濾料粒度對(duì)過(guò)濾的影響

1、濾料粒度對(duì)過(guò)濾的影響摘要：針對(duì)近年國(guó)內(nèi)新建水廠濾池多采用粗粒徑濾料、濾層加厚的趨勢(shì)，本文結(jié)合試驗(yàn)研究與消費(fèi)實(shí)際，從唯象觀點(diǎn)與機(jī)理分析，闡述了快濾池濾料粒徑的粒度對(duì)過(guò)濾性能的影響，以及由此產(chǎn)生的濾料厚度與濾料粒徑比值Ld的概念，說(shuō)明了Ld值是快濾池設(shè)計(jì)中保證過(guò)濾效能和水質(zhì)的關(guān)鍵因素。關(guān)鍵詞：蒯濾池濾料粒徑產(chǎn)水量水質(zhì)在以地表水為水源的給水凈化工程中，濾池是不可缺少的最重要的處理構(gòu)筑物。由于快濾池的濾速是慢濾池的幾十倍到幾百倍，在解決了清洗濾池的反沖洗技術(shù)后，快濾池目前已取代了慢濾池。本文所談及的內(nèi)容限于快濾池。和歐洲的情況相比，我國(guó)給水凈化工程中所用的濾池濾層較雹粒度較細(xì)。我國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)濾料局部

2、，單層濾料過(guò)濾只規(guī)定了石英砂，粒徑范圍dindax為0.51.2、層厚0.7。從本世紀(jì)六十年代起，法國(guó)和蘇聯(lián)就開展了粗濾料過(guò)濾技術(shù)研究。其后法國(guó)開發(fā)了V型濾池，通常石英砂濾料粒徑范圍dindax為0.91.35，也可擴(kuò)至0.72.0、層厚在0.951.50之間。美國(guó)在八十年代那么采用無(wú)煙煤濾料建成日處理水量216萬(wàn)3的洛杉磯水廠，有效粒徑d(10)達(dá)1.5，均勻系數(shù)k(60)為1.5、層厚1.8。由美國(guó)人設(shè)計(jì)的巴西圣保羅水廠日處理量130萬(wàn)3，采用石英砂濾料，有效粒徑d(10)為1.7、均勻系數(shù)k(60)達(dá)1.5、層厚1.8。中國(guó)目前濾池設(shè)計(jì)也有濾料粒度加大、濾層加厚的趨勢(shì)。例如九五年建成的北

3、京第九水廠二期工程，日處理水量50萬(wàn)3，采用無(wú)煙煤濾料，有效粒徑d10為1.10、均勻系數(shù)k(60)1.35、層厚1.5。濾料粒度的變化對(duì)濾池的過(guò)濾性能有何影響？濾料粒度和濾層厚度如何制約著濾池的過(guò)濾才能？如何從表象和微觀去分析和認(rèn)識(shí)？筆者謹(jǐn)以此文與大家共同討論。按唯象觀點(diǎn)即不涉及機(jī)理，認(rèn)為過(guò)濾是水中懸浮物被截留的過(guò)程，被截留的懸浮物充塞于濾料間的空隙。濾層孔隙尺度以及孔隙率的大小，在同種濾料、一樣反沖洗條件下，隨濾料粒度的加大而增大。即濾料粒度越粗，可包容懸浮物的空間越大。其表現(xiàn)為過(guò)濾才能增強(qiáng)，納污才能增加，截污量增大。同時(shí)，濾層孔隙越大，水中懸浮物越能被更深地輸送至下一層濾層，在有足夠保護(hù)

4、厚度的條件下，懸浮物可以更多地被截留，使中下層濾層更好地發(fā)揮截留作用，濾池截污量增加。以下表1是一組無(wú)煙煤濾料不同粒徑過(guò)濾才能比擬的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。無(wú)煙煤濾料不同粒徑過(guò)濾才能比擬試驗(yàn)表組別序號(hào)有效粒徑濾速/h進(jìn)水濁度NTU出水濁度NTU截留濁度NTU周期產(chǎn)水量3/2過(guò)濾才能指數(shù)比值A(chǔ)11.10100.630.170.4646021111.1521.33100.630.190.44550242B31.101010.200.219.99220219711.2641.481010.200.259.952802786表中“過(guò)濾才能指數(shù)為：過(guò)濾進(jìn)出水濁度差即截留濁度與周期產(chǎn)水量的乘積實(shí)為截污才能。A組試驗(yàn)說(shuō)明

5、，有效粒徑1.33濾料的截污才能比1.10濾料高出15；B組試驗(yàn)說(shuō)明，有效粒徑1.48濾料的截污才能比1.10濾料高出26。表2所列為表1中A組兩種濾料試驗(yàn)周期終止時(shí)濾層內(nèi)不同深度處水頭損失值及其所占總水頭損失的百分比。過(guò)濾周期終止時(shí)水頭損失表2試驗(yàn)總水頭不同濾層深處水頭損失/占總水頭損失百分比%序號(hào)損失20406080100120140150120382/4068/3427/139/4.56/34/24/23/1.5220068/3456/2845/2315/7.56/34/24/23/1.5從表2可以看出，有效粒徑d(10)1.10濾料的過(guò)濾周期終水頭損失中層厚20以上的表層產(chǎn)生的水頭損失

6、占總水頭損失的40、40以上的水頭損失占74；有效粒徑d(10)1.33濾料的過(guò)濾周期終水頭損失中層厚20以上的表層產(chǎn)生的水頭損失占總水頭損失的34、40以上的水頭損失占62；而40至80層厚的水頭損失占總水頭損失的比例，d(10)1.10濾料為17.5、d(10)1.33濾料為30.5。顯而易見，d(10)1.33濾料過(guò)濾過(guò)程中懸浮物被更深地?cái)y至中層，更多地發(fā)揮了中層濾料的截污作用，因此納污才能強(qiáng)、過(guò)濾周期相應(yīng)加長(zhǎng)、產(chǎn)水量加大。從力學(xué)特性講，濾料截留懸浮物依靠的是顆粒間的范德華力、庫(kù)侖力和外表張力。這些力使懸浮物遷移并被吸附。但同時(shí)，過(guò)濾水流在濾層中的流動(dòng)與濾料顆粒間的水流剪力那么具有使被截

7、留吸附在濾料顆粒外表的懸浮物剝落的可能，并同時(shí)產(chǎn)生附加水頭，即產(chǎn)生水頭損失。濾料粒度增大，空隙尺度加大，空隙空間增加，過(guò)水通道尺度大，過(guò)濾水流阻力減弱，水頭損失增量將得以延緩，其結(jié)果到達(dá)特定終止水頭損失的過(guò)濾周期得以延長(zhǎng)，產(chǎn)水量得到增加。日本學(xué)者藤田賢二通過(guò)研究導(dǎo)出的公式1明晰地說(shuō)明了粒度、空隙度和水頭損失之間的關(guān)系：H=K(LV/g2d2)(1-)2/3(1)H過(guò)濾水頭損失K系數(shù)L濾料層厚度V濾速水密度g重力加速度濾料球形度d濾料粒徑濾層空隙度水的動(dòng)力粘度雖然這個(gè)公式主要是定性地表示濾料特征與初始水頭的關(guān)系，但已清楚地描繪了濾料粒徑大孝空隙度大小對(duì)過(guò)濾過(guò)程的影響，即濾料粒徑增加、水頭損失減孝

8、過(guò)濾周期勢(shì)必延長(zhǎng)、產(chǎn)水量增加。隨著濾料粒徑的加大，雖然能更多地發(fā)揮下層濾料的截留作用，但同時(shí)也對(duì)穿透深度帶來(lái)影響，即在其它條件等同時(shí)，粒徑越粗穿透深度也越大。漢森Hanzen認(rèn)為，經(jīng)絮凝后弱的絮體穿透深度與濾料粒徑的三次方成正比，強(qiáng)的絮體穿透深度與濾料粒徑的二次方成正比。斯坦雷Stanley那么用下述公式2表述濾料粒徑與穿透深度的關(guān)系：K(hd2.46u1.56)/12K常數(shù)u濾速d有效粒徑h水頭損失l穿透深度上式說(shuō)明，穿透深度與濾料粒徑的2.46次方成正比。由此引發(fā)出兩個(gè)問(wèn)題。其一，一樣厚度的濾層，在一定范圍內(nèi)，濾料粒徑越粗，由于穿透深度越大，出水濁度將不如粒徑較細(xì)的濾料。表1所示試驗(yàn)數(shù)據(jù)證

9、明了這一點(diǎn)。序1和序2試驗(yàn)中，有效粒徑1.33的截留濁度為044NTU，而有效粒徑1.10的截留濁度為0.46NTU，進(jìn)水濁度一樣而有效粒徑1.33的濾料過(guò)濾出水濁度較有效粒徑1.10高出0.02NTU。序3和序4的試驗(yàn)結(jié)果同樣說(shuō)明粗粒徑濾料過(guò)濾出水濁度較細(xì)濾料高。其二是，前述濾料粒徑越粗濾層截污才能越強(qiáng)、過(guò)濾周期產(chǎn)水量越大的觀點(diǎn)應(yīng)是建立在滿足一定出水水質(zhì)濁度要求的前提之上的。假如一味地用出水水質(zhì)做比擬，在其它條件一樣的情況下，粒徑細(xì)的濾料出水濁度總要比粒徑粗的濾料出水濁度低。這一點(diǎn)在實(shí)際工程中頗為重要，即為到達(dá)預(yù)期的水質(zhì)要求，應(yīng)盡量選用合宜的粗粒徑濾料。從嚴(yán)格的理論上講，濾料所具有的對(duì)懸浮物

10、的截留才能來(lái)自濾料所提供的外表積。慢濾池的過(guò)濾才能主要地來(lái)自濾料的篩除作用，而快濾池的過(guò)濾才能來(lái)自濾料顆粒外表的吸附作用，這是快濾池與慢濾池過(guò)濾機(jī)理最根本的不同之處。在過(guò)濾過(guò)程中濾料所提供的顆粒外表積越大，對(duì)水中懸浮物的附著力越強(qiáng)。為要到達(dá)一定的預(yù)期的水質(zhì)要求，濾料所提供的外表積應(yīng)表現(xiàn)為：?jiǎn)挝幻娣e濾層所提供的外表積必須滿足某一最低量值以上的要求，其數(shù)學(xué)表達(dá)式3為：S61/Ld3S濾料外表積濾層空隙度濾料球形度L濾層厚度d濾料粒徑從上式可以明晰地看出，隨著濾料粒徑加大、孔隙度加大，所提供的外表積變校濾層外表積減小的結(jié)果必然會(huì)降低過(guò)濾才能。這反映出濾料粒度加大對(duì)過(guò)濾效果帶來(lái)的負(fù)作用。同時(shí)這個(gè)式子也

11、清楚地說(shuō)明，在濾料球形度一定也即濾料種類一定的情況下，可以抵消粒度變化負(fù)面影響的只有濾層厚度、即L。這樣，式中的Ld成為關(guān)鍵因素，它決定了濾料所能提供的外表積的大小也就決定了過(guò)濾性能。由此引伸出Ld的概念。從技術(shù)角度講，Ld值越大越好。而綜合經(jīng)濟(jì)因素，工程中應(yīng)以最小Ld值滿足提供最低量值的濾料外表積到達(dá)預(yù)期的過(guò)濾出水水質(zhì)要求。在理論中，選用優(yōu)良的顆粒級(jí)配與合宜的濾層厚度正是保證過(guò)濾效果的關(guān)鍵。因此，Ld受到濾池設(shè)計(jì)人員的日益重視。中國(guó)?城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步開展規(guī)劃?提出：“為保證水質(zhì)濾層深度與粒徑比應(yīng)大于800。在其子課題?改善過(guò)濾效能?中指出：“運(yùn)用LD800判別式判斷分析濾池濾料

12、級(jí)配的合理性或比擬其優(yōu)越性。這里的D為濾料的幾何平均粒徑。美國(guó)?IntergratedDesignfaterTreatentFailities?一書指出：“普通單層砂濾池或雙層濾料濾池Ld1000；1.5d1.0的單層濾料濾池Ld1250。這里的d為有效粒徑。有關(guān)粒徑d的取值出現(xiàn)了兩種，一是有效粒徑、一是幾何平均粒徑。那么，Ld中的d采用哪一種取值更為適宜？有效粒徑d(10)是Hanzen根據(jù)濾料的使用經(jīng)歷首先提出的4，并被后人廣泛應(yīng)用。他發(fā)現(xiàn)，只要d(10)值不變，任何級(jí)配情況下濾層對(duì)水流的阻力幾乎都是一樣的。因此在研究過(guò)濾水頭損失、穿透深度等過(guò)濾性能時(shí)采用d(10)是合理的。但是如前所述，

13、快濾池的過(guò)濾才能從理論上講是由濾料顆粒外表的吸附作用決定的，而吸附作用的大小取決于濾料顆粒的外表積。顯然，由于幾何平均粒徑dg是濾料顆粒外表積的科學(xué)表征，因此Ld中的d應(yīng)當(dāng)用幾何平均粒徑dg。當(dāng)所用濾料的均勻系數(shù)很小時(shí)，例如K(60)1.5情況下，筆者認(rèn)為可以用平均粒徑da替代幾何平均粒徑dg。筆者參與的無(wú)煙煤均質(zhì)濾層過(guò)濾試驗(yàn)研究所用濾料的數(shù)據(jù)如表3。無(wú)煙煤濾料均質(zhì)濾層過(guò)濾試驗(yàn)Ld數(shù)據(jù)庫(kù)表3L/ddL有效粒徑平均粒徑1.481.331.101.831.651.361500101411281364819909110311007431000601809本表所示與表1、表2為同一項(xiàng)試驗(yàn)，其進(jìn)出水水質(zhì)如表1所列。全部濾后出水濁度均在0.5NTU以下，平均出水濁度缺乏0.3NTU。北京市第九水廠二期工程日處理量50萬(wàn)3過(guò)濾工藝采用無(wú)煙煤均質(zhì)濾層過(guò)濾技術(shù)，1995年投產(chǎn)，1996年進(jìn)展消費(fèi)性測(cè)定，結(jié)果如表4。北京市第九水廠二期工程濾池消費(fèi)運(yùn)行測(cè)定結(jié)果表4序日期原水濁度NTU進(jìn)水濁度NTU出水濁度NTU周期h產(chǎn)水量32最高最低平均最高最低平均最高最低平均平均平均16.24-6.281.290.600.841.150.510.680.230.