濾池氣水反沖洗機理--單獨氣反沖洗

 過濾是水質(zhì)凈化的基本單元操作，濾池過濾時，污物被截留于濾層中；反沖洗時，污物被由濾層中清除出去，以恢復濾池的過濾能力。濾池常用的反沖洗方法有水反沖洗和氣水反沖洗兩種。氣水反沖洗的效果要比水反沖洗好，且節(jié)水節(jié)能，故正在我國得到推廣。

單獨氣反沖洗

        最常見的氣水反沖洗方式，是先單獨用氣進行反沖洗再接著用水反沖洗。

        當單獨用氣反沖洗時，在濾層中能形成直徑大于數(shù)毫米的氣泡．氣泡在水中的上浮速度較快，通過對有機玻璃制的模型中上浮氣泡的追蹤測定，當氣泡直徑D=5~10mm時，上浮速度v=260~270mm/s；D=20~30mm時，v=330~360mm/s；D=40~50mm時，v=380~400mm/s，其值比水反沖洗時的水流速度要高10倍以上，它必然會產(chǎn)生更強烈的攪動。

        氣泡在上浮過程中，隨上升速度增大，氣泡的上半部分水的附面層逐漸形成并發(fā)展。在這部分，水壓力沿球面逐漸降低。在氣泡的下半部分水壓力回增，附面層因克服粘性摩擦損失大量動能，因而附面層便開始脫離氣泡，在氣泡尾部形成旋渦狀尾跡。尾跡對周圍水層擾動的大小與氣泡直徑有關(guān)，氣泡直徑大，擾動范圍大，當氣泡達到水面時，氣泡破裂，尾跡也隨之消失。

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        在氣反沖洗時，進入礫石承托層的空氣是以氣泡形式存在的。由于承托層礫石的粒徑較大，氣泡不能使礫石發(fā)生移動，因此氣泡繞礫石的空隙上升。氣泡進入濾料層后，濾料顆粒能被氣泡所移動，處于氣泡上部的顆粒被擠到氣泡兩側(cè)。由于尾跡內(nèi)的壓力低于周圍的壓力，所以在氣泡的下部有一個和氣泡速度接近的尾渦，由強烈翻滾的顆粒所組成。在上升過程中，氣泡尾跡內(nèi)的顆粒與周圍的顆粒不斷進行交換。而且當氣泡及尾跡上升后，留下了空缺，周圍的水會迅速移向空缺，并將部分濾料也帶人空缺。當下一個氣泡經(jīng)過時，又將濾料擠到兩側(cè)，氣泡和尾跡過后，周圍的水和濾料又會來填補空缺，如此反復，使氣泡周圍濾料產(chǎn)生振動，振動大小與氣泡直徑有關(guān)，氣泡直徑大則周圍振動大，濾層攪拌激烈。當氣泡沖出濾層進入水層后，尾跡內(nèi)的顆粒隨氣泡一起上升，并不斷被周圍的水交換出來而落回到濾層表面，當氣泡達到水面而破裂后，尾跡內(nèi)剩余的顆粒便落回到濾層表面。

        氣泡通過濾層的情況還與濾料顆粒之間的摩擦阻力有關(guān)。摩擦阻力又正比于顆粒問的接觸壓力。設(shè)靜止濾層，考察濾層深度L處的A一A斷面上濾料顆粒間的接觸壓力。其值等于單位濾層面積上濾料在水中的重量，可以下式表示：ρ＝（ρ－ρ0）g(1-m)L  

        式中：p——濾層深度L處濾料顆粒間的接觸壓力；L——濾層深度；r——濾料的密比；r0——水的密度；g——重力加速比；m——濾層的孔隙度。由式可見，濾料間的接觸壓力或摩擦阻力隨濾層深度增大而增大。

        當單獨用氣反沖洗時，氣泡由配氣系統(tǒng)首先進入濾層的下層，氣泡上升時雖然可以將濾料擠開，但由于濾料間摩擦阻力較大，形成的氣泡通道較小，所以在濾層內(nèi)產(chǎn)生的攪動也小。在試驗中觀察到，通道的直徑大約為5mm左右。氣泡對通道周圍大約數(shù)毫米的范圍內(nèi)具有振動作用。在氣泡上升過程中，有時幾個氣泡會聚合到一起。但由于受通道的限制，它不能形成大的球形氣池，而是以園柱形氣泡上升。當氣泡達到濾層表層時，表層濾料間的摩擦阻力比濾層內(nèi)部小，因此柱形氣泡在表層可迅速變成球形，而且各通道的氣泡有較多的機會聚合成更大的氣泡，所以在試驗中可以觀察到，氣泡通過濾層表層時，表層的濾料強烈地翻卷，能使周圍更大范圍的濾料振動。 

        由上可知，由于氣泡在濾層中的運動速度很大，能在氣泡周圍及其后部引起強烈的攪動，所以能獲得遠比單獨用水反沖洗要好的沖洗效果。

        氣水反沖洗濾池的配水配氣系統(tǒng)主要有濾頭式和穿孔管式系統(tǒng)。不論濾頭式還是穿孔管式系統(tǒng)，濾頭之間或孔眼之間都有一定的距離。因此，在氣水反沖洗時，在濾頭或孔眼上面的濾層中有氣泡通過，而在濾頭或孔眼之間的濾層中沒有氣泡通過。根據(jù)這種情況，可將整個濾層分為兩個區(qū)域，即有氣通過區(qū)和無氣通過區(qū)。顯然，有氣通過區(qū)的沖洗效果將遠高于無氣通過區(qū)。 

        試驗發(fā)現(xiàn)，氣泡通過濾層時，有一定的攜砂作用，即氣泡上浮時，其后部尾跡的液體將隨之運動，而進入氣泡尾跡的濾料，能隨氣泡移動一定距離，然后被另外的濾料替換；后進入氣泡尾跡的濾料繼續(xù)隨氣泡運動，從而在通氣區(qū)內(nèi)形成一個向上運動的砂流。非通氣區(qū)內(nèi)的濾料，則不斷向下運動以填補通氣區(qū)內(nèi)的空位，如此在整個濾層內(nèi)產(chǎn)生了濾料的循環(huán)運動。 

        上述濾料的循環(huán)運動，可在用透明有機玻璃做的濾池模型中清楚地觀察到。模型為煤、砂雙層濾料濾池，其顆粒級配情況見下表。當單獨用氣反沖洗時，可以看到砂被氣泡大量帶到煤層中，很多砂可達煤層表面，并與煤混合。隨著沖洗時間的延長，煤層內(nèi)的砂越來越多，煤也向下移動進入砂層，但只有少量煤能達到砂層深處。

        對于單獨用氣反沖洗，由于濾料間摩擦阻力較大，在濾層內(nèi)氣泡擾動范圍小，因此濾料循環(huán)移動的速度較慢。為了定量地反映出濾料的移動速度，在試驗中以黑色石英砂作為示蹤濾料，對單獨用氣反沖洗時不同濾層深度處的濾料移動速度進行追蹤測定。隨著濾層深度的增加。濾料的下移速度減小。