上向流过滤实验研究
过滤是水处理流程中以粒状介质(滤料)截留杂质以保证出水水质的重要工艺环节。上向流过滤由于滤床的粒径及孔隙从下至上随过滤水流方向逐渐变小，因此，与传统的下向流过滤方式相比，其具有提高滤料截污量、延长过滤周期的潜力，因而在欧美得到了较广泛的应用[1]。国内也成功地进行了生产应用[2]。由于以往上向流过滤研究多侧重于解决实际生产应用的问题，对诸于上向流滤料的级配对过滤性能的影响、粒径与极限滤速的关系以及过滤机理等的研究有待深入和完善。因此，本研究拟在实验研究的基础上对上述问题进行进一步的探讨。
1、实验装置与方法
1.1实验装置与材料
实验过滤装置，滤筒为PVC管柱，其上设有有机玻璃观察宙及取样孔；滤料采用石英砂(岳阳砂厂)，混凝剂为精制硫酸铝(柳州自来水公司硫酸铝厂)，原水取自柳江河水。
1.2实验方法
上、下向流过滤对比实验：采用滤筒装置在柳州市自来水公司城中水厂进行。待滤水取自孔室涡流反应池或斜管沉淀池，经水泵送人高位水箱后再分送至1—4#滤筒。滤筒内径均为加伽，其中1#筒采用0.7～2.0mm的自然级配石英砂进行下向流过滤，滤层厚度96cm；2#筒采用0.7～2.0mm的自然级配石英砂进行上向流过滤，滤层厚度98cm，3#筒采用分层填装滤料进行上向过滤，滤层厚度115cm。4#筒采用与2#筒相同级配但厚度为40cm的石英砂滤层进行上向流过滤试验。
水样浊度采用美国便携式浊度仪(HACH公司，型号2100P)测定。过滤水量采用转子流量计测定并经容量法核定。水头损失由滤层表面及底部测压管水头差确定。
极限(最大)滤速实验：采用内径59mmPVC管作为滤筒，滤层厚度为50～70cm，分别选用粒径为0.8～0.96，0.96～1.13，1.13～1.5，1.5～1.77，1.77～2.0mm的六组滤料，用清水进行上向流过滤极限滤速实验：通过阀门逐渐加大过滤水量直至表层滤料颗粒开始流态化，然后记录相应的流量并根据滤料面积换算成极限滤速。
2、结果与讨论
2.1极限滤速
保持滤料非流态化是上向流过滤正常工作的前提，因此我们满足这一条件的最大滤速 定义为极限滤速：即在一定温度下，上向流过滤中对于某一粒径的滤料，能使滤层起到有效过滤作用的最大滤速，也即表层滤料刚开始流态化时的滤速。根据这一定义，极限滤速可利用下述反冲洗强度与孔隙率关系公式(1)来确定：
(1)
式中q——反冲洗强度（L/m2.s）
d0——滤料粒径（ cm）
μ——动力粘滞系数（g/cm.s）
m0——滤料孔隙率
e——膨胀率
令e=0，则可得极限滤速Vmax(m/h)：
(2)
根据公式(2)计算出的理论极限滤速列于表1。
表1极限滤速理论计算值与实测值比较 粒径范围（mm）1 孔隙率 水温Vmax(m/h)
Dmin Dmax M0 (℃) 计算值2 实测值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
说明：1括号外及括号内数值分别为筛孔径及校准筛孔径；
2由于表面的小粒颗滤料首先流态化，故以d0= Dmin之校准筛孔径计算；μ=0.0081（g/cm•s）
3取六次观测平均值
为便于此，我们将实测所得的极限滤速也列入表1。发现计算值与实测值二者在粒径≤1.10mm范围内基本吻合，在粒径＞1.10mm范围，计算值大于实测值。这一结果说明在实际工程应用中，利用式(2)来估算最小粒径≤之滤料的极限滤速是可行的。
2.2上向流过滤机理
一般认为，过滤机理包括机械拦截、沉淀及吸附等作用。过滤周期初始时，滤料孔隙较绝大部分待滤杂质尺寸为大，故其对于悬浮杂质的截留以吸附作用为主。随着过滤周期的进行，滤料颗粒表面逐渐为截留杂质颗粒所占据，孔隙尺寸变小而机械拦截作用加大。本研究由于采用孔隙尺寸较大的粗滤料过滤，在过滤初期，应几乎没有机械筛滤作用，起主要作用的是吸附。为证明这一推论，我们用3#滤筒(滤料粒径为0.8～2.0mm)，将原水(浊度＝5.3NTU)在不投加混凝剂情况下进行上向流过滤(滤速7.7～23.6m/h)，5min后取样分析发现滤后水浊度＞3.1NTU，达不到合格的水质要求。这一结果表明，即使在滤速较低(7.7m／h)的条件下，滤料对大部分杂质颗粒，尤其是较小颗粒的机械拦截作用不明显。而当适当地投加混凝剂硫酸铝以后，即使控制3#柱滤速接近其极限滤速，其5min滤后水浊度为0.1NTU,明显优于未投加硫酸铝时的水质。这一事实说明混凝剂投加后杂质颗粒脱稳，其与滤料表面的吸附力增加，因此滤层截留杂质的能力得以提高。由此可见，吸附作用机理在上向流过滤中起主导作用。
此外，在实验中我们还发现出水水质与混凝剂的投加量有很大的关系。因此在高滤速上向流过滤中，要保证长时间的好水质必须控制混凝剂的投加量。
2.3上向流过滤水头损失变化
上、下向流过滤水头损失随过滤时间的变化关系见图1。则周期内滤料平均水头损失增长速度K＝(终期水头损失—初期水头损失)／过滤周期；对1、2、3、4#滤筒，显然，K1＝3.5＞K3＝1.8＞K2＝1.7＞K4＝0.86。由此不难得出：1)在相同条件下，下向流水头损失增长速度大于上向流。因此，在相同的可资水头作用下，上向流较之下向流具有较长的过滤周期；2)对上向流过滤，滤层越厚，水头损失增长越快。在保证出水水质和应有滤速前提下，选择一个恰到好处的滤层厚度是很重要的，该结论与文献[3]一致。
2.4上向流过滤性能评价
理想的过滤应该是高滤速，低水头损失，长过滤周期及优良出水水质。以此为依据，文献[4]提出了如下的评价过滤性能的过滤指数公式：
FPI＝(Cst—C)×(C0—C)×VT/H (3)
式中C——出水浊度(mg/L)
C0——进水浊度(mg/L)
Cst——国家《生活饮用水卫生标准》(GB5749—85)中浊度指标，Cst＝3度。
V——滤速(m／h)
T——过滤周期(h)
H——终期水头损失(h)
根据以上公式及相应参数(表2)，计算出滤拄1、2、3、4的FPI(表2)。显然就综合过滤性能而言滤筒4＞滤筒2＞滤筒1，即相同条件下，上向流过滤优于下向流过滤；对上向流过滤而言，滤料厚度为40cm时的性能优于同等条件下滤料厚度为98cm时的性能。
表2 上向流过滤与下向流均质滤料过滤数据综合表 滤柱过滤方式滤层厚度
(mm)滤速
(m/h)周期
(h)浊度（NTU）水头损失（cm）FPI
进水初期出水初期终期
1下向流96024.3223.30.6401133045
2上向流98020.1303.80.337797125
3上向流108034.4293.80.2601148801
4上向流40012.4283.80.363010852
三、结论
综合上述研究成果，可得出如下结论：
1.极限滤速与滤料粒径之间的关系可以指导粒径的选择及预计最大滤速；上向流过滤极限滤速实测值与公式计算值在油料粒径≤1.10mm范畴时吻合，在滤料粒径＞1.10mm范围时，实测值赂小于公式计算值。由于上向流过滤时滤料流态化将从最小粒径滤料颗粒开始，故可以利用公式(2)估计最小粒径≤1.10mm之滤料的上向流过滤极限滤速；
2.上向流过滤机理以吸附与沉淀作用为主，机械筛滤作用不大；
3.下向流过滤水头损失增长速度大于同等条件时的上向流过滤水头损失增长速度；根据过滤指数判断，在同条件下，上向流过路综合性能优于下向流过滤。
以上研究结果可用来指导上向流滤池的设计与运行，以进一步改善过滤效果。
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