滤池气水反冲洗机理--单独气反冲洗

 过滤是水质净化的基本单元操作，滤池过滤时，污物被截留于滤层中；反冲洗时，污物被由滤层中清除出去，以恢复滤池的过滤能力。滤池常用的反冲洗方法有水反冲洗和气水反冲洗两种。气水反冲洗的效果要比水反冲洗好，且节水节能，故正在我国得到推广。

单独气反冲洗

        最常见的气水反冲洗方式，是先单独用气进行反冲洗再接着用水反冲洗。

        当单独用气反冲洗时，在滤层中能形成直径大于数毫米的气泡．气泡在水中的上浮速度较快，通过对有机玻璃制的模型中上浮气泡的追踪测定，当气泡直径D=5~10mm时，上浮速度v=260~270mm/s；D=20~30mm时，v=330~360mm/s；D=40~50mm时，v=380~400mm/s，其值比水反冲洗时的水流速度要高10倍以上，它必然会产生更强烈的搅动。

        气泡在上浮过程中，随上升速度增大，气泡的上半部分水的附面层逐渐形成并发展。在这部分，水压力沿球面逐渐降低。在气泡的下半部分水压力回增，附面层因克服粘性摩擦损失大量动能，因而附面层便开始脱离气泡，在气泡尾部形成旋涡状尾迹。尾迹对周围水层扰动的大小与气泡直径有关，气泡直径大，扰动范围大，当气泡达到水面时，气泡破裂，尾迹也随之消失。

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        在气反冲洗时，进入砾石承托层的空气是以气泡形式存在的。由于承托层砾石的粒径较大，气泡不能使砾石发生移动，因此气泡绕砾石的空隙上升。气泡进入滤料层后，滤料颗粒能被气泡所移动，处于气泡上部的颗粒被挤到气泡两侧。由于尾迹内的压力低于周围的压力，所以在气泡的下部有一个和气泡速度接近的尾涡，由强烈翻滚的颗粒所组成。在上升过程中，气泡尾迹内的颗粒与周围的颗粒不断进行交换。而且当气泡及尾迹上升后，留下了空缺，周围的水会迅速移向空缺，并将部分滤料也带人空缺。当下一个气泡经过时，又将滤料挤到两侧，气泡和尾迹过后，周围的水和滤料又会来填补空缺，如此反复，使气泡周围滤料产生振动，振动大小与气泡直径有关，气泡直径大则周围振动大，滤层搅拌激烈。当气泡冲出滤层进入水层后，尾迹内的颗粒随气泡一起上升，并不断被周围的水交换出来而落回到滤层表面，当气泡达到水面而破裂后，尾迹内剩余的颗粒便落回到滤层表面。

        气泡通过滤层的情况还与滤料颗粒之间的摩擦阻力有关。摩擦阻力又正比于颗粒问的接触压力。设静止滤层，考察滤层深度L处的A一A断面上滤料颗粒间的接触压力。其值等于单位滤层面积上滤料在水中的重量，可以下式表示：ρ＝（ρ－ρ0）g(1-m)L  

        式中：p——滤层深度L处滤料颗粒间的接触压力；L——滤层深度；r——滤料的密比；r0——水的密度；g——重力加速比；m——滤层的孔隙度。由式可见，滤料间的接触压力或摩擦阻力随滤层深度增大而增大。

        当单独用气反冲洗时，气泡由配气系统首先进入滤层的下层，气泡上升时虽然可以将滤料挤开，但由于滤料间摩擦阻力较大，形成的气泡通道较小，所以在滤层内产生的搅动也小。在试验中观察到，通道的直径大约为5mm左右。气泡对通道周围大约数毫米的范围内具有振动作用。在气泡上升过程中，有时几个气泡会聚合到一起。但由于受通道的限制，它不能形成大的球形气池，而是以园柱形气泡上升。当气泡达到滤层表层时，表层滤料间的摩擦阻力比滤层内部小，因此柱形气泡在表层可迅速变成球形，而且各通道的气泡有较多的机会聚合成更大的气泡，所以在试验中可以观察到，气泡通过滤层表层时，表层的滤料强烈地翻卷，能使周围更大范围的滤料振动。 

        由上可知，由于气泡在滤层中的运动速度很大，能在气泡周围及其后部引起强烈的搅动，所以能获得远比单独用水反冲洗要好的冲洗效果。

        气水反冲洗滤池的配水配气系统主要有滤头式和穿孔管式系统。不论滤头式还是穿孔管式系统，滤头之间或孔眼之间都有一定的距离。因此，在气水反冲洗时，在滤头或孔眼上面的滤层中有气泡通过，而在滤头或孔眼之间的滤层中没有气泡通过。根据这种情况，可将整个滤层分为两个区域，即有气通过区和无气通过区。显然，有气通过区的冲洗效果将远高于无气通过区。 

        试验发现，气泡通过滤层时，有一定的携砂作用，即气泡上浮时，其后部尾迹的液体将随之运动，而进入气泡尾迹的滤料，能随气泡移动一定距离，然后被另外的滤料替换；后进入气泡尾迹的滤料继续随气泡运动，从而在通气区内形成一个向上运动的砂流。非通气区内的滤料，则不断向下运动以填补通气区内的空位，如此在整个滤层内产生了滤料的循环运动。 

        上述滤料的循环运动，可在用透明有机玻璃做的滤池模型中清楚地观察到。模型为煤、砂双层滤料滤池，其颗粒级配情况见下表。当单独用气反冲洗时，可以看到砂被气泡大量带到煤层中，很多砂可达煤层表面，并与煤混合。随着冲洗时间的延长，煤层内的砂越来越多，煤也向下移动进入砂层，但只有少量煤能达到砂层深处。

        对于单独用气反冲洗，由于滤料间摩擦阻力较大，在滤层内气泡扰动范围小，因此滤料循环移动的速度较慢。为了定量地反映出滤料的移动速度，在试验中以黑色石英砂作为示踪滤料，对单独用气反冲洗时不同滤层深度处的滤料移动速度进行追踪测定。随着滤层深度的增加。滤料的下移速度减小。