多介质过滤器的滤料选型与级配优化

多介质过滤器的滤料选型与级配优化

与单一滤料过滤器相比，多介质过滤器的其核心优势在于：

形成理想的“滤质”分布：水流自上而下通过密度、粒径不同的滤料层，自然形成上粗下细的孔隙分布。

最大化过滤能力：粗滤料层（如无烟煤）负责拦截大量较大的悬浮物，细滤料层（如石英砂）负责精滤更小的颗粒，极大地延长了过滤周期，提高了截污容量。

减少水流阻力，防止表面快速堵塞：顶层粗滤料能有效防止悬浮物在滤层表面形成致密的“滤饼”，使水流顺畅地进入滤层内部进行深层过滤。

选型不仅仅是选择材料，更是选择其物理和化学属性。

1. 常用滤料及其特性

无烟煤：通常作为顶层滤料。其密度小（~1.6g/cm?），化学稳定性好，表面粗糙多孔，吸附能力强，截污容量大。但其硬度较低，长期运行有一定磨损率。需选择高密度、高硬度的优质无烟煤。

石英砂：核心中层或底层滤料。密度适中（~2.65g/cm?），硬度高，耐磨耐腐蚀，价格低廉，来源广泛。表面光滑，截污能力略逊于无烟煤。根据粒径分为粗砂和细砂，用于不同层级。

磁铁矿/钛铁矿：通常作为最底层滤料。密度大（>4.5g/cm?），在反冲洗时能稳定地停留在最下层，有效防止细砂和煤粒流失。价格较高，主要用于严格要求滤料分层稳定性的场合。

 

活性炭：特殊功能层（去除有机物、余氯、异味）。具有巨大的比表面积和强大的吸附能力。密度小，易流失；机械强度较低，磨损会产生粉末。通常不单独作为过滤介质，而是与石英砂等组成多介质滤床。

石榴石：替代磁铁矿作为底层高密度滤料。密度高（~4.2g/cm?），硬度大，颗粒棱角分明，形成的孔隙更小，过滤精度更高。

纤维球/滤料：用于超高精度过滤。孔隙率可变，截污容量极大。通常用于单独的精细过滤器，较少与传统颗粒滤料混用。

 

 

2. 滤料选型的关键决策因素

进水水质：悬浮物浓度、颗粒粒径分布、油含量、有机物含量等。高悬浮物：首选截污容量大的无烟煤。含油：需考虑疏水亲油性或表面改性滤料。需除有机物/余氯：可加入活性炭层。

出水要求：目标浊度、悬浮物含量。高要求需采用更细的底层滤料（如细石英砂）或多层配置。

化学兼容性：滤料必须能耐受进水的pH值、氧化剂等，避免溶解或结构破坏。

运行与维护成本：包括滤料成本、更换周期、反冲洗耗水耗电量。

级配优化是决定多介质过滤器性能的灵魂。其目标是在反冲洗后，各层滤料能完美分层，形成理想的“上疏下密”结构。

1. 核心原则：密度差与粒径差的协同

密度原则：这是实现分层的基础。必须确保顶层滤料密度 < 中层滤料密度 < 底层滤料密度。经典组合：无烟煤（1.6） < 石英砂（2.65） < 磁铁矿（4.5）。

粒径原则：在保证密度差的前提下，顶层滤料粒径 > 中层滤料粒径 > 底层滤料粒径。这确保了即使反冲洗水流扰动，密度更大的小颗粒也会沉降到底部。

一个关键概念：有效粒径比

为了避免不同滤料层在反冲洗时相互混杂（称“混层”），相邻两层滤料的有效粒径比是一个重要参数。经验上，上层与下层滤料的粒径比应大于等于2。例如，顶层无烟煤有效粒径为1.0mm，下层石英砂有效粒径应为0.5mm。

2. 经典级配方案与优化策略

 

双层滤料：上层-无烟煤（粒径0.8-1.2mm），下层-石英砂（粒径0.4-0.8mm）。总厚度通常700-900mm，煤砂厚度比约为1.5 : 1或2 : 1（例如：600mm煤+300mm砂）。应用最广泛，经济性好，适用于大多数普通水质。

三层滤料：上层-无烟煤（1.0-1.6mm），中层-石英砂（0.4-0.8mm），底层-磁铁矿/石榴石（0.2-0.5mm）。总厚度通常900-1200mm。比例示例：500mm（煤）: 300mm（砂）: 100mm（铁）。

3. 级配优化控制

不均匀系数（K80）：K80=d80/d10。d10（有效粒径）和d80是关键参数。

选择K80尽可能小的滤料。K80越小，代表滤料粒径越均匀，形成的孔隙结构越一致，过滤效果更好，水头损失增长更慢。

反冲洗强度与膨胀率：找到能使无烟煤层有适当膨胀（如20%-30%），而石英砂层仅微膨胀或不膨胀的反冲洗强度。通过调节反冲洗水量和气量（如果采用气水联合反冲洗），确保既能洗净滤料，又能最大限度地减少混层。

ps：实践中的常见问题

问题1：反冲洗强度过大；排水装置（如水力分布器）损坏；底层高密度滤料层厚度不足。

对策：检查设备，确保底层支撑层（鹅卵石、磁铁矿）的级配和厚度符合设计要求。

 

问题2：进水中的藻类、粘性物质、铁锰氧化物等造成；反冲洗不彻底。

对策：加强预处理；定期进行空气擦洗+水反冲；考虑化学加强反洗。

问题3：粒径比不当、反冲洗强度过高、滤料密度差不足。

对策：重新核算级配，选择合适密度和粒径的滤料；精确控制反冲洗程序。