楊福才
天津自來水公司

　　一、雙層濾料濾池應用效果

　　雙層濾料濾池自在世界上應用以來，已超過半個世紀，由于其具有濾速高、水質好，周期總濾水量大及沖洗水量少的優點，使其在世界上越來越多的水廠應用，普遍認為這種類型的濾池，應該是最適用的過濾處理設備之一。我國在50年代即開始使用，天津水廠于1954年在芥園水廠采用，接著國內各地也陸續使用，目前在國內有很多水廠，尤其是大城市水廠用著此種濾池。
　　天津為了發揮雙層濾池的作用，曾與國內有關研究所、設計院、幾個水廠合作，在試驗上與生產實踐上做了些工作，并得出了一些效果，現分別介紹如下。
　　（一）、雙層濾池砂濾池過濾性能
　　根據模型試驗所得結果，在水廠做了生產實驗。雙層濾池數據為，砂濾料：粒徑0.56～1.11mm、d₁₀0.59mm、厚度40cm；煤濾料：粒徑1.1～11.76mm、d₁₀1.13mm、厚度30cm、比重1.45；濾層總膨脹率40%；墊層2～64mm、厚度40cm；濾池總厚度70cm。砂濾池：濾層厚度70cm，級配與雙層濾池砂濾料相同。
　　試驗結果為：
　　1.在原水水質正常情況下，兩種濾池初濾速相同，并在同等的平均濾速下，過濾周期及周期總濾水量，雙層濾池約為砂濾池的兩倍。兩種濾池周期相同時，平均濾速雙層濾池約為砂濾池的兩倍，周期總濾水量約為1.6～2.4倍。濾池洗水率雙層濾池都比砂濾池少約一半。周期結束，一般都由于濾速下降過低而停止進行。此時濾后水濁度約在1.5度左右。
　　2.在原水水質惡劣及水溫低的季節，雙層濾池的優越性不能發揮。濾水速度增加，就要發生穿透現象，濾出水濁度很快超過要求的3°限度。但就是這樣，雙怪濾池的過濾性能，仍比同時進行的砂濾池效果好。
　　3.試驗得出以下數據：雙層濾池初濾速25～29m/h，平均濾速16.0～18.0m/h，過濾周期18.5～23h，濾前水濁度≤10°，濾后水濁度1～2.5°，洗水率1.0～1.3%。
　　（二）、雙層濾池過濾形式
　　通過雙層濾池與砂濾池對比試驗，從下面列出的兩個例子（表一、表二）可以看到兩種池子都采用變速過濾或恒速過濾，在濾速基本相同時，雙層濾池比之砂濾池無論是那種方式，所得效果都優于砂濾池，過濾周期長，周期總產水量約為砂濾池的1.5～2.0倍，水質也好。
　　（三）雙層濾池不同濾怪厚度的過濾性能
　　本試驗應用6根濾管，規格見表三。
　　試驗初濾速采用20、25、30、35m/h，進水濁度6.5～10°，周期結束都由水頭損失控制，出水濁度在3°以內，進水濁度大小的影響，在本試驗中并不顯著，通過幾十個濾程試驗，得出初濾速在20m/h時，5號濾管過濾周期、周期總濾水量一般都優于1、3號濾管，如在試驗的第二濾程，1、3號濾管運行20h結束，濾速分別為8.6、8.8m/h，而5號濾管據測定在20h時，濾速即為8.6m/h，其結束時間為22h，（濾速8m/h）。初濾速在25m/h時，過濾情況基本與上同，如在第6濾程時，5號濾管結果時間為24h，在過濾到20h時濾速為12.3m/h，而1、3號濾管結束時間為20h，其濾速只有11.9、11.5m/h，其他濾程基本如此。在試驗中6號濾管一般比5號濾管試驗效果稍好一些，如在第二濾程中，當初濾速20m/h時，5號濾管周期總濾水量為308m³/m²，而6號濾管結束時間為20h，濾速10.2m/h，周期總濾水量302 m³/m²，2號濾管初濾速20m/h，結束時間為22h，周期總水量312 m³/m²，與5號濾管基本相同。4號濾管初濾速20m/h，結束時間為22h；周期總濾水量299 m³/m²，過濾性能稍差。從濾管比例為1:2的1、3、5號濾管的試驗得出：5號優于1、3號。6號濾管砂層比5號較薄，可能是6號濾管比5號濾管濾速稍快的原因。2、4號濾管因煤濾料最小粒徑稍小一些，使濾過水水量減少。
　　從本試驗結果情況可以看到煤、砂濾料濾層之比為1:2，且濾層總厚度為70cm時，過濾效果合宜、濾怪較薄、投資經濟且易于管理維護。

　　（四）、雙層濾池不同高度煤、砂濾層的過濾性能
　　為了找出雙層濾池濾層總厚度在70cm情況下，煤、砂濾層各自適宜的厚度（表四）做了一系列的試驗。初濾速20、25、30m/h，出水濁度以2°為準，以水頭損失控制。

　　以其中一例的試驗結果表明，在初濾速30m/h時，1、4濾管出水水質較早變混（濁度5°）、周期結束時間短(9.5～10.5h)，5號濾管水質較好，濁度2°，但極限水頭到達早(2.0m)，2號濾管開始水頭損失就極大，不能試驗，3號濾管出水濁度2°，極限水頭2.0m，過濾周期13.0h，末濾速13.6m/h，比較適宜。在初濾速25m/h時，1號、5號濾管試驗數據基本相同（過濾周期24.5～26.5h、出水濁度2.5～3.0°，末濾速14.6～15.3m/h），而3號濾管過濾周期27.5h、出水濁度2°、未濾速15.4m/h，結速運行時水頭損失為166.7cm，效果較好，2號濾管很快達到極限水頭，4號濾管出水濁度(3°)較大。初濾速20m/h與25m/h過濾情況相似。通過試驗所得數據并結合生產需要，認為1號濾管用煤過多(50cm)制備困難，且砂層只有20cm，濾過水有絮體穿透可能性，用于生產不相宜。5號濾管煤層只有20cm，難以發揮煤濾料的截污作用，3號濾管過濾效果最好，且煤、砂濾層比例合宜。
　　（五）、粗濾料、厚濾層雙層濾料過濾性能
　　為了探討濾層厚度大、濾料粒徑粗的雙層濾池對高濾速的適應性，采用了6根直徑82～100mm濾管（表五）做了一系列試驗。其結果為：
　　1.用此種濾池進行了30、40、50、60m/h濾速的試驗，由于濾層厚，水頭損失較大，顆粒大，出水濁度較高，其中4號濾管由于顆粒細，水頭損失過大，只能用30m/h、40m/h濾速試驗外，其他濾管都能正常進行，以3號濾管較好。3號濾管試驗資料為，初濾速30m/h時，平均濾速24m/h，過濾周期18.7h，周期濾水量451m³/m²；初濾速40m/h時，平均濾速35m/h，過濾周期8.0h，周期總濾水量284 m³/m²，初濾速50m/h時，平均濾速45.6m/h、過濾周期6h，周期總濾水量272 m³/m²；初濾速60m/h濾速太高不能試驗。它比1號濾管平均濾速高6.6～15.4%，周期延長1.0～36.8%，總濾水量多10～42%，其他各號濾管提高有限，有的還不如1號濾管。
　　2.此種濾池由于煤、砂粒徑都很大，截污能力有一定局限性，過濾水容易穿透濾層，使濾出水產生少量絮體，這種現象越到過濾后期越多。
　　3.從試驗中看出，在濾料粒徑相同時，無論煤層和砂層厚度如何比例，過濾結果幾乎相等，不能顯出煤濾料本身的優越性，因此在高濾速時，粗濾料、厚濾層雙層濾池發揮作用不大。

　　（六）、鈴間川村雙層濾料選取方法
　　通過上述的雙層濾池濾料級配，結合當地條件，效果還是比較好的。
　　鈴間川村提出了一種雙層濾料選取濾料方法(JAWWA1975 10-12)，他主要闡述了雙層濾池要求的砂濾料最佳沖洗率等于煤濾料最佳沖洗率，兩者這樣匹配，沖洗比較徹底，沖洗水也節約，最重要的是防止煤濾料流失。為了進一步提高雙層過濾效果，選用了九種級配方法，其中包括鈴間選取方法，以煤濾料30cm，砂濾料40、50cm試驗。
　　鈴間川村提出公式
　　　　d₁/d₂=[(p₂-p)/(p₁-p)]^2/3
　　式中　d₁、d₂——分別為煤、砂的d₁₀(mm)
　　　　　p₁、p₂——分別為煤、砂比重
　　　　　　　p——水的比重為1
　　試驗煤濾料比重1.45，砂濾料比重2.65，d₂選擇0.5mm，計算得出d₁₀=1.19mm。
　　根據沖洗時污物剝落的主要原因為顆粒間彼此碰撞、摩擦，得出以下關系公式
　　　　Us=ds
　　　　Ua=0.47da
　　式中　Ua、Us——分別為煤、砂最佳碰撞、摩擦反沖洗強度(m/min)
　　　　　da、ds——分別為煤、砂的d₆₀ (mm)
　　上述公式根據水溫20°時，煤、砂濾料各自比重為1.56及2.65求得的，煤、砂比重不同時應加以調整。
　　以ds=0.75mm，則Us=0.75m/min，因為Us=Ua，則煤濾料da=1.59mm，由于選擇的煤濾料比重為1.45，經調整為1.67mm。
　　根據模型試驗，雙層濾池濾層比例設定為：總濾層孔隙度f=0.475，濾層總厚度Lp=700mm，砂層厚度Ls=400mm、煤層厚度La=300mm。
　　試驗結果以初濾速25、30、35m/h進行，用鈴間川村級配方法效果最佳。
　　（七）、混雜
　　試驗采用無煙煤比重為1.82、154，砂比重為2.65，煤粒徑0.91～2.22mm，砂粒徑0.56～1.39mm，在濾層膨脹50%情況下，結果為，煤比重為1.82時，煤層與砂層不發生混雜，最大煤粒徑與最小砂粒徑之比，應不大于2.0；當煤比重為1.45時，上值應不大于3.2，顯然煤的比重，對混雜起決定性作用。
　　從試驗看到煤砂混雜厚度控制在一定范圍內(20cm)，且濾前水在濁度10°以下時，對過濾影響很小。以初濾速10～40m/h過濾，到過濾至24時，混雜25～30cm濾層比混雜2～3cm濾層，濾速僅小約2～3%，水頭損失僅大約5%；過濾至48h時，濾速約小4%，水頭損失約大6%，因之一般選擇煤砂濾料時，可基本不考慮混雜對過濾效果的影響。
　　（八）、煤濾料流失及防止
　　為了觀測雙層濾池煤濾料在正常沖洗情況下的活動情況，用了50×50cm方模型進行試驗，排水槽寬20cm、高56cm，排水槽面積占模型濾池面積的40%。濾料級配：煤比重1.47、粒徑1.11～1.76、厚30cm，砂子比重2.65、粒徑0.56～1.11mm、厚度40cm，混雜1cm，墊層2～64mm、厚40cm，試驗用自來水，水溫0.5～28℃。
　　試驗情況：試驗時膨脹濾料一接觸排水槽底，因過水斷面突然縮小，即有煤粒上躍（圖1）。沖洗強度再加大，跳動煤粒加高加多，可以見到煤粒順著排水槽兩側有個別顆粒流失。再稍一加大，煤粒突然大量跳出，流到排水槽中（圖2）。從本試驗看到膨脹面超過槽底一定的距離（約17cm）即膨脹面距排水槽頂35～40cm，可以不跑濾料。在實際運行當中，由于排水槽面積占濾池面積要小一些，膨脹面積離排水槽頂也可以小些，不跑濾料。在生產當中根據模型試驗與生產當中實際條件，采取了一些解決方法。在生產當中濾池剛一沖洗時，濾層內會翻起許多磨茹云，容易帶走煤濾料。后來改變以前在沖洗前把水位只降到排水槽頂的辦法，將水位降到距濾層頂上15～20cm，沖洗時先緩開沖洗閘，當沖洗水流到槽內見黃泥湯，但無濾料時，再用設計的沖洗強度沖洗，這種方法得到了效果。當然在沖洗時還要根據水溫情況，掌握要求的沖洗強度。要注意防止沖洗管道積氣及濾層內產生真空的現象。目前有關規范、指南、書籍有的已經注意到此種辦法，并提出濾池最高膨脹面要低于排水槽底，然而很多水廠在濾站沖洗上，不是在于習慣性，就是為圖省事，還是只降水到排水槽頂就進行反沖，這樣就常常跑失煤濾料。單一砂濾池在這種情況下，也會發生跑砂事故。

　　二、探討

　　（一）、濾池選型
　　在“New concepts in water purification”－書中提到了一種濾池－混合濾池，提出此種濾池乃三種濾料在全部濾層混合，不同于三層濾料濾池，濾層的任一水平面上都有粗煤粒、中砂粒和細石榴石，上層煤粒居多，中層砂子居多，底部大部分為石榴石。這種濾池的表面積據稱比之雙層濾池接觸面積大，吸附能力強能防止穿透，且容許濾速有較大的波動。比三層濾池效果要好。此種濾池濾層厚度為75cm，厚度不大，濾速很快，可節約新建投資30%或更多，節約藥劑及濾池用地面積，作者認為此種濾池很有推廣的價值。現在美國已有250多個這樣濾池的水廠，每天可供應400萬立米城市和工業用水，并且改建和新建也大部分采用此種濾池。
　　我國國內有一些城市最近對三層濾池作了很多的研究，并且已應用到生產上，據報道濾速可相當于普通快濾池的三倍，水質符合標準而一般雙層濾池濾速則僅為兩倍左右。（過濾周期未作此對比，上面數據僅作參考）。
　　最近看到一些資料，對三層濾池使用效果提出了異議。JAWWA1980年12月號一篇文章，對三層濾池、雙層濾池在同等情況下運轉，報道了運行數據，現介紹如下。（見表六）。
　　文章作者從以上對比試驗分析，認為兩種濾池進水水質相同，出水濁度也無大差別，但三層濾料總出水量則較低，實際上三層濾料只是在底層加了一層細的石榴石，就去除濁度而言，雙層濾池設計已較妥當，加了石榴石層，對出水濁度改善甚微，而卻顯著地增加了水頭損失。

　　JAWWA 1981年9月發表了一篇文章，對采用混合濾池提出另外一種看法，美國Fridley水廠用雙層濾池與混合濾池做了平行試驗。原來該水廠已承認了混合濾池的優越性，打算證實一下，而后就把全部濾池都改為混合濾池，但運行后卻得相反結果。試驗由1979年到1980年，試驗情況是，在過濾初期，混合濾池的出水濁度等于或略小于雙層濾池，運行24小時后達到平衡點，過此點后，雙層濾池濾出水水質一直比混合濾池好些，兩種濾池運行周期全部過程的水頭損失差別不大，但混合濾池略大些，雙層濾池過濾周期與混合濾池一樣長或較長些，但總產水量比混合濾池要高。文章中并提到了美國幾個水廠對比這兩種濾池的例子，基本上認為雙層濾池在整體來說，還是比較優越一此。
　　文章提到Fridley水廠雙層濾池表面積為3770ft²，混合濾池為3272ft²，而Dueuth市雙層濾池表面積3288ft²，混合濾池4143ft²，增加了26%，也沒有什么優越性。單一砂濾池表面積比雙層的多，但運行性能不如雙層，說明濾料接觸表面積，不是決定濾池運轉性能的根本問題。該廠混合濾池建設費用大于雙層，藥劑可節約一些，但總的來說，混合濾池并不優于雙層濾池。
　　當然采用一種形式的設備，是要受到當地不同水質等因素影響的，但是三層濾池、混合濾池（認為基本屬于三層濾池范疇）的使用效果如何，應該多做對比試驗，如果與雙層濾池性能基本相似，該兩種濾池在造價上、運行上以及管理維護上都不如雙層濾池。據國內外報道使用濾池除非做了廣泛的模型試驗，大多數選用雙層濾料濾池，按目前國內情況，雙層濾池還應該做為一種較合宜的濾池形式來對待（國外如美國等地認為單一砂濾池不宜使用，但如有特殊水質嚴格要求的，還也可以考慮三層濾池）。
　　（二）、濾池沖洗
　　濾池沖洗設備的投資，在濾池造價上是一個主要部分，對濾池運轉起著關鍵作用，雙層濾池當然更是這樣，目前有很多水廠采用的雙層濾池，有著泥球及跑煤問題，大部分是由于沖洗不當所造成的。下面有幾個問題予以商榷。
　　1.沖洗強度
　　一般對沖洗認識，是大的沖洗強度比小的好，也就是說將濾料沖凈，主要應該是水的切力作用。但目前已幾乎認為濾料沖凈，主要是濾料浮起彼此碰撞摩擦作用，切力不是主要作用。普通礬花或其它雜物附著的那部分濾層，剛好被水托起時，濾料顆粒之間的接觸作用最大，這時沖洗效果最好。沖洗強度再大些，濾層膨脹也大，這時濾層接觸減少，效果倒不好。
　　一般沖洗強度要使濾料至少處于懸浮狀態，并應高于粘附在顆粒上的污物沉降速度（一般為2.5 ～25cm/min），但必須小于濾料的最終沉降速度。
　　雙層或三層濾料的粒徑和比重更須嚴格選擇，特別限制選定濾料的均勻系數，否則全部濾料不會流失。
　　為了說明問題，以一個生產濾池實際數據說明。
　　還是Fridley水廠，它在1981年對雙層與混合濾池作生產觀察時都用的沖洗強度為8.4mm/s與11.8mm/s。采用沖洗強度8.4mm/s沖洗程序：先使濾池水位降至表沖設備上50mm處，此后起動表面沖洗設備，及開啟沖洗水閘，第一分鐘開12.5%，下一分鐘開33%，最后三分鐘開到50%，這時最大沖洗強度已達8.4mm/s當沖洗水到達排水槽頂，表面沖洗關閉。
　　沖洗強度11.8mm/s沖洗程序是開動表沖兩分鐘后，再開啟沖洗水閘，第一分鐘開12.5%，下兩分鐘開25%，再后五分鐘開滿100%這時最大沖洗強度達11.8mm/s。當沖洗到達排水槽頂部時，關閉表沖。
　　從一個代表性的過濾周期中看，混合濾池用8.4mm/s沖洗的，比之用11.8mm/s的，開始出水濁度略有差別，過48小時后，直至周期終了濁度則變成一直都低，水頭損失則用8.4mm/s的比用11.8mm/s的高90mm。雙層濾池用8.4mm/s沖洗的出水濁度，與用11.8mm/s的，除周期開始后很快出現的峰值有差別外，直至周期終了，基本相同。周期結束階段，用8.4mm/s的出水濁度較快地惡化。水頭損失用8.4mm/s的，比用11.8mm/s的，一直高約300mm。
　　在一般沖洗水溫下，沖洗強度8.4mm/s不足以使混合濾料或雙層濾料全部濾床流動，但就出水濁度而言，除在初濾期略有下降以外，并不明顯。
　　從生產實踐上看，這兩種濾池用8.4mm/s沖洗，在較高水溫下有使濾層成半流情況，但在試驗時期內，均未有明顯的泥球發生。
　　從以上結果看，在濾速1.3mm/s下，沖洗強度較低，對出水濁度無何影響，就是水頭損失稍大一些，實際上用沖洗強度大的無甚好處。同時還看出雙層濾池出水濁度，還優于混合濾池。
　　從上例看，用低流速沖洗，在濾料能流動的情況下，是能夠解決問題的，甚至在全部濾料未全流動時，如以輔助沖洗措施，效果也很好。高沖洗強度不見得有更好的效果，或者還不如低沖洗強度好。這當然還要在實踐中積累經驗，根據當地水質具體情況解決。
　　2.沖洗形式
　　國內外沖洗形式基本有三種，即高速度水沖洗、水沖洗加輔助沖洗和氣沖加水沖洗。在國外，美國用高速度水沖洗較多，現在美國多用雙層濾池，因此目前也轉向用水沖洗加輔助沖洗或氣沖加水沖洗。氣水沖洗多用于歐洲，美國多用氣沖后加較低速度的水沖洗方式，歐洲大陸因用粗砂濾料的多，因此基本都用空氣和水同時沖洗的方式。蘇聯也有用氣、水沖洗的。日本以前也用氣、水沖洗以后因濾池使用較小粒徑的濾料，改用了輔助沖洗加水沖洗。我國水廠絕大多數用高速度水沖洗，個別水廠也有用氣、水沖洗，或用輔助沖洗加水沖洗。一般濾層表面會含泥量大的單層濾池用輔助沖洗加水沖洗合適，濾層內部含泥多的如雙層、多層及粗粒徑濾池及直接濾池，以氣、水沖洗好，但用此種方法，應特別注意不使濾料流失。雙層濾池因為濾前水懸浮物深入到濾層，還可以采取兩套旋轉沖洗設備，一套在煤層上，一套在高于未膨脹前的煤砂濾料交界上的5cm處，據報告這種方法對雙層濾池沖洗最徹底。據有關一些資料介紹，一般沖洗到使濾層膨脹到25-30%的原濾層高度就可以，再高也沒有用處，反會使沖洗效果不好，但是雙層濾池沖洗時，要使濾層液化浮起，因為它與單一濾料濾層不同。單一濾料沖洗不需液化，只要將濾料上粘著物沖掉即可以，但雙層濾池濾料要分層，所以必須液化。空氣加水沖洗對于雙層濾池較好，使用時許多資料認為以空氣和水同時反沖為佳，但要注意控制沖洗程序、氣量，以免造成煤濾料大量流失。日本還提到可用氣沖加水沖，再增以輔助沖洗的辦法，當然這樣做更為徹底，但認為相當復雜，應根據不同情況考慮。Camp等人提出美國Billerien水廠雙層濾池沒有輔助沖洗設備，結果沖洗后濾料始終潔凈。紐約州的Poughkeepsic水廠沖洗也沒有加輔助沖洗，并未發現泥球。美國也有一些水廠使用氣水沖洗結果并不滿意，還得反復沖洗兩次，且換砂子次數也多。看起來濾池沖洗潔凈與否，是要從濾池本身設計的合理性、沖洗方式及操作人負責程度（目前這點極端重要）等全面考慮。
　　3.沖洗壓力
　　沖洗壓力在沖洗時的變動常被忽視。一般計算沖洗壓力往往以沖洗開始高位水箱的最高水位，即沖洗強度最大值考慮。但沖洗過程中水位逐步下降的情況很少注意。這個下降值的幅度是很大的，以致無法掌握最佳沖洗強度，小阻力系統尤甚。
　　為了便于討論，以某一水廠為例，該廠濾站設計沖洗強度U_B（最大值）=0.014m/s(0.84m/min)，濾層阻力h₁=0.602m、墊層阻力h₂=0.17m、大阻力系統阻力h₃=2.24m、高位水箱至濾池進口管道阻力h₄=4.368m、水箱貯水高度4m、貯水量600m³、水塔底至排水槽頂高距離=7.38m。
　　總阻力損失H= h₁+ h₂+ h₃+ h₄=0.602+0.17+2.24+4.368=7.38m
　　采用一般計算方法H₁=0.602+ a U_B+ (bo+bp) U_B ²
　　計算得出H₁=0.602+12.1×0.014+(11429+22286) ×(0.014)²=7.38m
　　設計沖洗強度的壓力，隨水溫度變化而異，其變化范圍近似地以上式微分而得即ΔH₁=[a+2(bo+bp) U_B] ΔU_B。
　　沖洗水溫范圍定為0～35℃，以溫度20°的沖洗基數為1，從圖3上查得35℃時為1.11，0℃時為0.825。35℃時設計U_B為0.014m/s，則20℃時U_B為0.014÷1.11=0.0126m/s(0.76m/min)，0℃時0.0126×0.825=0.0104m/s(0.62m/min)，則U_B在0.62m/min～0.84m/min幅度內變化，即以0.0126m/s為基準，上下于(-0.175～+0.11)×0.0126m/s幅度內變化。

　　計算外部管道阻力在內，則ΔH₁=[12.1+2(11429+22286)×0.0126]×[-0.175×0.0126]=-1.90m，ΔH₁＇=[12.1+2(11429+22286)×0.0126]×[+0.11×0.0126]=+1.19m，變化范圍為-1.90m至+1.19m之間，幅度為3.09m。
　　從上面計算可知，為了適應溫度不同，水箱水位高度應當在3.09m范圍上下移動。
　　一般沖洗水箱定出最高水位后，沖洗時水箱水位下降對沖洗強度的影響，可以從下面幾個數字看出。
　　從20℃水溫為準，U_B =0.76m/min，沖洗完畢后，水位下降2m，則
　　ΔU_B =2.0/[12.1+2(11429+22286)×0.0126] ×60=0.14m/min，U_B下降成0.62m/min，變化率0.14/0.76=18.4%，從雙層濾池模型試驗所得曲線上查出（圖略）U_B =0.76m/min，膨脹率為34%，而0.62m/min變化率為23%，兩者膨脹率相差達50%。同理如果在沖洗時水位下降1m，則得出U_B下降成0.69m/min，變化率為9%，膨脹率減成28.5%，兩者膨脹率相差19.2%。這是對外部管道長及大阻力沖洗系統而言，如外部管道短又是濾磚暗渠小阻力系統，則沖洗強度在高溫與低溫之間，變化范圍很小，有的盡有幾厘米，沖洗時膨脹率變化之巨，可以想到，因此恒定的沖洗強度更難掌握。
　　某水廠計算水箱底至排水槽頂為7.38m，水箱貯水4m高，如果設計得當，則有4m多余水頭，水溫小于35℃，則水頭多余更多。在沖洗時會發現膨脹率比予計的高，對沖洗反而不利，煤濾料流失更不易掌握，應于沖洗時根據需要的沖洗強度以閘門控制。
　　日本“水道施設設計指針”提出濾池水塔要盡量淺，水壓變化要少，并保持沖洗壓力，就是上述道理。因此為了控制沖洗強度，要在不同的季節，根據當時水溫，算好最佳沖洗強度的水位，盡可能使其在水箱維持水位不變，理論上講沖洗水箱表面積越大越好，而水箱深度只要能掌握不同季節的水位即可，或以流量控制器或閘門控制，水箱深度可以更小。用水泵沖洗由于其特性曲線關系，沖洗壓力與流量較恒定，故對沖洗有利。
　　4.沖洗排水
　　一般要求沖洗排出水濁度小于濾前水濁度即可，但此是濾層粘結的污物不一定剝落清除，用光學方法測定，也只能說明水體對光的透射或散射程度，而不能代表水中懸浮物含量與特性（顆粒大小、形狀、色澤、粘結程度等）。例如天津某水廠測定沖洗排出水為濁度7°，當把此水樣用力攪拌，將水中懸浮物擊碎，再次測定為11.5°，就是直觀感看排出水很清時（濁度小于4°），顯而易見地還有凝結物，有的頑固地粘附在濾料表面，因此衡量濾料沖洗的潔凈程度，還應當在檢驗水的濁度以外，在一定時期內檢查濾料含泥情況。濾料含泥率目前還沒有看見規定，國外有0.1%的，他們濾前水濁度為2～3°，當然可以這樣低。國內一般為1～2%，有的水廠濾料含泥率達4%，這個數字顯然是太大了，這恐怕就要很快產生泥球了。
　　排水槽形狀、大小要選擇適當，排水槽頂距濾層表面高低，應以不跑失濾料為標準，并要適當留一些余量，為了不使煤濾料流失，最好使其最大膨脹度低于排水槽底，實在有困難，也要以前述試驗要求而定。
　　最近出版的“Water Clarification Processes”一書的作者，提出了不要排水槽的意見，他是根據美國Spring field水廠正運行著的沒有排水槽的濾池經驗而提出來的。以后作者又在Poughkeepsie水廠濾結和Greensbore濾站也做了這種形式，這種濾池歐洲用的很多。從發表的資料看，這種濾池與有排水槽濾池效果基本一致，并且還超過一些。沒有排水槽的濾池，排水堰設備容易制造，而有排水槽的濾池，要比沒有的沖洗強度大。沒有排水槽的濾池反沖垂直高度很小，還有側向流速，更有助清洗濾料，雖然靠近堰口水深比之距堰口遠的水深稍淺，會造成橫過濾池水的差異，但影響沖洗強度甚微。這種形式的濾池，國內已有湛江水廠使用多年，效果很理想，看來這種形式的濾池還是有一定前途的。
　　為了使沖洗后初濾時，濾出水濁度不致過大，可在沖洗水中投加混凝劑或高分子藥劑，結果很好。
　　5.沖洗操作
　　前面已介紹了降低水位接近濾層的沖洗方法，但目前國內尚有很多水廠還忽略了這種沖洗方法。一般沖洗前只降水到排水槽頂，沖洗開始，閘門全部打開，使來水突然頂托帶泥的表層，使濾層突然升起，再加以沖洗強度選擇的不適當，又有水中含著的空氣排出，更加上操作人員漫不經心不負責任，就會使水中濾料（尤其是煤濾料）隨沖洗水排走。結束沖洗時也立即關閉，造成煤、砂顆粒混雜。
　　日本蒞原公司推薦的綠葉濾池的最大優點之一，就是開始沖洗時緩慢，使砂子稍許松動，然后增大到要求的沖洗強度，結束時再減慢，以利于濾料重分配，這樣即節約水量，沖洗效果也好。
　　沖洗管內有空氣，可在沖洗前設法排出，還可以接通壓力水管，使沖洗管永遠充滿著水，沖洗閘門漏水，也可采取此措施。在濾層內還要防止負壓，以免有空氣從水中釋放出來，這就需要濾層上水深足夠大，一般為1.0-1.5m，此數字稍大一些沒有壞處，有利于濾池過濾及挖潛改造。
　　要計算好沖洗壓力，使能得出最佳沖洗強度。沖洗壓力受集水暗渠影響最大，如在沖洗強度為0.7m/min時，用濾頭系統式的暗渠(Strainer System)的水頭損失高達7310mm，而用T形暗渠只有29mm，相差懸殊，就是多孔式暗渠也有3880mm，從這里可看到濾磚一類的集水暗渠節約水頭很多。但水頭損失越小，越難以使沖洗水上升均勻，而沖洗水均勻是保證濾出水水質的一個關鍵。要緊的是下部集水渠內來水水頭損失小，集水渠內孔眼布水非常均勻。
　　（三）、雙層濾池過濾
　　1.過濾性能
　　認為雙層濾池在過濾性能方面應有三個主要數據，即平均濾速、過濾周期和初濾速。目前設計主要定平均濾速，覺得不太完備，因為這個數據與過濾周期有關，恒速過濾還可以，但目前國內絕大多數水廠都用變速過濾（過濾效果一般認為約比恒速過濾大50%）。由于防止初濾速穿透濾層，須訂出一個初濾速上限。這樣就可根據運行當中所遇到的濾池最大負荷值，定出周期總濾水量，從而得出處理構筑物有關數據。
　　2.濾速、濾水水質
　　日本“水處理工學”一書中提出，雙層濾池在244h過濾周期內，濾速能達到17m/h，濾料級配合適可達到21m/h，美國加州Harris等水廠的濾速也用到25m/h。美國哈佛試驗室曾用過高達77.5m/h的濾速作試驗，一般他們都用了高分子藥劑。日本“水道施設設計指針”提出，雙層濾池濾速可用8～12.5m/h，指針指出，如無實踐經驗濾速定為10m/h標準是安全的。
　　國內以前有一度提倡高濾速，哪個地方濾池用的濾速大，哪個地方就先進，但由于沒有必要的措施，往往造成一些問題，如濾料內產生泥球，濾后水不合衛生標準要求。后來又是為了保證濾后水質，把濾速壓得很低，甚至比規范要求的低限要求還低，濾速低則過濾周期長，有的到72h，甚至還長。實踐情況表明，運行周期長，能引起濾床內部有機構積累和菌類群增長，導致出水出現嗅味，以及濾池內部難以去除的粘滯物生長，并且還會導致濾料擠壓增加沖洗的麻煩，因此一般認為過濾周期以小于24h為宜，最多不能超過36h，且超過24h后濾水量也增加極少。實際上濾速過低對水質也不會提高很多，濾速的增大認為主要是降低濾前水濁度，濾前水濁度降低一倍，濾后水水量就不止一倍的增加。據資料載某地濾后水濁度不變，濾前水濁度降低26%，濾速就能提高一倍。
　　根據以上所論，混凝、沉淀主要是幫助濾池多發揮除原水濁度等作用。原水無論多潔凈，雖經過濾前處理去除一些懸浮物及雜質，如不經過過濾程序，會造成出水干管積存沉渣，尤其原水細菌病毒有一部分不能攔住。濾前水通過濾池，上述濾前水殘存的懸浮物及細菌、病毒，90%以上都能除掉，因此原水雖然有濾前處理，仍必須要經過過濾程序。同時要看到濾后水雖然將菌類絕大部分除盡，但終會有殘存的菌類存在，且就是濾后水沒有菌類存在，但在輸送過程中，也會受到污染的，因此必須消毒。
　　原水雖經過水處理構筑物，但不加混凝藥劑，處理效果是不好的，大的懸浮物會進入管道造成管道淤積，最危險的是細菌、病毒除去不多，雖經消毒，全部除盡的可能性，也難以預料，因此水處理廠原水不加混凝劑是不合宜的。
　　3.直接過濾
　　最近一個動向，是如何增大濾池容納懸浮物的能力，雙層濾池是能擔當此種任務的，它需要小顆粒的絮凝體，主要起著絮凝、沉淀和過濾的作用。一般認為濾前處理采用混合及絮凝方式，只有混合而無絮凝，直接過濾所得結果不能令人滿意，但個別資料也有相反的看法。直接過濾主要要看原水情況，決定是否采用。據介紹原水濁度一般在5～15°左右為好，前處理后，過濾前適當投入高分子藥劑是恰當的，但這樣好的原水是很難有的。一些資料將原水水質放寬，認為只要滿足下列條件之一，即可采用直接過濾方式，(1)濁度和色度均小于25°，(2)色度低，最大濁度不超過200°，(3)濁度低，最大色度不超過100°。現在國內用直接過濾還是少數如撫順等地，效果還可以。但也有用此種池子失敗的經驗。國內有些資料認為原水在300°以下的，也可以采用此種濾池，當然這種理論還停留在小試基礎上，還須進一步深入，看起來這種論斷是有一定的問題的。日本也有用此種濾池的，他們的意見是在原水濁度小的地方用此種池子，然須保留絮凝——沉淀設備，以備在原水濁度大時使用。初步意見認為原水濁度在25～30°以下的可考慮使用，但須經過一段試用時間，濁度再大一些要慎重考慮應用，建議還是有絮凝——沉淀設備為好，以防不測。使用此種方法的雙層濾池，采用一般雙層濾池濾料級配就可以了，煤濾料有效粒徑1.1mm，砂濾料的0.5mm左右，均勻系數1.3～1.4，濾速不超過8m/h，最大10m/h。單層砂濾池不適宜用作直接濾池。
　　4.預留挖潛水量
　　水處理設備預留挖潛水量不宜過大，否則會使設備的合理性改變，且由于部分設備能夠挖潛，使幾乎全部處理設備加大或預留加大措施。實際上不見得預留這種形式合理或者要求不合理，以致使在當時運行凈水效果不好，處理好水質不合理想，浪費藥劑且使基建投資加大。挖潛改造后，還會發生意料不到的技術問題。某水廠設計水處理構筑物6萬噸／日規模，為濾池挖潛用，考慮可到9萬噸／日規模的預留措施。這樣凈水設備的混合井，反應池（隔線式）都要按9萬噸／日設計，建成后先按6萬噸／日運行，逆向式斜板沉淀池按6萬噸／日設計，但考慮了建成9萬噸／日設備的可能性。結果是混合不充分、反應速度小、斜板沉淀池水力條件不佳，造成沉淀后水質經常不合要求，即使多加混凝劑效果也不合理想，想要調理一下水處理設備的處理條件和參數，也因為結構物已建成，也很難做到。通過上例可以見到，在規劃、設計上預留挖潛水量是要特別慎重，沒有十分把握不可以進行。當然有的處理構筑物可稍預留一些挖潛水量，但必須注意，當時使用是否合理。
　　（四）、濾料、墊層
　　1.濾料級配
　　二十年來天津用的雙層濾料級配還是可以的，根據應用情況及有關參考資料，認為雙層濾料階配砂子以0.45～0.5mm到1.0mm，煤濾料1.0～2.0mm為宜，濾料級配要圓滑，粒徑不要偏向于任何一方，有效粒徑d₁₀這個數據要掌握。據資料載濾料級配若d₁₀相等，即使幾種濾料級配曲線不一致，過濾時產生水頭損失仍舊接近。煤、砂的有效粒徑，均勻系數及沖洗強度等選擇通過試驗，認為鈴間川村所推薦的公式結果最好，其理論也比較完備。混雜20cm以下可不必考慮，混雜一些反對水質有利。砂層厚度最好小于40cm，煤層厚度不小于30cm。砂的最小粒徑可稍大，但不宜大于0.5mm，煤濾料比重大的好，以利于重分配。
　　2.濾料粒徑與濾層厚度
　　這個問題一般被忽略，濾池尤其是雙層濾池，選擇粒徑一般憑著經驗數據和試驗結果，當然上述情況是必須的。但是粒徑和濾層厚度的關系非常重要，它關系到濾池使用是否能保證人的身體健康問題，也就是在要求一定的濾速和過濾周期下，是否能得到滿意的水質問題。
　　通過國外很多地區的水廠使用各種不同類型的濾池生產實踐經驗，和很多給水工作者研究所得，濾層厚度L和濾料有效直徑d₁₀的比都等于1000左右，濾層厚度L和濾料平均值D的比也都等于800左右（雙層濾池取其加權平均值），這些數據如此巧合，確實是很有意義的。這種情況認為有兩種作用，一是把濾池看作是能起沉淀池的作用，從而，使過濾水質受到沉淀面積即濾料的作用（單位m²濾料表面積約為2800-3000m²）的影響，水通過濾料表面積越大，過濾的水質就越好，而濾料表面積與L/d₁₀成比例；二是接觸表面積與懸浮體偶然接觸起凝聚作用，接觸機會愈多，過濾水質愈好，通過分析，濾池接觸面積也與L/d₁₀成比例。從國外許多地區實例來看，在一定濾速和過濾周期下，L/d₁₀>1000或L/d₁₀>800可以保證濾后水質，比例越大越安全。一般濾后水濁度隨著過濾時間的變化，在濾層L大時增長緩慢，過濾阻抗粒徑大時增長減小，因此濾層厚L和d均大時，持續過濾時間長且水質好，這也是一般濾池采用厚濾層、粗粒徑的理由。
　　天津某水廠雙層濾池，砂濾料d₁₀=0.59mm、L=40cm，煤濾料d₁₀=1.13mm、L=30cm，用上述情況驗證L/d_e=400/0.59+300/1.3=935.5<1000，看起來L/d_e稍小，應再稍于加大濾料粒徑。
　　天津另一水廠雙層濾池，砂濾料d₁₀=0.5mm、L=40cm，煤濾料d₁₀=1.13mm、L=30cm，其L/d_e=400/0.5+300/1.13=1052≈1000，認為選擇合乎理想。
　　3.墊層
　　由于墊層主要為削減沖洗水向上沖力，使水流均勻分布，所以一定要按規定鋪設，不能隨意減少，挖潛改造更需注意此點。現在還弄不清楚在沖洗過程中，墊層破壞需要多大能量。有關資料提出，60cm厚石英砂濾層反沖時，如果沖洗水在濾池底部不能全部均勻分配，則通過這60cm厚濾料的水頭損失，就在礫石中成為橫向推力，力圖使上升流趨于平衡。如果這個60cm砂水頭損失成為一個流速水頭潛力，它就能在濾床的某一點上，造成一個超過3.5m/s的向上流速，這個流速通常是以浮動濾床（液化床）的60cm/min上向流速的350倍，如果上向流通過液化床流動不均勻，就會成為擾動墊層潛在危險。
　　在砂石交界處造成射流作用的另一個因素，是加大了在液化床中沖起礫石的可能性。舉例說，液化床石英膨脹率為20%，膨脹前空隙率約43%，即原有濾床有57%的砂子。當膨脹到原體積的120%時，砂子體積比變成47.5%，水為52.5%。液化床平均密度為
　　　　0.475×2.65=1.259g/ml
　　　　0.525×1.00=0.525g/ml
　　　　混合比重=1.784g/ml
　　這樣，在墊層頂部的礫石必須對液化床的密度1.78，而不是對1.00。同時淹沒的沖起礫石的密度減到2.65-1.00即1.65，礫石有這樣大范圍的移動，就不足為怪了。
　　為了使礫層穩定，而又在減薄墊層厚度，有一種以墊層兩端礫石徑1/2’’，兩端都向中間逐漸減小礫石徑，到中間便成為1/8’’，厚度14’’來解決。這種級配方式，使用濾磚集水暗渠，效果都很好。據報道能消除墊層移動。
　　上述提法，對雙層濾池同樣有效。
　　4.均勻系統
　　天然砂子均勻系數為1.5～3.0，如不用過篩直接使用，濾層會很快的堵塞。按理說，使用上均勻系數越小越好，但從原砂篩分得到的合格率就越少。均勻系數在1.3以下，篩分合格率急速降低，使造價迅速提高。而均勻系數1.7時，濾層堵塞就出現緩和，在濾層內就有高截留的能力。日本“水道施設設計指針”建議用1.3-1.6，認為盡量采用1.3-1.4低值，使過濾效果好。煤濾料考慮基本相同。
　　5.濾料標準
　　一般不大注意濾料選擇標準。煤濾料選擇要求標準比砂子還嚴格，如砂的摩擦損失率要求3%以下，而煤濾料則是1%以下。砂的鹽酸可溶率要求3～5%以下，煤濾料則為1.5%。
　　6.濾料加工
　　濾料篩分應多加幾個層次，一般使用單位常常因加工困難，將就了事，結果造成濾層易于積泥，過濾性能降低。現在粉碎、篩分已有產煤地點設廠加工，應在這方面加強。砂子篩分也是如此。

　　三、結語

　　1.濾池是水處理構筑物的關鍵部位，它是控制出廠水質的最后一道關卡。因此對于濾池在理論上和實踐上了解都非常重要。一般認為水處理工藝比較簡單，但實際上并非如此。原因是它的對象是天然水源，這種水本身是大動體，含有雜質成分很復雜，又含有各種不同的菌類，處理不好就達不到飲用水的要求。
　　2.天然原水各地都不相同，一地成熟的經驗，另一地就不見得運用得好。對國外來說更是如此，不但原水與我們有差別，且水質要求、操作方法也都不一樣。因此采用國內外經驗，尤其是國外經驗，要根據當地實際情況，多方考慮，有必要時要多做考察和現場試驗，再做最后定案。新建濾池和改造舊濾池可以單拿出一個濾池做長期測定和對比試驗工作（至少一年）。國外對待新技術及生產上出現難題，都非常重視，設專門班子，下力量，以期得到很好的解決方案。
　　3.本文系就多年來試驗和使用雙層濾池的一些經驗和結合一些國內外資料寫成的。所提情況主要是就雙層濾池而提的，然而實際上雙層濾池與其他種濾池有許多共性之處。因此文中所提情況，考慮其他濾池的設計和生產時，也有參考意義。
　　4.本文內容，尤其是探討的部分，有些會有誤差，也有些所提見解是不全面的，僅供給水工作參考。

　　主要參考資料

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