滤池气水反冲洗强度控制指标的建立与分析

万方数据
给水排水Ｖ０１．３４ Ｎｏ．２ ２００８ １７
乓 ｉ四 Ｑ 籁 如
图１各水厂滤池反冲洗等效Ｇ值计算结果
均值５２０ Ｓ～。 在研究中经常采用“厚径比Ｌ／Ｄ”来评价滤池
的过滤性能，即认为滤层厚度与滤料粒径之比相等 的两个滤池的过滤性能相同，滤层的Ｌ／Ｄ越大，过 滤性能越好［１］。在实际生产中一般要求普通砂滤池 的Ｌ／Ｄ大于８００，图２显示所选水厂滤池均满足这 一要求，即可以判断这些滤池运行良好，因此这些滤 池气水反冲洗过程等效Ｇ值的范围具有普遍适用 性，可以作为气水反冲洗强度的控制指标。
表１絮体与滤料表面、滤料沉积物之间的结合强度
滤料 石英砂
ｒ。ｆ／ｇ／（ｃｍ·Ｓ２） ０．１６～０．７１
ｒｐｆ／ｇ／（ｃｍ·ｓ２） ０．３２～３．１０
无烟煤
Ｏ．５２～１．４１
０．８ｌ～２．１５
在气水反冲洗过程中，能够引起滤料颗粒碰撞
摩擦的作用因素包括水流剪切力和上升空气泡的振
动，这两种作用对絮体剥离的贡献很难进行精确的
ｐｍ＝ｗｔｏ（ｐｗ－－ｐ。）＋ｐｓ
（５）
式中ｍ。——滤料的空隙率；
风——滤料颗粒密度，ｋｇ／ｍ３。
１．３气水同时冲洗的能耗方程
滤池气水同时反冲洗的能耗等于水冲能耗与气
冲能耗之和，即气水同时反冲洗所耗功率方程为：
ｐＴ—ｐ１＋夕２
一ＳＰｗ（姗Ｖ与≯×磊１圳。２＋１．７５麦×
－ｎ噬鬻） 导Ｌｏｑ善＋ｇｑ。（Ｈｏ＋ｈ１）× ‘
（１０），计算出各厂滤池气水反冲洗过程的等效Ｇ
洗强度是否满足絮体剥离的要求，即等效Ｇ值可
值（见图１）。
以作为反映滤池气水反冲洗强度是否合理的综合
图ｌ显示各水厂滤池气水反冲洗过程中，滤池
性指标。
内最大的等效Ｇ值集中在４９０～５７０ ｓ＿１的范围内，
表２给水厂滤池构造及反冲洗参数汇总
序号
厂名
１
海宁市第二水厂
２
滁州市二水厂
３
福安市城区第二水厂
４
金华市湾坞水厂
５
克拉玛依四水厂
６
临沂市第二水厂
７
宁波市东钱湖水厂
８
开封市三水厂
９
哈尔滨绍和水厂
１０
汕头市月浦水厂
１１
温州市新阳岙水厂
１２
西安市曲江水厂
１３
重庆涪陵第二水厂
１４
佛山市沙口水厂
１５
胜利油田纯化水厂
１６
保定地表水厂
１７
石家庄第八水厂
１８
南京上元门水厂
１９
＝５ｂ。（以ｑ毛＋６ｑ毛＋ｃｑ。）
（６）
式中ＰＴ——气水反冲洗所耗总功率，Ｗ；
ｑ。——水反冲洗强度，数值Ｅ等于反冲水流速口，
Ｉ／（ｓ·ｍ２）；
口、ｂ、ｆ——决定于水温、大气压、滤料规格及滤层
构造的参数。
２滤池气水反冲洗控制指标的确定
２．１滤料表面絮体剥离条件
在截污滤层中，絮体的结合强度可以分为三类，
算公式如下［３｜：
一Ｊ。万再而蒜百鬲习此 门’
式中ｐ——气搅拌槽内浆料所耗功率，ｗ； Ｈ——槽内浆料的厚度，ｍ； ２——排气水平面到槽底距离，ｍ； １０ｆ——浆料的密度，ｋｇ／ｍ３； Ｐ。——槽内的压力，Ｐａ； ＱＡ——气体的体积流量，ｍ３／ｓ。 采用气体搅拌槽来模拟滤层的气冲过程，搅拌
给水排水Ｖ０１．３４ Ｎｏ．２ ２００８ １５
（１）为满足滤层中截留絮体的剥离，反冲洗过 程中水流、气流所提供的等效Ｇ值必须大于
３１０ Ｓ～。
（２）气水反冲洗过程中滤池内等效Ｇ值计算公 式如下：
学０灿唑湍卜Ⅲ Ｇ＝［１５０与竽×麦蟊扎７５嘉×等品＋
儿
ｍｔ—ｎ１一凡１ Ｊ
Ｊ
（３）对现有给水厂的生产运行数据进行分析计 算，运行良好的滤池气水反冲洗过程中，等效Ｇ值 集中在４９０～５７０ Ｓ＿１的范围内，均值５２０ Ｓ～；等效 ＧＴ值在１×１０５＂－－－，３×１０５的范围。
滤池气水反冲洗强度控制指标的建立与分析
张建锋王磊波
（西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安７１００５５）
摘要通过分析滤池反冲洗过程中水冲和气冲的能耗方程，建立气水反冲洗等效Ｇ值的概念和 计算公式，以给水厂实际运行数据为基础，确定了滤池气水反冲洗强度的控制指标，为滤池反冲洗过 程的运行控制提供依据。
（９）
加——系统所耗功率，ｗ；
矿～系统有效容积，ｍ３。
将式（６）代入式（９），得到气水反冲洗过程中滤 池内等效Ｇ值计算公式：
Ｇ＝１１５０与≯ｍ×５ 磊１甜“未１‘．７５赤ｄｍ×”
百－ｎ趔１ｐ－ｍ－器／１－Ｔ１０ｔｏｑ。＋半］×１／２㈣，
Ｌ
１＿凡１，
．Ｊ
３滤池气水反冲洗强度指标数值确定 在实际生产中，滤池反冲洗等效Ｇ值指标应
关键词气水反冲洗等效Ｇ值强度指标
在常规水处理工艺中，快滤池反冲洗的方法主
要有高速水流反冲洗和气水反冲洗，近年来的生产
实践表明气水反冲洗无论在反冲洗效果，还是在节
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能、节水等方面均占优势。滤池气水反冲洗过程的
控制参数包括：气和水的冲洗强度、冲洗顺序及时
间、滤层膨胀度等，因此在保证反冲洗效果、实现“节
能减排”生产目标的前提下，存在着各控制参数优化
槽内浆料的有效容积为滤层体积，反应器内的压力 等于滤层上部水的静压力，浆料的密度为滤层的混 合密度（滤层中滤料与水的综合密度），槽内浆料的 厚度为滤层的厚度。
铲＝ｐｒｗｇ茄Ｓｑ。篇（Ｈ赫ｍｌ）ｄｌｎｚ《措（４） 气反冲洗时所耗功率方程为：
式中Ｐｚ——气流所耗功率，ｗ； Ｈ。——大气压的水柱高度，ｉｎ； ｚ——滤层截面距滤层底部的距离，Ｉｌｌ； 矗。——排水液面距滤层表面距离，ｍ； ｐｍ——滤层的混合密度，ｋｇ／ｍ３； ｑ。——气反冲洗强度，Ｌ／（ｓ·ＩＴｌ２）。 滤层混合密度计算见式（５）：
由表１和式（８）可计算出：为满足滤层截留的絮
体剥离，反冲洗所提供的等效Ｇ值必须大于３１０ Ｓ～。
２．２气水反冲洗过程中滤池内等效Ｇ值的计算
借鉴混凝动力学的研究基础，假设滤层的滤料
粒径是均匀的，滤层处于非膨胀状态，那么气水反冲
洗过程滤池内的等效Ｇ值可以采用甘布公式计
算［２｜，即：
式中卜系统的等效ＧＧ值＿√，Ｓ易～；
长春南岭水厂
２０
重庆九龙坡水厂
２１
重庆和尚山水厂
２２
武汉白鹤嘴水厂
２３
衡州石头坪水厂
２４
厦门市高殿水厂
２５
吉林市第二水厂
滤池 池型 Ｖ型滤池 双阀滤池 Ｖ型滤池 Ｖ型滤池 Ｖ型滤池 Ｖ型滤池 Ｖ型滤池 Ｖ型滤池 Ｖ型滤池 Ｖ型滤池 均质滤池 Ｖ型滤池 均质滤池 Ｖ型滤池 Ｖ型滤池 Ｖ型滤池 Ｖ型滤池 Ｖ型滤池 普快滤池 Ｖ型滤池 Ｖ型滤池 Ｖ型滤池 普快滤池 Ｖ型滤池 Ｖ型滤池
滤层厚度 ／ｍ １．２ １．１ １．２ １．２ １．２ １．２ １．４ １．２ １ １．２ １．４ ０．９３ １．１ １Ｉ ２５ １．１５ １．２ １．４ １．２ ０．７ １．１５ １．２ １．２ ０．７ １．１ １．２
反冲洗强度
气冲／Ｌ／（ｈ·ｍ２） 水冲／１，／（ｈ·ｍ２）
１６．Ｏ
４．Ｏ
１５．０ １５．０～１６．０
滤料粒径 ／ｍｍ
Ｏ．９３～１．３５ １～１．２５ ｄｌｏ一９．０ ０．９５ ０．９～１．３ ｄ，ｏ一０．９ ０．９～１．２
０．９０～１．３５ Ｏ．８
Ｏ．９～１．３５ ０．９±０．０３ ｄｌｏ—Ｏ．９５
０．９ ０．９５—，１Ｉ ３５
０．９～１．０ ｄｌｏ一０．９５ ０．９～１．３ ０．９４～１．３５ Ｏ．５～１．２ ｄｌｏ一０．９５ ｄｌｏ一０．９～１．３ ｄｘｏ—Ｏ．９～１．３ ０．６～１．２ Ｏ．９５～１．０ ０．９５～１．３５
即絮体与清洁滤料表面的结合强度ｗ、絮体与滤料
万方数据 １６给水排水Ｖ０１．３４ Ｎｏ．２ ２００８
表面沉积物之间的结合强度Ｚ＇ｐｆ以及絮体粒子间的 结合强度珊，其中Ｚ＇ｓｒ和研的大小直接影响反冲洗过 程中的污物剥离。不同材质滤料过滤时，试验推求 的絮体与滤料表面、滤料沉积物之间的结合强度见 表１Ｅ ４｜。
由于各水厂滤池构造、滤料规格的差异，气水反 冲洗过程中滤层等效ＧＴ值在１×１０５～３×１０５的范 围，与等效Ｇ值相比数据分布比较分散。 ４结论
快滤池气水同时反冲洗阶段气冲、水冲的强
万方数据 １８给水排水Ｖ０１．３４ Ｎｏ．２ ２００８
度，应该满足滤层中截留物完全剥离的需要。通过 分析滤池气水反冲洗过程中的能量消耗，建立了气 水反冲洗等效Ｇ值的概念和数学模型，结合滤层中 絮体结合强度的试验数据、现有水厂的生产运行数 据，给出了气水反冲洗过程的控制指标。主要结论 包括：
∞
ｉ型 口 籁 淞
图２各水厂滤池等效Ｇ值与Ｌ／Ｄ值关系
在混凝动力学研究中，一般以Ｇ值反映混凝过 程的强度，以Ｇ值和絮凝时间Ｔ的乘积ＧＴ反映混 凝过程的广度。同样，为反映滤池气水反冲洗过程 中反冲时间的影响，计算了各水厂滤池气水反冲洗 过程中滤层中的等效ＧＴ值，见图３。
图３各水Ｊ滤池反冲洗等效Ｇ１’值计算结果
１ 滤池气水反冲洗过程能耗的理论基础
’
气水反冲洗的主要目的在于剥离滤料表面截留
的絮体，并通过水流的挟带作用将其排出，从而使滤
料恢复过滤能力。截污滤料表面的絮体剥离，主要
依靠水流的剪切作用和滤料颗粒之间的摩擦碰撞。
滤池气水反冲洗过程能耗分析如下。
１．１水冲过程所耗功率方程
假设滤层各个水流断面上滤料粒径均匀一致，
水流通过滤料层的水头损失采用欧根（Ｅｒｇｕｎ）公式
计算‘２ｈ｜一： 些×ｉ生掣×喜ＬＯＷ＋１．７５—｝×
百Ｌｏ矿 １一ｍｏ Ｔ ２
万方数据
式中矗——水头损失，ｍ； ｍ。——滤层空隙率； 匕——滤层厚度，ｍ；
ｄ。ｒ反—冲—滤洗料流当速量，粒ｍ径／，ｓｍ；；
ｖ——水的运动粘度，ｍ２／ｓ； ｇ——重力加速度，取９．８１ ｍ／ｓ２。 滤池水冲洗时，流体所耗功率方程为：
ｐ１一ＩＤ、Ⅳｇ矗×Ｑｗ—Ｐｗｇ＾×Ｓ口
＝Ｓｐｗ（１５０Ｖ与≯×磊１ Ｌｏｖ２＋１．７５瓦１×
．１－－＿孚ｏＬ。口３ １
（２）
式中Ｐ，——反冲水流所耗功率，Ｗ ５ Ｑ。——反冲水流量，ｒｎ３／ｓ； 艮——水密度，ｋｇ／ｍ３； Ｓ——过滤面积，ｍ２。
１．２气冲过程所耗功率方程
Ｐ一』＿丢淼＆㈤ 在反应过程中，气体搅拌槽内浆料所耗功率计
４．２ ４．２ ６．Ｏ～８．０
１５．３ １４．Ｏ～１７．０
４．０３ ３．Ｏ～４．０
１５．０ １６
１５．３
６．Ｏ～７．０ ３．８～８．０
３．８９
１５．３
４．Ｏ
冲洗时间
／ｍｌｎ ３ ２ ６
１２
４ ４ ３～４ ３ ４ ４ ４ ４ ６ ４～６ ４～６ ５
５ ７ ２ ２ ６
注：以上资料均取自公开发表的论文和著作，受篇幅所限不详细列举。
划分，但其过程都伴随能量的消耗。基于研究分析
的需要，这里提出等效Ｇ值的概念，即引起等效絮
体剥离效果所对应的系统搅拌强度，以速度梯度Ｇ
值表示。
根据牛顿内摩擦定律，在滤层内颗粒滤料表面
有：
ｒ一“Ｇ
（７）
变形为：
Ｇ一三
（８）
∥
式中Ｇ～速度梯度，Ｓ ；
口——水的粘度，Ｐａ·ｓ；
ｒ——剪切应力，ｋｇ／（ｍ·ｓ２）。
用的前提，在于能够测定滤层中絮体与滤料表面、 表面沉积物之间的结合强度，但目前缺乏直接的
将冲洗强度、滤料粒径以及滤层组成等参数代
测定手段。国内几十家采用气水反冲洗、运行良
入式（１０），计算出气水反冲洗过程中滤池内的等
好的水厂滤池生产数据见表２，将相关数据代入式
效Ｇ值，配合絮体结合强度的测定，可以判断反冲
８．０ ２．Ｏ～２．５
１５．０
２．０
１５．２ １５．２ １３．９～１６．７
３．３ ３．３ ４．７～６．１
１４．０ １３．Ｏ～１７．０
６．０ ３．０～４．５
１６．Ｏ
３．Ｏ
１５．０ １５．３ １４．０ １５．０ １５．３ １２．５～１５．２
４．２ ４．Ｏ ４．０ ５．０ ４．０ ３．６～４．２
１５．６ １５．３ １２．Ｏ～１３．０
２严熙世，范瑾初．给水工程．第４版．北京：中国建筑工业出版社，１９９９ ３陈志平，章序文，林兴华．搅拌与混合设备设计选用手册．北京：化
组合的实际要求。
目前在给水厂的实际运行中，一般以反冲洗排
水浊度和冲洗后滤料含泥量来评价反冲洗的效果，
反冲洗参数的确定主要依靠生产运行经验［１］。本文
通过分析滤池气水反冲洗的能耗变化，建立了气水
同时反冲洗过程的控制指标，并采用一些给水厂的
运行数据对该指标进行验证分析，以期为今后滤池
反冲洗过程的调试和运行提供依据。
以气水反冲洗等效Ｇ值、ＧＴ值为控制指标，可 以将特定滤池气冲强度、水冲强度联系起来，结合反 冲洗水泵、空气压缩机等设备的能耗分析，从而完成 滤池气水反冲洗参数的优化，这一方面的内容有待 于进一步深入研究和实践。
参考文献
１ Ｃｌｅａｓｂｙ Ｊ Ｌ，Ｌｏｇｓｄｏｎ Ｇ Ｓ Ｇｒａｎｕｌａｒ ｂｅｄ ａｎｄ ｐｒｅｃｏａｔ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｒｌ．Ｉｎ： ＡＷＷＡ．Ｗａｔｅｒ Ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ—Ａ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｉｅａ ５ｔｈ ｅｄ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ，２０００