课程名称：《水质工程学I》第周，第13讲次摘要$4-3滤料和承托层$3-4滤料冲洗上授课题目（章、节）【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。【重点】【难点】内容【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】S4-3滤料和承托层一、滤料1、基本要求：①具有足够的机械强度；（减少冲洗时的磨损和破碎）②具有足够的化学稳定性，不能含有对人类健康和生产有害物质，滤料不能与水产生化学反应体水质恶化。③具有一定的颗粒级配和适当的空隙率。滤料要货源充足、价廉、尽量就地取材。2、常用滤料：石英砂；无烟煤、石榴石、钛铁矿、磁铁矿，金钢砂。人造：聚苯乙烯粒料、陶粒等。（一）滤料粒径级配：1、概念：滤料中各种粒径颗粒所占的重量比例。粒径一一指正好通过某一筛孔的孔径。2、两种表示方法：①粒径dio；不均匀系数Ko。dio一一通过滤料重量10%的筛孔孔径
课程名称：《水质工程学 I》 第 周，第 13 讲次 摘 要 授课题目（章、节） §4-3 滤料和承托层 §3-4 滤料冲洗上 【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。 【重 点】 【难 点】 内 容 【本讲课程的引入】 【本讲课程的内容】 §4-3 滤料和承托层 一、滤料 1、基本要求： ①具有足够的机械强度；（减少冲洗时的磨损和破碎） ②具有足够的化学稳定性，不能含有对人类健康和生产有害物质， 滤料不能与水产生化学反应体水质恶化。 ③具有一定的颗粒级配和适当的空隙率。 ④滤料要货源充足、价廉、尽量就地取材。 2、常用滤料： 石英砂； 无烟煤、石榴石、钛铁矿、磁铁矿，金钢砂。 人造：聚苯乙烯粒料、 陶粒等。 （一）滤料粒径级配： 1、概念：滤料中各种粒径颗粒所占的重量比例。 粒径——指正好通过某一筛孔的孔径。 2、两种表示方法： ①粒径 d10 ；不均匀系数 K80。 d10——通过滤料重量 10%的筛孔孔径
一通过滤料重量80%的筛孔孔径。ds0不均匀系数：Ks0ko = dodiod8o—反映粗颗粒的尺度；dio一反映细颗粒的尺度。Ks越大，→颗粒越不均匀→对过滤和冲洗越不利。工艺对滤料粒径的要求：i含污能力大（Kso，含污能力减少）ii反冲洗时，粗颗粒要膨胀但细颗粒不能被冲走。（K最好接近于1)②最大粒径dmax与最小粒径dmin和不均匀系数Kso。我国规范据经验制定了级配及滤速。沈料级配及浓速表17-3冰料组成强制滤速类到营m不均匀系数Kmmy(m/b)(m/h)X..2m.*-1.2草晨石葵砂池料<2.07008~1010~14data=0.5无烟煤dm*x=1.8<2.0300~400da/x=0.8双层泌料10~1414~18石英砂dm**=1.2<2.04002ain=0.5无烟煤460mkx-1.6<1.7dmtn=0,8石英砂230三晟德料8m*x-0.8<1.518~2020~25dm1n=0.5重橱矿石70<1.7dm*x-0.5dain-0.25注，滤料密度一般为：石英砂2.60~2.65g/cm无烟燃1.40~1.60g/cm*，重质矿石4.7~5.0g/cm*（二）滤料筛选方法：1、筛分介绍：用不同筛孔直径的筛对滤料进行分粒经称重。去掉大粒经、和小粒经砾、沙。使滤料趋于均匀。2、等体积球体直径do(m)：
d80——通过滤料重量 80%的筛孔孔径。 不均匀系数：K80 10 80 80 d d k = d80— 反映粗颗粒的尺度； d10—反映细颗粒的尺度。 K80越大，→颗粒越不均匀→对过滤和冲洗越不利。 工艺对滤料粒径的要求： i 含污能力大（K80，含污能力减少） ii 反冲洗时，粗颗粒要膨胀但细颗粒不能被冲走。（K80最好接近于 1） ② 最大粒径 dmax 与最小粒径 dmin 和不均匀系数 K80。 我国规范据经验制定了级配及滤速。 （二）滤料筛选方法： 1、筛分介绍：用不同筛孔直径的筛对滤料进行分粒经称重。去掉大粒 经、和小粒经砾、沙。使滤料趋于均匀。 2、等体积球体直径 d0(m)：
（不同于过筛的滤料粒径）取n个（若干）粒径同筛分的滤料，称得重量（Gkg）则36Gd=Vrnpp—一颗粒密度（Kg/m3）（三）滤料孔隙率的测定：①105℃下烘干，称量（G）测密度（p）②用清水过滤一段时间后，工作状态下测其（堆积）体积（V）③其孔隙率（m）：总体积-滤料体积=1-Gm=总体积pVm与颗粒的粒径，均匀程度，压实程度、形状等有关。石英砂m=0.42左右。（四）滤料形状：（是形成孔隙率大小的因素）用滤料颗粒的球度来表示：同体积球体的表面积0=颗粒实际表面积砂滤料宜在Φ=0.75～0.80滤料颗粒球形度及孔隙率表17-2序号形状描述球度系数几脉率m圆球形1.00.3810.382烫形0.980.393已磨蚀的0.940.810.404带锐角的0.780.43有角的（五）双层及多层滤料级配：1、反冲洗后，滤料的分布：①不同滤料完全分层（正常）②中间有掺混层（厚度在50mm左右，对过滤有益）太厚有害
（不同于过筛的滤料粒径） 取 n 个（若干）粒径同筛分的滤料，称得重量（G kg）则 n G d 6 3 0= ρ——颗粒密度（Kg/m3） (三)滤料孔隙率的测定： ①105℃下烘干，称量（G）测密度（ρ） ②用清水过滤一段时间后，工作状态下测其（堆积）体积（V） ③其孔隙率（m）： V G m = − − = 1 总体积 总体积 滤料体积 m 与颗粒的粒径，均匀程度，压实程度、形状等有关。石英砂 m=0.42 左右。 （四）滤料形状： （是形成孔隙率大小的因素） 用滤料颗粒的球度来表示： 颗粒实际表面积 同体积球体的表面积 = 砂滤料宜在Φ=0.75～0.80 （五）双层及多层滤料级配： 1、反冲洗后，滤料的分布： ①不同滤料完全分层（正常） ②中间有掺混层（厚度在 50mm 左右，对过滤有益）太厚有害
原因：孔隙率太低。③分层颠倒。（不应出现）原因：粒径不当；反冲洗强度不当。2、分布的影响因素：不同滤料的重度差，粒径差，颗粒级配，滤料形状，水温，反冲洗强度等。现阶段用经验数据或实验来确定。煤一砂，粒径比：1.8= 3.60.5水中重度比：(2.65-1)=4~2.8(1.4~1.6)-1（在）反冲洗强度：13~161/s·m2则不产生严重和混杂现象。表17-3滤料的级配和滤速：滤料极配及滤速装17-3滋料组成强制池速路池烫别格mmFmn不物好系到(m/h)(m/h)dau=1,2<2.0700单层石英沙池料8~1010~14da1n-0.5无烟茶6aix=1.8<2.0800~4004ag=0.8双层港料10~1414~18石英砂400da.x=1.2<2.0a1=0.5无熠媒450<1.7dm.r"1.6dain=0.8石英砂230三层滤料dg+x-0.8<1.518~2020~25dmlc=0.5重质矿石<1.770dm**=0.5dm1x=0.25出：冰料密度一般为：石英砂2.60~2.65g/em，无烟煤1，40~1.60g/cm，正质码石4.7~5.0g/cm，强制滤速：当有一两个滤池退出工作，（停产检修）其余滤池在超过正常负荷下的滤速
原因：孔隙率太低。 ③分层颠倒。（不应出现） 原因：粒径不当；反冲洗强度不当。 2、分布的影响因素： 不同滤料的重度差，粒径差，颗粒级配，滤料形状，水温，反冲洗强 度等。 现阶段用经验数据或实验来确定。 煤—砂，粒径比： 3.6 0.5 1.8 = 水中重度比： ( ) 4 ~ 2.8 (1.4 ~ 1.6) 1 2.65 1 = − − （在）反冲洗强度：13～16 l/s·m2 则不产生严重和混杂现象。 表 17-3 滤料的级配和滤速： 强制滤速：当有一两个滤池退出工作，（停产检修）其余滤池在超过正 常负荷下的滤速
二、承托层：1、作用：（1）防止滤料从反冲洗配水系统流失。（2）反冲洗时可均匀布水。（其自身不应悬浮）2、材料：天然卵石或砾石有不同的级配，最上层要细，防止滤料穿过。冲洗时，承托层不应移动，措施，上层用重质矿石。不同的配水系统有不同的承托层。表17-4快滤池大阻力配水系统承托层教径和摩度层次（自上而下）拉径(mm)原度(mm)12~410024~81008~161003416~ 32本层顶面高度至少应高出配水系绕扎服100表 17-5三层滤料滤池承托层材料、粒径与厚度犀度(冒上雨夺)材科(mm)-重质矿石（如石蟾石、蕨铁矿等）500.5~1.0N重质矿石（如石萄石、磁铁矿等）01~23重质矿石（如石霉石、磁铁矿等）2~4504~850重质矿石（如石榴石、磁铁矿等）5石8~ 16100研6石16~32本层顶面高度至少应高出配水系统孔眼100mm配水系统如用键砖且孔径为4mm时，第6层可不设。注：S4-4滤池的冲洗目的：清除滤层截留的污物，恢复滤池的过滤能力。方法：①高速水流反冲洗；②气、水反冲洗；③高速水流加表面助冲反冲洗。一、高速水流反冲洗（高速反冲洗）原理：在水流的剪力和滤料颗粒的相互碰撞磨擦作用下，污物从滤料表面脱落下来，被冲洗水流带出滤池。（一）冲洗强度、滤层膨胀度，冲洗时间几个概念：1、冲洗强度：（冲洗速度）滤池单位面积，单位时间的冲洗水量
二、承托层： 1、作用： （1）防止滤料从反冲洗配水系统流失。 （2）反冲洗时可均匀布水。（其自身不应悬浮） 2、材料：天然卵石或砾石 有不同的级配，最上层要细，防止滤料穿过。冲洗时，承托层不应移 动，措施，上层用重质矿石。不同的配水系统有不同的承托层。 §4- 4 滤池的冲洗 目的：清除滤层截留的污物， 恢复滤池的过滤能力。 方法：①高速水流反冲洗； ②气、水反冲洗； ③高速水流加表面助冲反冲洗。 一、高速水流反冲洗（高速反冲洗） 原理：在水流的剪力和滤料颗粒的相互碰撞磨擦作用下，污物从滤料 表面脱落下来，被冲洗水流带出滤池。 （一）冲洗强度、滤层膨胀度，冲洗时间几个概念： 1、冲洗强度：（冲洗速度）滤池单位面积，单位时间的冲洗水量
单位：1/sm或cm/s1cm/s=101/sm2、滤层的膨胀度（率）e：滤层膨胀后所增厚度（L一L）与膨胀前厚度（L.）之比L-Lo×100%e=Lo用孔障率表示：滤层膨胀前后，单位滤池面积上滤料体积不变。1-moL(1-m)=Lo (1-mo)L= LLO1-mmo——膨胀前孔隙率；m——膨胀后孔隙率。代入e式中1-mo-LoLo1-m1-mo.-1m-moe=Lo1-m1-m3、冲洗时间：过短：滤料表面污泥冲洗不充分，长期下去会形成泥膜更难冲洗。冲洗水排不尽，使污泥重返滤层。过长：滤料磨损过快。生产上可据反冲洗废水浊度确定（自动控制）多数据经验：表 17-6冲洗强度、膨胀度和冲洗时间冲洗强度影胀度冲洗时间序是鸿屋(%)(L/sm)(min)1石英砂滤料12~1545 7~52508~6双层滤料13~16553三层滤料7~516~17注：1.设计水温按20℃计，水温每增减1C、冲洗强度相应增减1%；2.由于全年水温、水质有变化，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素：4.无阅滤池冲洗时间可采用低限；5.膨胀度数值仅作设计计算用。（二）冲洗强度与滤层膨胀度的关系
单位：l/sm 2 或 cm/s 1cm/s=10 l/sm 2 2、滤层的膨胀度（率）e ： 滤层膨胀后所增厚度（L－L0）与膨胀前厚度（L0）之比： 100% 0 0 − = L L L e 用孔障率表示： 滤层膨胀前后，单位滤池面积上滤料体积不变。 L(1-m)=L0(1-m0) m m L L − − = 1 1 0 0 m0——膨胀前孔隙率； m——膨胀后孔隙率。 代入 e 式中 m m m m m L L m m L e − − − = − − = − − − = 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 3、冲洗时间： 过短：滤料表面污泥冲洗不充分，长期下去会形成泥膜更难冲洗。 冲洗水排不尽，使污泥重返滤层。 过长：滤料磨损过快。 生产上可据反冲洗废水浊度确定（自动控制） 多数据经验： （二）冲洗强度与滤层膨胀度的关系
1、假设：滤料粒径均匀，滤池内冲洗强度分布均匀。2、关系推导：未膨胀滤料中，水流的水头损失h欧根（Ergun)公式：..150v(1-m.)(1-mh=Lv+1.75(1)gm(pd.gpd。 mo素流项层流项膨胀后：悬浮状态的滤料对水流的阻力=其在水中的重量（力）（阻力）pgh=（psg-pg)(1-m）L（重量）.. h= P.-P(I-m)L ---(2)pL一膨胀后滤层厚度: (1-m) L=(1-mO) L0.. h = PsP(1-mo)L。 ---(3)P据（1）（3）式，可绘成水头损失和流速的关系曲线。ca-欧根公式"4反冲洗流速"(cm/s)图17-13水头损失和冲洗流速关系V一一反冲时滤料刚刚开始流（态）化的冲洗流速称为最小流态化冲洗流速。理想化时应是（1）和（2）式的交点。v>vm时，滤层中水头损失不再变化
1、假设：滤料粒径均匀，滤池内冲洗强度分布均匀。 2、关系推导： 未膨胀滤料中，水流的水头损失 h 欧根(Ergun)公式： ( ) 层流项 紊流项 2 3 0 0 0 0 0 2 0 3 0 2 0 v 1 1 v 1.75 150 1 1 L m m g d L gm d v m h − + − = （1） 膨胀后： 悬浮状态的滤料对水流的阻力=其在水中的重量（力） （阻力）ρgh=(ρsg-ρg)(1-m) L (重量) ∴ h ( m)L s − − = 1 -(2) L—膨胀后滤层厚度 ∵(1-m)L=(1-m0)L0 ∴ ( ) h 1 m0 L0 S − − = -(3) 据（1）（3）式，可绘成水头损失和流速的关系曲线。 Vmf——反冲时滤料刚刚开始流（态）化的冲洗流速称为最小流态化冲洗 流速。 理想化时应是（1）和（2）式的交点。 v＞vmf时，滤层中水头损失不再变化
但：滤层膨胀，V大/L大1。（2）式代入（1）式：整理后可得：1.75p11v2+150vp-n=(p, -p)g dd。m3 m(e. -p)( dd.膨胀后孔隙率m与冲洗流速的关系（理论公式）实验公式：敏次和舒别尔特，推出的公式：（实验公式）(e + mo)p31q = 29.4 d131μ054 ({1+e)-"(1-mo)054μ一水的动力粘度Pa·sq一冲洗强度L/s·m2适用条件：滤料密度2.62g/cm水的密度1g/cm理查逊（J.F.Riohardson）和赞基（W.N.Eaki）提出的公式：（经验式）Vam=V.vi一使滤料颗粒达到自由沉淀状态的冲洗流速cm/s对一定的滤料，一定的水温Vi是一个常数。α一指数，决定于雷诺数。将式：e="二mo代入式中得：1-m(m+e)a(4)Vl+e当粒径为0.5~1.2mm时，20℃水温，α=4~3粒径小，α值大。冲洗强度与均匀滤层膨胀度的关系图按式（4）得出
但：滤层膨胀，v 大↗L 大↗。 （2）式代入（1）式：整理后可得： ( ) ( ) v 1 150 1 1 v 1.75 1 1 3 2 0 2 3 0 = − − − + − m m s g d m s d 膨胀后孔隙率 m 与冲洗流速的关系（理论公式） 实验公式：敏次和舒别尔特，推出的公式：（实验公式） ( ) ( ) ( ) 0.54 0 1.77 2.31 0 0.54 1.31 0 1 1 29.4 e m d e m q + − + = μ—水的动力粘度 Pa·s q—冲洗强度 L/s·m2 适用条件：滤料密度 2.62 g/cm3 水的密度 1g/cm3 理查逊（J.F.Riohardson）和赞基（W.N.Eaki）提出的公式：（经验式） 1 v v = i m vi—使滤料颗粒达到自由沉淀状态的冲洗流速 cm/s 对一定的滤料，一定的水温 vi 是一个常数。 α—指数，决定于雷诺数。 将式： m m m e − − = 1 0 代入式中得： i e m e v 1 v 0 + + = （4） 当粒径为 0.5～1.2mm 时，20℃水温， α=4～3 粒径小，α值大。 冲洗强度与均匀滤层膨胀度的关系图按式（4）得出
60540石类移密度2.65g/cm水湖20~℃20Φ-0.72o03254冲洗强度(1/s-m）图17-14冲洗强度和均匀滤层膨胀度关系由两图可知：v>v时v/e/v≤vr时e=0不膨胀（三）冲洗强度的确定及非均匀滤料膨胀度的计算：1、非均匀滤料的反冲洗特征：上中下层滤料的最小流态化冲洗速度vmf不同。do大Va大do小Vr小②（据图17-14）相同冲洗强度，不同d，膨胀度e不同d小V小（上层）do大V大（下层）③如果滤料级配不当（差别太大），最下层滤料达到v，上层滤料可能被冲走。（应调整级配；即滤料级配应考虑反冲洗问题）2、冲洗强度的确定：①单层滤料：q=10kvar（L/s·m)Vr一最大粒径滤料的最小流态化冲洗流速（cm/s）k一安全系数，取决于滤料粒径的均匀程度。取值k=1.1~1.3（常用值）不均匀度大，k取小；不均匀度小，k取大。②双层或多层滤料：要求各层滤料的V即要有一定的差值（冲洗后分层效果好）又要
由两图可知： v＞vmf时 v↗ e↗ v≤vmf时 e=o 不膨胀 （三）冲洗强度的确定及非均匀滤料膨胀度的计算： 1、非均匀滤料的反冲洗特征： ①上中下层滤料的最小流态化冲洗速度 vmf 不同。 d0大 vmf大 d0小 vmf小 ②（据图 17-14）相同冲洗强度，不同 d0膨胀度 e 不同 d0小 vmf小（上层） d0大 vmf大（下层） ③如果滤料级配不当（差别太大），最下层滤料达到 vmf，上层滤料 可能被冲走。（应调整级配；即滤料级配应考虑反冲洗问题） 2、 冲洗强度的确定： ①单层滤料：q=10kvmf(L/s·m 2 ) vmf—最大粒径滤料的最小流态化冲洗流速（cm/s） k—安全系数，取决于滤料粒径的均匀程度。 取值 k=1.1～1.3（常用值） 不均匀度大，k 取小； 不均匀度小，k 取大。 ②双层或多层滤料： 要求各层滤料的 vmf 即要有一定的差值（冲洗后分层效果好）又要
差值不能太大（下层达到Vf，上层滤料不被冲走）还要考虑清洗效果（滤料的碰撞磨擦）。可采取多档冲洗强度。3、非均匀滤料的膨胀度：设分成了n层，第i层滤料重量与总重量之比为pi第i层滤料膨胀前，厚：li～piL设第i层滤料膨胀度为：e=l-lelo第i层滤料膨胀后，厚1,=l1。(1+e.)l,=piL(1+ei)总膨胀度e：1-LL-LoLoLoZp,L(1+e)- L)12-Lo( +e)-1|×100%L I=In一一滤料分层数，可由筛分测得；PI——与n同样测得。e一第i层滤料的膨胀度，可以由已知冲洗速度v再由式（书17-14）和（书17-10）求得。近似解：用滤料的当量粒径deq来代替do（但精度差）1/pidg台dxd2平均直径
差值不能太大（下层达到 vmf，上层滤料不被冲走）还要考虑清洗效果 （滤料的碰撞磨擦）。 可采取多档冲洗强度。 3、非均匀滤料的膨胀度： 设分成了 n 层， 第 i 层滤料重量与总重量之比为 pi 第 i 层滤料膨胀前，厚：lio≈pi L0 设第 i 层滤料膨胀度为： 0 0 i i i i l l l e − = 第 i 层滤料膨胀后， 厚 li=lio(1+ei) li=piL0(1+ei) 总膨胀度 e： 0 1 0 0 0 L l L L L L e n i i = − = − = ( ) 0 1 0 1 0 L p L e L n i i i = + − = (1 ) 1 100% 1 = + − = i n i i p e n——滤料分层数，可由筛分测得； pi ——与 n 同样测得。 ei——第 i 层滤料的膨胀度， 可以由已知冲洗速度 v 再由式（书 17-14）和（书 17-10）求得。 近似解：用滤料的当量粒径 deq 来代替 d0(但精度差) = = n i i i i eq d d p d 1 2 1 平均直径