应用双层滤料滤池的效果和探讨

杨福才
天津自来水公司

　　一、双层滤料滤池应用效果

　　双层滤料滤池自在世界上应用以来，已超过半个世纪，由于其具有滤速高、水质好，周期总滤水量大及冲洗水量少的优点，使其在世界上越来越多的水厂应用，普遍认为这种类型的滤池，应该是最适用的过滤处理设备之一。我国在50年代即开始使用，天津水厂于1954年在芥园水厂采用，接着国内各地也陆续使用，目前在国内有很多水厂，尤其是大城市水厂用着此种滤池。
　　天津为了发挥双层滤池的作用，曾与国内有关研究所、设计院、几个水厂合作，在试验上与生产实践上做了些工作，并得出了一些效果，现分别介绍如下。
　　（一）、双层滤池砂滤池过滤性能
　　根据模型试验所得结果，在水厂做了生产实验。双层滤池数据为，砂滤料：粒径0.56～1.11mm、d₁₀0.59mm、厚度40cm；煤滤料：粒径1.1～11.76mm、d₁₀1.13mm、厚度30cm、比重1.45；滤层总膨胀率40%；垫层2～64mm、厚度40cm；滤池总厚度70cm。砂滤池：滤层厚度70cm，级配与双层滤池砂滤料相同。
　　试验结果为：
　　1.在原水水质正常情况下，两种滤池初滤速相同，并在同等的平均滤速下，过滤周期及周期总滤水量，双层滤池约为砂滤池的两倍。两种滤池周期相同时，平均滤速双层滤池约为砂滤池的两倍，周期总滤水量约为1.6～2.4倍。滤池洗水率双层滤池都比砂滤池少约一半。周期结束，一般都由于滤速下降过低而停止进行。此时滤后水浊度约在1.5度左右。
　　2.在原水水质恶劣及水温低的季节，双层滤池的优越性不能发挥。滤水速度增加，就要发生穿透现象，滤出水浊度很快超过要求的3°限度。但就是这样，双怪滤池的过滤性能，仍比同时进行的砂滤池效果好。
　　3.试验得出以下数据：双层滤池初滤速25～29m/h，平均滤速16.0～18.0m/h，过滤周期18.5～23h，滤前水浊度≤10°，滤后水浊度1～2.5°，洗水率1.0～1.3%。
　　（二）、双层滤池过滤形式
　　通过双层滤池与砂滤池对比试验，从下面列出的两个例子（表一、表二）可以看到两种池子都采用变速过滤或恒速过滤，在滤速基本相同时，双层滤池比之砂滤池无论是那种方式，所得效果都优于砂滤池，过滤周期长，周期总产水量约为砂滤池的1.5～2.0倍，水质也好。
　　（三）双层滤池不同滤怪厚度的过滤性能
　　本试验应用6根滤管，规格见表三。
　　试验初滤速采用20、25、30、35m/h，进水浊度6.5～10°，周期结束都由水头损失控制，出水浊度在3°以内，进水浊度大小的影响，在本试验中并不显著，通过几十个滤程试验，得出初滤速在20m/h时，5号滤管过滤周期、周期总滤水量一般都优于1、3号滤管，如在试验的第二滤程，1、3号滤管运行20h结束，滤速分别为8.6、8.8m/h，而5号滤管据测定在20h时，滤速即为8.6m/h，其结束时间为22h，（滤速8m/h）。初滤速在25m/h时，过滤情况基本与上同，如在第6滤程时，5号滤管结果时间为24h，在过滤到20h时滤速为12.3m/h，而1、3号滤管结束时间为20h，其滤速只有11.9、11.5m/h，其他滤程基本如此。在试验中6号滤管一般比5号滤管试验效果稍好一些，如在第二滤程中，当初滤速20m/h时，5号滤管周期总滤水量为308m³/m²，而6号滤管结束时间为20h，滤速10.2m/h，周期总滤水量302 m³/m²，2号滤管初滤速20m/h，结束时间为22h，周期总水量312 m³/m²，与5号滤管基本相同。4号滤管初滤速20m/h，结束时间为22h；周期总滤水量299 m³/m²，过滤性能稍差。从滤管比例为1:2的1、3、5号滤管的试验得出：5号优于1、3号。6号滤管砂层比5号较薄，可能是6号滤管比5号滤管滤速稍快的原因。2、4号滤管因煤滤料最小粒径稍小一些，使滤过水水量减少。
　　从本试验结果情况可以看到煤、砂滤料滤层之比为1:2，且滤层总厚度为70cm时，过滤效果合宜、滤怪较薄、投资经济且易于管理维护。

　　（四）、双层滤池不同高度煤、砂滤层的过滤性能
　　为了找出双层滤池滤层总厚度在70cm情况下，煤、砂滤层各自适宜的厚度（表四）做了一系列的试验。初滤速20、25、30m/h，出水浊度以2°为准，以水头损失控制。

　　以其中一例的试验结果表明，在初滤速30m/h时，1、4滤管出水水质较早变混（浊度5°）、周期结束时间短(9.5～10.5h)，5号滤管水质较好，浊度2°，但极限水头到达早(2.0m)，2号滤管开始水头损失就极大，不能试验，3号滤管出水浊度2°，极限水头2.0m，过滤周期13.0h，末滤速13.6m/h，比较适宜。在初滤速25m/h时，1号、5号滤管试验数据基本相同（过滤周期24.5～26.5h、出水浊度2.5～3.0°，末滤速14.6～15.3m/h），而3号滤管过滤周期27.5h、出水浊度2°、未滤速15.4m/h，结速运行时水头损失为166.7cm，效果较好，2号滤管很快达到极限水头，4号滤管出水浊度(3°)较大。初滤速20m/h与25m/h过滤情况相似。通过试验所得数据并结合生产需要，认为1号滤管用煤过多(50cm)制备困难，且砂层只有20cm，滤过水有絮体穿透可能性，用于生产不相宜。5号滤管煤层只有20cm，难以发挥煤滤料的截污作用，3号滤管过滤效果最好，且煤、砂滤层比例合宜。
　　（五）、粗滤料、厚滤层双层滤料过滤性能
　　为了探讨滤层厚度大、滤料粒径粗的双层滤池对高滤速的适应性，采用了6根直径82～100mm滤管（表五）做了一系列试验。其结果为：
　　1.用此种滤池进行了30、40、50、60m/h滤速的试验，由于滤层厚，水头损失较大，颗粒大，出水浊度较高，其中4号滤管由于颗粒细，水头损失过大，只能用30m/h、40m/h滤速试验外，其他滤管都能正常进行，以3号滤管较好。3号滤管试验资料为，初滤速30m/h时，平均滤速24m/h，过滤周期18.7h，周期滤水量451m³/m²；初滤速40m/h时，平均滤速35m/h，过滤周期8.0h，周期总滤水量284 m³/m²，初滤速50m/h时，平均滤速45.6m/h、过滤周期6h，周期总滤水量272 m³/m²；初滤速60m/h滤速太高不能试验。它比1号滤管平均滤速高6.6～15.4%，周期延长1.0～36.8%，总滤水量多10～42%，其他各号滤管提高有限，有的还不如1号滤管。
　　2.此种滤池由于煤、砂粒径都很大，截污能力有一定局限性，过滤水容易穿透滤层，使滤出水产生少量絮体，这种现象越到过滤后期越多。
　　3.从试验中看出，在滤料粒径相同时，无论煤层和砂层厚度如何比例，过滤结果几乎相等，不能显出煤滤料本身的优越性，因此在高滤速时，粗滤料、厚滤层双层滤池发挥作用不大。

　　（六）、铃间川村双层滤料选取方法
　　通过上述的双层滤池滤料级配，结合当地条件，效果还是比较好的。
　　铃间川村提出了一种双层滤料选取滤料方法(JAWWA1975 10-12)，他主要阐述了双层滤池要求的砂滤料最佳冲洗率等于煤滤料最佳冲洗率，两者这样匹配，冲洗比较彻底，冲洗水也节约，最重要的是防止煤滤料流失。为了进一步提高双层过滤效果，选用了九种级配方法，其中包括铃间选取方法，以煤滤料30cm，砂滤料40、50cm试验。
　　铃间川村提出公式
　　　　d₁/d₂=[(p₂-p)/(p₁-p)]^2/3
　　式中　d₁、d₂——分别为煤、砂的d₁₀(mm)
　　　　　p₁、p₂——分别为煤、砂比重
　　　　　　　p——水的比重为1
　　试验煤滤料比重1.45，砂滤料比重2.65，d₂选择0.5mm，计算得出d₁₀=1.19mm。
　　根据冲洗时污物剥落的主要原因为颗粒间彼此碰撞、摩擦，得出以下关系公式
　　　　Us=ds
　　　　Ua=0.47da
　　式中　Ua、Us——分别为煤、砂最佳碰撞、摩擦反冲洗强度(m/min)
　　　　　da、ds——分别为煤、砂的d₆₀ (mm)
　　上述公式根据水温20°时，煤、砂滤料各自比重为1.56及2.65求得的，煤、砂比重不同时应加以调整。
　　以ds=0.75mm，则Us=0.75m/min，因为Us=Ua，则煤滤料da=1.59mm，由于选择的煤滤料比重为1.45，经调整为1.67mm。
　　根据模型试验，双层滤池滤层比例设定为：总滤层孔隙度f=0.475，滤层总厚度Lp=700mm，砂层厚度Ls=400mm、煤层厚度La=300mm。
　　试验结果以初滤速25、30、35m/h进行，用铃间川村级配方法效果最佳。
　　（七）、混杂
　　试验采用无烟煤比重为1.82、154，砂比重为2.65，煤粒径0.91～2.22mm，砂粒径0.56～1.39mm，在滤层膨胀50%情况下，结果为，煤比重为1.82时，煤层与砂层不发生混杂，最大煤粒径与最小砂粒径之比，应不大于2.0；当煤比重为1.45时，上值应不大于3.2，显然煤的比重，对混杂起决定性作用。
　　从试验看到煤砂混杂厚度控制在一定范围内(20cm)，且滤前水在浊度10°以下时，对过滤影响很小。以初滤速10～40m/h过滤，到过滤至24时，混杂25～30cm滤层比混杂2～3cm滤层，滤速仅小约2～3%，水头损失仅大约5%；过滤至48h时，滤速约小4%，水头损失约大6%，因之一般选择煤砂滤料时，可基本不考虑混杂对过滤效果的影响。
　　（八）、煤滤料流失及防止
　　为了观测双层滤池煤滤料在正常冲洗情况下的活动情况，用了50×50cm方模型进行试验，排水槽宽20cm、高56cm，排水槽面积占模型滤池面积的40%。滤料级配：煤比重1.47、粒径1.11～1.76、厚30cm，砂子比重2.65、粒径0.56～1.11mm、厚度40cm，混杂1cm，垫层2～64mm、厚40cm，试验用自来水，水温0.5～28℃。
　　试验情况：试验时膨胀滤料一接触排水槽底，因过水断面突然缩小，即有煤粒上跃（图1）。冲洗强度再加大，跳动煤粒加高加多，可以见到煤粒顺着排水槽两侧有个别颗粒流失。再稍一加大，煤粒突然大量跳出，流到排水槽中（图2）。从本试验看到膨胀面超过槽底一定的距离（约17cm）即膨胀面距排水槽顶35～40cm，可以不跑滤料。在实际运行当中，由于排水槽面积占滤池面积要小一些，膨胀面积离排水槽顶也可以小些，不跑滤料。在生产当中根据模型试验与生产当中实际条件，采取了一些解决方法。在生产当中滤池刚一冲洗时，滤层内会翻起许多磨茹云，容易带走煤滤料。后来改变以前在冲洗前把水位只降到排水槽顶的办法，将水位降到距滤层顶上15～20cm，冲洗时先缓开冲洗闸，当冲洗水流到槽内见黄泥汤，但无滤料时，再用设计的冲洗强度冲洗，这种方法得到了效果。当然在冲洗时还要根据水温情况，掌握要求的冲洗强度。要注意防止冲洗管道积气及滤层内产生真空的现象。目前有关规范、指南、书籍有的已经注意到此种办法，并提出滤池最高膨胀面要低于排水槽底，然而很多水厂在滤站冲洗上，不是在于习惯性，就是为图省事，还是只降水到排水槽顶就进行反冲，这样就常常跑失煤滤料。单一砂滤池在这种情况下，也会发生跑砂事故。

　　二、探讨

　　（一）、滤池选型
　　在“New concepts in water purification”－书中提到了一种滤池－混合滤池，提出此种滤池乃三种滤料在全部滤层混合，不同于三层滤料滤池，滤层的任一水平面上都有粗煤粒、中砂粒和细石榴石，上层煤粒居多，中层砂子居多，底部大部分为石榴石。这种滤池的表面积据称比之双层滤池接触面积大，吸附能力强能防止穿透，且容许滤速有较大的波动。比三层滤池效果要好。此种滤池滤层厚度为75cm，厚度不大，滤速很快，可节约新建投资30%或更多，节约药剂及滤池用地面积，作者认为此种滤池很有推广的价值。现在美国已有250多个这样滤池的水厂，每天可供应400万立米城市和工业用水，并且改建和新建也大部分采用此种滤池。
　　我国国内有一些城市最近对三层滤池作了很多的研究，并且已应用到生产上，据报道滤速可相当于普通快滤池的三倍，水质符合标准而一般双层滤池滤速则仅为两倍左右。（过滤周期未作此对比，上面数据仅作参考）。
　　最近看到一些资料，对三层滤池使用效果提出了异议。JAWWA1980年12月号一篇文章，对三层滤池、双层滤池在同等情况下运转，报道了运行数据，现介绍如下。（见表六）。
　　文章作者从以上对比试验分析，认为两种滤池进水水质相同，出水浊度也无大差别，但三层滤料总出水量则较低，实际上三层滤料只是在底层加了一层细的石榴石，就去除浊度而言，双层滤池设计已较妥当，加了石榴石层，对出水浊度改善甚微，而却显著地增加了水头损失。

　　JAWWA 1981年9月发表了一篇文章，对采用混合滤池提出另外一种看法，美国Fridley水厂用双层滤池与混合滤池做了平行试验。原来该水厂已承认了混合滤池的优越性，打算证实一下，而后就把全部滤池都改为混合滤池，但运行后却得相反结果。试验由1979年到1980年，试验情况是，在过滤初期，混合滤池的出水浊度等于或略小于双层滤池，运行24小时后达到平衡点，过此点后，双层滤池滤出水水质一直比混合滤池好些，两种滤池运行周期全部过程的水头损失差别不大，但混合滤池略大些，双层滤池过滤周期与混合滤池一样长或较长些，但总产水量比混合滤池要高。文章中并提到了美国几个水厂对比这两种滤池的例子，基本上认为双层滤池在整体来说，还是比较优越一此。
　　文章提到Fridley水厂双层滤池表面积为3770ft²，混合滤池为3272ft²，而Dueuth市双层滤池表面积3288ft²，混合滤池4143ft²，增加了26%，也没有什么优越性。单一砂滤池表面积比双层的多，但运行性能不如双层，说明滤料接触表面积，不是决定滤池运转性能的根本问题。该厂混合滤池建设费用大于双层，药剂可节约一些，但总的来说，混合滤池并不优于双层滤池。
　　当然采用一种形式的设备，是要受到当地不同水质等因素影响的，但是三层滤池、混合滤池（认为基本属于三层滤池范畴）的使用效果如何，应该多做对比试验，如果与双层滤池性能基本相似，该两种滤池在造价上、运行上以及管理维护上都不如双层滤池。据国内外报道使用滤池除非做了广泛的模型试验，大多数选用双层滤料滤池，按目前国内情况，双层滤池还应该做为一种较合宜的滤池形式来对待（国外如美国等地认为单一砂滤池不宜使用，但如有特殊水质严格要求的，还也可以考虑三层滤池）。
　　（二）、滤池冲洗
　　滤池冲洗设备的投资，在滤池造价上是一个主要部分，对滤池运转起着关键作用，双层滤池当然更是这样，目前有很多水厂采用的双层滤池，有着泥球及跑煤问题，大部分是由于冲洗不当所造成的。下面有几个问题予以商榷。
　　1.冲洗强度
　　一般对冲洗认识，是大的冲洗强度比小的好，也就是说将滤料冲净，主要应该是水的切力作用。但目前已几乎认为滤料冲净，主要是滤料浮起彼此碰撞摩擦作用，切力不是主要作用。普通矾花或其它杂物附着的那部分滤层，刚好被水托起时，滤料颗粒之间的接触作用最大，这时冲洗效果最好。冲洗强度再大些，滤层膨胀也大，这时滤层接触减少，效果倒不好。
　　一般冲洗强度要使滤料至少处于悬浮状态，并应高于粘附在颗粒上的污物沉降速度（一般为2.5 ～25cm/min），但必须小于滤料的最终沉降速度。
　　双层或三层滤料的粒径和比重更须严格选择，特别限制选定滤料的均匀系数，否则全部滤料不会流失。
　　为了说明问题，以一个生产滤池实际数据说明。
　　还是Fridley水厂，它在1981年对双层与混合滤池作生产观察时都用的冲洗强度为8.4mm/s与11.8mm/s。采用冲洗强度8.4mm/s冲洗程序：先使滤池水位降至表冲设备上50mm处，此后起动表面冲洗设备，及开启冲洗水闸，第一分钟开12.5%，下一分钟开33%，最后三分钟开到50%，这时最大冲洗强度已达8.4mm/s当冲洗水到达排水槽顶，表面冲洗关闭。
　　冲洗强度11.8mm/s冲洗程序是开动表冲两分钟后，再开启冲洗水闸，第一分钟开12.5%，下两分钟开25%，再后五分钟开满100%这时最大冲洗强度达11.8mm/s。当冲洗到达排水槽顶部时，关闭表冲。
　　从一个代表性的过滤周期中看，混合滤池用8.4mm/s冲洗的，比之用11.8mm/s的，开始出水浊度略有差别，过48小时后，直至周期终了浊度则变成一直都低，水头损失则用8.4mm/s的比用11.8mm/s的高90mm。双层滤池用8.4mm/s冲洗的出水浊度，与用11.8mm/s的，除周期开始后很快出现的峰值有差别外，直至周期终了，基本相同。周期结束阶段，用8.4mm/s的出水浊度较快地恶化。水头损失用8.4mm/s的，比用11.8mm/s的，一直高约300mm。
　　在一般冲洗水温下，冲洗强度8.4mm/s不足以使混合滤料或双层滤料全部滤床流动，但就出水浊度而言，除在初滤期略有下降以外，并不明显。
　　从生产实践上看，这两种滤池用8.4mm/s冲洗，在较高水温下有使滤层成半流情况，但在试验时期内，均未有明显的泥球发生。
　　从以上结果看，在滤速1.3mm/s下，冲洗强度较低，对出水浊度无何影响，就是水头损失稍大一些，实际上用冲洗强度大的无甚好处。同时还看出双层滤池出水浊度，还优于混合滤池。
　　从上例看，用低流速冲洗，在滤料能流动的情况下，是能够解决问题的，甚至在全部滤料未全流动时，如以辅助冲洗措施，效果也很好。高冲洗强度不见得有更好的效果，或者还不如低冲洗强度好。这当然还要在实践中积累经验，根据当地水质具体情况解决。
　　2.冲洗形式
　　国内外冲洗形式基本有三种，即高速度水冲洗、水冲洗加辅助冲洗和气冲加水冲洗。在国外，美国用高速度水冲洗较多，现在美国多用双层滤池，因此目前也转向用水冲洗加辅助冲洗或气冲加水冲洗。气水冲洗多用于欧洲，美国多用气冲后加较低速度的水冲洗方式，欧洲大陆因用粗砂滤料的多，因此基本都用空气和水同时冲洗的方式。苏联也有用气、水冲洗的。日本以前也用气、水冲洗以后因滤池使用较小粒径的滤料，改用了辅助冲洗加水冲洗。我国水厂绝大多数用高速度水冲洗，个别水厂也有用气、水冲洗，或用辅助冲洗加水冲洗。一般滤层表面会含泥量大的单层滤池用辅助冲洗加水冲洗合适，滤层内部含泥多的如双层、多层及粗粒径滤池及直接滤池，以气、水冲洗好，但用此种方法，应特别注意不使滤料流失。双层滤池因为滤前水悬浮物深入到滤层，还可以采取两套旋转冲洗设备，一套在煤层上，一套在高于未膨胀前的煤砂滤料交界上的5cm处，据报告这种方法对双层滤池冲洗最彻底。据有关一些资料介绍，一般冲洗到使滤层膨胀到25-30%的原滤层高度就可以，再高也没有用处，反会使冲洗效果不好，但是双层滤池冲洗时，要使滤层液化浮起，因为它与单一滤料滤层不同。单一滤料冲洗不需液化，只要将滤料上粘着物冲掉即可以，但双层滤池滤料要分层，所以必须液化。空气加水冲洗对于双层滤池较好，使用时许多资料认为以空气和水同时反冲为佳，但要注意控制冲洗程序、气量，以免造成煤滤料大量流失。日本还提到可用气冲加水冲，再增以辅助冲洗的办法，当然这样做更为彻底，但认为相当复杂，应根据不同情况考虑。Camp等人提出美国Billerien水厂双层滤池没有辅助冲洗设备，结果冲洗后滤料始终洁净。纽约州的Poughkeepsic水厂冲洗也没有加辅助冲洗，并未发现泥球。美国也有一些水厂使用气水冲洗结果并不满意，还得反复冲洗两次，且换砂子次数也多。看起来滤池冲洗洁净与否，是要从滤池本身设计的合理性、冲洗方式及操作人负责程度（目前这点极端重要）等全面考虑。
　　3.冲洗压力
　　冲洗压力在冲洗时的变动常被忽视。一般计算冲洗压力往往以冲洗开始高位水箱的最高水位，即冲洗强度最大值考虑。但冲洗过程中水位逐步下降的情况很少注意。这个下降值的幅度是很大的，以致无法掌握最佳冲洗强度，小阻力系统尤甚。
　　为了便于讨论，以某一水厂为例，该厂滤站设计冲洗强度U_B（最大值）=0.014m/s(0.84m/min)，滤层阻力h₁=0.602m、垫层阻力h₂=0.17m、大阻力系统阻力h₃=2.24m、高位水箱至滤池进口管道阻力h₄=4.368m、水箱贮水高度4m、贮水量600m³、水塔底至排水槽顶高距离=7.38m。
　　总阻力损失H= h₁+ h₂+ h₃+ h₄=0.602+0.17+2.24+4.368=7.38m
　　采用一般计算方法H₁=0.602+ a U_B+ (bo+bp) U_B ²
　　计算得出H₁=0.602+12.1×0.014+(11429+22286) ×(0.014)²=7.38m
　　设计冲洗强度的压力，随水温度变化而异，其变化范围近似地以上式微分而得即ΔH₁=[a+2(bo+bp) U_B] ΔU_B。
　　冲洗水温范围定为0～35℃，以温度20°的冲洗基数为1，从图3上查得35℃时为1.11，0℃时为0.825。35℃时设计U_B为0.014m/s，则20℃时U_B为0.014÷1.11=0.0126m/s(0.76m/min)，0℃时0.0126×0.825=0.0104m/s(0.62m/min)，则U_B在0.62m/min～0.84m/min幅度内变化，即以0.0126m/s为基准，上下于(-0.175～+0.11)×0.0126m/s幅度内变化。

　　计算外部管道阻力在内，则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，变化范围为-1.90m至+1.19m之间，幅度为3.09m。
　　从上面计算可知，为了适应温度不同，水箱水位高度应当在3.09m范围上下移动。
　　一般冲洗水箱定出最高水位后，冲洗时水箱水位下降对冲洗强度的影响，可以从下面几个数字看出。
　　从20℃水温为准，U_B =0.76m/min，冲洗完毕后，水位下降2m，则
　　ΔU_B =2.0/[12.1+2(11429+22286)×0.0126] ×60=0.14m/min，U_B下降成0.62m/min，变化率0.14/0.76=18.4%，从双层滤池模型试验所得曲线上查出（图略）U_B =0.76m/min，膨胀率为34%，而0.62m/min变化率为23%，两者膨胀率相差达50%。同理如果在冲洗时水位下降1m，则得出U_B下降成0.69m/min，变化率为9%，膨胀率减成28.5%，两者膨胀率相差19.2%。这是对外部管道长及大阻力冲洗系统而言，如外部管道短又是滤砖暗渠小阻力系统，则冲洗强度在高温与低温之间，变化范围很小，有的尽有几厘米，冲洗时膨胀率变化之巨，可以想到，因此恒定的冲洗强度更难掌握。
　　某水厂计算水箱底至排水槽顶为7.38m，水箱贮水4m高，如果设计得当，则有4m多余水头，水温小于35℃，则水头多余更多。在冲洗时会发现膨胀率比予计的高，对冲洗反而不利，煤滤料流失更不易掌握，应于冲洗时根据需要的冲洗强度以闸门控制。
　　日本“水道施设设计指针”提出滤池水塔要尽量浅，水压变化要少，并保持冲洗压力，就是上述道理。因此为了控制冲洗强度，要在不同的季节，根据当时水温，算好最佳冲洗强度的水位，尽可能使其在水箱维持水位不变，理论上讲冲洗水箱表面积越大越好，而水箱深度只要能掌握不同季节的水位即可，或以流量控制器或闸门控制，水箱深度可以更小。用水泵冲洗由于其特性曲线关系，冲洗压力与流量较恒定，故对冲洗有利。
　　4.冲洗排水
　　一般要求冲洗排出水浊度小于滤前水浊度即可，但此是滤层粘结的污物不一定剥落清除，用光学方法测定，也只能说明水体对光的透射或散射程度，而不能代表水中悬浮物含量与特性（颗粒大小、形状、色泽、粘结程度等）。例如天津某水厂测定冲洗排出水为浊度7°，当把此水样用力搅拌，将水中悬浮物击碎，再次测定为11.5°，就是直观感看排出水很清时（浊度小于4°），显而易见地还有凝结物，有的顽固地粘附在滤料表面，因此衡量滤料冲洗的洁净程度，还应当在检验水的浊度以外，在一定时期内检查滤料含泥情况。滤料含泥率目前还没有看见规定，国外有0.1%的，他们滤前水浊度为2～3°，当然可以这样低。国内一般为1～2%，有的水厂滤料含泥率达4%，这个数字显然是太大了，这恐怕就要很快产生泥球了。
　　排水槽形状、大小要选择适当，排水槽顶距滤层表面高低，应以不跑失滤料为标准，并要适当留一些余量，为了不使煤滤料流失，最好使其最大膨胀度低于排水槽底，实在有困难，也要以前述试验要求而定。
　　最近出版的“Water Clarification Processes”一书的作者，提出了不要排水槽的意见，他是根据美国Spring field水厂正运行着的没有排水槽的滤池经验而提出来的。以后作者又在Poughkeepsie水厂滤结和Greensbore滤站也做了这种形式，这种滤池欧洲用的很多。从发表的资料看，这种滤池与有排水槽滤池效果基本一致，并且还超过一些。没有排水槽的滤池，排水堰设备容易制造，而有排水槽的滤池，要比没有的冲洗强度大。没有排水槽的滤池反冲垂直高度很小，还有侧向流速，更有助清洗滤料，虽然靠近堰口水深比之距堰口远的水深稍浅，会造成横过滤池水的差异，但影响冲洗强度甚微。这种形式的滤池，国内已有湛江水厂使用多年，效果很理想，看来这种形式的滤池还是有一定前途的。
　　为了使冲洗后初滤时，滤出水浊度不致过大，可在冲洗水中投加混凝剂或高分子药剂，结果很好。
　　5.冲洗操作
　　前面已介绍了降低水位接近滤层的冲洗方法，但目前国内尚有很多水厂还忽略了这种冲洗方法。一般冲洗前只降水到排水槽顶，冲洗开始，闸门全部打开，使来水突然顶托带泥的表层，使滤层突然升起，再加以冲洗强度选择的不适当，又有水中含着的空气排出，更加上操作人员漫不经心不负责任，就会使水中滤料（尤其是煤滤料）随冲洗水排走。结束冲洗时也立即关闭，造成煤、砂颗粒混杂。
　　日本莅原公司推荐的绿叶滤池的最大优点之一，就是开始冲洗时缓慢，使砂子稍许松动，然后增大到要求的冲洗强度，结束时再减慢，以利于滤料重分配，这样即节约水量，冲洗效果也好。
　　冲洗管内有空气，可在冲洗前设法排出，还可以接通压力水管，使冲洗管永远充满着水，冲洗闸门漏水，也可采取此措施。在滤层内还要防止负压，以免有空气从水中释放出来，这就需要滤层上水深足够大，一般为1.0-1.5m，此数字稍大一些没有坏处，有利于滤池过滤及挖潜改造。
　　要计算好冲洗压力，使能得出最佳冲洗强度。冲洗压力受集水暗渠影响最大，如在冲洗强度为0.7m/min时，用滤头系统式的暗渠(Strainer System)的水头损失高达7310mm，而用T形暗渠只有29mm，相差悬殊，就是多孔式暗渠也有3880mm，从这里可看到滤砖一类的集水暗渠节约水头很多。但水头损失越小，越难以使冲洗水上升均匀，而冲洗水均匀是保证滤出水水质的一个关键。要紧的是下部集水渠内来水水头损失小，集水渠内孔眼布水非常均匀。
　　（三）、双层滤池过滤
　　1.过滤性能
　　认为双层滤池在过滤性能方面应有三个主要数据，即平均滤速、过滤周期和初滤速。目前设计主要定平均滤速，觉得不太完备，因为这个数据与过滤周期有关，恒速过滤还可以，但目前国内绝大多数水厂都用变速过滤（过滤效果一般认为约比恒速过滤大50%）。由于防止初滤速穿透滤层，须订出一个初滤速上限。这样就可根据运行当中所遇到的滤池最大负荷值，定出周期总滤水量，从而得出处理构筑物有关数据。
　　2.滤速、滤水水质
　　日本“水处理工学”一书中提出，双层滤池在244h过滤周期内，滤速能达到17m/h，滤料级配合适可达到21m/h，美国加州Harris等水厂的滤速也用到25m/h。美国哈佛试验室曾用过高达77.5m/h的滤速作试验，一般他们都用了高分子药剂。日本“水道施设设计指针”提出，双层滤池滤速可用8～12.5m/h，指针指出，如无实践经验滤速定为10m/h标准是安全的。
　　国内以前有一度提倡高滤速，哪个地方滤池用的滤速大，哪个地方就先进，但由于没有必要的措施，往往造成一些问题，如滤料内产生泥球，滤后水不合卫生标准要求。后来又是为了保证滤后水质，把滤速压得很低，甚至比规范要求的低限要求还低，滤速低则过滤周期长，有的到72h，甚至还长。实践情况表明，运行周期长，能引起滤床内部有机构积累和菌类群增长，导致出水出现嗅味，以及滤池内部难以去除的粘滞物生长，并且还会导致滤料挤压增加冲洗的麻烦，因此一般认为过滤周期以小于24h为宜，最多不能超过36h，且超过24h后滤水量也增加极少。实际上滤速过低对水质也不会提高很多，滤速的增大认为主要是降低滤前水浊度，滤前水浊度降低一倍，滤后水水量就不止一倍的增加。据资料载某地滤后水浊度不变，滤前水浊度降低26%，滤速就能提高一倍。
　　根据以上所论，混凝、沉淀主要是帮助滤池多发挥除原水浊度等作用。原水无论多洁净，虽经过滤前处理去除一些悬浮物及杂质，如不经过过滤程序，会造成出水干管积存沉渣，尤其原水细菌病毒有一部分不能拦住。滤前水通过滤池，上述滤前水残存的悬浮物及细菌、病毒，90%以上都能除掉，因此原水虽然有滤前处理，仍必须要经过过滤程序。同时要看到滤后水虽然将菌类绝大部分除尽，但终会有残存的菌类存在，且就是滤后水没有菌类存在，但在输送过程中，也会受到污染的，因此必须消毒。
　　原水虽经过水处理构筑物，但不加混凝药剂，处理效果是不好的，大的悬浮物会进入管道造成管道淤积，最危险的是细菌、病毒除去不多，虽经消毒，全部除尽的可能性，也难以预料，因此水处理厂原水不加混凝剂是不合宜的。
　　3.直接过滤
　　最近一个动向，是如何增大滤池容纳悬浮物的能力，双层滤池是能担当此种任务的，它需要小颗粒的絮凝体，主要起着絮凝、沉淀和过滤的作用。一般认为滤前处理采用混合及絮凝方式，只有混合而无絮凝，直接过滤所得结果不能令人满意，但个别资料也有相反的看法。直接过滤主要要看原水情况，决定是否采用。据介绍原水浊度一般在5～15°左右为好，前处理后，过滤前适当投入高分子药剂是恰当的，但这样好的原水是很难有的。一些资料将原水水质放宽，认为只要满足下列条件之一，即可采用直接过滤方式，(1)浊度和色度均小于25°，(2)色度低，最大浊度不超过200°，(3)浊度低，最大色度不超过100°。现在国内用直接过滤还是少数如抚顺等地，效果还可以。但也有用此种池子失败的经验。国内有些资料认为原水在300°以下的，也可以采用此种滤池，当然这种理论还停留在小试基础上，还须进一步深入，看起来这种论断是有一定的问题的。日本也有用此种滤池的，他们的意见是在原水浊度小的地方用此种池子，然须保留絮凝——沉淀设备，以备在原水浊度大时使用。初步意见认为原水浊度在25～30°以下的可考虑使用，但须经过一段试用时间，浊度再大一些要慎重考虑应用，建议还是有絮凝——沉淀设备为好，以防不测。使用此种方法的双层滤池，采用一般双层滤池滤料级配就可以了，煤滤料有效粒径1.1mm，砂滤料的0.5mm左右，均匀系数1.3～1.4，滤速不超过8m/h，最大10m/h。单层砂滤池不适宜用作直接滤池。
　　4.预留挖潜水量
　　水处理设备预留挖潜水量不宜过大，否则会使设备的合理性改变，且由于部分设备能够挖潜，使几乎全部处理设备加大或预留加大措施。实际上不见得预留这种形式合理或者要求不合理，以致使在当时运行净水效果不好，处理好水质不合理想，浪费药剂且使基建投资加大。挖潜改造后，还会发生意料不到的技术问题。某水厂设计水处理构筑物6万吨／日规模，为滤池挖潜用，考虑可到9万吨／日规模的预留措施。这样净水设备的混合井，反应池（隔线式）都要按9万吨／日设计，建成后先按6万吨／日运行，逆向式斜板沉淀池按6万吨／日设计，但考虑了建成9万吨／日设备的可能性。结果是混合不充分、反应速度小、斜板沉淀池水力条件不佳，造成沉淀后水质经常不合要求，即使多加混凝剂效果也不合理想，想要调理一下水处理设备的处理条件和参数，也因为结构物已建成，也很难做到。通过上例可以见到，在规划、设计上预留挖潜水量是要特别慎重，没有十分把握不可以进行。当然有的处理构筑物可稍预留一些挖潜水量，但必须注意，当时使用是否合理。
　　（四）、滤料、垫层
　　1.滤料级配
　　二十年来天津用的双层滤料级配还是可以的，根据应用情况及有关参考资料，认为双层滤料阶配砂子以0.45～0.5mm到1.0mm，煤滤料1.0～2.0mm为宜，滤料级配要圆滑，粒径不要偏向于任何一方，有效粒径d₁₀这个数据要掌握。据资料载滤料级配若d₁₀相等，即使几种滤料级配曲线不一致，过滤时产生水头损失仍旧接近。煤、砂的有效粒径，均匀系数及冲洗强度等选择通过试验，认为铃间川村所推荐的公式结果最好，其理论也比较完备。混杂20cm以下可不必考虑，混杂一些反对水质有利。砂层厚度最好小于40cm，煤层厚度不小于30cm。砂的最小粒径可稍大，但不宜大于0.5mm，煤滤料比重大的好，以利于重分配。
　　2.滤料粒径与滤层厚度
　　这个问题一般被忽略，滤池尤其是双层滤池，选择粒径一般凭着经验数据和试验结果，当然上述情况是必须的。但是粒径和滤层厚度的关系非常重要，它关系到滤池使用是否能保证人的身体健康问题，也就是在要求一定的滤速和过滤周期下，是否能得到满意的水质问题。
　　通过国外很多地区的水厂使用各种不同类型的滤池生产实践经验，和很多给水工作者研究所得，滤层厚度L和滤料有效直径d₁₀的比都等于1000左右，滤层厚度L和滤料平均值D的比也都等于800左右（双层滤池取其加权平均值），这些数据如此巧合，确实是很有意义的。这种情况认为有两种作用，一是把滤池看作是能起沉淀池的作用，从而，使过滤水质受到沉淀面积即滤料的作用（单位m²滤料表面积约为2800-3000m²）的影响，水通过滤料表面积越大，过滤的水质就越好，而滤料表面积与L/d₁₀成比例；二是接触表面积与悬浮体偶然接触起凝聚作用，接触机会愈多，过滤水质愈好，通过分析，滤池接触面积也与L/d₁₀成比例。从国外许多地区实例来看，在一定滤速和过滤周期下，L/d₁₀>1000或L/d₁₀>800可以保证滤后水质，比例越大越安全。一般滤后水浊度随着过滤时间的变化，在滤层L大时增长缓慢，过滤阻抗粒径大时增长减小，因此滤层厚L和d均大时，持续过滤时间长且水质好，这也是一般滤池采用厚滤层、粗粒径的理由。
　　天津某水厂双层滤池，砂滤料d₁₀=0.59mm、L=40cm，煤滤料d₁₀=1.13mm、L=30cm，用上述情况验证L/d_e=400/0.59+300/1.3=935.5<1000，看起来L/d_e稍小，应再稍于加大滤料粒径。
　　天津另一水厂双层滤池，砂滤料d₁₀=0.5mm、L=40cm，煤滤料d₁₀=1.13mm、L=30cm，其L/d_e=400/0.5+300/1.13=1052≈1000，认为选择合乎理想。
　　3.垫层
　　由于垫层主要为削减冲洗水向上冲力，使水流均匀分布，所以一定要按规定铺设，不能随意减少，挖潜改造更需注意此点。现在还弄不清楚在冲洗过程中，垫层破坏需要多大能量。有关资料提出，60cm厚石英砂滤层反冲时，如果冲洗水在滤池底部不能全部均匀分配，则通过这60cm厚滤料的水头损失，就在砾石中成为横向推力，力图使上升流趋于平衡。如果这个60cm砂水头损失成为一个流速水头潜力，它就能在滤床的某一点上，造成一个超过3.5m/s的向上流速，这个流速通常是以浮动滤床（液化床）的60cm/min上向流速的350倍，如果上向流通过液化床流动不均匀，就会成为扰动垫层潜在危险。
　　在砂石交界处造成射流作用的另一个因素，是加大了在液化床中冲起砾石的可能性。举例说，液化床石英膨胀率为20%，膨胀前空隙率约43%，即原有滤床有57%的砂子。当膨胀到原体积的120%时，砂子体积比变成47.5%，水为52.5%。液化床平均密度为
　　　　0.475×2.65=1.259g/ml
　　　　0.525×1.00=0.525g/ml
　　　　混合比重=1.784g/ml
　　这样，在垫层顶部的砾石必须对液化床的密度1.78，而不是对1.00。同时淹没的冲起砾石的密度减到2.65-1.00即1.65，砾石有这样大范围的移动，就不足为怪了。
　　为了使砾层稳定，而又在减薄垫层厚度，有一种以垫层两端砾石径1/2’’，两端都向中间逐渐减小砾石径，到中间便成为1/8’’，厚度14’’来解决。这种级配方式，使用滤砖集水暗渠，效果都很好。据报道能消除垫层移动。
　　上述提法，对双层滤池同样有效。
　　4.均匀系统
　　天然砂子均匀系数为1.5～3.0，如不用过筛直接使用，滤层会很快的堵塞。按理说，使用上均匀系数越小越好，但从原砂筛分得到的合格率就越少。均匀系数在1.3以下，筛分合格率急速降低，使造价迅速提高。而均匀系数1.7时，滤层堵塞就出现缓和，在滤层内就有高截留的能力。日本“水道施设设计指针”建议用1.3-1.6，认为尽量采用1.3-1.4低值，使过滤效果好。煤滤料考虑基本相同。
　　5.滤料标准
　　一般不大注意滤料选择标准。煤滤料选择要求标准比砂子还严格，如砂的摩擦损失率要求3%以下，而煤滤料则是1%以下。砂的盐酸可溶率要求3～5%以下，煤滤料则为1.5%。
　　6.滤料加工
　　滤料筛分应多加几个层次，一般使用单位常常因加工困难，将就了事，结果造成滤层易于积泥，过滤性能降低。现在粉碎、筛分已有产煤地点设厂加工，应在这方面加强。砂子筛分也是如此。

　　三、结语

　　1.滤池是水处理构筑物的关键部位，它是控制出厂水质的最后一道关卡。因此对于滤池在理论上和实践上了解都非常重要。一般认为水处理工艺比较简单，但实际上并非如此。原因是它的对象是天然水源，这种水本身是大动体，含有杂质成分很复杂，又含有各种不同的菌类，处理不好就达不到饮用水的要求。
　　2.天然原水各地都不相同，一地成熟的经验，另一地就不见得运用得好。对国外来说更是如此，不但原水与我们有差别，且水质要求、操作方法也都不一样。因此采用国内外经验，尤其是国外经验，要根据当地实际情况，多方考虑，有必要时要多做考察和现场试验，再做最后定案。新建滤池和改造旧滤池可以单拿出一个滤池做长期测定和对比试验工作（至少一年）。国外对待新技术及生产上出现难题，都非常重视，设专门班子，下力量，以期得到很好的解决方案。
　　3.本文系就多年来试验和使用双层滤池的一些经验和结合一些国内外资料写成的。所提情况主要是就双层滤池而提的，然而实际上双层滤池与其他种滤池有许多共性之处。因此文中所提情况，考虑其他滤池的设计和生产时，也有参考意义。
　　4.本文内容，尤其是探讨的部分，有些会有误差，也有些所提见解是不全面的，仅供给水工作参考。

　　主要参考资料

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　　2.双层滤料滤池混杂模型试验报告　天津市自来水公司等(1966-12)
　　3.双层虎料滤池过滤性能模型试验报告　天津市自来水公司等(1966-12)
　　4.天津芥园水厂第一滤站第四组双层滤池的改建及生产性试验报告　天津市自来水公司等(1966-12)
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　　6.杨福才：快滤池冲洗方式的初步探讨　给水排水技术(1982-1)
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