第六组 过滤水力学和BAF工艺

'过滤水力学第六组：宁雪婷尚海英席启斐汪佳伟王璐王钦祥王文娟魏良良谭光杰 过滤概述水处理中的过滤一般是指借助网状材料或粒状介质截留水中杂质，使水获得澄清的过程。通过网状材料的过滤称表面过滤；通过粒状介质的过滤称深层过滤。在这里我们主要介绍深层过滤。 一、过滤功能过滤工艺的主要目的是去除水中悬浮物质，但由于不少细菌和病毒依附于悬浮物质，因而过滤工艺对去除细菌和病毒也有明显作用。由于过滤是给水常规处理中除消毒外的最终处理工艺，因此对确保供水水质具有重要作用。进一步去除经过沉淀或澄清后的水中的细小杂质、有机物、细菌和病毒等。当原水浊度较低时，可直接过滤去除水中的悬浮杂质。 二、滤池分类完成过滤工艺的处理构筑物称滤池。按滤料的不同可分为单层滤料、双层滤料、多层滤料及均质滤料等滤池。按水流方向的不同可分为下向流、上向流、双向流等滤池。按滤池受压情况可分为压力式滤池和重力式滤池。按药剂投加方式不同可分为沉淀后过滤、微絮凝过滤和接触絮凝过滤。按运行周期内滤速的变化可分为等速过滤和降速过滤。 过滤理论一、过滤机理以普通石英砂滤料为例，滤料粒径通常为0.5~1.2mm，滤料层厚度为700mm，表层粒径最小，为0.5mm，以球体计算，则表层颗粒间孔隙尺寸约为80μm。原水经过混凝沉淀后，进入滤池的水中的颗粒直径大致为30~40μm，这些颗粒能被滤池截留下来，说明过滤不是简单的机械筛滤过程。欧、美专家认为：过滤机理主要有两个，即迁移机理和粘附机理。 1、迁移机理迁移机理指颗粒脱离水流流线接近或接触滤料表面。这是一种物理力学作用，主要由以下作用引起：拦截：直径为d的颗粒，在d/2的范围内被滤料拦截。沉淀：颗粒较重时，在重力G作用下沉淀在滤料表面。惯性：颗粒在惯性力F作用下脱离了水流流线接近滤料表面。扩散：小颗粒受水分子挤压而扩散至滤料表面。水动力：水的紊动作用，存在速度梯度，使颗粒脱离水流流线接触滤料表面。 2、粘附机理粘附机理指水中杂质颗粒迁移到滤料表面时，在范德华引力、静电力、化学键等作用下，被粘附在滤料表面。这是一种物理化学作用。粘附机理与接触絮凝类似，接触介质为粒状滤料，排列密，絮凝效果更好。因此，粘附机理主要决定于水中颗粒的表面性，脱稳颗粒过滤效果较好，而未经脱稳的悬浮物颗粒的过滤效很差。 1、截留过程如图1所示，水中颗粒被粘附在滤料表面的同时，还存在着由于水流对颗粒的剪切作用而使颗粒从滤料表面上脱落的趋势。粘附力和水流剪力的大小，决定了颗粒粘附和脱落的程度。3、滤料层截留杂质规律图1杂质粘附和脱落受力图 截留过程大致分为2个阶段：（1）过滤初期过滤初期滤料层孔隙率大，孔隙流速小，水流剪力小，则粘附占优势。（2）过滤继续随着过滤时间的延长，滤料层中截留杂质逐渐增多，滤料层的孔隙变得越来越小，孔隙流速越来越大，水流剪力逐渐增大，则脱落逐渐占优势。于是，脱落下来的杂质逐渐向下层推移，使下层滤料的截留作用渐次得到发挥。 2、杂质分布规律传统的石英砂滤料经过反冲洗后因滤料膨胀而分层，滤料颗粒上细下粗，造成水力分级。在过滤过程中，上层截留的杂质最多，表层水头损失约占整个滤料层水头损失的50％～60％（如图2所示）。由于滤料表层孔隙尺寸最小，而表层截污量最大，所以过滤一段时间后，表层孔隙被堵塞，甚至形成泥膜，使过滤阻力剧增，或者泥膜破裂，使水质恶化，从而必须停止过滤。此时，下层滤料截留杂质较少，未充分发挥滤料的截污作用。这就是单层石英砂滤料截留杂质分布规律中存在的缺陷。 图2滤层截留杂质后水头损失水力分级截污量（g/cm3）070滤层厚H（cm） 滤层含污能力：指一个过滤周期内，整个滤料层上单位体积滤料中所截留的杂质量。穿透深度：指滤池的某一深度处，在过滤结束后，该处的出水浊度为3度，则这个深度称为穿透深度。在实际设计时，应使滤料层的厚度大于穿透深度。 3、改善措施针对单层石英砂滤料截留杂质分布严重的不均匀，使下层滤料未充分发挥作用的现象，可采取以下措施，来提高滤层含污能力。（1）反粒度过滤反粒度过滤指过滤时，滤料层中滤料粒径顺水流方向由大变小，以提高滤层含污能力的过滤方式。反粒度过滤方式有以下几种：上向流过滤：杂质分布较均匀，可提高滤层含污能力，延长过滤周期，但冲洗不干净。双向流过滤：结构比较复杂，很少采用。双层滤料滤池：滤料为无烟煤和石英砂。三层滤料滤池：滤料为无烟煤、石英砂和磁铁矿。 （2）均质滤料均质滤料滤池沿深度方向不会出现水力分级，滤料组成和平均粒径沿深度方向基本均匀一致。保证滤料均匀的必要条件是反冲洗时滤料不膨胀，一般采用气水反冲洗。（3）纤维球滤料采用纤维球滤料时，对于下层的滤料由于受水压力而收缩，使粒径变小，形成天然反粒度过滤。一般滤速v＝30～50m/h，常用于工业水处理。 过滤水力学1、清洁滤层水头损失清洁滤层水头损失指通过干净滤层的水头损失，又称起始水头损失，记为h0，h0的计算公式为卡曼－康采尼（Carman-Kozony）公式：（1）一般单层石英砂滤池的h0＝20～40cmH2O。对于非均匀滤料，清洁滤层水头损失应该分层计算，清洁滤层总水头损失为：（2） 由公式（1）和（2）知道，当滤料粒径、形状、滤层级配和厚度以及水温已定时，水头损失H与滤速v和孔隙率m0有如下关系：（3）随着过滤的进行，如果孔隙率m0因滤层截污量增加而使m0下降，则会发生下面两种情况：保持水头损失不变→滤速v逐渐减小→由此产生变速过滤。保持滤速不变→水头损失逐渐增大→由此产生等速过滤。等速过滤和变速过滤是滤池的两种基本过滤方式。 2、等速过滤等速过滤指滤池过滤时滤速保持不变，即滤池流量保持不变。等速过滤的滤池有虹吸滤池和无阀滤池。在等速过滤状态下，水头损失随时间而逐渐增加，滤池中水位逐渐上升，见图3。当水位上升至最高允许水位时，过滤停止以待冲洗。图3等速过滤 设滤层清洁水头损失为H0，当过滤时间为t时，滤层中水头损失增加，则过滤时滤层的总水头损失为：（4）与t的关系，反映了滤层截留杂质量与过滤时间的关系，即滤层孔隙率的变化与时间的关系。根据实验，与t一般呈直线关系，见图4。图中Hmax为水头损失增值最大时的过滤总水头损失，一般Hmax＝1.5~2.0m。T为过滤周期，T不仅决定于最大允许水头损失，还与滤速有关。 图4水头损失与过滤时间关系 3、变速过滤变速过滤指滤速随过滤时间而逐渐减小的过滤方式，又称减速过滤。减速过滤的滤池有普快滤池和移动罩冲洗滤池。在过滤过程中，滤池内水位保持不变，滤速随时间逐渐较小，但滤池进水总流量基本不变，在每座滤池中实现恒水头减速过滤是不可能的，只有在分格数很多的移动冲洗罩滤池中有可能达到近似的恒水头减速过滤状态。 4、负水头负水头指在过滤过程中，滤层截留了大量的杂质，以致于砂面以下某一深度处的水头损失超过该处水深的现象。由于上层滤料截留杂质最多，故负水头现象往往出现在上层滤料中。（1）负水头产生后果过滤时，负水头使水中溶解气体释放出来形成气囊，因而占有滤料孔隙中的一定空间而缩小过水断面，从而增大阻力，水头损失增大而使过滤周期缩短。在冲洗时，气囊与滤料颗粒吸附在一起，会上浮带出滤料，破坏滤层结构。（2）避免产生负水头的方法增加砂面以上水深。使滤池出水口位置等于或高于滤层表面。 慢滤池(速度小于4m3/(m2*h))慢滤水处理工艺是1804年英格兰的JohnCibb为制取高质量的洁净水而发明的,该工艺因占地面积大,后来被快滤池所取代。但随着水质污染(尤其是有机物质的污染)日益加重，并发现加氯消毒时,氯与水中的有机物会发生反应并产生强烈的致癌物质,以及人们对水质标准的要求不断提高,慢滤水处理工艺又开始被世界上许多国家所采用。图5生物慢滤池示意图 慢滤池的特点：1、不用机械动力和化学药剂2、管理简单,运行稳定，制水成本低的特点。3、处理后的水几乎不含有机物和各种致癌微生物。4、占地面积大,适用于具有廉价土地可利用,技术经济和管理水平相对较低的广大农村地区。影响慢滤池性能的因素：（1）水温：慢滤对污染物质尤其是有机物的去除主要依靠生物作用,因此水温会对慢滤的生物作用有较大影响水温下降,慢滤除污染物的整体效果下降。（2）滤速：滤速增加时，滤池对于浊度、COD及细菌总数的控制能力有所下降，因此要保持合适的滤速。（3）滤层：慢滤池类似一个微缩的污水二级处理系统。慢滤池上部（粘性滤膜）起到类似初沉池的作用，中部起到类似曝气池的作用，下部起到类似二沉池的作用。粘性滤膜承担了大部分废水中COD，浊度以及色度的处理。 快滤池(速度4-10m3/(m2*h))快滤池在水处理中的作用（1）在给水处理中，常用过滤处理沉淀或澄清池出水，使滤后出水浑浊度满足用水要求；（2）在废水处理中，过滤常作为吸附、离子交换、膜分离法等预处理手段；（3）作为生化处理后的深度处理，使滤后水达到回用的要求。普通快速滤池构造：普通快滤池本身包括五部分：1、滤料层2、承托层3、配水系统4、集水渠5、洗砂排水槽 图6普通快滤池的构造 过滤过程分为过滤和反洗两个过程1、过滤过滤过程是原水由上到下通过一定厚度的由一定粒度的粒状介质组成的床层，由于粒状介质之间存在大小不同的孔隙，原水中的悬浮物被这些孔隙截留而除去。2、反冲洗当过滤不能进行，需要进行反洗。反洗是通过上升水流的作用使滤料呈悬浮状态，滤料间的孔隙变大，污染物随水流带走，反洗完成后再进行过滤。所以过滤过程是间断进行的。 滤池冲洗一、概述当滤料层过滤水头超过规定值，或出水水质超过标准时，必须进行滤层的冲洗。1、冲洗的作用：去除滤层中的截留杂质，以恢复滤池过滤能力。2、冲洗机理（1）水流的剪切力作用。（2）滤料颗粒之间的碰撞摩擦作用。若采用气水反冲洗的冲洗方式，还有以下两种作用：（3）泡振作用力，即压缩空气冲洗时，气泡引起振动，使杂质吸附强度减弱，泥层剥落。（4）尾涡混掺力，可加强剪切和碰撞。 3、冲洗要求有适当的冲洗强度；保证足够的冲洗时间；冲洗水要求均匀分布；冲洗的废水应及时排除。4、冲洗方法水力冲洗水力冲洗＋表面辅助冲洗气水反冲洗表面辅助冲洗：滤池表面上设喷嘴喷水辅助冲洗；滤池表面通以压缩空气辅助冲洗。有适当的冲洗强度；气水反冲洗有三种方式：空气反冲洗→水反冲洗。气－水同时反冲洗→水反冲洗。空气反冲洗→气－水同时反冲洗→水单独冲洗。 二、滤层膨胀度e滤层膨胀度指反冲洗时，滤层膨胀后厚度L的增加量与膨胀前厚度Lo之比。用公式表示为：（5）在反冲洗过程中，滤层膨胀前后单位面积上滤料体积不变，即：（孔隙率m）（6）所以有：（7）一般单层石英砂滤料e＝45％，双层滤料e＝50％。 三、冲洗强度冲洗强度q指单位面积滤料层上所通过的冲洗水量，单位为L/s·m2。1、q值的确定在设计中，通常以最粗滤料开始膨胀作为设计q的依据。因为在一定冲洗流速vmf下，粒径小的滤料膨胀度大，粒径大的滤料膨胀度小，实践证明，下层最粗滤料也必须达到最小流态化程度，即刚刚开始膨胀，才能获得较好的冲洗效果。考虑到其它影响因素，设计冲洗强度q可按下式确定：（8） 四、冲洗历时t冲洗时间控制指标为：冲洗废水浊度＜50度。对单层石英砂滤料，冲洗时间t＝5～7min；双层滤料t＝6～8min。规定冲洗时间是因为：q、e虽然符合要求，但冲洗历时不足，就不能充分清除包裹在滤料表面的污泥，且冲洗废水排除不尽而导致污泥重返滤料层。设计中可视具体情况参照相关表来确定q、e、t的取值。 曝气生物滤池（BAF）工艺介绍 曝气生物滤池（BAF）简介曝气生物滤池（biologicalaeratedfilter,BAF）属于生物处理的生物膜法范畴，该技术最早由法国OTV公司开发。曝气生物滤池的特点：1）采用气水平行上向流，使气、水进行很好的均分，防止了气泡在滤层中的凝结，氧利用率高，能耗相对较低；2）与下向流过滤相反，上向流过滤持续在整个滤池高度上提供正压条件，可以更好的避免沟流或短流；3）上向流形成了对工艺有好处的半柱推条件，即使采用高过滤速度和高负荷仍然能保证工艺的稳定和可靠性；4）采用气水平行上向流，空气能将固体物质带入滤床深处，使得过滤空间能很好的被利用。以上特点使得曝气生物滤池具有以下优势：1）容积负荷可以很高，使得池体和占地都相对较小；2）出水水质好，可达到《污水综合排放标准》的一级标准，无需另设二沉池，节省基建费用，另外氧利用率高，大大降低运行成本；3）自动化程度高，无污泥膨胀问题，日常操作管理简单，微生物不会流失，系统可间断运行。 曝气生物滤池结构曝气生物滤池的结构形式与普通的快滤池类似，曝气生物滤池其主体由滤池池体、滤料层、承托层、布水系统、反冲洗系统、出水系统、出水系统、管道和自控系统组成。 BAF工艺介绍BAF工艺最初应用于污水处理的三级处理，后发展成直接用于二级处理，并且派生出许多以曝气生物滤池为主体工艺的多种组合工艺。由于曝气生物滤池所具有的各项优点，使得曝气生物滤池广泛的应用于城市生活污水的二级处理当中，部分工况废水处理及饮用水微污染处理也有相当的运用。按照污水处理要求的不同，可将BAF工艺分为以下几类：除碳工艺；除碳/硝化工艺；除碳/硝化/反硝化工艺；反硝化/（除碳、硝化）工艺。 除碳工艺适用范围：DC曝气生物滤池主要应用于处理可生化性较好的工业废水以及排放标准对氨氮等营养物质没有特殊要求的生活污水。流程说明：原污水先经过预处理设施，去除水中的大颗粒悬浮物，然后进入DC曝气生物滤池，滤池依靠其内部粒状填料表面上生长的微生物膜，在污水流过滤料层并在供氧的条件下，污（废）水中的有机物在好氧菌膜的作用下得以降解。同时，滤池还将生物转化中产生的剩余污泥和进水带入的悬浮物截留在滤床上，起到生物过滤作用。预处理DC曝气生物滤池进水清水池排水反洗排水反洗进水反冲进气风机曝气 硝化工艺适用范围：N曝气生物滤池主要应用于中水处理或微污染源水处理，主要用于降解氨氮。流程说明：在该生物处理工艺中，N曝气生物滤池去除预处理中未去除的COD、BOD，同时主要发生硝化反应，将原水中NH3-N转化为NO3--N，另外，进一步起到截留污水中的SS，将水中的胶粒和微小的固体颗粒去除已达到过滤作用。预处理N曝气生物滤池进水清水池排水反洗排水反洗进水反冲进气风机曝气 除碳/硝化工艺适用范围：该曝气生物滤池组合主要应用于城市生活污水处理或氨氮含量较高的工业废水处理。流程说明：在该处理工艺中，前段DC曝气生物滤池对污水中90%以上的有机污染物进行降解，使BOD、COD值基本符合标准。后段N曝气生物滤池主要对DC曝气生物滤池出水中的氨氮进行硝化，使NH3-N转化为NO2--N或NO3--N。从而最终实现对氨氮的去除。预处理DC池进水N池排水反洗排水反洗进水曝气清水池曝气 反硝化/（除碳、硝化）工艺适用范围：前置反硝化处理工艺主要用于处理进水中氨氮含量较高以及对出水中总氮、氨氮指标要求较高时。流程说明：在该处理工艺中，第一级为DN反硝化生物滤池。污水中的氨氮经第二级C/N生物滤池硝化处理后的硝酸盐，并通过回流泵流至DN反硝化生物滤池，DN滤池中的反硝化菌将回流水中的硝酸盐并利用原污水中的有机物作为碳源，最终将硝酸盐转化为氮气而起到脱氮的目的。预处理DN池进水CN池排水反洗排水反洗进水清水池曝气硝化回流 BAF工艺运行流程（1）运行反洗 BAF工艺运行流程（2）ononoffoffoff工作状态停止 BAF工艺运行流程（3）ononoffoffoff工作状态停止 BAF工艺运行流程（4）ononoffoffoff工作状态停止 BAF工艺运行流程（5）onononoffoff反洗状态停止 BAF工艺运行流程（6）onononoffoff反洗状态停止 BAF工艺运行流程（7）onononoffoff反洗状态停止 BAF工艺运行流程（8）onononoffoff反洗状态停止 That’sall,thankyou！'