滤料的选择

3.3 滤料及承托层

滤料的选择           滤料的粒径与级配 

滤料层的规格            承托层

滤料对过滤的影响        滤料层在过滤过程中的水头损失

一、滤料的选择

    滤料的作用在于具有吸附悬浮物的表面积。过滤过程中接触凝聚作用的好坏，除了要求滤料具有适宜的颗粒级配外，主要决定于水中粘土胶体的混凝效果。随着过滤的生产实践及理论的进展，可以做为滤料的材料种类逐渐增多了。最早的滤料只限于天然的石英砂，后来逐渐有了破碎的无烟煤粒，及其他用天然材料加工的滤料，如大理石粒、磁铁矿粒、白云石粒及花岗石粒等。最近还创造出轻质滤料(聚苯乙烯发泡塑料珠)，作为反向滤料已用于生产实践。具体分析起来，凡满足下列要求的固体颗粒，都可以作为滤料：
(1)有足够的机械强度，以免在冲洗过程中颗粒发生过度的磨损而破碎。破碎的细粒容易进入过滤水中。磨损与破碎使颗粒粒径变小，这样更增加“干净滤层的水头损失”，而且在冲洗时也将会被水流带出滤池，增加了滤料的损耗，所以必须有足够的机械强度。
(2)具有足够的化学稳定性。以免在过滤的过程中，发生溶解于过滤水的现象，引起水质的恶化。严格说起来，一般滤料都有极微量的溶解现象，但不影响普通用水的水质要求。例如石英砂有微量溶解于水，但在生活用水中，对sio2没有严格的含量要求，所以作为滤料是没有问题的。但在某些工业用水中(如锅炉补充用水)对于sio2的含量有严格要求时，用无烟煤代替石英砂作为滤料就比较合适一些了。
(3)能就地取材、价靡。在水处理中最常用的滤料是石英砂，它可以是河砂或海砂，也可以是采砂场取得的砂。
(4)外形接近与球状，表面比较粗糙而有棱角，这样吸附表面比较大，棱角处吸附力最强。

    按机械强度及化学稳定性来比较石英砂、无烟煤粒及大理石粒的性能：石英砂有足够的机械强度，并且在中性水、酸性水(ph值在2.1～6.5范围)中都很稳定，但在碱性水中，石英砂有溶解性。
    无烟煤滤料的化学稳定性比较高，在一般碱性、中性、酸性水中都不溶解，它的机械强度可见表3.1。试验用门头沟无烟煤粒及用阳泉无烟媒粒，装入有机玻璃模型滤池(d＝50毫米)内，以膨胀滤为50％的冲洗强度连续冲洗了407小时(相当于生产滤池四年半的冲洗时间)，然后检查其磨损程度。从表3.1可以看出，经试验后这两种煤的粒径变化都很小，破碎损失也很小。
    理石粒滤料，机械强度稍差，在中性水及碱性水中(ph值在8.5～11.8范围)都很稳定，但能溶解于酸性水。
　

二、滤料的粒径与级配 

    滤料颗粒的大小用“粒径”表示，粒径是指能把滤料颗粒包围在内的一个假想球面的直径，如图3.7所示。滤料颗粒间的数量关系由筛分试验求得，具体方法如下。
    取砂样约300克，置于105℃的恒温箱中烘干，从干砂样中称取100—200克(准至0.01克)，放于一组筛中过筛，最后称出留在每一筛上的颗粒重量，得表3.2的筛分结果。表3.2的结果可以绘成图3.8的曲线，称为沙样的级配曲线。
    有了这个级配曲线，就可以了解许多有关滤料级配的术语。例如曲线与纵座标10％交点的横座标筛孔就叫做d10，同样的关系可以得d80、d10称为有效粒径，指小于它的颗粒是产生水头损失的主要部分。d80/d10的比值叫做不均匀系数。从图中得：有效粒径d10＝0.53毫米，d80＝1.05毫米，并算得不均匀系数k80»2。
    d10反映了沙样中小颗粒的大小，k80反映砂样颗粒大小不均匀程度，所以这两个指标对于砂样颗粒的大小关系基本上给出了一个全面的概念。
    不均匀系数越大。则大小颗粒间的差别越大，大小颗粒掺杂的结果，会降低滤料层的孔隙率，影响滤料层的含污能力和增加过滤时的阻力。
    什么叫滤料层的孔隙率?滤料层的孔隙率是指滤料颗粒间空隙的体积与滤料层的体积(它等于滤料颗粒的总体积与滤料颗粒间空隙的体积之和)的比值。目前常用的砂滤料的孔隙率约为0.40。无烟煤的孔隙率约为0.5。
    什么叫滤料的含污能力?滤料的含污能力是指在保持滤池的出水水质的条件下，在整个工作周期内，单位体积滤料内的含泥量。可用公斤/米3或克/厘米3表示。在同样的水质条件下，滤料的含污能力降低，则滤池的工作周期要缩短。
    上边介绍的方法是一般的表示筛分资料的方法，在生产中应用是比较方便的。但是为了得到更好的滤料粒度的数据，特别是用于有关理论的计算时，这样得出的粒径的大小有两个缺点：(1)筛子孔径在制造及使用上有较大误差，(2)由于滤料形状是不规则的，所以只能反映颗粒能通过筛孔，反映不了它的形状，但实际的颗粒也可能是扁的，也可能是长条的，它们的重量及体积可能差得很远。为了解决上述矛盾，另有一种表示粒度的方法，就是用“筛的校准孔径”代替筛子的名义孔径。校准孔径d¢的求法如下：将滤料砂样放在筛孔为d的筛里面，筛掉那些细沙。筛完后将筛放在另一张纸上，并用盖将筛盖好。用劲将筛振动几下，这样又有一些颗粒筛落下来。这些颗粒代表恰好通过筛孔d的颗粒，从这些颗粒中取出n个，在分析天平上称其重量(通常称出100毫克)数出其粒数，再用下式计算筛的校准孔径：

                                                     (3.3)

式中 y——滤料颗粒的容重；
w——天平上称出的重量；
n——在w重量内，滤料的颗粒数。

    校准孔径d¢的意义见图3.9。d¢相当于恰好通过筛孔d的沙粒的等体积球体的直径。表3.2的筛分记录和图3.9的级配曲线都给出了校准孔径d¢和名义孔径d。
    由于同一来源的砂，它们在自然界形成的过程是相同的，所以每一颗粒的形状，也大致会一样，例如根据某一砂样的实测资料，如砂的体积为1，其三个垂直方向的长度约为1.38，1.05及0.69，即是一个证明。因此，用筛的校准孔径的方法表示粒径大小，基本上反映了颗粒的形状，同时也消除了筛孔的误差。筛孔校准后的级配曲线如图3.8所示，其d10，d80及k80均较未校准的要小。
    除上述两种方法表示外，还会遇到有用当量粒径及平均粒径(即d50)表示粒径大小的。
    当量粒径de可以按下式计算：

                                                     (3.4)

    式中符号的意义是将筛分级配曲线分为若干段，每段在粒径di1及i2之间，其平均粒径为di，相应于di1及di2间的颗粒重量％为pi。
平均粒径d50为滤料重量的50％通过的筛孔孔径。当量粒径de与平均粒径d50的数值一般都很接近。
    实践中最简便的方法是规定最大和最小两种粒径，用相应的两种筛子来加工滤料，截留于小孔径筛子上的滤料都合用。其最大和最小粒径一般会和它的d30和d10值相接近，这样k80值也就自然地定出，不必另行规定。

三、滤料层的规格

    滤料层的规格是指对于滤料的材质、粒径与厚度的规定。滤料的粒径都比较小，一般在0.5～2毫米范围内。因粒径小，所以滤料的比表面积就较大，有利于过滤过程中吸附矾花。但粒径小就易被堵塞。滤料层的厚度可以理解为矾花穿透的深度和—个保护厚度的和。穿透深度与滤料的粒径、滤速及水的混凝效果有关。粒径大、滤速高、混凝效果差的其穿透深度都较大。一般情况下穿透深度约为40厘米，相应的保护厚度约20～30厘米，这样，滤料层总厚度应为60～70厘米。
    滤料的规格也要考虑到滤前处理的效果对过滤的影响，如果滤前处理得好，使悬浮物易于被吸附，穿透深度可以小些。
    表3.3列出了一般情况下单层砂滤抖与双层滤料(无烟煤与砂)滤池的滤速与滤料层的规格。表中强制滤速系指全部滤池中有一个或两个滤池停产进行检修时其他工作滤池的滤速。滤池设计中以正常情况下的滤速来设计滤池面积，以检修情况下的强制滤速进行校核。

    在石英砂滤料上面加一层无烟煤滤料组成双层滤料，由于煤粒间的孔隙比较大，矾花可以穿透得深一些，更好地发挥整个滤层表面积的吸附能力。
    双层滤料中砂与煤的粒径的选择至为重要，如选择不当，会产生混层问题，即在反冲洗时引起煤粒与砂粒之间的混杂现象，小颗粒砂掺杂到大颗粒煤粒孔隙间，这样就失去煤粒孔隙大的优点，完全达不到双层滤料所应起的作用。由于滤料的形状是不规则的，粒度的尺寸也很难严格控制，它们的比重也随原料的来源而变化(如无烟煤的比重为1.47～1.88)，因此双层滤料的混杂也是不可避免的，如果混层在10厘米之内，也就认为可以了。
    三层滤料是从双层滤料发展而来的，是在石英砂下面再加一层更细的颗粒，这样就可使矾花穿透更深些，更好地发挥整个滤层的表面吸附能力。国外用石榴石粒，我国湖北省黄石市自来水公司就地取材采用磁铁矿粒，并对承托层及配水系统的构造作了改进，使三层滤料滤池的滤速达到30～40米/时。磁铁矿粒比重为4.75，粒径取0.25～0.5毫米，厚度为7厘米。

四、承托层

    承托层一般是配合管式大阻力配水系统使用。其作用有两个：(1)阻挡滤料进入配水系统中，(2)均匀配水。第一个作用在过滤过程中尤其突出，因为过滤时的水流是向下的。第二个作用表现在冲洗过程中。在其它配水系统中，如果配水的孔眼数量多、尺寸小，配水本身已经很均匀，滤料也不会通过孔眼漏掉的话，承托层可以完全省去，或者适当减小厚度。从承托层要挡住砂子的要求来看，它是—种反滤层的结构。对它有下列要求：(1)要在反冲洗时高流速的情况下，承托层保持不被冲动；(2)要形成均匀的孔隙，以造成水均匀分布的条件；(3)材料坚固同时不溶解于水。所以一般采用天然卵石或碎石。
    目前承托层颗粒的最小尺寸为2毫米，它是由滤料的最大粒度1～2毫米而定的，最大的尺寸为32毫米，它是由冲洗时所产生的最大冲击力而定的，按反滤层的构造，自上而下分为四层，具体规格见表3.4。

    每层粒度尺寸都比较均匀，因之它们具有最大的孔隙度，由滤料算起每层的过滤系数均约为2，所以能保证反滤层更好地工作。最下一层要求在孔眼上面至少150毫米，保证配水射流直接在这一层内扩散，因此不会冲动承托层，破坏滤池的工作。在外形上，也要选用接近于球形的卵石。

五、滤料对过滤的影响

下面进一步分析滤料粒径与级配对过滤过程的影响。
1． 快滤池滤抖层含污的分布情况

    图3.10表示滤料层中含污量分布情况。从图中可看出：(1)滤料的含污量上层最大，逐层往下越来越小。上层滤料粒径小，孔隙也小，因截污量大，所以堵塞严重；下层滤料粒径大，孔隙大，但堵塞反而较轻，所以没有充分发挥粗粒径滤料的作用。随着时间的增加，去除悬浮物的任务将逐渐转移到下面滤层。(2)滤料级配相同时，当滤速加大后，滤料层的截污分布状况有所变化，滤速大的比滤速小的分布较均匀，较能发挥粗粒径滤料的作用。

2. 滤料粒径的大小对过滤的影响

    图3.11为不南粒痉的砂层，当滤速为5米/时，在运转45小时以后不同深度砂层去除浑浊度(它比悬浮物更易测得)的累积百分数资料。从图中可以看出：
(1) 细粒径砂层的穿透深度(指滤过水的水质达到一定标准的浑浊度时所经过的滤层深度)比粗粒径砂层的穿透深度小，滤速相同时，粒径越粗，穿透深度越深，因此，为了保证滤过水的水质，滤料粒径越粗，则需要的滤料层越厚。
(2)较粗的砂粒对滤水周期，滤水能力及含污能力有较大的优越性。
(3)当滤料粒径相同时，滤速越大，则穿透深度越大(见图3.10)。

3． 双层滤料与单层滤料的比较