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无烟煤滤料过滤层的研究与应用

无烟煤滤料，石英砂砂双层滤料滤池和无烟煤滤料，石英砂，磁铁矿滤料三层滤料滤池滤料粒度对过滤的影响。
　　在同种滤料、相同反冲洗条件下，滤层孔隙尺度以及有效孔隙率随滤料粒度的加大而增加。即滤料粒度越粗，可容纳悬浮物的有效空间越大。其表现为过滤能力增强，截污量增大。同时，滤层孔隙度越大，水中悬浮物能被更深地输送至下一层滤层，在有足够保护厚度的条件下，悬浮物可以被更多地截留，使中下层滤层更好地发挥截留作用，滤池截污量增加。
　　从力学特性讲，过滤水流在滤料层中的流动与滤料颗粒间的水流剪力则具有使被截留吸附在滤料颗粒表面的悬浮物剥落的可能，并同时产生附加水头，即产生水头损失。滤料粒度增大，孔隙尺度加大，有效孔隙空间增加，过水通道尺度大，过滤水流阻力减弱，水头损失增量将得以延缓，其结果达到规定水头损失的过滤周期得以延长，产水量得以增加。
下表是无烟煤滤料不同粒径过滤能力比较的试验数据。
无烟煤滤料不同粒径过滤能力比较　　
组别 序号 有效粒径
mm 滤速
m／h 进水浊度
NTU 出水浊度
NTU 截留浊度
NTU 周期产水
　　 试验表明，有效粒径1.33mm滤料的过滤周期产水量大于有效粒径1.10mm的周期产水量；有效粒径1.33mm的过滤能力指数高于有效粒径1.10mm的过滤能力指数，比值表明过滤能力高出10％～15％。C组试验表明，在周期产水量和过滤能力指数方面，有效粒径1.48mm更高于有效粒径1.10mm。
　　 然而，应当看到，随着滤料粒径的加大，虽然能更多地发挥下层滤料的截污作用，但同时对穿透深度带来影响。即在其他条件等同时，粒径越粗穿透深度越大，其表现为粒径粗的滤料过滤出水浊度较粒径细的滤料高，或是粒径粗的滤料截留浊度比粒径细的滤料低。
　　 数据表明，其他条件特别是进水条件等同时，有效粒径1.33mm和1.48mm滤料较有效粒径1.10mm滤料的过滤出水浊度高，截留浊度低。B组数据表明，由于进水浊度不同，虽然有效粒径1.10mm滤料的过滤出水浊度不如有效粒径1.33mm滤料，但其截留浊度高。
　　 粒径变化对过滤出水水质和截留浊度的影响引出下面有关L／d的讨论与研究。
　　 从严格的理论上讲，滤层所具有的对悬浮物的截留作用来自滤料所具有的表面积。慢滤池的过滤能力主要地来自筛除作用，而快滤池的过滤能力主要来自滤料颗粒表面的吸附作用，这是快滤池与慢滤池过滤机理最主要的不同之处。在过滤过程中滤料所提供的表面积越大，对水中悬浮物的附着力越强。为要达到一定的预期的水质要求，滤料所提供的表面积应表现为：单位面积滤层所提供的表面积必须满足某一最低量值的要求，相互关系可以参考如下数学式［1］表达：
　　 S=6(1-ε)／Φ·(L/d)
　　 S——滤料表面积 ε——滤层孔隙度
　　 Φ——滤料球形度 L——滤层厚度
　　 d——滤料的几何平均粒径
　　 从上式各参数的相互关系可以看出，随着滤料颗粒粒径加大，孔隙度加大，所提供的表面积变小。滤层表面积减少的结果必然会降低过滤能力。这反映出粒度加大对过滤效果带来的负作用。
　　 这个式子同时也清楚地表明，在滤料球形度一定也即滤料种类一定的情况下，能够抵消粒度变化负面影响的只有滤层厚度，即L。这样，此式中的L／d成为关键因素，它决定了滤料所能提供的表面积的大小也就决定了过滤性能。
　　 由此引伸出L／d这一概念。从技术角度讲，L／d值越大越好。而综合经济因素，工程中应以最小L／d值满足提供最低量值的滤料表面积达到预期的过滤出水水质要求。在实践中，选用优良的滤料级配和滤层厚度正是保证过滤效能的关键。因此，L／d受到滤池设计人员的日益重视。
　　 以上只是试验数据，设计应用时需要根据具体情况予以调整。对于含铁含锰量高的水应添加锰砂过滤层滤料。
　　 为保证滤层反冲洗后具有足够的清洁度，又能接近均质状态，目前理想的办法是采用气、气水、水的三段式气水反冲洗技术。近年来，国内不少人对气水反冲洗进行了较为深人的研究。几乎所有文献都认为三段式气水反冲洗比二段式气水反冲洗更为理想，并从机理上进行了探索，本文在此不作赘述。
　　 在滤池充水并在滤床层面上保有一定水深条件下先进行单独气冲，一方面通过滤料颗粒间相互磨擦使滤料上粘附的污泥脱落，一方面达到使滤层搅动为均质的目的。经过一段时间的气冲后，不停气且气冲强度无须改变的同时加入水冲，水冲强度很小，只要能使脱落的污泥在合宜的时间内升至排水槽即可。气水联合反冲是能否使滤层洁净的关键。单独气冲时脱落的污泥在此阶段因气冲保持滤层流化状态下加上水冲被有效地托至上层。第三阶段停止气冲，滤料回落为固定床，使脱落的污泥滞留在上层，随后的水冲只是漂洗过程，主要是将上层的高浓度泥水托出滤池，同时进一步清除滤层中剩余的脱落污泥，使滤层达到较彻底的净化。最后的水冲洗应遵循二条原则，一是不使均质滤层状态受到破坏，二是按冲洗要求要能够使滤层中剩余的脱落污泥被有效地去除。
　　 本试验选用7％膨胀率获得了满意的滤后水质，说明此程度的膨胀率及相应的水冲强度可以使滤层保持接近均质状态。
滤池主要设计参数
　　 建成无烟煤滤料均质滤层滤池，处理能力各为50万m3／d。
　　 其主要设计参数如下：
　　 滤料粒径范围dmax～dmin＝2.0～1.0mm，有效粒径d10＝1.10mm，均匀系数K↓（60）＝1.35，滤料层厚L＝1.5m。
设计滤速V＝7.60m／h；强制滤速V＝7.93m／h。
　　 三段式气水反冲洗，气冲阶段气冲强度q＝18～20L／m2·s、历时t＝3min；气水同时冲洗阶段气冲强度不变，水冲强度q＝4～5L／m2·s、历时t＝2～3min；水冲阶段水冲强度q＝4～8L／m2·s、历时t＝5min。膨胀率η＝0。