学习情境1.4　水的过滤处理

过滤一般用在混凝、沉淀或澄清等处理之后，用于进一步去除水中的细小悬浮颗粒，降低浊度。在过滤时，水中有机物、细菌乃至病毒等更小的粒子由于吸附作用也将随着水的浊度降低而被部分去除。残存在滤后水中的剩余细菌、病毒等，由于失去悬浮物的保护或依附而呈裸露状态，也容易被消毒剂杀死。超滤、纳滤等新技术，还可以直接将细菌、病毒、大分子物质等过滤掉。

在给水处理净化工艺中，过滤处理一般是不可缺少的，它是保证生活饮用水卫生安全的重要措施，也是工业用水软化（或除盐）处理前所必需的预处理。目前，在污（废）水的处理中也得到应用。

1.4.1　水的过滤机理

用于过滤的装置称为滤池。早期使用的滤池是生产率极低的慢滤池。在这种滤池内放置很细的砂粒作为滤料，过滤的过程中，在滤料表面由于藻类、原生动物及细菌等微生物的繁殖而形成一层黏膜。当水通过此膜时，水中细小的悬浮颗粒（包括一些细菌）被截留，同时，由于微生物的作用，还可使一些有机物得到分解。尽管慢滤池出水水质好，但由于慢滤池滤速仅为0.1～0.3m/h，且在滤膜形成期过滤出水水质不能保证，生产效率太低，同时占地面积也比较大，不能满足现代生产需要，现已被淘汰。

目前常用的过滤装置多为快滤池，其滤速可达10m/h以上。下面以单层石英砂普通快滤池为例，对滤池的过滤机理进行分析。

1.4.1.1　过滤过程

石英砂滤料粒径通常为0.5～1.2mm，滤层厚度一般为70cm左右，经过反冲洗水的水力筛分作用后，按自上而下的方向，滤料粒径大致由细到粗依次排列，滤层中孔隙尺寸也因此由上而下逐渐增大。水流自上而下通过滤料层，其过程可分为三个阶段：①颗粒迁移，被水流挟带的颗粒由于拦截、沉淀、惯性、扩散、水动力等物理-力学作用，脱离水流流线向滤料颗粒表面靠近；②颗粒黏附，由于物理-化学作用，水中悬浮颗粒被黏附在滤料颗粒表面上，或黏附在滤粒表面原来黏附的颗粒上；③颗粒剥落，在黏附的同时，已黏附在滤料上的悬浮颗粒在水流剪切力的作用下，重新进入水中，被下层滤料截留，避免污泥局部聚积，使整个滤料的截污能力得以发挥。因此，过滤主要是悬浮颗粒与滤料颗粒之间黏附作用的结果，过滤机理可以归纳为以下三种主要作用。

1.阻力截留

当污水自上而下流过颗粒滤料层时，粒径较大的悬浮颗粒首先被截留在表层滤料的空隙中，随着此层滤料间的空隙越来越小，截污能力也变得越来越大，逐渐形成一层主要由被截留的固体颗粒构成的滤膜，并由它起重要的过滤作用。这种作用属阻力截留或筛滤作用。悬浮物粒径越大，表层滤料和滤速越小，就越容易形成表层筛滤膜，滤膜的截污能力也越高。

2.重力沉降

污水通过滤料层时，众多的滤料表面提供了巨大的沉降面积。重力沉降强度主要与滤料直径及过滤速度有关。滤料越小，沉降面积越大；滤速越小，则水流越平稳，这些都有利于悬浮物的沉降。

3.接触絮凝

由于滤料具有巨大的比表面积，它与悬浮物之间有明显的物理吸附作用。此外，砂粒在水中常带表面负电荷，能吸附带电胶体，从而在滤料表面形成带正电荷的薄膜，并进而吸附带负电荷的黏土和多种有机物等胶体，在砂粒上发生接触絮凝。

在实际过滤过程中，上述三种机理往往同时起作用，只是随条件不同而有主次之分。对粒径较大的悬浮颗粒，以阻力截留为主；对于细微悬浮物，以发生在滤料深层的重力沉降和接触絮凝为主。

根据过滤效果主要取决于水中悬浮颗粒与滤料颗粒之间黏附作用这一理论，人们发展了“接触过滤”滤池（原水经加药后直接进入滤池过滤，滤前不设任何絮凝设备）和“微絮凝过滤”滤池（原水加药混合后先经过一简易微絮凝池，形成粒径约40～60μm的微粒后进入滤池过滤）等直接过滤的方法。对于低浊度（40～50度）、色度不大、较稳定的原水，省去沉淀、絮凝，进行直接过滤的，实现杂质经过滤池一次分离的目的。

1.4.1.2　滤料层含污能力

根据过滤过程颗粒迁移、颗粒黏附、颗粒剥落三个阶段的分析可知：在过滤开始阶段，水中颗粒首先被表层滤料截留；随着过滤时间延长，越来越多的颗粒被黏附在滤料上，并陆续脱落向下层移动被下层滤料截留。

由于水力筛分的作用，导致表层滤料粒径最小，其黏附比表面积也最大，截留杂质量最多，而滤料间孔隙尺寸却又最小。因此，过滤到一定程度后，表层滤料间的孔隙将会逐渐被堵塞，甚至在滤料层表面形成一层“泥膜”［图1.42（a）］，致使过滤阻力剧增。此时，如果继续过滤，将会导致以下几种结果：①在一定过滤水头下，滤速急剧减小，产水效率下降；②在一定滤速下水头损失达到极限值，无法满足过滤水头要求；③由于滤层表面受力不均匀而使“泥膜”产生裂缝［图1.42（b）］，大量的水流自裂缝中流出，造成水中杂质颗粒穿透滤层使出水水质恶化。无论哪种情况，尽管下层滤料的截留能力尚未完全发挥作用，都必须停止过滤，反洗滤料，恢复滤料的过滤能力。

滤料层能容纳杂质的多少及其分布规律受进水水质、水温、滤速、滤料粒径级配、滤料形状，以及水中颗粒的凝聚程度等许多因素影响。

单位体积滤层中所截留的杂质量，称为滤层截污量。在一个过滤周期内，整个滤层单位体积滤料中的平均含污量，称为“滤层含污能力”，单位以g/cm3或kg/m3计。图1.43中曲线与坐标轴包围面积除以滤层总厚度即为滤层含污能力。在滤层厚度一定的条件下，此面积愈大，滤层含污能力也愈大。在水质不变、滤速不变的情况下，提高滤层含污能力可相应延长过滤周期。

为提高整个滤层含污能力，最好采用“反粒度”过滤方法，即顺水流方向，滤料粒径由大到小。实现“反粒度”过滤有两种途径：一是改变水流方向，如“上向流”过滤（下部进水，上部出水）、“双向流”过滤（上下进水，中间出水），这种滤池结构复杂，操作不方便，应用上有一定的局限性；二是改变滤料层的组成，比较有代表性的为双层滤料滤池、三层滤料滤池及均匀级配滤料滤池，它们的滤料组成如图1.44所示。

双层滤料的组成为：上层采用密度小、粒径较大的轻质滤料（如无烟煤，密度约1.50g/cm3，粒径约为0.8～1.8mm），下层采用密度大、粒径较小的重质滤料（如石英砂，密度2.60g/cm3，粒径为0.5～1.2mm）。水力筛分后，仍然是轻质滤料在上，重质滤料在下。尽管每层滤料粒径顺水流方向由小至大，但对整个滤池来说，上层滤料的平均粒径大于下层滤料的平均粒径。当水流由上而下通过双层滤料时，上部粗滤料去除水中较大尺寸的杂质，起粗滤作用，下部细滤料进一步去除细小的剩余杂质，起精滤作用，每层滤料都能充分发挥其截污能力。在相同滤速下，过滤周期增长；在相同工作周期下，滤速可相应提高。因此，双层滤料可提高产水量。

三层滤料与双层滤料相似，组成分为三层：上层为大粒径、重度小的轻质滤料（如无烟煤），中层为中等粒径、中等重度的滤料（如石英砂），下层为小粒径、重度大的重质滤料（如石榴石、磁铁矿），各层滤料平均粒径由上而下递减。下层重质滤料粒径很小，对保证滤后水质有很大的作用。

均匀级配滤料，并非指滤料粒径完全相同，而是说粒径相对比较均匀，其不均匀系数K80（K80的含义参见下节滤料内容）一般为1.3～1.4。在铺设滤料层时，整个滤层深度方向的任一横断面上，滤料组成和平均粒径均匀一致。反冲洗时，一般采用气-水反冲洗。避免产生水力筛分。

1.4.2　水的过滤处理

1.4.2.1　普通快滤池组成与工作过程

快滤池发展到今天已有很多种，尽管各种滤池尽管型式不同，但其基本组成都是一样的，都包括池体、滤料、配水系统与承托层、反冲洗装置等几部分。工作过程也都是过滤、冲洗两个阶段交替进行。最具代表性的普通快滤池组成如图1.45所示，其工作过程为：

1.过滤

过滤时，开启进水支管与清水支管的阀门；关闭冲洗支管阀门与排水阀。浑水依次经过进水总管、支管、浑水渠进入滤池，进入的滤池水经过滤料层、承托层过滤后，由配水支管汇集起来，再经配水干管、清水支管、清水总管流往清水池。

浑水流经滤料层时，水中杂质即被截留在滤料层中。随滤料层中截留杂质量越来越多，滤料颗粒间孔隙越来越小，滤层中的水头损失越来越大。当水头损失增至一定程度（普通快滤池一般为2.0～2.5m），以至于滤池出水流量下降，甚至滤出水的浊度有上升，不符合出水水质要求时，滤池就要停止过滤，进行反冲洗。

2.反冲洗

反冲洗时，关闭进水支管与清水支管阀门；开启排水阀与冲洗水支管阀门。冲洗水依次经过冲洗总管、支管、配水干管进入配水支管，冲洗水通过支管及其上面的许多孔眼流出，由下而上穿过承托层及滤料层，均匀地分布在滤池平面上。滤料在由下而上的水流中处于悬浮状态，由于水流剪力及颗粒间相互碰撞作用，滤料颗粒表面杂质被剥离下来，从而得到清洗。冲洗废水经冲洗排水槽，经浑水渠、排水管、废水渠进入下水道。冲洗一直进行到滤料基本洗干净为止。

冲洗结束后，即可关闭冲洗支管阀门与排水阀，开启进水支管与清水支管的阀门，重新开始过滤。

1.4.2.2　滤料

滤料的主要作用是作为载体提供黏附水中细小悬浮物所需的面积。在水处理中，对滤料的要求如下：

（1）具有足够的机械强度，以防冲洗时滤料产生磨损和破碎现象。

（2）具有足够的化学稳定性，以免滤料与水产生化学反应而恶化水质，尤其不能含有对人类健康和生产有害的物质。

（3）具有一定的颗粒级配和适当空隙率。

（4）外形接近球形，表面比较粗糙而有棱角。

（5）最好能就地取材，货源充足，价格低廉。

迄今为止，石英砂仍是使用最广泛的滤料。常用于双层和多层滤料的还有无烟煤、磁铁矿、石榴石、金刚砂、铁矿粉等。在轻质滤料中，可采用聚苯乙烯及陶粒等。

1.滤料粒径级配

滤料大都是由天然矿物经粉碎而制得的，其颗粒大小不等，形状不规则。通常用粒径（正好可通过某一筛孔的孔径）表示滤料颗粒的大小，用不均匀系数表示滤料粒径级配（即不同粒径颗粒所占的重量比例）。《室外给水设计规范》（GB 50013—2006）中，用滤料有效粒径（d10）和滤料不均匀系数（K80）来规定滤料粒径级配。

有效粒径（d10）是指滤料经筛分后，小于总重量10%的滤料颗粒粒径。

不均匀系数（K80）是指滤料经筛分后，小于总重量80%的滤料颗粒粒径与有效粒径之比。其具体计算公式为

式中：d10为有效粒径，它反映滤料中细颗粒尺寸，mm；d80为小于总重量80%的滤料颗粒粒径，反映滤料中粗颗粒尺寸，mm。

K80越大，则说明粗、细滤料颗粒的尺寸相差越大，颗粒越不均匀；K80越接近于1，滤料越均匀。

生产中也常有用最大粒径dmax、最小粒径dmin和不均匀系数K80表示滤料粒径级配。

在通常过滤工况下，要求滤料粒径适中、不均匀系数尽量小。因为粒径过大，滤料间的空隙也大，水中的细小杂质颗粒容易穿透滤料层，影响出水水质，反洗时较难充分松动滤料，反洗效果不好；粒径过小，滤料间的空隙也小，这不仅影响杂质颗粒在滤层中输送，而且也增加水流阻力，造成过滤时水头损失增长过快，反洗时还容易被冲出滤池。K80越大，颗粒越不均匀，滤层的孔隙率小、含污能力低；反冲洗时，粗、细颗粒对冲洗强度的要求不同，二者不好兼顾。因此，K80越接近于1，滤料越均匀，过滤和反冲洗效果愈好，但滤料价格会比较高。表1.10是《室外给水设计规范》（GB 50013—2006）中所推荐的滤池滤速及滤料组成。

双层滤料或三层滤料经反冲洗以后，有可能会在两种滤料的交界面处出现部分混杂，这主要取决于煤、砂、重质矿石等滤料的密度差、粒径差、粒径级配、滤料形状、水温及反冲洗强度等因素。只要按照GB 50013—2006给定的数据配置滤料，一般都能保证滤料的合理分层。生产经验表明，即使煤-砂交界面混杂厚度在5cm左右，对过滤也有益无害。

2.滤料筛分

为满足过滤对滤料粒径级配的要求，应对采购的原始滤料进行筛选。以石英砂滤料为例，取某砂样300g，洗净后于105℃恒温箱中烘干，待冷却后称取100g，放于一组筛子过筛，筛后称出留在各个筛子上的砂量，填入表1.11，并计算出通过相应筛子的砂量，然后以筛孔孔径为横坐标、通过筛孔砂量为纵坐标，绘出筛分曲线，如图1.46所示。

根据图1.46的筛分曲线，可求得该砂样的d10＝0.4mm，d80＝1.34mm，并进一步算出K80＝1.34/0.4＝3.37。由于K80＞2.0，故该滤料不符合过滤级配要求，必须进行筛选。

按规范要求：d10＝0.55mm，K80＝2.0。则可算出d80＝2.0×0.55＝1.10mm。按此要求筛选滤料，步骤如下：

首先，自横坐标0.55mm和1.10mm两点分别作垂线与筛分曲线相交，自两交点作平行线与右边纵坐标轴相交。然后，以两交点分别作为10%和80%，并在10%和80%之间分成7等份，以此向上下两端延伸，即得0和100%之点重新建立新坐标，如图1.46右侧纵坐标所示。再自新坐标原点0和100%作平行线与筛分曲线相交，此两点以内即为所选滤料，其余部分应全部筛除（图中阴影部分）。由图可知，粗颗粒（d＞1.54mm）约筛除13%，细颗粒（d＜0.44mm）约筛除13%，共计26%左右。

3.滤料孔隙率的测定

滤料层孔隙率是指滤料层中的孔隙所占的体积与滤料层总体积之比，用m表示。滤料层孔隙率测定方法为：取一定量的滤料，在105℃下烘干、称重，并用比重瓶测出其密度，然后放入过滤筒中，用清水过滤一段时间后，量出滤层体积，按式（1.27）求出滤料孔隙率m：

式中：G为滤料质量，kg；ρ为滤料颗粒密度，kg/m3；V为滤料层体积，m3。

滤料层孔隙率的大小与快滤池的过滤效率有密切关系，一般来讲，孔隙率越大，滤层的含污能力越高，滤池的工作周期就越长。但孔隙率过大，悬浮杂质容易穿透，影响出水水质。

滤料层孔隙率与滤料颗粒的形状、粒径、均匀程度以及滤料层的压实程度等因素有关。形状不规则和粒径均匀的滤料，孔隙率较大。一般石英砂滤料层的孔隙率在0.42左右。

在过滤和反冲洗过程中，滤料由于碰撞、摩擦会出现破碎和磨蚀而变细，从而造成滤料层孔隙率减小，在生产中应根据滤料的磨损情况及时更换补充滤料。

1.4.2.3　配水系统与承托层

配水系统位于滤池底部，其作用有二：一是反冲洗时，使反冲洗水在整个滤池平面上均匀分布；二是过滤时，能均匀地收集滤后水。配水均匀性对反冲洗效果至关重要。若配水不均匀，水量小处，滤料得不到足够的清洗；水量大处，反冲洗强度过高，会造成滤料流失，甚至还会使局部承托层发生移动，造成过滤时漏砂现象。

根据反冲洗时配水系统对冲洗水的阻力大小，配水系统可分为大阻力、中阻力和小阻力三种配水系统。

1.大阻力配水系统

常用的大阻力配水系统是“穿孔管大阻力配水系统”，如图1.47所示。中间是一根配水干管（或渠），在其两侧接出若干根间距相等、彼此平行的支管。在支管下部开有两排与管中心线成45°角且交错排列的配水小孔。反冲洗时，水流从干管起端进入后，流入各支管，由各支管孔口流出，再经承托层自下而上对滤料层进行冲洗，最后流入排水槽。

在图1.47所示的配水系统中，a孔和c孔分别是距进水口最近和最远的两孔，其孔口内压力水头相差最大。如果a孔和c孔的出流量近似相等，则其余各孔口的出流量更相近，即可认为在整个滤池平面上冲洗水是均匀分布的。

2.中、小阻力配水系统

如果将干管起端流速和支管起端流速减小至一定程度，配水系统压力不均匀的影响就会大大削弱，此时即使不增大孔口阻力系数，同样可以实现均匀配水，这就是小阻力配水系统的基本原理。

生产中，最常用的小阻力配水系统是在滤池底部留有较大的配水空间，在配水空间上铺设钢筋混凝土穿孔滤板，板上铺设一层或两层尼龙网后，直接铺放滤料（尼龙网上也可适当铺设一些卵石），如图1.48（a）、（b）所示。另外，滤池采用气-水反冲洗时，还可以采用长柄滤头作配水系统，如图1.48（c）所示。

小阻力配水系统的开孔比通常都大于1.0%，水头损失一般小于0.5m。开孔比越大，则孔口阻力越小，配水均匀性越差。由于小阻力配水系统的配水均匀性比大阻力配水系统差，一般多用于单格面积不大于20m2的无阀滤池、虹吸滤池等。

中阻力配水系统，是指开孔比介于大、小阻力配水系统之间的配水系统，其开孔比一般为0.4%～1.0%，水头损失一般为0.5～3.0m。中阻力配水系统的配水均匀性优于小阻力配水系统。最常见的中阻力配水系统是穿孔滤砖，如图1.49所示。

穿孔滤砖的构造分上下两层连成整体。铺设时，各砖的下层相互连通，起到配水渠的作用；上层各砖之间用导板隔开，互不相通，单独配水。其实际效果就是将滤池分成滤砖大小的许多小格，保证配水均匀。

由于中阻力和小阻力配水系统的结构相似，划分界限也不很明确，有时也将它们统称为小阻力配水系统。

3.承托层

承托层一般是配合管式大阻力配水系统使用，承托层设于滤料层和底部配水系统之间。其作用有两个：一是支承滤料，防止过滤时滤料通过配水系统的孔眼流失；二是反冲洗水时均匀地向滤料层分配反冲洗水。

滤池的承托层一般由一定厚度的天然卵石或砾石组成，其粒径和级配应根据冲洗时所产生的最大冲击力而确定，保证反冲洗时承托层不能发生移动。单层或双层滤料的快滤池大阻力配水系统承托层粒径和厚度，见表1.12。

三层滤料滤池下层滤料粒径小而重度大，承托层必须与之相适应地采用上层重质矿石，以免反冲洗时承托层移动，见表1.13。

铺装承托层时应严格控制好高程，分层清楚，厚薄均匀，且在铺装前应将黏土及其他杂质清除干净。

如果采用中小阻力配水系统，且配水孔眼数量多、尺寸小，配水本身已很均匀，滤料也不会从孔眼漏掉的话，承托层可以完全省去，或者适当减小，或者适当铺设一些粗砂或细砾石，视配水系统具体情况而定。

1.4.3　水的反冲洗

水的反冲洗目的是清除截留在滤料层中的杂质，使滤池在短时间内恢复过滤能力。

1.滤池冲洗方法

快滤池的冲洗方法有三种：高速水流反冲洗、气-水反冲洗、表面辅助冲洗加高速水流反冲洗。应根据滤料层组成、配水器系统形式，或参照相似条件下已有滤池的经验选取冲洗方式。室外给水设计规范所推荐的冲洗方式和程序见表1.14。

（1）高速水流反冲洗。高速水流反冲洗是利用高速水流反向通过滤料层，使滤层膨胀呈流态化，在水流剪切力和滤料颗粒间碰撞摩擦的双重作用下，把截留在滤料层中的杂质从滤料表面剥落下来，然后被冲洗水带出滤池。这是应用最早的一种冲洗方法，其滤池结构和设备简单，操作简便。

为了保证冲洗效果，要求必须有一定的冲洗强度、适宜的滤层膨胀度和足够的冲洗时间，《室外给水设计规范》（GB 50013—2006）对这三项指标的推荐值见表1.15。

1）反冲洗强度。反冲洗强度是指单位面积滤层上所通过的冲洗流量，以L/（s·m2）计。也可换算成反冲洗流速，以cm/s计，1cm/s＝10L/（s·m2）。

反冲洗强度过小时，滤层膨胀度不够，滤层孔隙中水流剪力小，截留在滤层中的杂质难以被剥落掉，滤层冲洗不净；反冲洗强度过大时，滤层膨胀度过大，由于滤料颗粒过于离散，滤层孔隙中水流剪力降低、滤料颗粒间相互碰撞摩擦的几率减小，滤层冲洗效果差，严重时还会造成滤料流失。故反冲洗强度过大或过小，冲洗效果均会降低。

生产中，反冲洗强度的确定还应考虑水温的影响，夏季水温较高，水的黏度较小，所需反冲洗强度较大；冬季水温低，水的黏度大，所需的反冲洗强度较小。一般来说，水温增减1℃，反冲洗强度相应增减1%。

2）滤层膨胀度。滤层膨胀度是指反冲洗时滤层膨胀后所增加的厚度与滤层膨胀前厚度之比，用e表示：

式中：L0为滤层膨胀前厚度，cm；L为滤层膨胀后厚度，cm。

滤料膨胀度由反冲洗强度和滤料的颗粒大小、密度所决定，同时受水温的影响。理想的膨胀率应该是截留杂质较多，上层滤料恰好完全膨胀起来，而下层最大颗粒滤料刚刚开始膨胀，才能获得较好的冲洗效果。如果最粗滤料刚开始膨胀的冲洗强度导致上层细滤料膨胀度过大甚至引起滤料流失，应调整滤料级配。

3）冲洗时间。当冲洗强度和滤层膨胀度都满足要求，但反冲洗时间不足时，滤料颗粒表面的杂质因碰撞摩擦时间不够而不能得到充分清除；同时，反冲洗废水也会因为来不及排除，导致污物重返滤层，覆盖在滤层表面而形成“泥膜”或进入滤层形成“泥球”。冲洗时间可按表1.15选用，也可根据冲洗废水的允许浊度决定。

（2）气-水反冲洗。将压缩空气压入滤池，利用上升空气气泡产生的振动和擦洗作用，将附着于滤料表面的杂质清除下来并使之悬浮于水中，然后再用水反冲把杂质排出池外。气-水反冲洗所需的空气由鼓风机或空气压缩机和储气罐组成的供气系统供给，冲洗水由冲洗水泵或冲洗水箱供应，配气、配水系统多采用长柄滤头。

采用气-水反冲洗有以下优点：①空气气泡的擦洗能有效地使滤料表面污物破碎、脱落，冲洗效果好，节省冲洗水量；②可降低冲洗强度，冲洗时滤层不膨胀或微膨胀，杜绝或减轻滤料的水力筛分，提高滤层的含污能力。不过，气-水反冲洗需增加气冲设备，池子结构及冲洗操作也较复杂些。但总的来说，还是优势明显，近年来应用也日益增多。

《室外给水设计规范》（GB 50013—2006）所推荐的气水冲洗强度及冲洗时间见表1.16。

（3）表面冲洗。表面冲洗是在滤料砂面以上50～70mm处放置穿孔管。反冲洗前先用穿孔管孔眼或喷嘴喷出的高速水流，冲洗去表层10cm厚度滤料中的污泥，然后再进行水反冲洗。表面冲洗可提高冲洗效果，节省冲洗水量。

根据穿孔管的安置方式，表面冲洗可分为固定式（较多的穿孔管均匀地固定布置在砂面上方）和旋转式（较少的穿孔管布置在砂面上方，冲洗臂绕固定轴旋转，使冲洗水均匀地布洒在整个滤池）的两种。其表面冲洗强度分别是2～3L/（m2·s）和0.50～0.75 L/（m2·s），冲洗时间均为4～6min。

2.冲洗水的供给

普通快滤池反冲洗水供给方式有冲洗水泵和冲洗水塔（箱）两种。水泵冲洗建设费用低，冲洗过程中冲洗水头变化较小，但由于冲洗水泵是间隙工作且设备功率大，容易使电网负荷极不均匀；水塔（箱）冲洗操作简单，补充冲洗水的水泵较小，并允许在较长的时间内完成，耗电较均匀，但水塔造价较高。若有地形时，采用水塔（箱）冲洗较好。

（1）冲洗水塔（箱）。为避免冲洗过程中冲洗水头相差太大，水塔（箱）内水深不宜超过3m。水塔（箱）容积按单格滤池所需冲洗水量的1.5倍计算：

式中：W为水塔（箱）容积，m3；F为单格滤池面积，m2；t为冲洗历时，min；q为反冲洗强度，L/（s·m2）。

水塔（箱）底高出滤池冲洗排水槽顶高度H0，可按式（1.30）～式（1.33）计算：

式中：h1为从水塔（箱）至滤池的管道中总水头损失，m；h2为滤池配水系统水头损失，m；h3为承托层水头损失，m；h4为滤料层水头损失，m；h5为备用水头，一般取1.5～2.0m；a为配水系统开孔比；μ为孔口流量系数；q为反冲洗强度，L/（s·m2）；Z为承托层厚度，m；ρs为滤料的密度，g/cm3；ρ为水的密度，g/cm3；m0为滤层膨胀前的孔隙率；L0为滤层膨胀前的厚度，m。

（2）水泵冲洗。冲洗水泵要考虑备用，可单独设置冲洗泵房，也可设于二级泵站内。水泵流量按冲洗强度和滤池面积计算：

式中：q为反冲洗强度，L/（s·m2）；F为单格滤池面积，m2。

水泵扬程为

式中：H0为排水槽顶与清水池最低水位高差，m；h1为清水池至滤池的管道中总水头损失，m；其余符号同式（1.30）。

3.冲洗废水的排除

滤池冲洗废水的排除设施包括反冲洗排水槽和废水渠。反冲洗时，冲洗废水先溢流入反冲洗排水槽，再汇集到废水渠，然后排入下水道（或回收水池），如图1.50所示。

（1）反冲洗排水槽。为了及时均匀地排除冲洗废水，反冲洗排水槽设计应符合以下要求：

1）排水槽内水面以上保持7cm左右的超高，废水渠起端水面低于排水槽底20cm。以避免形成壅水，使排水不畅而影响冲洗均匀。

2）排水槽的槽口高度应保持水平一致，施工时其误差应限制在2mm以内。

3）排水槽总平面面积一般应小于25%的滤池面积，避免影响反冲洗上升水流。

4）相邻两槽中心距一般为1.5～2.0m，间距过大会影响排水的均匀性。

生产中常用的反冲洗排水槽断面如图1.50所示，反冲洗排水槽底可以水平设置，也可以设置一定坡度。反冲洗排水槽顶距未膨胀滤料表面的高度H为

式中：e为冲洗时滤层膨胀度，%；H2为未膨胀滤料层厚度，m；x为反冲洗排水槽断面模数，m，其值可按式（1.37）计算；δ为反冲洗排水槽底厚度，m；0.07为反冲洗排水槽超高，m。

式中：Q1为每条反冲洗排水槽出口流量，m3/s。

（2）废水渠。如图1.50所示，废水渠为矩形断面，沿滤池池壁一侧布置。当滤池面积很大时，为使排水均匀，废水渠也可布置在滤池中间。废水渠底至排水槽底高度可按式（1.38）计算：

式中：Q为滤池总冲洗流量，m3/s；B为废水渠宽度，m；g为重力加速度，9.81m/s2；0.2为废水渠起端水面低于排水槽底高度，m。

1.4.4　水的过滤工艺设计

1.滤池的个数及单池面积

滤速相当于滤池负荷（单位时间、单位表面积滤池的过滤水量）。因此可根据流量和滤速计算出滤池总面积F（m2）：

式中：Q为设计流量（水厂供水量与水厂自用水量之和），m3/h；v为设计滤速，从表1.10中查取，m/h。

单池面积F′（m2）可根据滤池总面积F与滤池个数n确定：

滤池个数直接涉及滤池造价、冲洗效果和运行管理。滤池个数多时，单池面积小，冲洗效果好，运转灵活，但滤池总造价高，操作管理较麻烦；若滤池个数过少，单池面积过大，布水均匀性差，冲洗效果欠佳，尤其是当某个滤地反冲洗或停产检修时，对水厂生产影响较大。设计时，滤池个数可参考表1.17来选取，但最少不能少于2个。

表1.10　中有两个滤速，在设计计算时，用正常滤速计算滤池面积和个数，用强制滤速验算调整。即按1个或2个滤池停产检修，其余滤池分担全部负荷考虑，计算其超负荷工作的滤速vn，滤速vn应能满足表1.10中的强制滤速要求。

2.滤池尺寸的确定

单个滤池平面可为正方形也可为矩形。滤池长宽比决定于处理构筑物总体布置，同时与造价也有关系，应通过技术经济比较确定。一般情况下，单个滤池的长宽比可参考表1.18。

滤池总深度包括：

（1）滤池保护高度：0.20～0.30m。

（2）滤层表面以上水深：1.5～2.0m。

（3）滤层厚度：单层砂滤料一般为0.70m，双层及多层滤料一般为0.70～0.80m。

（4）承托层厚度：见表1.12和表1.13。

考虑配水系统的高度，滤池总深度一般为3.0～3.5m。

3.管（渠）设计流速

快滤池管（渠）断面应根据设计流速来确定，参见表1.19。

4.管廊布置

集中布置滤池的管（渠）、配件及闸阀的场所称为管廊。管廊中的管道一般采用金属材料，也可用钢筋混凝土渠道。管廊布置应力求紧凑、简捷；要有良好的防水、排水、通风及照明设备；要留有设备及管配件安装、维修的必要空间。

当滤池个数少于5个时，宜采用单行排列，管廊设置于滤池一侧；超过5个时，宜采用双行排列，管廊设置于两排滤池中间。后者布置紧凑，但应注意通风、采光和检修条件。常见的管廊布置形式如图1.51所示。

（1）进水、清水、反冲洗水及排水四个总渠，全部布置于管廊内，如图1.51（a）所示。

（2）反冲洗水和清水两个总渠布置于管廊内，进水渠和排水渠则布置于滤池的一侧，如图1.51（b）所示。

（3）进水、反冲洗水及清水管均采用金属管道，排水总渠单独设置，如图1.51（c）所示。

（4）用排水虹吸管和进水虹吸管分别代替排水和进水支管，反冲洗水和清水两个总渠布置于管廊内，反冲洗水支管和清水支管仍用阀门控制，称为虹吸式双阀滤池，简称双阀滤池，如图1.51（d）所示。

5.设计中注意的问题

（1）滤池底部应设排空管，其入口处设栅罩，池底应有一定的坡度，坡向排空管。

（2）每个滤池宜装设水头损失计及取样管。

（3）滤池壁与砂层接触处应拉毛成锯齿状，以免过滤水在该处形成“短路”。

（4）滤池清水管上应设置短管，管径一般采用75～200mm，以便排放初滤水。

（5）各种密封渠道上应设人孔，以便检修。