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- 讲课内容——过滤
过滤是一种古老的科学净化水的方式，早在公元2000年前印度已经用砾石和沙子净化水质了。罗马人通过挖沟渠通入湖中来起到自然过滤的效果。法国人在1750年开始小规模的商业化过滤水资源。在1800年，英国和苏格兰岛开始市政系统化供应过滤水。1829年伦敦建立了第一个现代慢砂过滤系统。快速过滤开始于19世纪80年代。1885年第一个采用混凝和过滤的市政工厂出现在美国新泽西州萨默维尔市。表面水第一处理规范1989要求过滤需要广泛的推广。
过滤介质与悬浮沉积物的关系
过滤介质
沙子 800微米
所有的媒介 400-1500微米
在直径为d的球形颗粒的均匀介质中，直径0.15 d的颗粒将穿过细孔
悬浮物的大小
土壤 1-100微米
隐孢子虫卵囊 5
细菌 0.3-3
病毒 0.005-0.01
絮状物粒子 100-2000
可见粒子 37微米
贾第虫属 8-12微米
介质颗粒的类型
慢砂过滤器:最古老的过滤器
细沙以0.05-0.2米每小时的速率慢速加载，这是一种物理挤压和生物降解的处理方法。
滤层是一种是有机物质和混合物
每隔几周或几个月清理一次表层
操作简单，没有化学物质
很少用于市政规模的水厂，十分缓慢的沙尘过滤系统。
通常使用于操作简单的小型给水系统
生水浊度一般小于50（实际上经常小于10）
通过流出水浊度来测定过滤性能
浊度测定
使用浊度计
对水的相对清晰度的测量指示分散悬浮固体，类似于淤泥泥藻类微生物等有机物体，对水的相对清晰度的测量，不是TSS的直接测量，而是测量水中悬浮粒子之间的光的透过性。
浊度测定
用浊度计进行散射和透射光的比较
NTU浊度测量单位的浊度报告
仪器是用一种聚合物的悬浮性质来校准的
快速过滤
在美国更常见。20世纪，快速过滤取代了慢砂过滤器
比慢砂过滤速度高得多——100x一般是5 - 15米/小时
介质更粗糙，更均匀(通常是多重的)
去除并不是通过表面上的物理张力作为主要机理
从概念上讲，快速过滤就像沉淀
颗粒需要用凝结剂进行预处理，以稳定电的变化
不稳定的颗粒附着在过滤介质中的颗粒上，并被除去
深度过滤-清除整个滤床
流出的浊度随时间的增加而增加，并得到较低的水力导电性浊度
过滤器运行的时间更少
在过滤器结束时，过滤器是“回洗”
强流通过多孔介质，调集谷物，用介质清洗固体
快速过滤器可能的介质
单一介质(通常是砂)
双重介质(通常是沙子和无烟煤)
多重介质砂、无烟煤、石榴石、钛矿石、粒状活性碳(GAC)
颗粒状介质被过滤和洗涤，以形成均匀的粒度分布
(结果见图表)
均匀系数，UC = d60 / d10
有效尺寸，ES = d10 =粒度直径
按重量计算，1070个媒体的权重更小
pg10的图表显示了介质的属性
其他过滤器”
压力过滤-类似快速过滤器，但必须在高压密封容器中
预涂层过滤器-硅藻土在滤网或多孔板上形成蛋糕
硅藻土的连续供给更新过滤表面，预压堵塞
流经滤床
由雷诺数定义的流量
Re = PWVfd /兆瓦
Pw-流量密度
Mw -流体的粘度
D -介质粒子直径
Vf =滤过率(L / T)
Vf = q /Ap
Q =流量通过过滤器
Ap=计划流速
四个注意点
1.达西流或蠕动流中，雷诺数le;1
达西定律的粘性流:vf = k*Hl/ l
K =水力传导率(L / T)
hl全压水头头损失
l粒状介质的深度[L]
在慢砂过滤中，达西流快速过滤速度较慢
2.层流中1le;雷诺数le;100
层流受两种影响
粘性和惯性力
当流体加速和减速时，惯性力就会出现
高水平快速过滤可能是福尔海默流
水头损失的公式:hl/l=k1vf k2vf2
3.过渡流100le;雷诺数lt; 600 - 800
4.完全流 雷诺数gt; 600 - 800
这些流动机制在过滤中不会遇到
水头损失分布情况:(见第13页)
负压可以导致空气开始溶解-引起过滤
第1至5行表示通过过滤器的压力变化
第5行显示介质的负压发展的原因
本图图来源于麻省理工学院开放式课程
改编自:宾妮、C·m·金贝尔。基本水处理。
英国剑桥:皇家化学学会，2002年。
过滤理论(快速过滤)
基本方面
张力并不是重要的去除机制
颗粒附着在介质颗粒上，被移除
每粒截至颗粒都是收集器
水必须预先处理以使水中的负电荷的颗粒不稳定
在深度过滤中，根据(捷)伊瓦萨基在1937年提出的关系，将粒子移除
Alpha;c /alpha;E = -gamma;C
第一个顺序是带深度的
C粒子的浓度或数量
z每单位体积M / L^3或l ^- 3
深度进入过滤层(表面为零)
gamma;=过滤系数(l ^- 1)
更详细的现象学模型验证了这种关系
模型假设:
球形颗粒和球形介质
角介质对流体力学的影响被忽略
gamma;假定从常数随时间
持续的孔隙度和颗粒度随时间变化
粒子收集的效率取决于
传送效率=粒子接触收集器/粒子接近收集器
附着效率x =粒子附着于收集器/粒子的接触收集器
对于孤立的单独的收集器
质量流量接近收集器=VfC(pi;/4*dzc)
VF =滤过率(Q /Ap)
C =浓缩粒子
Dc =收集器粒径
单个收集器的质量捕获是VfC(pi;/4*dzc)
对于过滤器整体而言，需要考虑收集器的数值
粒子质量平衡:
质量减少=进入的质量-出去的质量plusmn;反应假定为零
基于斯托克定律的流动原理
基于爱因斯坦(1905年)的布朗运动
玻尔兹曼常数K =
T =绝对温度
粒子俘获的净效应(根据理论)显示在pg 19上
实验数据与pg - 20模型的比较显示了显著的差异，但保留了正确的趋势-即，减少了dp = um
更复杂的模型描述了在粒子接近时改变了水动力的阻力，范德瓦尔斯力(拉加波艾伦 1976)，以及更好的化学反应的前序
多重介质过滤器在单个过滤器中提供了一些不同的性能。改进了整体滤镜的性能，显示了45厘米的无烟煤的性能，超过25厘米的沙粒。与x = o。去除沙粒，以补偿无烟煤的去除
粒度和密度对过滤的影响运输效率(dc = 0.5毫米,v = 5 m / h,和= 25℃)
图由麻省理工学院开放式课程。
改编自:美华集团,克里滕登,塞尔
水处理:原则和设计第二。霍博肯，约翰·威利森，2005年，第912页
20
改编自:姚克敏,M.T.Habibian和C.R.O #39;Melia。水和废水过滤:概念和应用。“环境科技5,没有。(1971年11月11日):1105 - 1112
21
改编自:O #39;Melia C.R.和J。用双媒体过滤来去除颗粒:建模和实验研究“水科学和技术Wate供应第4，(2011):73 - 79”。
22
结论:
快速过滤需要预处理(凝固)来为颗粒捕获创造有利的化学物质
大于1的颗粒被沉淀和拦截捕获
小于1的粒子被扩散捕获
捕捉到的最困难的粒子大约有1个
双重介质比单一介质更好的捕捉
设计需要考虑混合、凝固、絮凝和过滤
课本，幻灯片跟随，说明典型的装置
23
颗粒-介质重力过滤器的横截面
改编自毕聂已撤消,C、M。金柏和g·瑟斯特。基本的水处理。3日。
英国剑桥:皇家化学学会，2002年
24
源泉:地产2011年。日本先进环境设备数据库，快速过滤器和GAC吸附过滤器的地下排水系统，日本工业机械协会制造。2月21日通过
来源:运货单利奥波德公司,2003年版。过滤，过程，排水类型，
2005年2月21日
浪涛水力学
同样的力平衡作为沉积
预计阻力会出现在流动的回流水流中
需要确定回流流以便ge;W-B
换句话说，上升速度必须超过媒体颗粒的沉降速度
对湍流转捩区
为Vs解决迭代
流体化床将扩大
E-expand F-fixed L =床深度
n-porosity可以计算
通过经验公式
正如O #39; melia和Tiller(1993)所指出的，在传统的凝聚动力学模型中嵌入的两个最重要的假设是合并球面假设和直线运动假设。该研究的建模方法可以被定性为分形线性模型，因为在方法中，分形理论被合并，但直线运动假设仍然包括在内。因此，应注意的是，该研究开发的CFS模型的局限性是线性假设。对曲线方法的考虑因素包括在Lee(1996)。
开发的分形方法引入了聚结分形球体(CFS)假设。使用CFS假设的分形方法当然是另一种简化方法。除了球形体的假设外，实际的总量可能不包括单一的主要粒子。此外，分形维数的单一值可能不能代表整个总大小的范围(Hill,1992)。然而，人们相信CFS假设是一个正确的步骤，在此基础上，未来对分形凝固动力学的更完整表示的研究应该是基于此的。
该模型假设时间0的所有粒子都是分形集合，由单一类型的主粒子组成，具有恒定的DF，但这种假设可能不代表现实。由库特计数器所检测到的较大的沉积物颗粒可能不是分形聚合物，而是更大的相对致密的粒子。尽管已经有关于这个问题的有限研究，但一些先前的研究表明，在淡水河流和河口环境中，悬浮沉积物总量的90%以上来自三个主要粒子的絮凝和更多。
分形维数是分形理论中一个重要的参数，说明主要粒子的分布密度如何。分形维数的普遍性是由布朗运动形成的集合所发现的，在这个过程中，确定的DF在1.7和2.3之间是独立于粒子类型的，但依赖于系统中化学稳定性的程度。也就是说，如果聚合在粒子的接触上是可接受的，那么在附件之前需要更多的接触，结果就会有更多的穿透和更高的DF值。在其他机制下的DF(如流体剪切和差异沉积)的研究还没有得到广泛的研究。最近，洛根和基尔普斯(1995)报告说流体力学环境显著影响DF。由于流体剪切力和差异沉降的主要机制应该我们的系统(布朗运动预计不会扮演重要角色,因为泥沙颗粒的尺寸范围大于1mu;m),不能轻易的DF系统预测。尽管这项研究显示了在DF值的不同水平下的模拟，未来的研究需要显示碰撞机制和它们对分形维数的影响之间的关系。
碰撞效率系数(alpha;)一直被视为描述凝固系统中最重要的参数之一,它被认为代表化学不稳定的水平。alpha;是传统管理系统数目的比值确定粒子附着率理论上预测碰撞率。然而，在本研究中，提出了一种不同的碰撞模型，分形模型。基于分形模型的碰撞率比基于传统模型的碰撞率(1991年的江和洛根)的碰撞率要高得多。因此,分形模型中使用的alpha;值应该小于alpha;基于传统模型。
摘要在图8中给出了分形理论对总碰撞频率函数的影响，这是由于布朗运动、流体剪切和差动沉淀法引起的单个碰撞频率函数之和。在计算过程中，研究中所开发的分形碰撞函数与模拟结果中的条件和参数相同。这一数字表明，与传统的欧几里得模型相比，合并分形理论的总碰撞频率函数值明显高于该函数。随着分形维数变小，粒子变大，这种差别就更大。例如，在主粒子与总体积为103个主要粒子(也就是)的碰撞的情况下。,订单大的CVE直径),beta;的比率(DF)/beta;(3),可认为是一种alpha;调整因素,为9.80,大约10倍的分形比欧几里得的案件。因此,同样的alpha;为0.2,2.0仿真动力学的DF(图4)变得迅速。
图8所示。分形模型对总碰撞频率函数的影响。beta;(DF)和beta;(3)总碰撞频率函数基于分形和欧氏模型,分别。vi和vj是碰撞粒子的固体体积，vi被认为是主要的粒子体积。
比beta;(DF)/beta;(3)的个体碰撞频率函数和总碰撞函数图9所示。这个数字表明之间的流体剪切力是最大的三个机制分形模型,这比beta;(DF)/beta;(3)总碰撞函数求值明显低于流体剪切力的比率。这是因为在计算总比时，增加了三个碰
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