水质工程学-第5章-过滤

第五章过滤过滤概述过滤理论滤料和承托层滤池反冲洗普通快滤池其他形式滤池5.1过滤概述一、过滤的作用发展

清洁的井水是通过底层的过滤作用而获得的，这一经验启发了人类用过滤的方法处理水。概念

过滤就是以具有孔隙的粒状滤料层（如石英砂）截留水中杂质。作用

过滤对生活饮用水的水厂来说，必须有过滤，这是不可缺少的。进一步降低浊度。水中部分的有机物、病毒、细菌等随水浊度的降低部分去除。残留于滤后水中的病毒、细菌等在失去浑浊物的保护或依附时，在滤后消毒作用中将容易灭活。二、慢滤池（扩展内容）慢滤水处理工艺是1804年英格兰JohnCibb为制取高质量的洁净水而发明的。该工艺因占地面积大,后来被美国人发明的快滤池所取代。伦敦约有80%的自来水是以慢滤作为最终处理措施的,在印度、泰国等国家的农村饮水处理中也广泛采用慢滤。慢滤池的净水机理相当复杂,它是在机械筛滤、生物吸附降解、沉淀、扩散、传递及静电吸附等物理化学和生物化学作用下完成净水过程的。出水浊度可接近于0NTU，而且能很好的去除细菌、臭味、色度、水质很好，可直接饮用。设计参数：慢滤池的滤料多采用粒径为0.3~1.0mm的石英砂或普通河沙。慢滤池内的滤料层厚度一般在0.65~1.50m之间,不得小0.65m。为保证慢滤池正常工作,滤层上面应保持一定的作用水头,一般在0.1~0.5m。慢滤池的水力负荷一般为0.1~0.3m/h。慢滤池的成熟期：慢滤池在开始使用的1~2周内，滤后水质较差，而后绿层顶部几厘米厚，由原来的松散砂粒，变成一个发粘的滤层（滤膜），具有微生物的净化作用。

清洗：慢滤池的运行周期较长,一般在几个月或一年以上。当滤料堵塞需要清洗时,可采用人工方法进行。用铲将表层25~30mm厚度的滤层铲出清洗。由于慢滤池占地面积大、操作麻烦、寒冷季节时其表层容易冰冻，在城镇水厂中使用的慢滤池逐渐被快滤池所代替。现代慢滤池主要用于村镇小型水厂。适用的进水条件出水水质细菌的去除效率颗粒物去除效率浊度10ntu以下；总大肠菌类10~1000个/100mL；藻类不太多；10000人以下的给水处理小于1.0ntu总大肠菌类<1个/100mL细菌总数99%能去除逗号弧菌(Vibriocomma)2.7~7

m99%7~12m99.9%较大颗粒99%~99.9%表5-1现代慢滤池的适用的进水条件与出水水质快滤池构造透视图滤池构造示意图三、快滤池9

快速滤池过滤过程示意图

反洗：F1、F2关，F3、F4开过滤：F1、F2开，F4、F3关进水出水10

滤池反洗过程示意图反洗：F1、F2关，F3、F4开反洗水

工作过程由过滤与反冲洗两部分组成。滤速滤速是指单位时间、单位过滤面积上的过滤水量，单位为m3/(m2

h)或m/h。单层滤料8~10m/h，双层10~14m/h，多层18~20m/h。反冲洗的条件水头损失，出水水质工作周期从过滤开始到冲洗结束的一段时间称为快滤池的工作周期。从过滤开始到过滤结束称为过滤周期。滤池的工作周期为12~24h。

在保证滤后水质前提下，设法提高滤速和工作周期，这一直是过滤技术研究的一个重要课题。并因此推动了过滤技术的发展。5.2过滤理论是机械筛除作用吗？单层石英砂滤池，滤料粒径0.5-1.2mm，滤层厚度70cm，反冲洗后水力分级，设表层砂粒0.5mm，则孔隙尺寸80微米。但30微米的杂质仍能被截留下来，说明不是机械筛滤作用。粘附作用过滤主要是悬浮颗粒与滤料颗粒之间粘附作用的结果。

一、截留机理1.悬浮颗粒被截留的机理（1）迁移机理沉淀：流速小，重力作用。扩散：存在浓度梯度，颗粒小，布朗运动较剧烈时。惯性：本身速度具有的惯性力。拦截：颗粒尺寸较大，表面接触拦截。被水流挟带的颗粒如何与滤料表面接近或接触。

水动力：存在速度梯度，非球形颗粒的转动。（2）粘附机理当颗粒与滤料表面接触或接近时，依靠范德华引力、静电力以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用：当范德华引力大于双电层斥力时，能粘附。如投加铝、铁盐混凝剂。絮凝颗粒间的架桥作用使它们粘附。投高分子絮凝剂。粘附作用主要决定于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质。未经脱稳的悬浮物颗粒，过滤效果很差，这就是证明。基于这一概念，过滤效果主要取决于颗粒表面的性质而无须增大颗粒尺寸。相反如果悬浮颗粒尺寸过大而形成机械筛滤作用，反而会引起表面滤料孔隙堵塞。是不是颗粒尺寸越大，过滤时越有利？附着力与水流剪力从颗粒的受力图分析粘附力和水流剪力的相对大小决定了颗粒粘附和脱落的程度。从过滤过程分析杂质进入滤层后，首先被第一层滤料截留大部分少量“漏网”杂质被下层滤料截留。悬浮颗粒向下层推移，下层滤料截留作用渐次发挥。过滤到一定时间后，表面滤料间孔隙逐渐被杂质堵塞，形成滤膜。2.悬浮颗粒粘附与剥离3.滤层利用与含污量的变化过滤开始阶段，滤层较干净，孔隙率较大，孔隙流速小，水流剪力Fs1较小，粘附力作用占优势。随着过滤时间延长，滤层中杂质逐渐增大，以至最后粘附上的颗粒将首先脱落下来，或被水流夹带的后续颗粒不再有粘附现象，于是，悬浮颗粒便向下层推移，下层滤料截留作用渐次得到发挥。往往是下层滤料的截留悬浮颗粒的作用还没有得到充分发挥，过滤就必须停止了。滤料水力分级导致结果。前提：单水冲洗的石英砂滤料滤池典型的水力分级滤料层。滤层利用过程：表层滤料间的空隙将被堵塞，严重时，由于滤料的“筛滤”结果，甚至产生泥膜，使过滤阻力剧增。在一定过滤水头下，滤速将急剧减小，或滤膜产生裂缝时，大量水流将自裂缝中流出，局部流速过大而使杂质穿透滤层，出水水质恶化。下层滤料还未发挥应有作用，过滤也将被停止。单层滤料的含污能力随滤池深度的变化很大，滤层含污量少。结果：在一个过滤周期内，单位体积滤层中的平均含污量称为“滤层含污能力”，单位g/cm3或kg/m3。滤层过滤(depthfiltration)

被截留的颗粒物分布在过滤介质内部，借助滤料表面的粘附作用截留悬浮固体。因此，当滤层过滤的滤池出现表面过滤的现象时，会妨害其内部过滤功能的发挥，对过滤是不利的。表面过滤(surfacefiltration)

被截留的颗粒物聚集在过滤介质表面时，称表面过滤。粗滤、微滤和膜滤都属于表面过滤，利用孔隙的筛除作用。（1）上向流过滤（反向过滤）4.提高滤层含污量的方法①各组滤池之间和滤池内部配水不均匀,容易导致局部穿透;②受反冲洗方式的限制,难以去除在滤料层底部聚集的大量污泥,滤料易板结;③反向过滤的设计滤速取值过大,容易造成滤料层的膨胀而导致出水水质变差。理想滤层、反向过滤、均质滤料、多层滤料（2）反粒度过滤—双层滤料（3）反粒度过滤—三层滤料（4）均质滤料：沿整个滤层深度方向的任一断面上，滤料组成和平均粒径均匀一致。要实现均质滤料过滤，反冲洗时滤料层不能膨胀。

双层滤料和多层滤料滤池中出现的混层现象

一种观点认为：适度的混层，可避免交界面上积聚过多杂质而使水头损失增长较快，故适度混杂是有益的另一种认为：煤-砂交界面上不应有混杂现象。因为煤层起截留大量杂质作用，砂层则起精过滤作用，而界面分层清晰，起始水头损失将较小。5.直接过滤原水加药后不经过沉淀，而直接进入滤池的过滤。接触过滤原水加药后只经过混合就直接进入滤池过滤微絮凝过滤原水加药后经过混合和微絮凝池后进入滤池过滤直接过滤的特点采用双层或三层滤料滤池。采用聚合物为主混凝剂或助凝剂。工艺简单，药剂用量少。原水混合双层或三层滤料滤池过滤出水硫酸铝聚合物（a）阳离子型聚合物双层或三层滤料滤池双层或三层滤料滤池阳离子型聚合物原水混合原水硫酸铝混合混合絮凝池聚合物（C）絮凝池原水混合双层或三层滤料滤池（b）过滤出水过滤出水过滤出水（d）直接过滤的要求原水浊度和色度较低且水质变化小，常年原水浊度低于50度。直接过滤中的滤速应根据原水水质决定，浊度偏高时应采用较低滤速，当原水浊度在50度以上时，滤速一般在5m/h左右。原水进入滤池前不应形成大的絮凝体。直接过滤的应用湖泊、水库等低浊度水。（1）清洁滤料层的水头损失二、过滤水力学1.过滤过程中水头损失变化卡曼——康悉尼计算公式（Carman——Kozony)式中：h0—水流通过清洁滤层水头损失（cm）；

υ—水的运动粘度(cm2/s)；

g—重力加速度(cm/s2)；

m0—滤料孔隙度；

d0—与滤料体积相同的球体直径(cm)；

l0—滤层厚度(cm)；v—滤速(cm/s)—滤料颗粒球度系数。实际滤层是非均匀滤料。计算非均匀滤层水头损失，可分成若干层，则各层水头损失之和为整个滤层总水头损失。根据均质滤料层

设粒径为di的滤料重量占全部滤料重量之比为pi，则清洁滤层总水头损失为：

分层越多，计算精度越高。（分析：悬浮物杂质增多，m0

，由H0公式知，当d0、

l0、

T已定时，如m0

、

H0不变v

，反之v不变H0

）这样就产生了等速过滤与变速过滤两种过滤方式。（2）过滤过程中的水头损失过滤时滤池的总水头损失为：

式中：H0—清洁滤层水头损失，cm;h—配水系统、承托层及管（渠）水头损失之和，cm;

Ht—在时间为t时的水头损失增值，cm。

式中的H0和h在整个过滤过程中不变。Ht随t增加而增大。Ht与t的关系，实际上反应了滤层截留杂质量与过滤时间的关系，亦即滤层孔隙率的变化与时间关系。由于过滤情况很复杂，目前有不少计算公式，但与生产实际存在差距。通过实验Ht与t一般呈直线关系。（见图）

Hmax为水头损失增值为最大时的过滤水头损失，一般为1.5~2.0m。

T为过滤周期。如果不出现滤后水质恶化等情况，过滤周期不仅决定于最大允许水头损失、还与滤速有关。设滤速vˊ>v，其清洁砂层水头损失为H0ˊ

。一方面H0ˊ>H0

，同时单位时间内滤层截留的杂质量较多，水头损失增加也较快，tg

ˊ>tg

，因而，过滤周期Tˊ<T。其中已忽略了承托层及配水系统、管（渠）等水头损失的微小变化。当过滤水头损失达到最大允许水头损失Hmax

，过滤既告终止。2.等速过滤与变速过滤（1）等速（恒速）过滤滤池的过滤速度保持不变，即流量保持不变时称等速过滤。在恒速过滤状态，由于滤层逐渐被堵塞，水头损失随过滤时间逐渐增加，滤池中水位逐渐上升，当水位上升到最高水位时，过滤停止以待冲洗。无阀滤池与虹吸滤池是典型的恒速过滤滤池。（2）变速（减速）过滤滤速随过滤时间而逐渐减小的过滤。四个滤池组成一个滤池组，假设：进入滤池组的总流量不变；每个池子的性能完全相同；每个滤池恰好按编号顺序进行冲洗减速过滤的滤后水质较好，而且在相同的过滤周期内，过滤的水头损失也较小。在滤料干净时，滤层孔隙率较大，虽然此时滤速较其他滤池要高，但空隙中的流速并非按滤速增高倍数儿增大；滤层内截留较多杂质时，虽然滤速降低，但因滤层孔隙率减少，孔隙流速并未过多减少。过滤初期滤速较大可使悬浮杂质深入下层滤料，过滤后期滤速减小，可防止悬浮颗粒穿透滤层。

（3）减速过滤水质优于等速过滤（4）不同过滤方式的控制用控制进水流量的方法，可实现恒滤速变水头过滤。用溢流堰进水，进水流量只与堰前水位有关，保持其不变，则滤速可恒定，滤层中水头损失不断增大。在出水管上安装滤速调节器，可控制出水流量不变，滤速不变，进水阀全开不控制。池内水位将与其他滤池水位相同，实现恒滤速恒水头过滤。

在恒滤速恒水头的情况下去掉出水管上的滤速调节器，对过滤流量不控制，则为变滤速恒水头过滤。3.负水头现象产生原因(概念):当过滤进行到一定时刻时，从滤料表面到某一深度处的滤层的水头损失超过该深度处的水深，该深度处就出现负水头，见图。

危害避免方法①增加砂面上的水深；

②令滤池出口位置等于或高于滤层表面。①减少过滤面积，增加滤层局部阻力，增加了水头损失；②空气泡会穿过滤料层，上升到滤池表面，甚至把煤粒这种轻质滤料带走,破坏滤层结构;在冲洗时，空气更容易把大量的滤料随水带走。负水头会导致水中的空气释放出来，形成气囊5.3滤料与承托层一、滤料滤料要求具有足够的机械强度具有足够的稳定性能就地取材、价廉具有一定的颗粒级配和适当的孔隙率，表面比较粗糙而有棱角。常用滤料石英砂、无烟煤、石榴石、磁铁矿、钛铁矿、陶粒等无烟煤滤料性能参数比表面积粒状滤料的比表面积可以表示为单位重量或体积的滤料所具有的表面积，单位为cm2/g或cm2/cm3。有效粒径与不均匀系数粒径级配可以用滤料的有效粒径和不均匀系数表示，关系如下：有效粒径：d10，通过滤料重量10%的筛孔孔径，反映细颗粒尺寸。不均匀系数：K80，表示粗颗粒与细颗粒的比。有效粒径：d80，通过滤料重量80%的筛孔孔径，反映粗颗粒尺寸。

不均匀系数K80越大，滤料越不均匀，小颗粒会填充于大颗粒的间隙内，从而使滤料的空隙率和纳污能力降低，水头损失增大。

K80越大对过滤和冲洗均不利。因此不均匀系数以小为佳。但是不均匀系数越小，加工费用也越高。综合考虑，一般K80控制在1.65～1.80之间为宜。不均匀系数K80

表5-2滤料级配与滤速类别滤料组成滤速（m/h）强制滤速（m/h）粒径（mm）不均匀系数K80厚度（mm）单层石砂滤料dmax=1.2dmin=0.5<2.0700~1010~14双层滤料无烟煤dmax=1.8dmin=0.8<2.0300~40010~1414~18石英砂dmax=1.2dmin=0.5<2.0400三层滤料无烟煤dmax=1.6dmin=0.8<1.745018~2020~25石英砂dmax=0.8dmin=0.5<1.5230重质矿石dmax=0.5dmin=0.25<1.770最大粒径、最小粒径筛孔（mm）留在筛上的砂量通过该号筛的砂量质量（g）%质量（g）%2.3620.80.4199.299.61.65118.49.32180.890.40.99140.620.3140.270.10.58985.042.555.227.60.24643.421.711.85.90.2089.24.62.61.3筛底盘2.61.3––合计200100滤料的筛分方法

(1)筛分试验记录表5-4筛分试验记录标准筛筛分仪筛分试验结果d10=0.4mmd80=1.34mmK80=d80/d10=1.34/0.4=3.37(2)筛分方法要求：d10=0.55mm，K80=2.0，d80=2×0.55=1.1mm。大粒径（d>1.54）颗粒约筛除13.5%，小粒径（d<0.44）颗粒约筛除12.0%。精确取用同一粒径滤料的方法：将滤料样品倾入某一筛子过筛后，将筛子上的砂全部倒掉，再将卡在筛孔中的那部分砂振动掉下来，如此重复进行，可得到同一粒径的滤料。从这些振动下来的砂粒中取出几粒，按以下公式可求出其等体积球体直径：

（17-5）式中，G——n个颗粒的总重量,g；

——颗粒密度,g/cm3。等体积球体直径滤料层的孔隙率滤料层的孔隙率指整个滤层中孔隙总体积与整个滤层的堆积体积之比。测定方法：取一定量的滤料，在105℃下烘干称重，并用比重瓶测出其密度。然后放入过滤筒中，用清水过滤一段时间后，量出滤层体积，则孔隙率为式中，G——烘干后的滤料,g；

ρ——滤料的密度，g/cm3；

V——滤料层的堆积体积，cm3。

m与滤料颗粒形状、均匀程度、压实程度有关，一般滤池石英砂滤料m为0.42左右。

表5-3滤料颗粒的形状及其球度系数、形状系数、孔隙率图

滤料颗粒的形状示意序号形状描述球度系数形状系数孔隙率1圆球形1.01.000.382圆

形0.981.020.383已磨蚀的0.941.060.394带锐角的0.811.230.405有角的0.781.280.43球度系数与形状系数球度系数：形状系数：二、承托层承托层的作用防止滤料层从配水系统流失。均匀布置反冲洗水。组成表5-5快滤池大阻力配水系统承托层粒径和厚度层次（自上而下）粒径（mm）厚度12~410024~810038~16100416~32本层顶面高度至少应高于配水系统孔眼100

层次（自上而下）材料粒径（mm）厚度（mm）1重质矿石（如石榴石、磁铁矿等）0.5~1.0502重质矿石（如石榴石、磁铁矿等）1~2503重质矿石（如石榴石、磁铁矿等）2~4504重质矿石（如石榴石、磁铁矿等）4~8505砾石8~161006砾石16~32本层顶面高度至少应高于配水系统孔眼100表5-6三层滤料滤池承托层材料、粒径与厚度注:配水系统如用滤砖且孔径为4mm时，第6层可不设。为了防止反冲洗时承托层移动，美国对单层和双层滤料滤池也有采用“粗-细-粗”的砾石分层方式。如果采用小阻力配水系统，承托层可以不设，或者适当铺设一些粗砂或细砾石，视配水系统的具体情况而定。普通快滤池内部滤料层反冲洗排水槽高速水流反冲洗气-水联合反冲洗气-水联合反冲洗加表面助冲一、反冲洗的方式及控制参数1.高速水流反冲洗原理截留于滤层中的杂质，在高速反向水流的水流剪力和滤料颗粒的碰撞摩擦双重作用下，从滤料表面脱落下来，然后被冲洗水带出滤池。5.4滤池反冲洗除铁滤池高速水流反冲洗控制参数（1）反冲洗强度（q）以cm/s计的反冲洗流速，换算成单位面积滤层所通过的反冲洗流量，称为冲洗强度，单位为L/(s

m2)q对反冲洗效果有什么影响？

q过小，滤层孔隙中的水流剪力小；

q过大，滤层的膨胀度过大，滤层孔隙中的水流剪力也会降低；且由于滤料颗粒过于离散，颗粒碰撞摩擦几率减少；

q以最大粒径的滤料的最小流态化流速确定。（2）滤层膨胀度（e）反冲洗时,滤层膨胀后所增加的厚度与膨胀前厚度之比。由于滤层膨胀前、后单位面积上滤料体积不变，于是：e对反冲洗效果有什么影响？

e过小,下层滤料浮不起来；

e过大，滤料颗粒之间碰撞摩擦几率减小，上层滤料流失，承托层发生移动；

理想的e应是截留杂质的那部分滤料恰好完全膨胀起来，或者下层最大滤料颗粒刚刚开始浮起时为宜。根据经验，一般单层滤料（砂料）e采用45%左右，煤—砂双层滤料取50%左右。（3）冲洗时间（t）

必须保证冲洗时间，一般在实际生产操作时，主要看

冲洗废水的允许浊度来决定。

当q与e符合要求，若冲洗时间不足会出现哪些情况？不能充分清洗掉滤料表面污泥。冲洗废水也不能将污泥排尽，会导致污泥重返滤层。长期下去滤层表面将形成泥膜。序号滤层类型冲洗强度(L/s

m2)膨胀度（%）冲洗时间（min）1石英砂滤料12~15457~52双层滤料13~16508~63三层滤料16~17557~5表5-7冲洗强度、膨胀度和冲洗时间

注：1.设计水温按20℃计，水温每增减1℃，冲洗强度相应增减速1%；２.由于全年水温、水质有所变化，应考虑有适当调整冲洗强度的可能；３.选择冲洗强度应考虑所用混凝剂品种的因素；４.无阀滤池冲洗时间可采用低限；５.膨胀度数值仅作设计计算用。设计时，一般q、e、t根据滤层不同决定。2.气-水联合反冲洗原理冲洗效果好；节约反冲洗水量，水冲强度可降低；冲洗结束后，滤层不产生或不明显产生上细下粗的分层现象；操作较为麻烦，池子和设备较复杂，需增加鼓风机或空压机、储气罐等气冲设备。特点利用上升空气气泡的震动将附着于滤料表面杂质（污物）擦洗下来使之悬浮于水中，然后再用水反冲把污物排出池外。冲洗程序先气洗，后水洗。先气水混合洗，再用水洗。先气洗，再气水混合洗，最后用水洗（或漂洗）。控制参数冲洗程序、冲洗强度、冲洗时间的选用与滤料种类、密度、粒径级配、水质、水温、滤池构造形式等因素有关。有关气水反冲洗的参数和要求我国目前没有统一规定？！气冲气水同时冲水冲反冲洗结束三.气-水联合反冲洗加表面扫洗1.原理V型槽进水产生横向水流，将杂质推向中央排水槽。2.特点冲洗效果好；冲洗水量减少。3.实例长沙市第八水厂气15L/(s.m2)，2min；水4.5L/(s.m2)，约4min；表面1.5L/(s·m2)，约4min。

Ⅳ冲洗9.5.16

滤池冲洗方式的选择，应根据滤料层组成、配水配气系统型式，通过试验或参照相似条件下已有滤池的经验确定。宜按表9.5.16选用。表9.5.16冲洗方式和程序滤料组成冲洗方式、程序单层细砂级配滤料(1)水冲(2)气冲－水冲单层粗砂均匀级配滤料气冲－气水同时冲—水冲双层煤、砂级配滤料(1)水冲(2)气冲－水冲三层煤、砂、重质矿石级配滤料水冲9.5.17

单水冲洗滤池的冲洗强度及冲洗时间宜按表9.5.17采用。表9.5.17水冲洗强度及冲洗时间(水温20℃时)滤料组成冲洗强度[L/(m2·s)]膨胀率(%)冲洗时间(min)单层细砂级配滤料12～15457～5双层煤、砂级配滤料13～16508～6三层煤、砂、重质矿石级配滤料16～17557～5注：1当采用表面冲洗设备时，冲洗强度可取低值。

2应考虑由于全年水温、水质变化因素，有适当调整冲洗强度的可能。

3选择冲洗强度应考虑所用混凝剂品种的因素。

4膨胀率数值仅作设计计算用。当增设表面冲洗设备时，表面冲洗强度宜采用2～3L/(m2·s)(固定式)或0.50～0.75L/(m2·s)(旋转式)，冲洗时间均为4～6min。图

固定式表面冲洗装置示意图1－压力水总管2－压力水支管3－滤池池壁4－喷嘴

图

旋转式表面冲洗装置示意图

1－滤池池壁2－压力水管3－滤池反洗水槽4－喷嘴5－旋转臂9.5.18

气水冲洗滤池的冲洗强度及冲洗时间，宜按表9.5.18采用。表9.5.18气水冲洗强度及冲洗时间滤料种类先气冲洗气水同时冲洗后水冲洗表面扫洗强度[L/(m2·s)]时间(min)气强度[L/(m2·s)]水强度[L/(m2·s)]时间(min)强度[L/(m2·s)]时间(min)强度[L/(m2·s)]时间(min)单层细砂级配滤料15～203～1－－－8～107～5－－双层煤、砂级配滤料15～203～1－－－6.5～106～5－－单层粗砂均匀级配滤料13～17(13～17)2～1(2～1)13～17(13～17)3～4(2.5～3)4～3(5～4)4～8(4～6)8～5(8～5)1.4～2.3全程注：表中无括号的数值适用于无表面扫洗的滤池；括号内的数值适用于有表面扫洗的滤池。二、冲洗强度的确定和非均匀膨胀度的计算为了便于理解，首先假设滤料层的滤料是均匀的。对于均匀的滤料，冲洗时，如果滤料层未膨胀，则水流通过滤料层的水头损失可用欧根公式计算：m0—滤层孔隙率；L0—滤层厚度，cm；d0—滤料同体积球体直径，cm；

—滤料球度；v—冲洗流速，cm/s；h—水头损失，cm;υ—水的运动粘度，cm2/s；g—重力加速度，cm/s2。当滤层膨胀起来以后，处于悬浮状态下的滤料对冲洗水流的阻力，等于它们在水中的重量（单位面积上）式中：

s和分别表示滤料和水的密度，g/cm3。上式也可表达为：当滤料粒径、形状、密度、滤层厚度和孔隙率以及水温等已知时，将未膨胀时和膨胀后的公式绘成水头损失和冲洗流速关系图。

vmf是反冲洗时滤料刚刚开始流态化的冲洗流速，称

“最小流态化冲洗流速”。当滤料粒径、形状和密度不同时，vmf值也不同，粒径大，vmf大，反之亦然。当冲洗流速超过vmf后，h不变，但滤层悬浮起来了。q越大，e越大。水头损失（cm）vmf反冲洗流速v（cm/s）水头损失和冲洗流速关系欧根公式冲洗强度和膨胀度关系v1—使滤料颗粒达到自由沉淀状态时的冲洗流速，cm/s；α—指数，决定于雷诺数；v—冲洗流速，cm/s；非均匀滤料的膨胀度设计反冲洗强度的确定将不均匀滤料层进行分层，每一小层可近似看做均匀滤料，计算各小层的膨胀度，然后累加即可得到整个滤层的膨胀度。9.5.19单水冲洗滤池的冲洗周期，当为单层细砂级配滤料时，宜采用12～24h；气水冲洗滤池的冲洗周期，当为粗砂均匀级配滤料时，宜采用24～36h。k为安全系数1.1~1.3；q冲洗强度，L/s﹒m2；vmf

最大粒径滤料的最小流态化流速，cm/s。反冲洗周期三、

配水系统大阻力配水系统小阻力配水系统中阻力配水系统常见配水系统作用配水不均匀危害反冲洗时，均匀分布反冲洗水过滤时，均匀集水滤池中砂层厚度分布不同过滤时，产生短流现象，使出水水质下降可能招致局部承托层发生移动，造成漏砂现象

大阻力配水系统的原理（1）构造1.大阻力配水系统（2）沿途泄流管道干管和支管均可近似看作沿途泄流管道，因此，沿途均匀泄流管道中的水头损失为代入上式得：因为α—管道的比阻，故

设n=0.012，则当时，在快滤池的配水系统中，这一条件，因而，如图所示。

（3）配水系统的能量的变化在图9-14所示的大阻力配水系统中，干管起端O点、干管末端I点、最前一根支管起端a点、最后一根支管起端b点、最后一根支管末端c点之间的能量关系见式（17）至式（18），也可形象地用图来描述。（17）

（18）

（19）

（20）

（4）大阻力配水系统的原理

c点与a点之间的压力关系为（21）

假定：①沿程水头损失

0，

0；②各支管的进口局部水头损失基本相等，即ha

hb。并取α=1，则式（21）可简化为：（22）在图9-14所示的配水系统中，压力水头差别最大的两个点为孔口a与孔口c。设两孔口的终点水头均为H终，孔口a与孔口c的总水头损失分别为Ha’、Hc’

（23）

（24）

将式（23）、（24）代入式（22）得：（25）由于：（26）

（27）将式（26），（27）代入式（25）可得：（28）

上式说明Qc大于Qa。增加S1+S2’’值，能减小上式右边第二项的值，从而使Qa尽量接近Qc。由于承托层与滤料层的阻力系数之和S2’’不能改变，只有通过减小孔口总面积来增大孔口阻力系数S1，才能增大S1+S2’’。增大孔口阻力系数S1就削弱了承托层、滤料层阻力系数及配水系统压力水头不均匀对孔口出流量的影响，这就是大阻力配水系统的原理。原理

在大阻力配水系统图中孔口a与孔口c的出流量Qa、Qc可按下式进行计算：（30）（31）

将式（30）与式（31）代入式（22）并整理得：（32）

上式说明，当孔口水头损失越大时，Ha越大，a孔与c孔的出流量之比越接近于1。设配水系统均匀性要求在95%以上时，即令Qa/Qc

0.95，则：

穿孔管大阻力配水系统的设计

（33）整理上式可得：（34）为了简化计算，假设每根支管的进口流量相同，v0和va可分别按下列两式进行计算：（35）（36）

为了简化计算，Ha可以孔口平均水头计算，则Ha为：（37）将式（35），（36），（37）代入式（34）得：（38）将μ=0.62代入上式并整理得：（39）

式（39）为大阻力配水系统构造尺寸计算的依据。上式说明：大阻力配水系统配水的均匀性只与干管截面积、支管截面积、支管个数、孔口总面积等有关，而与其它因素无关。当滤池面积过大时，滤池中砂层和承托层的铺设、冲洗废水的排除等的不均匀度都将对冲洗效果的产生影响。≯100m2

f：配水系统孔口总面积，m2；ω0：干管截面积，m2

；ωa：支管截面积，m2

；n：支管根数。

大阻力配水系统的设计要点：①干管起端流速为1.0~1.5m/s，支管起端流速为1.5~2.0m/s，孔眼流速为5~6m/s。②支管中心距为0.2~0.3m，支管长度与其直径之比一般不应大于60。③孔口直径约为9~12mm，设于支管两侧，与垂线呈45度角向下交错排列。④干管横截面与支管总横截面之比应大于1.75~2.0。当干管直径或渠宽大于300mm时，顶部应开布水孔。⑤孔口总面积与滤池面积之比称为开孔比，其值可按下式计算：（40）

大阻力配水系统的特点：

①配水均匀性好；

②结构复杂；

③但管道容易结垢；

④孔口水头损失大，因而要求反冲洗水压高。无阀滤池、移动冲洗罩滤池、虹吸滤池等的冲洗水头非常有限，不宜采用大阻力配水系统。

2.小阻力配水系统小阻力配水系统的特点①反冲洗水头小；②配水均匀性较大阻力配水系统为差，当配水系统室内压力稍有不均匀，滤层阻力稍不均匀，滤板上孔口尺寸稍有差别或部分滤板受堵塞，配水均匀程度都会敏感地反映出来；③滤池面积较大时，不宜采用小阻力配水系统。中阻力配水系统与小阻力配水系统类似，但其开孔比介于大阻力配水系统与小阻力配水系统之间，0.6~0.8%。小阻力配水系统的构造特点：铺设穿孔滤板或滤砖，开孔比一般为1.0~1.5%。

更换维修长柄滤头四、冲洗废水排除方法1.冲洗排水槽2.冲洗排水槽的设计要求冲洗排水槽平面总面积一般不大于单个滤池面积的25%。否则，会影响上升水流的均匀性。相邻两槽的中心间距一般为1.5~2.0m。间距过大，难以排水均匀。槽内水面以上一般要有7cm左右的保护高，以保证冲洗废水自由跌水进入排水槽。排水槽的废水应自由跌水进入排水渠，以免引起壅水现象。每单位槽长的溢入流量应相等。故施工时冲洗排水槽口应力求水平，误差限制在2mm内。排水槽高度要适当。高则冲洗水排水不净，低则滤料流失。

槽顶距未膨胀时滤料表面的高度为：单个冲洗排水槽的排水量：

冲洗排水槽始端尺寸：一般始端深度为末端深度的一半；或槽底采用平坡。槽底为三角形断面：

槽底为半圆形断面：

l0：冲洗排水槽槽长一般小于6m，a0：冲洗排水槽中心间距v：槽内流速，0.6m/s。2.排水渠矩形断面排水渠宽：一般800mm以上渠底距排水槽底高度：集水渠起端水深反冲洗：气水联合反冲洗五、冲洗水的供给1.方式①水泵冲洗；②冲洗水塔或水箱冲洗。水泵冲洗的特点：①投资省；②但操作较为麻烦；③在冲洗的短时间内耗电量大，往往会使厂区内供电网负荷骤增。冲洗水箱的特点：①造价高；②但操作简单；③专用水泵小，耗电量较均匀。

2.冲洗水塔（箱）冲洗水箱一般与滤池合建，通常建造于滤池操作室层顶上水塔（箱）中水深不宜超过3m。水塔（箱）容积：

水塔（箱）底高出滤池冲洗排水槽顶的高度可按下式计算：

h1——从从水塔（箱）底至滤池的冲洗管道中总水头损失，m；

h2——滤池配水系统水头损失，m。h3——承托层水头损失，m。h4——滤料层水头损失，m。h5——备用水头，一般取1.5~2.0m。

备用流量：扬程：h2——滤池配水系统水头损失h3——承托层的水头损失，m。h4—滤料层的水头损失，m2.水泵冲洗H05.5普通快滤池一、基本参数

1.滤速与强制滤速设计滤速：一般为8~10m/h

强制滤速：

10~14m/h2.滤池总面积Q—设计水量，m3/d；α—水厂自用水系数；v—设计滤速，m/h；T—滤池每日实际工作时间，h；T0—滤池每日工作时间，h；t0—滤池每日冲洗后停用和排初滤水时间，h；t1—滤池每日冲洗及操作时间，h。

表5-8滤池个数滤池总面积（m2）滤池个数<30230~5031003或41504~62005~63006~8滤池的个数在设计时应根据技术经济比较确定，但不得小于2个，可参考表5-8选用。一般不大于100m2，单池面积

3.个数和单池面积1.5~2.0m

4.滤池深度

保护高：0.3m；滤层表面以上水深：1.5~2.0m；滤层厚度：见表5-2，0.6~0.8m；承托层厚度：表5-5、表5-6，0.5m；

滤池的总深度一般为3.0~3.5m；单层石英砂滤池深度一般稍小；双层和三层滤料滤池深度稍大。

5．管廊布置管廊：是指集中布置滤池的管渠、配件及阀门的场所，管廊布置要求如下：（1）力求紧凑，简捷；（2）留有设备与管配件安装、维修时必须的空间；（3）具有良好的