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              過濾設備的水頭損失

              • 過濾時由于砂粒表面不斷黏附著絮體,使砂粒間的孔隙不斷減小,水流的阻力不斷增大,我們把水流通過濾層的壓力降稱為水頭損失。如果在濾池的不同部位裝測壓管,可以測出過濾時池內的水頭損失,如圖4-6所示。

                過濾所需的總水頭Ha(可利用水頭)由下列幾個部分組成:①濾池內的水頭損失,包括濾層、承托層和配水系統三部分中的損失;②流量控制器或控制閥的損失;③管線中的損失和出口損失等局部損失。
                在過濾的過程中,由于濾層中不斷截留懸浮固體所引起的水頭損失增大,在可利用水頭Ha固定的條件下,必須控制池內的最大水頭損失在一定范圍內。如圖4-6(a)所示的快濾池與清水池間的布置中,Ht為濾層壓力降,h1為承托層壓力降,濾層壓力降加上承托層壓力降(Ht+h1)的最大值就是濾池內允許的最大水頭損失(最大壓力降),因此,在可利用水頭Ha中扣去濾池出水管中心與清水池溢流堰的高差h以及管路損失及其他一些零星水頭損失后,即得出池內允許的最大水頭損失H,如圖4-6(b)。
                計算水頭損失的公式比較多,但基本形式是一致的,只是公式中有關常數略有不同。常用的有去清潔濾層的卡門-康采尼(Carman-Kozeny)公式和堵塞濾層的依文斯(Ives)公式。
              • 清潔濾層的水頭損失(H0)
                理想的清潔濾層是不含污泥的濾料層,濾層反洗后可近似認為是潔凈的。在濾層中,孔隙構成的水流通道縱橫交錯,過水斷面的形狀和大小很不規則,目前在理論上直接計算水頭損失還有困難,人們采用數學模擬法,建立濾層的等效模型,例如用毛細管模型將復雜的問題簡化成易計算的簡單問題,式(4-7)為該模型導出的計算清潔濾層水頭損失的卡門-康采尼公式(Carman-Kozeny公式):H0=180μ(1-ε)2/pgε3d2e vL
                式中:p為水的動力黏度;ε為濾層孔隙率;v為濾速;L為濾層厚度;p為水的密度;g為重力加速度;de為濾料當量粒徑。
                式(4-7)表明,清潔濾層的水頭損失與濾速和層厚成正比,與濾料粒徑的平方成反比,孔隙率的減少會明顯增加水頭損失,水溫降低,水的黏度增加也會增加水頭損失。用式(4-1)計算當量粒徑時所劃分的(di,di+1)范圍不同,其de也不同,而有不同的H0計算值。
              • 堵塞濾層的水頭損失(Ht)
                與清潔濾層相比,堵塞濾層的水力學更加復雜,由于懸浮物沉積在濾料表面引起濾層孔隙率(ε)下降、濾料粒徑(de)增大、無煙煤濾料濾料顆粒的形狀系數(δ)的變化和水流在濾料中的流態(Re)變化。由于這四個方面的變化值難以定量計算,并且這種變化在濾層不同深度又無規律可循,難以數學描述。對此,Ives從實驗角度觀察了堵塞濾層水頭損失變化規律,將堵塞濾層水頭損失分解成清潔濾層水頭損失和上述原因引起的附加水頭損失之和,得到以下依文斯(Ives)經驗公式:Ht=H0+Kvp0t/1-ε0
                式中:p0為原水濁度;ε0為清潔濾層孔隙率;v為濾速;K為系數。
                上式表明,堵塞濾層水頭損失隨過濾時間線性增長。
                圖4-7是某石英砂濾層不同深度處水頭損失隨時間的變化。圖中Ht2、Ht3、Ht4和Ht5分別代表深度200mm、400mm、600mm和700mm處的水頭損失。由圖4-7可知,不同深度的水頭損失都比較好地符合Ives公式。圖4-7中直線外推至t=0與縱軸交點處的值即為清潔濾層的水頭損失(H0)。
              • 過濾過程中水頭損失的變化
                圖4-8所示,利用濾池出水管上閥門的流量調節作用,以保持濾速保持不變的條件下,得出在過濾中各項水頭損失的變化過程。

                圖4-8表示的是一組若干濾池全部處于過濾狀態的情況。因此,每個濾池的流量是一樣的,濾池的水面也是不變的。圖4-8中總水頭Ha相當于圖4-6(a)中所示的可利用水頭。
                濾池開始過濾時,Ha由下列7個部分組成:①水流過清潔濾層所產生的水頭損失H0;②水流過承托層、配水系統的水頭損失h1;③流量控制設備所產生的水頭損失h0;④濾池出水管與清水池堰頂的高差h;⑤流量控制設備后的管路水頭損失h2;⑥出水的溢流水頭v02/2g;⑦備用水頭h3。因此得:Ha=H0+h1+h0+h+h2+v02/2g+h3
                在過濾時間t時,濾層由于截留了懸浮固體,其阻力從H0增長為Ht,而h1、h、h2、v02/2g和h3等水頭是不變的,為了保持濾池的流量不變,通過流量控制設備的阻力自動減小為ht,從而得:
                Ha=Ht+h1+ht+h+h2+v02/2g+h3
                實際資料得出,只要不出現表面過濾現象,ht隨時間的變化是一個直線關系,如圖4-8所示。這個直線變化關系不僅在單層濾料的過濾過程中顯示出來,在多達四層的多層濾料過濾的試驗中也同樣如此。當過濾時間為T,濾層水頭損失達到最大值Ht,這時流量控制設備也達到了它的最小值ht,如果繼續要保持原來的流量過濾,就要動用備用水頭h3。在過濾時間達T`,h3恰好消耗光之后,由于Ht的繼續增長就會導致流量的逐漸減小,說明了T`是濾池的最大可能過濾時間,實際采用的過濾時間應為T,過濾時間加上沖洗時間稱為濾池的工作周期。
                在最大過濾時間T`時,由式(4-10)可得:Ha=Ht+h1+ht+h+h2+v02/2g
                ht代表流量控制設備的最小阻力,V0代表濾池的流量。因為代表流量控制設備的最小阻力的ht值和代表濾池流量的v0的值都是已知的,式中(Ht`+h1)是濾池內的水頭最大損失值,當該值給定后,式(4-11)就可以確定濾池深度(Ha-h)和濾池管路水頭(h2)。
                當過濾的水頭損失達到最大值時,如果濾池仍然繼續運行,過濾的速度將比預定值不斷降低,所以是不允許的,濾池必須停止過濾。另外,繼續過濾的時間過長,例如超過50h、60h,即使水頭損失在允許范圍內,水質仍然合格,也必須停止運行,主要是防止濾料顆粒黏著的顆粒物過于緊密,不易沖洗下來。
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