（市政工程专业论文）上向流过滤应用技术研究.pdf

摘要 y 掌9 曾2 8 上向流过滤是一种理想的过滤方式。与传统快滤池相比具有滤层截污量大， 水头损失小，过滤周期长等特点。但它有滤速提高时滤层易膨胀，滤层反冲洗不 易干净的问题。丫 本课题在总结前人经验的基础上，经过模型试验，对该种滤池的过滤及反冲 洗进行了深入的研究。通过与均质滤料滤池、传统快滤池的过滤对比试验，对i ： 向流过滤的滤层厚度及滤料级配、承托层厚度及级配进行了优化；讨论了滤料最 小粒径与过滤极限水头损失的确定；探讨了滤层厚度与滤料当量粒径之比值，“ 对上向流过滤性能的影响：研究了滤层截污规律与水头损失变化规律，滤后水浊 度变化规律；提出了滤料流失的防止措施，解决了上向流过滤提高滤速上层细滤 料易流化的问题：第一次把气水反冲洗技术用于上向流过滤，通过正交实验得出 了气水反冲洗最佳参数，通过对比试验检验了气水反冲洗效果，成功地解决了i 二 向流过滤反冲洗不易干净的问题。 关键词：上向流过滤滤层优化气水反冲：j ! ； a b s t r a c t c o n l p 眦dw i t hc , o n v e n t i o n a l l yr a p i d f i l t e r , u p f l o wf i l t r a t i o ni sam o r es e n s i b l e f i l 。m 。t h o d ，w h i r 五i sc h a r a c t e r i z e db y l a r g ec a p a c i t yf o rs t o r a g eo fs o l i d s ，s m a l lh e a d l o s sa n d 1 0 n g “e rm n t h em a i n d i s a d v a n t a g e so f u p f l o wf i l t r a t i o n 印p e a rt ob e ( a ) t h e - 1 e 。n c y f o rt h ee x p a n s i o no ft h em e d i ab e c a u s eo fi n c r e a s i n gf l o wr a t e s ，( b ) t h e d i f f i c u l t yo f b a c k w a s h i n gi f l a y e r so f d e p o s i t a c c u m u l a t ea tc e r t a i nd e p t h so f t h em e d i a 。 o nt h eb a s i so f f o r m e re x p e r i e n c e ，f u r t h e rs t u d ya b o u tu p f l o wf i l t r a t i o na n dh a v e a i r w a t e rb a c k w a s h i n gh a v eb e e nc o n d u c t e dt h r o u g h p i l o t - p l a n tt e s t i nt h i sa r t i c l e ， o p t i m u m o ft h ed e p t ha n dg r a i ns i z eo ft h em e d i ai sa c h i e v e d a tt h es a m et i m e ，t h e m i n i m a lg r a i ns i z eo f t l l em e d i a a n da v a i l a b l ch e a dl o s sa r ea l s od e t e r m i n e d i na d d i t i o n t h ei n f l u e n c eo nt h ef u n c t i o no f t h eu p f l o wf i l t r a t i o nc a u s e db yc h a n g eo f l d 。r a t i o ( i n w h i c h1i st h eb e dd e p t ha n dd ei st h eg e o m e t r i cm e a r ls i z eo f t h em e d i a ) i sd i s c u s s e d f u r t h e r m o r e t h er e g u l a r i t yo fi m p u r i t i e sr e m o v a l ，h e a dl o s s o ft h ef l t e ra n dt h e v a r i a t i o no fe f f l u e n tt u r b i d i t yh a v eb e e ns t u d i e d t os o l v et h ep r o b l e mi nu p f l o w f i l t r a t i o nt h a tt h ef i n eg r a i n sa tt h et o po fm e d i u ma r ea p tt ob ef l u i d i z e dw h e nl h e f i l t r a t i o nr a t ei si n c r e a s e d ，f e a s i b l ea d v i e e sa r ep r o p o s e di nt h i sa r t i c l e d u r i n gt h et e s t ， a i r w a t e rb a c k w a s h i n gi sa p p l i e dt ou p f l o wf i l t r a t i o n f o rt h ef i r s tt i m e t h eb e s t p a r a m e t e r s o f a l r w a t e rb a c k w a s h i n ga r eo b t a i n e dt h r o u g ho r t h o g o n a lt e s t s ，m e a n w h i l e ， t h em o s ts a t i s f y i n ge f f e c to f a l r - w a t e rb a c k w a s h i n gi sd e c i d e db yc o m p a r i s o n t h u s ，t h e d i f f i c u l t i e si nb a c k w a s h i n go fu p f l o w c a nb eo v e r c o m e s u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ： u p f l o wf i l t r a t i o n t h em e d i a o p t i m u m o ft h ed e p t ha n dg r a i ns i z eo f a i r - w a t e rb a c k w a s h i n g 1 1 前言 第一章绪论 在水处理工程中，过滤通常是指以石英砂等粒状材料所组成的滤层截留水中 悬浮杂质，从而使水获得澄清的工艺过程f 2 3 】。在以地面水为水源的饮用水净化工 艺中，过滤是去除悬浮物的最后一个精加工过程。过滤不仅能去除水中悬浮物和 皎体物质，而且水中有机物，细菌乃至病毒等也将随浊度的降低而被去除。至于 残留在滤后水中的细菌，病毒等在失去浑浊物的保护或依附时，在滤后消毒过程 中也将容易被投灭。在生活饮用水的净化工艺中，沉淀或澄清有时可省略，而过 滤是不可缺少的，它是保证生活饮用水卫生安全的重要措施。 过滤工艺经过一百多年的发展，其过滤理论和技术都取得了很大进展，如今 已发展成为一种较成熟的水处理工艺。然而，面对日益复杂的水源水质状况和人 们对饮用水水质的更高要求，人们仍致力于过滤技术的研究，以寻求更为经济高 效的过滤工艺。上向流过滤指的是让待滤水由下向上先通过滤料粒较粗的滤层， 而后通过粒径较小的滤层以截留水中悬浮杂质，从而使水获得净化的过滤工艺， 陂国内外给水界认为是能够满足此要求的理想过滤工艺，正期待人们去更进一步 的研究发展和应用。 1 2 上向流过滤技术的发展历史 过滤技术用于水处理已有很长的历史。早在3 0 0 0 年前印度和中国就有利用过 滤来改善饮用水水质的记录l 。在十九世纪以前，慢滤池在过滤工艺中占主导地 位，其滤速仅为0 0 4 o 4 m h ，效率很低。18 8 5 年，g u l l e r g w 成功地研究了凝 聚和快滤，并于1 9 0 9 年建造了第一座快滤池。此后，快滤池得到迅猛发展，并逐 渐在给水处理中占据了重要地位。目前，世界各国水厂使用的多为深床快滤池。 1 6 8 5 年，意大利物理学家l u c a sa u t o n i op o r z i o 在军事卫生m 】一书中最 早提出了上向流过滤技术。在书中他论述了一系列的让水向上流过砂层的过滤方 式。在1 7 5 4 年和1 7 9 0 年，法国人a m y 和澳大利亚军人w u t h w e h r 先后发明了下 l 上向流复合过滤器( 可能为双向流滤池) 。1 7 9 1 年，英国建筑师p e a c o c k 获得第 一台上向流过滤器的专利权i i l 。美国专家也于1 8 3 2 年在r i c h m o r d v a 建造了第一 座上向流滤池。至二十世纪五、六十年代之前的近二百多年间，人们一直在研究 上向流过滤技术，但几乎所有的上向流过滤都有一个共同的缺点，无法解决反冲 洗问题，截留在砂层中的悬浮物不能被有效的去除以致没有成功。 二十世纪五、六十年代，上向流过滤技术有了较大的发展。1 9 5 3 1 9 5 4 年， 前苏联m i n z 和l e n c h e v s k y 开发了接触滤池眦儿1 2 。2 72 8 1 ( 俄语接触澄清池k o 1 型) 如图( 1 一1 ) 所示。并在莫斯科、列宁格勒等城市成功地用于直接过滤处理地表 水。他们采用的滤料粒径为o5 - - 2 0 m m ，有效粒径为05 5 t 0 6 5 m m ，不均匀系数 为2 ，5 ，滤层厚2 0 0 0 2 6 0 0 m m ，滤速不大于62 5 m h 。采用单独水反冲洗，反冲 洗强度q = 1 9 2 2 1 sm2 ，冲洗历时7 8 m i n 。 图1 一lk o 一1 型滤池工艺 i 一滤后水管2 一反冲洗出水管3 一待滤水进水管4 一反洗进水管 5 一配水渠卜集水渠7 一滤层8 一斜槽卜穿孔配水管 同期，前苏联还开发了双向流滤池【2 7 ，2 研( a f 。x 滤池) 如图( 1 - - 2 ) 所示，水 由上和下同时通过滤层，滤后水由滤层中的集水管收集，集水管上部的下向流滤 池实际上是为了防止上向流过滤时砂层突然膨胀，这也大大提高了滤速。他们认 为上向流较传统下向流有许多优点：l 、用单一砂滤料，由粗到细过滤，充分利用 了滤层的截污能力：2 、有更长的过滤周期：3 、水头损失增长缓慢，期终水头损 失小：4 、在浊度、色度、细菌去除等方面均优于传统下向流过滤。 图i 一2双向流滤池工艺 i 一待滤水进水管2 一反洗排水管3 一滤后水管4 一待滤水进水管 5 一反洗进水管6 一排水槽7 一滤层8 一集水管9 一配水管 在二：_ 卜世纪六十年代，荷兰、英国等其他欧洲国家，上向流过滤技术也存较 大的发展。在荷兰s m i t 等人也开发了双向流滤池、在滤层上部加挡砂栅的上向流 滤池| l 剐( 如图l 一3 所示) ，还开发了上层采用无烟煤的双层滤料上向流滤池，滤 层厚6 0 0 1 5 0 0 m m ，滤速高达2 5 m h 。同时还将压缩空气擦洗用于上向流滤池反冲 洗。在英国，伦敦大学的l v e s 等人也进行了大量的实验研究。他们采用的滤料粒 径为06 l2 m m ，层厚1 2 0 0 r a m ，滤速为5 1 0 m h ，上加挡砂栅以防止砂层膨胀。 结论是：在相同期终水头损失下，上向流较下向流有更长的过滤周期，滤液质 量较下向流为好。但对上向流来说，单独用水反冲洗对排除滤层底部悬浮物是不 够的，空气擦洗非常必要。此外，在l u t o n ，上向流还用于城市废水处理f l ”。 美国学者也设计了各种上向流滤池。在k a n s a s 大学，进行了一系列实验。采 用的砂滤料有效粒径为o5 5 m m ，平均粒径0 9 r a m 【夕f 均匀系数2 o ，空隙率为4 1 ， 砂床深分别采用6 0 0 m m 、1 2 0 0 m m 、1 8 0 0 m m ，直接处理k a n s a s 河原水。结论2 l 是，当床深为6 0 0 m m 时，滤池上部必须加格栅以阻挡砂层膨胀，否则滤速难以提 高，且滤后水质差，过滤周期短。而在床深为1 2 0 0 m m ，1 8 0 0 m m 的滤池中可不加 挡砂栅，也取得了较好的结果。此外，一种叫“l e a uc l a i rp r o c e s s ”1 2 1 的上向流 滤池工艺被授予美国专利，采用的砂粒径为0 9 5 18 m m ，床深18 0 0 m ，上部加挡 砂栅，滤速为1 5 m h 。反冲洗采用压缩空气+ 水反冲洗，用于真接处理源水。 图l 一3 带挡砂栅的上向流滤池 1 一进水管2 一反冲洗水管3 一出水管4 一配水管 5 一挡砂栅6 一上部砂层7 一f 部砂层8 一承托层 口本的山本隆雄为解决砂层膨胀，曾采用精炼铁铬金时产生的一种矿渣作滤 料，其比重为3 4 ，最小粒径为i m m ，滤层厚为2 1 5 0 r a m ，滤层上仍设挡砂栅，滤 速可达4 0 m h 。 近十年中，轻质滤料也开始被用于上向流过滤。在美国，已有采用泡沫聚苯 乙烯树脂作介质的上向流滤池和粉末活性炭生物相结合直接处理高浓度有机污水 和微污染源水的实验【6 l 。而在前苏联，新古比雪夫酒精厂则采用陶粒代替石英砂 作为上向流滤池的滤料，产水量较原来提高了7 1 【2 5 1 。 国内五十年代在天津市、湖南吉首市、湘潭市等地采用过上向流过滤技术。 天津市芥园水厂上向流滤池的主要技术参数表( 1 一1 ) 所示。 4 芥园水厂上向流滤池主要技术参数【1 5 i表1 1 石英砂滤料卵石垫层进水浊度 出水浊度滤速 粒径厚度粒径( m m )厚度( 度)( 度)( m h ) ( m m ) ( m m )( m m ) 0 5 15 7 0 02 4 3 2 6 56 4 01 0 1 55 6 8 事实上，芥园水厂只是将原普通快滤池改造为上向流滤池，因滤料最小粒径偏小， 滤速难以提高，同时垫层积泥，冲洗刁毫于净而停用。株洲、衡阳等地采用过双向 流滤池，滤料级配一般都和普通快滤池相同。后因劳动强度大，操作管理麻烦， 滤后水质差，冲洗不干净而停用。从八十年代中期开始，湖南大学对上向流过滤 技术进行研究并取得初步成功。采用的技术参数为：石英砂滤料粒径为 o7 1 2 o m m 层厚8 0 0 9 0 0 m m ，滤速约1 5 m h ：采用高强度水反冲洗冲洗强度 2 0 1 s m2 左右，冲洗历时约7 r a i n 。先后在柳州、南县、长沙、武冈等地用于生产， 取得了较好的效果。 l 3 本课题的提出及研究内容 综j 二所述，上向流过滤与传统的下向流过滤相比具有许多优点：( 1 ) 由于水 流由f 而上先通过粒径较粗的滤层而后通过较细的滤层，整个滤层截污均匀，有 利于充分利用整个滤层的截污能力，滤层截污量大，( 2 ) 水头损失增长缓慢，期 终水头损失小，过滤周期长。但是由于其本身存在的局限性，使得上向流过滤并 未被广泛推广使用。主要问题是：( 1 ) 为避免出现滤层上部细滤料流化现象，滤 速不宜过高，国内有资料f 2 2 t 报道滤速不能大于5 m h 。( 2 ) 由于冲洗时截留在滤层 底部的污物必须通过整个滤层，滤层难以冲洗干净。 为了解决上向流过滤时滤层上部细滤料的问题，国内外专家学者进行了大量 的实验研究，提出了一些解决方法，日本、前苏联、美国、英国、荷兰等欧洲国 家在滤层表面设挡砂栅就是其中一例。但挡砂栅并未完全解决过滤时因反向滤速 过高及当通过某一滤层的水头损失超过其在水中的重量而使表层细滤料流化的问 题。戈登认为：“即使应用了具有阻截作用的隔网或者深层滤层，但仍会由于压力 过大或者压力的突然变化，而破坏砂桥( s a n d b r i d g e ) 或引起滤床膨胀而失去过滤作 用”f 蚓。况且加挡砂栅给管理和反冲洗也带来不便。 前苏联、荷兰等国研制的双向流滤池( a k x 滤池) ，在集水管的上部压一个 下向流快滤池来阻挡上向流滤池滤床的膨胀。戈登指出：“双向流滤池存在着一个 固有的局限性，使它不能用来作为生产特别高质量出水的设备”【“。以单一滤料 的双向流滤池为例，它的最小滤料处于上半部的下向流滤池滤床的顶部，其滤出 水不会超过普通快滤池的水质：而处于下半部的是粒径由粗到细的反向过滤，其 最细滤料的粒径也比上部普通快滤池中有效应用的最粗粒径还要粗，显然滤池的 出水比上部普通快滤池出水水质要差。由此不难看出双向流滤池出水水质比普通 快滤池差。 另外，前苏联的接触澄清池( k o 1 型) 、k o - 2 型、以及美国采用的加大滤层 厚度的方法，以提供滤料重量防止滤层膨胀，有的滤层甚至深达3 米。但太深的 滤床势必增加滤池造价，且给水厂构筑物高程布置带来困难，也不能完全防止过 滤时滤层上部细滤料的流化。国内湖南大学采用加大滤料粒径的方法防止滤层膨 胀。然而从有关资料可以看出，该方法对滤后水水质却有一定影响。 为了解决上向流的反冲洗问题，国内外专家们也采取了一些措旅： 在荷兰、英国等欧洲国家及美国的研究者认为采用压缩空气冲洗是必要的。 提出先压缩空气和水同时冲洗而后再单独用水冲洗的方式或者先用压缩空气冲洗 再单独用水冲洗的方式。然而从有关报道 1 , 2 , 2 7 1 似乎看出当时只是停留在实验阶段， 并没有在生产中将气水反冲洗用于生产之中。 在前苏联和中国1 6 , 2 7 贝l j 采用了比普通快滤池更高的水反冲洗强度，其强度高 达2 0 1 s m2 ，甚至更大。然而，这并没有从根本上解决上向流过滤的滤层底部积 泥的问题。 6 l v e s k j 曾指出“目前，在过滤当中最显著的不合理的运行是使用级配砂滤料。 由于反冲洗的水力分级造成滤料粒径从上至下逐渐增大，而下向流过滤是水首先 通过最上面的最细滤料，随后通过下面较粗大的滤料。更合理的是使水首先通过 粗滤料，然后通过较细的滤料，以提高过滤水质和充分利用滤层的深度”目前 的各种滤池工艺采用的滤料都是非均匀滤料，一般水力反冲洗时必然产生水力分 级，滤料上细下粗。因此，从符合过滤机理的合理性来看，从优到劣的顺序为： 上向流滤池一双向流滤池一三层滤料滤池一双层滤料滤池一普通快滤池。上向流 滤池的缺点在于当水头损失大于某一定高度，并超过该高度以上滤床在水中的重 量，这时滤床就要上腾或者部分流动起来，从而使以前已截留的悬浮物逸入滤后 水中，滤速难以提高。此外，当采用常规水洗方式时，滤层底部难以冲洗干净。 虽然国内外研究者为克服上述缺点采取了一些解决办法，但并没有完全克服上向 流过滤的缺点，人们迄今还没有完全接受和推广使用上向流过滤技术。为完善该 工艺的设计正确指导其运行实践，仍需对它进行深入的实验研究和理论分析。为 此，提出“上向流过滤应用技术研究”这一课题。 本课题拟在总结前人经验的基础上，经过理论分析和模型实验研究，达到以 下试验目的，为以后该过滤工艺的设计运行和更加深入的研究提供参考。 1 、通过模型过滤试验，检验不同级配滤料在不同滤速下的过滤性能，并与均 质滤料过滤和传统快滤池过滤作出比较，找出给定条件下的最佳滤层滤料级配。 2 、研究上向流过滤水头损失在滤层中的分布规律及滤层截污分布规律。 3 、研究上向流过滤初滤水水质变化规律。 4 、研究滤料层厚度和滤料粒径之比纥对上向流过滤性能的影响。 ，w o 5 、研究上向流过滤承托层的最佳级配。 6 、通过正交实验，确定上向流气水反冲洗运行工艺参数，比较气水反冲洗和 单独高强度水反冲洗的冲洗效果。 第二章上向流过滤的理论基础 2 1 过滤机理f 4 , 5 , 1 7 , 1 8 , 2 2 , 2 3 , 4 5 过滤是一个胶体物理化学作用和水动力学作用共同作用的复杂过程。杂质在 滤层中的去除受杂质和滤料的物理化学性质、水的化学特性、滤速以及滤池运行 方式的影响，其去除过程至今仍未被完全了解。大多数研究者认为悬浮颗粒必须 经过迁移和附着两个过程才能完成去除的过程。 ( 一)迁移机理 悬浮颗粒在滤层孔隙中的迁移是由下列几种作用引起的：( 1 ) 拦截作用，( 2 ) 惯性作用，( 3 ) 沉淀作用，( 4 ) 扩散作用，( 5 ) 水动力作用等，如图( 2 - - 1 ) 所示。 拦截作用：颗粒尺寸较大时，处于流线中的颗粒会直接碰到滤料表面而被拦 截。 惯性作用：水中悬浮颗粒按s t o k e s 沉降速度在重力作用下沉降，从而穿越 流线而向滤料表面接近。1 9 0 4 年h a g e n 提出：滤料的作用类似一个无数底盘或假 底盘的沉淀池。在滤床中每一个空隙空间均起着一个微型沉淀池的作用，滤料则 提供了巨大的沉淀面积，同时，优良的水力条件为颗粒沉降创造了有利条件。 扩散作用：细微悬浮颗粒由于周围水分子热能而产生不规则的运动，从而使 得颗粒扩散至滤料表面。扩散作用取决于水的温度和颗粒大小。一般认为扩散只 对粒径小于1um 的微粒才有意义。 水动力作用：在低雷诺数的水力作用下，在滤料空隙内的流动是层流，具有 速度梯度，存在剪力场。悬浮颗粒在剪力场中发生旋转，从而受到一种侧向力而 横跨流线运动至滤料颗粒表面。 - 不管是上向流还是下向流都是上述几种作用力在起主要作用。对某一悬浮颗 粒来说，可能同时受几种作用力作用，但占主导作用的只能是一种或两种，主要 取决于粒度的大小。一般分析认为，对 0 l 衄的颗粒，拦截和扩散起主要作用： r 对l v 3 “m 的颗粒，拦截起主要作用：对3 啪的颗粒，沉淀和拦截起主要作用。 - - ， - 水力作甩扩t 作用 沉蓰作用惯性作用 持作用 图2 - - i 迁移机理示意 ( 二) 、附着机理 附着是指贴近静止滤料颗粒面的微粒粘附到其的表面上的过程。粘附作用是 一种物理化学作用，涉及到表面双电层、范德华力以及化学键和某些特殊的化学 吸附力的作用。粘附作用主要决定于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质，它大 体可分为两种情形：一种是当悬浮颗粒接触滤料表面后，只要范德华引力大于双 电层的斥力，就能够附着。在混凝过程中只用铁盐和铝盐为混凝剂时，即属于这 种情况。第二种是悬浮颗粒与滤料表面间借高分子物质所起的架桥作用而附着在 上面。当用阳离子型聚合物为混凝剂，阴离子或非离子型聚合物为助滤剂时，即 属于这种情况。 在颗粒附着的同时，还存在由于空隙中水流剪力作用而导致粒径从滤料表面 上脱落趋势。附着力和水流剪力的相对大小，决定了颗粒附着和脱落的程度。过 滤初期，滤料较干净，空隙率较大，空隙流速较小，水流剪力较小，因而附着作 用占优势。随着过滤时间的延长，滤层中杂质逐渐增多，空隙率逐渐减小，水流 剪力逐渐增大，以致最后附着上的颗粒首先脱落下来，或者水流挟带的后续颗粒 不再有附着现象，于是，悬浮颗粒便向上层推移，上层滤料截留作用渐次得到发 挥。 2 2过滤理论数学模式m 5 ，2 3 ，2 7 ，4 5 1 2 2 1过滤澄清方程式( 过滤效率理论) 根据杂质在滤床中的截留规律，建立起水中悬浮物含量沿滤床深度和随时间 变化的数学模型，并力求用于滤池的设计和生产实践，是几十年来国内外水处理 工作者努力的一个重要方向。目前的过滤效率理论，描述杂质的分离的数学模型 主要有唯象理论( p h e n o m e n o l o g i c a lt h e o r y ) 和迹线理论( t r a j e c t o r yt h e o r y ) 。 通过描述杂质的去除与滤层的变化现象来研究过滤效率，而不涉及去除的机 理问题称为唯象理论。以唯象观点建立起来的过滤效率理论，基本上都是在颗粒 滤料滤床基础上提出来的，以岩崎( 1 w a s k i ) 1 9 3 7 年提出的深床过滤动力学和物料平 衡方程为基础： 竺：一2 c( 2 1 ) 引 矿丝+ 塑：o( 2 - 2 ) a la t 式中c 一水中悬浮物的浓度； 卜一滤床深度： 旯一过滤系数： v _ 一水的表观速度； 盯一比沉积量； 卜过滤时间。 方程2 1 的积分式为： c = c o e 一“ ( 2 3 ) 式中c 0 一待滤水悬浮物浓度。 对于过滤系数五与比沉积量盯之间的变化关系，不同研究者提出了不同的关 系式。i v e s 推导的a 与盯的关系的通用式可以体现不同研究者所导出的关系式： a = 2 0 【l + 卅( 1 一e o ) 4 1 一c r 6 0 】6 【1 一口盯。】。 ( 2 叫) 式中厶一初始过滤系数； 盯。一极限比耀职量； 岛一清洁滤层空隙率； a , b ，c ，一实验常数。 i v e s 关系式的基本前提是，过滤系数五是滤池中可供悬浮颗粒沉积的滤料表 面积的变化和空隙流速增加的函数。过滤周期开始时，滤层可用许多正球体组成 的空隙层来代表。当正球体表面上附着沉积物后，滤层的总表面积就增加，因而五 也随之增加。当沉积物继续附着达到一定厚度时，水流在滤层的流态逐渐拉直， 此时的滤层可用一组园柱形毛细管来代替。随着毛细管直径的减小，比表面积就 降低，因而a 也降低。随着沉积物在滤层内的积聚，空隙流速加大，a 则随之减 小。 从滤池去除固体的基本机理出发，将每颗滤料看作一收集器，分析当杂质流 过它时被去除的程度并推导出过滤效率方程的研究方法称为迹线理论。有代表性 的是o m e l i a ( 1 9 6 7 年) 和y a o k m ( 1 9 7 0 年) 导出的关于粒状滤料过滤效率公式： - n 昙= 一扣占m 砉 c z 叫， 式中卜一滤层厚度； c 0 ，p 一分别为水流通过两层前后悬浮物浓度； 占一空隙率； ( 卜一滤料粒径； 口一碰撞效率因素，为有效碰撞与总碰撞次数之比： 旯一水中颗粒撞击单元滤料的速率与流向该单元滤料速率之比。 2 2 2 过滤水力学1 2 3 2 7 , 1 8 4 4 】 水流经滤床就会产生水头损失。水头损失的大小与滤床的空隙率、滤科的形 状、大小、粗糙度、以及流速的大小和流态有关。随着过滤的进行，滤床含泥量 增加并导致滤床空隙缩小，同时积泥也将改变滤料及滤床通道的形状，从而导致 水头损失的变化。 对于清洁滤层的水头损失，作为滤层选择的个重要参数，不同的学者提出 了不同的计算方法，建立了一些理论模型。 流体在低滤速下流经多空滤料的水头损失方程，最早由d a r c y ( 18 5 6 年) 在研究 砂滤床时提出： p“矿 _ = t ( 2 _ 6 ) lk 一 1 式中舭一压力降； l 一滤层厚度： v 一滤速： “一流体的动力粘度： k 一水力渗透系数。 d a r e y 公式适用于低雷诺数( r e ) 下的层流状态，对于水和废水的过滤来说， 一般滤速都在2 0 m h 以下，雷诺数( r e ) 不大于1 0 ，d a r c y 公式是适用的。式中 的水力渗透系数k 可以通过试验来测定。 后来，c a r m a n ( 1 9 8 7 年) 将滤床的空隙假定为一系列具有相同水力半径的平行 毛细管，推出了水力渗透系数h 的理论表达式，从而得到了著名的c a r m a n k o z e n y 方程： 一a p ：k l l s 2 v (2-7) 工 f ； s ：坠掣( 2 8 ) 删 式中 k - - - c a r m a n - k o z e n y 常数，约为5 ； 晶一清洁滤床的空隙率； s 一滤料的比表面积： v 一滤料球度系数： d 一滤料粒径。 将压力降p 转换成水头损失，则c a r m a n - k o z e n y 方程可综合表达为： ：0 0 1 8 7 丝鞯，v ( 2 9 ) d f6 0 式中 一初始水头损失( m h2o ) ； 一水的动力粘度( 2 5 c ，0 0 0 0 8 9 n s m2 ) ： 口一滤料形状系数( 1 1 0 ) ； d 。一滤料当量粒径( 粒径0 9 1 2 5 m m ，0 0 0 1 1 3 m ) ： 卜滤层厚度( n 1 ) ： r 滤速( m s ) 。 而m m1 4h1 2 也通过实验和因次分析导出了相同的计算公式，只是系数稍 有不同，日本学者藤田贤二导出了形式相同的粒度、空隙度和水头损失之间的关 系式： h = 轻稽l v 矿t d l 丁( 1 - - e ) ： 式中仔一过滤水头损失； k 系数； ( 2 1 0 ) ，r 一滤速； g 一重力加速度： p 一水的密度： 2 3 过滤的反冲洗f 2 5 l 滤池的反冲洗是恢复和继续发挥滤池功能十分重要的手段，故滤池的效率主 要依靠有效清洗来实现。当滤池的水头损失、滤出水浊度、过滤时间中任一个参 数达到预定值时，需停止过滤进行冲洗，以清除滤料层中所截留的污物，使滤池 恢复工作能力。目前，国内外快滤池滤床反冲洗方式分为： ( 1 ) 滤床膨胀：又分为高强度水反冲洗及中强度水反冲洗加表面冲洗。 ( 2 ) 滤床不膨胀：又分为低强度水反冲洗加表面冲洗或空气擦洗及空气擦 洗加水反冲洗。 其中，高强度水反冲洗为l o 1 5 1 s m2 ，中强度水反冲洗为5 1 0l s m2 ，低强度水 反冲洗为3 5i sm2 。而上向流滤池也不外乎两种，一种是高强度水反冲洗，强 度达2 0l s m2 以上，另一种是气水联合反冲洗。 2 3 l反冲洗机理【1 8 2 0 ，2 4 ，2 5 + 3 6 删 目前，国内外对水反冲洗机理的认识。并未完全一致，主要有三种不同见解。 第一种以c a m p 、s t e i n 等为主，认为主要依靠水产生的剪力而不是摩擦碰撞。 第二种以f a i r 、藤田等为主，认为主要靠滤料颗粒间互相碰撞摩擦力去除污 泥。 第三种以巽岩等为主，认为滤料上有两种污泥，一种是滤料直接吸附牢固的 污泥称为“一次污泥”：另一种是积聚在空隙中的污泥称为“二次污泥”，靠水剪 力较易去除，一次污泥必须靠碰撞或者其他作用才能去除。 笔者认为，反冲洗是水流剪力和滤料颗粒之间碰撞共同作用的结果。 但是，国内外研究者一致肯定单独用水反冲洗不够有效，是一种弱反冲洗方 1 4 式。因为反冲洗所产生的污泥剥落主要依靠剪切力作用。而水反冲洗所产生的剪 切力不大。 要洗净滤层除了用水冲洗外还必须加表面冲洗或空气擦洗等辅助手段。多数 人认为从剥落污泥的效果看，采用表面冲洗及气洗方式较好。认为空气擦洗加水 反冲洗效果最佳，表面冲洗加水反冲洗次之，高强度水反冲洗最次。 对上向流滤池来说，由于过滤的方向和反冲洗方向一致，且反冲洗时大量污 泥要通过整个滤层才能排出，故更适宜采用气水反冲洗方式，且在单独水漂洗时 滤层必须膨胀，以排除滤层中因气水反冲洗时所残余的空气。 2 3 2气水反冲洗数学模式雌3 4 ，3 5 3 7 4 2 ，4 3 1 一、反冲洗时的剪切力作用 l 、单纯水洗时速度梯度g 值和剪切力r 的计算 假设滤料处于膨胀状态下，单位体积滤料所耗动力为p ，则反洗时，p 值可由 下式求得： p - _ p g v w , h ( 2 一1 1 ) l ， 水洗时产生的速度梯度g 。为： 耻岳= 譬 速度梯度能够反映施加于滤料表面的剪切力大小。水流产生的剪切力可表示 f = 脚， 式中产一单位体积滤料所耗动力，肌用3 p 一水的密度，1 0 0 0 k g m 3 广重力加速度，9 8 1 m s 2 ； r 一水洗速度，m s ； 舭一反冲洗时滤层水头损失，i l l ； l 一膨胀滤床深度，m ： g 。一水洗产生的速度梯度，s ； “一水的动力粘度，v s m 2 ： f 一水流剪切力，m 2 。 2 、气水同时反洗时速度梯度g 值和剪切力f 的计算 气水同时反冲洗时，水的能耗计算方法同前，这里着重讨论空气冲洗时g 值 计算。空气冲洗产生的速度梯度为： g 。= 努 式中 “。一空气冲洗产生的速度梯度，s 纬- 一气洗时输入系统的能量，j s ( 2 1 4 ) v 一滤床体积，m 3 。 气洗时输入系统的能量有两部分：一部分为气泡膨胀的体积功：另部分为 气泡在滤层中上升克服重力所做的功。 1 ) 气泡的重力功 次反洗所输入的气体量为 j m = v a a p ， ( 2 1 5 ) 式中 v a 气洗强度，s m 2 ： 1 6 彳一滤池面积，盯： p 。一空气密度，堙， 卜反洗历时，s 。 克服重力所做的功为： 阡，重2 m g 日= v a p4 t g h 式中肛气洗段床层深度，m 。 单位时间，单位床层体积内这部分功为 = 鲁q 舢 2 ) 气泡膨胀的体积功 气泡的体积功可按下式计算： w 。= 1 0 1 x 1 0 5 v 4 a l n 鬟 将式( 4 8 ) 代入式( 4 4 ) ： g = 式中厶一滤床深度，m ： 只、p 2 一始末状态气体压力。 以水柱表示反洗时的始末态气体压力，则得： g 月= 式中肛反洗时滤层表面以上水深，1 1 1 ，胆o 5 0 m ； ( 2 1 6 ) ( 2 一l7 ) ( 2 2 0 ) ，。一滤头以上的滤层厚度，m 。 总速度梯度g = g ，+ g4 二、反洗时的碰撞摩擦作用 反洗时，滤料颗粒群的碰撞次数可用下式表示： n = 胛2 d 3 g( 2 - - 2 1 ) 式中一单位体积的颗粒群中单位时间内颗粒相互之间发生的碰撞次数， m 一3 s ： n 一单位体积内的颗粒数，肋； d 一滤料直径，m ； ( ；一速度梯度，s 。 2 - 4滤层设计理论 2 4 l滤层的发展和利用，2 2 i 滤层是滤池的关键组成部分，滤层由滤料组成，滤料的最基本功能是提供粘 着水中悬浮固体所需要的面积。合适的滤床和滤料是滤池实现经济高效运行的关 键。在水处理工程中，天然石英砂廉价易得，操作管理方便，至今仍被世界广泛 采用作为滤料。 当石英砂新装入滤池时，这种滤层称为均质滤层，滤料则称为均质滤料。其 特点是在整个滤层内，滤料的级配都是一样的，如图( 2 - - 2 ( a ) ) 所示。沿滤层 厚度的每一点，滤料粒径间所形成的空隙大小的分布以都是一样的。在沿均质滤 层厚度的每一点，都具有容纳同样多悬浮固体的能力。 在反冲洗时，向上流动的水流速度足以把滤层托起来，使砂粒处于悬浮状态。 处于悬浮状态的砂粒就会自动地重新按小颗粒在上大颗粒在下的顺序排列，这称 为水力分级现象。冲洗完毕后，滤层虽然恢复到原来的厚度，但滤料的水力分级 作用却遗留下来，在沿滤层的厚度方向上，滤料是按从4 n 大的顺序排列的，这 样的滤层称为分级滤料滤层，如图( 2 2 ( b ) ) 所示。 l r z 鼍 兰 坚 窖 襟 芸 | 璺j2 2 各种滤层的构造示意 f a ) 均质滤层( b ) 分级滤层( c ) 理想滤层( d ) 双层滤料滤层【e ) 三层滤料滤层 这种分级作用，在传统的下向流过滤中，对过滤有两方面的缺点。一是上部 滤层由于空隙小，能容纳的悬浮固体也就比下部滤层能容纳的少，整个滤层的容 纳能力不均匀。另一方面，水流通过上部滤层的阻力比下部大，在截留悬浮固体 后变得更严重。这个空隙大小分布的不利因素和悬浮固体在滤层中分布的不利因 素迭加起来，更显出了级配滤料滤层的缺点。因为悬浮固体在滤层中的分布是从 顶到底呈指数关系递减的。这样，在空隙最小的顶部滤层要容纳的悬浮固体数量 最大，而空隙最大的底部滤层却是容纳的固体数量最小。其后果是，下向流滤池 由于滤层顶部迅速地被悬浮固体堵塞，水头损失迅速上升，在过滤的水头损失达 到允许值的时候，整个滤层截留悬浮固体的能力未能发挥出来。 可以看出，如果保持滤料在过滤过程中仍是均质滤料，它将比分级滤料好一 些。另外如采用颗粒大小完全一样的滤料，不存在水流水力分级的问题，同样具 有均质滤料的优点，这种滤料称为均匀滤料。均匀滤料难于在生产中使用。而且 从上述分析可知，用均质滤料和均匀滤料所构成的滤层对过滤仍然是不理想的。 理想的滤层应该是沿着过滤的水流方向，滤层中滤料的粒径是从大到小递减 1 9 一鼍嚣 善宣墨 一 嚣孽收 长双喀 l爨懑繇耋 f播耧瓣菱m 的。由于滤料颗粒间空隙也沿水流方向从大到小递减，这就创造了下列两方面的 有利条件，一方面是进入滤池的水先接触到的那部分滤层能够比后接触到的那部 分滤层多容纳悬浮固体，另一方面是这部分的空隙本来就较大，在容纳更多的悬 浮固体后，仍然保留了一定的空隙大小，允许水中的悬浮物进入滤层内部，从而 在过滤的水头损失达到最大允许值的时候，整个滤层的截污能力都得到充分地利 用。理想的滤层如图( 2 2 ( c ) ) 所示。这种滤层反冲洗后，仍然保持图中所示 的滤料大小排列顺序。然而，这样的理想滤层只能合成材料才可能实现，其要求 是从滤层项到滤层底，滤料的粒度从最大递减到最小，而滤料的密度则相应从最 小递增到最大。但是非常理想的滤层在实际工程中难于实现。 根据理想滤层的这种思想，产生了双层滤料和三层滤料滤层。但双层或三层 滤料是由两层或三层分级滤层所构成，它们只是在整体上具有理想滤层的概念， 每单层仍是级配滤料。且在反冲洗时容易跑掉上层的无烟煤，并且容易混层。 而当图( 2 2 ( b ) ) 的分级滤料滤层采用反向过滤，即水自下而上过滤，能 发挥理想滤层的优点，获得近似的理想滤层。上向流过滤就是在此基础上产生的。 2 4 2影响滤层设计的因素 4 , 8 , 1 8 , 2 9 l 滤池的设计包括选择滤料介质、介质级配及滤层厚度，滤速的选择，极限水 头损失的确定，承托层的选择，合理的配水及反冲洗系统等。而影响滤层设计的 因素有很多。主要考虑的因素如下： l 、粒径与层厚 按唯象观点认为过滤是水中悬浮物被截留在滤层滤料空隙中的过程。滤层空 隙尺度以及空隙率的大小，在同种滤料相同反冲洗条件下，随滤料粗度的加大而 增大。滤料粒径愈粗可容纳悬浮物的空间愈大。其表现为过滤能力增强，截污能 力增大。同时滤层空隙越大水中悬浮物的穿透深度越大，在有足够保护厚度的条 件下，悬浮物可更多地被截留，滤池截污量增加。但同时为保证水质，需要增加 滤层厚度。粒径越细，需要的层厚越小。但太细的滤料将导致滤层很快堵塞。大 2 0 大降低滤层含污量及缩短过滤周期。对上向流来说，滤料粒径太小还可能上层细 滤料流化，滤速难以提高。 h u z a n 认为，经絮凝后弱的絮体穿透深度与滤料粒径的三次方成正比，强的 絮体穿透深度与滤料粒径的二次方成正比。s t a n l e y 所导出的公式为： 胙掣( 2 - - 2 2 ) ， 式中j 卜常数； c 卜一有效粒径( m m ) ： 一滤速( 加仑分英尺2 ) ； 卜穿透深度( 英尺) ； 卜穿过，的水头损失。 从力学特性讲，滤料截留悬浮物依靠的是颗粒间的范德华力，库仑力和表面 张力。这些力使悬浮物迁移并被吸附。但同时过滤水力、水流在滤层中的流动与 滤料颗粒间的水流剪力则具有使被截留吸附在滤料颗粒表面的悬浮物剥落的可 能，并同时产生水头损失。滤料粒径增大，过水通道尺度加大，过滤水流阻力减 弱，水头损失增长将得以延缓，其结果达到特定终止水头损失的过滤周期得以延 缓，产水量得到增加。 公式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 清楚地表明了粒径、空隙率和水头损失之间的关系。 由此可见，在实际工程中，在达到预期水质的前提下，应尽量选用适宜的粗粒径 滤料。 从理论上来说，滤料对悬浮物的截留能力来自滤料所提供的表面积的吸附作 用。在过滤过程中滤料所提供的颗粒表面积越大，对水中悬浮物的附着力越强。 单位面积滤层所提供的表面积数学表达式为：。 s ：皇! 堕三( 2 _ 2 3 ) l f ，d 式中卜滤层表面积： s 一滤层空隙度： _ 一滤层厚度； 一滤料球形度； 砰一滤料粒径。 从上式可以看出，随着滤料粒径加大，滤层所提供的表面积变小。其结果必 然会降低过滤能力。而要抵消滤料粒径加大对过滤效果带来的负作用则必须增加 滤层厚度。 另外，从( 2 5 ) 式可知，为了达到一定的过滤效率，即达到一定的预期的 水质要求，增加滤料粒径必须增加滤层厚度，以抵消增加滤料粒径对过滤效率下 降的不利影响。 事实上，( 2 5 ) 、( 2 2 3 ) 式表明，在其他条件一定的情况下，滤料粒径和 层厚对过滤性能的影响即表现为坩对过滤性能的影响。从技术角度讲，喇值越 大，其滤层表面积及过滤效率都将越大。而综合经济因素，工程中应以最小埘值 满足提供最低量值的滤料表面积达到预期的过滤出水水质的要求。在实践中，选 用优良的颗粒级配与适宜的滤层厚度正是保证过滤效果的关键。因此l d 受到滤层 设计人员的日益重视。 我国城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划提出：“为保证水质，滤层 深度与粒径比应大于8 0 0 ”。在其子课题改善过滤效能中指出：“运用l d 。 8 0 0 判别式判断分析滤池滤料级配的合理性或比较其优越性”，其中d 。指滤料颗粒 几何平均粒径。而美国( i n t e r g r a t e dd e s i g no f w a ( e r t r e a l m c n tf a c i l i t i e s 一书指出： “普通单层砂滤池或双层滤料滤池w 1 0 0 0 ，1 5 m m d 1 0 m 的单层滤料滤池 m 1 2 5 0 ”其中d 为滤层有效粒径。 上向流过滤是水经过滤料层由下而上流动，只有当滤料层中的水头损失小于 2 2 单位面积上的滤料在水中的重量时，砂层才能在上升水流中保持稳定。显然