2.2 过滤与反冲洗实验

2.2.1实验目的

过滤是具有孔隙的物料层截留水中杂质从而使水得到澄清的工艺过程。常用的过滤方法有砂滤、烧结管微孔过滤、金属丝编织物过滤等。过滤不仅可以去除水中细小的悬浮颗粒杂质，而且细菌、病毒及有机物也会随水浊度的降低而被去除。为了保证滤后水质和过滤速率，当过滤一段时间后，需要对滤层进行反冲洗，使滤料层在短时间内恢复工作能力。反冲洗对过滤器运行至关重要，如果反冲洗强度或者冲洗时间不够，滤层中的污泥得不到及时清除，会造成滤料板结，影响出水水质和运行周期。反冲洗的关键是控制合适的反冲洗强度（膨胀率）和冲洗时间。本实验模拟滤池的构造，内装石英砂滤料或陶瓷滤料，对自然水体进行过滤和利用自来水进行反冲洗实验。

通过本实验，希望达到下述目的：

(1)了解过滤系统的组成与构造。

    (2)观察反冲洗过程，进一步了解反冲洗原理，了解过滤设备运行操作方法。

    (3)加深对滤出水浊度的变化、以及滤速与滤层水头损失的关系的理解。

(4)通过实验确定滤池合适的反冲洗时间、冲洗强度与滤层膨胀率关系，计算反冲洗强度与滤料膨胀率的关系。

2.2.2实验原理

快滤池主要通过筛滤作用、沉淀作用和接触絮凝作用，使滤料层能截留粒径远比滤料孔隙小的水中杂质。要想过滤出水水质好，除了滤料组成须符合要求外，滤前投加混凝剂也是必不可少的。为了保证滤池出水水质，常规过滤的滤池进水浊度不宜超过10～15度。本实验采用投加混凝剂直接过滤，进水浊度可以高达几十度以至百度以上。因原水加药较少，混合后直接进入滤池，形成的矾花粒径小、密度大，不易穿透滤层，故允许进水浊度较高。

当过滤水头损失达到最大允许水头损失或滤池出水浊度超过规定值时，滤池需进行反冲洗。反冲洗的目的是除去滤层截留的污物，恢复滤床的过滤能力。反冲洗的方法有两种：水洗和水气联合清洗。反冲洗对过滤器运行至关重要，如果反冲洗强度或者冲洗时间不够，滤层中的污泥得不到及时清除，当污泥积累较多时，滤料和污泥粘结在一起变成泥球甚至泥毯，使过滤过程严重恶化；如果反冲洗强度过大或历时太长，则耗水量必然增大，且易造成细小滤料流失，甚至底部卵石错动而引起漏滤料现象。因此，反冲洗的关键是控制合适的反冲洗强度（膨胀率）和冲洗时间。

实验条件不足时，可利用自来水进行反冲洗。反冲洗开始时，滤料层未完全膨胀，相当于滤池处于反向过滤状态；当反冲洗速度增大后，滤料层完全膨胀时，处于流态化状态，且具有一定的膨胀率。截留在滤料层中的悬浮物在水流剪切力和滤料颗粒碰撞的双重作用下，从滤料表面脱落下来，然后被冲洗水带出滤池。而水气联合清洗利用上升空气气泡的振动作用可有效地将附着于滤料表面的污物擦洗下来，且增大了滤料表面的剪切力，增强了滤料颗粒间的碰撞摩擦作用，因此水冲洗强度可降低，减少了反冲洗水的流量，而此时颗粒更密集，碰撞摩擦的概率增大，因而反洗效果远远比水洗好。根据滤料层膨胀前后的厚度由下式（2-1）便可求出膨胀度(率)：

                        （2-1） 

式中：——砂层膨胀后的厚度，cm；

——砂层膨胀前的厚度，cm。

膨胀率和反洗强度是从两个不同角度表示同一反冲洗强弱程度的指标，膨胀率是用滤床流态化程度表示冲洗强弱的，而反洗强度则是以反洗水流速大小表示反冲洗强弱的。因此，生产中可用其中一个指标作为控制的依据。

根据运行经验，反冲洗排水浊度降至10～20度以下即可停止冲洗。冲洗停止时，滤层中仍有少量杂质滞留在滤层中，故初滤水浊度较高。滤池运行一段时间（约5～10min或更长）后，出水浊度始符合要求。时间长短与原水浊度、出水浊度要求、药剂投加量、滤速、水温以及反冲洗情况有关。

2.2.3实验装置与设备

1.实验装置

本实验采用如图2.2所示的实验装置。过滤原水来自高位水箱，反洗水来自自来水。高位水箱的容积大于25L，高出地面1.5m。过滤柱1套：有机玻璃管（内径d=30mm，L=600mm）与水箱之间用乳胶管连接，利用可调式止水夹控制流量和反洗强度。

图2.2 过滤和反冲洗系统示意图

2.实验设备和仪器仪表

(1)量筒：1000mL，100mL，各1个。

(2)浊度仪：1台。

(3)卷尺、秒表、温度计、玻璃棒： 各1个。

(4)50mL烧杯：2个。

(5)乳胶管。

(6)可调和不可调止水夹： 各2个。

(7)混凝剂聚合铝等。

2.2.4实验步骤

（1）在滤柱中装入滤料，高度不超过滤柱高度的1/3。开K3进反洗水（自来水），开K4排水，将滤料进行一次反冲洗，冲洗强度逐渐加大，使滤料膨胀率达到50~100%，稳定5~8分钟，以便去除滤层内的气泡。

（2）冲洗至出水较澄清，停止反洗，关K3，开底部出水阀门K2，降低柱内水位至略高于滤层，关K4。将滤柱有关数据记入表2-3。

（3）测原水浊度和水温。根据原水水质情况确定是否加混凝剂，可分组加或不加，再进行比较。有关数据记入表2-3。

（4）通入原水，开始过滤，快速调节滤速到8m/h左右（用量筒和秒表计算流量）。1min、3min、5min、10min、20min及30min时测出水浊度，并用1000mL量筒测滤出水量，记入表2-3。

（5）快速调节滤速到至16m/h左右，加大滤速后的1min、3min、5min、10min、20min及30min也测出水浊度和用1000mL量筒测滤出水量，记入表2-3。

（6）结束过滤，滤层厚度L0记入表2-4。

（7）做反冲洗流量与滤层膨胀率关系实验。慢慢开启反冲洗进水阀门K3，使滤料刚刚膨胀起来，待滤层表面稳定后，反冲洗流量和滤层膨胀后的厚度L记入表2-4。

（8）开大反冲洗阀门K3，改变反冲洗流量3～4次，直至最后一次滤层膨胀率达100%为止。同样每次待滤层表面稳定后，反冲洗流量和滤层膨胀后的厚度记入表2-4。

（9）利用式（2-1）计算滤层膨胀率，结果也记入表2-4。

注意事项

（1）滤层厚度也不宜太少，应大于10cm。

（2）在实验开始反洗时，要注意冲洗流量由小逐渐变大；另外，进水压力的变化及其进出水管都会影响过滤流量，应在开始过滤后，尽量保持不动，使过滤流量不变。

（3）滤速调节宜快，才方便进行初滤水浊度的测量。

2.2.5实验结果整理

1.过滤实验结果整理

表2-3过滤实验记录

姓名                  同组姓名                      实验日期               

原水水温         ℃   混凝剂种类、浓度                    投药量         mL

滤柱内径         mm  滤料名称、规格                      滤层厚度       cm

由表2-3实验数据，以过滤制水量为横坐标，出水浊度为纵坐标，绘制滤速8m/h时的出水浊度变化曲线，观察出水浊度变化情况。设出水浊度不得超过3NTU，问滤柱运行多少分钟出水浊度才符合要求？同样在图上绘制滤速16m/h时的出水浊度变化曲线。比较不同滤速时出水浊度的不同。

2．反冲洗实验结果整理

表2-4 反冲洗强度与滤层膨胀率关系实验记录

由表2-4实验数据，以式（2-1）计算滤层膨胀率， 然后以冲洗强度为横坐标，滤层膨胀率为纵坐标，绘制冲洗强度与滤层膨胀率关系曲线。

2.2.6 思考题

（1）滤层内有空气泡时对过滤、冲洗过程有何影响？滤柱歪斜时对过滤、冲洗过程有何影响？

（2）当原水浊度一定时，采取哪些措施能降低初滤水出水浊度？怎样才能更好地检测初滤水？

（3）比较滤速对滤出水浊度的影响，并比较混凝剂加药和不加药时对出水浊度的影响。

2.3混合树脂的分离与鉴别实验

2.3.1实验目的

常用树脂的类型有四种：强酸性、强碱性、弱酸性和弱碱性。它们各有其特性与用途，不能混淆。在新树脂到货时，应对其性能如类型、交换能力等进行测定，经检验合格后方能使用。另外，当库存树脂种类较多、不慎有所混淆时，也需要及时鉴别类型，以免发生误差影响生产。因此通过本实验可以：

(1)掌握离子交换树脂类型的鉴别方法；

(2)加深对不同类型离子交换树脂特点的认识。

2.3.2实验原理

    一般强性树脂的出厂型为盐型，而弱性树脂的出厂型则为H+~OH-型。故以出厂型式的树脂为准，进行实验。根据实验反应结果能确定树脂类型，其反应原理如下图。四种类型树脂在鉴别过程的反应和特征见图2.3。

图2.3 4种类型树脂在鉴别过程中的离子反应方程

2.3.3药品及仪器

(1)1 mol/L HCl。

(2)10％CuSO4+1％H2SO4。

(3)5 mol/L NH4OH。

(4)1 mol/L NaOH。

(5)0.5％酚酞、0.1％甲基红各50mL。

(6)混合树脂样品30 mL。

(7)50 mL滴瓶：2个。

(8)30 mL试管：5个。

(9)除盐水。

(10)试管架、长滴管、试管刷1个

2.3.4 实验方法及步骤

1.离子交换树脂的分离：

（1）取混合树脂样品10ml左右，放入30ml试管中，吸出多余的水；

（2）加入10ml饱和NaCl溶液，摇动，则一种树脂上浮，另一种树脂下沉；

（3）用吸管将上层树脂吸出，置于另一试管中，分离完成。

2.离子交换树脂的鉴别：  

第一步：

(1)将两只试管中树脂上的附着水吸出。

    (2)两只试管中各加入1 mol/L HCl 5 mL，摇动1～2 min，将上清液倒出，重复此操作2～3次。

    (3)加入10 mL除盐水清洗，摇动1～2 min，将上清液倒出，重复2～3次。

    (4)往上述两只试管中加入10％酸性CuSO4溶液5 mL，摇动1～2 min，然后用除盐水充分清洗2～3次。

    (5)把两只试管进行比色，看颜色是否有变化，浅绿色的为阳树脂，不变色的为阴树脂。

    第二步：

    (1)经第一步处理后，如树脂变色(浅绿色)，再加入5 mol/L NH4OH溶液5～10mL，摇动1～2min，重复2～3次。

    (2)用除盐水充分清洗2～3次，如树脂颜色加深，变为深蓝色，则为强酸性阳离子交换树脂。如不变色，则为弱酸性阴离子交换树脂。

    (3)把经第一步处理后不变色的树脂拿来，加入1 mol/L NaOH 5mL，摇动1～2 min，将上清液倒出，重复2～3次。再用除盐水充分清洗后，加入0.5％酚酞2滴，摇动1～2 min。

    (4)用除盐水清洗2～3次。

    (5)经此处理后，树脂呈粉红色，则为强碱性阴离子交换树脂。

    第三步：

    经处理后不变色则：   

(1)加入1 mol/L HCl 5mL，摇动1～2 min，将上清液倒出，重复此操作2～3次。然后用纯水清洗2～3次，加0.1％甲基红指示剂3～5滴，摇动2～3 min。

    (2)用除盐水充分清洗后，比色。

    (3)经处理后，树脂呈桃红色，则为弱碱性阴离子交换树脂。经处理后，如树脂还不变色，则为惰性树脂或不是树脂。

2.3.5实验结果整理

根据实验结果说明实验试样的树脂类型并记入表2-5。

表2-5 实验结果记录

姓名               同组姓名                    实验日期              

2.3.6问题与讨论

(1)比色并说明变色规律及反应原理。

(2)通过实验现象说明反应交换时间对鉴别效果的影响。