解析重力式滤池的发展、结构以及运行方式
慧聪水工业网 摘要：重力式滤池以其低能耗在给水过滤处理中有着广泛的应用。主要针对重力式滤池的结构、运行方式以及滤料等方面来论述重力式滤池在水处理技术中的发展应用。
关键词：重力式滤池；结构；运行方式；滤料
1804年英国首次记载了慢滤池，慢滤池(slowfilter)也称表层过滤，主要利用顶部的滤膜截留悬浮固体，同时发挥微生物对水质的净化作用。这种滤池生产水量少、滤速慢(10m/d)、占地大，目前慢滤池方式在水处理，特别是污水处理中应用较少；1870年在美国现出了第一座普通快滤池，.快速过滤采用过滤和反冲洗两个步骤，实现截留悬浮固体和清洗滤层，将滤速提高到几十倍到几百倍，从而提高产水量来满足人民生活和工业发展要求。
1粒状滤料滤池
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它型式快滤池。
1.1普通快滤池
普通快滤池工作机理：过滤时，开启进水支管和清水支管的阀门。关闭冲洗水支管阀门与排水阀。浑水就经进水总管、支管从浑水渠进入滤池。经过滤料层、承托层后，由配水系统的配水支管汇集起来再经配水系统干管、清水支管、清水总管流往清水池。
反冲洗时，关闭进水支管和清水支管的阀门。开启排水阀与冲洗水支管阀门。冲洗水即由冲洗水总管、支管，经配水系统的干管、支管及支管上的许多孔眼流出，自上而下穿过承托层及滤料层，均匀地分布整个滤池平面上。滤料层在自上而下均匀分布的水流中处于悬浮状态，滤料得到清洗。冲洗废水流入排水槽，再经浑水渠、排水管和废水渠排入下水道。
1.2虹吸滤池
20世纪60时年代开始，突破了常规滤池设计，引进了国外的虹吸滤池，以建成一百余座。北京印染厂给水工程：设计规模700m3/时，该厂通过小型试验取得设计参数，是我国首先采用虹吸滤池的水厂。
虹吸滤池的工作机理：虹吸滤池的滤料组成和滤速选定与普通快滤池相同，所不同的是每个单元滤池都配置了进水虹吸管和排水虹吸管，利用虹吸作用来代替滤池的进水阀门和反冲洗排水阀门。反冲洗所需水头和水量均来自滤池本身。
虹吸滤池不需要大型进水阀或控制滤速装置，也不需冲洗水塔或水泵，因此设备投资低于普通快滤池；可以自动化控制运行，而且过滤过程中，滤出水水位高于滤层不致负水头现象，一定范围内根据水量变化可自动均衡各单元滤池的流量。
1.3无阀滤池
无阀滤池是最早在商业上取得成功的自动运行滤池，经过不断的应用与技术改造，其技术已经成熟，有着广泛的应用。
无阀滤池工作机理：利用水利学原理，通过进出水的压差自动控制虹吸产生和破坏，实现自动运行的滤池。原水自进水管进入滤池后，自上而下穿过滤床，滤后水经连通管进入顶部贮水箱，待水箱充满后，过滤水由出水管排入清水池。随着过滤进行，水头损失逐渐增大，虹吸上升管内的水位逐渐上升，当这个水位达到虹吸辅助管的管口时，废水就从辅助管下落，并抽吸虹吸管顶部的空气，在很短的时间内，虹吸管因出现负压而工作滤池进入反冲洗阶段。贮水箱的清水自上而下留过滤床，反冲洗水由虹吸管排入排水井。当水箱水位下降至虹吸破坏口时，虹吸管吸进空气，虹吸破坏，反冲洗结束，滤池又恢复过滤状态。
重力式无阀滤池具有无大型阀门、正水头过滤、冲洗自动化、造价低及操作管理方便。
1.4V型滤池
V型滤池是均匀滤料滤池的一种，采用均匀石英砂滤料，滤层厚度比普通块滤池厚，截污量也比普通块滤池大。而且V型石英砂滤池过滤能力的再生，采用了先进的气、水反冲洗兼表面扫洗技术，可以节水、节能，还能提高水质，增大滤层的截污能力，延长工作周期，提高产水量。在20世纪70年代已在欧洲大陆广泛使用，20世纪80年中期进入我国，首先在澳门青州水厂运用，后期，在南京、西安、重庆等地开始引进使用。
V型滤池结构与机理：
V型滤池(见V型滤池结构简图1)因两侧进水槽4设计成V字型而得名。一组V型滤池通常由数只滤池组成。每只滤池中间为双层中央渠道，将滤池分成左、右两格。渠道上层6是排水渠供冲洗排污用；下层7是气、水分配渠，过滤时汇集滤后清水，冲洗时分配气和水。渠上部设有一排配气小孔9，下部设有一排配水方孔8。V型槽底设有一排小孔5，既可作过滤时进水用，冲洗又可供横向扫洗布水用，这是V型槽底设计的一个特点。滤板上均匀布置长柄滤头，每平方米布置50-60个。滤板下部是空间10。
1.进水气动隔膜阀；2.堰口；3.侧孔；4.V型槽；5.小孔；6.排水渠；7.汽水分配渠；8.配谁方孔；9.配气小孔；10.底部空间；11.水封井；12.出水堰；13.清水渠；14.进气阀；15.排水阀
V型滤池反冲洗的排水系统简单，施工方便，省去了为排水均匀而设的众多集水槽；滤层厚，采用等粒径粗颗粒滤料，截污能力强，截污量大，过滤周期长；采用气水反冲洗，反冲洗效果好，节水；表面横向扫洗，及时排除使表面悬浮杂质；自动化程度高，控制系统成熟。
V型滤池兼备了优质过滤和有效冲洗的优点，适应当今国际给水过滤技术的发展趋势，被认为是值得推广的过滤工艺。
1.5多层滤料滤池
多层滤池除滤速有高速过滤特点外，其他部分与常规滤池设计基本相同。
双层滤料滤池主要是煤砂双层滤料滤池，在国外尤其是美、日等国仍然作为主要过滤设施采用，国内也在大量使用，当前还是应予优先考虑的一种滤池。它滤出水量多，在一般原水情况下滤出水能达到要求的水质标准，造价低、滤料易于制备(煤滤料吸附性更强)，便利操作和维护，至于轻质滤料丢失问题，用水冲洗或是气水分隔冲洗，只要管理得当，设计合理，不会发生丢失情况。双层滤料滤池效率基本是砂滤池效率的一倍，水头损失也小，过滤周期也比较小。另外该滤池煤滤料货源易得，控制方便。
双层滤料滤池国外无烟煤层厚，石英砂层薄，正好与我国相反，有待我国进一步探讨，进行优化。
三层滤料滤池滤料为煤、砂、石榴石，滤速在初滤时可为一般快滤池的3倍，煤砂双层滤池的2倍。但随后滤速降低，此种滤池过滤周期较短。根据有关资料称，其总滤出水量不及双层滤池，且滤层有阻塞现象，石榴石价格高，也有流失情况。
2纤维滤料滤池
20世纪90年代中期，东北电力学院在总结多年来过滤经验的基础上，研制成功纤维束状滤料。纤维束滤料近于平行水流方向置于过滤设备中被压紧，形成上疏下密类似于理想过滤的孔隙分布，而反冲洗时，可使床层处于松散状态。床层孔隙可以通过水力自动调节，达到理想的过滤效果。而且气、水用量少，清洗时间短。
东北电力学院对纤维束滤料过滤进行了大量的实验研究，实践表明，纤维束滤料可用于反渗透法脱盐等对水质要求较严格的预处理。在原水浊度为3.8~4.6NTU，滤速30~40m/h，出水浊度1NTU，淤塞指数SDI(15min)2，完全可满足反渗透膜分离过程对进水水质的要求，且水层阻力小，截污容量大。
2.1束状纤维滤池
束状纤维滤池是一种全新的重力式滤池，它采用了一种新型的纤维束软填料作为滤元，其滤料直径可达几十微米甚至几微米，具有比表面积大，过滤阻力小等优点，解决了粒状滤料的过滤精度受滤料粒径的限制等问题。微小的滤料直径，极大地增加了滤料的比表面积和表面自由能，增加了水中杂质颗粒与滤料的接触机会和滤料的吸附能力，从而提高了过滤效率和截污容量。
滤池为充分发挥纤维滤料的特长，在滤池内设有纤维密度调节装置。设备运行时，通过纤维密度调节装置向滤层加压，使滤层孔隙度沿水流动方向逐渐缩小，密度逐渐增大，相应滤层孔隙直径逐渐减小实现了理想的深层过滤。当滤层被污染需清洗再生时，纤维密度调节装置将滤层放松，使滤料恢复自由状态，即可用水方便地进行清洗。对滤料的清洗采用气--水混合擦洗的工艺，可有效地恢复滤元的过滤性能。
过滤精度高：水中悬浮物的去除率可接近100%，对细菌、病毒、大分子有胶体、铁等杂质有明显地去除作用；过滤速度快：一般为20-25m/h，最高可达30m/h；截污容量大：一般为10～15kg/m3，是传统过滤池的2倍以上；不需要更换滤元：滤元被污染后可方便地进行清洗，恢复过滤性能。
2.2D型滤池
九十年代末，李振瑜等研制成功彗星式纤维过滤材料，并申请了专利，并将这种过滤材料命名为“彗星式纤维过滤材料”。
彗星式纤维过滤材料构成的过滤层其孔隙率沿滤层高度呈梯度分布，下部过滤材料压实程度高，孔隙率相对较小，易于保证过滤精度，整个滤床孔隙率由下至上逐渐增大，滤层孔隙率的分布特性有助于实现高速和高精度过滤。
D型滤池在结构和运行方式上借鉴了法国的得利满公司V型石英砂滤池的结构，滤料采用了清华大学研制的“彗星式纤维过滤材料”，D型滤池的控制
可采用手动控制和自动控制两种方式，可根据用户需要制定，灵活、先进；特有的拦截技术，可保证滤料在反冲洗时不会流失；反冲洗耗水率低(约1%～2%)，运行费用省；具有钢板和混凝土两种结构型式，根据用户和实际需要选择，最大程度地节约投资费用；抗冲击性能强。
3结束语
国内外尤其是国内绝大部分水厂应用的还是重力式滤池，国内现在多用双层滤池及均质滤料滤池，它们在经济、技术上更适合当前我国国情。而纤维滤料滤池、臭氧化-生物活性炭滤池等新型的过滤技术发展还不够成熟和完善，现在应用的较少。总之，重力式滤池现阶段在我国给水行业中起着重要的作用，是实现稳定持续供水的保证。
参考文献
[1]陆柱，蔡兰坤，丛梅.给水与用水技术[M].北京：化学工业出版社，2004，(8).
[2]许保玖.给水处理理论[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.
[3]上海市政工程设计研究院.給水排水设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.
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