实验三：滤池冲洗反冲洗强度测定

一、实验目的

（1）了解模型及设备的组成与构造；

（2）观察过滤及反冲洗现象，进一步了解过滤及反冲洗原理；

（3）掌握实验的操作方法；

（4）掌握滤池工作中主要技术参数的测定方法。

二、实验原理

1.过滤与反冲洗模型

过滤及反冲洗实验装置是由进水箱、流量计、过滤柱及水位计组成（图4－3）。

图4－3　过滤及反冲洗装置示意图

2.过滤原理

水的过滤是根据地下水通过地层过滤形成清洁井水的原理而创造的处理浑浊水的方法。在处理过程中，过滤一般是指以石英砂等颗粒状滤料层截留水中悬浮杂质，从而使水达到澄清的工艺过程。过滤是水中悬浮颗粒与滤料颗粒间黏附作用的结果。黏附作用主要取决于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质，当水中颗粒迁移到滤料表面上时，在范德华引力、静电引力以及某些化学键和特殊的化学吸附力作用下，它们被黏附到滤料颗粒的表面。某些絮凝颗粒的架桥作用也同时存在。经研究表明，过滤主要是悬浮颗粒与滤料颗粒经过迁移和黏附两个过程来完成去除水中杂质的过程。

3.过滤过程

随着过滤时间的增加，滤层中悬浮颗粒的量也会不断增加，这就必然会导致过滤过程水力条件的改变。当滤料粒径、形状、滤层级配和厚度及水位已定时，如果孔隙率减小，则在水头损失不变的情况下，将引起滤速减小；反之，在滤速保持不变时，将引起水头损失的增加。就整个滤料层而言，由于上层滤料截污量多，越往下层截污量越小，因而水头损失增值也由上而下逐渐减小。此外，影响过滤的因素还有很多，诸如水质、水温、滤速、滤料尺寸、滤料形状、滤料级配，以及悬浮物的表面性质、尺寸和强度等等。

4.滤料层的反冲洗

过滤时，随着滤层中杂质截留量的增加，当水头损失增至一定程度时，导致滤池产生水量锐减，或出于滤后水质不符合要求时，滤池必须停止过滤，并进行反冲洗。反冲洗的目的是消除滤层中的污物，使滤池恢复过滤能力。滤池冲洗通常采用自下而上的水流进行反冲洗。反冲洗时，滤料层膨胀起来，截留于滤层中的污物，在滤层孔隙中的水流剪力，以及滤料颗粒碰撞摩擦的作用下，从滤层表面脱落下来，然后被冲洗水流带出滤池。反冲洗效果主要取决于滤层孔隙和水流剪力。该剪力既与冲洗流速有关，又与滤层膨胀有关。冲洗流速小，水流剪力小；冲洗流速大，使滤层膨胀度大，滤层孔隙中水流剪力又会降低，因此，冲洗流速应控制适当。高速水流反冲洗是最常用的一种形式，反冲洗效果通常由滤层膨胀率e来控制：

式中：L——滤层膨胀后的厚度，cm；

　　　L0——滤层膨胀前的厚度，cm。

三、实验设备及试剂

（1）过滤与反冲洗的实验装置（1套）。

（2）酸度计（1台）。

（3）浊度仪（1台）。

（4）烧杯（200mL）。

（5）三氧化铁（质量分数1%）。

四、实验步骤

（1）原水配制。在备用水箱中将黏土在自来水中搅拌分散后静置沉淀（此部分工作可由实验人员提前一天准备）。(www.xing528.com)

（2）熟悉实验装置、构造及操作。

（3）测定不同滤速时的清洁床水头损失。在过滤水箱中装入自来水，打开水泵原水进水阀，开启水泵，打开过滤水箱循环水管道上的阀门，调节流量计的进水阀，利用转子流量计控制滤速为10m／h左右，正常运行（调整好流量后约2min）后测定清洁床水头损失，然后依次改变滤速为15m／h和20m／h，每次待稳定后测定清洁床水头损失，然后关闭水泵、原水进水阀、流量计的进水阀和循环管道上的阀门。

（4）测定和绘制过滤层水头损失与过滤时间的关系曲线。从备用水箱中取出沉淀水上清液，倒进配水箱中，然后稀释至15°左右作为实验原水。投加混凝剂三氯化铁，浓度为2～5mg／L，搅拌均匀。开启水泵过滤，利用转子流量计控制滤速为10m／h，运行60min，每隔15min测定进、出水浊度。记录各测压管中的水位高，即可得到各测压点水头损失值H＝H0＋ΔH。

（5）自上而下依次从分层取样口A、B、C、D、E、F取出适当体积水样，分别测定其浊度值，当水样浊度大于3°时，说明该段厚度的滤层已被穿透；若水样浊度小于3°时，说明滤层还可以继续进行过滤。

（6）测定不同膨胀率的反冲洗强度。将水箱中的水换为清洁自来水，反冲洗滤层膨胀率e值选取10%、30%、50%。首先在水位刻度上读出滤层膨胀前的厚度L0，根据膨胀率e的计算式分别计算出膨胀率e值选取10%、30%、50%时滤层膨胀后的厚度L。打开反冲洗水泵，调整流量，待滤层上升到事前所确定的膨胀厚度时（滤层厚度应稳定1min），从反冲洗水流量计分别读取流量数值，计算出反冲洗强度。

五、实验结果与数据处理

（1）填写记录表格并计算整理（表4－6、表4－7，表4－8）。

（2）绘制清洁床水头损失与滤速的关系曲线。

（3）绘制过滤层水头损失与过滤时间的关系曲线。

（4）绘制冲洗强度与滤层膨胀率的关系曲线。

（5）绘制水质（浊度）随滤层厚度变化的关系曲线。

（6）对上述各部分实验结果进行必要的分析、解释和讨论。

表4－6　不同滤速时的清洁床水头损失

表4－7　过滤实验记录

表4－8　反冲洗记录

六、注意事项

（1）反冲洗过滤时，进水阀门开启度不要过大，应缓慢打开，以防滤料冲出柱外。

（2）在过滤实验前，滤层中应保持一定水位，不要把水放空，以免过滤实验时测压管中积有空气。

（3）反冲洗时，为了准确地量出滤层厚度，一定要在砂面稳定后再测量，并在每一个反冲洗流量下连续测量3次。

思考题

（1）冲洗强度过大或者过小有什么影响？

（2）根据试验中的观察和感受，总结叙述气、水反冲洗各有什么优缺点？

（3）为什么初滤水的浊度比较高？当原水浊度一定，可采取哪些措施，降低初滤出水的浊度？