过滤处理构筑物设计，4.2.4设计要点分析

过滤通常设在混凝沉淀之后，滤池进水浊度在10NTU以下，滤后出水的浊度应满足生活饮用水水质标准的要求，浊度在1NTU以下，对颗粒去除的下限可达1～5μm。在原水浊度较低并且水质稳定的情况下也可以不用沉淀池，原水加入混凝剂经过微絮凝反应后直接进行过滤处理。含铁、含锰地下水的处理也需要使用过滤技术。

1.过滤原理

按照过滤机理划分，过滤技术可以分为两大类：表层过滤和深层过滤。

（1）表层过滤表层过滤的颗粒去除机理是机械筛除，过滤介质按其孔径大小对过滤液体中的颗粒进行截留分离。按表层过滤机理工作的水处理设备有：污泥脱水机（真空过滤机、带式压滤机）、微滤机、膜分离技术（微滤、超滤）等。

（2）深层过滤深层过滤颗粒去除的主要机理是接触凝聚，即通过水中悬浮颗粒与滤料颗粒进行接触凝聚，水中颗粒附着在滤料颗粒上而被去除。滤池的工作机理包括接触凝聚和机械筛除，其中以接触凝聚为主要机理。

在深层过滤中存在颗粒从水流向滤料表面迁移和附着在滤料上两个过程。

1）颗粒迁移：在过滤过程中，滤层孔隙中的水流一般属层流状态，被水流挟带的颗粒将随着水流流线运动。它之所以会脱离流线而与滤粒表面接近，完全是一种物理力学作用，包括拦截、重力沉降、惯性、扩散、水动力作用等（见图1-4-2中几种迁移机理示意图）。颗粒尺寸较大时，处于流线中的颗粒会直接碰到滤料表面产生拦截作用；颗粒沉速较大时会在重力作用下脱离流线，产生沉淀作用；颗粒具有较大惯性时也可以脱离流线与滤料表面接触；颗粒较小、布朗运动较剧烈时会扩散至滤粒表面；在滤粒表面附近存在速度梯度，非球体颗粒在速度梯度作用下会产生转动，从而脱离流线与颗粒表面接触（水动力作用）。

图1-4-2 颗粒迁移机理示意图

在滤池中，可能是几种机理同时存在，也可能只是其中某种机理起作用，使水流中所含的颗粒物质存在着到达滤料介质表面的机会。影响这些迁移机理的因素较多，如滤料尺寸、形状、滤速、水温、水中颗粒尺寸、形状和密度等。

2）颗粒黏附：黏附作用是一种物理化学作用。当水中杂质颗粒迁移到滤料表面时，则在范德华引力和静电力相互作用下以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用下，被黏附于滤料颗粒表面。此外，絮凝颗粒的架桥作用也会存在。黏附作用主要取决于滤料和水中颗粒的表面物理、化学性质。

当水流剪力小于颗粒附着力时，颗粒附着稳定；当水流剪力大于颗粒附着力时，颗粒脱落，被水流带入更深的滤层，继续进行新的迁移与黏附过程。

2.滤速及滤料组成

滤池应按正常情况下的滤速设计，并以检修情况下的强制滤速校核。正常情况系指水厂全部滤池均在进行工作；检修情况系指全部滤池中的一格或两格停运进行检修、冲洗或翻砂。滤池滤速及滤料组成的选用，应根据进水水质、滤后水水质要求、滤池构造等因素，通过试验或参照相似条件下已有滤池的运行经验确定，宜按表1-4-1采用。

表1-4-1 滤池滤速及滤料组成

注：滤料的相对密度：石英砂为2.50～2.70；无烟煤为1.4～1.6；重质矿石为4.40～5.20。

滤料的规格包括滤料颗粒的大小和滤料的级配分布两个方面。滤料粒径级配是指滤料中各种粒径颗粒所占的质量比例。表示滤料规格的参数包括：最小粒径（d_min）与最大粒径（d_max）。粒径以所用筛孔的大小表示，选定最大筛和最小筛，其大小筛之间保留的部分即为所得滤料，其尺寸在d_min与d_max之间。如d=0.5～1.2mm，即d_min=0.5mm，d_max=1.2mm。

滤料的有效粒径d₁₀：滤料中小于该粒径的颗粒的质量占滤料总质量的10%。反映滤料中细颗粒的尺寸，这部分颗粒在过滤中所产生的压力损失占整个滤料层压力损失的绝大部分，只要滤料层的d₁₀相同，总水头损失也大致相同，因此d₁₀又被称为有效粒径。

滤料层厚度（L）与有效粒径（d₁₀）之比（L/d₁₀值）：细砂及双层滤料过滤应大于1000；粗砂及三层滤料过滤应大于1250。

滤料的不均匀系数K₈₀：

式中，K₈₀为滤料的不均匀系数；d₁₀为滤料中小于该粒径的颗粒的质量占滤料总质量的10%；d₈₀为滤料中小于该粒径的颗粒的质量占滤料总质量的80%。

K₈₀代表了滤料的不均匀程度。K₈₀越大，表示粗细颗粒分布不均匀程度越大，对于过滤和反冲洗越不利。K₈₀越接近1，滤料的大小越均匀，过滤和反冲洗的效果越好。

当滤池采用大阻力配水系统时，其承托层宜按表1-4-2采用。

表1-4-2 大阻力配水系统承托层材料、粒径与厚度 （单位：mm）

三层滤料滤池的承托层宜按表1-4-3采用。

表1-4-3 三层滤料滤池的承托层材料、粒径与厚度 （单位：mm）

注：配水系统如用滤砖，其孔径小于等于4mm时，第6层可不设。

采用滤头配水（气）系统时，承托层可采用粒径2～4mm粗砂，厚度为50～100mm。

3.配水、配气系统

滤池配水系统的作用是均匀收集过滤水，反冲洗时均匀分布冲洗水。配水系统位于滤池底部，可分为大阻力、中阻力和小阻力三种类型。普通快滤池一般采用大阻力配水系统或滤砖等中阻力配水系统。虹吸滤池、无阀滤池和移动冲洗罩滤池可利用的冲洗水头小，常采用小阻力配水系统。滤池配水、配气系统，应根据滤池形式、冲洗方式、单格面积、配气配水的均匀性等因素考虑选用。采用单水冲洗时，可选用穿孔管、滤砖、滤头等配水系统；气水冲洗时，可选用长柄滤头、塑料滤砖、穿孔管等配水、配气系统。

大阻力穿孔管配水系统孔眼总面积与滤池面积之比宜为0.20%～0.28%；中阻力滤砖配水系统孔眼总面积与滤池面积之比宜为0.6%～0.8%；小阻力滤头配水系统缝隙总面积与滤池面积之比宜为1.25%～2.00%。

大阻力配水系统应按冲洗流量设计，并根据下列数据通过计算确定：

1）配水干管（渠）进口处的流速为1.0～1.5m/s。

2）配水支管进口处的流速为1.5～2.0m/s。

3）配水支管孔眼出口流速为5～6m/s。

干管（渠）顶上宜设排气管，排出口需在滤池水面以上。

长柄滤头配气配水系统应按冲洗气量、水量，并根据下列数据通过计算确定：

1）配气干管进口端流速为10～15m/s。

2）配水（气）渠配气孔出口流速为10m/s左右。

3）配水干管进口端流速为1.5m/s左右。

4）配水（气）渠配水孔出口流速为1～1.5m/s。配水（气）渠顶上宜设排气管，排出口需在滤池水位以上。

4.滤池冲洗

冲洗目的是清除滤层中截留的污物，恢复滤池过滤能力。冲洗方法有以下三种：

（1）高速水流反冲洗利用流速较大的反向水流冲洗滤料层，使整个滤层达到流态化状态，且具有一定的膨胀度。截留于滤层中的污物，在水流剪力和滤料颗粒碰撞摩擦双重作用下，从滤料表面脱落下来，然后被冲洗水带出滤池。冲洗效果取决于冲洗流速，冲洗流速过小，滤层孔隙中水流剪力小；冲洗流速过大，滤层膨胀度过大，滤层孔隙中水流剪力也会降低，且由于滤料颗粒过于离散，碰撞摩擦几率也减小。故冲洗流速过大或过小，冲洗效果均会下降。

（2）气、水反冲洗高速水流反冲洗虽然操作方便，但冲洗耗水量大，冲洗结束后，滤料上细下粗分层明显。采用气、水反冲洗方法既能提高冲洗效果，又可节省冲洗水量。同时，冲洗时滤层不一定需要膨胀或仅有轻微膨胀，冲洗结束后，滤层不产生或不明显产生分层现象，即保持原来滤层结构，从而提高滤层含污能力。但气、水反冲洗需增加气冲设备（鼓风机或空气压缩机和储气罐），池子结构及冲洗操作也较复杂。

气、水反冲效果在于：利用上升空气气泡的振动可有效地将附着于滤料表面污物擦洗下来使之悬浮于水中，然后再用水反冲把污物排出池外。因为气泡能有效地使滤料表面污物破碎、脱落，故水冲强度可降低，即采用所谓“低速反冲”。

气、水反冲操作方式有以下几种：

1）先用空气反冲，然后再用水冲。

2）先用气—水同时反冲，然后再用水反冲。

3）先用空气反冲，然后用气—水同时反冲，最后再用水反冲。

（3）表面助冲加高速水流反冲洗表面助冲冲洗是一种辅助冲洗设施。利用高速水流对表层滤料的强烈搅动加强接触摩擦，以提高冲洗效果。

一般在下列情况下考虑采用表面助冲加高速水流反冲洗：

1）双层（三层）滤料滤池和截污能力强、絮粒穿入深，只靠反冲洗，滤料不易冲洗干净时。

2）水源受工业废水污染，水黏度高，使滤层间结球、板结或穿孔而不能正常工作时。

3）用活化水玻璃或其他有机合成物作为助凝剂、助滤剂时。

4）为提高滤池工作效率，延长滤池的过滤周期，减少冲洗水用量，也可采用表面助冲加高速水流反冲洗。

滤池冲洗方式的选择，应根据滤料层组成、配水配气系统形式，通过试验或参照相似条件下已有滤池的经验确定，宜按表1-4-4选用。

表1-4-4 冲洗方式和程序

单水冲洗滤池的冲洗强度及冲洗时间宜按表1-4-5采用。

表1-4-5 单水冲洗滤池的冲洗强度及冲洗时间（水温20℃时）

注：1.当采用表面冲洗设备时，冲洗强度可取低值。

2.应考虑由于全年水温、水质变化因素，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因素。

4.膨胀率数值仅作设计计算用。

当增设表面冲洗设备时，表面冲洗强度宜采用2～3L/（m²·s）（固定式）或0.50～0.75L/（m²·s）（旋转式），冲洗时间均为4～6min。

气水冲洗滤池的冲洗强度及冲洗时间，宜按表1-4-6采用。

表1-4-6 气水冲洗滤池的冲洗强度及冲洗时间

注：表中单层粗砂均匀级配滤料中，无括号的数值适用于无表面扫洗的滤池；括号内的数值适用于有表面扫洗的滤池。

单独水冲洗滤池的冲洗周期，当为单层细砂级配滤料时，宜采用12～24h；气水冲洗滤池的冲洗周期，当为粗砂均匀级配滤料时，宜采用24～36h。

5.滤池配管（渠）

滤池应有下列管（渠），其管径（断面）宜根据表1-4-7所列流速通过计算确定。

表1-4-7 各种管渠和流速 （单位：m/s）

6.滤池的分类与形式

（1）滤池的分类

1）按滤料组成分类：分为单层滤料、双层滤料、多层滤料以及混合滤料滤池。其中单层滤料又可分为常规级配滤料和均质滤料。

2）按滤池冲洗方式分类：分为单独水冲洗滤池和气水反冲洗滤池。

3）按滤池冲洗的配水系统分类：分为低水头冲洗（小阻力）、中水头冲洗（中阻力）和高水头冲洗（大阻力）滤池。

4）按水流方向分类：分为下向流、上向流、双向流和辐向流（水平流）滤池。

5）按滤池在运行周期内的滤速变化分类：分为恒速过滤和变速（减速）过滤。

6）按过滤时水量、水位调节方式分类：分为进水调节、出水调节、流量控制等。

7）按滤池的布置分类：分为普通（四阀）滤池、双阀滤池、无阀滤池、虹吸滤池、移动冲洗罩滤池、V形滤池、翻板滤池等。

8）按滤池承压情况分类：分为重力式滤池和压力式滤池。

（2）滤池形式的选择滤池形式的选择应根据设计生产能力、运行管理要求、进出水水质和净水构筑物高程布置等因素，结合厂址地形条件，通过技术经济比较确定。

滤池的分格数，应根据滤池形式、生产规模、操作运行和维护检修等条件通过技术经济比较确定，除无阀滤池和虹吸滤池外不得少于4格。滤池的单格面积应根据滤池形式、生产规模、操作运行、滤后水收集及冲洗水分配的均匀性，通过技术经济比较确定。除滤池构造和运行时无法设置初滤水排放设施的滤池外，滤池宜设有初滤水排放设施。

1）普通快滤池：是目前水处理工程中常用的滤池形式之一。普通快滤池每一格上具有进水阀、清水出水阀、反冲洗进水阀、反冲洗排水阀共4个阀门。

普通快滤池的设计要求有：①单层、双层滤料滤池冲洗前水头损失宜采用2.0～2.5m；三层滤料滤池冲洗前水头损失宜采用2.0～3.0m。②滤层表面以上的水深，宜采用1.5～2.0m。③单层滤料快滤池宜采用大阻力或中阻力配水系统；三层滤料滤池宜采用中阻力配水系统。④冲洗排水槽的总平面面积，不应大于滤池面积的25%，滤料表面到洗砂排水槽底的距离，应等于冲洗时滤层的膨胀高度。⑤滤池冲洗水的供给可采用水泵或高位水箱（塔）。当采用水箱（塔）冲洗时，水箱（塔）有效容积应按单格滤池冲洗水量的1.5倍计算；当采用水泵冲洗时，水泵的能力应按单格滤池冲洗水量设计，并设置备用机组。

2）V形滤池：是法国德格雷蒙公司设计的一种快滤池，采用气、反冲洗，因进水槽设计成V字形而得名，其主要特点是采用较粗滤料或较厚滤层以增加过滤周期。由于反冲时滤层不膨胀，故整个滤层在深度方向的粒径分布基本均匀，不发生水力分级现象，即所谓“均质滤料”，使滤层含污能力提高。此外，气、水反冲再加上始终存在的横向表面扫洗，冲洗效果好，冲洗水量大大减少。

V形滤池的设计要求有：①V形滤池冲洗前的水头损失可采用2.0m。②滤层表面以上水深不应小于1.2m。③V形滤池宜采用长柄滤头配气、配水系统。④V形滤池冲洗水的供应宜用水泵，水泵的能力应按单格滤池冲洗水量设计，并设置备用机组。⑤V形滤池冲洗气源的供应，宜用鼓风机，并设置备用机组。⑥V形滤池两侧进水槽的槽底配水孔口至中央排水槽边缘的水平距离宜在3.5m以内，最大不得超过5m。表面扫洗配水孔的预埋管纵向轴线应保持水平。⑦V形进水槽断面应按非均匀流满足配水均匀性要求计算确定，其斜面与池壁的倾斜度宜采用45°～50°。⑧V形滤池的进水系统应设置进水总渠，每格滤池进水应设可调整高度的堰板。⑨反冲洗空气总管的管底应高于滤池的最高水位。⑩V形滤池长柄滤头配气配水系统的设计，应采取有效措施，控制同格滤池所有滤头、滤帽或滤柄顶表面在同一水平高程，其误差不得大于±5mm。V形滤池的冲洗排水槽顶面宜高出滤料层表面500mm。

3）虹吸滤池：通常由6～8格滤池组成，双排对称布置，一般设计成矩形或圆形，矩形易于水厂平面布置。每一滤格进水和排水采用虹吸管，省去普通快滤池所需的阀门。采用小阻力配水系统。因过滤时进水量恒定，属等速过滤。滤池冲洗用水由其余各格过滤水供给，因此可不设冲洗水箱或冲洗泵。虹吸滤池比普通快滤池高2m左右。

虹吸滤池的设计要求有：①虹吸滤池的最少分格数，应按滤池在低负荷运行时，仍能满足一格滤池冲洗水量的要求确定。②虹吸滤池冲洗前的压力水头损失，可采用1.5m。③虹吸滤池冲洗水头应计算确定，宜采用1.0～1.2m，并应有调整冲洗水头的措施。④虹吸进水管和虹吸排水管的断面面积宜根据下列流速计算确定：进水管0.6～1.0m/s；排水管1.4～1.6m/s。

4）重力式无阀滤池：过滤时，原水由进水分配槽经U形进水管流入滤池，滤后水由连通渠上升到冲洗水箱，水箱满后就溢流到清水池。过滤过程中，滤层阻力逐渐增加，虹吸上升管中的水位相应上升，将虹吸管中的空气从虹吸下降管挤出，穿过水封井逸入大气中。水位上升高度到虹吸辅助管管口时，水从辅助管流下，经抽气管抽除吸水管中的空气，这时虹吸上升管和下降管中的水位同时上升，最终两者汇合，形成连续虹吸水流，于是冲洗水箱的水通过滤层反冲洗，滤层膨胀，冲洗废水由排水虹吸管经过水封井排入沟渠，当水箱水位降低到虹吸破坏斗以下时，虹吸破坏，冲洗结束，重新开始过滤。

重力式无阀滤池的设计要求有：①无阀滤池的分格数，宜采用2～3格。②每格无阀滤池应设单独的进水系统，进水系统应有防止空气进入滤池的措施。③无阀滤池冲洗前的压力水头损失，可采用1.5m。④过滤室内滤料表面以上的直壁高度，应等于冲洗时滤料最大膨胀高度再加保护高度。⑤无阀滤池的反冲洗应设有辅助虹吸设施，并设调节冲洗强度和强制冲洗的装置。

5）压力式无阀滤池：常作为接触过滤使用，滤后水直接送入水塔，供应管网用水。加过凝聚剂的水经过水泵叶轮混合后，在压力滤池中从上向下过滤，滤后水贮存在水塔中，既可供应生活饮用水，也可作为滤池冲洗水。过滤时，随着滤层阻力增加，虹吸管中的水位不断上升，到辅助虹吸管口时，由于抽吸作用，使虹吸管形成虹吸，就会开始冲洗。冲洗时，进水泵停止工作，冲洗完毕，水泵重新启动，进行下一周期的过滤。

压力式无阀滤池的设计要求有：①设计参数和重力式无阀滤池相同。②在南方地区，水泵可安装在水塔下，滤池放在室外。寒冷地区可将投药设备、水泵、滤池等放在水塔下或室内。有地形可利用时，可建造高位水池代替水塔，也可将排水井的标高降低，以增大虹吸水位差，减小虹吸管直径。③滤池常为钢制圆筒，承压0.2MPa。滤池高度应满足冲洗时滤层膨胀高度的要求。

6）移动罩滤池：是许多滤格组成的滤池，设有公共进水管，利用一个可移动的冲洗罩顺序对各格滤池进行冲洗。一格冲洗水由其余各格的过滤水供应。按冲洗废水排出条件，分为虹吸式和泵吸式两种。

移动罩滤池的设计要求有：①移动罩滤池应设2组，每组滤池的格数一般在12～40之间。②为防止进水冲刷滤层，可采用穿孔进水槽，纵向布置在2格滤池之间，以均匀配水到各格滤池，孔口流速小于0.5m/s。出水用虹吸管和水位恒定器，以限制滤池水位的波动幅度，出水虹吸管流速采用1.0～1.5m/s，虹吸管管顶标高须严格控制，一般在滤池水位以下约10cm，出水堰口标高在滤池水位下1.2～1.5m。③滤池过滤水压采用1200～1500mmH₂O（1mmH₂O=9.80665Pa）。④集水区高度一般为0.4～0.7m，单格滤池面积大时采用大值。⑤每格滤池砂面以上的直壁高度应等于冲洗时滤料膨胀高度再加保护高。⑥冲洗水泵扬程或排水虹吸管直径由出水堰口高度和排水井水位的高差确定。水泵流量按单格滤池面积和冲洗强度确定，虹吸式可用真空泵或水射器形成真空。⑦移动罩与滤池池顶的密封材料可用弹性较好的ϕ38～ϕ52mm橡胶管，用螺栓（间距20～25cm）固定在和池顶接触部分的罩体上。⑧移动罩罩体的材料可用钢板外涂聚酯玻璃钢，最好用铝合金材料。⑨移动罩滤池应有自动冲洗控制系统，采用相等时间间隔逐格冲洗，并可按需要调整冲洗周期。⑩滤速、滤料和级配、反冲洗等与普通快滤池相同，配水采用小阻力系统。