实验二 过滤实验
一、过滤概况 1．什么是过滤？
过滤是具有孔隙的物料层截留水中杂质从而使水得到澄清的工艺过程。
过滤方式有：砂滤、硅藻土涂膜过滤、烧结管微孔过滤、金属丝编织物过滤等。 2．过滤的作用
（1） 去除化学和生物过程未能去除的微细颗粒和胶体物质，提高出水水质。 （2） 提高悬浮固体、浊度、磷、BOD、COD、重金属、细菌、病毒等的去除率。 （3） 强化后续消毒效果，由于提高了悬浮物和其他干扰物质的去除率，因而可降
低消毒剂的用量。
（4） 使后续离子交换、吸附、膜过程等处理装置免于经常堵塞，并提高它们的处理效率。
二、 实验目的 1、 了解滤料的级配方法，绘制筛分曲线； 2、 熟悉普通快滤池过滤、反冲洗的过程；
3、 加深对滤速、反冲洗强度、滤层膨胀率、初滤水浊度的变化、反冲洗强度与
滤层膨胀率关系及滤速与清洁滤层水头损失关系的理解；
三、实验原理
1、为了取得良好的过滤效果，滤料应具有一定级配。滤料级配是指将不同大小粒径的滤料按一定比例加以组合，以取得良好的过滤效果。生产上有时为了方便起见，常采用0.5mm和1.2mm孔径的筛子进行筛选，这样就不可避免地出现细滤料（或粗滤料）有时过多或过少现象。为此应采用一套不同筛孔的筛子进行筛选，并选定有效粒径d10、d80值和不均匀系数K80。d10是表示通过滤料重量10%的筛孔孔径，它反映滤料中细颗粒尺寸，即产生水头损失的“有效”部分尺寸，d80是指通过滤料重量80%的筛孔孔径，它反映粗颗粒尺寸，不均匀系数K80为d80与d10之比（K80= d80/d10）。K80越大表示粗细颗粒尺寸相差越大，滤料粒径越不均匀，这样的滤料对过滤及反冲都不利。尤其是反冲时，为了满足滤料粗颗粒的膨胀要求就会使细颗粒因过大的反冲强度而被冲走，相反若为满足细颗粒不被冲走的要求而减少反冲强度，则粗颗粒可能因冲不起来而得不到充分清洗。所以滤料需经过筛分级配。
在研究过滤过程的有关问题时，常常涉及到孔隙（率）度的概念，孔隙率为滤料体积内孔隙体积所占的百分数。孔隙体积等于自然状态体积与绝对密实体积之差。孔隙率的测定要先借助于比重瓶测出比重，然后经过计算求出。其计算方法为
m?VnV?VcVcG??1??1? （2-1） VVVV? 式中：m—滤料孔隙（率）度（%）： Vn—滤料层孔隙体积（cm3）；
V—滤料层体积（cm3）
VC—滤料层中滤料所占体积（cm3） G—滤料重量（在105℃下烘干）(g) γ—滤料比重（g/ cm3）
2、快滤池滤料层能截留粒径远比滤料孔隙小的水中杂质，主要通过接触絮凝作用，
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其次为筛滤作用和沉淀作用。过滤是水中悬浮颗粒与滤料颗粒间黏附作用的结果。黏附作用主要决定于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质，当水中颗粒迁移到滤料表面上时，在范德华引力和静电引力及某些化学键和特殊的化学吸附力作用下，它们黏附到滤料颗粒的表面上。此外，某些絮凝颗粒的架桥作用也同时存在。研究表明，过滤主要还是悬浮颗粒与滤料颗粒经过迁移和黏附两个过程来完成去除水中杂质的过程。在过滤过程中随着过滤时间的增加，滤层中悬浮颗粒的量也会随着不断增加，就会导致过滤过程水力条件的改变，滤层截污量增加后，滤层孔隙度m减小，水流穿过砂层缝隙流增大，于是水头损失增大。当滤料粒径、形状、滤层级配和厚度及水位一定时，如果孔隙率减少，则在水头损失不变的情况下，必然引起滤速减小。反之，在滤速保持不变时，必然引起水头损失的增加。就整个滤料层而言，上层滤料截污量多，下层滤料截污量小，因此水头损失的增值也由上而下逐渐减小。清洁滤料的水头损失计算表达式为
h0v(1?m0)21?180?()2L0v (2-2)
g??d0m03式中：h0—水流通过清洁滤层水头损失，cm；
d0—与滤料体积相同的球体直径（cm） v—过滤滤速（cm/s）
g—重力加速度，981cm/s2； m0—滤料孔隙率； L0—滤层厚度（cm）
γ—水的运动粘滞系数（cm2/s）;
ψ—滤料颗粒球度系数，可取0.80左右。
当滤速不高，清洁滤层中水流属层流时，水头损失与滤速成正比，两者成直线关系；当滤速较高时，（2-2）式计算结果偏低，即水头损失增长率超过滤速增长率。
3、过滤时，随着滤层中杂质截留量的增加，当水头损失增至一定程度，滤池产水量锐减，或由于滤后水质不符合要求时，为了保证滤后水质和过滤滤速，需要对滤层进行反冲洗，反冲洗的目的是清除滤层中的污物，使滤料层在短时间内恢复过滤能力。反冲洗的方式有多种多样，其原理是一致的。反冲洗开始时承托层、滤料层未完全膨胀，相当于滤池处于反向过滤状态，这时滤层水头损失可用式（2-2）计算。当反冲洗进度增大后，滤料层膨胀起来，截留于滤层中的污物，在滤层孔隙中的水流剪力以及滤料颗粒相互碰撞摩擦的作用下，从滤料表面脱落下来，然后被冲洗水流带出滤池。反冲洗效果主要取决于滤层孔隙水流剪力。该剪力既与冲洗流速有关，又与滤层膨胀率有关。冲洗流速小，水流剪力小；而冲洗流速较大时，滤层膨胀度大，滤层孔隙中水流剪力又会降低，因此冲洗流速应控制在适当的范围。高速水流冲洗是最常用的一种形式，反冲洗效果通常由滤床膨胀率e来控制。根据滤料层膨胀前后的厚度便可求出膨胀度（率）
e?L?L0?100% （2-3） L0式中：L— 砂层膨胀后厚度（cm）
L0—砂层膨胀前厚度 (cm)
膨胀度e值的大小直接影响了反冲洗效果，而反冲洗的强度大小决定了滤料层膨胀度。反冲洗强度可按下列公式计算
d1..31(e?m0)2.31q?28.7e? （2-4）
?0.54(1?e)1.77(1?m0)0.54式中： q—冲洗强度(L/s.㎡)
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de—滤层的校准孔径(cm)
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μ—动力粘度(N.s/m) e—膨胀率，用%计； m0—滤层原来的孔隙率。 滤料的校准孔径de可用下式计算 de?1?npi?i?1di1 （2-5） npi?i?1di1?di22式中：di1、di2—相邻两层滤料粒径（cm）
pi—di粒径的滤料占全部滤料的比例。
例如，以滤料粒径d为横坐标，以所占比例为纵坐标作累计曲线，把此累计曲线分成n段，每短曲线所对应的粒径为di1和di2，对应的纵坐标为pi1、pi2。则
di?di1?di2p、pi?pi1?pi2。把n个i相加，便求出de值。 2di通过实验研究，e为25%时反冲洗效果即可以为最佳。
四、实验装置与设备 （一） 过滤装置：
152581476133491121011排入下水道 图2-1-1过滤实验装置示意图（老装置）
1.过滤柱 2.滤料层 3.承托层 4.5.转子流量计 6.水泵 7.反冲洗水箱 8.9.10.阀门 11.总排水管 12.测压板 13.水泵 14.原水箱 15.溢流口
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图2-1-2过滤实验装置示意图（新装置）
实验装置包括：?110×2000有机玻璃柱1套、取样和测压阀6套、进水流量计1只、反冲洗流量计1只、反冲洗出水管1套、气体反冲洗流量计1个、气体反洗管路1套、反冲洗气泵1台、滤料、承托层1套、塑料水泵（104）1只、塑料配水箱1只、反冲洗水箱1只、测压管6根Φ8mm32000mm、测压板1块（2米，最小刻度1cm）、不锈钢实验支架1套、进水管阀反冲洗管阀、 电源线、插头、开关1套、排水管1根
（二）实验设备及器皿：
1、筛子 孔径0.2-2mm，中间不少于4档 1组 2、托盘天平(500g/0.1g)、烘箱
3、量筒、容量瓶、比重瓶、干燥器、钢尺、温度计等 4、酸度计1台 5、浊度仪1台 6、烧杯（200mL） 7、硫酸铝（质量分数1%）
五、实验步骤
1、滤料筛分和孔隙度测定 （1） 滤料筛分：
① 称取洗净并105℃烘干的滤料200g； ② 用孔径0.2—2.0mm的一组筛子过筛，称出留在各筛号上的砂重（精确到0.1g）；所有各筛余重量与底盘中剩余试样重量之和与筛分前的试样总重相比，其差值不应超过1%； （2） 孔隙度测定：
① 测定滤料比重：向比重瓶中注入冷开水至一定刻度，擦干瓶颈内部附着水，记录水的体积（V1）；称取烘干砂样50g（g0）徐徐装入盛水的比重瓶中，直至试样全部装入为止，瓶中水不宜太多以免装入试样后溢出；用瓶中水将粘附在瓶颈
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