石英砂濾料粒徑大小對過濾質(zhì)量的影響

針對近年國內(nèi)新建水廠濾池多采用粗粒徑濾料、濾層加厚的趨勢，本文結(jié)合試驗研究與生產(chǎn)實際，從唯象觀點與機(jī)理分析，闡述了快濾池濾料粒徑的粒度對過濾性能的影響，以及由此產(chǎn)生的濾料厚度與濾料粒徑比值（L／d）的概念，說明了L／d值是快濾池設(shè)計中保證過濾效能和水質(zhì)的關(guān)鍵因素。

在以地表水為水源的給水凈化工程中，濾池是不可缺少的重要的處理構(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，我國給水凈化工程中所用的濾池濾層薄、粒度細(xì)。我國設(shè)計規(guī)范有關(guān)濾料部分，單層濾料過濾只規(guī)定了石英砂，粒徑范圍dmin～dmax為0.5～1.2mm、層厚0.7m。 從本世紀(jì)六十年代起，

法國和蘇聯(lián)就開展了粗濾料過濾技術(shù)研究。其后法國開發(fā)了V型濾池，通常石英砂濾料粒徑范圍dmin～dmax為0.9～1.35mm，也可擴(kuò)至0.7～2.0mm、層厚在0.95～1.50m之間。

美國在八十年代則采用無煙煤濾料建成日處理水量216萬3 的洛杉磯水廠，有效粒徑d(10)達(dá)1.5mm，均勻系數(shù)k(60)為1.5、層厚1.8m。由美國人設(shè)計的巴西圣保羅水廠日處理量130萬3 ，采用石英砂濾料，有效粒徑d(10)為1.7mm、均勻系數(shù)k(60)達(dá)1.5、層厚1.8m。

我國目前濾池設(shè)計也有濾料粒度加大、濾層加厚的趨勢。例如九五年建成的北京第九水廠二期工程，日處理水量50萬3 ，采用無煙煤濾料，有效粒徑d10為1.10mm、均勻系數(shù)k(60)1.35、層厚1.5m。

濾料粒度的變化對濾池的過濾性能有何影響？濾料粒度和濾層厚度如何制約著濾池的過濾能力？如何從表象和微觀去分析和認(rèn)識？筆者謹(jǐn)以此文與大家共同探討。 按唯象觀點即不涉及機(jī)理，認(rèn)為過濾是水中懸浮物被截留的過程，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、相同反沖洗條件下，隨濾料粒度的加大而增大。即濾料粒度越粗，可容納懸浮物的空間越大。其表現(xiàn)為過濾能力增強(qiáng)，納污能力增加，截污量增大。同時，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)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。
有實驗表明，有效粒徑1.33mm石英砂濾料的截污能力比1.10mm石英砂濾料高出15%，有效粒徑1.48mm石英砂濾料的截污能力比1.10mm石英砂濾料高出26%。通過觀察可以看出，粒徑為1.33mm的石英砂濾料，過濾過程中懸浮物被更深地攜至中層，更多地發(fā)揮了中層濾料的截污作用，因而納污能力強(qiáng)、過濾周期相應(yīng)加長、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、庫侖力和表面張力。這些力使懸浮物遷移并被吸附。

同時，過濾水流在濾層中的活動與濾料顆粒間的水流剪力則具有使被截留吸附在濾料顆粒表面的懸浮物剝落的可能，并同時產(chǎn)生附加水頭，即產(chǎn)生水頭損失。濾料粒度增大，空隙標(biāo)準(zhǔn)加大，空隙空間增加，過水通道標(biāo)準(zhǔn)大，過濾水流阻力減弱，水頭損失增量將得以延緩，其結(jié)果達(dá)到特定終止水頭損失的過濾周期得以延長，產(chǎn)水量得到增加。如此就可得出結(jié)論，濾料粒徑大小、空隙度大小對過濾過程的影響，即濾料粒徑增加、水頭損失減小、過濾周期勢必延長、產(chǎn)水量增加。

隨著濾料粒徑的加大，固然能更多地發(fā)揮下層濾料的截留作用，但同時也對穿透深度帶來影響，即在其它條件等同時，粒徑越粗穿透深度也越大。多來凈水的小編認(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。由此我們可以得出一個結(jié)論，相同厚度的濾層，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細(xì)的濾料。

在這里我們要說明的一點是，石英砂濾料、無煙煤濾料粒徑越粗濾層截污能力越強(qiáng)、過濾周期產(chǎn)水量越大的觀點應(yīng)是建立在滿足一定出水水質(zhì)(濁度)要求的前提下的。假如一味地用出水水質(zhì)做比，在其它條件相同的情況下，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。這一點在實際工程中非常重要，即為達(dá)到預(yù)期的水質(zhì)要求，應(yīng)盡量選用適當(dāng)粗粒徑的濾料，而不是用粗粒徑的濾料。

濾料粒度加大對過濾效果還會帶來一個負(fù)作用。隨著濾料粒徑加大、孔隙度加大，所提供的表面積就會變小。而在快速濾池的過濾過程中，濾料所提供的顆粒表面積是至關(guān)重要的，由于快濾池的過濾能力來自濾料顆粒表面的吸附作用，濾料所提供的顆粒表面積越大，對水中懸浮物的附著力越強(qiáng)。濾料力度加大就會導(dǎo)致表面積減小，從而降低過濾能力 。因此，保證出水水質(zhì)，單位面積濾層所提供的表面積必須滿足某一低量值以上的要求 。

在各種粒徑范圍的石英砂濾料中，小于指定下限粒徑的不應(yīng)大于3%，大于指定上限粒徑的不應(yīng)大于2%。

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