摘 要：在给水处理中，过滤法作为一种重要的水处理工艺，对给水的处理效果及水质影响重大，过滤工艺的发展与创新将对常规的水处理行业带来重要影响。本文通过对水处理过滤机理的研究学习，将过滤理论进行归纳总结，并对滤料、滤层、滤池的工艺要点进行归纳总结，使过滤理论条理清晰，方便读者理解。
关键词：过滤理论；滤料；滤池
1 过滤概述
在常规的的水处理过程中，过滤作为重要的一个环节是以石英砂等粒状颗粒滤料截留水中的悬浮杂质，从而使水获得澄清的工艺过程[1]。过滤法是最常用的分离溶液与沉淀的操作方法。滤池通常位于沉淀池或者澄清池之后[2]。滤出水的浊度需要达到饮用水的标准（1NTU）。当原水的浊度较低时（100NTU以下），且水性能较好时，可以直接将原水通过滤池进行过滤。通过过滤，不仅可以去除水中的悬浮物质，降低原水的浊度，同时在过滤过程中，滤层将水中的细菌、病原体等微生物也截留，随着水的浊度的降低，水中的微生物的也被部分去除。而未去除的病原体，通过过滤后的消毒步骤进行大规模消除，所以过滤也为消毒创造了良好的条件。在我国的饮用水的净化中，过滤是不可或缺的步骤之一，对常规的水处理过程具有重要意义[3]。
滤池包含多种形式，其中以石英砂作为滤料的普通快滤池使用历史最为悠久。在以石英砂滤料的基础上，设计人员从不同角度对普通快滤池进行了改进，发展了其他型式的快速滤池，提高了滤料对杂质的截留能力，出现了滤料粒径随着水流方向逐渐减小的过滤层，例如：双层、多层及均质滤料滤池。同时为了减少滤池的阀门，出现了虹吸滤池、无阀滤池、、移动冲洗罩滤池以及其它水力自动冲洗滤池等。在冲洗方式上,有单纯水冲洗和气水反冲洗两种。各种形式滤池,过滤原理基本一样,基本工作过程也相同,即过滤和冲洗交错进行[4]。
2过滤机理
众多研究表明过滤主要是悬浮颗粒与滤料颗粒之间的粘附作用的结果。水流中的悬浮颗粒可以与滤料颗粒进行黏附，主要涉及两个方面。第一，迁移机理：水流携带的杂质颗粒与滤料颗粒表面的接触与接近，主要涉及颗粒脱离水流流向后如何向滤料表面靠近；第二，粘附机理：当颗粒与滤料颗粒的表面接触后，依靠哪些力的作用可以使杂质颗粒与滤料颗粒进行粘附[5]。
在过滤过程中，滤层孔隙中的水流一般认为为层流状态，被水流挟持的颗粒随着水流呈现流线运动，但是在滤层中，由于滤层引起的拦截、沉淀、惯性等物理作用，对原水中杂质尺寸较大的颗粒进行拦截，与滤料颗粒尽心吸附。当颗粒沉速较大时，杂志颗粒会在重力作用下脱离流线，产生沉淀作用（重力作用）；当颗粒具有较大惯性时，杂质颗粒也可以脱离流线与滤料表面接触(惯性作用)；当颗粒较小、布朗运动较剧烈时，杂志颗粒会扩散至滤粒表面(扩散作用);当滤粒表面附近存在速度梯度时，非球体颗粒由于在速度梯度作用下,会产生转动而脱离流线与颗粒表面接触(水动力作用) [5]。
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颗粒迁移机理示意图
3 滤料的筛选
给水处理中的滤料需满足以下条件：（1）足够的机械强度，防止冲洗时滤料磨损和破环；（2）足够的化学稳定性，防止滤料与水中的化学物质发生反应，使水质恶化；（3）具有一定的颗粒级配和适当的孔隙率
对于滤料的筛选，可以采用有效粒径筛选法对滤料进行筛选。以某天然河砂的筛选举例。取某天然取某天然河砂砂样300g,洗净后置于105℃恒温箱中烘千,待冷却后称取100g,用一组筛子过筛,最后称出留在各个筛子上的砂量,填入筛分试验记录表,并据表绘成滤料筛分曲线。从筛分曲线上,求得d10，d80，根据有效粒径和不均匀系数法K80=d80/d10，求出不均匀系数K80。由于所选的河砂不均匀系数较大。设根据设计要求，筛选滤料,方法如下；自横坐标的d10和d80两点,分别作垂线与筛分曲线相交。自两交点作平行线与右边纵坐标轴相交,并以此交点作为10%和80%,在10%和80%之间分成7等分,则每等分为10%的砂量,以此向上下两端延伸,即得0和100%之点,在滤料筛分曲线右侧绘制新的纵坐标,以此作为新坐标。再自新坐标原点和100%作平行线与筛分曲线相交,在此两点以内即为所选滤料,余下部分应全部筛除。上述确定滤料粒径的方法已能满足生产要求。但用于研究时,存在如下缺点,一是筛孔尺寸未必精确,二是未反映出滤料颗粒形状因素。为此,常需求出滤料等体积球体直径。
4 滤池冲洗
滤池冲洗方法有以下三种：（1）高速水流反冲洗；（2）气、水反冲洗（3）表面助冲加高速水反冲洗。
高速水冲洗是利用流速较大的反向水流冲洗滤料层，使整个滤层达到流态化状态,且具有一定的膨胀度截留于滤层中的污物,在水流剪力和滤料颗粒碰撞摩擦双重作用下,从滤料表面脱落下来，然后被冲洗水带出滤池。冲洗效果决定于冲洗流速。冲洗流速过大小，滤层孔隙中水流剪力小；冲洗流速过大,滤层膨胀度过大,滤层孔隙中水流剪力也会降低,且由于滤料颗粒过于离散,碰撞摩擦机率也减小。故冲洗流速过大或过小,冲洗效果均会降低[6、7]。
气、水反冲洗操作方便，池子设备简单，但冲洗耗水量大,冲洗结束后，滤料上细下粗分层明显。采用气、水反冲洗方法既提高冲洗效果,又节省冲洗水量。同时,冲洗时滤层不一定需要膨胀或仅有轻微膨胀,冲洗结束后,滤层不产生或不明显产生上细下租分层现象,即保持原来滤层结构,从而提高滤层含污能力[5、6、7]。但气、水反冲洗需增一加气冲设备(鼓风机或空气压缩机和储气罐)池子结构及冲流操作也较复杂。国外采用气、水反冲比较普遍,我国近年来气水反冲也日益增多。气、水反冲洗的操作方式有（1）先用空气反冲，然后再用水反冲；（2）先用气-水同时反冲，然后再用水反冲；（3）先用空气反冲，然后用气-水同时反冲，最后再用水反冲。
5结语
本文通过对过滤机理的研究学习，将过滤理论进行归纳总结，着重对过滤理论的概念进行阐述；对过滤的两个机理，迁移机理、粘附机理的作用进行详细描述；将滤料的筛选以及滤池冲洗机理进行说明。过滤理论的学习是给水处理中的重要环节，希望通过本文的整理，使读者在进行过滤理论学习时起到参考作用。
参考文献：
[1]张娟. V型滤池气水反冲洗过程的优化[D].西安建筑科技大学,2010.
[2]金盛. 凌桥水厂工艺运行优化研究[D].同济大学,2007.
[3]段立文. 一种纤维滤料高速滤池的应用研究[D].华南理工大学,2010.
[4]王文相. 城市供水厂综合节水模型的初步研究[D].哈尔滨工业大学,2008.
[5]林少芬. 广东地区给水处理系统滤池工艺的研究[D].华南理工大学,2009.
[6]陈冠邑. 连续流单/双滤料体系处理洗煤废水的研究[D].重庆大学,2009.
[7]李翠华. 陶瓷滤料过滤性能试验研究[D].武汉理工大学,2005.