给水工程1920课时 过滤2 讲稿要点.docx
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给水工程1920课时过滤2讲稿要点
《给水排水工程》讲稿
(第19-20课时)
第17章过滤
主要内容
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
17.3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
0.38
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
(m/h)
粒径
(mm)
不均匀系数
K80
厚度
(mm)
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
<2.0
300~400
10~14
14~18
石英砂
dmax=1.2
dmin=0.5
<2.0
400
三层滤料
无烟煤
dmax=1.6
dmin=0.8
<1.7
450
18~20
20~25
石英砂
dmax=0.8
dmin=0.5
<1.5
230
䦋㌌㏒㧀좈琰茞ᓀ㵂Ü
䦋㌌㏒㧀좈琰茞ᓀ㵂Ü
䦋㌌㏒㧀좈琰茞ᓀ㵂Ü
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。
单层或双层滤料滤池承托层规格
层次(自上而下)
粒径(mm)
厚度
1
2~4
100
2
4~8
100
3
8~16
100
4
16~32
本层顶面高度至少应高于配系统孔眼100
17.4滤池冲洗
目的:
去除截留在滤层中的杂质,使滤池恢复过滤能力。
当出水水质不合格或水头损失达到设计最大值时开始冲洗
常用的反冲洗方法有以下几种
①高速水流反冲洗
利用流速较大的反向水流冲洗滤料层,使整个滤层达到流态化状态,在水流剪切和颗粒摩擦的双重作用下,使截留于滤层中的污物从滤料表面脱落,并带出滤池。
②气-水联合反冲洗
利用上升气泡的振动,将滤料表面污物破碎、脱落,再由水冲带出池外。
③表面助冲加高速水流反冲洗
表面冲洗管上有喷嘴或孔眼,在滤池的上部,利用射流使滤料颗粒表面的污泥击碎,更容易脱落。
17.4.1高速水流反冲洗
(1)冲洗强度、滤层膨胀度和冲洗时间
1)冲洗强度
指单位面积滤层所通过的冲洗流量(q),单位L/s.m2。
2)滤层膨胀度滤层膨胀后增加的厚度与膨胀前厚度之比。
L0—滤层膨胀前厚度,cm;
L—滤层膨胀后的厚度,cm。
由于滤层膨胀前、后单位面积上滤料体积不变,于是:
故
m0—滤层膨胀前孔隙率;
m—滤层膨胀后孔隙率。
e过小,下层滤料浮不起来;e过大,因滤料颗粒较小,它们之间碰撞摩擦几率减小,还会使上层滤料流失,丞托层发生移动。
理想的e应是截留杂质的那部分滤料恰好完全膨胀起来为限,或者下层最大滤料颗粒刚刚开始浮起时为宜。
根据经验,一般单层滤料(砂料)e采用45%左右,煤—砂双层滤料取50%左右可取得良好效果。
3)冲洗时间
序号
滤层类型
冲洗强度
(L/sm2)
膨胀度
(%)
冲洗时间
(min)
1
石英砂滤料
12~15
45
7~5
2
双层滤料
13~16
50
8~6
3
三层滤料
16~17
55
7~5
(2)冲洗强度与滤层膨胀度关系
对于均匀滤料,冲洗时如果滤层没有膨胀,则水流流
过滤料层的水头损失可用欧根公式计算:
当滤层膨胀起来后,处于悬浮状态下的滤料对冲洗水流的阻力,等于它们在水中的重量:
当滤料粒径、形状、密度、滤层厚度和孔隙率以及水温等已知时,将17-11式和17-13式绘成水头损失和冲洗流速关系图。
Vmf是反冲洗时滤料刚刚开始流态化的冲洗流速,称为“最小流态化流速”
当滤料粒径、形状和密度不同时,Vmf值也不同。
粒径越大,Vmf值越大。
冲洗流速和膨胀后滤层孔隙率的关系。
由上式可知,当滤料粒径、形状、密度及水温已知时,冲洗流速仅与膨胀后的滤层孔隙率有关,按照式17-10将m换算成e,则得到冲洗强度与膨胀度的关系式。
敏茨和舒别尔特通过实验研究提出下列公式:
理查逊和赞基提出以下公式,可用于冲洗计算:
当砂粒粒径为0.5~1.2mm时,在常温情况下,值为4~3,粒径小则值大,反之亦然。
(3)冲洗强度的确定和非均匀滤料膨胀度的计算
1)冲洗强度的确定
设计时,按最粗滤料刚开始膨胀作为确定冲洗强度的依据。
若由此导致上层细滤料流失,通过调整滤料级配解决。
考虑到其他因素,涉及冲洗强度可按下式确定:
一般k=1.1—1.3,滤料粒径不均匀程度较大者,取低限。
Vmf——最大粒径滤料的最小流态化流速,cm/s.
2)膨胀度的计算
可将滤层分成若干层,各层膨胀度之和即为整个滤层的膨胀度。
17.4.2气、水反冲洗
v利用上升空气气泡的振动可有效地将附着于滤料颗粒表面污物擦洗掉,悬浮于水中,然后再用水反冲将污物排出池外。
v与高速反冲洗相比气水反冲洗既可提高冲洗效果,又节省冲洗水量,冲洗滤层不一定需要膨胀或仅有轻微膨胀,冲洗后,滤层不产生明显的分层现象。
v但增加气冲设备,(鼓风机或空气压缩机和储气罐),另外池子结构和冲洗操作也较复杂。
气、水反冲洗的操作方式:
1)先用空气反冲,然后再用水反冲;
2)先用气—水同时反冲,然后再用水反冲;
3)先用空气反冲,然后气—水同时反冲,最后再用水反冲。
冲洗方式
气冲强度
(L/sm2)
水冲洗强度
(L/sm2)
冲洗时间
(min)
空气反冲
10~20
7~5
气水同时反冲
10~20
3~4
8~6
单独水冲
低速:
4~6
高速:
6~10
7~5
17.4.3配水系统
常见的配水系统有大阻力配水系统、小阻力配水系统、中阻力配水系统等三种。
作用:
①反冲洗时,均匀分布反冲洗水;
②过滤时,均匀集水。
反冲洗时配水不均匀的危害:
①水量小的部分,冲洗不干净,污物逐渐粘结成“泥球”或“泥饼”,造成过滤时,产生短流现象,使出水水质下降;
②水量大的部分,则可能招致局部承托层发生移动,造成滤料层和垫层的“混杂”,并造成“跑砂”现象,最终导致过滤过程的失败。
1、大阻力配水系统(图)
1)沿途泄流穿孔管中压力变化(图)
干管和支管均可近似看作沿途泄流管道,因此,
沿途均匀泄流管道中的水头损失为:
(忽略)
则:
故:
由上式可以看出:
当时,
即:
穿孔管末端压头大于起端压头。
(忽略)
设n=0.012,则当时,,
,在快滤池的配水系统中,满足
这一条件,因而。
2)大阻力配水系统的原理
假定干管、支管沿程水头损失忽略不计,各支管进口局部水头损失基本相等。
相距最远a、c孔压头差为:
(忽略)
由于滤池排水槽上缘水平,冲洗时水流自各孔口流出后,终点水头同在一水面。
孔口压头与终点水头差即水流经孔口、承托层和滤料层的总水头损失。
由于:
所以
大阻力配水系统原理是,减小孔口总面积,使孔口阻力系数S1增大,第二项近似为0。
削弱了配水系统压力不均匀、承托层滤料层阻力系数S2的影响,可认为Qa≈Qc。
⏹开孔比:
配水孔眼面积与滤池面积的比值,配水均匀性达到95%以上时,开孔比为:
0.2-0.25%。
特点:
配水均匀性好;
但结构复杂,冲洗水头要求高,耗能大;
管道和孔眼容易结垢,检修困难。
一般为穿孔管大阻力配水系统。
3)穿孔管大阻力配水系统的设计
图17-15中孔口a与孔口c的出流量Qa、Qc在不考虑
承托层和滤料层阻力的影响时,可按下式进行计算:
整理得:
上式说明,当孔口水头损失越大时,a孔与b孔的出流量之比越接近于1。
设配水系统配水均匀性要求在95%以上时,即令Qa/Qc0.95,则:
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