湖南大學土木工程學院水工程與科學系 柳州市自來水責任有限公司
施周 吳光春 張瑩 黃京敏 過濾是水處理流程中以粒狀介質(濾料)截留雜質以保證出水水質的重要工藝環節。上向流過濾由于濾床的粒徑及孔隙從下至上隨過濾水流方向逐漸變小，因此，與傳統的下向流過濾方式相比，其具有提高濾料截污量、延長過濾周期的潛力，因而在歐美得到了較廣泛的應用[1]。國內也成功地進行了生產應用[2]。由于以往上向流過濾研究多側重于解決實際生產應用的問題，對諸于上向流濾料的級配對過濾性能的影響、粒徑與極限濾速的關系以及過濾機理等的研究有待深入和完善。因此，本研究擬在實驗研究的基礎上對上述問題進行進一步的探討。 1、實驗裝置與方法 1.1實驗裝置與材料
實驗過濾裝置，濾筒為PVC管柱，其上設有有機玻璃觀察宙及取樣孔；濾料采用石英砂(岳陽砂廠)，混凝劑為精制硫酸鋁(柳州自來水公司硫酸鋁廠)，原水取自柳江河水。
1.2實驗方法
上、下向流過濾對比實驗：采用濾筒裝置在柳州市自來水公司城中水廠進行。待濾水取自孔室渦流反應池或斜管沉淀池，經水泵送人高位水箱后再分送至1—4#濾筒。濾筒內徑均為加伽，其中1#筒采用0.7～2.0mm的自然級配石英砂進行下向流過濾，濾層厚度96cm；2#筒采用0.7～2.0mm的自然級配石英砂進行上向流過濾，濾層厚度98cm，3#筒采用分層填裝濾料進行上向過濾，濾層厚度115cm。4#筒采用與2#筒相同級配但厚度為40cm的石英砂濾層進行上向流過濾試驗。
水樣濁度采用美國便攜式濁度儀(HACH公司，型號2100P)測定。過濾水量采用轉子流量計測定并經容量法核定。水頭損失由濾層表面及底部測壓管水頭差確定。
極限(最大)濾速實驗：采用內徑59mmPVC管作為濾筒，濾層厚度為50～70cm，分別選用粒徑為0.8～0.96，0.96～1.13，1.13～1.5，1.5～1.77，1.77～2.0mm的六組濾料，用清水進行上向流過濾極限濾速實驗：通過閥門逐漸加大過濾水量直至表層濾料顆粒開始流態化，然后記錄相應的流量并根據濾料面積換算成極限濾速。 2、結果與討論 2.1極限濾速
保持濾料非流態化是上向流過濾正常工作的前提，因此我們滿足這一條件的最大濾速 定義為極限濾速：即在一定溫度下，上向流過濾中對于某一粒徑的濾料，能使濾層起到有效過濾作用的最大濾速，也即表層濾料剛開始流態化時的濾速。根據這一定義，極限濾速可利用下述反沖洗強度與孔隙率關系公式(1)來確定[6]：
 (1) 式中 q——反沖洗強度（L/m2.s）
d0——濾料粒徑（ cm）
μ——動力粘滯系數（g/cm.s）
m0——濾料孔隙率
e——膨脹率 令e=0，則可得極限濾速Vmax(m/h)：  (2) 根據公式(2)計算出的理論極限濾速列于表1。 表1極限濾速理論計算值與實測值比較 | 粒徑范圍（mm）1 | 孔隙率 | 水溫 | Vmax(m/h) |
|---|
| Dmin | Dmax | M0 | (℃) | 計算值2 | 實測值3 | | 0.70(0.64) | 1.00 | 0.494 | 30.0 | 37.5 | 38.6±62.5 | | 1.00(0.82) | 1.17 | 0.473 | 29.8 | 45.9 | 45.5±2.4 | | 1.17(1.07) | 1.30 | 0.505 | 29.0 | 78.3 | 66.9±1.9 | | 1.30(1.12) | 1.75 | 0.502 | 30.0 | 81.7 | 75.1±2.4 | | 1.75(1.52) | 2.00 | 0.493 | 30.0 | 115.8 | 93.4±4.4 | 說明：1 括號外及括號內數值分別為篩孔徑及校準篩孔徑；
2 由于表面的小粒顆濾料首先流態化，故以d0= Dmin之校準篩孔徑計算；μ=0.0081（g/cm·s）
3 取六次觀測平均值 為便于此，我們將實測所得的極限濾速也列入表1。發現計算值與實測值二者在粒徑≤1.10mm范圍內基本吻合，在粒徑＞1.10mm范圍，計算值大于實測值。這一結果說明在實際工程應用中，利用式(2)來估算最小粒徑≤之濾料的極限濾速是可行的。
2.2上向流過濾機理
一般認為，過濾機理包括機械攔截、沉淀及吸附等作用。過濾周期初始時，濾料孔隙較絕大部分待濾雜質尺寸為大，故其對于懸浮雜質的截留以吸附作用為主。隨著過濾周期的進行，濾料顆粒表面逐漸為截留雜質顆粒所占據，孔隙尺寸變小而機械攔截作用加大。本研究由于采用孔隙尺寸較大的粗濾料過濾，在過濾初期，應幾乎沒有機械篩濾作用，起主要作用的是吸附。為證明這一推論，我們用3#濾筒(濾料粒徑為0.8～2.0mm)，將原水(濁度＝5.3NTU)在不投加混凝劑情況下進行上向流過濾(濾速7.7～23.6m/h)，5min后取樣分析發現濾后水濁度＞3.1NTU，達不到合格的水質要求。這一結果表明，即使在濾速較低(7.7m／h)的條件下，濾料對大部分雜質顆粒，尤其是較小顆粒的機械攔截作用不明顯。而當適當地投加混凝劑硫酸鋁以后，即使控制3#柱濾速接近其極限濾速，其5min濾后水濁度為0.1NTU,明顯優于未投加硫酸鋁時的水質。這一事實說明混凝劑投加后雜質顆粒脫穩，其與濾料表面的吸附力增加，因此濾層截留雜質的能力得以提高。由此可見，吸附作用機理在上向流過濾中起主導作用。
此外，在實驗中我們還發現出水水質與混凝劑的投加量有很大的關系。因此在高濾速上向流過濾中，要保證長時間的好水質必須控制混凝劑的投加量。
2.3上向流過濾水頭損失變化
上、下向流過濾水頭損失隨過濾時間的變化關系見圖1。則周期內濾料平均水頭損失增長速度K＝(終期水頭損失—初期水頭損失)／過濾周期；對1、2、3、4#濾筒，顯然，K1＝3.5＞K3＝1.8＞K2＝1.7＞K4＝0.86。由此不難得出：1)在相同條件下，下向流水頭損失增長速度大于上向流。因此，在相同的可資水頭作用下，上向流較之下向流具有較長的過濾周期；2)對上向流過濾，濾層越厚，水頭損失增長越快。在保證出水水質和應有濾速前提下，選擇一個恰到好處的濾層厚度是很重要的，該結論與文獻[3]一致。  2.4上向流過濾性能評價
理想的過濾應該是高濾速，低水頭損失，長過濾周期及優良出水水質。以此為依據，文獻[4]提出了如下的評價過濾性能的過濾指數公式： FPI＝(Cst—C)×(C0—C)×VT/H (3) 式中 C——出水濁度(mg/L)
C0——進水濁度(mg/L)
Cst——國家《生活飲用水衛生標準》(GB5749—85)中濁度指標，Cst＝3度。
V——濾速(m／h)
T——過濾周期(h)
H——終期水頭損失(h)
根據以上公式及相應參數(表2)，計算出濾拄1、2、3、4的FPI(表2)。顯然就綜合過濾性能而言濾筒4＞濾筒2＞濾筒1，即相同條件下，上向流過濾優于下向流過濾；對上向流過濾而言，濾料厚度為40cm時的性能優于同等條件下濾料厚度為98cm時的性能。 表2 上向流過濾與下向流均質濾料過濾數據綜合表 | 濾柱 | 過濾方式 | 濾層厚度
(mm) | 濾速
(m/h) | 周期
(h) | 濁度（NTU） | 水頭損失（cm） | FPI |
|---|
| 進水 | 初期出水 | 初期 | 終期 | | 1 | 下向流 | 960 | 24.3 | 22 | 3.3 | 0.6 | 40 | 113 | 3045 | | 2 | 上向流 | 980 | 20.1 | 30 | 3.8 | 0.3 | 37 | 79 | 7125 | | 3 | 上向流 | 1080 | 34.4 | 29 | 3.8 | 0.2 | 60 | 114 | 8801 | | 4 | 上向流 | 400 | 12.4 | 28 | 3.8 | 0.3 | 6 | 30 | 10852 | 三、結論 綜合上述研究成果，可得出如下結論：
1.極限濾速與濾料粒徑之間的關系可以指導粒徑的選擇及預計最大濾速；上向流過濾極限濾速實測值與公式計算值在油料粒徑≤1.10mm范疇時吻合，在濾料粒徑＞1.10mm范圍時，實測值賂小于公式計算值。由于上向流過濾時濾料流態化將從最小粒徑濾料顆粒開始，故可以利用公式(2)估計最小粒徑≤1.10mm之濾料的上向流過濾極限濾速；
2.上向流過濾機理以吸附與沉淀作用為主，機械篩濾作用不大；
3.下向流過濾水頭損失增長速度大于同等條件時的上向流過濾水頭損失增長速度；根據過濾指數判斷，在同條件下，上向流過路綜合性能優于下向流過濾。 以上研究結果可用來指導上向流濾池的設計與運行，以進一步改善過濾效果。 參考文獻 [1] Haney，BJ and Steimle,SE.Potable—Water Supply by Means of Upflow Filtration(L’Eau Claire Process)。Jour.AWWA，66：2：117—1--123，1974
[2]Smit,P.UPflow Filter,Jour.AWWA,55：6：804，1963
[3]吳光春等“粗濾料反粒度過濾技術研究”，《給水徘水》，1988年
[4]黃京敏等“反粒度過濾在大型生產池上的試驗研究”，《給水徘水》，22：7：5—10，1994年
[5]吳光春等“反粒度過濾反沖洗效果的探討”，《給水排水》，22：1：21—23，1988年
[6]許保玖，《給水處理》中國建筑工業出版社，1979年，128頁 | 
