给水第七章.pdf

授课教师：鲁金凤南开大学环境科学与工程学院第七讲第七讲滤池反冲洗滤池反冲洗内内 容容高速水流反冲洗高速水流反冲洗配水系统配水系统气气-水反冲洗水反冲洗冲洗的目的：冲洗的目的：清除滤层中截留的污物，使滤料清除滤层中截留的污物，使滤料层在短时间内恢复工作能力层在短时间内恢复工作能力滤池过滤得水流方向是自上而下，冲洗通常采滤池过滤得水流方向是自上而下，冲洗通常采用用水流自下而上水流自下而上的的反冲洗，反冲洗，清除截留的污物的效清除截留的污物的效果好。果好。常用的反冲洗方法：单水高速反冲洗：单水高速反冲洗：气气-水联合反冲洗；水联合反冲洗；表面助冲加高速水流反冲洗。表面助冲加高速水流反冲洗。基本知识基本知识4.4.1 高速水流反冲洗高速水流反冲洗利用高速反向水流冲洗滤料层，使整个滤层利用高速反向水流冲洗滤料层，使整个滤层达到流化状态，且具有一定的膨胀度，截留于滤达到流化状态，且具有一定的膨胀度，截留于滤层的污物在层的污物在水流剪力水流剪力和滤料颗粒和滤料颗粒摩擦力摩擦力双重作用双重作用下，从滤料表面脱落，被带出滤池。下，从滤料表面脱落，被带出滤池。决定性因素：决定性因素：冲洗流速冲洗流速vv小小,水流剪力小；水流剪力小；v大大,滤层膨胀度过大滤层膨胀度过大,水流剪力也会降低，且由水流剪力也会降低，且由于滤料颗粒过于离散，碰于滤料颗粒过于离散，碰撞摩擦几率也减小。撞摩擦几率也减小。v的选择是关键的选择是关键1.反冲洗强度反冲洗强度指单位面积滤层所通过的反冲洗流量，单位为指单位面积滤层所通过的反冲洗流量，单位为L/s m2。2.滤层膨胀度滤层膨胀度（4-10）由于滤层膨胀前、后单位面积上滤料体积不变，于是：由于滤层膨胀前、后单位面积上滤料体积不变，于是：（4-11）故：故：（4-12）3.冲洗时间冲洗时间反冲洗时要保证必要的冲洗时间。反冲洗时要保证必要的冲洗时间。生产中一般在实际操作生产中一般在实际操作时，主要看时，主要看冲洗废水的允许浊度冲洗废水的允许浊度来决定来决定冲洗时间冲洗时间。(%)10000=LLLe)1()1(00mLmL=mmme=10表表4-7 冲洗强度、膨胀度和冲洗时间冲洗强度、膨胀度和冲洗时间注：注：1设计水温按设计水温按20计，水温每增减计，水温每增减1，冲洗强度相应，冲洗强度相应增减速增减速1%；由于全年水温、水质有所变化，应考虑有适当调整冲由于全年水温、水质有所变化，应考虑有适当调整冲洗强度的可能；洗强度的可能；选择冲洗强度应考虑所用混凝剂品种的因素；选择冲洗强度应考虑所用混凝剂品种的因素；无阀滤池冲洗时间可采用低限；无阀滤池冲洗时间可采用低限；膨胀度数值仅作设计计算用。膨胀度数值仅作设计计算用。序号序号滤层类型滤层类型冲洗强度冲洗强度(L/s m2)膨胀度膨胀度（%）冲洗时间冲洗时间（min）1石英砂滤石英砂滤料料121545752双层滤料双层滤料131650863三层滤料三层滤料161755754.冲洗强度与膨胀度的关系Vmf是反冲洗时滤料刚刚开始流态化的冲洗流速，称“最小流态化冲洗流速”。滤料粒径、形状和密度不同时，Vmf值也不同，粒径大，Vmf大。反冲洗流速与水头损失的关系当冲洗流速当冲洗流速Vmf时，时，水头损失水头损失h保持不变保持不变00(1)shm L=200000202020vLmm1dg175.1vl)d1(m)m1(150h+=e反冲洗强度与膨胀度的关系把孔隙率的一些关系换算成膨胀度e，用冲洗强度q来替换冲洗流速v，则得到冲洗强度q和膨胀度的关系:每一个q都对应一个膨胀度，可作一个膨胀曲线。d0=0.93mm冲洗强度大到一定程时冲洗强度大到一定程时,h不变不变,但但滤层会膨胀滤层会膨胀54.0077.131.2054.031.10)1()1()(4.29memedq+=4.4.2 配水系统配水系统常见的配水系统有大阻力配水系统、小阻力配水系统、中常见的配水系统有大阻力配水系统、小阻力配水系统、中阻力配水系统等三种阻力配水系统等三种配水系统的作用：配水系统的作用：反冲洗时，使冲洗水在整个滤池面积上反冲洗时，使冲洗水在整个滤池面积上均匀分布均匀分布；均匀收集滤后水。均匀收集滤后水。反冲洗时配水不均匀的危害：反冲洗时配水不均匀的危害：滤池中砂层厚度分布不同；滤池中砂层厚度分布不同；过滤时，产生短流现象，使出水水质下降；过滤时，产生短流现象，使出水水质下降；可能招致局部承托层发生移动，造成漏砂现象。可能招致局部承托层发生移动，造成漏砂现象。1.大阻力配水系统的原理大阻力配水系统的原理（1）穿孔管大阻力配水系统）穿孔管大阻力配水系统大阻力配水系统的构造如图大阻力配水系统的构造如图4-15和图和图4-16所示。所示。4545图 4-15 穿孔支管孔口位置a进水cb支管图 4-16 穿孔大阻力配水系统OI干管（2）沿途泄流穿孔管中的压力变化）沿途泄流穿孔管中的压力变化干管和支管均可近似看作沿途泄流管道，进口流速为干管和支管均可近似看作沿途泄流管道，进口流速为v,v,压力水头为压力水头为H1的水流，至穿孔管末端时流速为的水流，至穿孔管末端时流速为0 0，压力水头为，压力水头为H2，管道中的压力水头一方管道中的压力水头一方面由于面由于克服管道阻力逐渐减小克服管道阻力逐渐减小，另一方面由于管中流速递减，另一方面由于管中流速递减，部分流速水部分流速水头又转变成压头简称“压头恢复”头又转变成压头简称“压头恢复”，使压头逐渐增加。，使压头逐渐增加。（4-13）沿途均匀泄流管道中的水头损失为沿途均匀泄流管道中的水头损失为（4 4-1414）代入上式得：代入上式得：（4 4-1515）因为因为管道的比阻，管道的比阻，故故（4-16）hgvHH+=2212231aLQh=2212312aLQgvHH+=25264CDa=6/11RnC=4DR=gvDLnHH2)5.411(233.1212+=设设n=0.012，则当，则当时，时，则则在快滤池的配水系统中能够满足在快滤池的配水系统中能够满足这一条这一条件，因而，件，因而，33.1006.0LD 0)5.411(33.12DLn12HH 33.1006.0LD 12HH H1H2LVav2/2g压力水头线总水头线图 4-17沿途均匀泄流管内压力变化h（3）配水系统的能量的变化配水系统的能量的变化在图在图4-16所示的大阻力配水系统中，干管起端所示的大阻力配水系统中，干管起端O点、干点、干管末端管末端I点、最前一根支管起端点、最前一根支管起端a点、最后一根支管起端点、最后一根支管起端b点、点、最后一根支管末端最后一根支管末端c点之间的能量关系见式（点之间的能量关系见式（4-17）至式）至式（4-20），也可形象地用图），也可形象地用图4-18来描述。来描述。（4-17）（4-18）（4-19）（4-20）OIoOIhgvHH+=22aaaOhgvHH+=22bbbIhgvHH+=22bcbbchgvHH+=22av20/2ghbh01haava2/2gHaH0HbHIHc总水头线压力水头线压力水头线OI干管b 支管abc图 4-18配水系统中的能量变化hbcavb2/2g（4）大阻力配水系统的原理）大阻力配水系统的原理c点与点与a点之间的压力关系为点之间的压力关系为（4-21）假定：沿程水头损失假定：沿程水头损失 0，0；各支管的进口局部水头损失基本相等，即各支管的进口局部水头损失基本相等，即ha hb。并。并取取=1，则式（，则式（4-21）可简化为：）可简化为：（4-22）在图在图4-16所示的配水系统中，压力水头差别最大的两个点所示的配水系统中，压力水头差别最大的两个点为孔口为孔口a与孔口与孔口c。若。若Qc=Qa，则认为布水均匀；设冲洗时水流则认为布水均匀；设冲洗时水流自各孔口流出后的终点水头在同一平面，为自各孔口流出后的终点水头在同一平面，为H终终，孔口，孔口a与孔口与孔口c的总水头损失分别为的总水头损失分别为Ha、Hc（4-23）（4-24）aoaaOIbcbchgvgvHhhhH+=+2222OIhbchgvgvHHoaac2222+=终HHHaa=终HHHcc=将式（将式（4-23）、（）、（4-24）代入式（）代入式（4-22）得：）得：（4-25）由于：由于：（4-26）（4-27）将式（将式（4-26），（），（4-27）代入式（）代入式（4-22）可得：）可得：（4-28）假设S2S2，则式（4-28）可简化为：（4-29）S1：孔口阻力系数；S2,S2:孔口a 和c处承托层和滤料层阻力系数之和。gvgvHHoaac2222+=221)(aaQSSH+=221)(ccQSSH+=gvvSSQSSSSQaoac21222122121+=gvvSSQQaoac2122212+=上式说明上式说明Qc大于大于Qa。增加。增加S1+S2值，能减小上式右边第值，能减小上式右边第二项的值，从而使二项的值，从而使Qa尽量接近尽量接近Qc。由于承托层与滤料层的阻力系数之和由于承托层与滤料层的阻力系数之和S2不能改变，只不能改变，只有有通过减小孔口总面积通过减小孔口总面积来来增大孔口阻力系数增大孔口阻力系数S1，才能增大，才能增大S1+S2。增大孔口阻力系数。增大孔口阻力系数S1就削弱了承托层、滤料层阻就削弱了承托层、滤料层阻力系数及配水系统压力水头不均匀对孔口出流量的影响，力系数及配水系统压力水头不均匀对孔口出流量的影响，这就是这就是大阻力大阻力配水系统的原理。配水系统的原理。a、c两点是孔口内压头相差最大的两点两点是孔口内压头相差最大的两点Qa=Qc则认为整个滤池布水是均匀的则认为整个滤池布水是均匀的大的孔口阻力系数S12.2.穿孔管大阻力配水系统的设计穿孔管大阻力配水系统的设计图图4 4-1616中孔口中孔口a与孔口与孔口c的出流量的出流量Qa、Qc可按下可按下式进行计算式进行计算：（4-30）（4-31）Hc用式（用式（4 4-2222）的公式表示得：）的公式表示得：（4-32）aagHQ2=ccgHQ2=)(2122aoaacavvgHHQQ+=当孔口水头损失越大时，当孔口水头损失越大时，a孔与孔与c孔的孔的出流量之比越接近出流量之比越接近1，布水越均匀，布水越均匀要求要求：配水系统配水均匀性在：配水系统配水均匀性在95%以上，即以上，即Qa/Qc 0.95则：则：（4-33）整理上式可得：整理上式可得：（4-34）为了简化计算，假设每根支管的进口流量相同，为了简化计算，假设每根支管的进口流量相同，v0和和va可分别按下列两式进行计算：可分别按下列两式进行计算：（4-35）（4-36）95.0)(2122+aoaavvgHH)(2922aoavvgH+OoqFv310=aanqFv310=Ha可用孔口平均水头计算，则可用孔口平均水头计算，则Ha为：为：（4-37）将式（将式（4-34），（），（4-35），（），（4-36）代入式（）代入式（4-33）得：）得：（4-38）将将=0.62代入上式并整理得：代入上式并整理得：（4-39）大阻力配水系统配水的大阻力配水系统配水的均匀性只与均匀性只与干管截面积、支管截面积、支管个干管截面积、支管截面积、支管个数、孔口总面积等数、孔口总面积等构造尺寸有关构造尺寸有关，而与其它因素无关。，而与其它因素无关。gfqFHa211023=+23232310102192110aOnqFqFggfqF220.29oaffn+大阻力配水系统构造尺寸的计算依据大阻力配水系统构造尺寸的计算依据当滤池面积过大时，滤池中砂层和承托层的铺设、冲洗废水当滤池面积过大时，滤池中砂层和承托层的铺设、冲洗废水的排除等的不均匀度都将对冲洗效果的产生影响。的排除等的不均匀度都将对冲洗效果的产生影响。大阻力配水系统的设计要点：大阻力配水系统的设计要点：干管起端流速为干管起端流速为1.01.5m/s，支管起端流速为，支管起端流速为1.52.0 m/s，孔，孔口流速为口流速为56 m/s。支管中心距为支管中心距为0.20.3 m，支管长度与其直径之比一般不应，支管长度与其直径之比一般不应大于大于60。孔口直径约为孔口直径约为912 mm，设于支管两侧，与垂线呈，设于支管两侧，与垂线呈45角向角向下交错排列。下交错排列。干管横截面与支管总横截面之比应大于干管横截面与支管总横截面之比应大于1.752.0。当干管直。当干管直径或渠宽大于径或渠宽大于300mm时，干管顶部也应开孔布水，并在孔口时，干管顶部也应开孔布水，并在孔口上方设置挡板。上方设置挡板。孔口总面积与滤池面积之比孔口总面积与滤池面积之比称为称为开孔比开孔比，其值可按下式计，其值可按下式计算：算：（4-40）%100%10010001/%100=vqqQvQFf大阻力配水系统的开孔比大阻力配水系统的开孔比一般为一般为0.200.25%大阻力配水系统的特点：大阻力配水系统的特点：配水均匀性好；配水均匀性好；结构复杂；结构复杂；管道容易结垢；管道容易结垢；孔口水头损失大，因而要求反冲洗孔口水头损失大，因而要求反冲洗水压高。水压高。3.小阻力配水系统小阻力配水系统小阻力配水系统原理：从可知，不增大孔口阻力系数S1时，也可以通过减小干管和支管进口流速vo和va的方法，让布水趋于均匀。gvvSSQQaoac2122212+=“小阻力小阻力”相对于“大阻力”配水系统来说，相对于“大阻力”配水系统来说，配水系统中的孔口阻力较小配水系统中的孔口阻力较小小阻力配水系统发展需求：无阀滤池、移动冲洗罩滤池、虹吸滤池等冲洗水无阀滤池、移动冲洗罩滤池、虹吸滤池等冲洗水头有限，不宜采用大阻力配水系统。头有限，不宜采用大阻力配水系统。小阻力配水系统的构造特点：铺设小阻力配水系统的构造特点：铺设穿孔滤板穿孔滤板或或滤砖滤砖，开孔比一般为开孔比一般为1.01.5%小阻力配水系统的特点：小阻力配水系统的特点：反冲洗水头小；反冲洗水头小；配水均匀性比大阻力配水系统差；配水均匀性比大阻力配水系统差；滤池面积较大时，不宜采用小阻力配水系统。滤池面积较大时，不宜采用小阻力配水系统。中阻力配水系统与小阻力配水系统类似，但其开中阻力配水系统与小阻力配水系统类似，但其开孔比介于大阻力配水系统与小阻力配水系统之间。孔比介于大阻力配水系统与小阻力配水系统之间。707070 3535707070图 4-20 钢筋混凝土穿孔滤板3010图 4-19小阻力配水系统冲洗水膨胀砂面排水槽滤板底部配水室100清水池滤砖上层用10mm导板隔开11浑水渠250280600冲洗水流图 4-21 穿孔滤砖1-1剖面图2802801:2水泥砂浆嵌缝粉平4 冲洗废水排除方法冲洗废水排除方法（1）冲洗排水槽、废水渠）冲洗排水槽、废水渠滤池冲洗废水由冲洗排水槽和废水渠排出，过滤滤池冲洗废水由冲洗排水槽和废水渠排出，过滤时，它们用来分布待滤水。时，它们用来分布待滤水。HeH2H21-1剖面图 4-22 冲洗废水的排除图 4-23 冲洗排水槽剖面2x0.07mx1.5x（2）冲洗排水槽的设计要求）冲洗排水槽的设计要求a冲洗排水槽平面总面积一般不大于单个滤池冲洗排水槽平面总面积一般不大于单个滤池面积的面积的25%。否则，会影响上升水流的均匀性。否则，会影响上升水流的均匀性。b相邻两槽的中心间距一般为相邻两槽的中心间距一般为1.52.0m。间距。间距过大，难以排水均匀。过大，难以排水均匀。c槽内水面以上一般要有槽内水面以上一般要有7cm左右的保护高左右的保护高，以保证冲洗废水自由跌水进入排水槽。以保证冲洗废水自由跌水进入排水槽。d排水槽的废水应排水槽的废水应自由跌水自由跌水进入排水渠，以免进入排水渠，以免引起引起壅水壅水现象。现象。e每单位槽长的每单位槽长的溢入流量应相等溢入流量应相等。故施工时冲。故施工时冲洗排水洗排水槽口应力求水平槽口应力求水平，误差限制在，误差限制在2mm内。内。f f单个冲洗排水槽的排水量可按下式计算：单个冲洗排水槽的排水量可按下式计算：（4 4-4141）g g冲洗排水槽的始端尺寸：一般采用始端深度为末端深冲洗排水槽的始端尺寸：一般采用始端深度为末端深度的一半；或槽底采用平坡，使始、末两端尺寸相等。度的一半；或槽底采用平坡，使始、末两端尺寸相等。槽底为三角形断面的，冲洗排水槽断面模数可按下式计算：槽底为三角形断面的，冲洗排水槽断面模数可按下式计算：（4 4-4242）h h槽顶距未膨胀时滤料表面的高度为：槽顶距未膨胀时滤料表面的高度为：（4 4-4343）100000aqlQ=单0.40.45xQ=单07.05.22+=xeHH（3 3）排水渠）排水渠面积小时，沿池壁一边布置；面积小时，沿池壁一边布置；当滤池面积很大时，排水渠布置在滤池中间。当滤池面积很大时，排水渠布置在滤池中间。排水渠的断面一般采用矩形。渠底距排水槽底高排水渠的断面一般采用矩形。渠底距排水槽底高度度Hc为：为：（m m）（4 4-4545）2.073.1322+=gBQHc其中：Q-滤池中冲洗水量;B-渠宽,为施工、检修方便，0.7m.0.2-保证排水槽排水通畅使废水渠起端水面低于排水槽底的高度.5冲洗水的供给冲洗水的供给水泵冲洗；水泵冲洗；冲洗水塔或水箱冲洗。冲洗水塔或水箱冲洗。水泵冲洗的特点：水泵冲洗的特点：投资省；投资省；但操作较为麻烦；但操作较为麻烦；在冲洗的短时间内耗电量大，往往会使厂区内供电网负荷在冲洗的短时间内耗电量大，往往会使厂区内供电网负荷骤增。骤增。冲洗水箱的特点：冲洗水箱的特点：造价高；造价高；但操作简单；但操作简单；专用水泵小，耗电量较均匀。专用水泵小，耗电量较均匀。（1）水泵冲洗）水泵冲洗水泵冲洗时，需有水泵冲洗时，需有备用备用措施。水泵流量和扬程分措施。水泵流量和扬程分别为：别为：（4 4-4646）（4 4-4747）H H0 0排水槽顶与清水池最低水位之差，排水槽顶与清水池最低水位之差，m m；h h1 1从清水池至滤池的冲洗管道中总水头损失，从清水池至滤池的冲洗管道中总水头损失，m m；h h2 2滤池配水系统水头损失，滤池配水系统水头损失，m m。大阻力配水系统按。大阻力配水系统按孔口平均水头损失计算。以孔口平均水头损失计算。以代入代入式（式（4 4-3939）得：）得：（4 4-4848）qFQ=543210hhhhhHH+=gqh211022=(%)100=Ffh h3 3承托层的水头损失，承托层的水头损失，m m。可根据承托层的厚度。可根据承托层的厚度Z Z （m m）及冲洗强度）及冲洗强度q q（L/sL/sm2m2）计算：）计算：(4-49)h4 滤料层的水头损失，滤料层的水头损失，m m，（4-50）h5备用水头，一般取备用水头，一般取1.52.0m。()4001 1shmL=qZh022.03=（2）冲洗水塔（箱）冲洗水塔（箱）冲洗水塔与滤池分建。冲洗水箱一般与滤池合建，冲洗水塔与滤池分建。冲洗水箱一般与滤池合建，通常建造于滤池操作室层顶上。水塔（箱）中的水深通常建造于滤池操作室层顶上。水塔（箱）中的水深不宜超过不宜超过3m。水塔（箱）容积可按单个滤池冲洗水量。水塔（箱）容积可按单个滤池冲洗水量的的1.5倍计算：倍计算：（4 4-5151）水塔（箱）底高出滤池冲洗排水槽顶的高度可按水塔（箱）底高出滤池冲洗排水槽顶的高度可按下式计算：下式计算：qFtqFtV09.01000605.1=543210hhhhhH+=4.4.3 气气-水联合反冲洗水联合反冲洗原理：利用上升空气气泡的振动,有效的使附着于滤料表面的污物破碎、脱落、擦洗下来，使之悬浮于水中，然后再用水反冲把污物排出池外。由于气冲的作用，使水冲强度可降低，即“低速反冲”。气气-水联合冲洗有水联合冲洗有3 3种操作方式：种操作方式：先气洗，后水洗；先气洗，后水洗；先气先气-水混合洗，再用水洗；水混合洗，再用水洗；先气洗，再气先气洗，再气-水混合洗，最后用水洗（或漂水混合洗，最后用水洗（或漂洗）。洗）。气气-水联合冲洗的特点：水联合冲洗的特点：冲洗效果好；冲洗效果好；节约反冲洗水量；节约反冲洗水量；冲洗结束后，滤层不产生或不明显产生上细下粗冲洗结束后，滤层不产生或不明显产生上细下粗的分层现象；的分层现象；气气-水联合冲洗操作较为麻烦，池子和设备较复水联合冲洗操作较为麻烦，池子和设备较复杂，需增加鼓风机或空压机、储气罐等气冲设备。杂，需增加鼓风机或空压机、储气罐等气冲设备。气气-水联合冲洗时常用长柄滤头或复合气水反冲洗配水滤水联合冲洗时常用长柄滤头或复合气水反冲洗配水滤砖进行布气与布水，其结构如图砖进行布气与布水，其结构如图4-24和图和图4-25所示。所示。水水水水气气/水气/水单独水冲气/水反冲水气/水图 4-24 复合气水反冲洗配水滤砖套筒滤帽滤板直管气水图 4-25 气-水同时冲洗时长柄滤头工况示意气气-水联合冲洗时，水联合冲洗时，总的反冲洗时间总的反冲洗时间约为约为10min左右。左右。