（环境科学专业论文）粗滤料反粒度过滤技术及其在饮用水处理中的应用研究.pdf

c o a r s em e d i ar e v e r s eg r a i nf i l t r a t i o nt e c h n i q u ea n di t s a p p l i c a t i o nt od r i n k i n gw a t e r t r e a t m e n t a b s t r a c t f i l t r a t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n i q u ef o rw a t e rt r e a t m e n t s i n c et h er e v e r s e g r a i nf i l t r a t i o nc a no v e r c o m em o s to ft h ep r o b l e m so ft h et r a d i t i o nd o w n s t r e a m f i l t r a t i o ni nt h e o r y ，i th a sb e e nb e l i e v e dt ob eal o n gt e r mp o t e n t i a lw a t e r f i l t r a t i o n h o w e v e r ，t h e r eh a sb e e nn o to b v i o u se v o l u t i o nf o rt h i st e c h n i q u eb o t h i nt h e o r ya n da p p l i c a t i o n b a s e do np r e v i o u sr e s u l t s ，t h i ss t u d yh a sm a d ea d e t a i l e di n v e s t i g a t i o nt ot h i st e c h n i q u ea n dh a ss o l v e dm o s to ft h ep r o b l e m so f t h er e v e r s eg r a i nf i l t r a t i o nu s i n gt h em e t h o do fi n c r e a s i n gt h eg r a i ns i z ea n d c h a n g i n gt h eg r a i np r o p o r t i o nw i t hd i f f e r e n ts i z e so ft h ef i l t e rm e d i u mt h r o u g h l a b o r a t o r ys i m u l a t i o na n di ns i t up r o d u c t i o nt e s t s t h ec o n c e p to fc o a r s em e d i a r e v e r s eg r a i nf i l t r a t i o na n di t s t e c h n i q u ep a r a m e t e r sh a sb e e ns u g g e s t e d t h e r e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h e r ea r es o m ei m p o r t a n ta d v a n t a g e so ft h ec o a r s em e d i a r e v e r s eg r a i nf i l t r a t i o no v e rt r a d i t i o nd o w n s t r e a mf i l t r a t i o n s ，s u c ha sal a r g e r a c c e p t e dc a p a b i l i t yf o rp o l l u t a n t ，al a r g e ra m o u n to f w a t e rp r o d u c t i o n ，as t r o n g e r r e v e r s ew a s h i n gi n t e n s i t y ，al o n g e rw o r k i n gp e r i o d ，ac l e a r e rw a s h i n go ff i l t e r m e d i u m ，a n das i g n i f i c a n ts a v i n go fi n v e s t m e n t u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h e c o a r s e q u a r t z s a n df i l t e rm e d i u mw i t hag r a i ns i z eo fo 6 3 1 6 0 m mo r 0 7 1 2 0 0 m ma n dat h i c k n e s so f8 2 8 5c m a n dat u r b i d i t yo f3 0n t uf o r f i l t r a t i n gw a t e r ，ag o o dt r e a t m e n tr e s u l th a sb e e no b t a i n e d ：a n 16m ha v e r a g e f i l t r a t i o ns p e e d ，al e s st h a n1 n t ut u r b i d i t yf o rf i l t r a t e dw a t e r ，a n da14 - 2 4hl o n g f i l t r a t i o nc y c l e ，a n da no v e r9 0 r e m o v a lf o rs u s p e n dg r a i n ，o r g a n i cm a t t e r ， b a c t e r i u ma n dc o l i f o r mg r o u p i t sf i l t r a t i o ns p e e di s1 5t i m eo ft h en o r m a lf a s t f i l t e rc e l l ，b u ti t ss i z eh a sr e d u c e dt o2 3 t h ec o a r s em e d i ar e v e r s eg r a i n f i l t r a t i o n t e c h n i q u e h a sw i d e a p p l i c a t i o n t on o t o n l y n e ww a t e r p l a n t s r e c o n s t r u c t i o n ，o l d e rw a t e rp l a n ta l t e r a t i o n ，b u ta l s ot o t r e a t m e n to fs o m e s o u r c ew a t e r sh i g h l yp o l l u t e db yi r o n ，m a n g a n e s eo ro r g a n i cm a t t e r k e y w o r d ：c o a r s em e d i a ，r e v e r s eg r a i nf i l t r a t i o n ，w a t e rt r e a t m e n t l 绪论 1 1 前言 过滤是水处理特别是生活饮用水处理中不可缺少的一环。自从水处理技术 发明以来，水处理工作者一直孜孜不倦地追求与研究着高效优质的水处理技术 - 5 ”。在二十世纪六十年代和七十年代，水处理技术中的混凝技术、沉淀技术有 较大的突破，而过滤技术却处在停滞不前的状态1 。然而，无论是生活饮用水 还是废水的深度处理，都必须过滤。迄今为止，国内大多数滤池采用砂滤，且 多为下向流的传统水流形式。对滤层中同一种滤料而言，这种过滤方式，由于 表层滤料粒径最小，其粘附比表面积最大，截流悬浮物最多，而滤料表层颗粒 之间的孔隙是整个滤层中最小的。因此在过滤到一定时间后，表层滤料孔隙逐 渐被堵塞，而下层滤料的截污能力却远未被充分利用，使得过滤效果受到很大 影响。为了充分利用滤料的截污能力，早在2 0 世纪五十年代就有人提出反粒度 过滤的思路“。 ，即水流由下向上，水由粒级大的滤料部位( 孔隙也大) 流入， 由粒级小的滤粒部位( 孔隙也小) 流出，使滤层吸附表面积得以最大限度的被 利用，从而改善水处理效果。 从理论上讲，单一滤料的反粒度过滤即上向流过滤，与传统下向流过滤相 比，明显有如下两点优点：( 1 ) 由于水流是从滤料孔隙大的滤池下层进入，滤 层堵塞慢，滤料阻力小，因此滤料层的阻力损失小，滤速可以增大，从而单位 面积的滤池出水量大，滤池投资可以减少：( 2 ) 由于滤层的截污能力较充分地 被利用，因此每一个冲洗周期的产水量大，滤池的冲洗自用水率减小，故经营 费省。 虽然反粒度过滤技术具有上述优点，显示是一种有前景的过滤技术，但直到 2 0 世纪8 0 年代中期国内外“反粒度过滤技术”在理论与应用上并未取得明显 成就，主要问题是： ( 1 ) 滤料不易冲洗干净。由于污泥主要是截留在下层滤料的孔隙中，大量 污泥在冲洗时要通过整个滤层才能排出，冲洗水和过滤水水流方向又是一致的， 因此影响冲洗效果。 ( 2 ) 当滤速过高时，会使滤层流态化，从而限制了高速反冲洗的应用。 直到二一l - 世纪八十年代末，反粒度过滤才有明显进展。湖南大学土木工程 学院吴光春教授改变思路，丌始采用粗石英砂滤料进行上向流反粒度过滤，在 定程度上解决了反粒度过滤的反冲洗与滤层流态化等闯题。从而提出粗滤料 反粒度过滤( 本文简称粗反过滤) ，并在生产上得到了一定应用【5 l 。 本人自2 0 世纪8 0 年代开始师从吴光春教授，是“粗反过滤”课题组的核 心成员。在十几年的研究与实践中，吴光春教授带领我们获取了大量研究与生 产实验数据，为粗反过滤理论打下了基础。然而，“粗反过滤”这门新兴过滤技 术仍有许多理论与生产问题值得研究与探索。本研究在导师吴光春教授多年来 从事“粗滤料反粒度过滤”技术的研究基础上，在吴光春教授和宋之光教授的 悉心指导下，一方面对早期资料与数据进行了总结与提炼，另一方面进一步对 “萃h 反过滤”尚未完善解决的问题作了深入与系统研究，对粗反过滤的过滤过 程从理论模型至实际应用进行了详细的研究，目的是在理论上有创新，在应用 上有突破，对“粗反过滤”进行了全面系统总结，并撰写成本论文。 本章在对过滤技术及反粒度过滤技术研究历史与现状总结的基础上，提出 了奉研究的主要研究内容与技术思路，并对取得的创新性成果作了简要介绍。 1 2 研究背景 1 2 1 过滤技术的发展 世界上最古老、最原始的水过滤设备是用滤水布袋，它是在公元前4 6 0 3 5 4 1 - p j 山希波克拉底( h i p p o c r a t e s ) 推荐的，叫“希波克拉底布袋”。1 8 世纪末至 1 9 世纪仞，世界上普遍采用了慢滤( s l o ws a n df i l t r a t i o n ) 技术雌】。它的过滤机理 是在滤层的表面形成一层生物滤膜。在滤速极端低的情况下，这种生物滤膜能 拦截吸附待滤水中的悬浮物、细菌和病毒，出水水质十分优良，甚至可以直接 饮f i f ! 。这种慢滤池在我雹武汉、湘潭也曾使用过。然而，“漫滤”是它的致命弱 点，所谓“慢”是待滤水通过滤膜( 即滤层) 的速度极慢，只有0 1 0 o 3 0 m h ， 不能满足用水量迅速增长的需要，且占地太多。1 8 8 5 年美国人研究发明了快滤 池”2 i 。自此，快滤池逐步取代了低效的慢滤池。目前普遍采用的快滤技术有普 2 通快滤池、虹吸滤池、无阀滤池、“v ”型滤池等多种形式，在世界上得到了广 泛的使用降”1 。而慢滤池在少数地广人稀、较发达的资本主义国家仍在应用。由 于这些过滤均是下向流，为与粗反过滤相区别，本文统称为传统过滤技术。 1 2 2 传统“下向流过滤”所存在的弊端 采用快滤技术的普通快滤池、虹吸滤池、“v ”型滤池等快滤池在运行过程 中存在着不少弊端“”。下面对这一问题作一简单介绍。 目前广泛采用的“快滤”技术的工艺过程是：待滤水从滤床的表层细滤料 进，从底层粗滤料出，即所谓的下向流“正向过滤”。“下向流过滤”存在着明 显的弊端。就拿粒径为o 5 1 2l n y f l ，厚7 0 0m i l l 的常规滤床来说，生产实践和 实验均证明这样的滤床只有表层1 0 0m m 左右的细粒径滤层能有效地截留待滤水 中的悬浮物，这部份滤料的重量约占整个滤床重量的1 0 。这部份滤料的平均 粒径被命名为“有效粒径d ，。”。表层细滤料粒径小，由它们所组成的滤层孔隙 直径亦小，很快就被悬浮物堵塞，整个滤床水头损失上升很快。随着过滤时间 的延续，表层细滤料截污逐步达到饱和，待滤水中的悬浮杂质移向下层较粗滤 料。这就是在生产和实验中，清洁滤床( 反冲洗后刚投入运行的滤床) 在刚开 始运行的一段时间内出水浊度极低，甚至为0 n t u ，随着过滤的进行截污量越 来越多的表层细滤料，孔隙越来越小，孔隙流速越来越大( 等速过滤) ，整个滤 床的水头损失亦越来越大。这时待滤水中的杂质大量移向下层粗滤料。由于下 层滤料粒径粗，孔隙直径大，细小的杂质很难被其截留而穿透整个滤床，故滤 后水浊度逐步升高。当表层细滤截污达到饱和，大量杂质穿透整个滤床时，出 水水质恶化，此时水头损失也达到了期终水头损失值，一个过滤周期结束。这 种“下向流过滤”滤床中占9 0 的粗和较粗的滤料没有充分发挥其截污作用， 整个滤床截污量有限，一般1 m ，的滤料截污只有3 k g 左右。整个滤床过滤周期 短，只有8 1 2 h ；滤速低，只有8 1 0 m h ；水头损失大，达1 6 0 2 0 0 m 。由 于表层大量截污，若反冲洗强度不够，冲洗不干净和冲洗废水排除不彻底，表 层容易形成泥毯，这会导致过滤起始水头损失大，若泥毯受力不均匀而产生裂 缝，待溏水从裂缝中穿透滤床，导致出水水质恶化，等等这些问题使传统过滤 技术在应用上受到限制。不仅增加成本，尤其是目前人们对生活饮用水质量和 数量要求不断增长的条件下，已难以满足生产的要求。 l 。2 3国外反粒度过滤技术的研究 水处理专家们不断地探索新的、高效优质的过滤技术。岩崎、s t e i n t “i 、 s h e k h t m a n t ”1 等人对快速过滤理论进行了大量的研究，得出了共同的结论：“杂 质在过滤层中的穿透深度是时间的函数，合理而有效的过滤方法是待滤水先经 过粗滤料，再经过细滤料的过滤。”i v i e s i ”1 亦认为：“目前采用的下向流过滤方 式，因反冲洗后造成滤料粒径从上至下逐渐增大的滤层结构是最不合理的。为 了改善水质又充分发挥整个滤床的截污作用，待滤水应该是先粗后细的过滤方 式。”这就是最早的“反粒度过滤”的概念i q 。 在单一石英砂滤层中待滤水从底层粗滤料进，从表层细滤料出的“上向流” 过滤是最适于上述“反粒度过滤”理论的过滤方式。作为上述过滤理论的应用， b a y l i s t “i 首先在处理含铁量高的地下水方面获得较好应用效果，但它存在滤层膨 胀及局部配水不均匀而产生杂质穿透现象，给反冲洗带来困难，这问题在后 来的应用与研究中也被揭示，并成为反粒度过滤应用的主要问题。为了解决滤 层膨胀的问题，水处理工作者进行了大量的研究，采用的解决方法有如下几种： ( 1 )“挡砂栅”的设置 日本、英国和前苏联有些学者在滤层表面设置用金属丝编织的“挡砂栅”( 图 1 - 1 ) 。但挡砂栅并未完全解决过滤时因上向流过滤滤速过高表层细滤料的膨胀 的问题。戈登认为：“即便应用了具有阻截作用的隔网或者用深层滤床，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”。加之挡砂栅给反冲洗带来不便，所以没有获得广泛的推 广应用。 4 图1 1 带挡砂栅的上向流滤池图 ( 1 、进水管2 、反冲洗水管3 、出水管4 、配水管 5 、档砂棚6 、上部砂层7 、下部砂层8 、承托层) ( 2 )仿反粒度过滤的多层滤料滤池 为了获得“反粒度过滤”的优良效果，同时又解决过滤时滤层膨胀的问题， 提出了采用三层或双层滤料进行“下向流”过滤1 6 2 】。三层滤料滤池滤层的组成 是：底层用重质细粒的磁铁矿或其它类似物质；中层用石英砂，它的比重小于 磁铁矿，粒径大于磁铁矿：顶层则采用质轻粒粗的无烟媒。这样待滤水从表层 粒径粗的无烟煤进，从底层粒径小磁铁矿出，能基本上获得反粒度过滤的效果。 但在筛选每一种滤料的时候，不可能使其粒径均一而颗颗相等。由于反冲洗的 结果，每一层( 即每一种) 滤料粒径的组成，仍是上细下粗，待滤水在每一层 滤料中的过滤，仍是传统的下向流过滤，仍克服不了“下向流过滤”的缺点。 而且反冲洗时极易造成相邻两种不同滤料层之间的“混床”和轻质滤料的流失。 双层滤料是由煤和石英砂组成，情况与三层滤料滤池完全一样。多层滤料滤池 七十和八十年代在我国曾使用，由于以上弊端而被淘汰【6 2 1 。 ( 3 ) 重质滤料的采用 山本隆雄认为，对于一定粒度的滤料，由于水与滤料的比重差，上向流过 滤的滤速是有一定界限的【礴】。因此，如果所选用滤料的比重比砂大，那么就可 以实现普通砂滤池所不能达到的高滤速。然而山本隆雄只局限采用0 5 1 2 m m 的常规石英砂滤料，他们在采用石英砂滤料作反粒度过滤失败的原因正在此处。 其后，山本又采用精炼铁铬合金时产生的一种矿渣作滤料，其比重为3 4 ，所用 最小粒径为l m m ，滤层厚2 1 5 0 m m 。滤层上仍设挡砂栅，其上向流速可达4 0 m h 。 然而过深的滤床给反冲洗带来了极大的不便与困难1 6 9 - ；, o 。由于所需要的反冲洗 强度非常大，反冲洗耗水量亦非常大，且难冲洗彻底，故深床重质滤料“反粒 度过滤”也没有获得推广应用。 ( 4 ) a k x 滤池 前苏联研制出双向流滤池，亦叫a k x 滤池( 见图l 一2 ) 。它在集水管的上 部压一个下向流快滤池来阻挡上向流滤池滤床的膨胀。这种滤池存在着明显的 技术问题。 图1 2 双向流滤池构造示意图 ( 1 待滤水管2 排水管3 清水出水管4 待滤水管 5 反冲水管6 排水槽7 滤床8 集水管9 配水管) 戈登认为双向流滤池存在着一个固有的局限性，使用它不能用来作为生产 出水质量高的设备。首先来研究单一滤料的双向流滤池，它的最细滤料放在处 于上半部的下向流过滤滤床的顶部，起不到上向流过滤出水保护层的作用。其 滤出水不会超过普通快滤池的水质：而处于下半部“反粒度过滤”滤料的粒径是 由粗到细的，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，因此无法由一定粒度的细滤料所组成的水质保护层，显然滤出的水比上 部普通快滤池出水水质还要差。由此不难看出双向流滤池出水水质比普通快滤 池差。二十世纪五十年代初株洲市自来水公司使用过双向流滤池，因滤层反冲 洗不干净，垫层大量积泥并发臭和上述原因而被拆除。 ( 5 )煤砂双层滤料双向流滤池 它是针对双向流单层滤料滤池的缺点而研制的，其构造形式与a k x 滤池完 全相同，只是在集水管的上部铺的是无烟煤。但仍解决不了下层石英砂滤床表 层砂粒径太粗、其厚度受到限制、出水水质差等问题，也没有得到推广应用。 ( 6 )k o 型反粒度过滤池 k o 型反粒度过滤池的技术思路是滤床的稳定性不只是单靠滤料在水中的 重量，还可采用从滤床中适当的砂层内抽取清水的办法来实现，集水管上部的 滤砂不起过滤作用，只起稳定下部滤床的作用( 图1 3 ) 。但它在生产实践中被 工作周期短所限制，滤速只有1 0 m h ，同样承受不了高反冲洗强度的冲洗，故也 未能得到推广应用。 图1 - 3k o 型反粒度过滤池构造示意图 ( 1 、待滤水管2 、反冲洗水管3 、清水集水管4 、清水出水管 5 、反冲排水槽6 、反冲洗排水管7 、滤床8 、配水系统) 7 1 2 4 我国“上向流过滤”的研究与应用情况 借鉴国外有关反粒度过滤技术，我国在天津市、湖南的吉首市和株洲市等 城市的自来水厂采用过“上向流过滤”技术。但均因上述同样的原因，运行没 多久，被迫停产。下面以天津市芥园水厂为例加以说明。 天津市芥园水厂上向流过滤池的主要技术参数列于表l ，1 。芥园水厂是将原 普通快滤池改造为上向流过滤的。开始运行时，效果还可以，但运行一段时间 后，出现水质变差，过滤速度变慢，反冲洗时间延长，过滤周期变短等问题。 后经分析是由于滤料最小粒径偏小，承受不了高滤速和大的反冲洗强度。该滤 池运转两年后因存在垫层积泥现象较严重，后来因无解决办法而停产。浪费了 大量人力与财力。 表l 一1 芥园水厂上向流滤池主要技术参数 进水浊 石英砂滤料卵石垫层出水浊度滤速 度 厚度厚度 粒径( m m )粒径( m i l l )n r un t um h ( m m )( r a m ) 0 5 0 1 0 07 0 02 ，3 24 0 01 0 1 556 8 根据这些情况，国内有专家对“反粒度过滤”持悲观态度，认为反粒度过 滤为了避免出现滤层的流态化现象，滤速必须 1 1 0 m m 范围，计算值大于实测值这一结果说明在实际工程应用中，利用式 ( 2 2 ) 来估算最小粒径4 1 1 0 m m 之滤料的极限滤速是可行的。 2 4 2 5 反粒度过滤对水的浊度去除 2 5 1 反粒度过滤对较高浊度水的试验 本研究曾两次采用湘江原水作实验。实验结果见表2 1 0 ，2 “，2 1 2 ，2 1 3 。可 见，对于浊度3 0 0 4 5 0 n t u 的水，滤后水浊度在1 - 1 0 n t u ，对进水浊度为1 0 0 1 6 0 n t u 的较高浊度的水直接过滤，效果良好，浊度般在5 n t u 。这说明粗反过滤对于原水 浊度在2 0 0 n t u 以下时，完全可以进行直接过滤。 目前国内大多数自来水厂沉淀池的出水浊度在1 0 n t u 以下，如果采用“粗滤料 反粒度过溏”技术进行过滤，滤速可稳定在1 2 1 4 m h ，出水浊度可稳定在0 n t l , j 。 2 。5 2 对一般浊度水的试验 这里所谓一般浊度水系指待滤水的浊度在2 0 5 0 n t u 之间。本研究在实验室所进 行的研究试验长时间是对这样的原水浊度进行的。实验时间长达9 个月，在整个试 验过程中对“低”温水( 水温低于1 0 。c ) 、中温度的水( 水温在1 0 2 0 c 之间) 和“高” 温水( 水温在2 0 以上) 的过滤状况和各种投砚量进行了试验，试验是成功的，结 果见表2 1 4 。有如下两种情况需提及： ( 1 ) 十一月二十日所做的实验最成功，过滤周期长达1 2 小时，平均滤速高达 1 3 8 4 m h ，进水平均浊度3 3 n t u ，出水平均浊度只有o 7 0 n t u ，滤层期终水头 损失只有6 7 4 c m ，滤层期终含泥量高选8 ，7 k g m 3 , 远大于正向过滤期终滤层 的含泥量( 正向过滤一般为3 k g m 3 左右) ，这说明粗反过滤具有很大的应用 潜力，但要达至这种较好的工作状态，有大量研究要做。 ( 2 ) 水温对过滤有较大影响。十一月二十七号以后，水温己降至1 0 * c 左右：十二 月十七日至二月二十八日水温只有7 c 左右。在这段时间内，由于水温低，水 的粘度大，待滤水对滤层的冲涮厉害，虽然此时投矾量已增至9 m g l 左右，但 过滤效果仍不见得好。这段时间内平均滤速不算低( 2 0 4 3 m h ) ，但过滤周期 只有3 5 小时左右( 见附表2 - 1 4 ) 。根据经验，水流短流冲刷，导致杂质过早 穿透滤层而使出水不合格，是过滤周期不长的症结所在。四月七f j i 以后水温 逐渐上舟，而过滤周期亦随即延长。 袁2 一1 0在长沙二水厂用粗反过滤处理商浊度水测试结果表 序 试验 水p h投矾量 进水流量滤速原水浊度沉淀出水 滤后水浊度 号时间温值( n t u ) ( m 3 时) ( m 时) ( n t u ) 浊度t u ) ( n t u ) ( ) l 1 0 ：0 06 73 0 61 6 6 86 5 04 5 03 0 21 0 ：3 06 73 0 61 6 6 86 5 04 5 03 0 31 i ：3 06 72 5 21 3 6 66 5 04 5 0 3 0 41 1 ：4 06 70 2 0 1 l _ 6 86 5 04 5 02 o 51 1 ：5 06 70 3 4 1 2 4 56 5 04 5 0 1 0 61 2 ：1 06 7 2 6 61 4 ，1 56 5 04 5 05 o 7 1 2 ：4 0 6 7 2 5 21 3 6 06 5 04 5 0l o o 81 4 ：o o6 7l - 4 47 6 66 5 04 5 01 o 9t 4 ：3 06 71 3 77 2 76 5 04 5 0o 5 1 01 6 ：0 06 71 0 8 5 7 46 5 04 5 00 5 平均2 2 31 1 9 66 5 04 5 02 9 ( 测试日期2 0 0 2 年6 月2 5 日，气候晴，实验装置：净水器，滤料粒径0 8 2 o 岫，厚8 0 0 m ) 表2 一l l 在艮沙二水厂用粗反过滤处理高浊度水测试结果表 序试验时水p h投矾量 进水流量滤速原水浊度沉淀出水滤后水浊度 号 间温 值饼t u )( m 3 帅( m h )烈t u ) 浊度( n t u ) ( n t u ) r ) 18 ：5 06 74 8 2 62 3 4 1 2 4 5 9 6 03 0 0 02 o 29 ：3 06 74 8 2 61 0 8 5 了49 6 0 3 0 0 01 0 31 0 ：0 06 7 4 8 2 61 4 87 ，8 49 6 03 0 0 02 0 41 0 ：5 06 74 8 2 61 4 47 6 69 5 03 0 0 ，01 0 5l l ：1 06 7 4 8 2 61 9 81 0 5 19 6 03 0 0 0 1 0 61 2 ：1 06 75 7 1 81 9 8 1 0 5 1 9 6 03 0 0 01 o 71 3 ：0 06 75 7 1 81 9 81 0 5 11 t o o3 0 0 04 o 81 5 ：0 06 75 7 1 81 4 47 6 61 1 0 03 0 0 03 0 91 6 ：4 06 、75 9 7 71 4 47 6 61 1 0 03 0 0 04 o 1 01 7 ：4 06 75 9 7 71 6 28 6 01 1 0 02 5 0 04 0 1 l 1 8 ：4 05 9 7 71 0 28 6 01 2 0 02 5 0 04 0 1 21 9 ：4 05 9 7 7l 4 47 6 61 2 0 02 5 0 06 o 1 32 0 ：4 06 5 1 11 4 47 6 61 2 0 02 5 0 o8 o 平均5 5 1 61 6 48 7 01 0 5 8 52 8 4 63 1 5 ( 测试日期2 0 0 2 年6 月2 8 日，气候阴，实验装置：净水器，滤料粒径，0 8 2 0 ”，8 0 “) 2 6 滤层的水头损失的研究 快滤池( 包括多层滤料滤池) 的过滤水头高达1 8 0 3 2 0 米n7 “7 ”，而“粗反过 滤”总过滤水头一般不超过1 。2 米 5 8 。6 0 】。本文在实验中测得滤层中最大水头损失只有 1 0 0 m ( 表2 - 1 4 ) 。在如此低的水头作用下亦能获得过滤周期长达2 0 h 以上良好效果。 过滤水头低和滤层中水头损失增长缓慢，有利于滤后水水质的稳定，同时使滤池深 度降低，减少了基建投资和长年电耗。“粗滤料反粒度过滤”过滤水头之所以很低， 主要原因是整个滤层截污分布均匀，面整个滤床中的水头损失从下至上变化缓漫。 下向流快滤池主要是表层5 1 0 c m 厚的细滤料截污，其期终截污量占整个滤床 截污量的8 5 左右，一个周期的总水头损失大量消耗在表层，且增长迅速。表层滤 料粒径小( 一般为o 5 0 m m ) ，孔隙直径小，大量纳污的结果使表层滤料孔隙率急剧下 降，水头损失猛增。要维持一定的滤速( 等速过滤) 和一定的过滤周期，必须不断增 大过滤永头，虹吸滤池和无阀滤池的工作倩况就是如此 3 j 否则就让过滤永头维持 定值，使孔隙流速逐渐减小，实行减速过滤，这是下向流“普通快滤池”的工况。 由于表层细滤料大量截污，水头损失大部分消耗在表层滤料中，实验证明：过滤6 小时后，消耗在表层的水头损失值达到整个滤层水头损失的5 0 。 “上向流反粒度过滤”情况完全相反，水头损失在滤床中分布均匀，单位滤层 中的水头损失( 水力梯度) 很小。以实测的一个周期为例：滤层厚8 4 5 e r a ，期终水 头损失是1 0 0 c m ，其水力梯度为1 0 0 8 4 5 = 1 1 8 ，只相当于普通快滤池水力梯度下限值 1 5 0 7 0 = 2 1 4 的一半左右。由此可见，其水头损失增长非常缓慢。这一点可以从水头 损失增长与时间的关系曲线中可看出( 见图2 - 1 0 ) 。 十 过 滤 水 头 损 失 的 增 i 蠡 酋 一 过澹总水掣损失 。皿) 一过漓 时间h ) 曲型 t 歹 避箩 t ， v ， 掣陟 ，r rr ，1 7 乒 h b 。 、 、7 ， 0 024681 01 21 41 6l e 2 0 过滤时间( h ) 图2 1 0 粗反过滤水头损失随时间变化的曲线图 从图2 1 0 中可见，在整个过滤周期内，水头损失的增长分为五个阶段，每个阶 段的k 值大小不一，每个阶段的交界点都表示滤层中杂质呈层状向上推移的转折点。 第四个阶段水头损失增长较快，这说明杂质在此段时间内向表层迁移的较多：第五 阶段，杂质层再度上移，其穿透速度加快，此时的滤速亦接近最低滤速，这预示着 这个过滤周期将要结束，此时整个滤床水头损失的增长减慢。表2 1 5 是周期结束时 滤层中各层水头损失的分布情况，图2 1 l 是滤层厚度与水头损失关系曲线，从中可见 “反粒度上向流过滤”滤层截污的均匀性与水头损失在滤层中分布的均匀性的一致 性。 表2 1 5 粗反过滤滤层中各层水头损失的分布情况 滤层厚度 ( c m ) 51 01 52 02 53 0罄4 04 55 05 5国6 s乃乃舯8 蟮 ( 下一上) 水头损失 2 4 9 1 鼯 1 6 l 1 2 2 8 3 5 8 4 84 0 3 32 92 32 32 32 , 02 0 3 02 5 ( c m ) 附注( 1 ) ：滤床厚8 4 5 c m ，总水头损失1 1 8 m 立 虑 托一 共 一、 j _ ， n j 、| 、 lc ji 三三。兰5 二_ nj 54 04 5 暑nj 5b ne 气7 07 暑| _ ：j 暑 滤层厚度( e r a ) 图2 一l1 滤层厚度与水头损失的关系曲线图 “粗反过滤”滤层的极限水头损失、水头损失增长速度和起始水头损失均受滤 层厚度的影响。滤层水头损失增长速度受其影响更大，滤层越厚，水头损失增长越 快，故在保证稳定的出水水质和应有的滤速的前提下，一个恰到好处的滤层厚度是 非常重要的。不要过分地增加滤层的厚度，因为这并不会使过滤的整个经济效益提 高多少，反而会增加滤池的深度。本研究得出的最佳滤层厚度是：采用石英砂作滤 料。当滤料的粒径为0 7 1 2 0 m m ，最理想的滤层厚度为7 0 0 m m 9 0 0 m m 。 2 7 “粗滤料反粒度过滤”截污规律的探讨 前已述及下向流快滤池的致命弱点是表层1 0 c m 左右厚的细滤料大量截污，而 8 5 以上的滤料截污作用没有很好的发挥，导致整个滤层截污量少，水头损失增长 快，过滤周期短。这是由于整个滤床的孔隙直径从上至下逐渐增大，而待滤水中粒 径大的杂质易被表层细滤料所截留，但能穿过表层的细小杂质不易被下层孔隙直径 大的粗滤料所截留。为了保障水质，防止杂质过早地穿透整个滤床，只好降低滤速。 表层大量截污、含污量在整个滤层中分布极不均匀的现象是“下向流过滤”所无法 克服的致命弱点。“粗石英砂滤料上向流过滤”从根本上解决了这个问题。“粗石英 砂滤料上向流过滤”中8 0 c m 厚的滤层几乎有7 0 c m 参与截污，只有表层1 0 c m 厚左 右的滤层截污现象不明显，也可以说基本上不截污( 从实验装置有机玻璃滤筒观察 这一现象是一目了然的) ，它起着水质保护层的良好作用，这使“粗石英砂滤料上向 流过滤”在一个周期内的出水最高浊度不会超过2 n t u ，整个周期内出水平均浊度 在1 n t u 左右( 图2 - 1 2 ) 。截污在整个滤床中的分布保持着底层粗滤料截污量大，逐 渐而有规律地向上层均匀递减。当起始滤速合适、进水浊度适宜，期终滤层截污量 可达1 5 k g m 3 左右，这较普通快滤池期终截污量只有3 o k g m a 左右来说要优越得多。 表2 1 6 和图2 - 1 3 是某个周期的滤层截污规律及相应各点水头损失增长规律的对照分 析曲线。可见，水头增值在顶部大，后部小。这样有利于过滤，保证较长的过滤周 期。 表2 1 6 漉层含污量与各对应点水头损失的增值 滤层位置( c m l 61 62 63 64 65 66 67 6 ( 上一下) 滤层含污量( k g m 3 ) 3 9 4 82 9 8 91 5 9 91 0 _ 3 37 8 96 0 84 2 93 9 8 滤层水头增值( c m ) 6 4 2 03 2 6 01 5 1 07 9 04 0 02 4 01 0 0o 8 0 蒡 墨 蓉 j 遵7 _ 飞 ， 菩i 冀 鸯 | 一 f ， h谢对(益河薛赫滑龌日潍姗一浠薄河zk一 盎凸凸 邑8镑 镩骂譬睇譬蹬糌8培睛 骂 蹬萌 瞳醴 墨 s8$8曰 昌 8昂8曰8s品 曰 8鲁8昌8舄s 舟 pi oppppp妒 pp nn婶np卜p话 瞄 瞄祜 器 暑宕；墨葛心= 冉 潜瞄骂甚蹿 巴 g磊 瞄葛 时 瞄99s 。9蟑 ； 蜀 若 _一印印归5巴s 雪娄 岛 爿躅岛岛瞄q 驾 圈 譬 鞋簖8 甚 毁岛爿 参瞽 罄骞sf 8四 鸯岛叠赛 盎 舟叁鬯辨 譬譬 墨 莹蓠篱 。 c 丌 。 ppprrorpr 一严rrr 一rp_尸p盎pp 童簧蓦 高接8昂茜 蹬嚣8赔8融 8霹5 8 盘嚣 长8瞎葛 h 苷_高墨蜀昂警茹 茹 葛 每曾釜苗苷 5 ； 高 ； 曷 葛 墨 誊囊 鲁8露爿留葛譬 翻霉葫避b雹8田矗葛 弓8回_ 融 垃 碍 融站咕鹧 瞄霉 甚 瞽瞽邕昂 葛 蜀8瞽8譬 譬篡 g凸避暑对爿岂岂哥8疆 a j 萄_8 8凸8凸h 器 爿 若 高爿 声 爿爿 毋日 盟b留 鸯 娼 爿舞 园 霪蓁冀 c nq 卜q叫叫q啮q。 罱 a曲 曲p 葛 o 墓蘸 c 丌 i a l 。 c n钥 暑一p卢 户研 一 研印卢p产印p卢 卢p卢卢p 耄蠢 g8 8甚8瞄 翱翳与咕 驾 国盎留盎若 国苦葛留 宝 隅；蜀 蹿瞽拂魑瞳 翻 辩鳖鹧瞽 邕譬 蔓嚣 留 日8盎 园jg蹬 8乌毒窜 踣 8 盎 鼯 昂 昂$蹄彗盆 臼芎 b 瞽 咎 时脯 嚣羲囊 铺g 甚鞲a 甚 nb卜明。 p 器 辨 8骂砖 器 习叠习图 站驾 奎莽翼 _ 山 hq吣 q 盎 铭8 篝 f 8瞠 辫 时8嚣鹞时瞽 匿 莹蘸| 垂 oo a。t i n。 誊翌墓 婶np妒聋nn_ppppn8 藕蠢 镑茁8高盎蠕 g ；舞 高盘鲁暑 g g印 第吕 蜀p印 s 。9器 并 9 。，印 暑 莹藤蠢 斟 _电 艘 曲稻 咎5 i誉蹬 缔轺如 们 8 g j8 8矗爿 咕母 一 宝2 p三 宝 宝 ppp三pp三 宝三 宝 ppp三op 童蓁 忑 王暑玉 忑 玉暮 富 暑王富富玉 王 王 王暑蠢 皇 f - 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