摘要：針對近年國內新建水(shui)廠濾(lv)池(chi)多采(cai)用(yong)粗粒(li)(li)徑濾(lv)料、濾(lv)層加厚的趨勢，本文(wen)結合試驗(yan)研究與(yu)生(sheng)產實際，從唯象觀點與(yu)機理分析，闡(chan)述了(le)快濾(lv)池(chi)濾(lv)料粒(li)(li)徑的粒(li)(li)度對過濾(lv)性能(neng)的影響，以及(ji)由此產生(sheng)的濾(lv)料厚度與(yu)濾(lv)料粒(li)(li)徑比值（L/d）的概念，說(shuo)明(ming)了(le)L/d值是快濾(lv)池(chi)設計(ji)中(zhong)保證(zheng)過濾(lv)效能(neng)和水(shui)質(zhi)的關鍵因素。

在以地(di)表水為水源(yuan)的(de)(de)(de)給(gei)水凈化工(gong)程中，濾(lv)(lv)池(chi)是不可缺少(shao)的(de)(de)(de)重要的(de)(de)(de)處理構筑物。由(you)于快濾(lv)(lv)池(chi)的(de)(de)(de)濾(lv)(lv)速是慢濾(lv)(lv)池(chi)的(de)(de)(de)幾十倍到幾百倍，在解決了清洗濾(lv)(lv)池(chi)的(de)(de)(de)反(fan)沖洗技術后，快濾(lv)(lv)池(chi)目前(qian)已取代(dai)了慢濾(lv)(lv)池(chi)。本文(wen)所談及(ji)的(de)(de)(de)內容限于快濾(lv)(lv)池(chi)。

和歐(ou)洲(zhou)的(de)情況相比，我國給(gei)水(shui)凈(jing)化工(gong)程中所用(yong)的(de)濾(lv)池濾(lv)層較薄、粒度(du)較細。我國設計規范有關濾(lv)料(liao)部分(fen)，單層濾(lv)料(liao)過(guo)濾(lv)只規定了(le)石英砂濾(lv)料(liao)，粒徑范圍dmin-dmax為0.5~1.2mm、層厚0.7m。

從本世紀六十年代起，法國(guo)和蘇聯就(jiu)開展了粗濾(lv)料過濾(lv)技術研究。其后法國(guo)開發了V型濾(lv)池，通常石(shi)英砂濾(lv)料粒徑范圍dmin-dmax為0.9~1.35mm，也(ye)可擴至0.7~2.0mm、層厚在0.95~1.50m之(zhi)間。

美國在八十年代則采用無煙煤濾料建成日處理水量216萬³的洛杉磯水廠，有效粒徑d10達1.5mm，均勻系數k60為1.5、層厚1.8m。由美國人設計的巴西圣保羅水廠日處理量130萬³，采用石英砂濾(lv)料，有效(xiao)粒徑d10為1.7mm、 均勻系(xi)數k60達1.5、層厚1.8m。

中國目前濾池設計也有濾料粒度加大、濾層加厚的趨勢。例如九五年建成的北京第九水廠二期工程，日處理水量50萬³，采用無煙(yan)煤濾料，有(you)效粒徑(jing)d10為1.10mm、均勻系數K601.35、層(ceng)厚1.5m。

濾(lv)料(liao)粒(li)度的(de)變(bian)化對濾(lv)池的(de)過濾(lv)性(xing)能有何影響？濾(lv)料(liao)粒(li)度和(he)濾(lv)層厚度如(ru)何制約(yue)著(zhu)濾(lv)池的(de)過濾(lv)能力？如(ru)何從表象和(he)微觀(guan)去分析和(he)認(ren)識？波濤小編謹以此(ci)文與(yu)大家(jia)共同探討。

按唯象(xiang)觀點即(ji)不(bu)涉及機理，認為過(guo)濾(lv)(lv)是水中(zhong)懸(xuan)(xuan)浮(fu)(fu)物(wu)被截(jie)(jie)留(liu)(liu)的(de)(de)過(guo)程，被截(jie)(jie)留(liu)(liu)的(de)(de)懸(xuan)(xuan)浮(fu)(fu)物(wu)充(chong)塞于濾(lv)(lv)料間的(de)(de)空(kong)隙(xi)。濾(lv)(lv)層(ceng)(ceng)孔隙(xi)尺度(du)以(yi)及孔隙(xi)率的(de)(de)大(da)(da)小(xiao)，在(zai)同種濾(lv)(lv)料、相(xiang)同反沖洗條(tiao)件下(xia)，隨濾(lv)(lv)料粒度(du)的(de)(de)加大(da)(da)而加大(da)(da)。即(ji)濾(lv)(lv)料粒度(du)越(yue)粗，可容納懸(xuan)(xuan)浮(fu)(fu)物(wu)的(de)(de)空(kong)間越(yue)大(da)(da)。其表現(xian)為過(guo)濾(lv)(lv)能(neng)力增(zeng)強，納污能(neng)力增(zeng)加，截(jie)(jie)污量加大(da)(da)。同時，濾(lv)(lv)層(ceng)(ceng)孔隙(xi)越(yue)大(da)(da)，水中(zhong)懸(xuan)(xuan)浮(fu)(fu)物(wu)越(yue)能(neng)被更深地輸送至下(xia)一(yi)層(ceng)(ceng)濾(lv)(lv)層(ceng)(ceng)，在(zai)有足夠保護厚度(du)的(de)(de)條(tiao)件下(xia)，懸(xuan)(xuan)浮(fu)(fu)物(wu)可以(yi)更多地被截(jie)(jie)留(liu)(liu)，使中(zhong)下(xia)層(ceng)(ceng)濾(lv)(lv)層(ceng)(ceng)更好地發揮(hui)截(jie)(jie)留(liu)(liu)作用，濾(lv)(lv)池截(jie)(jie)污量增(zeng)加。

下列表1是一組(zu)無(wu)煙(yan)煤濾料不同(tong)粒徑過(guo)濾能力比較的試驗數據。

無(wu)煙煤濾料不同粒徑過(guo)濾能力比較(jiao)試(shi)驗(yan)

組別	序號	有效粒徑mm	濾速m/h	進水濁度NTU	出水濁度NTU	截留濁度NTU	周期產水量m3/m2	過濾能力指數	比值
A	1	1.10	10	0.63	0.17	0.46	460	211	1:1.15
	2	1.33	10	0.63	0.19	0.44	550	242
B	3	1.10	10	10.20	0.21	9.99	220	2197	1:1.26
	4	1.48	10	10.20	0.25	9.95	280	2786

表中“過濾(lv)能(neng)(neng)力(li)指數”為：過濾(lv)進出水(shui)濁(zhuo)度差即(ji)截(jie)留濁(zhuo)度與周期產(chan)水(shui)量(liang)的乘積（實為截(jie)污能(neng)(neng)力(li)）。

A組試(shi)驗表(biao)明，有效粒徑1.33mm濾(lv)(lv)料的截污能力比1.10mm濾(lv)(lv)料高(gao)出(chu)15%；

B組(zu)試(shi)驗表明，有效(xiao)粒徑1.48mm濾料的截(jie)污(wu)能(neng)力(li)比1.10mm濾料高出26%。

表2所列為表1中A組(zu)兩(liang)種濾料試(shi)驗周期終止時濾層內不(bu)同深度處水頭(tou)損失值及(ji)其所占總(zong)水頭(tou)損失的(de)百分(fen)比。

過濾(lv)周(zhou)期終(zhong)止時水頭損失

試驗	總水頭	不同濾層深cm處水頭損失百分比%
序號	損失cm	20	40	60	80	100	120	140	150
1	203	82/40	68/34	27/13	9/4.5	6/3	4/2	4/2	3/1.5
2	200	68/34	56/28	45/23	15/7.5	6/3	4/2	4/2	3/1.5

從表(biao)2可(ke)以(yi)(yi)看(kan)出(chu)，有效粒(li)(li)徑d10=1.10mm濾(lv)(lv)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)濾(lv)(lv)周期終(zhong)水(shui)(shui)頭(tou)(tou)損(sun)失(shi)中(zhong)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)厚20cm以(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)頭(tou)(tou)損(sun)失(shi)占(zhan)總(zong)水(shui)(shui)頭(tou)(tou)損(sun)失(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)40%、40cm以(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)頭(tou)(tou)損(sun)失(shi)占(zhan)74%；有效粒(li)(li)徑d10=1.33mm濾(lv)(lv)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)濾(lv)(lv)周期終(zhong)水(shui)(shui)頭(tou)(tou)損(sun)失(shi)中(zhong)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)厚20cm以(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)頭(tou)(tou)損(sun)失(shi)占(zhan)總(zong)水(shui)(shui)頭(tou)(tou)損(sun)失(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)34%、40cm以(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)頭(tou)(tou)損(sun)失(shi)占(zhan)62%；而40cm至80cm層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)厚的(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)頭(tou)(tou)損(sun)失(shi)占(zhan)總(zong)水(shui)(shui)頭(tou)(tou)損(sun)失(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)比例，d10=1.10mm濾(lv)(lv)料(liao)(liao)為(wei)17.5%、d10=1.33mm濾(lv)(lv)料(liao)(liao)為(wei)30.5%。顯而易見(jian)，d10=1.33mm濾(lv)(lv)料(liao)(liao)過(guo)濾(lv)(lv)過(guo)程(cheng)中(zhong)懸(xuan)浮物被更深地(di)攜至中(zhong)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，更多(duo)地(di)發揮了(le)中(zhong)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)濾(lv)(lv)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)截(jie)污作用，因而納污能力強、過(guo)濾(lv)(lv)周期相(xiang)應加長、產(chan)水(shui)(shui)量加大。

從力(li)學特(te)(te)性講，濾(lv)(lv)(lv)料(liao)(liao)截留懸浮物(wu)依靠的是顆(ke)(ke)粒(li)間的范德華力(li)、庫(ku)侖(lun)力(li)和表面張力(li)。這些力(li)使(shi)懸浮物(wu)遷移并被(bei)吸附。但同時，過濾(lv)(lv)(lv)水(shui)(shui)(shui)(shui)流在濾(lv)(lv)(lv)層中的流動與濾(lv)(lv)(lv)料(liao)(liao)顆(ke)(ke)粒(li)間的水(shui)(shui)(shui)(shui)流剪力(li)則具有使(shi)被(bei)截留吸附在濾(lv)(lv)(lv)料(liao)(liao)顆(ke)(ke)粒(li)表面的懸浮物(wu)剝(bo)落(luo)的可(ke)能，并同時產生附加水(shui)(shui)(shui)(shui)頭，即(ji)產生水(shui)(shui)(shui)(shui)頭損(sun)(sun)失(shi)。濾(lv)(lv)(lv)料(liao)(liao)粒(li)度加大，空隙尺(chi)度加大，空隙空間增(zeng)加，過水(shui)(shui)(shui)(shui)通道(dao)尺(chi)寸大，過濾(lv)(lv)(lv)水(shui)(shui)(shui)(shui)流阻力(li)減(jian)弱，水(shui)(shui)(shui)(shui)頭損(sun)(sun)失(shi)增(zeng)量(liang)將(jiang)得以延緩，其結果達到(dao)特(te)(te)定終止水(shui)(shui)(shui)(shui)頭損(sun)(sun)失(shi)的過濾(lv)(lv)(lv)周(zhou)期得以延長，產水(shui)(shui)(shui)(shui)量(liang)得到(dao)增(zeng)加。

日本學者藤田賢二通過研究導出的公式↑(1)清晰地表明了粒度(du)、空(kong)隙度(du)和水頭損失之(zhi)間(jian)的關系(xi)：

(1) H=K(LVμ/ρgψ²d²)(1-ε)²/ε³

H—過濾(lv)水頭損失 

K—系數

L—濾料(liao)層厚度 

V—濾速

ρ—水密度

g—重力(li)加(jia)速度

ψ—濾(lv)料(liao)球形度

d—濾(lv)料粒徑

ε—濾(lv)層空隙度

μ—水(shui)的動力粘(zhan)度

雖然這(zhe)個(ge)公式主要是定(ding)性地表示濾(lv)料(liao)特征與初(chu)始(shi)水頭的(de)關系，但已(yi)清楚(chu)地描述了(le)濾(lv)料(liao)粒徑(jing)大小、空隙度大小對過濾(lv)過程(cheng)的(de)影響，即濾(lv)料(liao)粒徑(jing)增加、水頭損失減小、過濾(lv)周(zhou)期勢(shi)必延長、產水量增加。

隨著濾(lv)料粒徑的加大(da)，雖然能更多地發揮下層(ceng)濾(lv)料的截留作用，但(dan)同時也(ye)對穿透深度帶來影響，即在其(qi)它條件等同時，粒徑越粗穿透深度也(ye)越大(da)。 

漢森（Hanzen）認為，經絮(xu)凝后弱的(de)絮(xu)體穿(chuan)透深度與(yu)濾料(liao)粒徑的(de)三次方成正比(bi)(bi)，強(qiang)的(de)絮(xu)體穿(chuan)透深度與(yu)濾料(liao)粒徑的(de)二次方成正比(bi)(bi)。斯坦雷（Stanley）則(ze)用下述(shu)公式（2）表述(shu)濾料(liao)粒徑與(yu)穿(chuan)透深度的(de)關系：

（2）K=(hd²·46u^1.56)/l 

K—常數

u—濾速

d—有效粒徑(jing)

h—水頭損失

l一(yi)穿透(tou)深度

 上(shang)式表(biao)明，穿透深度與濾(lv)料粒徑的2.46次方成正(zheng)比。

由(you)此引(yin)發(fa)出兩(liang)個問題。其(qi)一，相同厚度的(de)濾層，在一定范(fan)圍內，濾料粒徑(jing)越粗，由(you)于穿透(tou)深度越大，出水(shui)濁度將不如粒徑(jing)較細的(de)濾料。表1所示試驗數據證明了這一點。

序1和(he)序2試(shi)驗(yan)中，有效(xiao)(xiao)粒(li)徑1.33mm的截留濁度為044NTU，而有效(xiao)(xiao)粒(li)徑1.10mm的截留濁度為0.46NTU，進水濁度相(xiang)同而有效(xiao)(xiao)粒(li)徑1.33mm的濾(lv)(lv)(lv)料(liao)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)出(chu)水濁度較有效(xiao)(xiao)粒(li)徑1.10mm高出(chu)0.02NTU。序3和(he)序4的試(shi)驗(yan)結果同樣表明粗(cu)粒(li)徑濾(lv)(lv)(lv)料(liao)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)出(chu)水濁度較細濾(lv)(lv)(lv)料(liao)高。

其二是，前述濾(lv)(lv)料(liao)粒(li)(li)徑(jing)(jing)(jing)越粗濾(lv)(lv)層(ceng)截(jie)污能力越強、過(guo)濾(lv)(lv)周(zhou)期產(chan)水量越大的(de)觀點(dian)應(ying)是建立在(zai)滿(man)足一(yi)(yi)定出(chu)(chu)水水質（濁度）要(yao)(yao)求的(de)前提之上的(de)。如果一(yi)(yi)味地用(yong)出(chu)(chu)水水質做比較，在(zai)其它條件(jian)相同(tong)的(de)情況下，粒(li)(li)徑(jing)(jing)(jing)細的(de)濾(lv)(lv)料(liao)出(chu)(chu)水濁度總(zong)要(yao)(yao)比粒(li)(li)徑(jing)(jing)(jing)粗的(de)濾(lv)(lv)料(liao)出(chu)(chu)水濁度低。這一(yi)(yi)點(dian)在(zai)實際工程中頗為(wei)(wei)重要(yao)(yao)，即(ji)為(wei)(wei)達(da)到預期的(de)水質要(yao)(yao)求，應(ying)盡量選用(yong)合宜的(de)粗粒(li)(li)徑(jing)(jing)(jing)濾(lv)(lv)料(liao)。

從(cong)嚴格的(de)理(li)論上講，濾(lv)(lv)(lv)(lv)料所具(ju)有的(de)對懸浮(fu)物的(de)截留(liu)能力(li)(li)來(lai)自(zi)濾(lv)(lv)(lv)(lv)料所提(ti)(ti)供的(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)積。慢濾(lv)(lv)(lv)(lv)池(chi)的(de)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)能力(li)(li)主要地來(lai)自(zi)濾(lv)(lv)(lv)(lv)料的(de)篩除作(zuo)用(yong)，而(er)快(kuai)濾(lv)(lv)(lv)(lv)池(chi)的(de)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)能力(li)(li)來(lai)自(zi)濾(lv)(lv)(lv)(lv)料顆粒表(biao)(biao)(biao)面(mian)的(de)吸附(fu)作(zuo)用(yong)，這是快(kuai)濾(lv)(lv)(lv)(lv)池(chi)與慢濾(lv)(lv)(lv)(lv)池(chi)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)機理(li)根本的(de)不同之(zhi)處。在(zai)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)過(guo)程中濾(lv)(lv)(lv)(lv)料所提(ti)(ti)供的(de)顆粒表(biao)(biao)(biao)面(mian)積越大(da)，對水中懸浮(fu)物的(de)附(fu)著力(li)(li)越強。為要達到一定的(de)預(yu)期的(de)水質(zhi)要求，濾(lv)(lv)(lv)(lv)料所提(ti)(ti)供的(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)積應表(biao)(biao)(biao)現為：單(dan)位面(mian)積濾(lv)(lv)(lv)(lv)層所提(ti)(ti)供的(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)積須滿足某一低量值以上的(de)要求，其數(shu)學表(biao)(biao)(biao)達式為：

S=[6(1-ε)/ψ]·(L/d)

S—濾料表面積(ji)

ε—濾層(ceng)空(kong)隙度(du)

ψ—濾料球形(xing)度

L—濾層厚度

d—濾料粒徑(jing)

從上式可以(yi)清(qing)晰地(di)看(kan)出(chu)，隨著濾(lv)料粒(li)(li)徑加(jia)大(da)、孔(kong)隙(xi)度(du)加(jia)大(da)，所提供的表(biao)面積變小(xiao)。濾(lv)層表(biao)面積減小(xiao)的結(jie)果必然(ran)會降低過濾(lv)能力。這反(fan)映出(chu)濾(lv)料粒(li)(li)度(du)加(jia)大(da)對過濾(lv)效果帶(dai)來(lai)的負作用(yong)。

同(tong)時這(zhe)個(ge)式子也(ye)清楚地表(biao)(biao)明，在濾(lv)料球形度一(yi)(yi)定(ding)(ding)也(ye)即濾(lv)料種(zhong)類一(yi)(yi)定(ding)(ding)的(de)情況下(xia)，能(neng)夠抵消粒度變(bian)化負(fu)面影響的(de)只有(you)濾(lv)層(ceng)厚度、即L。這(zhe)樣，式中的(de)L/d成為(wei)關(guan)鍵因素(su)，它(ta)決(jue)定(ding)(ding)了(le)濾(lv)料所能(neng)提供的(de)表(biao)(biao)面積的(de)大小(xiao)也(ye)就決(jue)定(ding)(ding)了(le)過濾(lv)性能(neng)。由此(ci)引伸出L/d的(de)概念。

從技術(shu)角度(du)講，L/d值(zhi)越大越好。而綜合經濟因素，工程中(zhong)應(ying)以較小L/d值(zhi)滿(man)足提供較低量值(zhi)的(de)濾(lv)(lv)料表面積達到預期的(de)過(guo)濾(lv)(lv)出水水質要(yao)求。在實踐中(zhong)，選用優良的(de)顆粒(li)級(ji)配與合宜的(de)濾(lv)(lv)層(ceng)厚度(du)正是保證(zheng)過(guo)濾(lv)(lv)效果的(de)關鍵。因此，L/d受到濾(lv)(lv)池設計人(ren)員(yuan)的(de)日益(yi)重視。

中國《城市供水行業2000年技(ji)術進步發展規劃》提出：“為保(bao)證水質濾(lv)(lv)層深度與(yu)粒徑比應大于800。”在其(qi)子課題《改善過濾(lv)(lv)效能》中指出：“運用L/Dm≥800判別式判斷分(fen)析濾(lv)(lv)池(chi)濾(lv)(lv)料級配(pei)的合理性(xing)或比較其(qi)優越性(xing)。”這(zhe)里的Dm為濾(lv)(lv)料的幾何平均粒徑。

美國《Intergrated Design of Water Treatment Facilities》一書指(zhi)出(chu)：“普通(tong)單層(ceng)砂濾池(chi)(chi)或雙層(ceng)濾料濾池(chi)(chi)L/d≥1000；1.5mm≤d≥1.0mm的單層(ceng)濾料濾池(chi)(chi)L/d≥1250。”這里的d為(wei)有效粒徑。

 有(you)(you)關粒(li)徑(jing)d的(de)取值(zhi)出現了兩種，一是(shi)有(you)(you)效粒(li)徑(jing)、一是(shi)幾何平(ping)均粒(li)徑(jing)。那么，L/d中(zhong)的(de)d采用哪一種取值(zhi)更為適宜？

有效粒(li)徑d10是Hanzen根據濾料的使用經驗(yan)首先提出的，并被后人廣泛應用。他發現，只(zhi)要d10值不變，任何(he)級配情況下濾層(ceng)對水流的阻力(li)幾乎都是一樣的。因而在研(yan)究過(guo)濾水頭損(sun)失、穿透深度(du)等過(guo)濾性能時(shi)采(cai)用d10是合理的。

但是(shi)如前所述，快(kuai)濾池的(de)過濾能力從理論上講是(shi)由濾料顆(ke)粒(li)表面(mian)的(de)吸附(fu)作用決定的(de)，而(er)吸附(fu)作用的(de)大(da)小(xiao)取決于(yu)濾料顆(ke)粒(li)的(de)表面(mian)積。顯(xian)然，由于(yu)幾(ji)何平均(jun)粒(li)徑dg是(shi)濾料顆(ke)粒(li)表面(mian)積的(de)科學表征，因此(ci)L/d中(zhong)的(de)d應當用幾(ji)何平均(jun)粒(li)徑dg。

當(dang)所用濾料的均(jun)勻(yun)系(xi)數(shu)很小時，例如(ru)K60<1.5情(qing)況(kuang)下，波(bo)濤小編認為可(ke)以(yi)用平均(jun)粒徑da替代幾何(he)平均(jun)粒徑dg。

波濤(tao)小(xiao)編參與的(de)無煙煤(mei)均(jun)質濾層過濾試驗研究所用濾料的(de)數據如表3。

無煙煤濾料均質濾層過濾試驗L/d數據庫

L/d d	有效粒徑mm			平均粒徑mm
Lmm	1.48	1.33	1.10	1.83	1.65	1.36
1500	1014	1128	1364	819	909	1103
1100	743	/	1000	601	/	809