。设滤速v'>v,一方面H'>Ho,同时单位时间内被滤层截 留的杂质量较多，水头损失增加较快，故ga'>gQ。因而过滤周期T'<T。 以上仅讨论了整个滤层水头损失的变化情况。至少由上而下逐层滤料水头损失 的变化情况就比较复杂，由于上层滤料截留量多，愈往下愈少，因而水头损失增 值也由上而下逐渐减小。 (三)变速过滤的滤速变化 滤速随时间而逐渐减小的过程称“变速过滤”或“减速过滤”。移动冲洗罩滤 池属于变速过滤的滤池。普通快滤池可以设计成变速过滤，也可以设计成等速过 滤。 在过滤过程中，如果过滤水头损失始终保持不变，由式(5-2)可知，滤层孔 隙率的减小，必然使滤速减小，这种情况称为“等水头变速过滤”。这种变速过滤 方式，在普通快滤池一般不会出现。原因：一级泵站流量基本不变，即滤池进出 水总流量基本不变，因而，尽管水厂内设有多座滤池，根据流量进出平衡关系， 要保持每座滤池水位恒定（滤速必然要减小）而又要保持总的进出水流量平衡当 然不可能。不过，在分格数很多的移动冲洗罩滤池中，有可能达到近似的“等水 头变速过滤”状态。 近似等水头变速过滤的状态分析： 1、对滤池的要求及条件： 第9贞共40贞
水质工程给水处理)弟十七章过滤 1)快滤池进水渠相互连通，且每座滤池进水阀均处于滤池最低水位下（见图 长位4 24 vas vbiove2a4i6速路 减运过 5-8)。 2)设四座滤池组成一个滤池组，进入滤池组的总流量不变，由于进水渠相互 连通，四座滤池内的水位或总水头损失在任何时间内基本上都是相等的（但并不 是不变的)，见图5-8 3)减速过滤按如下方式进行，最干净的滤池滤速最大，截污量最多的滤池滤 速最小。四座滤池按截污量由少到多依次排列，它们的滤速则由高到低依次排列。 但在整个过滤过程中，四座滤池的平均滤速始终不变，以保持总的进出流量平衡 对某一座滤池而言，其滤速随者过滤时间的延长而逐渐降低（呈阶梯形下降）。 2、状态分析 水位1一四座滤池的滤料都干净且均在平均滤速下(V=10m/h)过滤时的 过滤水位。于是图中，便表示清洁滤料、承托层、配水系统及管道配件等水头损 失之和。这种状况在实际操作中不会出现或偶尔出现，例如刚建成投产时。 水位2一四座滤池实际运行时的最低水位，即其中一座滤池刚冲洗完投入运行 时的水位（如D滤池完毕）。因为四座滤池不是在同时冲洗，而且按滤层截污程度 依次冲洗，所以当其中一座滤池冲洗完毕投入运行时，其余三座滤池均截留不同 程度的杂质。又因刚冲洗完毕的滤池恰是后来截污量最多的滤池，所以一旦变为 最干净的滤池投入运行，滤池组的水位便降至最低（原因：该滤格刚冲洗完毕， 滤速突然增大，则其它3座滤池的一部分水量即由该座滤池分担，从而其它3座 滤池均按各自滤速下降一级，相应的4座滤池水位也突然下降一些)。图中2表示 干净滤池在实际滤速(Vp=13m/h)下的水头损失与四座干净滤池在平均滤速下的 水头损失之差。 第10共40贞