第五章物理處理法5.1沉淀與氣浮5.1.1基礎(chǔ)理論（1）單個(gè)顆粒在水中的沉降單個(gè)顆粒在稀懸浮液中的沉淀，不受周?chē)w粒的影響，其沉降速度僅僅是液體性質(zhì)及顆粒本身特性的函數(shù)。任何一個(gè)靜水中的固體顆粒，都受到兩種基本力的作用，即重力Fg和浮力Ff。顆粒在水中的合力F為這兩種力之差，即： (5-1)式中：Vp——顆粒體積；ρp和ρl——分別為顆粒和水的密度；g——重力加速度。當(dāng)ρp>ρl時(shí)，F(xiàn)g>Ff，顆粒在合力F的作用下作加速下沉運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，顆粒便受到第三種力，即水的阻力的作用。根據(jù)因次分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，阻力Fd可按下式計(jì)算： (5-2)式中：Cd——牛頓無(wú)因次阻力系數(shù)；Ap——顆粒在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積；u——顆粒的沉降速度。顆粒在下沉運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，凈重F不變，而阻力Fd則隨沉速u(mài)的平方增大。因次，經(jīng)過(guò)某一短暫時(shí)間后，阻力Fd會(huì)增加到與凈重F相平衡，即Fd＝F。此時(shí)顆粒的加速度為零，沉速為常數(shù)。由此可以得到自由沉降的沉降速度表達(dá)式為： (5-3)設(shè)顆粒是直徑為d的球形顆粒，則有，帶入公式5-3，可以得到：(5-4)公式5-4稱(chēng)為牛頓定律，u稱(chēng)為單個(gè)顆粒的穩(wěn)定沉降速度或最終沉降速度。阻力系數(shù)Cd是顆粒沉降時(shí)周?chē)后w繞流的雷諾數(shù)Re的函數(shù)，二者的關(guān)系如圖5.1所示。根據(jù)雷諾數(shù)的大小，流態(tài)分為層流區(qū)（Stokes區(qū)，斯托克斯區(qū)）、過(guò)渡區(qū)（Allen區(qū)，艾倫區(qū)）和紊流區(qū)（Newton區(qū)，牛頓區(qū)）三個(gè)區(qū)域。在層流區(qū)和紊流區(qū)，阻力系數(shù)Cd和雷諾數(shù)Re呈線性關(guān)系：Stokes區(qū)（Re≤2）：Cd=24/ReNewton區(qū)（500<Re≤105）：Cd=0.4在過(guò)渡區(qū)則呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系：Allen區(qū)（2<Re≤500）：Cd=10/Re0.5另外，雷諾數(shù)。將雷諾數(shù)Re以及上述不同流態(tài)下的阻力系數(shù)Cd帶入公式5-4，即可得到固體顆粒在三種流態(tài)區(qū)域的穩(wěn)定沉降速度表達(dá)式：在Re≤2的層流區(qū)域，(5-5)在2<Re≤500的過(guò)渡區(qū)域，(5-6)在500<Re≤105的紊流區(qū)域，(5-7)公式5-5、5-6、5-7分別稱(chēng)為斯托克斯公式、艾倫公式以及牛頓公式。圖5.1阻力系數(shù)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系圖5.2理想平流沉淀池示意圖（2）理想沉淀池為了分析懸浮顆粒在沉淀池內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和沉淀效果，提出了理想沉淀池概念。理想沉淀池的假定條件是：水在池內(nèi)沿水平方向作等速流動(dòng)，水平流速為v，從入口到出口的流動(dòng)時(shí)間為t。在流入?yún)^(qū)，顆粒沿截面均勻分布并處于自由沉淀狀態(tài)，顆粒的水平分速等于水平流速v。顆粒沉到池底即認(rèn)為被去除。圖5.2是理想平流沉淀池示意圖。理想沉淀池分為流入?yún)^(qū)、流出區(qū)、沉淀區(qū)和污泥區(qū)。從點(diǎn)A進(jìn)入的顆粒，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡是水平流速v和顆粒沉速u(mài)的矢量和。這些顆粒中，必存在著某一粒徑的顆粒，其沉速為uo，剛巧能沉至池底。故可得關(guān)系式：(5-8)式中：uo——顆粒沉速；v——污水的水平流速，即顆粒的水平分速；H——沉淀區(qū)水深；L——沉淀區(qū)長(zhǎng)度。從圖5.2可知，沉速u(mài)tuo的顆粒，都可在D點(diǎn)前沉淀掉，可見(jiàn)軌跡Ⅰ所代表的顆粒。沉速u(mài)t<uo的那些顆粒，視其在流入?yún)^(qū)所處在的位置而定，若處在靠近水面處，則不能被去除，見(jiàn)軌跡Ⅱ?qū)嵕€所代表的顆粒；同樣的顆粒若處在靠近池底的位置，就能被去除，見(jiàn)軌跡Ⅱ虛線所代表的顆粒。若沉速u(mài)t<uo的顆粒的重量，占全部顆粒重量的dP%，可被沉淀去除的量應(yīng)為因h=utt，H=uot，所以，，積分得?？梢?jiàn)，沉速小于u0的顆粒被沉淀去除的量為。理想沉淀池總?cè)コ繛椋海?－Po）+，Po為沉速小于uo的顆粒占全部懸浮顆粒的重量百分?jǐn)?shù)。用去除率表示，可改寫(xiě)為：(5-9)如果處理水量為Q(m3/s)，沉淀池的寬度為B，水面面積為A=BL(m2)，故顆粒在池內(nèi)的沉淀時(shí)間為：t=(5-10)而沉淀池的容積為：V=Qt=HBL，因Q=，所以(5-11)的物理意義是：在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)沉淀池單位面積的流量，稱(chēng)為表面負(fù)荷或溢流率，量綱是m3/m2s或m3/m2h，也可簡(jiǎn)化為m/s和m/h。表面負(fù)荷的數(shù)值等于顆粒沉速。若需要去除的顆粒的沉速u(mài)o確定后，則沉淀池的表面負(fù)荷q值同時(shí)被確定。5.1.1.3氣浮理論氣浮法是固——液分離或液——液分離的一種方法，它是通過(guò)某種方式產(chǎn)生大量的微氣泡，使其與廢水中密度接近于水的固體或液體微粒粘附，形成密度小于水的氣浮體，在浮力的作用下，上浮至水面，進(jìn)行固——液或液——液分離。圖5.3不同懸浮顆粒與水的潤(rùn)濕氣浮過(guò)程包括氣泡產(chǎn)生，氣泡與固體（或液滴）附著以及上浮分離等連續(xù)步驟。實(shí)現(xiàn)氣浮法的必要條件有兩個(gè)：第一，必須向水中提供足夠數(shù)量的微細(xì)氣泡，氣泡理想尺寸為15~30μm；第二，必須使目的物呈懸浮狀態(tài)或具有疏水性性質(zhì)，從而附著于氣泡上浮升。圖5.3不同懸浮顆粒與水的潤(rùn)濕氣、液兩相接觸時(shí)，液體的表面張力使液體表層分子比內(nèi)部分子具有更多的能量。這種能量稱(chēng)為表面能或氣、液界面能。實(shí)際上，任何兩相之間都有界面張力和界面能。界面能和表面能一樣，都具有降低到最小的趨勢(shì)。細(xì)微氣泡具有巨大的表面能，是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。當(dāng)它們與懸浮粒子在水中相遇時(shí)，就彼此排開(kāi)對(duì)方的外層水膜，使氣泡內(nèi)膜緊靠粒子的疏水部位，并通過(guò)范德華引力發(fā)生粘附，以降低氣泡與粒子間的界面能。這種粘附能否實(shí)現(xiàn)，則取決于該種粒子的潤(rùn)濕性。氣泡能否與懸浮顆粒發(fā)生有效附著主要取決于顆粒的表面性質(zhì)。如果顆粒易被水潤(rùn)濕，則稱(chēng)該顆粒為親水性的，如顆粒不易被水潤(rùn)濕，則是疏水性的。顆粒的潤(rùn)濕性程度常用氣液固相間的接觸角的大小來(lái)解釋。在靜止?fàn)顟B(tài)下，當(dāng)氣、液、固三相接觸時(shí)，在氣-液界面張力線和固液界面張力線之間的夾角（對(duì)著液相的）稱(chēng)為平衡接觸角，用θ表示。θ＜900者為親水性物質(zhì)，θ＞900者為疏水性物質(zhì)（如圖5.3所示）。氣泡是否能附著在粒子上是氣浮處理成敗的關(guān)鍵。當(dāng)氣泡附著在固體顆粒上時(shí)，固－氣、固－水與水－氣三個(gè)界面間的表面張力γSG、γSL與γLG之間存在下列關(guān)系：(5-13)上式稱(chēng)為Young氏方程。Young氏方程給出固體顆粒附著在水－氣泡界面的條件，即γSG、γSL與γLG三個(gè)表面張力值間能形成一個(gè)大于90o的接觸角θ。不論物質(zhì)的潤(rùn)濕性如何，在三相接觸點(diǎn)上，三個(gè)界面總是處于平衡狀態(tài)，即：(5-14)當(dāng)氣泡與顆粒共存于水中時(shí)，在其附著前，單位界面面積上的界面能之和為，附著后，單位附著面積上的界面能相應(yīng)減小為，其界面能降低的數(shù)值為(5-15)將式5-14代入，整理得：(5-16)由式5-16可見(jiàn)：當(dāng)顆粒完全被水潤(rùn)濕時(shí)，θ→00，cosθ→1，?W→0，顆粒不能與氣泡相粘附，因此也就不能用氣浮法處理。當(dāng)顆粒完全不被水潤(rùn)濕時(shí)，θ→1800，cosθ→1，?W→2σLG，顆粒與氣泡粘附緊密，最易于用氣浮法去除。對(duì)σLG值很小的體系，雖然有利于形成氣泡，但?W很小，不利于氣泡與顆粒的粘附。5.1.2斜管斜板沉淀理論圖5.4淺層沉降原理示意斜板、斜管沉淀池是根據(jù)淺層沉降原理設(shè)計(jì)的新型沉淀池。與普通沉淀池比較，它有容積利用率高和沉降效率高的明顯優(yōu)點(diǎn)。圖5.4淺層沉降原理示意設(shè)有一理想沉淀池，其沉降區(qū)的長(zhǎng)、寬、深分別為L(zhǎng)、B和H，表面積為A，處理水量為Q，表面負(fù)荷為q，顆粒沉速為uo，則由公式5-11，可得Q=uoA。由此可見(jiàn)，在A一定的條件下，若增大Q，則uo成正比增大，從而使uuo的顆粒所占分率（1－po）和u<uo的顆粒中能被去除的分率u/uo都減小，總沉降效率ET相應(yīng)降低；反之，要提高沉降效率，則必須減小uo，結(jié)果Q成正比減小。以上分析說(shuō)明，在普通沉淀池中提高沉降效率和增大處理能力相互矛盾，二者之間呈此長(zhǎng)彼落的負(fù)相關(guān)系。但是，如果象圖5.4那樣，將沉降區(qū)高度分隔為n層，即n個(gè)高度為h=H/n的淺層沉降單元，那么在Q不變的條件下，顆粒的沉降深度由H減小到H/n，可被完全除去的顆粒沉速范圍由原來(lái)的uuo擴(kuò)大到uuo/n，沉速u(mài)<uo的顆粒中能被除去的分率也由u/uo增大到nu/uo，從而使ET值大幅度提高；反之，在ET值不變，即沉速為uo的顆粒在下沉了距離h后恰好運(yùn)動(dòng)到淺層的右下端點(diǎn)，那么由和可得v′=nv，即n個(gè)淺層的處理水量Q′=HBnv=nQ，比原來(lái)增大了n倍。顯然，分隔的淺層數(shù)愈多，ET值提高愈多或Q′值增加愈多。5.1.3沉淀與氣浮設(shè)備概述（1）沉淀設(shè)備平流式沉淀池的工藝見(jiàn)圖5.5，由流入裝置、流出裝置、沉淀區(qū)、緩沖層、污泥區(qū)及排泥裝置等組成。流入裝置由設(shè)有側(cè)向或槽底潛孔的配水槽、擋流板組成，起均勻布水與消能作用。擋流板入水深不小于0.25米，水面以上0.15~0.20米，距流入槽0.50米。流出裝置由流出槽與擋板組成。流出槽設(shè)有自由溢流堰，溢流堰嚴(yán)格水平，既可保持水流均勻，又可控制沉淀池水位。為此，溢流堰常采用鋸齒形堰。溢流堰最大負(fù)荷2.9L/m·s（初次沉淀池），2.0L/m·s（二沉池）。為了減少符合、改善出水水質(zhì)，溢流堰可采用多槽沿程布置，如需阻擋浮渣隨水流走，流出堰可用潛孔出流。出流擋板入水深0.3~0.4米，距溢流堰0.25~0.5米。緩沖層底作用是避免已沉污泥被水流攪起以及緩沖沖擊負(fù)荷。污泥區(qū)起貯存、濃縮污泥以及排除污泥的作用，其排泥方法一般可通過(guò)靜水壓力和機(jī)械排泥方法予以排除。斜管（板）沉淀池的構(gòu)造形式如圖5.6所示。圖5.6中，安裝斜板或斜管的區(qū)域?yàn)槌两祬^(qū)，沉降區(qū)以下依次為入流區(qū)和污泥區(qū)，沉降區(qū)上面為出流區(qū)。沉淀池工作時(shí)，水從斜板之間和斜管內(nèi)流過(guò)，沉落在斜板、斜管底面上的泥渣靠重力自動(dòng)滑入泥斗。這種沉淀池常用穿孔整流墻布水，以穿孔管或淹沒(méi)孔口集水，也可在池面上增設(shè)潛孔式中途集水槽使集水更趨均勻。集泥常采用多斗式，以穿孔管靠靜壓或泥泵排泥。除了上述兩種形式的沉淀設(shè)備外，還有輻流式沉淀池和豎流式沉淀池。輻流式和豎流式沉淀池一般呈圓形或正方形，輻流式沉淀池多用于大中型水廠，而豎流式沉淀池由于池深較大，一般適用于中小型污水處理廠。（2）氣浮設(shè)備水處理氣浮工藝一般采用分散氣浮法(Dispersed-AirFlotation)和溶氣氣浮法(Dissolved-AirFlotation)。由于溶氣氣浮工藝應(yīng)用較多，這里著重介紹溶氣氣浮工藝及其相關(guān)設(shè)備(1)溶氣氣浮法溶氣氣浮是使空氣在一定壓力下溶于水中并呈飽和狀態(tài)，然后使廢水壓力驟然降低，這時(shí)溶解的空氣便以微小的氣泡從水中析出并進(jìn)行氣浮，用這種方法產(chǎn)生氣泡直徑約為20~100μm，并且可人為地控制氣泡與廢水的接觸時(shí)間，因而分離效果比分散空氣法好，應(yīng)用廣泛。根據(jù)氣泡從水中析出時(shí)所處的壓力不同，溶氣氣浮又可分為兩種方式：一種是空氣在常壓或高壓下溶于水中，在負(fù)壓下析出，稱(chēng)為溶氣真空氣??；另一種是空氣在高壓下溶入水中，在常壓下析出，稱(chēng)為加壓溶氣氣浮。溶氣真空氣浮的主要特點(diǎn)是氣浮池在負(fù)壓下運(yùn)行，空氣在水中易呈過(guò)飽和狀態(tài)，析出的空氣量取決于溶解空氣量和真空度。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是溶氣壓力比加壓溶氣法低，能耗較小，但其最大缺點(diǎn)是氣浮池構(gòu)造復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)有困難，因此在生產(chǎn)中應(yīng)用不多。加壓溶氣氣浮法的操作原理是在加壓情況下，將空氣溶解在廢水中達(dá)飽和狀態(tài)，然后突然減至常壓，這時(shí)溶解在水中的空氣就成了過(guò)飽和狀態(tài)，以極微小的氣泡釋放出來(lái)，乳化油和懸浮顆粒就粘附于氣泡周?chē)S其上浮，在水面上形成泡沫然后由刮泡器清除使廢水得到凈化。加壓溶氣氣浮按溶氣水不同有全流程溶氣氣浮、部分溶氣氣浮和部分回流式壓力溶氣氣浮三種基本流程。(2)溶氣氣浮設(shè)備不論何種溶氣氣浮流程，其主要設(shè)備有加壓泵、溶氣罐、減壓閥和氣浮分離設(shè)備。1)加壓泵加壓泵的作用一是提升廢水，二是對(duì)水氣混合物加壓，受壓空氣按享利定律溶于水中?？諝馔ㄈ胨械姆椒ㄓ袃煞N，當(dāng)空氣吸入量小于某溫度下廢水中空氣的飽和溶解量時(shí)，在泵前設(shè)水射器吸入。這種方式的氣水混合好，但水泵必須采用自吸式進(jìn)入，而且要保持1m以上的水頭，此外，空氣最大吸入量不能大于吸水量的10%。當(dāng)空氣吸入量大于空氣在廢水中的飽和溶解量時(shí)，可用空壓機(jī)在水泵出水管上將空氣壓入，但其量不宜大于吸水量的20%。2)溶氣罐溶氣罐是一個(gè)密封的鋼罐。溶氣罐的作用是實(shí)施水和空氣的充分接觸，加速空氣的溶解，使水、氣良好混合。為了防止短路，使水氣充分接觸，罐內(nèi)常設(shè)水平或垂直的隔板若干塊，或在罐內(nèi)填充瓷環(huán)。罐頂設(shè)排氣閥排除多余的空氣。罐底設(shè)放空閥，用來(lái)排空溶氣罐。水氣混合物在罐內(nèi)的停留時(shí)間通常為2~3分鐘。3)減壓釋放器減壓釋放設(shè)備是將壓力溶氣水減壓后迅速將溶于水中的空氣以極為細(xì)小的氣泡形式釋放出來(lái)，要求微氣泡的直徑在20~100μm。目前生產(chǎn)中采用的減壓釋放設(shè)備分兩類(lèi)：一是減壓閥，一是釋放器。4)溶氣水與原廢水混合設(shè)備壓力溶氣水經(jīng)減壓釋放設(shè)備后，可獲得質(zhì)量較高的微氣泡。微氣泡與懸浮的粘附，并不取決于它們之間接觸時(shí)間的長(zhǎng)短和相互之間流速的大小，而主要取決于微氣泡能否及時(shí)均勻地彌散在懸浮顆粒中，并且微氣泡能機(jī)會(huì)均等地與每個(gè)懸浮顆粒碰撞粘附。為此經(jīng)減壓釋放后的溶氣水可考慮與原水（如需加藥時(shí)，應(yīng)與加藥后的廢水）在某一固定的混合設(shè)備（或在一段管道中）立即進(jìn)行充分混合然后將挾氣絮凝體均勻地分配在整個(gè)氣浮池的寬度上，從而達(dá)到提高氣浮分離效果與降低溶氣水量的目的。5)氣浮分離設(shè)備目前采用的氣浮池均為敞開(kāi)式水池。池子的形狀有圓形和矩形兩種。近年來(lái)，平流式矩形氣浮池應(yīng)用比較廣泛，它具有可按比例擴(kuò)大，構(gòu)造簡(jiǎn)單易于設(shè)計(jì)與施工，經(jīng)加藥反應(yīng)后的原水容易進(jìn)入，排泥方便，占地較少等優(yōu)點(diǎn)。PAGE2135.2過(guò)濾在水處理中，過(guò)濾是指水通過(guò)由粒狀材料組成的過(guò)濾池，水中的懸浮物被濾料表面吸附截留使水得到凈化的過(guò)程。過(guò)濾是去除懸浮物，特別是去除濃度比較低的懸濁液中微小顆粒的一種有效操作。5.2.1基礎(chǔ)理論5.2.1.1過(guò)濾機(jī)理目前世界各國(guó)的單層快濾池大多采用天然石英砂作為濾料，其最小粒徑通常為0.5mm，最大粒徑為1.2mm，濾料層厚度70cm左右。經(jīng)過(guò)反沖洗水力分級(jí)，濾料粒徑必然沿過(guò)濾水流方向呈上小下大的排列。水力計(jì)算表明，過(guò)濾時(shí)濾料顆粒間的水流流態(tài)為層流，因此，如果雜質(zhì)顆粒沿層流流線前進(jìn)，則大多數(shù)粒徑微小的雜質(zhì)將毫無(wú)阻擋地穿過(guò)濾層而不能夠從水中去除。事實(shí)上，通過(guò)濾料地過(guò)濾作用，不僅可以去除粒徑遠(yuǎn)小于孔隙尺寸的懸浮雜質(zhì)，而且可以去除部分細(xì)菌和微生物，還可以去除一些可溶性的色度物質(zhì)。人們對(duì)這種現(xiàn)象提出過(guò)各種作用機(jī)理給予解釋?zhuān)渲心軌虮唤邮艿闹饕蠫·菲爾的沉淀作用理論、д·M·明茨的接觸凝聚理論和機(jī)械篩濾作用理論。沉淀作用理論認(rèn)為濾料的水平投影面積大大超過(guò)雜質(zhì)顆粒尺寸，因此可以把濾料層看作是類(lèi)似于層層重疊的多層沉淀池，利用濾料顆粒的巨大沉淀面積截留水中的微小雜質(zhì)。接觸凝聚理論是把濾料顆?？醋鹘佑|吸附介質(zhì)，水在濾層孔隙中曲折流動(dòng)時(shí)，水中雜質(zhì)與濾料表面產(chǎn)生接觸吸附作用而被截留于濾料表面。機(jī)械篩濾作用理論是把濾料層視為一個(gè)多層“篩子”，當(dāng)某些粒徑較大的雜質(zhì)隨水流經(jīng)濾層時(shí)會(huì)被阻留下來(lái)，并使濾層中的孔隙逐漸變小，使后續(xù)的細(xì)小雜質(zhì)相繼被阻留于濾層中?，F(xiàn)代過(guò)濾研究認(rèn)為，在快濾池中，懸浮顆粒的去除，主要是由顆粒與濾料之間以及顆粒與顆粒之間的吸附（粘附）作用而被去除的。這就涉及到兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是被水流挾帶的懸浮顆粒如何脫離水流流線向?yàn)V料表面靠近的顆粒遷移機(jī)理；第二是當(dāng)懸浮顆粒與濾料表面接近或接觸時(shí)，依靠哪些粒的作用使得它們粘附在濾料表面，這就是顆粒的粘附機(jī)理。(1)懸浮顆粒的遷移機(jī)理在過(guò)濾過(guò)程中，濾層孔隙中的水流一般處于層流狀態(tài)，被水流挾帶的懸浮顆粒將沿著水流流線運(yùn)動(dòng)它之所以脫離流線而與濾料表面接近，完全是一種物理力學(xué)作用。一般認(rèn)為有以下幾種作用引起：①攔截作用；②沉淀作用；③慣性作用；④水動(dòng)力學(xué)作用；=5\*GB3⑤擴(kuò)散作用。圖5.9為上述幾種遷移作用機(jī)理的示意圖。顆粒尺寸較大時(shí)，處于流線中的顆粒會(huì)直接碰到濾料表面產(chǎn)生攔截作用；顆粒沉速較大時(shí)，會(huì)在重力作用下脫離流線產(chǎn)生沉淀作用；顆粒具有較大慣性時(shí)也可以脫離流線與濾料表面接觸（慣性作用）；顆粒較小、布朗運(yùn)動(dòng)較劇烈時(shí)會(huì)擴(kuò)散至濾粒表面（擴(kuò)散作用）；在濾粒表面附近存在速度梯度，非球體顆粒由于在速度梯度作用下，會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)而脫離流線與顆粒表面接觸（水動(dòng)力作用）。對(duì)于上述遷移機(jī)理，目前只能定性描述，其相對(duì)作用大小尚無(wú)定量估算。雖然也有某些數(shù)學(xué)模式，但還不能解決實(shí)際問(wèn)題?？赡軒追N機(jī)理同時(shí)存在，也可能只有其中某些機(jī)理起作用。例如，進(jìn)入濾池的凝聚顆粒尺寸一般較大，擴(kuò)散作用幾乎無(wú)足輕重。這些遷移機(jī)理所受影響因素較復(fù)雜，如濾料尺寸、形狀、濾速、水溫、水中顆粒尺寸、形狀和密度等。(2)懸浮顆粒的粘附機(jī)理粘附作用是一種物理化學(xué)作用。當(dāng)水中顆粒遷移到濾料表面上時(shí)，則在范德華引力和靜電力相互作用下，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上原先粘附的顆粒上。此外，絮凝顆粒的架橋作用也會(huì)存在。粘附過(guò)程與澄清池中的泥渣所起的粘附作用基本類(lèi)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)。未經(jīng)脫穩(wěn)的懸浮物顆粒，過(guò)濾效果很差，這就證明。基于這一概念，過(guò)濾效果主要取決于顆粒表面性質(zhì)而無(wú)需增大顆粒尺寸。相反，如果懸浮顆粒尺寸過(guò)大而形成機(jī)械篩濾作用，反而會(huì)引起表面濾料孔隙很快堵塞。不過(guò)，在整個(gè)過(guò)濾過(guò)程中，特別是過(guò)濾后期，由于濾層中孔隙尺寸逐漸減小，表層濾料的篩濾作用也不能完全排除，但這種現(xiàn)象在快濾池中并不希望發(fā)生。5.2.1.2雜質(zhì)截留過(guò)程開(kāi)始過(guò)濾時(shí)，由于濾層比較干凈，孔隙較大，孔隙流速較小，因此雜質(zhì)容易轉(zhuǎn)移到濾料表面而被截留。另一方面，濾料在反洗以后形成粒徑上小下大的自然排列，使表層濾料的孔隙小于下層濾料，因而有更強(qiáng)的截留雜質(zhì)能力，所以大量雜質(zhì)將首先被表層5～10cm左右厚度的濾料所截留，少量雜質(zhì)隨水流往下層濾料轉(zhuǎn)移并被截留。隨著過(guò)濾的進(jìn)行，表層濾料的孔隙因截留雜質(zhì)而減小，孔隙流速增大，水流剪力亦隨之增大，當(dāng)水流剪力大于雜質(zhì)與濾料顆粒的粘附力時(shí)，已被截留的雜質(zhì)將脫落并往下層濾料轉(zhuǎn)移。表面截留的雜質(zhì)越多，脫落和轉(zhuǎn)移的雜質(zhì)也越多。進(jìn)入下層濾料的雜質(zhì)將重復(fù)在上層濾料被截留的過(guò)程，直至大量雜質(zhì)穿透整個(gè)濾層，致使出水水質(zhì)惡化；或者由于截留雜質(zhì)而使過(guò)濾阻力增加，過(guò)濾水頭損失超過(guò)允許值時(shí)，過(guò)濾過(guò)程即告終止，濾池進(jìn)入反沖洗預(yù)備狀態(tài)。由此可見(jiàn)，過(guò)濾時(shí)由于表層濾料最細(xì)，因而截留的雜質(zhì)最多，上層濾料其次，下層濾料最粗，所截留的雜質(zhì)最少，即被截留的雜質(zhì)在濾層中分布是不均勻的，雜質(zhì)在濾層中分布不均勻的程度受濾料粒徑、形狀和級(jí)配、濾速、凝聚微粒強(qiáng)度、水溫、濁度等各種因素的影響。雜質(zhì)在濾層中的分布越不均勻，對(duì)過(guò)濾越不利。嚴(yán)重時(shí)，大量雜質(zhì)被表層濾料截留而形成“泥氈”，過(guò)濾阻力劇增。此時(shí)，或者因作用水頭不足而使濾速急劇減小，或者由于濾層表面受力不均勻而使“泥氈”產(chǎn)生裂縫，造成雜質(zhì)穿透和出水水質(zhì)惡化（見(jiàn)圖5.10）。因此，提高過(guò)濾技術(shù)的根本途徑是盡量使雜質(zhì)在濾層中均勻分布。為了改變上細(xì)下粗的濾層中雜質(zhì)分布嚴(yán)重的不均勻現(xiàn)象，提高濾層含污能力，便出現(xiàn)了雙層濾料、三層濾料或混合濾料及均質(zhì)濾料等濾層組成。這些雙層或多層濾料的組成一般是上層采用重度較輕、粒徑較大的輕質(zhì)濾料（如無(wú)煙煤），中層采用中等粒徑、中等重度的濾料（如石英砂），下層為小粒徑、高重度的重質(zhì)濾料（如石榴石）。各濾層平均粒徑自上而下遞減，從而充分利用了各層中的濾料，提高了過(guò)濾效率。均質(zhì)濾料，并非指濾料粒徑完全相同（實(shí)際上很難做到），濾料粒徑仍存在一定程度的差別（差別比一般單層濾料?。?，而是指沿整個(gè)濾層深度方向的任一橫斷面上，濾料組成和平均粒徑均勻一致。要做到這一點(diǎn)，必要的條件是反沖洗時(shí)濾層不能膨脹。濾料的組成、性質(zhì)及級(jí)配詳見(jiàn)本章下節(jié)。濾料層截留雜質(zhì)的情況可以用雜質(zhì)穿透深度，雜質(zhì)截留量和濾層含污能力等指標(biāo)描述和衡量。過(guò)濾行將結(jié)束時(shí)，自濾料表層以下某一深度處所取水樣恰好符合濾后水濁度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，該深度即為雜質(zhì)穿透深度，單位為cm。單位體積濾料中所截留的雜質(zhì)重量稱(chēng)為雜質(zhì)截留量，單位為kg/m3或g/cm3。在過(guò)濾結(jié)束時(shí)，整個(gè)濾層單位體積濾料中所截流的雜質(zhì)重量稱(chēng)為濾層的含污能力。顯然，雜質(zhì)穿透深度越大，濾層的含污能力越高，濾池的效果越好。5.2.2濾池構(gòu)造圖5.11是普通快濾池的構(gòu)造剖視圖。由圖中可以看出，快濾池基本上由以下四大系統(tǒng)組成：圖5.11普通快濾池構(gòu)造剖視圖進(jìn)水系統(tǒng)——進(jìn)水總管、進(jìn)水支管、進(jìn)水閥門(mén)；圖5.11普通快濾池構(gòu)造剖視圖過(guò)濾系統(tǒng)——濾料層、承托層；集水系統(tǒng)——清水支管、清水閥門(mén)、清水總管；反沖洗系統(tǒng)——沖洗總管、沖洗支管、沖洗閥門(mén)、配水干管、配水支管、反沖洗排水槽、廢水渠、排水閥門(mén)。本節(jié)著重介紹濾池的濾料和承托層以及配水系統(tǒng)。5.2.2.1濾料和承托層(1)濾料粒徑級(jí)配濾料粒徑級(jí)配是指濾料中各種粒徑顆粒所占的重量比例。粒徑是指正好可通過(guò)某一篩孔的孔徑。粒徑級(jí)配一般采用以下兩種表示方法：有效粒徑和不均勻系數(shù)法以濾料有效粒徑d10和不均勻系數(shù)K80表示濾料粒徑級(jí)配。(5-17)式中d10——通過(guò)濾料重量10％的篩孔孔徑；d80——通過(guò)濾料重量80％的篩孔孔徑。其中d10反映細(xì)顆粒尺寸；d80反映粗顆粒尺寸。K80愈大，表示粗顆粒尺寸相差愈大，顆粒愈不均勻，這對(duì)過(guò)濾和沖洗都很不利。生產(chǎn)上也有用K60＝d60/d10來(lái)表示濾料不均勻系數(shù)。d60的涵義與d80或d10相同。最大粒徑、最小粒徑和不均勻系數(shù)法采用最大粒徑dmax、最小粒徑min和不均有系數(shù)K80來(lái)控制濾料粒徑分布，這是我國(guó)規(guī)范中所采用的濾料粒徑級(jí)配法。(2)雙層及多層濾料級(jí)配在選擇雙層或多層濾料級(jí)配時(shí)，不同種類(lèi)濾料的相互混雜問(wèn)題是考慮的重點(diǎn)。以煤－砂雙層濾料為例。鋪設(shè)濾料時(shí)，粒徑小、重度大的砂粒位于濾層下部；粒徑大、重度小的煤粒位于濾層上部。但在反沖洗以后，就有可能出現(xiàn)3種情況：一是分層正常，即上層為煤·下層為砂；二是煤砂相互混雜，可能部分混雜（在煤－砂交界面上），也可能完全混雜；三是煤、砂分層顛倒，即上層為砂、下層為煤。這3種情況的出現(xiàn)，主要決定于煤、砂的重度差、粒徑差及煤和砂的粒徑級(jí)配、濾料形狀、水溫及反沖洗強(qiáng)度等因素。許多人曾對(duì)濾料混雜作了研究。但提出的各種理論都存在缺陷，都不能準(zhǔn)確預(yù)示實(shí)際濾料混雜狀況。目前仍然根據(jù)相鄰兩濾料層之間粒徑之比和密度之比的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定雙層濾料級(jí)配。(3)承托層承托層的作用，主要是防止濾料從配水系統(tǒng)中流失，同時(shí)對(duì)均布沖洗水也有一定作用。單層或雙層濾料濾池采用大阻力配水系統(tǒng)時(shí)（參見(jiàn)5.2.2.2），承托層采用天然卵石或礫石，其粒徑和厚度見(jiàn)表5-1。三層濾料濾池，由于下層濾料粒徑小而重度大，承托層必須與之相適應(yīng)。即，上層應(yīng)采用重質(zhì)礦石，以免反沖洗時(shí)承托層移動(dòng)（見(jiàn)表5-2）。如果采用小阻力配水系統(tǒng)（參見(jiàn)5.2.2.2），承托層可以不設(shè)，或者適當(dāng)鋪設(shè)一些粗砂或細(xì)礫石，視配水系統(tǒng)具體情況而定。表5-1快濾池大阻力配水系統(tǒng)承托層粒徑和厚度層次（由上而下）粒徑（mm）厚度(mm)12342～44～88～1616～32100100100本層頂面高度至少應(yīng)高出配水系統(tǒng)孔眼100表5-2三層濾料濾池承托層材料、粒徑與厚度層次（自上而下）材料粒徑（mm）厚度（mm）1重質(zhì)礦石（如石榴石、磁鐵礦等）0.5~1.0502重質(zhì)礦石（如石榴石、磁鐵礦等）1~2503重質(zhì)礦石（如石榴石、磁鐵礦等）2~4504重質(zhì)礦石（如石榴石、磁鐵礦等）4~8505礫石8~161006礫石16~32本層頂面高度至少應(yīng)高出配水系統(tǒng)孔眼100mm5.2.2.2配水系統(tǒng)配水系統(tǒng)的作用在于使沖洗水在整個(gè)濾池面積上均勻分配。配水均勻性對(duì)沖洗效果影響很大，配水不均勻，部分濾層膨脹不足，另一部分濾層膨脹過(guò)甚，甚至?xí)兄戮植砍型袑影l(fā)生移動(dòng)，造成露砂現(xiàn)象。配水系統(tǒng)有大阻力配水系統(tǒng)和小阻力配水系統(tǒng)兩種，見(jiàn)圖5.12和5-13。圖5.12所示配水系統(tǒng)中，如果孔口內(nèi)壓頭相差最大的a孔和c孔出流量相等，則可以認(rèn)為整個(gè)濾池布水是均勻的。由于排水槽上緣水平，可認(rèn)為沖洗時(shí)水流自各孔口流出后的終點(diǎn)水頭在同一水平面上，這一水平面相當(dāng)于排水槽的水位。孔口內(nèi)壓頭于孔口流出后的終點(diǎn)水頭之差，即為水流經(jīng)孔口、承托層和濾料層的總水頭損失，分別以Ha’和Hb’表示。式5-18中Ha和Hc均減去同一終點(diǎn)水頭，可得：(5-18)設(shè)上述各項(xiàng)水頭損失均與流量平方成正比，則有：(5-20)式中：Qa——孔口a出流量；Qc——孔口c出流量；S1——孔口阻力系數(shù)。當(dāng)孔口尺寸和加工精度相同時(shí)，各孔口S1均相同；S2，，S2，，——分別為孔口a和c處承托層及濾料層阻力系數(shù)之和。將上式代入式5-19可得：(5-21)由式3-38可知，兩孔口出流量不可能相等，但是使Qa盡量接近Qc是可能的，措施之一就是減小孔口總面積以增大孔口阻力系數(shù)S1。增大S1就削弱了承托層、濾料層阻力系數(shù)及配水系統(tǒng)壓力不均勻的影響。這就是大阻力配水系統(tǒng)的基本原理。從式3-38可以看出，vo和va減小至一定程度，等式右邊根號(hào)中第2項(xiàng)對(duì)布水均勻性的影響將大大削弱?；蛘哒f(shuō)，配水系統(tǒng)中的壓力變化對(duì)布水均勻性的影響將甚微，在此基礎(chǔ)上，可以減小孔口阻力系數(shù)以減小孔口水頭損失?；谏鲜鲈恚∽枇ε渌到y(tǒng)不采用穿孔管而代之以底部較大的配水空間，其上鋪設(shè)穿孔濾板或?yàn)V磚等，見(jiàn)圖5.13。配水室寬度以B表示（垂直紙面），長(zhǎng)度以L表示，高度以H表示。沖洗水自整個(gè)池寬內(nèi)均勻進(jìn)入配水室。進(jìn)水?dāng)嗝娣e為BH，由于水流進(jìn)口斷面積較大，流速較小，底部配水室內(nèi)的壓力將趨于均勻。大阻力配水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是配水均勻性較好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；孔口水頭損失大，沖洗時(shí)動(dòng)力消耗大；管道易于結(jié)垢，增加檢修困難。小阻力配水系統(tǒng)可克服上述缺點(diǎn)，但小阻力配水系統(tǒng)配水均勻性較大阻力配水系統(tǒng)差。圖5.12穿孔管大阻力配水系統(tǒng)及穿孔支管孔口位置圖5.13小阻力配水系統(tǒng)5.2.3濾池沖洗濾池失去過(guò)濾能力后即應(yīng)對(duì)濾料進(jìn)行反沖洗，反沖洗的目的是去除截留在濾料層中的雜質(zhì)，使濾料層在短時(shí)間恢復(fù)過(guò)濾能力。為了保證反沖洗達(dá)到良好的清洗效果，反沖洗都需要一定的沖洗強(qiáng)度，足夠的沖洗歷時(shí)和適宜的沖洗膨脹率。5.2.3.1沖洗方式快濾池的沖洗方式有以下幾種：（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。（1）高速水流反沖洗利用流速較大的反向水流沖洗濾料層，使整個(gè)濾料層達(dá)到流態(tài)化狀態(tài)，且具有一定的膨脹率。截留于濾層中的污物，在水流剪切力和濾料顆粒碰撞摩擦雙重作用下，從濾料表面脫落下來(lái)，然后被沖洗水帶出濾池。沖洗效果決定于沖洗流速。沖洗流速過(guò)小，濾層孔隙中水流剪力??；沖洗流速過(guò)大，濾層膨脹率過(guò)大，濾層中水流剪力也會(huì)降低，且由于濾料顆粒過(guò)于離散，碰撞摩擦機(jī)率也減小。故沖洗流速過(guò)大或過(guò)小，沖洗效果均會(huì)降低。（2）氣、水反沖洗高速水流反沖洗雖然操作方便，池子和設(shè)備簡(jiǎn)單，但沖洗耗水量大，沖洗結(jié)束后，濾料上細(xì)下粗分層明顯。采用氣、水反沖洗方法既提高沖洗效果，又節(jié)省沖洗水量。同時(shí)，沖洗時(shí)濾層不一定需要膨脹或僅有輕微膨脹，沖洗結(jié)束后，濾層不產(chǎn)生或不明顯產(chǎn)生上細(xì)下粗分層現(xiàn)象，即保持原來(lái)濾層結(jié)構(gòu)，從而提高濾層含污能力。但氣、水反沖洗需增加氣沖設(shè)備（鼓風(fēng)機(jī)或空氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣罐），池子結(jié)構(gòu)及沖洗操作比較復(fù)雜。國(guó)外采用氣、水反沖洗比較普遍，我國(guó)也有少數(shù)水廠采用氣、水反沖洗方法。近年來(lái)氣、水反沖洗有日益增多趨勢(shì)。氣、水反沖洗效果在于：利用上升空氣氣泡的振動(dòng)可有效地將附著于濾料表面污物擦洗下來(lái)使之懸浮于水中，然后再利用水反沖把污物排出池外。因?yàn)闅馀菽軌蛴行У厥篂V料表面污物破碎、脫落，故水沖強(qiáng)度可大大降低，即可采用所謂“低速反沖”。水沖強(qiáng)度大小視操作方式不同而異。氣、水反沖操作方式有以下幾種：1)先用空氣反沖，然后再用水反沖；2)先用氣-水同時(shí)反沖，然后再用水反沖；3)先用空氣反沖，然后用氣-水同時(shí)反沖，最后再用水反沖。在上述3種操作方式中，第三種效果最好，其次是第二種方式。第一種操作方式可能產(chǎn)生的問(wèn)題是：在氣沖結(jié)束與水沖開(kāi)始之間，有些被空氣擦洗下來(lái)的污物可能會(huì)失去懸浮狀態(tài)而下沉，后續(xù)水沖若采用低速水沖，下沉污物不一定能夠被水沖出池外，除非仍采用較高沖洗流速。氣-水同時(shí)反沖不存在這樣的問(wèn)題，故水沖強(qiáng)度可小。但氣-水同時(shí)反沖應(yīng)注意濾料流失問(wèn)題。因氣-水同時(shí)反沖時(shí)若強(qiáng)度控制不當(dāng)，濾料顆粒會(huì)劇烈翻騰以致可能被拋入排水槽而流失。（3）表面輔助沖洗表面輔助沖洗是在反沖洗前先用高壓水通過(guò)噴嘴或孔口形成射流，對(duì)濾料表面進(jìn)行噴射使表層濾料彼此強(qiáng)烈碰撞摩擦，大顆粒雜質(zhì)被擊碎。表面輔助沖洗是配合反沖洗而進(jìn)行的。(4)反沖洗水供給普通快濾池的反沖洗水供給方式有兩種：沖洗水泵和沖洗水塔。用水塔供給沖洗水操作方便簡(jiǎn)單，沖洗強(qiáng)度由大到小，對(duì)洗凈濾料有利，缺點(diǎn)是水塔造價(jià)較高。水泵沖洗投資少，但操作管理麻煩，同時(shí)由于濾池沖洗水量大，短時(shí)間內(nèi)耗電量大，這將使電網(wǎng)負(fù)荷驟然劇增，影響其它設(shè)備的正常運(yùn)行。5.2.4過(guò)濾設(shè)備概述(1)普通快濾池普通快濾池通常指圖5.11所示的具