濾層是指過濾器（池）中的過濾濾料層，它是過濾水處理過程中的關鍵部分。濾層的設計，應綜合考慮濾料的材質、粒徑及厚度等各項要求，以便使水經過過濾層後能達到所要求的處理水質。濾料層還可由不同性能濾料，按其不同比重和厚度組成多層濾料層（例如雙層濾料層或三層濾料層等）。
基本介紹
- 中文名：濾層
- 外文名：filter bed
- 學科：給水工程
- 設計因素：濾料的材質、粒徑及厚度
- 過濾工藝：非均質濾層下向過濾等
- 常用濾料：石英石、無煙煤、大理石
過濾工藝,濾池濾料,清洗,
過濾工藝
非均質濾層下向過濾
假設某水處理裝置採用有效粒徑約為0.55 mm的濾砂池，用一定強度的反向水流沖洗後促成了濾池的濾層膨脹。這個在原來裝入濾池時為均質的砂層經受水力分級後0.3 mm的細砂在濾層的表面，而0.9 mm的顆粒則在濾層底部。這樣濾料就變成非均質的，不利於濾床整個深度的利用。過濾的結果是截留的雜質都集中在濾層表面的幾厘米內，並引起很大的局部水頭損失，使濾池工作周期縮短，並導致水脫氣。
試驗研究表明，無論是在給水處理還是在污水處理上都不同程度地存在濾床中積氣的問題。濾池積氣將帶來三個不良影響：一是使過濾時的阻力迅速增大，大大增加了過濾時的水頭損失；二是在過濾過程中，有少量氣泡穿過濾層而上升至濾料表面，破壞了濾層的過濾作用；三是在反衝洗開始時，由於濾床中的氣泡大量上升，導致濾床強烈攪動，極易使濾料隨沖洗水流出池外，特別是對較輕的無煙煤濾料，更容易造成濾料的流失。因此在濾池用水開始反衝洗時，不宜馬上採用大強度沖洗，必須先用小強度沖洗，然後再逐漸加大，以免沖跑濾料，確保濾池正常工作。
均質濾層下向過濾
在均質深層濾池中，整個濾床深度濾料的有效粒徑在開始過濾時以及沖洗以後都是不變的。這種濾池是先用氣和水同時沖洗，而後在過濾介質不膨脹的條件下漂洗。在沖洗的第一階段，反洗是與氣洗相結合的，濾層並不膨脹，且當反洗流量小時，濾層反而具有一定程度的壓實；空氣可保證砂層的攪動是完全的，在氣洗以後，砂層完全和原先一樣是均勻的。在第二漂洗的階段（從濾池中去除已從砂層洗出並聚集在水表面的污物），濾床實際上不會膨脹。
在生產過程中，採用單一介質的石英砂作為濾料，要想達到理想狀態下的顆粒均勻是不容易的，這是因為砂粒不可能是完全的球狀體，顆粒大小做不到完全一致。油田給水或污水處理工藝過程中大多採用水反洗濾池，由於水力篩分的結果，必然會造成最細的砂排在最上面，最粗的砂排在最下面。
多濾層過濾
這種過濾可以是向下的，也可以是向上的，其目的是避免非均質濾層濾池所固有的表面堵塞和過濾速度受到限制的缺點。
1）向下過濾
為了提高這種濾池的濾速和延長其運行時間，常用有效粒徑大於其下面砂料的輕質材料來代替上面一層細砂。這種較輕的材料一般為無煙煤，由於無煙煤的相對密度比砂小，在反衝洗後它們仍然能保留在濾池的上部，大的無煙煤粒使濾層上部形成較大的孔隙，減慢了孔隙中水流阻力增長的速度，使水中各種雜質有機會進入深層下部，使濾層得到較為充分合理的套用，從而延長過濾時間。試驗和生產實踐都證明，一般在相同周期下，其產水量約比砂濾料快濾池多0.5～1.0倍。對於老廠來說，把濾砂池改成雙層濾料過濾是挖掘濾池潛力和提高出水量的有效途徑之一。無煙煤的有效粒徑較砂的有效粒徑大2～3倍為宜。
選擇每一濾層的粒徑時，應使沖洗水流量相同時濾料膨脹程度也相同。這樣可使濾料在重新開始過濾以前重新得到分級。
各種材料特別是上層濾料材料的均勻係數必須儘可能的低（不超過1.5），以防止雜質堵塞各濾層的表面。反衝洗流速的增加應與顆粒尺寸和水溫成正比，每一濾層必須可以至少膨脹10%～15%。在某些場合下，必須採取措施使反衝洗水流速與水溫相適應，
以便維持適當程度的膨脹且濾料又沒有隨排水流失的危險。在沖洗時，很難做到濾料一點不被沖走，所以每年必須補充5%～7%的濾料。在實際套用中，也有用3層或4層密料組成的濾池，相對密度越大且顆粒越小的放在濾床的最底層，例如相對密度為4.2的磁鐵砂被用作砂層下的濾料。這種多層濾池和雙層濾池一樣可改善雜質向深層滲入的情況，但是無論哪種濾池都不能解決必須進行反衝洗這一固有缺點。
2）向上過濾
在這種系統中，濾床粒逕自底部至頂部逐漸減小，目的還是使雜質能夠滲入濾床源部，以便儘量利用過濾體和延長過濾周期。另外，由於水自底部向上流，因而砂層會承受一種浮力作用，這種作用隨水頭損失的增加而增大，可使濾床上部的細砂產生局部膨脹區，在恢復過濾以前，濾床會泄漏幾分鐘。為克服這一缺點，常在頂部埋置固定在邊緣上有扁平柵條構成的水平格柵，用以穩定細砂。
這種格柵系統不能完全消除不希望有的突然膨脹，這種膨脹主要是在過濾水流量急劇或大幅度增加致使濾速加速時發生。為了進一步克服該缺點，應當採用更深的砂層。
每個濾池都必須裝有流速測量裝置和過濾水量計算儀表，以便根據過濾水量而不是水頭損失來確定是否需要衝洗；必須制定嚴格的操作規程，以保證流量的緩慢變化。由於上向流濾池本身存在的問題尚未得到很好的解決，故在我國很少採用上向流濾池。
3）雙向流過濾
雙向流式濾池是上向流濾池的改進形式，試圖用池中的分流（從頂部向下流與從底部向上流）來截住上向流的濾池。雙向流式濾池主要用於荷蘭和蘇聯，在我國大慶油田也有套用。雙向流式濾池允許過濾工作從兩個相對的方向同時進行，其容量相等，從而使結構上和排水系統上都得到某些節省。
雙向流式濾池存在一個固有的局限性，不能用以生產特別高質量出水。單一濾料雙向流式濾池的最細濾料放在上半部下向流濾床的頂部。這使濾床的上半部構成一個快濾池或表面式過濾池，由它得出的水的質量最好也不會超過普通快濾池的水質；濾池的下半部是一個由粗到細的濾池，但在濾床上部出口處的最細顆粒比普通快濾池中成功套用的最細顆粒還要粗。顯然，從這個濾床出來的水比下向流濾池產生的水質要差一些。雙向流式雙層濾料濾池構造比單一濾料雙向式濾床要好，其優點是把細砂放在更靠近中間收集管的地方，這樣便在由粗到細單一濾料（砂）的上向流床之上組成一個雙層濾料（煤一砂）的下向流濾床，最細砂粒的粒度根據實際套用情況決定，這一點上仍有局限性，如果砂粒比普通快濾池中的砂更細，由於必須使它在濾床的下半部構成最好的上向流濾池，則在反衝洗時砂粒會由於太細而被過多地提升到煤層中去。如果要使砂粒的級配在上半部適合於雙層濾料濾床，那么砂粒就顯得太粗，而使下半部濾床上向流過濾得不到最佳過濾效果，不論哪一半出來的水質都比不上混合濾料濾池的出水水質，對於這樣一個雙重問題，很難簡單地解決。
濾池濾料
濾池是通過濾層來去除懸浮固體的，濾層由濾料組成。濾料的最基本功能是提供黏附水中懸浮同體所需要的面積，除了長期使用的天然砂以外，將石英石、無煙煤、大理石、向雲石、花崗石、石榴石、磁鐵礦、鈦鐵礦等天然材料加工成合乎規格的顆粒，同樣也可以作為濾料。無機材料經燒結、破碎後，也可製成濾料，如陶粒濾料和陶瓷濾料。用人丁合成的粒狀材料作濾料是對傳統的濾料概念的一次擴大，反映了對濾料基本功能的深化認識，相對密度小於1的聚苯乙烯發泡塑膠珠以及比重略大於1的柱狀聚苯乙烯粒即屬於這類濾料。前者用於反向過濾，後者曾用作五層濾料的第一層。孔隙率高達90%的開孔泡沫塑膠塊直接作濾層，可以說是對傳統粒狀濾料概念的一種新的理解。這種塑膠對黏著懸浮同體所提供的不是它的孔隙表面積，而是塑膠塊的內表面積。
當選用天然材料作為濾料時，一般須滿足下列要求：
（1）具有足夠的機械強度，以免在沖洗的過程中，濾料出現明顯的磨損和破碎。磨損和破碎一方面使濾料粒徑變小，增加濾層的水頭損失；另一方面，破碎的細粒還可能進入濾出水中，或者沖洗時隨沖洗水流出濾池，增加了濾料的損耗。
（2）具有足夠的化學穩定性，以使在過濾的過程中，濾料不致發生溶解現象而引起水質的惡化。嚴格來說，一般濾料都有極微舒的溶解現象，但一般不影響用水的水質要求。例如常用的石英砂微溶於鹼性水，但生活用水對二氧化矽的含量沒有嚴格要求，所以石英砂作為濾料是沒有問題的。但某些工業用水（如鍋爐補充用水）對於SiO2的含量有嚴格要求時，用無煙煤代替石英砂作為濾料就比較合適。
（3）能就地取材，價廉。給水處理，最常用的濾料是石英砂，它可以是河砂或海砂，也可以是採砂場取得的砂。
（4）外形接近於球狀，表面比較粗糙而有稜角。這是因為，球狀顆粒問的孔隙比較大，表面粗糙的顆粒，其比表面積比較大，稜角處吸附力最強。
清洗
過濾裝置沖洗的目的是除去濾層中所截留的污物，使過濾裝置恢復過濾能力。沖洗方法通常採用水流自下而上的反衝洗，簡稱反洗。目前常用的反衝洗方法有以下三種：一是高速水流反衝洗：二是先用空氣攪動後再用高速水流反衝洗；三是表面水沖洗輔助的高速水流反衝洗。
目前普遍認為，無論是水反衝洗或氣、水聯合的反衝洗，截留在濾層中的污物，主要是在水流剪下力和濾料顆粒間碰撞摩擦雙重作用下，從濾料表面脫落下來，然後被沖洗水帶出過濾裝置。剪下力與沖洗流速和濾層膨脹率有關，沖洗流速過小，濾層孔隙中水流剪下力小，沖洗流速過大，濾層膨脹率過大，濾層孔隙中水流剪下力也會降低。
另外，反衝洗時濾料顆粒間相互碰撞摩擦幾率也與濾層膨脹率有關。膨脹率過大，由於濾料顆粒過於離散，碰撞摩擦幾率會減少；膨脹率過小，水流紊動強度過小，同樣也會導致碰撞摩擦幾率的下降。因此，應控制合適的濾層膨脹，保證有足夠大的水流剪下力和濾料顆粒間的碰撞摩擦幾率，從而獲得良好的反衝洗效果。
