1.2.1过滤技术简介在常规水处理过程中，过滤一般是指以粒状滤料层截流水中悬浮杂质，从而使水得到净化的工艺过程。

它主要是去除水中的浊度物质，同时水中的有机物、细菌以及病毒也将随浊度降低而被部分去除，残留于滤后水中的细菌、病毒在失去浊度物质的依附保护后，在滤后消毒过程中也将容易被杀灭，这就减轻了滤后消毒的负担。

在饮用水的净化工艺中，过滤是不可或缺的一道工艺，它是保证饮用水卫生安全的重要措施。

过滤过程受到滤料级配、滤层厚度、滤速、过滤方式、滤前水水质及其预处理程度等因素的影响。

滤料层是滤池的核心组成部分，它本身的结构特性对滤后水水质、.过滤性能有着重要的影响。

人类文明的起源与发展，与水的利用和治理密不可分。

4000年前印度人就利用木炭对水进行过滤，1800年在英国派斯利(Palsloy)建成世界上第一座城市慢滤池供给全城用水。

20世纪初，混凝技术出现后，慢滤池逐渐被淘汰，快滤池取而代之。

快滤池因其滤速比慢滤池快而得名，滤速约为5一10米/小时，现代快滤池甚至可达到40米/小时，是慢滤池的十几倍甚至几十倍。

快滤池有多种形式。

以石英砂作为滤料的普通快滤池使用历史最久。

在此基础上，人们从不同的工艺角度发展了其他形式快滤池。

为充分发挥滤料层截污能力，出现了滤料粒径寻水流方向减小的过滤层及均质滤料层，如:双层、多层及均质滤料滤池，上向流和双向流滤池等:为减少阀门数量出现了虹吸滤池、无阀滤池、移动罩滤池以及其他水力自动冲洗滤池等;从冲洗方式上还出现了有别于单纯水冲洗的气一水反冲洗滤池。

1.2.2反冲洗技术简介在滤池运转过程中，从进水中去除的杂质积聚在滤料表面和颗粒间的孔隙内，随着滤池的继续运转，贮集在滤床中的杂质会导致滤床的孔隙率降低，滤床所能截留的杂质量不断减少，当水头损失增加至水流按预定流量通过时所需的水头即最大允许水头损失，或是由悬浮物质的穿透最后导致滤后水水质下降时，最终将使滤池停运，此时，需对滤池进行反冲洗，以去除截留的杂质，恢复滤池的运行能力[[3]。

对于老式慢滤池，从水中去除的绝大多数杂质会聚积在滤床的表面上，过滤水的水质下降时，用清洁的砂子替换上层滤料。

而对于快滤池而言，滤速比慢滤池提高了几十倍甚至达到近百倍，使得单位面积载留杂质量骤增，过滤周期缩短，且杂质颗粒穿入滤床较深，慢滤池的刮砂办法显然不再适用，于是开始采用上向流反冲洗来清除滤层中的截留杂质。

滤床的反冲洗是恢复和继续发挥滤池功能的关键，反冲洗的质量对滤后水水质、工作周期和滤层截污量等均有较大影响，滤池的效率全要靠有效冲洗来实现。

滤池反冲洗系统设各费用占滤池总造价的50-70%，反冲洗费用又是滤池经常运行费用中最主要的部分。

因此，合理的滤池反冲洗方式的选择及反冲洗系统的设计，在经济、技术、安全等方面有着重要意义。

早期的砂滤料快滤池是对砂颗粒进行轻轻的清洗[5]，以便在滤床表面留下一层不受破坏的有机膜，基于从砂慢滤池过滤工艺沿袭下来的认识，这一薄膜被认为是进行有效过滤所需要的。

美国最早出现的砂滤池中还装有环形搅动耙子，用以在清洗过程中搅动砂子，以帮助砂与杂质分离开来。

但该类滤池的反冲洗强度仅有1.7-3.4L/s " m2。

自然，这种低速弱强度冲洗不能够使滤床得到彻底清洁，效果并不理想。

早在十九世纪末的英国，就有人开始用空气吹洗浸湿了的滤料，再用水进行反冲洗，这可以认为是气一水反冲洗的雏形。

到了1900年，美国新泽西州小福尔装置的重力快滤池用空气搅动代替了旋转的搅动耙子，被认为是气一水反冲洗技术的最早运用。

之后几年在哈佛大学所做的实验表明，空气冲洗是打碎砂层表面形成的泥块或泥浆所需要的。

1903年至1905年间，在美国辛辛那提过滤水厂的实验研究过程中，开始采用反冲洗强度为I 0-16 L/s " m，的所谓“高速冲洗法”，放弃了旋转耙和空气冲洗。

这样，在较高的反冲洗强度下，整个滤层处于悬浮状态，滤层流化了，滤料在上升水流中相互接触碰撞使滤料颗粒上吸附粘着的污物被冲洗水带出池外，从而使滤料得以“清洁”。

由于构造简单，运行管理方便，冲洗效果明显，因而在美国及日本等国长期得到广泛的应用。

但在这种冲洗方式下，要求水流必须足以使滤料膨胀流化，即滤层膨胀后的表观体积至少增加15%。

在反冲洗过程中，无论是水的剪力还是颗粒间的碰撞摩擦力都是由水的速度梯度G值产生的，高速水反冲洗实际产生的G值一般并不高，通常砂粒G值为300-400s-1，煤粒为150-300 s一1，是一种弱冲洗方式。

加之滤层膨胀造成水流涡动的作用，使得滤料表面形成的密实污泥层有部分被带入滤层深部逐步形成坚硬的大个泥球这样在通常的设计反冲洗强度下，滤池的冲洗效果不佳，冲洗时间延长，泥球更趋严重，反冲洗水耗增加，形成恶性循环。

此外，高速水流反冲洗也容易造成滤料流失。

因此在后来的应用中常辅以表面冲洗。

第一套表面冲洗设备1908年首次在加利福利亚州出现。

自1910年起，英国设计的多数快滤池都用空气清洗或旋转耙冲洗或者表面冲洗接着进行水反冲洗，例外的是1948年建的邦福德((B maford)滤池和1958年伯明翰的一个著名滤池是采用美国式的高速水冲洗，但后者后来又添置了空气冲洗设备以节省冲洗水。

尽管如此由于配气设施不过关等原因，一直影响了气一水反冲洗技术的推广应用，直至瑞典召开的第四次国际供水会议上，提出采用长柄滤头作为布气装置以及六十年代后粗粒、均匀粒径的深床滤池的兴起，滤池气一水反冲洗技术才开始日益受到人们的青睐，尤其是在英法等欧洲国家普遍流行起来。

到了70年代，美国的一些学者开始注意到别的国家正在使用的不同的冲洗方法，并试图评价这些方法的优缺点。

而气一水反冲洗较单水反冲洗在充分利用滤池截污容量、提高滤速、延长过滤周期以及消除滤层泥球等方面有着明显的优势，于是围绕滤池气一水反冲洗有关问题的研究工作纷纷展开。

艾某泰拉耶(Amirtharajah) 、克里斯拜(eleaby) 等人在这方面取得了重大成果。

随着研究的不断进行和认识的不断深入，英、法等欧洲国家以及前苏联和日本大力开展了气一水反冲洗滤池在工艺设计方面的更新与完善工作，使得气一水反冲洗技术在应用实践中日趋成熟。

如法国德格雷蒙((Degremont)公司的优秀专利产品Aquazer-V型滤池，采用单一均匀滤料，应用两极PLC可编程逻辑控制器实现了过滤一冲洗的自动化，气一水反冲洗与表面扫洗相结合，完全实现了恒水位等速过滤。

现己作为一种较成熟的滤池气一水反冲洗应用技术在欧洲各国广为使用，而且还被引进了许多发展中国家。

目前在我国就己有14个城市直接从法国引进了这种滤池，其中最大的淄博新城水厂的设计能力达到100万m3/d。

我国自三十年代抚顺东公园水厂首次采用气一水反冲洗以来，至今己有七十多年的历史。

但由于同样存在着配气设施不过关等原因而一直未能推广应用。

直到八十年代中期，中国市政工程西南设计院以珠海拱北水厂引进的KI型长柄滤头的资料为基础，经过反复实验，研究出的半圆形长柄滤头的问世;均匀粒径滤料在普通快滤池、V型滤池、虹吸滤池中的应用;电动、气动阀门的质量提高，气一水反冲洗滤池才得到长足的发展。

据不完全统计，十几年来全国己有50多个新建水厂的滤池采用了气一水反冲洗，日供水能力超过650万m3d/，气一水反冲洗技术也再度引起国内水处理工作者的高度重视。

在有关滤池气一水反冲洗理论及实验研究方面，哈尔滨建筑大学的李圭白教授、同济大学的朱月海教授、天津大学的安鼎年教授等一大批科研工作者做了大量富有成效的工作。

中国土木工程学会给水委员会还于1992年10月和1993年4月分别在广州和杭州召开了两次气一水反冲洗技术的专题研讨会，总结交流了气一水反冲洗在科研、设计、生产和施工管理等方面的应用经验，并提出了进一步提高和完善的设想。

气一水反冲洗技术在推广应用实践方面，有采用长柄滤头配水配气的普通快滤池、有采用压板阀控制的虹吸滤池、有采用电动阀门控制排水的双阀滤池、有单水冲洗的旧池改造为气一水反冲洗的新池等多种形式，均有运行成功的实例。

事实证明，近年来利用外资贷款引进的V型滤池运行效果良好。

总之，滤池滤床冲洗方式发展至今主要有两大类。

其一是前面所提到的高速水反冲洗法，美国一般采用这种方式，国内现有各种滤池大多数亦采用这种冲洗方式。

其二就是气一水反冲洗法。

目前，国内外气一水反冲洗通常有三种运行方式。

第一种方式为单独气洗，随后用低速水反冲洗，因它在英国应用较多，又称英国冲洗法。

第二种方式为先空气冲洗和低速水反冲洗同时进行，接着再用低速水反冲洗，称为欧洲大陆法。

第三种方式为先单独气洗，然后气一水同时反冲洗，最后再单独用水冲洗，即是通常所说的三阶段冲洗法，从法国引进的Auqazur-V型滤池就是采用这种冲洗方式。

第二章优化工艺理论基础2.1过滤机理滤池中悬浮颗粒的去除机理比较复杂，并且受到很多因素的影响，比如:悬浮颗粒以及滤料颗粒的物理化学性质、过滤速度、水的化学性质以及滤池的运行方式等等。

在过去的几十年中，有关过滤机理的研究一直没有中断过，但是其中的很多问题还没有得到解决。

最初的看法，认为水流通过多孔介质的滤床去除悬浮颗粒式的方式，似乎容易解释为筛滤作用。

很清楚，好比筛网阻挡了比网眼尺寸大的颗粒一样，如果悬浮颗粒尺寸比滤料的空隙大，那么将被去除。

这样一种机械筛滤意味着固体物质不可能穿透到滤料层中，因此不需要深的滤料床。

然而，检查粒状滤料去除固体物的性能时表明，颗粒尺寸较滤料孔隙小很多的也被有效去除了。

所以很明显，在粒状滤料的滤床中，筛滤不是唯一机理。

实际上大多数场合下，在浊度的整个去除过程中，筛滤相对不是主要的，悬浮颗粒的去除受到大量传递和吸附机制的控制[32]。

另外，Mintz还首先提出了“剥离机理”，在颗粒吸附的同时，已经吸附于滤料上的颗粒还有剥离的趋势。

2.1.1传递机理在大多数滤池中，层流占优势。

因此在滤床某个空隙中，水流速度由颗粒表面的零变到空隙中心的最大值，于是传递机制必然使悬浮颗粒脱离水流流线，转入到近滤床颗粒成为较低速度。

传递过程实际上是一个物理一水动力作用的过程，目前只能进行定性描述，无法定量计算。

悬浮颗粒脱离流线可能是几种作用同时存在，也可能是其中的某些作用占主导地位。

水过滤中传递机理的主要作用有:(1).截留作用:当流线距滤料表面距离小于悬浮颗粒半径时，处于该流线上的颗粒会直接触及滤料而被滤料截留。

(2).扩散作用:当悬浮颗粒尺寸很小时，颗粒会受到周围水分子的随机热运动而呈现出布朗运动，从而会使颗粒向滤料表面迁移。

一般认为，直径小于1微米的颗粒其扩散作用是明显的，当颗粒直径较大时，扩散作用可以忽略。

(3).'赓胜作用:由于滤层空隙通道错综复杂，流道弯曲，流速经常改变方向，致使悬浮颗粒因惯性力作用而离开原来的流线向滤料表面靠近。