下载文档原格式
过滤基本理论三过滤基本理论1．过滤速度的定义过滤速度指单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，即其中，—瞬时过滤速度，m3/s·m2，m/s；-—滤液体积，m3；—过滤面积，m2；—过滤时间，s。
说明：①随着过滤过程的进行，滤饼逐渐加厚。
可以想见，如果过滤压力不变，即恒压过滤时，过滤速度将逐渐减小。
因此上述定义为瞬时过滤速度。
②过滤过程中，若要维持过滤速度不变，即维持恒速过滤，则必须逐渐增加过滤压力或压差。
总之，过滤是一个不稳定的过程。
上面给出的只是过滤速度的定义式，为计算过滤速度，首先需要该撑握过滤过程的推动力和阻力。
2．过滤速度的表达（1）过程的推动力：过滤过程中，需要在滤浆一侧和滤液透过一侧维持一定的压差，过滤过程才能进行。
从流体力学的角度讲，这一压差用于克服滤液通过滤饼层和过滤介质层的微小孔道时的阻力，称为过滤过程的总推动力，以表示。
这一压差部分消耗在了滤饼层，部分消耗在了过滤介质层，即。
其中为滤液通过滤饼层时的压力降，也是通过该层的推动力；为滤液通过介质层时的压力降，也是通过该层的推动力。
（2）考虑滤液通过滤饼层时的阻力：滤液在滤饼层中流过时，由于通道的直径很小，阻力很大，因而流体的流速很小，应该属于层流，压降与流速的关系服从Poiseuille定律：其中，—滤液在滤饼中的真实流速；-—滤液粘度；—通道的平均长度；—通道的当量直径。
讨论①与的关系：定义滤饼层的空隙率为：；所以，，②孔道的平均长度可以认为与滤饼的厚度成正比：③孔道的当量直径根据这三点结论，可出导出过滤速度的表达式：其中，，称为滤饼的比阻，其值完全取决于滤饼的性质。
说明：过滤速度等于滤饼层推动力/滤饼层阻力，而后者由两方面的因素决定，一是滤饼层的性质及其厚度，二是滤液的粘度。
（3）考虑滤液通过过滤介质时的阻力对介质的阻力作如下近似处理：认为它的阻力相当于厚度为的一层滤饼层的阻力，于是介质阻力可以表达为：。
滤饼层与介质层为两个串联的阻力层，通过两者的过滤速度应该相等，其中，，。
分离机械过滤原理及其应用摘要：本文主要阐述了过滤的原理、目的以及其过程的应用，剖析了滤饼的过滤过程。
关键词：压缩流体力学物理化学絮凝剂过滤是将悬浮在液体或气体中的固体颗粒分离出来的种工艺。
其基本原理：在压力差的作用下，悬浮液中的液体（或气体）透过可渗性介质（过滤介质），固体颗粒为介质所截留，从而实现液体和固体的分离。
一、实现过滤具备的两个条件：1.具有实现分离过程所必需的设备；2.过滤介质两侧要保持一定的压力差（推动力）。
二、常用的过滤方法可分为重力过滤、真空过滤、加压过滤和离心过滤几种。
重力压力差由料浆液柱高度形成；真空过滤的推动力为真空源。
三、过滤具有特点：从本质上看，过滤是多相流体通过多孔介质的流动过程。
1.流体通过多孔介质的流动属于极慢流动，即渗流流动。
有两个影响因素，一是宏观的流体力学因素，二是微观物理化学因素。
2.悬浮液中的固体粒五是连续不断地沉积在介质内部孔隙中或介质表面上的，因而在过滤过程中过滤阻力不断增加。
四、过滤的分类：分为两大类，分别为：滤饼过滤和深层过滤，滤饼过滤应用表面过滤机，深层过滤时，固体粒子被截留于介质内部的孔隙中。
五、滤饼过滤和深层过滤：1.滤饼过滤通常浓度较高的悬浮液，其体积浓度常高于1%。
如果在料浆中添加絮凝剂，一些低浓度的悬浮液也可采用滤饼过滤。
2.深层过滤多从很稀的悬浮液中分离出微细固体颗粒，故通常用于液体的净化。
在效率相近的情况下，深层过滤器的起始压力一般比表面过滤机高，且随着所收集的颗粒增多其压力降会逐渐增高。
六、过滤的目的：在于回收有价值的固相，或为获得有价值的液相；或两者兼而收之或两者均作为废物丢弃。
1.不可压缩滤饼的过滤过程（1）不可压缩滤饼的过滤过程不可压缩滤饼：过滤时，流过滤饼的液体通过表面的运量传给固体颗粒的一个曳应力，该力通过点接触的颗粒向前传递并沿流动方向逐渐积累。
若滤饼结构在此累积的曳应力的作用下颗粒不相互错动，滤饼的孔隙度不产生变化，则称这种滤饼为不可压缩滤饼。
过滤工艺的理论与应用一过滤工艺理论的发展历程对过滤理论研究的目的就是为阐述过滤工艺中的微观过程并最终给予定量的预测。
到目前为止，人们对于过滤机理及其工艺进行了大量的深入研究，先后提出了许多理论方程及计算模型、模式，纵观其发展历程，主要经历了三个阶段。
六十年代以前，过滤过程一直采用Tominisa Iwasaki、Mintz、Ives等人逐步发展的宏观经验理论，即依据过滤过程中存在的颗粒泄漏（T C）与水头损失（T H）两个不同的过滤周期而寻求T C＝T H的最佳条件而建立的理论模式，宏观经验理论主要研究过滤工艺的宏观现象，其优点在于对过滤的全过程进行了模型化，基本符合实际情况，因此，对滤池的设计和操作具有重要的指导作用。
六十年代后，随着科技的发展，传统过滤宏观经验理论不能很好的解释过滤过程中的许多问题。
以研究过滤的微观物化作用机理并强调过滤的微观物化过程的理论得到迅速发展。
这一理论将源于气体过滤中的轨迹理论引入水质过滤中。
其突出特点是将滤池中单个滤料作为研究对象，研究流场中的运动轨迹，颗粒向其传送及粘附的微观物理化学过程，先后提出了过滤过程中的轨迹理论模型及计算模式，着重研究了颗粒沉积的内部机理，沉积过程发生的物理化学变化及介质结构和特性对沉积过程的影响。
八十年代后，随着水质恶化和水资源污染问题的日趋加剧，同时随着界面电位计算体系和表面络合模式的发展，已有许多研究者开始在过滤研究中引入表面络合概念和定量计算方法，试图建立定量计算模式。
近年来有关过滤动力学方面也逐渐重视，并将分形理论应用于絮体的结构、密度、粒径等方面的研究，同时也考虑水体溶夜的物理化学条件对过滤的影响。
二过滤理论的主要内容2.1 悬浮颗粒去除理论现代过滤理论研究认为，在快滤池中，悬浮颗粒的去除，主要是由颗粒与滤料之间以及颗粒与颗粒之间的吸附（粘附）作用而被去除的。
这就涉及到两个方面的问题：一是被水挟带的悬浮颗粒如何脱离水流流线向滤料表面靠近的颗粒迁移机理。
二是当悬浮颗粒与滤料表面接触时，依靠哪些力的作用使得他们粘附在滤料表面上的颗粒粘附机理。
悬浮颗粒的迁移机理：在过滤过程中，滤层空隙中的水流一般处于层流状态，被水挟带的悬浮颗粒将沿着水流流线运动。
他之所以脱离流线而与滤料表面接近，完全是一种物理力学作用，一般认为是由拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力学等作用引起的。
悬浮颗粒脱离流线可能是几种机理同时作用，也可能只有其中的某些机理起作用。
贾亚军等人通过对这五种作用的理论分析和合理假设，得出过滤动力学的模型及方程。
悬浮颗粒的吸附机理：当水中的悬浮颗粒运动到滤料表面附近时，将受到范德华引力和静电场斥力，以及某些特殊的化学吸附力的作用。
在这些力的共同作用下，悬浮颗粒将被粘附在滤料表面上或者粘附在以前粘附在滤料表面上的颗粒上，从而将悬浮颗粒去除。
粘附在滤料表面上的絮体颗粒，不但具有化学吸附力，同时也具有吸附架桥作用。
因此，粘附作用是一种物理化学作用，它主要取决于滤料和水中悬浮颗粒的表面物理化学性质。
过滤效果主要取决于颗粒表面的性质而不是颗粒尺寸的大小。
2.2 浊质剥离理论Mintz首先提出了浊质“剥离机理”，在颗粒吸附的同时，已经吸附于滤料上的颗粒还有剥离的趋势。
悬浮颗粒移动到滤料颗粒上后，会以不同几何构造聚集。
这些几何构造不仅与滤料颗粒有关，还与先前沉积物有关。
一般的构造是位于滤料颗粒顶部的球冠形和处于孔隙中的管状结构。
如果过滤速度保持不变，随着悬浮颗粒的不断沉积，孔隙中实际水流速度会逐渐增大。
结果导致沉积颗粒受到逐渐增大的水流剪切力的作用，当剪切力大到与粘附力相同数量级时，颗粒就有可能剥落下来并在滤层较下层被截留。
剥离机理的另外一种解释还可以是沉积颗粒的崩落效应。
因此，在达到饱和状态但沉积颗粒呈现亚稳态构造的滤料层中，吸附和剥离可以同时发生。
2.3 过滤模型的研究发展1、唯象模型从30年代末起才出现有关过滤过程的理论研究论文。
这些论文可分为两类：一是研究过滤周期或者絮体在滤层中的穿透深度等过滤指标与滤料的粒度、滤速等参数的关系，另一类是企图建立整个过滤过程的数学模型。
1937年日本的Tominisa Iwasaki 根据长期对滤池过滤过程的研究发表了如下的数学模型。
1937年Baylis 得出过滤周期和d 102.15V -1.5成正比， d 10和V 分别为滤层的有效粒径和滤速，这是头一类研究的第一个公式。
C C xλ∂=-∂ （2-1） 0C v x t σ∂∂+=∂∂ （2-2） 0b λλσ=+ （2-3） 式中：C ——从滤层表层算起的深度为x 处的单位时间内单位面积的微粒数（微粒数/cm 2∙d ）；λ——过滤系数，滤料粒径、滤速和微粒的函数；σ——比沉积量（微粒数/cm 3）；λ0——清洁滤层过滤系数；t ——过滤时间（d ）；b ——常数，为滤料粒径、滤速和微粒的函数。
Iwasaki 的数学公式是后来约40年内的许多文献经常引用的，他的试验条件是：（1）滤料粒径为0.23～0.83mm ；（2）滤速3~10m/h ；（3）原水是在自然状态下未经混凝处理而进行过滤的；（4）悬浮微粒包括陶土、大肠杆菌及栅藻和脆杆藻。
Horner 等对式（2-1）进行了修正，得出了更精确的表达式：C C C x v t ελ∂∂+=-∂∂ （2-4） 式中：ε——床层孔隙率。
为了计算出水水质随床层深度及过滤历时的变化，必须将λ的表达式代入式（2-1）或（2-4）中。
对λ的表达式各研究者持不同意见，其中以Ives 的球管模型最具代表性，λ的表达式为[34]：000[1][1][1]y z x uβσσσλλεεσ=+-- （2-5）式中：0ε——床层初始孔隙率；β——滤料的填充系数；u σ——饱和比沉积量；x 、y 、z ——指数，通过试验求得。
其余符号意义同前。
Soo 和Radke 发展了经验模型，在他们的模型中含有3个具有明确意义的经验参数，这些参数分别是清洁床层的平均过滤系数0λ，平均流动再分配系数α和平均流动阻力系数β。
这3个参数可通过经验关系式及Soo 等介绍的3个附加参数进行估算。
这3个附加参数中最重要的是单层表面覆盖分数φ，它可以通过Payatakes 的单位床单元（unit bed element ）结果进行估算。
Soo 和Radke 模型的数学表达式为：0(1)vc t σασλφ∂=-∂ （2-6） 01x k k βσφ=- （2-7） 式中：k x ——时刻t 时的渗透率；k 0——初始渗透率。
方程（2-6）、（2-7）在适当的初始条件和边界条件下可以求解得到积泥量、出水浓度及介质的渗透率。
此外，还有其它许多学者应用滤料澄清原理，通过实验对过滤过程建立起数学模型，以期预测滤池的工作进程或合理设计滤层。
2、迹线分析模型过滤时水流经滤床，水中颗粒在流体动力及力矩、重力、伦敦——范德华力和双电层力作用下向滤料表面运动，到达滤料表面后主要因伦敦——范德华力作用颗粒被捕获。
原则上，颗粒在滤床中的沉积速率可通过跟踪颗粒在孔隙空间的轨迹和应用沉积判据（一旦颗粒与滤料表面接触即被去除）来确定。
这就是迹线分析模型的基本思想。
迹线理论将滤料层看作一系列收集器的集合体，通过颗粒迹线决定颗粒沉积。
这种思想最早是由Sell、Albrecht在研究气体过滤时提出来的，O'Melia和Stumm首次将这个概念引用到液体深层过滤中，Yao首先将这一方法应用在深层过滤数学模型研究中，提出了计算方法。
1979年，Tien对迹线理论作出了较为完善的总结。
迹线理论综合考虑了以下几方面：（1）收集器的形状与大小；（2）收集器周围的流场；（3）作用于悬浮颗粒的各种作用力的特点及大小；（4）悬浮颗粒的粘附性能。
迹线理论侧重于理论分析，它试图抛开试验数据并建立单个微观收集器效率 的计算公式。
3、构建过滤模型的新方法过滤过程是动态的，受多重因素影响的复杂过程，涉及颗粒捕获和颗粒脱附，且与悬浮液的理化性质有关。
尽管过滤过程的物理模型构建有很多方法，但参数的计算及适应性仍有待提高，一些新的建模方法也被移植到过滤的模型构建中。
表现在：Stephan等将遗传算法应用到过滤中，实现以最少的实验来获得更多的参数；Stephan认为，对不同条件下的过滤模型只需将算法程序中的一些参数进行修改即可，这使得过滤过程的计算机模拟成为可能。
Osmak则采用综合衰变神经网络系统（GRNN）建立了过滤中悬浮颗粒分布、沉降颗粒分布与速率分布间的关系。
Osmak在假设含悬浮颗粒的水相以接近推流式的方式通过床层及沉降动力学是悬浮颗粒分布和沉降颗粒分布函数的前提下，构建出新的过滤数学模型。
Ortiz等则将计算流体力学（CFD）应用到过滤中，用来描述过滤过程中阻塞的时间空间变化提出了对数过滤定律及有效比表面积的几何模型。
实验表明，CFD可有效地用于过滤阻塞的定量描述。
Ortiz等还采用拉格朗日——欧拉CFD 方法评价两相流滴滤床过滤过程中的压力降，运用弹道轨迹理论，建立了不同过滤阶段捕集效率和过滤系数方程。
2.4 直接过滤机理传统水处理过程中，混凝与过滤是分属两个独立的操作单元。
水中胶体杂质经混凝单元处理而形成大的絮体颗粒后，经沉淀后大部分被去除。
而余下微细絮体颗粒则通过过滤单元处理除去。
直接过滤则是混凝与过滤过程有机结合而形成的新的单元处理过程。
按照AWWA混凝—过滤水质分委会的定义，直接过滤为滤前不进行沉淀的处理系统。
原水在滤前预处理中，仍然依靠压缩双电层、电性中和作用以及吸附架桥、表面络合作用，使原水中悬浮物质脱稳或凝聚成具有良好过滤性能的微絮体，然后，这些脱稳粒子或微絮体按过滤模式被滤床所截除。
随着过滤的推移，附着和剥离会交替进行直到整个滤床穿透。
直接过滤充分体现了滤层中特别是深层滤料中的接触凝聚或絮凝作用，也就是当带胶体的水流通过宏观滤料的表面时，脱稳的胶体通过与宏观滤料的表面接触从水中分离出来，相当于微观颗粒与宏观滤料间的絮凝，脱稳胶体所接触的可以是滤料的表面本身，也可以是原先吸附在滤料表面的其他微粒表面，其机理可视为混凝与过滤两种机理的结合。
该工艺既利用了滤料介质作为附加颗粒以提高颗粒碰撞效率，又明显提高了滤池截污能力和处理效果，可显著节省投资和运行费用，尤其是对低浊低色水的显著净化处理效能和经济效益。
三滤池类型及应用在给水处理技术上，当前还是以常规水处理即混凝——沉淀——过滤处理为主，滤池是给水处理最后的一个程序（不包括消毒），尤其是处理饮用水更是最重要的一个关键环节，因此滤池处理始终是放在一个核心位置上。
自应用快滤池以来，到现在已经100多年，用慢滤池的时间更长，在宏观上还是在用着滤料过滤没有变化。
但在微观上则改进很多，不论是在类型上或是在运行方式上都有着很大的变化。
