濾池沖洗最佳膨脹率的探討

1、濾池沖洗最正確膨脹率的討論摘要：本文從顆粒材料水力學(xué)的根本概念出發(fā)，提出了均勻顆粒砂層的沖洗功率，推導(dǎo)出其計算式，求得了沖洗均勻顆粒砂層時，使孔隙比為0.74將有最大沖洗功率。關(guān)鍵詞：濾池沖洗最正確膨脹率一般消費濾池采用非均勻砂層。計算其最正確膨脹率應(yīng)使截泥最大的表層砂獲得最大沖洗功率，即孔隙比到達0.74，從而取各層的平均值。可求得某一砂層的最正確膨脹率為52%，而粒徑較大的砂層那么可小些。建議設(shè)計濾池沖洗水強度時，以表層砂孔隙比到達0.74為準(zhǔn)?？鞛V池用于公共給水，約有一百多年的歷史，但是設(shè)計和運行多半憑經(jīng)歷，而其中濾池沖洗強度及最正確膨脹率為國內(nèi)外研究濾池的重要課題。本文從顆粒材料水力學(xué)

2、的觀點出發(fā)，提出濾池沖洗時，沖洗水所提供的沖洗功，從而求得濾層最正確孔隙比及最正確膨脹比率，以與國內(nèi)外同行討論。一、濾層沖洗時水力學(xué)流態(tài)沖洗水由下而上流經(jīng)濾層時，本質(zhì)上是一種反向過濾，開場為砂層逐步膨脹，污濁水開場流出的擠壓出流階段；當(dāng)沖洗水到達一定流速后，濾層膨脹，砂粒懸浮于水中，處于一種不停地運動的動平衡狀態(tài)，即到達固定膨脹階段，此時砂粒外表被水流沖刷，砂粒之間互相碰撞，小顆粒在上面，大顆粒在下面。沖洗水流速愈大，濾層膨脹率愈大。上升流速對于均勻顆粒砂層.HHH曾得出流速v與濾層孔隙比的關(guān)系式。Re=Pvd/6(1-)a(1)n=P3d/LPv26(1-)a(2)通過實驗求得：n=A/Re

3、0.7(3)式中：a砂粒形狀系數(shù)砂為1，煤為1.31P水的密度(g/3)d粒徑()水的粘滯系數(shù)g/s砂層孔隙比P/L單位厚度砂層水壓降g/2s2A常數(shù)砂層3.73，煤層5.90那么平移和旋轉(zhuǎn)運動，砂粒被沖洗清潔，此外無其他能量來源。從這一沖洗功率可以算出水流的時均流速梯度G(13)單位時間內(nèi)，單位體積懸浮砂層砂粒之間的碰撞次數(shù)為|N|=4/3N2Gd3(14)注此式僅適用于層流流態(tài)。濾池沖洗時水的流態(tài)屬過渡區(qū)，故此式不適用。然而作為定性地說明問題也還是可以的，與本文的論點及數(shù)學(xué)推導(dǎo)無關(guān)。可見最大功率賦予沖洗中的砂層以最大的沖洗流速梯度及砂粒之間的碰撞次數(shù)，無疑將有最好的沖洗效果。最正確孔隙比對

4、應(yīng)于一個最正確砂層孔隙比，將有一個最大沖洗功率，并由以下條件決定。ds/d=0(15)-0.458+1.313(1-)=0(15)因之最正確孔隙比p=0.741(16)與之相應(yīng)的最大沖洗功率s=73700d1.313(17)當(dāng)d=0.0343時，沖洗功率，隨孔隙比變化的曲線見以以下圖。二、最正確膨脹比率假設(shè)砂層的原有孔隙比0=0.40，那么均勻顆粒濾層沖洗時的最正確膨脹率應(yīng)為：Ep=e100=-0/1-100=0.74-0.40/1-0.74=130%(18)一般消費濾池都采用非均勻顆粒濾層，最正確膨脹率應(yīng)按砂層組成，分層計算而加和之。p=p=100p=0-0/1-dP%(19)或Ep=1-0

5、/1-1P1(19)式：P1砂層組成百分率1砂層孔隙比按照濾池外表1015的砂層截泥最大這一普遍現(xiàn)象，沖洗時，外表砂層的砂?；蛘哒f最小砂粒，應(yīng)使其膨脹后孔隙比到達0.74，即到達最正確數(shù)值。非均勻砂層膨脹后，最小粒徑砂層孔隙比到達0.74時，整個砂層的膨脹率為最正確膨脹率，使最小粒徑d的砂層孔隙比到達0.74的沖洗水流速，可按(5)式計算，而在同一沖洗流速下不同粒徑砂層孔隙比亦可因之而求得。從(5)式d1.312.31/(1-)0.54=d1.312.31/(1-)0.54(20)在同一沖洗流速v=1.52/s(15.2L/S2)下，兩不均勻顆粒濾層膨脹后的孔隙比，膨脹比e，沖洗功率，時均流速

6、梯度G，砂粒碰撞數(shù)N見下表。從下表可見，粒徑小的濾層，最正確膨脹率為51.8%。粒徑大的濾層，最正確膨脹率為40.5%。砂層組成決定最正確膨脹率大于、等于或小于50%。使最小粒徑砂層孔隙比到達0.74有決定性意義，建議設(shè)計濾池沖池強度以此為準(zhǔn)。三、討論和推論1.沖洗時間截留于一個單位體積濾層的泥量為，對于膨脹濾層單位體積截泥比exp為exp=/1+e=1-/1-0式中：截泥比，截泥體積和砂層體積之比。e砂層膨脹比。顯然，沖洗功應(yīng)與截泥量成正比：=st=Fv/Nt=k(1-)/(1-0)(21)式中：t沖洗時間(s)k比例常數(shù)，隨水，水中懸浮物和砂粒三者的物理化學(xué)特性而定。它的大小表示水中懸浮物

7、與砂粒結(jié)合的結(jié)實程度，結(jié)合力的大小，并受到所用混凝劑、助凝劑的性質(zhì)及劑量的影響。T=/(1-0)k(1-)Fv/N(22)將(12)式代入(22)式并乘以(5)式，將以外各參數(shù)合并為B，可得Q=vt=B(23)Q為單位面積砂層沖洗用水量，與砂層膨脹后的孔隙比成正比見前圖。表層孔隙比愈大，沖洗用水愈多，孔隙比超過0.74，沖洗水量增加，沖洗功率反減少。從經(jīng)濟角度看0.74是上限，下限視(22)式中k值的大小來決定。應(yīng)在選定沖洗強度下，使表層砂沖洗清潔所需時間為決定沖洗時間。如沖洗前表層砂的截泥比，通過試驗，按(22)式可求得k值。2.濾池池型濾池截留水中懸浮物，從上到下砂層截泥逐漸減少。下部沒有

8、能發(fā)揮其凈水作用，而沖洗砂層時，沖洗水對它所作的沖洗功率卻很大，這是普通濾池存在的一個矛盾。雙向濾池，雙層濾池，反濾濾池在不同程度上解決了這一矛盾。但必須使底部砂層充分懸浮，這是易于忽略的。其原因可能是反向濾池底層和雙向濾池下層下易沖洗清潔的緣故。本文所討論的理論對無煙煤濾池或雙層濾池也是適用的。濾層沖洗水力學(xué)計算表粒徑d()小于此粒徑的砂粒%孔隙比膨脹比e沖洗水流速v(/s)沖洗功率sg/s3速度梯度GS-1單位時間砂拉碰撞次數(shù)|N|備注粒徑小的濾層012.5882110029733223.810322.2103d10=0.0391360166036940718.810315.0103d50=0.0722060251045550212.11038.58103d60=0.0850.0900307033805545815.81030K=2.18100.0平均0.518平均2000粒徑大的濾層014.31100130033236922.210318.8103d10=0.047166020