筛分过滤实验报告

筛分过滤实验报告 Revised as of 23 November 2020

筛分实验

一、实验目的

(1)测定天然河砂的颗粒级配。

(2)绘制筛分级配曲线，求d0、d80、K80。

(3)按设计要求对上述河砂进行再筛选。

二、实验原理

滤料级配是指将不同大小粒径的滤料按一定比例加以组合，以取得良好的过滤效果。滤料是带棱角的颗粒，其粒径是指把滤料颗粒包围在内的球体直径(这是一个假想直径)。

在生产中简单的筛分方法是用一套不同孔径的筛子筛分滤料试样，选取合适的粒径级配。我国现行规范是以筛孔孔径 mm及两种规格的筛子过筛，取其中段。这虽然简便易行但不能反映滤料孔径的均匀程度，因此还应该考虑级配情况。

能反映级配状况的指标是通过筛分级配曲线求得的有效粒径的d10以及d80和不均匀系数K80。d10是表示通过滤料质量10％的筛孔孔径，它反映滤料中细颗粒尺寸，即产生水头损失的“有效”部分尺寸；d80系指通过滤料质量80％的筛孔孔径，它反映粗颗粒尺寸；K80为d80与d10之比，即K80＝d80/d10。K80越大表示粗细颗粒尺寸相差越大，滤料粒径越不均匀，这样的滤料对过滤及反冲均不利。尤其是反冲时，为了满足滤料粗颗粒的膨胀要求就会使细颗粒固过大的反冲强度而被冲走：反之，若为满足细颗粒个被冲走的要求而减小反冲强度，粗颗粒可能因冲不起来而得不到充分清洗。故滤料需经过筛分级配。

三、实验内容

实验设备与试剂

(1)圆孔筛一套，直径，筛孔尺寸如表4-1所示。

(2)

(3)托盘天平，称量300g，感量。

(4)

(5)烘箱。

(6)带拍摇筛机，如无，则人工手摇。

(7)浅盘和刷（软、硬）。

(8)1000mL量筒。

实验步骤

(1)取样。取天然河砂300g，取样时要先将取样部位的表层铲去，然后取样。将

取样器中的砂样洗净后放在栈盘中，将浅盘置于105℃恒温箱中烘干，冷至室温备用。

(2)称取砂样200g，选用一组筛子过筛。筛子按筛孔大小顺序排列，砂样放在最

上面的一只筛（筛）中。

(3)将该组套筛装入摇筛机，摇筛约5min，然后将筛套取出，再按筛孔大小顺序

在洁净的浅盘上逐个进行手筛，直至每分钟的筛出量不超过试样总量的%时为止。通过的砂颗粒并入下一筛号一起过筛，这样依次进行直至各筛号全部筛完。若无摇筛机，可直接用手筛。

(4)称量在各个筛上的筛余试样的质量（精确至）。所有各筛余质量与底盆中剩

余试样质量之和与筛分前的试样总质量相比，其差值不应超过 1%。

(5)将上述所得的各项数值填入表 4-1 中。

四、数据记录与整理

分前称取质量相比，其相对误差为：

δ=200.0?199.3

200.0

×100%=0.35%

前后质量相差小于 1%，故实验数据可用于理论分析。

实验误差的可能来源有：

①筛分时有小部分砂粒卡在筛孔中，这部分取不出的砂粒无法纳入天平进行称量，因此导致砂样质量损失。

②在将砂样转移到烧杯的过程中，可能有一小部分砂粒未能倒入烧杯中，从而使实验称量结果偏小。

五、数据处理与分析

相关计算

1. 筛余百分率计算?

即用各筛号的筛余量除以试样总质量的百分率，计算结果记录在表4-1中。以10号筛号为例，计算过程如下：

η10=172.1

200.0

×100%=13.65%

2. 通过各号筛的砂量百分率计算?

即用通过各筛号的砂量除以试样总质量的百分率，计算结果记录在表4-1中。以10号筛号为例，计算过程如下：

10=÷×100%=%

θ10=27.2

200.0

×100%=86.35%

滤料筛分级配曲线的绘制

根据表4-1的相关数据，以筛孔孔径为横坐标、通过筛孔的砂量百分率为纵坐标，绘制滤料筛分级配曲线如图5-1所示。

图5-1 滤料筛分级配曲线

根据散点图的分布特点选择合适的曲线模型进行拟合，拟合函数的相关参数如表5-1所示。其相关系数?R2=，极其接近1，说明曲线的拟合效果较好。

y =?130.56×exp(

﹣

x

0.37902

) +85.77679

当y = 10时，解得d10 = x ≈ 当y = 80时，解得d80 = x ≈ 故不均匀系数为

K80=d80

d10

=

1.182

0.206

=5.74

不均匀系数分析

滤料的不均匀系数是指80%（按质量计算）能通过筛孔孔径（d80）的滤料，与10%滤料能通过的筛孔孔径（d10）的滤料之比。

不均匀系数越大表明滤料粒径的分布越不均匀。滤池在反冲洗的过程中，滤料呈流化和膨胀状态，冲洗完成后细小颗粒滤料积聚在滤床上部，大颗粒滤料沉到滤床底部，由上而下形成细-粗滤料滤床。不均匀系数越大，形成粗细的差距就越明显，这种滤料称为级配滤料，级配滤料的不均匀系数K80一般为~。

当不均匀系数过大时，滤料颗粒极不均匀，将影响过滤效果：一是使反洗操作困难。因为当反洗强度太大时，会带出细小颗粒的滤料，造成滤料的流失。而当反洗强度太小时，又不能松动下部大块滤料，长期下去，易造成滤层“结块”，这样会使过滤情况恶化。二是由于滤料颗粒大小不均匀，就会有细小的滤料颗粒。这些细小颗粒会因反洗等原因集中在滤层表面，结果又会使过滤下来的污物堆积在滤层表面，使过滤时的水头损失增加太快，使过滤周期变短。

本次筛分实验测出的不均匀系数K80为，远远大于设计要求（~），故需对砂样进行再筛选。

滤料的再筛选

滤料的再筛选是根据筛分级配曲线方程求得的数值进行的，方法如下：

设设计要求d10= mm，

K80=，则?d80= mm ×= mm，按此要求进行滤料再筛选。

（1）先自横坐标 mm和 mm 两点各作一垂线与筛分曲线相交，自两交点作与横坐标相平行的两条线与右边纵坐标轴线相交于上下两点。（如图5-2中蓝色线条和红色方点所示。）

（2）再以上面之点作为新的d80，以下面之点作为新的d10，重新建立新坐标。（图5-2中两红色方点即分别为新的d80和新的d10。）

图5-2 滤料再筛分过程

（3）找出新坐标原点和l00%点，由此两点向左方作平行于横坐标的直线，并与筛分曲线相交，在此两条平行线内所夹面积是所选滤料，其余全部筛除。

如图5-3所示，两绿色水平线即是新坐标系中的y = 0和y = 100，其在原坐标系中的值分别为y = 和y = ，图中两绿色水平线所夹部分为所选滤料，阴影部分为筛除部分。

根据拟合方程

y =?130.56×exp(

﹣

x

0.37902

) +85.77679

当y = 时，解得x ≈

当y = 时，解得x ≈

则滤料粒径在 mm为再筛分实验所选滤料，对应的筛子通过率分别为%、%。

图5-3 滤料再筛分结果

六、思考与讨论

1.为什么d10称“有效粒径”K80过大或过小各有何利弊

d10指10%的滤料（按质量计）能通过的筛孔孔径（mm）。经过大量试验资料统计发现，不均匀滤层的透水性与全部由这种滤料的累计含量为10％的颗粒所组成的均匀滤层的透水性相当，因此d10被认为是能够有效地反映滤层透水性的粒径，即有效粒径。

K80指滤料的不均匀系数，即80％（按质量计）能通过筛孔孔径(d80)的滤料，与10％滤料能通过的筛孔孔径(d10)的滤料之比。不均匀系数K80过大或过小对过滤及反冲均不利。K80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；K80越小，大小颗粒间的差别越小，孔隙率增大，过滤阻力降低，影响过滤效果。至于反冲，为了满足滤料粗颗粒的膨胀要求就会使细颗粒因过大的反冲强度而被冲走；反之，若为满足细颗粒不被冲走的要求而减小反冲强度，粗颗粒可能因冲不起来而得不到充分清洗。故滤料需经过筛分级配。

2.我国用d min、d max衡量滤料，与用d10、d80相比，有什么伏缺点

用d min、d max衡量滤料的优点是d min、d max取值比较简单，而d10、d80则需要多次筛分才能进行确定。其缺点是d min、d max因粒径范围较宽，对滤料粒径不均匀性的反应程度不及d10、d80好，取值容易使K80偏大或偏小。

3.孔隙率大小对过滤有什么影响

孔隙率系指滤料间空隙的体积大小与滤料堆积体积大小的比值。滤料孔隙率过大时，杂质的穿透深度会随之增大，过滤水头损失增加缓慢，过滤周期可以延

长，滤层截污能力较高，但悬浮杂质易穿透；孔隙率过小时，过滤周期短，水流阻力较大，水头损失增长较快。

4.滤料粒径对过滤有什么影响

滤料粒径应根据不同滤料和不同过滤情况具体选用，不宜过大或过小：滤料粒径过大，细小的悬浮物杂质易穿过滤层，使其质量不好；同时滤料粒径过大，则反洗时不能使滤层充分松动，使反洗不彻底，沉积物和滤料易“结块"，因而产生过滤水流不均，使滤池很快失效；滤料粒径过小，则水流阻力增大，使过滤水头损失增加过快和过滤周期缩短，反洗水消耗量也会增加。

过滤实验

一、实验目的

(1)熟悉普通快滤池过滤、冲洗的工作过程。

(2)加深对滤速、冲洗强度、滤层膨胀率、初滤水浊度的变化、冲洗强度与滤层

膨胀率关系以及滤速与清洁滤层水头损失的关系的理解。

二、实验原理

快滤池滤料层能截留粒径远比滤料孔隙小的水中杂质，主要通过接触絮凝作用，其次为筛滤作用和沉淀作用。要想使过滤出水水质好，除了滤料组成需符合要求外，沉淀前或滤前投加混凝剂也是必不可少的。

当过滤水头损失达到最大允许水头损失时，滤池需进行冲洗。少数情况下，虽然水头未达到最大允许值，但如果滤池出水浊度超过规定要求，也需进行冲洗。冲洗强度需满足底部滤层恰好膨胀的要求。根据运行经验，冲洗排水浊度降至 10~20 度以下可以停止冲洗。快滤池冲洗停止时，池中水杂质较多且未投药，故初滤水浊度较高。

滤池运行一段时间（约 5~10min）后，出水浊度始符合要求。时间长短与原水浊度、出水浊度要求、药剂投量、滤速、水温以及冲洗情况有关。如初滤水历时短，初滤水浊度比要求的出水浊度高不了多少，或者说初滤水对滤池过滤周期出水平均浊度影响不大时，初滤水可以不排除。

清洁滤层水头损失计算公式采用卡曼-康采尼（Carman-Kozony）公式。

h0=180ν

g

(1?ε0)2

ε03

(

1

φ?d0

)2L0v

式中：h0——水流通过清洁滤层水头损失，cm；

ν——水的运动黏度，cm2/s；

g——重力加速度，981cm/s2；

ε0——滤料孔隙率；

d0——与滤料体积相同的球体直径，cm；

L0——滤层厚度，cm；

v——滤速，cm/s；

——滤料颗粒球度系数；天然滤料一般采用 ~。

当滤速不高，清洁滤层水流属层流时，水头损失与滤速成正比，两者成直线关系；当滤速较高时，上式计算结果偏低，即水头损失增加率超过滤速增长率。

为了保证滤池出水水质，常规过滤的滤池进水浊度不宜超过 10~15 度。本实验采用投加混凝剂的直接过滤，进水浊度可以高达几十以至百度以上。因原水加

药较少，混凝后不经反应直接进入滤池，形成的矾花粒度小，密度大，不易穿透，故允许进水浊度较高。

三、实验内容

实验设备与试剂

(1)过滤装置1?套；

(2)光电式浊度仪1台；

(3)

(4)200ml烧杯2个，取水样测浊度用；

(5)

(6)20ml量筒1个，秒表1块，测投药量用；

(7)2m钢卷尺1个，温度计1个。

实验步骤

作滤速与清洁滤层水头损失的关系实验。通入清水，测不同滤速（从40 L/h 到400 L/h之间取适合间隔的流量进行测量，根据滤柱内平面面积计算滤速）时滤层顶部的测压管水位和滤层底部附近的测压管水位、测水温。将有关数据记入表 4-2。停止冲洗，结束实验。

四、数据记录与整理

表4-2 滤速与清洁滤层水头损失的关系

水温：25℃

v=P v

=

4P v

2

式中：——滤速，m/h；

P——

过滤的体积流量，m3/h；

S——滤层的横截面面积，m2；

d——表示滤层横截面的直径，m。

五、数据处理与分析

滤速与清洁滤层水头损失关系曲线绘制

以滤速为横坐标、对应的清洁滤层水头损失为纵坐标，绘制滤速与清洁滤层水头损失关系曲线如图5-1所示。

图5-1 滤速与清洁滤层水头损失关系曲线

由上图可以看出，清洁滤层的水头损失随着滤速的增大而增大。

理论上，当滤速不高，清洁滤层水流属层流时，水头损失与滤速成正比，两者成直线关系；当滤速较高时，水头损失增加率超过滤速增长率。观察图?5-1的曲线，发现确实存在与理论相符的情况，曲线前一小段的数据点呈正比例关系，而当滤速大于20m/h后，曲线斜率开始慢慢变大，水头损失增加率超过滤速增长率。

再通过作图对此规律作进一步的验证。取滤速小于20m/h的前6个实验数据点进行线性拟合，拟合结果如图5-2所示，拟合方程参数如表5-1所示。相关系数R2 = ，极其接近1，说明该直线的拟合程度是非常好的，前6个数据点呈正比例关系。而随着滤速增大，后7个实验数据点越来越偏离拟合直线，且都处于直线上方，说明此时水流的水头损失增加率超过滤速增长率，这与理论规律以及上文的观察结果是相符的。

图5-2滤速与清洁滤层水头损失拟合直线图

Y = B × X

Parameter Value Error

A 0

B

R SD N P

6 <

理论水头损失曲线绘制

1.滤料的当量直径计算

由再筛分滤料粒径分析可知，过滤实验滤料设计选用砂粒为粒径范围在（，）之间的石英石沙粒。

已知滤料的当量直径计算公式为：

d e=∑d i·p i

式中：d e——滤料的当量直径，mm；

d i——滤料颗粒粒径，mm；

p i——粒径为d i的颗粒质量频率。

现以再筛分设计滤料粒径（，）为例进行计算。

通过筛孔孔径为的砂量为：×% =

通过筛孔孔径为的砂量为：×% =

故，再筛分滤料的总质量为：－ =

对该粒径范围的颗粒求其当量直径，计算结果如表5-2所示。

2. 理论水头损失计算

根据卡曼-康采尼（Carman-Kozony）公式。

h0=180ν

g

(1?ε0)2

ε03

(

1

φ?d0

)2L0v

式中：h0——水流通过清洁滤层水头损失，cm；

ν——水的运动黏度，cm2/s；

g——重力加速度，981cm/s2；

ε0——滤料孔隙率；石英砂孔隙率一般为~；

d0——与滤料体积相同的球体直径，cm；

L0——滤层厚度，cm；

v——滤速，cm/s；

——滤料颗粒球度系数；天然滤料一般采用 ~。

25℃时，查表可知，水的运动粘度ν = ×10－2 cm2/s，取ε0 = ，d0 = cm， = ，已知L0 = ，代入公式可得理论水头损失计算式为

h0=180×0.893×10?2

981

×

(1?0.45)2

0.453

(

1

0.80×0.096

)

2

×43.5v=39.50v

也即h0 =（v的单位为m/h）

3. 滤速与理论水头损失关系曲线绘制

根据理论水头损失计算式h0 = ，在图5-1所示的滤速与清洁滤层水头损失关系曲线基础上绘制滤速与理论水头损失关系曲线，结果如图5-3所示。

图5-3 滤速与理论水头损失关系曲线

由上图可以看出，当滤速较低时，实验数据点与理论曲线相对较为吻合，计算式h0 =的计算结果与实验结果相近；而当滤速较高时，实验数据点均处于理论曲线偏上方，计算式h0 =的结算结果偏低，即水头损失增加率超过滤速增长率。因此，可判断本次实验的结果大致符合理论规律。

但应当指出的，采用该方法计算本实验的理论水头损失存在一定的弊端，得出的理论水头损失曲线与实验结果较为吻合在某种程度上是一种巧合，原因如下：

①在用Carman-Kozony方程计算理论水头损失的过程中，我们用筛分实验得

出的天然河砂当量直径代替了滤料的当量直径，而实际滤料直径可能与筛分实验中砂样当量直径存在一定差别，故而将对计算准确性造成影响。

②在Carman-Kozony方程中，滤料孔隙率ε0和滤料颗粒球度系数是有一定的

参数范围，而非确定的数值，观察公式可知，对这两个参数的不同选取将对计算结果产生较大影响。

实验误差分析

实验误差的可能来源有：

①实验中，我们没有循序渐进逐渐增大滤速，而是在测量了较大滤速情况下

的水头损失后，又重新调节到较小的滤速继续测量水头损失，以补充之前遗漏的实验数据。滤料在经过了高滤速的冲击后，滤料颗粒间可能比之前密实，这将导致部分后来测量的水头损失偏大。

②用以测量测压管水位的测压管高度远超过我们的身高，对较大数值的测压

管水位可能由于视线无法与完全水面平齐而导致读数不准。

③水流从滤层顶端流到滤层下端需要一定的时间，因此，从调节好流量到上

下端测压管水面稳定需要一定时间，且滤速越慢所需时间越长。如果过早读数，读数时测压管水面还未达到稳定，将导致下端测压管读数偏大，使得最终计算得到的水头损失偏小。

六、思考与讨论

1.滤层内有空气泡时对过滤、冲洗有何影响

滤层有气泡减小了滤层的空隙率，使水头损失加大，过滤周期延长，滤层截污容量减小。反冲洗时减小了颗粒之间的摩擦力，反洗效果不好。

2.当原水浊度一定时，采取哪些措施能降低初滤水出水浊度

如果原水的浊度较大，则可以投加混凝剂如明矾、聚合铝、聚合物等，然后沉淀过滤到要求的浊度；若浊度小，则可以通过用活性炭过滤或者超滤等方法降低浊度。

3.冲洗强度为何不宜过大

反冲冼强度过大，滤层膨胀过高，会减少单位体积流化床内的滤料颗粒数，使碰撞机会减少，反洗效果变差，同时还造成滤料流失和冲洗水的浪费。另外，反冲洗强度过大也会破坏多层滤层内原有的滤料分层结构，从而降低滤层的过滤效率，增加维护成本，所以冲洗强度不宜过大。