(精品論文)過濾的理論和應(yīng)用

過濾工藝的理論與應(yīng)用一 過濾工藝?yán)碚摰陌l(fā)展歷程對過濾理論研究的目的就是為闡述過濾工藝中的微觀過程并最終給予定量的預(yù)測。到目前為止，人們對于過濾機(jī)理及其工藝進(jìn)行了大量的深入研究，先后提出了許多理論方程及計算模型、模式，縱觀其發(fā)展歷程，主要經(jīng)歷了三個階段。 六十年代以前，過濾過程一直采用Tominisa Iwasaki、Mintz、Ives等人逐步發(fā)展的宏觀經(jīng)驗理論，即依據(jù)過濾過程中存在的顆粒泄漏 （TC）與水頭損失（TH）兩個不同的過濾周期而尋求TCTH的最佳條件而建立的理論模式，宏觀經(jīng)驗理論主要研究過濾工藝的宏觀現(xiàn)象，其優(yōu)點在于對過濾的全過程進(jìn)行了模型化，基本符合實際情況，因此，對濾池的設(shè)計和操作具有重要的指導(dǎo)作用。六十年代后，隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)過濾宏觀經(jīng)驗理論不能很好的解釋過濾過程中的許多問題。以研究過濾的微觀物化作用機(jī)理并強(qiáng)調(diào)過濾的微觀物化過程的理論得到迅速發(fā)展。這一理論將源于氣體過濾中的軌跡理論引入水質(zhì)過濾中。其突出特點是將濾池中單個濾料作為研究對象，研究流場中的運(yùn)動軌跡，顆粒向其傳送及粘附的微觀物理化學(xué)過程，先后提出了過濾過程中的軌跡理論模型及計算模式，著重研究了顆粒沉積的內(nèi)部機(jī)理，沉積過程發(fā)生的物理化學(xué)變化及介質(zhì)結(jié)構(gòu)和特性對沉積過程的影響。八十年代后，隨著水質(zhì)惡化和水資源污染問題的日趨加劇，同時隨著界面電位計算體系和表面絡(luò)合模式的發(fā)展，已有許多研究者開始在過濾研究中引入表面絡(luò)合概念和定量計算方法，試圖建立定量計算模式。近年來有關(guān)過濾動力學(xué)方面也逐漸重視，并將分形理論應(yīng)用于絮體的結(jié)構(gòu)、密度、粒徑等方面的研究，同時也考慮水體溶夜的物理化學(xué)條件對過濾的影響。二 過濾理論的主要內(nèi)容2.1 懸浮顆粒去除理論現(xiàn)代過濾理論研究認(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。這就涉及到兩個方面的問題：一是被水挾帶的懸浮顆粒如何脫離水流流線向濾料表面靠近的顆粒遷移機(jī)理。二是當(dāng)懸浮顆粒與濾料表面接觸時，依靠哪些力的作用使得他們粘附在濾料表面上的顆粒粘附機(jī)理。懸浮顆粒的遷移機(jī)理：在過濾過程中，濾層空隙中的水流一般處于層流狀態(tài)，被水挾帶的懸浮顆粒將沿著水流流線運(yùn)動。他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)為是由攔截、沉淀、慣性、擴(kuò)散和水動力學(xué)等作用引起的。懸浮顆粒脫離流線可能是幾種機(jī)理同時作用，也可能只有其中的某些機(jī)理起作用。賈亞軍等人通過對這五種作用的理論分析和合理假設(shè)，得出過濾動力學(xué)的模型及方程。懸浮顆粒的吸附機(jī)理：當(dāng)水中的懸浮顆粒運(yùn)動到濾料表面附近時，將受到范德華引力和靜電場斥力，以及某些特殊的化學(xué)吸附力的作用。在這些力的共同作用下，懸浮顆粒將被粘附在濾料表面上或者粘附在以前粘附在濾料表面上的顆粒上，從而將懸浮顆粒去除。粘附在濾料表面上的絮體顆粒，不但具有化學(xué)吸附力，同時也具有吸附架橋作用。因此，粘附作用是一種物理化學(xué)作用，它主要取決于濾料和水中懸浮顆粒的表面物理化學(xué)性質(zhì)。過濾效果主要取決于顆粒表面的性質(zhì)而不是顆粒尺寸的大小。2.2 濁質(zhì)剝離理論Mintz首先提出了濁質(zhì)“剝離機(jī)理”，在顆粒吸附的同時，已經(jīng)吸附于濾料上的顆粒還有剝離的趨勢。懸浮顆粒移動到濾料顆粒上后，會以不同幾何構(gòu)造聚集。這些幾何構(gòu)造不僅與濾料顆粒有關(guān)，還與先前沉積物有關(guān)。一般的構(gòu)造是位于濾料顆粒頂部的球冠形和處于孔隙中的管狀結(jié)構(gòu)。如果過濾速度保持不變，隨著懸浮顆粒的不斷沉積，孔隙中實際水流速度會逐漸增大。結(jié)果導(dǎo)致沉積顆粒受到逐漸增大的水流剪切力的作用，當(dāng)剪切力大到與粘附力相同數(shù)量級時，顆粒就有可能剝落下來并在濾層較下層被截留。剝離機(jī)理的另外一種解釋還可以是沉積顆粒的崩落效應(yīng)。因此，在達(dá)到飽和狀態(tài)但沉積顆粒呈現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)構(gòu)造的濾料層中，吸附和剝離可以同時發(fā)生。2.3 過濾模型的研究發(fā)展1、唯象模型從30年代末起才出現(xiàn)有關(guān)過濾過程的理論研究論文。這些論文可分為兩類：一是研究過濾周期或者絮體在濾層中的穿透深度等過濾指標(biāo)與濾料的粒度、濾速等參數(shù)的關(guān)系，另一類是企圖建立整個過濾過程的數(shù)學(xué)模型。1937年日本的Tominisa Iwasaki根據(jù)長期對濾池過濾過程的研究發(fā)表了如下的數(shù)學(xué)模型。1937年Baylis得出過濾周期和d102.15V-1.5成正比， d10和V分別為濾層的有效粒徑和濾速，這是頭一類研究的第一個公式。 （2-1） （2-2） （2-3）式中：C從濾層表層算起的深度為x處的單位時間內(nèi)單位面積的微粒數(shù)（微粒數(shù)/cm2d）； 過濾系數(shù)，濾料粒徑、濾速和微粒的函數(shù)； 比沉積量（微粒數(shù)/cm3）； 0清潔濾層過濾系數(shù)； t過濾時間（d）； b常數(shù)，為濾料粒徑、濾速和微粒的函數(shù)。Iwasaki的數(shù)學(xué)公式是后來約40年內(nèi)的許多文獻(xiàn)經(jīng)常引用的，他的試驗條件是：（1）濾料粒徑為0.230.83mm；（2）濾速310m/h；（3）原水是在自然狀態(tài)下未經(jīng)混凝處理而進(jìn)行過濾的；（4）懸浮微粒包括陶土、大腸桿菌及柵藻和脆桿藻。Horner等對式（2-1）進(jìn)行了修正，得出了更精確的表達(dá)式： （2-4）式中：床層孔隙率。為了計算出水水質(zhì)隨床層深度及過濾歷時的變化，必須將的表達(dá)式代入式（2-1）或（2-4）中。對的表達(dá)式各研究者持不同意見，其中以Ives的球管模型最具代表性，的表達(dá)式為34： （2-5）式中：床層初始孔隙率； 濾料的填充系數(shù)；飽和比沉積量； x、y、z指數(shù)，通過試驗求得。其余符號意義同前。Soo和Radke發(fā)展了經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，在他們的模型中含?個具有明確意義的經(jīng)驗參數(shù)，這些參數(shù)分別是清潔床層的平均過濾系數(shù)，平均流動再分配系數(shù)和平均流動阻力系數(shù)。這3個參數(shù)可通過經(jīng)驗關(guān)系式及Soo等介紹的3個附加參數(shù)進(jìn)行估算。這3個附加參數(shù)中最重要的是單層表面覆蓋分?jǐn)?shù)，它可以通過Payatakes的單位床單元（unit bed element）結(jié)果進(jìn)行估算。Soo和Radke模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （2-6） （2-7）式中：kx時刻t時的滲透率；k0初始滲透率。方程（2-6）、（2-7）在適當(dāng)?shù)某跏紬l件和邊界條件下可以求解得到積泥量、出水濃度及介質(zhì)的滲透率。此外，還有其它許多學(xué)者應(yīng)用濾料澄清原理，通過實驗對過濾過程建立起數(shù)學(xué)模型，以期預(yù)測濾池的工作進(jìn)程或合理設(shè)計濾層。2、跡線分析模型過濾時水流經(jīng)濾床，水中顆粒在流體動力及力矩、重力、倫敦范德華力和雙電層力作用下向濾料表面運(yùn)動，到達(dá)濾料表面后主要因倫敦范德華力作用顆粒被捕獲。原則上，顆粒在濾床中的沉積速率可通過跟蹤顆粒在孔隙空間的軌跡和應(yīng)用沉積判據(jù)（一旦顆粒與濾料表面接觸即被去除）來確定。這就是跡線分析模型的基本思想。跡線理論將濾料層看作一系列收集器的集合體，通過顆粒跡線決定顆粒沉積。這種思想最早是由Sell、Albrecht在研究氣體過濾時提出來的，OMelia和Stumm首次將這個概念引用到液體深層過濾中，Yao首先將這一方法應(yīng)用在深層過濾數(shù)學(xué)模型研究中，提出了計算方法。1979年，Tien對跡線理論作出了較為完善的總結(jié)。跡線理論綜合考慮了以下幾方面：（1）收集器的形狀與大小；（2）收集器周圍的流場；（3）作用于懸浮顆粒的各種作用力的特點及大??；（4）懸浮顆粒的粘附性能。跡線理論側(cè)重于理論分析，它試圖拋開試驗數(shù)據(jù)并建立單個微觀收集器效率的計算公式。3、構(gòu)建過濾模型的新方法過濾過程是動態(tài)的，受多重因素影響的復(fù)雜過程，涉及顆粒捕獲和顆粒脫附，且與懸浮液的理化性質(zhì)有關(guān)。盡管過濾過程的物理模型構(gòu)建有很多方法，但參數(shù)的計算及適應(yīng)性仍有待提高，一些新的建模方法也被移植到過濾的模型構(gòu)建中。表現(xiàn)在：Stephan等將遺傳算法應(yīng)用到過濾中，實現(xiàn)以最少的實驗來獲得更多的參數(shù)；Stephan認(rèn)為，對不同條件下的過濾模型只需將算法程序中的一些參數(shù)進(jìn)行修改即可，這使得過濾過程的計算機(jī)模擬成為可能。Osmak則采用綜合衰變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（GRNN）建立了過濾中懸浮顆粒分布、沉降顆粒分布與速率分布間的關(guān)系。Osmak在假設(shè)含懸浮顆粒的水相以接近推流式的方式通過床層及沉降動力學(xué)是懸浮顆粒分布和沉降顆粒分布函數(shù)的前提下，構(gòu)建出新的過濾數(shù)學(xué)模型。 Ortiz等則將計算流體力學(xué)（CFD）應(yīng)用到過濾中，用來描述過濾過程中阻塞的時間空間變化提出了對數(shù)過濾定律及有效比表面積的幾何模型。實驗表明，CFD可有效地用于過濾阻塞的定量描述。Ortiz等還采用拉格朗日歐拉CFD方法評價兩相流滴濾床過濾過程中的壓力降，運(yùn)用彈道軌跡理論，建立了不同過濾階段捕集效率和過濾系數(shù)方程。2.4 直接過濾機(jī)理傳統(tǒng)水處理過程中，混凝與過濾是分屬兩個獨立的操作單元。水中膠體雜質(zhì)經(jīng)混凝單元處理而形成大的絮體顆粒后，經(jīng)沉淀后大部分被去除。而余下微細(xì)絮體顆粒則通過過濾單元處理除去。直接過濾則是混凝與過濾過程有機(jī)結(jié)合而形成的新的單元處理過程。按照AWWA混凝過濾水質(zhì)分委會的定義，直接過濾為濾前不進(jìn)行沉淀的處理系統(tǒng)。原水在濾前預(yù)處理中，仍然依靠壓縮雙電層、電性中和作用以及吸附架橋、表面絡(luò)合作用，使原水中懸浮物質(zhì)脫穩(wěn)或凝聚成具有良好過濾性能的微絮體，然后，這些脫穩(wěn)粒子或微絮體按過濾模式被濾床所截除。隨著過濾的推移，附著和剝離會交替進(jìn)行直到整個濾床穿透。直接過濾充分體現(xiàn)了濾層中特別是深層濾料中的接觸凝聚或絮凝作用，也就是當(dāng)帶膠體的水流通過宏觀濾料的表面時，脫穩(wěn)的膠體通過與宏觀濾料的表面接觸從水中分離出來，相當(dāng)于微觀顆粒與宏觀濾料間的絮凝，脫穩(wěn)膠體所接觸的可以是濾料的表面本身，也可以是原先吸附在濾料表面的其他微粒表面，其機(jī)理可視為混凝與過濾兩種機(jī)理的結(jié)合。該工藝既利用了濾料介質(zhì)作為附加顆粒以提高顆粒碰撞效率，又明顯提高了濾池截污能力和處理效果，可顯著節(jié)省投資和運(yùn)行費(fèi)用，尤其是對低濁低色水的顯著凈化處理效能和經(jīng)濟(jì)效益。三 濾池類型及應(yīng)用 在給水處理技術(shù)上，當(dāng)前還是以常規(guī)水處理即混凝沉淀過濾處理為主，濾池是給水處理最后的一個程序（不包括消毒），尤其是處理飲用水更是最重要的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此濾池處理始終是放在一個核心位置上。自應(yīng)用快濾池以來，到現(xiàn)在已經(jīng)100多年，用慢濾池的時間更長，在宏觀上還是在用著濾料過濾沒有變化。但在微觀上則改進(jìn)很多，不論是在類型上或是在運(yùn)行方式上都有著很大的變化。為便于敘述起見，本文僅限于談?wù)摓V池本身類型這個話題。（一）濾池類型在類型上濾池大體分為兩大類，即自上向下流動的重力式過濾池和自下向上流動的上向式過濾池，及另外一些其他類型的過濾池。1、重力式濾池：(1)單層濾池包括砂濾池、深床濾池、均質(zhì)濾池、煤濾池、硅藻土濾池、低水頭濾多、移動罩濾池、無閥濾池、虹吸濾池、連續(xù)過濾濾池等。(2)多層濾池包括雙層濾池、三層濾池、混合濾池、臭氧活性炭生物濾池、陶粒濾池、煤鋁濾池等。單層濾池或多層濾池都可應(yīng)用的有兩級過濾濾池、直接過濾濾池、壓力濾池等。2、上向流濾池有反粒度濾池（接觸濾池）、雙向濾池、哈伯瑞爾濾池等。3、其它類型濾池有水平式過濾式的幅射式濾池、磁力分離過濾器等。4、膜過濾濾池最近膜過濾濾池是當(dāng)前過濾最新的型式，有微濾(MF)、超濾(UF)和納諾過濾(NF)。（二）重力式濾池的應(yīng)用國內(nèi)外尤其是國內(nèi)絕大部分水廠應(yīng)用的還是重力式濾池。為了結(jié)合生產(chǎn)實際情況，便于說明問題，現(xiàn)僅就幾種主要常用的重力式濾池加以敘述。膜過濾濾池有著重要發(fā)展的前途，但國外用的不太多，用的也都是小規(guī)模的設(shè)施(30h（濾前水濁度低）。(5)陶粒濾池這種濾池是由俄國引入到國內(nèi)的。它使用的陶粒為一種多孔材料，由熔化的粘土在快速培燒時膨脹制得，一般制成540mm徑炔狀物質(zhì)，然后將以上塊狀物加以輾碎、篩選而得。它富有棱角表面積大，及機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性都合乎標(biāo)準(zhǔn)的特性，濾池的各種指標(biāo)都與一般快濾池相同，濾速可達(dá)1040m/h。2、雙層重力式濾池(1)雙層濾料濾池主要是煤砂雙層濾料濾池，現(xiàn)國內(nèi)外還是多數(shù)水廠應(yīng)用。一般是砂粒徑0.51.0mm，de=0.55mm，UC=1.31.4，濾層厚3040cm，煤粒徑1.02.0mm，de=1.1-1.2mm，UC=1.31.4，濾層厚3040cm，總濾層厚7090cm，濾速一般為1012m/h，過濾周期不超過36h。L/de1000或L/d800，效率基本是砂濾池效率的一倍，水頭損失也小，過濾周期也比較小。該濾池煤濾料貨源易得，控制方便，國內(nèi)個別地方有煤濾料流失較多現(xiàn)象。2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃推薦為首先考慮使用的濾池之一。(2)三層濾池濾料為煤、砂、石榴石，粒徑分別為0.82.0，0.50.8，0.250.5mm，總厚度為75cm，三者厚度分別占6065%、2545%、510%，為42、23.7cm，濾速在初濾時可為一般快濾池的3倍，煤砂雙層濾池的2倍。但隨后濾速降低，此種濾池過濾周期較短。根據(jù)有關(guān)資料稱，其總濾出水量不及雙層濾池，且濾層有阻塞現(xiàn)象，石榴石價格高，也有流失情況。(3)混合濾料濾池這種形式的濾池是由混合在一起的濾料組成。濾料亦為煤、砂、石榴石，所占濾層比例為60%、30%、10%，配比為煤12mm，60cm砂0.60.8m/m，22.5cm；石榴石0.40.8mm，7.5cm，總厚度90cm，三種濾料摻合在一起，但上層煤粒多、中層砂粒多、下層石榴石多，其L/d或L/de與雙層濾池相同。這種類型不是三層濾池。據(jù)報告稱它截污強(qiáng)，效果比三層濾池好，曾與雙層濾池做過對比試驗，在效果上各有優(yōu)點，實際上相差無幾。(4)兩級濾池這種處理方式為只用濾池，而不需要正式沉淀池，第一組為粗濾池，第二級為煤砂雙層濾池。兩級濾池分為兩種類型。第一種類型為處理濁度大、水質(zhì)不好的原水的，流程為原水一閃爍混合絮凝短時簡易沉淀第一級過濾第二級過濾。這種類型的第一級濾池濾料de=620mm、厚度550750mm。第二種類型為處理一般水質(zhì)濁度不大的原水的，流程為原水閃爍混合第一級過濾第二級過濾，這種類型的第一級濾池濾料為35mm，厚度15002500mm。兩者的第一級濾池濾速皆可達(dá)到2540m/h。這兩種濾池的第一級濾池因所用濾料直徑不易反沖，通常用氣水沖洗。第二級濾池因為是煤砂雙層濾池，濾速通常為8m/h或多些?，F(xiàn)在這種濾池在國外引起使用興趣，國內(nèi)還不多見。(5)臭氧生物活性炭濾池(O3+BAC)此種濾池是利用活性炭的吸附量并采用臭氧消毒的技術(shù)。試驗表明如果水中含有充分的溶解氧，活性炭濾床有細(xì)菌孽生，產(chǎn)生生物活性，使得以去除水中有機(jī)物。在活性炭前加臭氧，增加生物活性炭活性。O3+BAC有著大量去除合成和天然有機(jī)物、溶解無機(jī)物及鐵、錳、味、嗅的效果。生物活性炭濾池比活性炭濾池使用壽命增加29倍，O3+BAC濾池使用壽命更長，一般一次可使用5年。O3+BAC受活性炭濾層厚度、溫度及去除氨氮的影響。不足處是生物膜由濾料中脫落，有進(jìn)入清水庫中的可能性，對水質(zhì)有損害。O3+BAC煤一砂雙層濾池的濾層、濾料尺寸等都與雙層煤砂濾池相符。 四、濾池應(yīng)用的幾個問題1、濾床厚度與粒徑比例曾在世界各地一些水廠做過調(diào)查，無論單層、多層濾池，L/d都在800左右，同時根據(jù)各水廠生產(chǎn)所得運(yùn)行數(shù)據(jù)，得出L/de在1000左右。這兩個數(shù)據(jù)對于控制濾床厚度有決定性的意義?，F(xiàn)在國內(nèi)從事給水工作者都已開始注意。2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃提出改善過濾效果關(guān)鍵之一是L/d等于或稍大于800，這是很及時的。最近國外有關(guān)給水專家提出新的建議，認(rèn)為用于快砂濾池或標(biāo)準(zhǔn)雙層濾池濾床L/de1000，用于粗濾料深濾床的濾床L/de1300，用于三層濾池的濾床L/de1300，這是多層濾池和粗濾料深濾床濾池一般都加少量聚合物助濾劑的要求。如果不加助濾劑，L/de比例至少再增加25%。從此意見看，濾床厚度比以前要求加大了，這恐怕由于目前原水有機(jī)物、微生物等都比以前種類及數(shù)量加多，更不容易處理的原故。國內(nèi)絕大多數(shù)濾池不加助濾劑，因此為控制濾出水水質(zhì)，L/de或L/d數(shù)據(jù)更需加大，以保證濾出水水質(zhì)。2、沖洗壓力與沖洗強(qiáng)度沖洗壓力大小對于潔凈濾料有很大的關(guān)系，沖洗壓力變化極為影響沖洗強(qiáng)度。以天津某水廠為例。該水廠使用雙層濾池，曾做過計算，當(dāng)水溫為20時，沖洗強(qiáng)度Um=0.76m/min，沖洗水塔水位一般下降2m，此時U下降到0.62m/min，變化率為18.4%，當(dāng)Um=0.76m/min時，膨脹率e=34%；而U=0.62m/min時，e=23%，兩者的e相差50%。如果水位下降1m，U下降為0.69m/min，變化率為9%，e=28.5%，兩者相差為19.2%。這是對外部沖洗管長度長及大阻力沖洗系統(tǒng)而言。如外部管道長度短又是小阻力系統(tǒng)，可以想到?jīng)_洗強(qiáng)度差距更大，沖洗膨脹率變化也更巨。日本設(shè)施設(shè)計指南提出濾池沖洗水塔要淺，表面積要大是有道理的，這樣在沖洗時水位變化小，沖洗強(qiáng)度降低也少，以保持沖洗效果，節(jié)省沖洗大量。目前大多數(shù)水廠不注意此問題，而致造成沖洗效果不合理想，而致浪費(fèi)水量是不值得的。3、多層濾池沖洗與濾料臨界流速多層濾池在沖洗時應(yīng)該保持各濾料沖起膨脹率的一致性。所以濾池的各濾粒顆粒粒徑和比重要互相匹配及保持相同的臨界流速。如果不這樣，會引起沖洗不徹底、濾層混雜及濾料流失，這是應(yīng)該極端注意的問題。以雙層濾池為例，可用鈴間川村提出公式求得以上關(guān)系。d1/d2=(p2-p)/(p1-p)0.667式中d1、d2：分別為煤、砂的有效粒徑；p1、p2：分別為煤、砂比重；p=水的比重為1并根據(jù)下式求得Vs、Va(Vs=Va)Vs=10dsVa=4.7ds式中Vs、Va：分別為煤、砂沖洗強(qiáng)度(m/min)da、ds：分別為煤、砂的d60(mm)天津曾以此公式試驗所得數(shù)據(jù)和其他設(shè)定數(shù)值試驗所得數(shù)據(jù)比較，以上述公式所得結(jié)果最佳。這個公式很重要，水廠采用雙層濾池時則往往忽略，應(yīng)引起特別注意，不然會使過濾效果不好。三層濾池所需數(shù)據(jù)也應(yīng)同樣用此辦法。4、墊層均勻性濾池中的墊層問題，往往為給水工作者所忽略，尤其是目前為了減低濾池高度，常常把墊層高度、墊層礫石級配及礫石大小減低或減小，這是不合理的。要知道墊層主要作用為削減沖洗水的不均勻性。舉例說60cm石英砂濾層反沖時，如果沖洗水在濾池底部不能全部均勻分配，則通過這60cm厚濾料的水頭阻力時，就在墊層中成橫向推力，力圖使上升流趨于平衡。如果這個60砂層的水頭阻力成為一個流速水頭潛力，它就能在濾床的某一點上，造成一個超過3.5m/s的向上流速，這個流速通常是液化濾床的60cm/min上向流速的350倍。如果上向流通過濾化床流動不均勻，就會有擾動墊層潛在危險。在砂石交界處造成射流作用的另一個因素是加大了在液化床中沖起礫石的可能性。例如液化床砂的膨脹率為20%，膨脹前空隙率為43%，既原有濾床有57%砂子。當(dāng)膨脹到原體積的120%時，砂子體積比變成47.5%，水為52.5%，液化床平均密度為1.784，同時淹沒的礫石密度減到2.651.00=1.65，礫石比重小于液化床平均比重，礫石會有所移動。墊層要有一定的高度，一定的分級級配及礫石要有一定的大小，主要為了保持沖洗水流的均勻性，硬性改變是不洽當(dāng)?shù)?。要想改變?yōu)V層，必須有相應(yīng)的措施，不然會造成沖洗不良效果。最近很多水廠采用小阻力系統(tǒng)，減薄墊層，但必須使上流水均勻，否則會使沖洗效果變壞，以致造成濾池不能使用的后果。5、沖洗和輔助沖洗在國外一般印象是，通常情況下如果濾池濾床沒有表面沖洗和或空氣搓洗等輔助設(shè)施，不能有效的將濾池沖洗干凈。他們認(rèn)定近些年來出版的刊物給人這樣一個印象，即空氣搓洗是唯一洗凈濾池的方法。但事實不是這樣，在美國就有少數(shù)的例子，于濾池使用聚合助濾劑情況下，盡管有空氣搓洗措施，在濾床中部和底部還是有顯著的泥球形成。他們建議在應(yīng)用濾池時，其水頭損失超過1.8m或過濾周期大于48h的情況，無論何時都要空氣搓洗與表面沖洗合用，以打碎濾床頂部510cm的壓實濾料，不使結(jié)成泥塊。從國外實際生產(chǎn)的例子看，表面沖洗比空氣搓洗，造成濾床積泥少，因此應(yīng)當(dāng)重視表面沖洗。在沖洗表面，國內(nèi)外文章很多討論此問題。國內(nèi)由用大量水沖洗逐漸改用氣、水沖洗，效果是可以的，法國提出濾層不膨脹氣、水沖洗，雖然在法國使用已有多年經(jīng)驗，現(xiàn)在國內(nèi)也在興起采用此種方法，但認(rèn)為需待進(jìn)一步使用后做評定。6、過濾周期濾池一般要求過濾周期長，以使多濾出水量。但過濾周期過長，會引起濾層內(nèi)有機(jī)物積累和菌類群增長，導(dǎo)致出水出現(xiàn)嗅味，以及濾池有難以除掉的粘滯物增長，并還導(dǎo)致濾層擠壓，增加沖洗麻煩。通過實踐，認(rèn)為過濾周期以不大于24h為宜，最多不超過36h。且濾速超過24h，濾出水也增加不多。增加濾出水量要增加濾速，這就需主要是降低濾前水濁度，據(jù)有關(guān)資料稱，濾前水濁度降低20%，濾速就能增長1倍。7、間歇過濾有一些水廠操作人員采用間歇過濾方法，而不用連續(xù)過濾方法。國外有資料稱，間歇過濾方法對所有濾池處理包括起始過濾，都會產(chǎn)生重大的水力沖擊，還會促進(jìn)微生物生長。如果有這種情況發(fā)生，須停止此種運(yùn)行方式，采取重新循環(huán)過濾方法解決。國內(nèi)在供水量過大的情況下，一般常使用間歇過濾方法，應(yīng)當(dāng)注意這個問題。8、三層濾池使用三層濾池運(yùn)行初期過濾速度高于單層濾池及雙層濾池，但從所得資料得知，三層濾池有三個明顯的缺點，即(1)起始過濾水頭損失大，過濾周期短；(2)多數(shù)生產(chǎn)例子指出石榴石會丟失；(3)石榴石比之煤濾料價格要高很多。另外三層濾池周期總濾水量不如雙層煤砂濾池，且易堵塞濾池。國內(nèi)一度推行三層濾池，但由于以上所談的不足，在應(yīng)用上很有再探討的必要。實際上三層濾池只是在底層多加了一層細(xì)的石榴石，對濾出水濁度改善不多，卻顯著地增加了水頭損失，在造價上和管理維護(hù)上不如雙層濾池，因此考慮采用此種濾種時應(yīng)用慎重。9、濾池濾料有效直徑和均勻系數(shù)濾池濾料兩個主要參數(shù)是有效直徑(d10)和均勻系數(shù)(UC)。d10指的是濾床濾料10%重的粒徑，其過水阻力比之其他百分?jǐn)?shù)重的粒徑起的作用大。d60指的是60%粒徑重的濾料，它在實用觀點上似乎是濾料最合乎邏輯的代表直徑，不僅d60是顆粒數(shù)量級配的模式，而從UC來看d60對多數(shù)濾料都是相當(dāng)合適的。所以一般UC用d60/ d10來控制。在理論上UC小一些好。日本水道設(shè)施指南、解說要求砂濾料UC為1.3，認(rèn)為再小篩分不易。煤濾料系無煙煤磨碎篩分而成，也不容易篩分的太細(xì)，且篩分的過細(xì)損失煤料太多（陶粒濾料也是如此）。所以這些濾料UC也只能最大限度到1.3。要想使UC再減少，甚至到達(dá)1.0，可用塑料制造，目前國外已有應(yīng)用。但如果濾料粒徑都成為一樣，對攔阻濁質(zhì)上可能有影響，濁質(zhì)易于穿透，這也是應(yīng)當(dāng)注意的。有主張以占90%濾料重顆粒粒徑來代替60%的。這樣UCd90/ d10=1.7，因為d90粒徑比之d60的大4050%。但合理設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是UC低（即1.31.4），這樣會使濾池運(yùn)行相宜，比液化粗濾料要求的沖洗強(qiáng)度低，且可減少混雜。UC=1.4時，d90的僅比d60的大25%；UC=1.2時，d90的比之d60的，只相差1015%。一般認(rèn)為采用d60，有以下三個原因：(1)濾料規(guī)定采用d60和d10，UC容易計算，(2)UC用低指標(biāo)，d60和d90相差不顯著，(3)50年來一直用d60這個指標(biāo)。從以上議論來看，蘇聯(lián)規(guī)定的( d80/ d10)指標(biāo)，似乎不如d60/ d10更為合理和實用。10、多層濾池輕質(zhì)濾料流失多層濾池的優(yōu)點很多，但唯一遺憾的是大量丟失濾料。事實上并非如此，筆者曾于60年代在天津從事煤一砂雙層濾料池科研項目工作兩年之久。在模型試驗中，觀察到?jīng)_洗煤濾料剛一越過排水槽底，因過水?dāng)嗝嫱蝗豢s小，即有煤粒上躍。沖洗高度加大跳動煤粒加多，可以看到煤粒順著排水槽兩側(cè)個別流失；再稍加高一些，煤粒突然大量跳出流到排水槽。從本試驗看到，膨脹面超過槽底一定距離（在本試驗中超過槽底17cm），即膨脹面距模型排水槽頂3040cm可以不跑濾料。根據(jù)本試驗，在生產(chǎn)實踐當(dāng)中，采取了一些解決辦法，即在沖洗前將濾池水位降到距濾層頂部15cm。沖洗時先緩開沖洗閘徐徐將水托起，注意此時一定要將濾池內(nèi)氣體全部托出，當(dāng)沖洗水流到排水槽內(nèi)時，就不要再跑出氣體，只有黃泥湯。這時再用設(shè)計的沖洗強(qiáng)度沖洗，這種方法收到了效果。特別注意沖洗待洗的第一個濾池，一定在沖洗水流入排入槽以前，要將池內(nèi)氣體徹底排凈。筆者實驗所用生產(chǎn)濾池排水槽距濾層頂部距離較短，特別易于跑煤，但筆者試驗了一年，只有極少煤料丟失。從研究當(dāng)中可以肯定，多層濾池輕質(zhì)濾料跑失現(xiàn)象是可以避免的，跑煤問題在于管理不認(rèn)真所致，個別的由于設(shè)計考慮不周而成。在生產(chǎn)中操作人不是由習(xí)慣操作不當(dāng)或就是圖省事不按操作要求辦事，只降水到排水槽頂，在反沖時不先將池內(nèi)氣體，于沖洗水流到排水槽頂時排凈，而致流失大量濾料。當(dāng)然單層濾池操作不當(dāng)也會產(chǎn)生濾料流失結(jié)果。11、運(yùn)行評估一般由濾出水水質(zhì)（濁度、顆粒計數(shù)）和運(yùn)轉(zhuǎn)周期對運(yùn)行評估。目前還是用砂芯取樣檢驗方法作為主要評估手段。砂芯所取砂樣提供給操作人員濾池沖洗前后沉積砂上絮體分布和濾床縱斷濾料粒徑和均勻情況。聚集在濾床頂部細(xì)小雜質(zhì)，能很容易地從所得數(shù)據(jù)圖表和記錄儀表上得知，進(jìn)而決定是否應(yīng)當(dāng)沖洗。濾池沖洗效果的真正讀數(shù)，幅射的濁度不能提出。然而對濾出水所含雜質(zhì)粒徑范圍的分析方法，則是對濾出水水質(zhì)控制的可貴監(jiān)測手段，因為它給予操作人員察覺濾池濁度穿透的一個警告。 三、對應(yīng)用濾池的初步看法國內(nèi)外濾池有很多類型，有一些正在普遍應(yīng)用，也有一些正在生產(chǎn)實踐階段，還有一些是最近提出正在進(jìn)行試驗的。對于這些類型的濾池應(yīng)用情況及一些相應(yīng)問題，結(jié)合國內(nèi)外的研究和生產(chǎn)的一些報告和論著，提出初步看法如下：1、直接濾池包括投藥一混合一絮凝一過濾及投藥一混合一過濾處理的濾池。這種濾池在國內(nèi)外都有很多水廠應(yīng)用。然而在當(dāng)前原水水質(zhì)逐漸惡化，有機(jī)物和微生物日益增多的情況下，正在逐步增加危害人體健康的趨勢。常規(guī)水處理技術(shù)已正在或已經(jīng)不能將這些物質(zhì)除去，因此采用簡化凈水處理的直接過濾可靠性更為不足。最近美國的保健單位幾許不許可采用這種方法。美國最近凈化處理的基本方針已明確水處理要可靠，一定要由多級處理實現(xiàn)，用直接過濾處理方式不可靠。在這種情況下，建議除非有特殊條件，不要采用直接過濾處理方式。2、原水不加藥劑直接通過凈化設(shè)備處理這種處理方法，只能去除原水中大的顆粒，對細(xì)微顆粒無法攔截，且對有機(jī)物、微生物的去除更不能做到。雖然濾出水可以加消毒劑解決，但不能徹底，也是片面的解決方法。國外對這種處理方法已有所報道，絕大多數(shù)認(rèn)為不能應(yīng)用。因此這種處理方法不能保證飲用水的可靠性，對人們身體安全沒有保障?，F(xiàn)辦內(nèi)仍有水廠在應(yīng)用，實際上不能達(dá)到要求飲用水水質(zhì)的目的，建議應(yīng)慎重加以考慮。3、均質(zhì)濾料濾池和深床濾料濾池均質(zhì)濾料濾池和深床濾料濾池應(yīng)該說同屬于粗濾料深濾層濾池范疇。均質(zhì)濾池有兩個特點，一是濾床不膨脹或微膨脹，另一是濾層每個橫斷面的濾料級配都是一樣的，而深床濾池則與快濾池濾床級配方法相同，就是濾料顆粒大一些，濾床深一些，因此認(rèn)為目前所說均粒、均勻、粗濾料等濾池都是屬于這一種。均質(zhì)濾池目前國內(nèi)所采用的是由法國引進(jìn)的，為Degremont公司的出品，一切裝置全部都是該公司制造的，據(jù)報道效果很好。此濾池在充填濾料時，如何便濾料每層充填都級配一致，尚無此方面的資料，認(rèn)為這是凈化處理好壞的關(guān)鍵問題應(yīng)當(dāng)注意。再有在單獨采用此種濾池，而無其他相應(yīng)控制操作設(shè)備時有否差異，也是值得考慮的。深床濾池構(gòu)造的技術(shù)數(shù)據(jù)d10.UC.濾層厚等都與快濾池一樣，只是在沖洗方面掌握得體就無問題。2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃認(rèn)為這兩種濾池都是改善凈化處理的濾池。4、三層濾池與混合濾池它們都是多層濾池的一種。三層濾池通過實踐，在起始過濾時濾出水比雙層濾池好，但易于堵塞，且造價、維護(hù)都不如雙層濾池，并在一個過濾周期內(nèi)總濾出水量不如雙層濾池。國內(nèi)一度有一些水廠應(yīng)用，因為不大實用，目前用的很少，認(rèn)為如無特殊需要，僅量不用此種濾池。混合濾池雖然都是用著三種濾料，但不同于三層濾池，它是三種濾料混合在一起的濾床的濾池，目的是有更多的濾料接觸面，以加大攔截絮凝水中的顆粒。據(jù)國外報道，通過實踐與雙層濾池相比，無論在濾水量，濾水水質(zhì)、過濾周期及水頭損失上都基本上相同，但造價與維護(hù)上不如雙層濾池，可考慮試用。5、臭氧一生物活性炭濾池此種濾池國外應(yīng)用多年，國內(nèi)正在試用，尚屬于模索階段。它主要是把污水處理技術(shù)移到給水上來。在當(dāng)前原水含有有機(jī)物、微生物等日益增多情況下，用O3+BAC是加強(qiáng)凈化處理的方向之一。這種濾池在實用中也出現(xiàn)一些問題，最重要的是生物膜上未除掉的細(xì)菌隨著濾出水流入清水池中，這些細(xì)菌帶有各種代謝產(chǎn)物及微生物如內(nèi)毒素、溶解性微生物產(chǎn)物和完全分解的有機(jī)物等在水中，它們對人體是否有影響大有疑問。對這些流入清水池的細(xì)菌要加大氯劑解決，這樣使細(xì)菌會有更強(qiáng)的抗消毒能力，所以在消毒方面應(yīng)更加嚴(yán)格對待。6、慢濾池這種池子于國內(nèi)解放以來，幾乎所有城市都予以廢棄，改建為快濾池，也沒有新建的，農(nóng)村給水在5060年代尚有采用，以后也很少有使用的，國內(nèi)都科書很少介紹此種濾池。但國外尤其是歐洲國空為保持水質(zhì)，很多以慢濾池處理作為最后把關(guān)設(shè)施。慢濾池是利用砂層增殖的微生物群，捕捉水中的雜質(zhì)，依靠氧化分解作用進(jìn)行凈化的方法，它實際上是起著生物濾池的作用。最近由于有機(jī)物及微生物大量出現(xiàn)，而慢濾池凈化主要為生物凈化作用，因而對有機(jī)物、微生物的去除，起到一般快濾池不能達(dá)到的作用。由于這個原因，國外更重視慢波池的使用。國內(nèi)好象對慢濾池的作用尚沒有引起注意，在當(dāng)前原水有機(jī)物、微生物日益增加的情況下，應(yīng)當(dāng)把慢濾池的采用列到議事日程上來加以探討。7、兩級濾池這種方式主要是利用兩個串聯(lián)的濾池從事凈化處理。而將常規(guī)處理的沉淀部分取消。有的原水惡劣，可加簡易的沉淀裝置，原水水質(zhì)潔凈的還可將絮凝部分去掉。采用這種方式的濾池，目的是不用投資大占地廣的沉淀地。目前國外據(jù)有關(guān)報道已以此種濾池引起興趣，有許多城市建造。國內(nèi)個別城市也在使用，據(jù)報告效果還好?？磥磉@種濾池還是有一定的發(fā)展前途。8、連續(xù)過濾濾池（一元化濾池）這種濾池國外俄國及一些國家正在應(yīng)用，它能以過濾、沖洗同時運(yùn)轉(zhuǎn)，不需間斷，是一種管理、維護(hù)管理簡便的濾池，尤其是小型城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及工業(yè)供水最為便利，且占地少，值得注意。9、陶粒濾料濾池近三十年來俄國提出了陶粒濾料濾池。認(rèn)為這種池子的陶粒比石英砂更為優(yōu)越，其表面積為石英砂的23倍，孔隙率為5570%，比石英砂大1.5倍左右，機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性都好。這種陶粒已在國內(nèi)單層濾池和雙層濾池應(yīng)用，據(jù)報導(dǎo)效果很好。如果在造價上不貴，可以考慮代替石英砂作為濾池的濾料。10、雙層濾料濾池和粗濾料深濾層濾池雙層濾料濾池是國內(nèi)外通用的濾池，粗濾料探濾層濾池國外用的也有，國內(nèi)用的極少。雙層濾池在目前情況下，還是應(yīng)予推薦使用的一種濾池，它池出水量多，濾出水質(zhì)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，造價低，易于操作和維護(hù)，當(dāng)然對待特殊的原水，還需要另外其他深度處理補(bǔ)充，至于濾料流出問題，只要管理得當(dāng)，這種情況是不會出現(xiàn)的。粗濾料深濾層濾池（指一般濾床深的砂濾池）認(rèn)為須達(dá)到L/d或L/de的要求，但還須注意由于所用濾料較粗，須防止?jié)豳|(zhì)漏泄。國外美國洛杉磯使用的粗濾料濾池也應(yīng)屬于這一種濾池，由于煤濾料棱角多，吸附性強(qiáng)，所以過濾效果非常好。國內(nèi)尚無應(yīng)用此種濾料濾池的報導(dǎo)。2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃提出在提高濾池的效果上，推薦采用這兩種濾池。但雙層濾池濾床不需要太深，濾料粒徑不需要太大，且易沖洗，相比起來是較好的優(yōu)點。11、膜過濾濾池膜過濾是一種新型的凈水處理技術(shù)，它可以避開常規(guī)使用的水處理程序，只單獨使用過濾膜就可以將原水處理成飲用水，并是純屬物理性處理技術(shù)。這種過濾膜有微濾(MF)、超濾(UF)和納諾過濾(NF)類型，以納諾過濾處理效果最優(yōu)，它幾乎將原水中有機(jī)物及微生物全部除盡，應(yīng)該說是水處理技術(shù)的一次革命?，F(xiàn)在國外美、法用的較多，國內(nèi)也有個別使用的。當(dāng)前主要問題是膜使用年限一般為57年，另外膜設(shè)備造價與常規(guī)水處理設(shè)施相比還是貴的，尤其是國內(nèi)更是如此。這種膜技術(shù)國外認(rèn)為如果原水不好，還得在使用前采用常規(guī)處理。如果用NF過濾，前面得加MF或UF處理。國內(nèi)限于財力、技術(shù)恐一時不