西安建筑科技大学硕士学位论文西安建筑科技大学硕士学位论文滤池气水反冲洗过程中气泡特征研究专 业：市政工程硕 士 生：刘春杉指导教师：张建锋 副教授摘 要快滤池的运行包括了过滤和反冲洗两个工艺环节，高效的反冲洗是保证滤池稳定运行的关键因素之一，同时也对净水厂节能减排的实际效果影响显著。
本文在系统阐述滤池反冲洗的发展和理论的基础上，基于对气水反冲洗设计和实际运行控制参数的分析，对气水反冲洗过程中滤层逸出气泡的特征进行实验研究，以期探明气水反冲洗过程中气泡特征对滤料流失的影响。
研究中设计并搭建模型滤柱，通过系列对比试验分析了在不同的气冲强度和不同的水冲强度下，滤层表面逸出气泡的速度、直径等特征参数的变化规律。
主要结论包括：（1） 在试验确定的控制参数范围内，气冲强度、水冲强度的增大导致逸出气泡的上升速度及相界面积增大；（2） 在现有净水厂实际运行的控制参数范围内，气冲强度和水冲强度的增加使得在同一高度处气泡上升速度、直径及数量增加；（3） 滤层表面逸出气泡的大小及上升速度对滤料的流失量有一定的影响。
关键词：气水反冲洗；气泡速度；气泡大小Characteristics of the bubble during simultaneousair-water BackwashingSpecialty：Municipal EngineeringCandidate: Liu ChunshanAdvisor：A.Prof.Zhang JianfengABSTRACTFilter mainly included two processes of filtration and backwashing.Efficient backwash is not only the key to ensure treatment’s effect，but also one of the core contents to save energy and reduct consumption by water purification plants. The Research elaborated systematicly about the development and theory of filter backwash. At the same time according to the relevant operating parameters and design-rules, the characteristics of the bubble during simultaneous air-water backwashing was studied by research and actual production process.Design and build a model filter backwashing experiment,do a series of test and analysis by contrast in order toget the effecters from different water and air-scour rates on the characteristics of the bubble, the bubbles, speed and bubbles, size when they get out the surface of the filtering layer. The main conclusions include：（1）In the extent of parameters which the experiment established, increase water and air-scour rates lead to bubbles, speed、bubbles, size and phase contactarea also increased；（2）In the extent of parameters which the water plants are making use of, increase water and air-scour rates lead to bubbles, speed、bubbles, size andbubbles, quantity increased at the same aititude；（3）The speed and size of the bubbles which they get out the surface of the filtering layer have affect on media loss。
Key words：air+water backwash；bubbles, speed; bubbles, size目 录1 绪论 (1)1.1 反冲洗技术的发展和应用 (1)1.1.1 概述 (1)1.1.2 反冲洗技术的发展 (3)1.1.3 反冲洗技术的应用 (5)1.2 反冲洗技术在节能减排方面的现状 (8)1.3 本研究课题的来源及意义 (9)1.4 本课题的研究内容 (10)2 反冲洗理论基础 (12)2.1 反冲洗机理 (12)2.1.1 水反冲洗机理 (12)2.1.2 气反冲洗机理 (14)2.1.3 气水反冲洗机理 (15)2.2 反冲洗方式 (16)3 试验设计与分析方法 (19)3.1 试验装置 (19)3.1.1 试验场地 (19)3.1.2 试验装置 (19)3.2 试验方案 (19)3.2.1 试验因素的确定 (19)3.2.2 各因素水平的确定 (20)3.2.3 试验过程 (21)3.2.4 评价指标的确定 (21)3.3 实验测试指标和实验仪器 (22)3.3.1 试验过程中运行参数和指标测定方法 (22)3.3.2 主要使用仪器 (23)4 不同气水反冲强度对气泡速度及大小的影响 (24)4.1 单独气冲时不同气冲流量对气泡速度的影响 (24)西安建筑科技大学硕士学位论文4.2 气水同时反冲时不同冲洗强度值对气泡速度的影响 (26)4.3 单独气冲时不同气冲流量对气泡大小的影响 (27)4.4 气水同时反冲洗不同冲洗强度对气泡大小的影响 (30)4.5 本章小结 (31)5 气泡跃离砂层时的特征 (32)5.1 单独气冲时气泡跃离砂层时的特征 (32)5.2 气水同时反冲时气泡跃离砂层时的特征 (33)5.3 单独气冲和气水同时反冲时砂层出口向上5cm处气泡相界面积 (35)5.4 气泡跃离砂层时不同气水反冲强度对砂粒的影响 (37)5.5 本章小结 (38)6 实际运行中所选工况与实验选定因素比对 (39)6.1 单独气冲时实际运行所选工况与实验所选因素进行比对 (39)6.2 气水同时反冲时实际运行所选工况与实验所选因素进行比对 (40)6.3 本章小结 (46)7 结论和建议 (47)7.1 结论 (47)7.2 建议 (47)致谢 (48)参考文献 (49)西安建筑科技大学硕士学位论文1 绪论1.1 反冲洗技术的发展和应用1.1.1 概述在常规水处理工艺中，过滤一般是指以颗粒材料（如石英砂）构成的滤料层截留水中悬浮物质，从而使出水浊度更低的工艺过程。
滤池通常置于沉淀池或澄清池之后。
过滤的功效，不仅仅在于进一步降低水的浊度，而且水中有机物、藻类、细菌、病毒乃至放射性物质和某些溶解度低的重金属等都将随水的浊度的降低而被部分去除。
至于残留于滤后水中的细菌、病毒等在失去浑浊颗粒物的保护或依附时，在滤后消毒过程中也将容易被杀灭，这就为滤后消毒创造了良好条件。
在饮用水的净化工艺中，有时沉淀池或澄清池可省略，但过滤是不可缺少的，它是保证饮用水卫生安全的重要措施[1]。
在滤池的运行过程中，从进水中去除的杂质积聚在滤料表面和颗粒间的孔隙内，随着滤池的继续运行，贮集在滤料层中的杂质会导致滤床的孔隙率降低，滤料层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时，或是由悬浮物质的穿透最后导致滤后水水质下降时，过滤便告结束，此时，需对滤池进行冲洗，以去除截留的杂质，恢复滤池的运行能力[4]。
所谓“反冲洗”，就是为恢复滤池滤料层的正常工作能力所采用的反向水流冲洗滤层的操作过程，是让经过过滤后的清洁水反向（自下而上）高速通过滤层，截留在滤料表面的悬浮杂质依靠高速水流的作用冲洗下来，被水流带出滤层。
用最少量的水获得最好的冲洗效果即为滤层反冲洗的最优工况，是滤池设计和运行的目标之一[1]。
反冲洗效果的好坏会直接影响着过滤的成败，如果滤池冲洗的效果不佳，那么对滤池的运行就会产生一系列的有害作用。
滤池反冲洗的主旨就是以较少的冲洗水量得到较好的冲洗效果。
在给水厂中滤池是整个净水工艺中最为重要的构筑物之一，滤池运行的成败直接决定了出厂水的水质能否达标以及是否会对用水者产生不利影响。
滤池长期稳定高效运行的关键依赖于滤料层能够长期重复使用。
若采用了比较好的反冲洗技术，那么滤池的工作状态常就能够长期处于最优条件，可以在提高出水水质的同时减少反冲洗耗水量并且大大减少反冲洗过程中的能耗。
到目前为止，尽管有很多专家学者开发了多种滤池，但因为各方面条件的限西安建筑科技大学硕士学位论文制，迄今历史悠久且被大量采用的是以石英砂作为滤料的普通快滤池。
在六七十年代，随着其他各项技术的迅猛发展，水处理工作者们又从不同的工艺角度出发，在原来的基础之上又发展了多种形式的快滤池。
其中采用了较为先进的气水反冲洗技术的就是20世纪70年代由法国德格雷蒙（Degremont）公司研发的一种重力式快滤池[12]—V型滤池。
因该滤池两侧的进水槽（或一侧也可）设计成了V字型而得名。
目前气水反冲洗技术主要应用于V型滤池。
V型滤池在气冲洗过程中，由于使用鼓风机或空压机将空气压入滤层，因而使得滤池的过滤性能从以下几方面得到改善[10]，如表1.1所示：表1.1 V型滤池反冲洗中加入压缩空气后的改善效果改善效果效果改善原因介绍反冲洗效果加入压缩空气，使滤料表面的剪力增大，因此通常水冲洗时不易被剥落的污物在气泡急剧上升的高剪力下得以剥落，反冲洗效果得到提高滤层截污能力气泡在滤层中运动，可使得滤料颗粒不断地涡旋扩散，促进滤层颗粒的循环混合，由此得到的混合滤层级配较均匀，其滤层的孔隙率高于级配滤料的分级滤层，过滤性能得到了改善，滤层的截污能力得到提高水冲清污效能加入的压缩空气，其气泡的爆破发生在颗粒滤料中，使得滤料颗粒间的碰撞摩擦加剧，在水冲洗时，对滤料颗粒表面的剪切作用就得以充分发挥，水冲清污的效能得到加强节能降耗滤层中气泡的运动，使得水冲洗过程中滤料颗粒间相互接触阻力减少，水冲洗强度大大降低，从而节省冲洗能耗V型滤池相较于普通快滤池的先进之处，即在于其滤料层采用的是均质滤料并且其反冲洗方式采用了先进的三段式冲洗，即气、水反冲洗兼表面扫洗技术。