滤池冲洗最佳膨胀率的探讨

1、滤池冲洗最正确膨胀率的讨论摘要：本文从颗粒材料水力学的根本概念出发，提出了均匀颗粒砂层的冲洗功率，推导出其计算式，求得了冲洗均匀颗粒砂层时，使孔隙比为0.74将有最大冲洗功率。关键词：滤池冲洗最正确膨胀率一般消费滤池采用非均匀砂层。计算其最正确膨胀率应使截泥最大的表层砂获得最大冲洗功率，即孔隙比到达0.74，从而取各层的平均值。可求得某一砂层的最正确膨胀率为52%，而粒径较大的砂层那么可小些。建议设计滤池冲洗水强度时，以表层砂孔隙比到达0.74为准。快滤池用于公共给水，约有一百多年的历史，但是设计和运行多半凭经历，而其中滤池冲洗强度及最正确膨胀率为国内外研究滤池的重要课题。本文从颗粒材料水力学

2、的观点出发，提出滤池冲洗时，冲洗水所提供的冲洗功，从而求得滤层最正确孔隙比及最正确膨胀比率，以与国内外同行讨论。一、滤层冲洗时水力学流态冲洗水由下而上流经滤层时，本质上是一种反向过滤，开场为砂层逐步膨胀，污浊水开场流出的挤压出流阶段；当冲洗水到达一定流速后，滤层膨胀，砂粒悬浮于水中，处于一种不停地运动的动平衡状态，即到达固定膨胀阶段，此时砂粒外表被水流冲刷，砂粒之间互相碰撞，小颗粒在上面，大颗粒在下面。冲洗水流速愈大，滤层膨胀率愈大。上升流速对于均匀颗粒砂层.HHH曾得出流速v与滤层孔隙比的关系式。Re=Pvd/6(1-)a(1)n=P3d/LPv26(1-)a(2)通过实验求得：n=A/Re

3、0.7(3)式中：a砂粒形状系数砂为1，煤为1.31P水的密度(g/3)d粒径()水的粘滞系数g/s砂层孔隙比P/L单位厚度砂层水压降g/2s2A常数砂层3.73，煤层5.90那么平移和旋转运动，砂粒被冲洗清洁，此外无其他能量来源。从这一冲洗功率可以算出水流的时均流速梯度G(13)单位时间内，单位体积悬浮砂层砂粒之间的碰撞次数为|N|=4/3N2Gd3(14)注此式仅适用于层流流态。滤池冲洗时水的流态属过渡区，故此式不适用。然而作为定性地说明问题也还是可以的，与本文的论点及数学推导无关。可见最大功率赋予冲洗中的砂层以最大的冲洗流速梯度及砂粒之间的碰撞次数，无疑将有最好的冲洗效果。最正确孔隙比对

4、应于一个最正确砂层孔隙比，将有一个最大冲洗功率，并由以下条件决定。ds/d=0(15)-0.458+1.313(1-)=0(15)因之最正确孔隙比p=0.741(16)与之相应的最大冲洗功率s=73700d1.313(17)当d=0.0343时，冲洗功率，随孔隙比变化的曲线见以以下图。二、最正确膨胀比率假设砂层的原有孔隙比0=0.40，那么均匀颗粒滤层冲洗时的最正确膨胀率应为：Ep=e100=-0/1-100=0.74-0.40/1-0.74=130%(18)一般消费滤池都采用非均匀颗粒滤层，最正确膨胀率应按砂层组成，分层计算而加和之。p=p=100p=0-0/1-dP%(19)或Ep=1-0

5、/1-1P1(19)式：P1砂层组成百分率1砂层孔隙比按照滤池外表1015的砂层截泥最大这一普遍现象，冲洗时，外表砂层的砂粒或者说最小砂粒，应使其膨胀后孔隙比到达0.74，即到达最正确数值。非均匀砂层膨胀后，最小粒径砂层孔隙比到达0.74时，整个砂层的膨胀率为最正确膨胀率，使最小粒径d的砂层孔隙比到达0.74的冲洗水流速，可按(5)式计算，而在同一冲洗流速下不同粒径砂层孔隙比亦可因之而求得。从(5)式d1.312.31/(1-)0.54=d1.312.31/(1-)0.54(20)在同一冲洗流速v=1.52/s(15.2L/S2)下，两不均匀颗粒滤层膨胀后的孔隙比，膨胀比e，冲洗功率，时均流速

6、梯度G，砂粒碰撞数N见下表。从下表可见，粒径小的滤层，最正确膨胀率为51.8%。粒径大的滤层，最正确膨胀率为40.5%。砂层组成决定最正确膨胀率大于、等于或小于50%。使最小粒径砂层孔隙比到达0.74有决定性意义，建议设计滤池冲池强度以此为准。三、讨论和推论1.冲洗时间截留于一个单位体积滤层的泥量为，对于膨胀滤层单位体积截泥比exp为exp=/1+e=1-/1-0式中：截泥比，截泥体积和砂层体积之比。e砂层膨胀比。显然，冲洗功应与截泥量成正比：=st=Fv/Nt=k(1-)/(1-0)(21)式中：t冲洗时间(s)k比例常数，随水，水中悬浮物和砂粒三者的物理化学特性而定。它的大小表示水中悬浮物

7、与砂粒结合的结实程度，结合力的大小，并受到所用混凝剂、助凝剂的性质及剂量的影响。T=/(1-0)k(1-)Fv/N(22)将(12)式代入(22)式并乘以(5)式，将以外各参数合并为B，可得Q=vt=B(23)Q为单位面积砂层冲洗用水量，与砂层膨胀后的孔隙比成正比见前图。表层孔隙比愈大，冲洗用水愈多，孔隙比超过0.74，冲洗水量增加，冲洗功率反减少。从经济角度看0.74是上限，下限视(22)式中k值的大小来决定。应在选定冲洗强度下，使表层砂冲洗清洁所需时间为决定冲洗时间。如冲洗前表层砂的截泥比，通过试验，按(22)式可求得k值。2.滤池池型滤池截留水中悬浮物，从上到下砂层截泥逐渐减少。下部没有

8、能发挥其净水作用，而冲洗砂层时，冲洗水对它所作的冲洗功率却很大，这是普通滤池存在的一个矛盾。双向滤池，双层滤池，反滤滤池在不同程度上解决了这一矛盾。但必须使底部砂层充分悬浮，这是易于忽略的。其原因可能是反向滤池底层和双向滤池下层下易冲洗清洁的缘故。本文所讨论的理论对无烟煤滤池或双层滤池也是适用的。滤层冲洗水力学计算表粒径d()小于此粒径的砂粒%孔隙比膨胀比e冲洗水流速v(/s)冲洗功率sg/s3速度梯度GS-1单位时间砂拉碰撞次数|N|备注粒径小的滤层012.5882110029733223.810322.2103d10=0.0391360166036940718.810315.0103d50=0.0722060251045550212.11038.58103d60=0.0850.0900307033805545815.81030K=2.18100.0平均0.518平均2000粒径大的滤层014.31100130033236922.210318.8103d10=0.047166020