李圭白 　　劉俊新 　鄭庭林

　　摘　要：本文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過分析單獨(dú)氣反沖洗和氣水同時皮總沖洗時氣泡對濾層的影響和濾料移動情況，對氣水反沖洗機(jī)理進(jìn)行了探討。　?　　
　　關(guān)鍵詞：濾池；氣水反沖洗；機(jī)理

Machnism Analysis On Filter Air Scour and Water Backwashing

Li Guibai Liu Junxin Zheng Tinglin

　　Abstract Based on experimental results, this paper has analyzed air effect and media moving during backwashing with either air or simultaneous air and water and has made machnism analysis on fiter air scour and water backwashin.
　　Keywords filter; air scour and water backwashing; machnism

　　過濾是水質(zhì)凈化的基本單元操作．濾池過濾時，污物被截留于濾層中；反沖洗時，污物被由濾層中清除出去，以恢復(fù)濾池的過濾能力。濾池常用的反沖洗方法有水反沖洗和氣水反沖洗兩種。氣水反沖洗的效果要比水反沖洗好，且節(jié)水節(jié)能，故正在我國得到推廣。下面是筆者對氣水反沖洗機(jī)理的探討。

1．單獨(dú)氣反沖洗

　　最常見的氣水反沖洗方式，是先單獨(dú)用氣進(jìn)行反沖洗再接著用水反沖洗。
　　當(dāng)單獨(dú)用氣反沖洗時，在濾層中能形成直徑大于數(shù)毫米的氣泡．氣泡在水中的上浮速度較快，通過對有機(jī)玻璃制的模型中上浮氣泡的追蹤測定，當(dāng)氣泡直徑D=5~10mm時，上浮速度v=260~270mm/s；D=20~30mm時，v=330~360mm/s；D=40~50mm時，v=380~400mm/s，其值比水反沖洗時的水流速度要高10倍以上，它必然會產(chǎn)生更強(qiáng)烈的攪動。
　　氣泡在上浮過程中，隨上升速度增大，氣泡的上半部分水的附面層逐漸形成并發(fā)展。在這部分，水壓力沿球面逐漸降低。在氣泡的下半部分水壓力回增，附面層因克服粘性摩擦損失大量動能，因而附面層便開始脫離氣泡，在氣泡尾部形成旋渦狀尾跡。尾跡對周圍水層擾動的大小與氣泡直徑有關(guān)，氣泡直徑大，擾動范圍大．當(dāng)氣泡達(dá)到水面時，氣泡破裂，尾跡也隨之消失^[1]。
　　在氣反沖洗時，進(jìn)入礫石承托層的空氣是以氣泡形式存在的。由于承托層礫石的粒徑較大，氣泡不能使礫石發(fā)生移動，因此氣泡繞礫石的空隙上升。氣泡進(jìn)入濾料層后，濾料顆粒能被氣泡所移動，處于氣泡上部的顆粒被擠到氣泡兩側(cè)。由于尾跡內(nèi)的壓力低于周圍的壓力，所以在氣泡的下部有一個和氣泡速度接近的尾渦，由強(qiáng)烈翻滾的顆粒所組成。在上升過程中，氣泡尾跡內(nèi)的顆粒與周圍的顆粒不斷進(jìn)行交換。而且當(dāng)氣泡及尾跡上升后，留下了空缺，周圍的水會迅速移向空缺，并將部分濾料也帶人空缺。當(dāng)下一個氣泡經(jīng)過時，又將濾料擠到兩側(cè)，氣泡和尾跡過后，周圍的水和濾料又會來填補(bǔ)空缺，如此反復(fù)，使氣泡周圍濾料產(chǎn)生振動，振動大小與氣泡直徑有關(guān)，氣泡直徑大則周圍振動大，濾層攪拌激烈。當(dāng)氣泡沖出濾層進(jìn)入水層后，尾跡內(nèi)的顆粒隨氣泡一起上升，并不斷被周圍的水交換出來而落回到濾層表面，當(dāng)氣泡達(dá)到水面而破裂后，尾跡內(nèi)剩余的顆粒便落回到濾層表面。
　　氣泡通過濾層的情況還與濾料顆粒之間的摩擦阻力有關(guān)。摩擦阻力又正比于顆粒問的接觸壓力。設(shè)靜止濾層如圖1所示，考察濾層深度L處的A一A斷面上濾料顆粒間的接觸壓力。其值等于單位濾層面積上濾料在水中的重量，可以下式表示^[2]：

_{ρ＝（ρ－ρ0）g(1-m)L 　　　(}1)

　　式中：p——濾層深度L處濾料顆粒間的接觸壓力；
　　　　　L——濾層深度；
　　　　　r——濾料的密比
　　　　 r₀——水的密度；
　　　　 g——重力加速比
　　　　 m——濾層的孔隙度。

　　由式(1)可見，濾料間的接觸壓力或摩擦阻力隨濾層深度增大而增大。
　　當(dāng)單獨(dú)用氣反沖洗時，氣泡由配氣系統(tǒng)首先進(jìn)入濾層的下層，氣泡上升時雖然可以將濾料擠開，但由于濾料間摩擦阻力較大，形成的氣泡通道較小，所以在濾層內(nèi)產(chǎn)生的攪動也小。在試驗(yàn)中觀察到，通道的直徑大約為5mm左右。氣泡對通道周圍大約數(shù)毫米的范圍內(nèi)具有振動作用。在氣泡上升過程中，有時幾個氣泡會聚合到一起。但由于受通道的限制，它不能形成大的球形氣池，而是以園柱形氣泡上升。當(dāng)氣泡達(dá)到濾層表層時，表層濾料間的摩擦阻力比濾層內(nèi)部小，因此柱形氣泡在表層可迅速變成球形，而且各通道的氣泡有較多的機(jī)會聚合成更大的氣泡(見圖2)，所以在試驗(yàn)中可以觀察到，氣泡通過濾層表層時，表層的濾料強(qiáng)烈地翻卷，能使周圍更大范圍的濾料振動。
　　由上可知，由于氣泡在濾層中的運(yùn)動速度很大，能在氣泡周圍及其后部引起強(qiáng)烈的攪動，所以能獲得遠(yuǎn)比單獨(dú)用水反沖洗要好的沖洗效果。
　　氣水反沖洗濾池的配水配氣系統(tǒng)主要有濾頭式和穿孔管式系統(tǒng)。不論濾頭式還是穿孔管式系統(tǒng)，濾頭之間或孔眼之間都有一定的距離。因此，在氣水反沖洗時，在濾頭或孔眼上面的濾層中有氣泡通過，而在濾頭或孔眼之間的濾層中沒有氣泡通過。根據(jù)這種情況，可將整個濾層分為兩個區(qū)域，即有氣通過區(qū)和無氣通過區(qū)．顯然，有氣通過區(qū)的沖洗效果將遠(yuǎn)高于無氣通過區(qū)。
　　試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氣泡通過濾層時，有一定的攜砂作用，即氣泡上浮時，其后部尾跡的液體將隨之運(yùn)動，而進(jìn)入氣泡尾跡的濾料，能隨氣泡移動一定距離，然后被另外的濾料替換；后進(jìn)入氣泡尾跡的濾料繼續(xù)隨氣泡運(yùn)動，從而在通氣區(qū)內(nèi)形成一個向上運(yùn)動的砂流。非通氣區(qū)內(nèi)的濾料，則不斷向下運(yùn)動以填補(bǔ)通氣區(qū)內(nèi)的空位，如此在整個濾層內(nèi)產(chǎn)生了濾料的循環(huán)運(yùn)動。
　　上述濾料的循環(huán)運(yùn)動，可在用透明有機(jī)玻璃做的濾池模型中清楚地觀察到。模型為煤、砂雙層濾料濾池，其顆粒級配情況見表1。當(dāng)單獨(dú)用氣反沖洗時，可以看到砂被氣泡大量帶到煤層中，很多砂可達(dá)煤層表面，并與煤混合。隨著沖洗時間的延長，煤層內(nèi)的砂越來越多，煤也向下移動進(jìn)入砂層，但只有少量煤能達(dá)到砂層深處。
　　對于單獨(dú)用氣反沖洗，由于濾料間摩擦阻力較大，在濾層內(nèi)氣泡擾動范圍小，因此濾料循環(huán)移動的速度較慢。為了定量地反映出濾料的移動速度，在試驗(yàn)中以黑色石英砂作為示蹤濾料，對單獨(dú)用氣反沖洗時不同濾層深度處的濾料移動速度進(jìn)行追蹤測定。如圖3所示。由圖中可看出，隨著濾層深度的增加。濾料的下移速度減小。

表1 礫石承托層和濾料級配

材料

粒徑(mm)

厚度(mm)

無煙煤

0.8~1.8

100

石英砂

0.5~1.2

200

礫 石

2~4

100

礫 石

4~8

100

礫 石

8~16

100

　　由于氣沖洗時整個濾層內(nèi)有濾料的循環(huán)移動，這樣就使非通氣區(qū)內(nèi)的濾料能周期性地移動到通氣區(qū)，受到比較徹底的清洗。特別是，含污物最多的表層濾料，不僅受氣泡的攪動較強(qiáng)烈，并且移動速度也較快，常能在每1—2個反沖洗周期內(nèi)經(jīng)通氣區(qū)被徹底清洗一次。 但位于濾層中、下部的濾料，由于循環(huán)移動速度較慢，常需幾個反沖洗周期才能經(jīng)過通氣區(qū)一次。所以，單獨(dú)用氣反沖洗，沖洗效果雖然優(yōu)于水反沖洗，但是沖洗效果仍不是十分理想的。

2．氣水同時反沖洗

　　氣水同時反沖洗，時氣水反沖洗的另一種工作方式。
　　當(dāng)氣水同時反沖洗時，反沖洗水穿過濾層產(chǎn)生水頭損失，從而引起濾料之間接觸壓力和摩擦阻力的變化。這時，濾料之間接觸壓力可按下式計(jì)算^[2]：
_{p=(ρ-ρ0)g(1-m)L-hρ0g} （2）
　　式中：h——反沖洗水在L厚濾層中產(chǎn)生的水頭損失。
　　其它符號同前。由式(2)可知，氣水同時反沖洗時，濾層濾料間的摩擦阻力或接觸壓力，要比單獨(dú)氣反沖洗時小。當(dāng)h值增大到使p為零時，濾層便開始流化。
　　氣水同時反沖洗時，由于濾層內(nèi)部摩擦阻力減小，使氣泡能在更深的部位變成球形，并且各通道的氣泡也能在更深的部位聚合成更大的氣泡，從而可以在更深的部位對濾料進(jìn)行更強(qiáng)烈的攪動和振動，如圖4。在上述雙層濾料模型濾池中，據(jù)測每個濾頭上面的通氣區(qū)擾動范圍約為70mm，而且氣泡尾跡內(nèi)攜帶的濾料顆粒也較多。同時，由于濾層內(nèi)摩擦阻力減小，使濾料比較容易移動。可以觀察到整個濾層有較大的循環(huán)移動，并且移動速度也大大加快。圖5為不同氣水同時沖洗強(qiáng)度條件下，不同濾層深度處的濾料的下移速度。圖中橫軸濾料移動速度的單位為mm/s，比圖3單獨(dú)用氣反沖洗時的濾料移動速度單位(mm/min)要大60倍。由圖5可見，在氣水同時沖洗時，不同濾層深度處的濾料的下移速度大致相同。

　　　

　　在煤、砂雙層濾料濾池模型中進(jìn)行氣水同時反沖洗時，水反沖洗強(qiáng)度為4.2 L/s×m²，氣反沖洗強(qiáng)度分別為10.5，13.1，17.5 L/s×m²，發(fā)現(xiàn)煤、砂兩層濾料在1~2分鐘內(nèi)便很快完全混雜，并與2~4mm粒徑的礫石承托層有部分混雜。而單獨(dú)用氣反沖洗，反沖洗時間1 5分鐘，煤砂只部分地相互混雜。這也說明，氣水同時反沖洗時，濾料的移動速度確實(shí)大大加快。
　　當(dāng)水反沖洗強(qiáng)度適宜時，可使整個濾層的濾料在氣水同時反沖洗時都具有較高的移動速度，從而使全部濾料都能在1~2個反沖洗周期內(nèi)經(jīng)過通氣區(qū)一次，這樣就能使全部濾料在每次反沖洗時都能得到比較徹底的清洗，從而獲得良好的沖洗效果。這可能是氣水同時反沖洗的效果優(yōu)于單獨(dú)氣反沖洗的另一個原因。

3．氣水反沖洗的機(jī)理

　　筆者認(rèn)為，無論是水反沖洗還是氣水反沖洗，使污物由濾料表面脫落的原因，是水流剪切和濾料碰撞摩擦共同作用的結(jié)果^[3]，而在氣水反沖洗時，濾層內(nèi)的水流剪切和碰撞摩擦作用要比單獨(dú)用水反沖洗大得多。

　　　　　　　　　　　　　G=(P₀/μ)^0.5 　　　(3)

　　首先，氣水反沖洗增大了濾層中的水流速度梯度G值。G值通常采用下式計(jì)算^[4]：
　　式中：p_0——單位體積濾料所耗功率；
　　　　　m——水的動力粘滯系數(shù)。
　　通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析和計(jì)算可得出，在單獨(dú)用水反沖洗時，水反沖洗強(qiáng)度為15L/s×m²時，G=270~350s^-1。在單獨(dú)用氣反沖洗時，若氣反沖洗強(qiáng)度為15 L/s×m²，在通氣區(qū)內(nèi)G=658s^-1。在氣水反沖洗時，若以10L/s×m²的氣和5L/s×m²的水同時沖洗，在通氣區(qū)內(nèi)G_水=187s^─1，G_氣=475s^─1。可見氣水反沖洗時的 G值要比單獨(dú)水反沖洗時大得多。
　　根據(jù)剪切理論，水流剪切力可用下式表示^[5]：

　　　　　　　　　　　　　　τ=μG　　　　　　(4)

　　式中符號同前。由于氣水反沖洗時G值遠(yuǎn)大于單獨(dú)用水反沖洗得G值，所以相應(yīng)產(chǎn)生的剪切力τ也大。

　　　　　　　　　　　　　　　N=(1/3)n²D³G 　　　　（5)

　　根據(jù)顆粒碰撞摩擦理論，顆粒群的碰撞次數(shù)可用下式表示^[5]：
　　式中：N—在單位體積的顆粒群中單位時間內(nèi)顆粒相互間發(fā)生的碰撞次數(shù)(m^-3×s^-1)；
　　　　　n——單位體積內(nèi)顆粒數(shù)(m^-3)；
　　　　　D——濾料直徑(m)；
　　　　　G——速度梯度(s^-1)。
　　在氣水反沖洗時，濾層不膨脹或略有膨脹，因此氣水反沖洗時的n和G均遠(yuǎn)大于單獨(dú)用水反沖洗時的n和G值，所以碰撞摩擦作用增大。
　　氣水反沖洗時水流剪切和碰撞摩擦作用的增強(qiáng)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
　　1．氣泡尾跡內(nèi)攜帶的許多濾料，在上升過程中強(qiáng)烈地翻滾擾動。
　　2．氣泡對通道周圍產(chǎn)生振動，由于氣泡的振動而使水流剪切和碰撞摩擦作用增強(qiáng)。對于單獨(dú)氣反沖洗，在濾層深處氣泡粒徑較小，達(dá)到表層時可合成大氣泡(見圖2)，因此，單獨(dú)氣沖洗時作用的增強(qiáng)主要發(fā)生在濾層的表層。對于氣水同時反沖洗，氣泡在濾層深處即可合并成大氣泡，因此作用的增強(qiáng)發(fā)生在大部分甚至整個濾層。
　　3．在氣水反沖洗時，由于氣泡的攜砂作用，導(dǎo)致濾層中的濾料發(fā)生循環(huán)移動。在循環(huán)移動過程中，濾料間發(fā)生碰撞摩擦作用。
　　其次，在氣水反沖洗時，整個濾池分為通氣區(qū)和非通氣區(qū)。通氣區(qū)為反沖洗高效區(qū)，濾料只有經(jīng)過通氣區(qū)沖洗后才能徹底清洗干凈。由于氣泡的攜砂作用，使濾料發(fā)生循環(huán)移動。由于氣水同時反沖洗時濾料間的接觸壓力小于單獨(dú)用氣反沖洗的，所以氣水同時反沖洗時濾料循環(huán)移動速度遠(yuǎn)大于單獨(dú)用氣反沖洗時的速度。因此，單獨(dú)用氣反沖洗時，每次只有部分濾料經(jīng)過通氣區(qū)，經(jīng)過多次沖洗后才能使全部濾料都經(jīng)過通氣區(qū)，所以沖洗效果尚不理想。氣水同時沖洗時，1~2次沖洗即可使全部濾料都經(jīng)過通氣區(qū)，從而可以獲得更好的沖洗效果。

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