摘要：采用两种不同粒径的均质石英砂滤料进行直接过滤，在单位面积滤层滤料表面积相等的条件下进行过滤性能比较，试验结果表明单位面积滤层滤料颗粒表面积相等时，滤后水浊度相同，粗石英砂滤料的过滤水头损失小于细石英砂滤料的过滤水头损失，因此，用单位面积滤层滤料表面积来衡量对滤池滤料的要求比L/d指标更合理。
1、实验构思
现代过滤理论研究认为，在快滤池中，悬浮颗粒的去除，主要是由颗粒与滤料之间以及颗粒与颗粒之间的吸附（粘附）作用而被去除的。这就涉及到两个方面的问题：一是被水挟带的悬浮颗粒如何脱离水流流线向滤料表面靠近的颗粒迁移机理。二是当悬浮颗粒与滤料表面接触时，依靠哪些力的作用使得它们粘附在滤料表面上，这就是颗粒的粘附机理，在这一机理中，要保证过滤出水水质，就须保证滤层滤料具有一定的表面积，为悬浮颗粒被吸附在滤料表面提供足够的吸附空间，以便悬浮颗粒有效地被吸附在滤料表面。
直接过滤是混凝与过滤过程有机结合而形成的新的单元处理过程，原水在滤前预处理中，仍然依靠压缩双电层、电性中和作用以及吸附架桥、表面络合作用，使原水中悬浮物质脱稳或凝聚成具有良好过滤性能的微絮体，当带脱稳胶体的水流通过滤料表面时，脱稳的胶体与宏观的滤料表面接触从水中分离出去，相当于微观颗粒与宏观滤料间的絮凝，当宏观滤料所提供的表面积越大，脱稳的胶体与宏观的滤料表面接触的机率越大，这种微观颗粒与宏观滤料间的总体絮凝效果越好，出水水质越好。
由此可见，在过滤过程中整个滤层滤料表面积的大小对滤出水水质的影响很大。为了保证过滤出水水质，滤层具有一定的厚度是必要的，由实际经验总结，当L/d=800~1000时，可以达到过滤出水水质的要求。
悬浮颗粒在滤层空隙水流中的迁移、输送是由沉淀、惯性、阻截、扩散、动力效应等基本作用的过程，对于一个颗粒来说，可能同时受几种作用，但占主要作用的只是一种或两种，主要取决于浊质粒度的大小。对于滤料截除悬浮物质的确切作用过程，目前还不十分清楚，但一般认为需要通过微颗粒间滤料表面“输送”以及在滤料表面的“附着”两个阶段才能达到。在“附着”过程中，滤料除浊质能力的好坏不仅与浊质粒子的物理化学特性有关，并且滤料本身的表面物理和化学特性也具有很大的关系。然而单位面积滤层滤料表面积的大小对这整个滤后水水质的好坏具有很大的影响。
从严格的理论上讲，滤料所具有的对悬浮物的截留能力的滤料所提供的表面积，滤池的过滤能力主要来自滤料颗粒表面吸附作用。在过滤过程中，滤料所提供的颗粒表面越大，对水中悬浮物的附着力越强，为要达到一定的预期的出水水质要求，滤料所提供的表面积应满足某一较小值，滤料所具有的截留能力还与滤料本身的表面特性有关。本试验采用波涛石英砂厂家生产的同产地、同种类材质的粗细两种石英砂滤料，在A、B两实验柱单位面积滤层所提供的滤料表面相等的条件下进行对比实验。单位面积滤层提供的滤料表面积为：
S总表面积=6（1-ε0）/ψdeLA，即：S总表面积∝L/ψde。
式中：S总表面积—滤料表面积
ε0—滤层空隙率
A—为滤柱截面积
L—滤层厚度
ψ—滤料球形度
de—滤料粒径
2、实验设置
采用波涛石英砂厂家生产的均质石英砂滤料。规格为：粗砂deq=1.10mm，ε0=0.43，ψ=0.78，d10=0.91，K60=1.22，滤层厚950mm；细砂deq=0.85mm，ε0=0.40，ψ=0.781，d10=0.962，K60=1.24，滤层厚720mm。模型滤池是两套高3000mm，直径100mm的有机玻璃柱，沿柱体纵向有测压管和取样管。实验采用AL2(SO4)3作为混凝剂，以高岭土自配原水，在原水水质，滤床结构，滤柱运行控制参数及投药量完全相同的情况下，进行对比实验。A柱装入粗砂，B柱装入细砂。试验中滤柱均运行15小时，滤速分别采用6.8m/h，8.33m/h，流向朝下，投药量ALT分别采用0.05，0.2，进水浊度10NTU。
3、结果与分析
3.1 水头损失比较情况如图(a)，(b)所示：
由图可知：粗石英砂滤料的过滤水头损失小于细石英砂滤料的过滤水头损失，这主要是因为粗石英砂滤料的有效孔隙率优于细石英砂滤料的有效孔隙率，粗石英砂滤料截留浊质后，滤层内部的水流曲线变化比细石英砂滤料截留浊质后滤层内部的水流曲线变化慢且小。
3.2 出水浊度的变化情况比较如图(c)，(d)，(e)，(f)所示：
由图(c)，(d)，(e)，(f)可知：在每组对比试验中，原水浊度、滤速、投药量、单位面积滤层所提供的石英砂滤料总表面积相同的情况下，粗、细石英砂滤料过滤的出水浊度相同，在原水浊度、滤速、投药量相同的情况下，原水具有相同的过滤性能，单位面积滤层所提供的滤料总表面积相同，为悬浮颗粒被吸附在石英砂滤料表面提供相同的吸附空间，被滤料表面所吸附的悬浮颗粒量相同，所以，粗、细石英砂滤料过滤的出水浊度相同。
表1 不同投药量不同滤速时A,B两柱运行情况
| 投药量ALT | 进水浊度NTU | 滤速m/h | 运行时间(h) | 水头损失(pa) | 平均出水浊度(NTU) | F值 | |||||
| A柱 | B柱 | A柱 | B柱 | A柱 | B柱 | A | B | (B-A)/A% | |||
| 0.05 | 10 | 8.33 | 15 | 15 | 7193.2 | 9310 | 2.149 | 2.232 | 14.03 | 18.85 | 34.3 |
| 0.2 | 10 | 8.33 | 15 | 15 | 11309.2 | 14778.4 | 0.801 | 0.784 | 8.22 | 10.51 | 27.8 |
| 0.05 | 10 | 6.8 | 15 | 15 | 6811.0 | 9084.6 | 0.552 | 0.534 | 4.18 | 5.39 | 28.9 |
| 0.2 | 10 | 6.8 | 15 | 15 | 8829.8 | 11799.2 | 1.677 | 1.579 | 16.46 | 20.95 | 27.2 |
注：
1、F=HtCe/CoVT，式中Ce、Co—出水、进水浓度，V—滤速，Ht—15小时后的水头损失T—行时间，F值越小，表明滤池过滤性能越好。
2、平均出水浊度为出水浊度与过滤时间的加权平均值，以下相同。
表2 A、B两柱出水浊度变化比较
| 投药量ALT | 进水浊度NTU |
滤速m/h |
平均出水浊度NTU | ||||
| A | B | 2(Ca-Cb)/(Ca+Cb)(%) | Ka | Kb | |||
| 0.05 | 9 | 8.33 | 2.149 | 2.232 | 3.7 | 1.79 | 1.75 |
| 0.2 | 9 | 8.33 | 0.801 | 0.784 | 2.1 | 3.02 | 3.06 |
| 0.05 | 9 | 6.8 | 0.552 | 0.534 | 3.3 | 3.48 | 3.55 |
| 0.2 | 9 | 6.8 | 1.677 | 1.597 | 4.8 | 2.10 | 2.17 |
注：滤层截留概率K按式K=-ln(C/C0)/(Z0/d0)计算，式中C/C0——出水、进水浓度，Z0——滤层厚度，d0——滤料粒径，对均质滤料采用当量粒径de。
由表1可知，在单位面积滤层滤料表面积相等的条件下，出水水质基本相同，然而从F值的大小可知，粗石英砂滤料的F值比细石英砂滤料的F值平均优于28%左右，主要是因为粗石英砂滤料过滤的水头损失小于细石英砂滤料过滤的水头损失，就水头损而言，宜采用粗石英砂滤料作为滤料较好。截留概率K值表示了浊质通过某一粒径滤料厚度滤层时被截留的概率，在滤柱工作15小时后，A、B两柱出水的平均浊度及滤柱截留概率K值见表2，在投药量、滤速、进水浊质、单位面积滤层滤料表面积相同的条件下，A、B两柱滤层截留概率K值相同，说明同种材质的粗细两种石英砂滤料的滤层去除浊质的模式相同，从Ka或Kb可看出，虽进水浊质、石英砂滤料及其表面积相同，但投药量、滤速对滤层截留模式有所影响，滤速对浊质的“输送”过程具有一定的影响，投药量在一定程度上影响浊质表面的物理化学特性，从而影响浊质与滤料表面的附着过程。
4、结论
（1）同种材质单位面积滤层滤料表面积及滤池运行参数均相同的情况下，出水水质基本相同，用单位面积滤层滤料表面积来衡量对滤池滤料的要求比L/d指标更合理，其截留模式相同。对于粗石英砂滤料或细石英砂滤料，其截留模式与滤速、投药量等均有关系。
（2）在相同运行参数下，粗石英砂滤料的过滤水头损失小于细石英砂滤料的过滤水头损失，滤料宜采用较粗的石英砂滤料，其F值较优。
