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水質(zhì)工程學(xué)（Ⅰ）

第5章

過濾1講授內(nèi)容：過濾機理、過濾水力學(xué)、濾料和承托層、濾池沖洗、幾種常見的濾池形式及工作過程和特點。計劃學(xué)時：10學(xué)時學(xué)習(xí)重點：等速過濾、變速過濾；沖洗強度、膨脹度；大、小阻力配水系統(tǒng)參考教材：給水處理理論——許保玖主編課后作業(yè)：習(xí)題庫、構(gòu)筑物單體設(shè)計命題檢索235.1過濾概述概念

在水處理過程中，過濾一般是指以石英砂等粒狀濾料層截留水中懸浮雜質(zhì)，從而使水獲得澄清的工藝過程。濾池通常置于沉淀池或澄清池之后，進水濁度一般小于15度，濾出水濁度必須達到生活飲用水水質(zhì)標準。過濾出水的濁度不超過3mg/l(新標準不超過1mg/l)。

當原水濁度較低（小于100度），且水質(zhì)較好時，也可采用原水直接過濾。45過濾的功效：1）不僅進一步降低水的濁度，而且水中有機物、細菌乃至病毒等將隨濁度的降低而被除去。

2）殘留于濾后水中的細菌、病毒等失去渾濁物的保護或依附時，在濾后消毒過程中也將容易被殺滅，為濾后消毒創(chuàng)造了良好條件。作為生活飲用水，過濾是不可缺少的，它是保證飲用水衛(wèi)生安全的重要措施。6

慢濾池：很少使用

雙層為適應(yīng)濾層中雜質(zhì)截留規(guī)律以發(fā)濾池形式普通快濾池多層濾料濾池：揮濾料層截留雜質(zhì)能力發(fā)

均質(zhì)濾料V型濾池減少濾池閥門

虹吸濾池,無閥濾池、移動沖洗罩濾池：過濾原理一樣，基本工作過程也相同，即過濾和沖洗交錯進行。7濾池形式慢濾池：占地面積大，運行成本低，在農(nóng)飲水工程中受重視，世衛(wèi)組織向發(fā)展中國家推薦飲用水處理技術(shù)快濾池：壓力過濾器：多用于工業(yè)水處理、應(yīng)急供水、小型供水普通快濾池改進雙層濾料濾池多層濾料濾池均質(zhì)濾料濾池虹吸濾池無閥濾池移動罩濾池8慢濾池

濾速慢：V＝0.1-0.3m/h

表面生長一層濾膜（1－2個星期后）效果：濁度可降到0，可不消毒。機理：微生物吞食細菌微生物分泌出起凝聚作用的酶藻類產(chǎn)生氧氣，起氧化作用。但生產(chǎn)效率低，1－3月后堵塞，需刮掉濾膜，重新補砂。910

慢濾池是最早出現(xiàn)的用于水處理的過濾設(shè)備，能有效地去除水的色度、嗅和味，由于慢濾池占地面積大、操作麻煩、寒冷季節(jié)時其表層容易冰凍，在城鎮(zhèn)水廠中使用的慢濾池逐漸被快濾池所代替。適用的進水條件出水水質(zhì)細菌的去除效率顆粒物去除效率濁度10ntu以下；總大腸菌類10～1000個/100mL；藻類不太多；10000人以下的給水處理小于1.0ntu總大腸菌類<1個/100mL細菌總數(shù)99%能去除逗號弧菌(Vibriocomma)2.7～7

m99%7～12m99.9%較大顆粒99%～99.9%11快濾池條件：濾速10m/h

必須先投加混凝劑作用：去除濁度，出水濁度<5度，同時可去除一部分細菌、病毒

12快濾池構(gòu)造圖13組成：集水渠 洗砂排水渠 濾料層 承托層 配水系統(tǒng)管廊：渾水進水管清水出水管沖洗來水沖洗排水 四大閥門（至少）初濾水過濾過程：最大過濾水頭損失1.5－2m工作周期：沖洗結(jié)束至下次過濾開始＝12~24h14工作過程由過濾與反沖洗兩部分組成。（p128）從過濾開始到?jīng)_洗結(jié)束的一段時間稱為快濾池工作周期，從過濾開始至過濾結(jié)束稱為過濾周期?？鞛V池的產(chǎn)水量決定于濾速（以m/h計）濾速相當于濾池負荷，并不是水在濾層空隙中的真實流速。濾池負荷以單位時間、單位過濾面積上的過濾水量計，單位為m3/h·m2。15快濾池的出水水質(zhì)變化快濾池的出水濁度在過濾過程中是不斷變化的。（p134，第二版P140）濾層成熟期—初濾水，濁度高，反沖洗殘留水（原因），30min有效過濾期—水質(zhì)符合要求，連續(xù)產(chǎn)水濁度泄露—出水濁度超過要求值，需進行反沖洗165.2過濾理論一、過濾去除懸浮物機理以單層砂濾池為例。其濾料粒徑為0.5～1.2mm，厚度為70cm，經(jīng)反沖洗水力篩分后濾料粒徑自上而下由細到粗依次排列。濾池孔隙尺寸也因此由上而下逐漸增大。表層0.5mm細濾料，其空隙尺寸為80um，而進入濾池的雜質(zhì)顆粒尺寸大部分小于30um，仍被濾層截留下來，而且在濾層深處（空隙大于80um）也會被截留，說明過濾顯然不單是機械篩濾作用的結(jié)果，過濾主要是懸浮顆粒與濾料顆粒之間粘附作用的結(jié)果。17過濾的兩個過程水流中的懸浮顆粒能夠粘附于濾料顆粒表面上，涉及兩個問題：第一、被水流攜帶的顆粒如何與濾料表面接近或接觸，這就涉及顆粒脫離水流流線而向濾料表面靠近的迂移機理。第二、當顆粒與濾料表面接觸或接近時，依靠哪些力的作用使它們粘附于濾粒表面上，這就涉及粘附機理。18（一）迂移機理

在過濾過程中，濾層孔隙中的水流一般為層流狀態(tài)，被水流攜帶的顆粒將隨著水流的流線運動，它之所以會脫離流線而與濾粒表面接近，完全是一種物理力學(xué)作用，一般認為由以下幾種作用引起：1、攔截：顆粒尺寸較大時，處于流線中的顆粒會直接碰到濾料表面產(chǎn)生攔截作用。2、沉淀：顆粒沉速較大時，會在重力作用下脫離流線，產(chǎn)生沉淀作用。3、慣性：顆粒具有較大慣性時也可以脫離流線與濾料表面接觸，為慣性作用。4、擴散：顆粒較小，布朗運動劇烈時會擴散至濾料表面，為擴散作用。5、水動力作用：非球體顆粒由于在速度梯度作用下，會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動而脫離流線與濾粒表面接觸。

對于這幾種力的大小，目前只能定性描述?？赡軒追N機理同時存在，也可能只有其中某些機理起作用。19

（二）粘附機理粘附作用是一種物理化學(xué)作用，當水中顆粒迂移到濾料表面上時，則在范德華引力和靜電相互作用下，以及某些化學(xué)鍵和某些特殊的化學(xué)吸附力下，被粘附于濾料顆粒表面上，或者粘附在濾料表面原先粘附的顆粒上。此外，某些絮凝顆粒的架橋作用也存在。粘附過程與澄清池中的泥渣所起的粘附作用基本類似，不同的是濾料為固定介質(zhì)，排列緊密，效果更好。因此粘附作用主要決定于濾料和水中顆粒的表面物理化學(xué)性質(zhì)，而無需增大顆粒尺寸。粘附力的來源，其相對數(shù)值及作用范圍，至今仍是個有待研究的復(fù)雜問題。20雜質(zhì)在濾層中分布規(guī)律雜質(zhì)穿透深度：過濾時，從濾層表面以下某一深度所取水樣恰好符合過濾水水質(zhì)要求時，該深度稱作雜質(zhì)穿透深度。濾層含污能力：過濾周期結(jié)束時，整個濾層單位體積濾料中所截留的雜質(zhì)重量。單位：kg/m3問題：為使濾層含污能力較大，濾料的雜質(zhì)穿透深度是大好，還是小好?21與顆粒粘附的同時，還存在由于孔隙中水流剪力作用而導(dǎo)致顆粒從濾料表面上脫落趨勢。粘附力與水流剪力的相對大小，決定了顆粒粘附和脫落的程度。過濾初期，濾料較干凈，孔隙率較大，水流剪力較小，因而粘附作用優(yōu)勢，隨著過濾時間的增加，濾層中雜質(zhì)顆粒逐漸增多，孔隙率逐漸減小，水流剪力逐漸增大，以致最后粘附的顆粒將首先脫落下來?；蛘咚鲾y帶的顆粒將不再有粘附現(xiàn)象。于是懸浮顆粒便向下層推移，下層濾料作用逐漸得到發(fā)揮。22在過濾中，當下層濾料截留懸浮顆粒的作用還未得到充分發(fā)揮時，過濾就得停止。原因：表層濾料粒徑最小，粘附表面積最大，截留懸浮顆粒量最多，而空隙尺寸又最小，因而，過濾到一定時間后，表層濾料間孔隙將逐漸被堵塞，甚至產(chǎn)生篩濾作用而形成泥膜，使過濾阻力劇增。其結(jié)果；1）在一定過濾水頭下濾速劇減（或在一定濾速下水頭損失達到極限值）；2）或者因濾層表面受力不均勻而使泥膜產(chǎn)生裂縫時，大量水流將自裂縫中流出，以致懸浮雜質(zhì)穿出濾層而使出水水質(zhì)惡化。當上述兩種情況之一出現(xiàn)時，過濾將被迫停止。23可見，大量顆粒被表面濾料所截留。在過濾過程中，濾層中懸浮顆粒截留量隨著過濾時間和濾層深度而變化的規(guī)律，以及由此而導(dǎo)致的水頭損失變化規(guī)律，與原水進水水質(zhì)、水溫、濾速、濾料粒徑、形狀、懸浮物表面性質(zhì)等因素有關(guān)，影響因素非常復(fù)雜。2425提高濾池性能的途徑單層砂濾池的嚴重缺點是截留在濾層中的雜質(zhì)分布不均勻，表層最多，越向下越少，以致表面水頭損失增加很快，過濾周期明顯縮短。其原因為濾料粒徑分布按水流方向逐漸增大所致。單層濾料運行中，濾料砂粒的大小沿池深的分布（反沖洗后，上小下大，為什么？）水力分級對過濾的不利影響（濾層納污能力不等--上部孔隙小，納污能力??；水流通過上部濾層阻力比下部大）由此出現(xiàn)“反粒度”過濾，即過濾水流先經(jīng)過粗粒濾料，再依次流過粒度更小的濾料，則1）濾層雜質(zhì)分布將趨于均勻；2）濾層含污能力提高。濾層含污能力是指過濾周期結(jié)束后時，整個濾層單位體積濾料中所截留的雜質(zhì)量，以kg/m3計或g/cm3計；3）濾層中水頭損失的增加將會減緩；4）過濾周期將可延長。含污能力大，表明整個濾層所發(fā)揮的作用大。26

基于“反粒度”過濾概念，出現(xiàn)以下幾種過濾方式：雙層及多層濾料濾池雙層及多層濾料，其濾池構(gòu)造和過濾方式與普通單層濾池無多大差別，只是濾料組成改變。（1）雙層濾料組成：上層采用比重小，粒徑大的輕質(zhì)濾料，如無煙煤；下層采用比重大，粒徑小的重質(zhì)濾料，如石英砂；由于兩種濾料的比重差，在一定的反沖洗強度下，輕質(zhì)濾料仍在上層，重質(zhì)濾料仍在下層，構(gòu)成雙層濾料濾池，雖然每層濾料粒徑仍由上而下遞增，但就整個濾層而言上層濾料平均粒徑大于下層平均粒徑。實踐證明，雙層濾料含污能力較單層濾料約高一倍以上，在相同濾速下，過濾周期延長；在相同過濾周期下，濾速可提高，27（2）多層濾料組成：多層濾料一般指三層濾料，上層為大粒徑、小比重的輕質(zhì)濾料，如無煙煤；中層為中等粒徑，中等比重的濾料，如石英砂；下層為小粒徑、大比重的重質(zhì)濾料，如石榴石或磁鐵砂。各層濾料平均粒徑由上而下遞減。三層濾料不僅含污能力大，且下層重質(zhì)濾料對保證濾后出水有很大作用，故濾速比雙層濾料還可靠些。28（3）均質(zhì)濾料：指沿整個濾層深度方向的任意橫斷面上，濾料組成和平均粒徑均勻一致。要做到這一點，必要條件是反沖洗時濾料層不能膨脹?？刹捎脷狻⑺礇_洗工藝。其含污能力也大于上細下粗的級配濾層。2930直接過濾原水不經(jīng)沉淀而直接進入濾池稱為“直接過濾”，它充分體現(xiàn)了濾層特別是深層濾料中的接觸凝聚或絮凝的作用。

加藥接觸過濾：過濾直接過濾有兩種方式加藥

微絮凝過濾：微絮凝過濾31兩種過濾方式，其機理基本相同，即通過脫穩(wěn)顆?；蛭⑿趿Ｅc濾料的充分碰撞接觸和粘附，被濾層截留下來。濾料也是接觸凝聚介質(zhì)，不過前者不宜控制微絮粒尺寸，后者可以加以控制。32微絮凝池與絮凝池的區(qū)別：

微絮凝池：要求形成的絮凝體尺寸較小，便于深入濾層深處以提高濾層含污能力；絮凝時間較短，一般在幾分鐘之內(nèi)。

絮凝池：要求絮凝體尺寸愈大愈好，以便在沉淀池內(nèi)下沉。33采用直接過濾工藝需注意以下幾點：（1）、原水濁度和色度較低且水質(zhì)變化較小；（2）、通常采用雙層、三層或均質(zhì)資料；（3）、原水進入濾池前，應(yīng)為微絮凝體。有時需投加高分子助凝劑。（4）、濾速應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)決定。濾速應(yīng)低，一般在5m/h左右。直接過濾可用于處理湖泊、水庫水等低濁度水，也適用于處理低溫低濁水。34二、過濾水力學(xué)研究內(nèi)容在過濾過程中，濾層中懸浮顆粒的量不斷增加，必然導(dǎo)致過濾過程中水力條件的改變。過濾水力學(xué)所闡述的即是過濾時水流通過濾層的水頭損失變化及濾速的變化。35研究水頭損失的意義：可以以此判斷和確定過濾周期?？赏ㄟ^一定流量下的最大允許水頭損失，確定濾池周期。思考：a能夠通過無限制提高濾層上水位，而克服水頭損失，避免反沖洗嗎？b當過濾時間很長，但水頭損失仍然不大時，是否可以不必反沖。36清潔濾層的水頭損失卡曼——康悉尼計算公式（Carman——Kozony)式中：h0—表示水頭損失（cm）；

—水的運動粘度(cm3/s)；

g—重力加速度(cm/s2)；

m0—濾料孔隙度

d0—與濾料體積相同的球體直徑(cm)；

l0—濾層厚度(cm)；

v—濾速(cm/s)—濾料顆粒球度系數(shù)。實際濾層是非均勻濾料。計算非均勻濾層水頭損失，可分成若干層，則各層水頭損失之和為整個濾層總水頭損失。要求：知道清潔濾層水頭損失的影響因素。注意：該公式不能用來計算非清潔濾層的水頭損失，但可以用來定性分析。37水頭損失的內(nèi)容（下頁圖）Ht=H0+h+△HtH0—清潔濾層水頭損失h—濾池系統(tǒng)除濾層外的總水頭損失△Ht—t時刻濾層的水頭損失增量思考：h都包括哪些部分？？配水系統(tǒng)、承托層及管（渠）水頭損失之和

等速過濾中水頭損失變化3839隨著過濾時間的延長，濾層中截留的懸浮物量逐漸增多，濾層孔隙率逐漸減小，由上式可知，當濾料粒徑（di）、性狀（φ）、濾層級配（pi）和厚度（l0）以及水溫（ν）一定時，如果孔隙率減小，1）則在水頭損失保持不變的條件下，將引起濾速的減小。2）反之，在濾速保持不變時，將引起水頭損失的增加。這樣就產(chǎn)生了等速過濾和變速過濾兩種過濾方式。40濾池過濾方式1等速過濾（看下頁圖）(1)變水位等速：自由入流（為什么），消除負水頭可能，但增加了濾池深度，普通濾池、虹吸濾池、重力式無閥濾池和壓力濾池屬于此種(2)常水位等速：池水位由與濾出水閥門相聯(lián)的浮筒控制，當濾層堵塞時，濾出水閥門逐漸開啟，使水位與濾速不變。4142432變速過濾等速過濾的不妥之處：當濾層阻力逐漸增大時，濾速仍保持不變，而水在濾料孔隙中的真實流動速度逐漸增加，可能將已經(jīng)粘附在濾料上的懸浮固體沖刷下來（穿透濾層），使水質(zhì)下降。4445（四）變速過濾與等速過濾的比較：克里斯比等人在對減速過濾進行了較深入的研究后認為，與等速過濾相比較，1）在平均濾速相同的情況下，減速過濾的濾后水質(zhì)較好；2）在相同過濾周期內(nèi)，過濾水頭損失也較小。其原因為：a、過濾初期，濾層比較清潔，濾層孔隙率較大，雖然濾速較高，但孔隙中流速并非按濾速增高倍數(shù)而增大，濾層截污能力較強，濾速適當提高是允許的。b、過濾后期，濾層內(nèi)截留雜質(zhì)較多，截污能力減小、為防止雜質(zhì)穿透濾層而惡化濾后水質(zhì)，降低濾速是適宜的，并且因濾層孔隙率減小，孔隙流速未必過多減小。因此，過濾初期，濾速較大可使懸浮雜質(zhì)深入下層濾料；過濾后期濾速減小，可防止懸浮顆粒穿透濾層。等速過濾則不具備這種自然調(diào)節(jié)功能。46濾層中的負水頭在過濾過程中，當濾層截留了大量雜質(zhì)以致砂面以下某一深度處的水頭損失超過該處水壓時，便出現(xiàn)負水現(xiàn)象。由于上層濾料截留雜質(zhì)最多，故負水頭往往出現(xiàn)在上層濾料中4748負水頭危害及避免措施負水頭會導(dǎo)致溶解于水中的氣體釋放出來而形成氣囊。氣囊對過濾破壞作用。1）減少有效過濾面積，使過濾時的水頭損失及濾速增加，嚴重時會破壞濾后水質(zhì)；2）氣囊會穿過濾層上升，有可能把部分細濾料或輕質(zhì)濾料帶出，破壞濾層結(jié)構(gòu)。反沖洗時，氣囊更易將濾料帶出濾池。避免負水頭的措施：1）增加砂面以上水深；2）或令濾池出水位置等于或高于濾層表面。虹吸濾池和無閥濾池，所以不會出現(xiàn)負水頭現(xiàn)象即是這個原因。49濾池的最佳工況水質(zhì)周期壓力周期505.3濾料和承托層一、濾料（一）對濾料的要求給水處理所用的濾料，必須符合以下的要求：

1.具有足夠的機械強度，以防沖洗時濾料產(chǎn)生嚴重磨損和破碎現(xiàn)象；

2.具有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性，不污染水質(zhì)；

3.不含有對人體健康和生產(chǎn)有害的物質(zhì)；

4.具有一定的顆粒級配和適當?shù)目紫堵省３Ｓ脼V料：石英砂、無煙煤、石榴石、磁鐵礦、陶粒（二）濾料粒徑級配濾料粒徑是指把濾料包圍在內(nèi)的一個假想的球體直徑，濾料級配是指濾料粒徑大小不同的顆粒所占比例，通常用一套不同孔徑的篩子進行篩分，以選取濾料51生產(chǎn)上采用的簡單方法是用孔徑分別為1.2mm和0.5mm兩種規(guī)格的篩子過篩，所得濾料粒徑便在0.5～1.2mm范圍內(nèi)，但不能反映濾料顆粒的均勻程度。通常以有效粒徑d10和不均勻系數(shù)k80作為濾料級配指標。d10表示通過濾料重量10%的篩孔孔徑，它反映濾料中細顆粒的尺寸；d80指通過濾料重量80％的篩孔孔徑，它反映粗顆粒的尺寸。不均勻系數(shù)，k80＝d80/d10，

k80愈大，濾料的粒徑愈不均勻。這對過濾和沖洗都很不到。因為過濾時濾層含污能力減少；反沖洗時為滿足粗顆粒膨脹要求，細顆?？赡鼙粵_出濾池；若反為滿足細顆粒膨脹要求，粗顆粒將得不到很好的清洗。k80﹤252濾料的篩選方法

取某天然河砂砂樣300g，洗凈后置于105oC恒溫箱中烘干，待冷卻后稱取100g，用一組篩子過篩，最后稱出留在篩子上的重量，作好記錄。5354根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)繪成曲線，從曲線上求得d10=0.4mm，

d80=1.34mm

，因此：

K80=1.34/0.4=3.37﹥2（不滿足要求）上述河砂不均勻系數(shù)較大。根據(jù)設(shè)計要求：d10=0.55mm,K80=2.0,則：d80=2×0.55=1.1mm，按此要求篩選濾料。55濾料孔隙率的測定取一定量的濾料，在105℃下烘干稱量，并用比重瓶測出密度，然后放入過濾筒中，用清水過濾一段時間后，按下式求出濾料空隙率m：

式中：G—濾料重量，g；

V—濾料層體積，cm3；

ρ—濾料重度，g/cm3；濾料層孔隙率與濾料顆粒形狀、均勻程度以及壓實程度有關(guān)。均勻粒徑和不規(guī)則形狀的濾料，孔隙率大。石英砂一般在0.42左右。56濾料形狀濾料形狀影響濾層水頭損失和濾層孔隙率。濾料形狀用球形度系數(shù)φ來反映。φ＝同體積球體表面積／顆粒實際表面積天然砂濾料的球度系數(shù)一般宜采用0.75～0.80。57濾料層的表面積單位體積的濾層中，空隙率m，粒徑d，濾料的體積（1-m）一顆顆粒體積：顆粒數(shù)：表面積：58雙層及多層濾料級配在選擇雙層濾料級配時，應(yīng)討論兩個問題：

1）如何預(yù)示不同種類濾料的相互混雜程度；

2）濾料混雜對過濾有何影響以石英砂為例（雙層），在鋪設(shè)濾料時，粒徑小重度大的砂粒位于濾池底部，而粒徑大、重度小的煤粒位于濾層上部，但在反沖洗后，可能出現(xiàn)三種情況：（如圖）1.分層正常，煤在上、砂在下；2.煤砂相互混雜，也可能部分混雜（在煤砂交界面上）也可能完全混雜；3.煤砂分層顛倒，既上層砂、下層煤。以上這種情況的出現(xiàn)，主要決定于煤砂的重度差、粒徑差，砂的粒徑級配、濾料的形狀、水溫及反沖洗強度。59（根據(jù)經(jīng)驗）最粗的無煙煤與最細的石英砂粒徑之比在3~4之間，可保持良好的分層狀態(tài)，但交界面處一定的混雜也是難免的。其混雜厚度在5cm左右。對過濾效果并無影響。濾料混雜時對過濾有何影響，有兩種觀點：

1.煤—砂交界面上適度混雜，可避免交界面上積聚過多雜質(zhì)而使水頭損失增加較快，故適度混雜是有宜的。

2..煤—砂交界面不應(yīng)有混雜現(xiàn)象，因為煤層起截留大量雜質(zhì)作用，砂層起精濾作用，而交界面分層清晰，起始水頭損失將較小。實際上，煤—砂交界面上不同程度的混雜是難免的，只要不大于5cm左右就可以。另外，選用無煙煤時，要考慮煤的流失問題，在生產(chǎn)上此問題較嚴重。60承托層

1、作用：1）防止濾料從配水系統(tǒng)中流失，

2）對均布沖洗水也有一定作用。2、單層或雙層濾料濾池采用大阻力配水系統(tǒng)時，承托層采用天然卵石或礫石，3、三層濾料濾池，由于下層濾料粒徑小而比重大，承托層必須與之適應(yīng)，即上層應(yīng)采用重質(zhì)砂石，以免反沖洗時承托層移動，4、如果采用小阻力配水系統(tǒng)，承托層可以不設(shè)，或者適當鋪設(shè)一些礫石，視配水系統(tǒng)具體情況而定。615.4快濾池的沖洗（p150）沖洗目的：清除濾料層中所截留的污物，使濾池恢復(fù)工作能力。沖洗方法：通常采用自下而上的反沖洗，快濾池沖洗方法有以下幾種：

1.高速水流反沖洗；

2.氣、水反沖洗；

3.表面助沖加高速水流反沖洗。

6263一、高速水流反沖洗高速水流自下向上沖洗時，濾料層便膨脹起來。截留與濾層中的污物，在濾層孔隙中的水流剪力作用下，以及在濾料顆粒碰撞摩擦作用下，從濾料表面脫落下來，然后被沖洗水流帶出濾池。1）水流剪力的作用：沖洗時（沖洗流速均勻分布），懸浮于上升水流中的濾料顆粒表面均包有一層水膜,阻止濾料顆粒相互接觸,只允許濾料再無表面摩擦作用下自由轉(zhuǎn)動,因此,濾料顆粒相互碰撞可以忽略不計。據(jù)此沖洗效果主要決定于濾層孔隙水流剪力。該剪力即與沖洗流速有關(guān)，又與濾層膨脹度有關(guān)。沖洗濾速過小，水流剪力??；沖洗流速過大，使濾層膨脹度過大，水流剪力又會降低。因此，沖洗流速應(yīng)控制適當。2）濾料顆粒碰撞摩擦作用：實際沖洗過程中，由于水流紊動性較大，濾層中孔隙流速不可能完全均勻，處于懸浮狀態(tài)下的濾料顆粒不可能只是轉(zhuǎn)動，部分濾料的不規(guī)則運動總會存在，因而，部分濾料顆粒的相互碰撞是無可避免的。從碰撞幾率考慮，沖洗流速過小，水流紊動性過小或沖洗流速過大，濾料顆粒過于離散時，同樣沖洗效果不好。因此，在當前實際采用的反沖洗流速和濾層膨脹度下，清除濾料表面污泥，除了水流剪力作用外，碰撞摩擦作用實際上也不應(yīng)忽視。64（一）沖洗強度、濾層膨脹度、沖洗時間1.沖洗強度q

單位面積濾層上所通過的沖洗流量稱為沖洗強度（q），是以cm/s計的反沖洗流速，換算成單位面積濾層所通過的沖洗流量，以L/s·m2計。1cm/s=10L/s·m22.濾層膨脹度（率）強大的水流自下而上反沖時，濾料層便逐漸膨脹起來，濾層膨脹后所增加的厚度與膨脹前之比，稱為濾層膨脹度。用公式表達：

L0—濾層膨脹前厚度，cm;L—濾層膨脹后的厚度，cm。由于濾層膨脹前、后單位面積上濾料體積不變，于是：上式變?yōu)椋?/p>

m0—濾層膨脹前孔隙率；m—濾層膨脹后孔隙率。65

e過小,下層濾料浮不起來；

e過大，因濾料顆粒較小，它們之間碰撞摩擦幾率減小，還會使上層濾料流失，丞托層發(fā)生移動。理想的e應(yīng)是截留雜質(zhì)的那部分濾料恰好完全膨脹起來為限，或者下層最大濾料顆粒剛剛開始浮起時為宜。根據(jù)經(jīng)驗，一般單層濾料（砂料）e采用45%左右，煤—砂雙層濾料取50%左右可取得良好效果。663.沖洗時間（沖洗歷時）

當q與e符合要求若沖洗時間不足，也可能清洗掉濾料表面污泥，同時，沖洗廢水也不能將污泥排盡，會導(dǎo)致污泥重返濾層。這樣長期下去濾層表面將形成泥膜。因此必須保證沖洗時間，生產(chǎn)中一般在實際操作時，主要看沖洗廢水的允許濁度來決定。一般生產(chǎn)中q、e、t根據(jù)濾層不同決定：67(二）沖洗強度與膨脹度的關(guān)系為了便于理解，首先假設(shè)濾料層的濾料是均勻的。對于均勻的濾料，沖洗時，如果濾料層未膨脹，則水流通過濾料層的水頭損失可用歐根公式計算：

m0—濾層孔隙度；L0—濾層厚度cm；

d0—濾料同體積球體直徑cm；

—濾料球度；

v—沖洗流速cm/s；h—水頭損失cm;—水的運動粘度cm2/s；g—重力加速度cm/s2。該式適用于層流區(qū)、過度區(qū)和紊流區(qū)。當濾層膨脹起來以后，處于懸浮狀態(tài)下的濾料對沖洗水流的阻力，等于它們在水中的重量（單位面積上）

式中：

s和分別表示濾料和水的密度，以g/cm3計，其余符號同前。上式也可表達為：68

當濾料粒徑、形狀、密度、濾層厚度和孔隙率以及水溫等已知時，繪制水頭損失和沖洗流速關(guān)系圖。

Vmf是反沖洗時濾料剛剛開始流態(tài)化的沖洗流速，稱“最小流態(tài)化沖洗流速”。當濾料粒徑、形狀和密度不同時，Vmf值也不同，粒徑大，Vmf大，反之亦然。當沖洗流速大于Vmf時，h不變，從上圖曲線可看出，但濾層懸浮起來了。69

每一個q都對應(yīng)一個膨脹率，可作一個膨脹曲線，在適用范圍內(nèi)基本是一條直線。70二、氣、水反沖洗優(yōu)點：

1.提高沖洗效果，節(jié)省沖洗水量。

2.沖洗時濾層可不膨脹或輕微膨脹，沖洗后濾層不產(chǎn)生或不明顯產(chǎn)生上細下粗現(xiàn)象?？杀３衷瓉頌V層結(jié)構(gòu)從而提高濾層含污能力。缺點：（與高速反沖洗相比）

1.增加氣沖設(shè)備，（鼓風機或空氣壓縮機和儲氣罐）

2.池子結(jié)構(gòu)和沖洗操作也較復(fù)雜。氣、水反沖效果：利用上升空氣氣泡的振動，可有效地將附著于濾料表面污物擦洗下來，使之懸浮于水中，然后再用水反沖把污物排除池外。因為氣泡能有效地使濾料表面污物破碎、脫落，故可大大地減小水沖強度，即可采用所謂的“低速反沖”。水沖強度大小，視操作方式不同而異。71氣水反沖方法有以下幾種：

1.先用氣沖，然后再用水沖；

2.先用氣水同時反沖，然后再用水沖。

3.先用空氣反沖，然后用氣—水同時反沖，最后用水反沖。其中以第3種方式效果最好，其次為第2種方式。一般氣沖強度（包括單獨氣沖和氣、水同時的氣沖強度）

q氣=10~20L/m2s

。水沖強度根據(jù)操作方式而異：氣水同時反沖時

q水=3~4L/m2s

單獨水沖時，有時采用低速反沖：q水=4~6L/m2s

有時采用高速反沖：q水=6~10L/m2s反沖洗歷時與操作方式有關(guān)，總的一般控制在t=6~10分鐘。72三、配水系統(tǒng)

功能：1.

過濾時收集過濾水；

2.反沖洗時均勻均勻分配反沖洗水。配水不均勻會造成：1）部分區(qū)域水量小，沖洗不凈2）部分區(qū)域水量大，沖動墊層設(shè)計主要是滿足反沖洗時的要求，由于沖洗流速遠大于過濾流速，當沖洗布水均勻時，過濾時集水均勻性自無問題。配水系統(tǒng)分為“大阻力”“小阻力”兩種，還有中阻力配水系統(tǒng)。73配水不均勻原因：a點的沖洗水頭Hx：

Hx＝S1a(qa

a)2+S2(

aqa)2+S3(

aqa)2+S4(

aqa)2＋流速水頭

S1：配水系統(tǒng)的阻力系數(shù)

S2：孔眼出水的阻力系數(shù)

S3：承托層的阻力系數(shù)

S4：濾料層的阻力系數(shù)

q：沖洗強度(L/(sm2))

同樣對于b點而言

Hx＝S1b(

bqb)2+S2(

bqb)2+S3(

bqb)2+S4(

bqb)2＋流速水頭

q最小/q最大

0.95-------達到均勻兩種途徑：1）增大孔眼出水水力阻抗---大阻力配水系統(tǒng)

2）降低配水系統(tǒng)水力阻抗---小阻力配水系統(tǒng)74二、配水系統(tǒng)類型1．大阻力配水系統(tǒng)使孔眼的水力阻力遠遠大于其它部分的水力阻力――增加孔眼流速（5－6m/s）

配水孔眼面積為濾池面積的1/500

開孔比?。?.2－0.25%特點：工作可靠、采用最廣、沖洗干凈但沖洗水頭要求高，需沖洗水箱或水泵一般為穿孔管大阻力配水系統(tǒng)。75大阻力配水系統(tǒng)762．小阻力配水系統(tǒng)減少配水系統(tǒng)阻抗S1

增大配水空間

配水系統(tǒng)流速降低

使孔眼處的壓力接近

相應(yīng)降低S2，增加開孔比1.0-1.5%。特點：配水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，沖洗水頭?。?m左右）適應(yīng)于面積小的濾池，其均勻性取決于開孔比77鋼筋混凝土穿孔板：板上鋪設(shè)一層或兩層尼龍網(wǎng)。造價低，孔口不易堵，配水均勻性好，強度高，耐腐蝕但尼龍網(wǎng)接縫應(yīng)接好，有時可鋪一層卵石。

78穿孔濾磚：

開孔比，上層1.07％，下層0.7%

下層連通起配水渠的作用，上層不連通。鋼筋混凝土或陶瓷制成。由于濾磚整體性，反沖時不易上浮，所需承托層厚度不大，配水均勻性較好，但價格高。7980復(fù)合氣水反沖洗濾磚：

可單獨用于水反沖，也可用于氣水反沖洗。上層開孔比：0.5-0.8%，斜面開孔比：1.2-1.5%。一般可用ABS工程塑料制成。加工精度易控制，安裝方便，配水均勻性好，但價格高。81濾頭：短柄濾頭用于單獨水沖洗濾池，長柄濾頭用于氣水反沖洗濾池。82小阻力配水系統(tǒng)與大阻力配水系統(tǒng)的比較：小阻力配水系統(tǒng)的主要缺點是配水均勻性較大阻力配水系統(tǒng)為差。因為它只是在配水系統(tǒng)壓力均勻性方面有了改善，而對其它影響因素卻不像大阻力配水系統(tǒng)那樣具有以巨大孔口阻力以控制的能力。例如，配水室內(nèi)壓力稍有不均勻，濾層阻力稍不均勻，濾板上孔口尺寸稍有差別或部分濾板稍受堵塞，配水均勻程度會敏感的反映出來。所以濾池面積較大者，不宜采用小阻力配水系統(tǒng)。83四、沖洗廢水的排除(p169)沖洗時，廢水由排水槽雙側(cè)溢入槽內(nèi)，各條槽內(nèi)的廢水匯集到排水渠，再由排水渠末端排水豎管排入下水道。

84（一）排水槽為達到及時、均勻地排除廢水，排水槽設(shè)計必須符合以下要求。1、沖洗廢水應(yīng)自由跌落進入排水槽，超高為7cm，否則槽內(nèi)水面和濾池水面造成一片，使沖洗均勻性受到影響。2、排水槽內(nèi)地廢水應(yīng)自由跌落進入廢水渠，以免干擾排水槽出流，引起壅水現(xiàn)象，為此，排水渠水面應(yīng)較排水槽底為低。3、每單位槽長的溢入流量應(yīng)相等。施工誤差限制在±2mm以內(nèi)。4、排水槽在平面上的總面積一般不大于濾池面積25％，否則，沖洗時槽與槽之間的水流上升流速過分增大，以致上升水流均勻性受到影響。5、槽與槽中心間距一般為1.5～2.0m，間距過大，水流進入排水槽的流線相差過遠，也會影響排水均勻性。6、排水槽高度要適當。槽口太高，廢水排除不凈，槽口太低，會使濾料流失，沖洗時，由于兩槽之間水流斷面縮小，流速增高，為避免沖走濾料，濾層膨脹面應(yīng)在槽底以下。85（二）排水渠排水渠的布置形式視濾池面積大小而定。一般情況下沿池壁一邊布置。當濾池面積很大時，排水渠也可布置在濾池中間以使排水均勻。排水渠為矩形斷面。渠底距排水槽底高度按下式計算式中：Q——濾池沖洗流量,m3/s；

B——渠寬,m；

q——沖洗強度,L/s.m2；

F——濾池面積，(m2)其中0.2m是保證排水槽排水暢通而使排水渠起端水面低于排水槽底的高度。86五、沖洗水的供給(P170)

水塔：造價較高，但操作簡單，允許較長時間內(nèi)向水塔輸水，專用水泵小，耗電較均勻，有地形利用，建造水塔較好。水泵：投資省，但操作較為麻煩，在沖洗底短時間內(nèi)耗電量大，電網(wǎng)負荷陡然驟增。87（一）沖洗水塔水塔水深≯3m，以免沖洗初期和末期的沖洗強度相差過大，水塔應(yīng)在沖洗間隔時間內(nèi)充滿，水塔容積按單格濾池沖洗水量的1.5倍計算。88（二）水泵沖洗水泵流量按沖洗強度和濾池面積計算：

Q泵=q.F

（L/s）895.5普通快濾池設(shè)計與計算一、設(shè)計濾速及濾池面積計算

設(shè)計濾速直接涉及過濾水質(zhì)、過濾周期、濾池造價及運行管理等一系列問題，應(yīng)根據(jù)具體情況綜合考慮。設(shè)計濾速的確定應(yīng)以保證過濾水質(zhì)為前提，同時考慮經(jīng)濟效果和運行管理，一般可參照條件相似的已有水廠的運行經(jīng)驗確定。（具體數(shù)值可參考設(shè)計）

強制濾速是指一個或兩個濾池停產(chǎn)檢修時，其它濾池在超過