国内外水处理滤料级配表示方法对比
发布时间：
2022-07-19 11:12
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水处理滤料是滤池的关键材料，滤料级配是产品生产、滤池设计、生产运行过程中的重要指标。然而，目前水务行业对滤料级配表示方法不规范，甚至有的级配要求不切合滤料的生产实际，导致发生不必要的纠纷。在对比研究欧盟、美国及国内的教材和标准关于滤料级配表示方法内涵的基础上，提出滤料级配的两类推荐性表示方法，强调不可同时采用两类方法表示同一滤料的级配，不可片面要求均匀系数小到接近1，建议今后在国家工程建设标准体系中补充完善水处理滤料级配表示方法。水处理滤料是滤池的关键材料，滤料级配是产品制造、滤池设计、生产运行过程中的重要指标。针对国外及我国不同时期滤料级配的表示方法，通过从滤料生产、滤池设计、项目管理等方面进行分析，提出滤料级配的推荐表示方法以促进水处理行业规范有序地发展。
目前用于水处理的过滤材料主要包括颗粒滤料、纤维滤料、改性滤料或者各种滤料的组合，其中常用的颗粒滤料主要包括石英砂、无烟煤、高密度矿、陶粒滤料、颗粒活性炭等。颗粒滤料是供水排水工程中滤池的关键材料，在保障滤池出水水质中起着决定性的作用。粒径级配是滤料最重要的参数，其表示方法对滤料生产、设计、采购、运行管理至关重要。粒径级配的表述须符合社会发展现状，有利于国家经济建设，有利于人民身心健康。而进入我国水务市场的欧美公司以及我国本土水务行业对滤料级配表示方法不尽相同。更有甚者，在技术需求文件中提出的级配要求在实际中很难生产出满足要求的滤料产品。因此文章整理分析国内外有关水处理滤料粒径级配的表示方法，以供同仁参考借鉴。
1 国外滤料级配表示方法
1.1 欧盟
欧盟关于水处理滤料的标准有Products used for treatment of water intended for human consumption-Inorganic supporting and filtering materials-Definitions（EN 12901: 2000）（中文译为《水处理用产品-滤料和承托料-定义》和Products used for treatment of water intended for human consumption — Silica sand and silica gravel（BS EN 12904∶2005）（中文译为《水处理用产品—石英砂和砾石》）。EN 12901标准规定了滤料和承托料相关指标的定义。BS EN 12904标准规定了石英砂和砾石指标的要求、试验方法以及标识运输和储存。其中关于石英砂和砾石承托料粒径级配指标定义与要求的内容如下：粒径级配应采用下面（1）、（2）两种方法中的一种进行表示。
（1）用有效粒径（Effective size，d10）、均匀系数（Uniformity coefficient，U）、最小粒径d1（Minimum size，d1）表示。
有效粒径（d10）：在粒径分布曲线上仅有10%（以质量计）的颗粒通过的筛孔孔径，最大偏差限值为±5%。
均匀系数（U）：60%（以质量计）颗粒通过的筛孔孔径与10%颗粒通过的筛孔孔径的比值，小于1.5。
最小粒径d1 ：仅有1%(以质量计)的颗粒通过的筛孔孔径，最大偏差为±5%（注：为了获得在小粒径端连续的颗粒粒径分布，需要测定d1值）。
（2）用粒径范围（Particle size range）、大于最大粒径的质量百分含量（Oversize percentage）、小于最小粒径的质量百分含量（Undersize percentage）表示。
最大粒径：分析滤料级配时最大筛孔的孔径。
最小粒径：分析滤料级配时最小筛孔的孔径。
大于最大粒径的质量百分含量：未通过最大筛孔试验筛的滤料颗粒的质量百分比。
小于最小粒径的质量百分含量：通过最小筛孔试验筛的滤料颗粒的质量百分比。
一般而言，小于最小或大于最大粒径的质量百分含量限值为：多层滤料滤池的滤料为5%，单层滤料滤池的滤料为10%，砾石承托层为15%。标准对此第（2）种表示方法进行了举例说明，见表1。
表1 粒径范围实例
1.2 美国
美国水协标准Granular Filter Material （ANSI/AWWA B10016）（中文译为《颗粒过滤材料》）描述了无烟煤、石英砂、高密度矿和砾石承托料的定义、指标要求、检测、包装和运输等内容，其中关于滤料术语和粒径级配内容如下:
1.2.1 术语
主要术语有：滤料、粒径大小、有效粒径、均匀系数等。过滤材料：用于水处理滤池中的滤料和砾石承托料。滤料：过滤中用于去除水中颗粒物的高密度矿、石英砂和无烟煤等。粒径大小：由标准筛筛分确定的滤料颗粒的各种尺寸和尺寸范围。有效粒径(ES)：通过10%（按干重）滤料样品的筛孔孔径。例如，经过筛分，如果通过滤料样品的10%（按干重）的筛孔孔径为0.45mm，则滤料的有效粒径为0.45mm。均匀性系数(UC)：通过60%滤料样品（按干重)的筛孔孔径与通过10%同一样品(按干重）的筛孔孔径的比值。
1.2.2 滤料级配表示方法
美国水协标准对滤料级配的表示方法有两类，一类用质量百分含量表示，另一类以有效粒径和均匀系数表示。
（1）用质量百分含量表示。用质量百分含量表示滤料级配的方法分两种。
第一种方法规定滤料样品的不同粒径范围内所占的质量百分含量。例如，按质量计算，粒径大小在X mm至Y mm之间的滤料质量占样品总量的10%；粒径在A mm至B mm之间的滤料质量百分含量为60%；粒径在S mm至T mm之间的滤料占比为90%。由于标准筛不可能将滤料筛分成完全等于总量的10%、60%和90%的精确值，因此与百分比对应的筛孔尺寸须从每个筛子通过样品的百分含量曲线中根据筛孔孔径用插入法求得。
第二种方法用比要求的粒径小的滤料质量百分含量表示。例如，小于0.4mm的滤料质量百分含量应在滤料总量的X%至Y%之间。通过标准筛的孔径相对应的百分比X%和Y%，可以直接使用筛分结果而无需绘图。
（2）用有效粒径和均匀系数表示。1892年，HAZEN发现松散状态下石英砂滤料的渗透性与有效粒径和均匀系数有关。通过实践表明，用效粒径和均匀系数共同表示滤料级配是适用的。
例如：无烟煤的有效粒径范围一般为0.6~1.6 mm，均匀系数不大于1.7。石英砂滤料的有效粒径范围一般为0.35~0.65 mm，均匀系数不大于1.7。高密度矿石的有效粒径范围一般为 0.18~0.60 mm，均匀性系数不大于2.2。
均匀系数的大小通常由用户指定，并考虑滤料的密度，以实现适当的分层，尽量减少混合，并防止反冲洗过程中跑砂。
颗粒活性炭（GAC）用作过滤滤料时，其有效粒径范围为0.5~1.5mm，均匀系数不大于2.1。
1.2.3 级配表示方法的选择
对于同一滤料产品的级配，只能用其中一类方法表示，不能同时用两类方法表示，要么用质量百分含量表示，要么用有效粒径与均匀系数表示。
2 国内滤料级配表示方法
我国水处理高速发展的时期来得比较晩，在改革开放前，还没有滤料产品的行业标准。在20世纪80年代，中国市政工程中南设计研究总院有限公司受住房和城乡建设部委托，编制了《水处理用石英砂滤料》《水处理用无烟煤滤料》 《水处理用磁铁矿滤料》《砾石承托料》《磁铁矿承托料》标准，使水处理用的大部分滤料有了统一的行业标准，为国内自来水行业提供了使用滤料的依据。2005年将5部行业标准进行修订，整编为现行的城镇建设行业标准《水处理用滤料》（CJ/T 43-2005）。关于给水设计标准，也是随着技术进步，经历了多次修订，现行国家标准为《室外给水设计标准》（GB 50013-2018）。我国不同年代出版的给水工程教材中关于滤料表示方法大多与当时的标准规范一致。
2.1 旧版给水工程教材及规范对滤料级配的表示方法
中国建筑工业出版社1999年出版的《给水工程》第4版教材中描述了两种滤料级配的表示方法，一种用有效粒径和不均匀系数表示，另一种用最大粒径、最小粒径和不均匀系数联合表示。
（1）有效粒径和不均匀系数法。以滤料有效粒径d10和不均匀系数K80表示滤料粒径级配，见式（1）。
（2）最大粒径、最小粒径和不均匀系数法。采用最大粒径dmax、最小粒径dmin和不均匀系数K80来控制滤料级配，与我国旧版《室外给水设计规范》（GBJ 13-86）中所采用的滤料粒径级配表示方法一致，见表2。严格地说，表2中K80有一个数值幅度，即上、下限值。因为在dmax和dmin已定条件下，从理论上说，如果K80趋近于1，则d10和d80将有一系列不同选择。整个滤层的滤料粒径可以趋近于dmin，也可趋近于dmax，这在滤层厚度、滤速和反冲洗强度一定条件下，对过滤和反冲洗都将带来一定的影响，如果滤料粒径过大，则可能冲洗不干净，倘若粒径过小，则可能会跑砂。
表2 滤料级配及滤速
注:滤料密度一般为：石英砂2.60~2.65 g/cm³，无烟煤1.40~1.60 g/cm³，重质矿石4.70~5.00 g/cm³
2.2 新版给水工程教材及标准对滤料级配的表示方法
中国建筑工业出版社2020年出版的《给水工程》第5版教材与最新《室外给水设计标准》(GB 50013-2018)一致，都采用有效粒径及均匀系数来表示，针对不同滤料种类规定了滤料组成和正常滤速及强制滤速的大小，仅局部符号表示和取值稍有区别，GB 50013-2018的相关规定见表3。
2018版《室外给水设计标准》中均匀级配粗砂滤料组成要求与单层细砂滤料及双层滤料不尽相同，单层细砂滤料及双层滤料产品的有效粒径是明确的数值，只是有一定允许偏差；均匀级配粗砂滤
料的有效粒径不是一个明确数值，而是一个范围，标准规定的涵义为石英砂的有效粒径的范围在0.90~1.20mm时，要求均匀系数K60<1.6。同时要注意标准中“石英砂d10=0.90~1.20”指的是有效粒径，不是指滤料的最小粒径与最大粒径之间的范围，两者不能混淆。
相比GB 50013-2018，GB 50013-20062006版《室外给水设计标准》中还有三层滤料滤池的有关规定，其表达方式也采用有效粒径及不均匀系数的形式。对于均匀级配粗砂滤料的表示，两个版本的区别在于均均系数的表示形式及取值的不同，2006版规定K80<1.4，2018版为K60<1.6，从表示形式和取值上看，2018版要求更符合社会生产和使用状况，纠正了盲目追求均匀系数过小的现象。
根据《试验筛金属丝编织网、穿孔板和电成型薄板筛孔的基本尺寸》（GB/T 6005-2008）中关于标准试验筛筛孔尺寸有主要尺寸系列和补充尺寸系列，推荐选择主要尺寸系列，对常用的水处理滤料的粒径大小，选择的筛孔主要尺寸大小比值为1.4，补充尺寸大小的相邻比值有1.19和1.12。如果要求K80<1.4或更小，则不能配置出合理的用于样品筛分并能绘制出筛分曲线的一系列标准试验筛，即很难筛分出符合要求的滤料。只有使用大量的原料才能生产出极少量的合格产品，导致浪费大量天然的不可再生资源,企业几乎不可能实现批量生产。
因此，2018版《室外给水设计标准》中对均匀系数的取值作了合理的调整，增大了均匀系数的限值。
2.3 行业标准对滤料级配的表示方法
中华人民共和国城镇建设行业标准《水处理用滤料》（CJ/T 43-2005）对水处理用滤料的技术要求、检验方法、铺装方法进行了规定。其中对滤料级配的有关内容为：滤料的粒径范围、有效粒径(d10)、均匀系数(K60)或不均匀系数(K80),由用户确定。在用户确定的滤料和承托料粒径范围中，小于最小粒径、大于最大粒径的质量百分含量均应小于5%(按质量计)。
CJ/T 43-2005标准仅对超出滤料粒径范围的质量百分含量作出了规定，没有明确滤料粒径级配的表示方法和实例。
2.4 团体标准
团体标准《城镇水处理用滤料和承托料》（T/CAMIE 05-2021）对滤料级配的表示方法进行了规定。在技术要求部分对两种不同表示方法的级配分布进行了规定，具体内容为：
方法a：用粒径范围d1~d2表示，同时对超过粒径范围的质量百分含量进行了要求。示例：0.90~1.40mm，粒径小于0.90mm与大于1.40mm的滤料样品百分含量均不大于5%。采用方法a（粒径范围d1~d2）表述时，滤料级配宜满足表4的要求。
方法b：用有效粒径d10及均匀系数K60或K80表示。示例：d10=0.95 mm±0.05 mm，且K60≤1.6或K80≤1.8。采用方法b时，滤料及配宜满足表5要求。
3 总 结
3.1 表示方法
国内外关于滤料级配的表示方法有两大类，分别以质量百分含量和有效粒径为主体，只是每类方法中包含的具体内容有所不同，如表6所示。采用有效粒径和均匀性系数表示时，欧盟标准多了最小粒径（d1）指标。美国标准中粒径范围和质量百分含量按滤料样品中不同粒径范围对应不同的百分含量表示，描述得更为细致。我国以有效粒径为主体的表示方法在不同时期对均匀系数表示略有不同，早期用K80表示，近年来，K60与K80两种均有。以粒径范围表示方法有两种，一种是与均匀系数联合表示，一种是与超出粒径范围的滤料质量百分含量限值联合表示。
3.2 对比分析（见表6）
(1）以粒径范围及超出需求的最大与最小粒径的质量百分含量的表示方法中的最大与最小粒径最好与标准筛的孔径大小一致，这可直接通过标准筛筛分生产出所需要的滤料产品。因此，这种方法在生产过程中易于控制产品质量，在实际生产应用中是可行的。
(2）有效粒径和均匀系数（或不均匀系数）的表示方法，是从滤池的生产运行过程中发现的，符合滤池运行的规律，因而该表示方法也是可行的。有效粒径与滤料滤层厚度有一定的线性相关性，即滤层厚度是滤料有效粒径的几何倍数，不同有效粒径大小的几何倍数大小不一样。2018年版《室外给水设计标准》规定滤层厚度与有效粒径之比：细砂及双层滤料过滤应大于1 000，粗砂滤料过滤应大于1 250，取值与美国标准一致，这有利于设计人员对滤池的滤料组成及滤层厚度和滤速选择适当的取值。
用有效粒径和均匀系数要求的滤料是可以通过计算和曲线分析的数据实现生产出符合要求的产品。只需先满足有效粒径d10，再通过不均匀系数或均匀系数计算出d80或d60，在筛分曲线上补充完整d10以下以及d80或d60以上的曲线部分，得到完整的曲线图，再根据曲线选择合适的标准筛，即可生产出满足要求的产品。因而从生产上考虑，此种表示方法是合适的。
欧盟标准中还有最小粒径d1联合表示，因要求过筛1%的滤料，一般难以用标准筛达到此小比例的要求，在我国和美国没有相关要求。在检测欧洲有关水务公司的滤料样品时，也未有最小粒径d1的指标要求。
(3）以最大粒径、最小粒径及超出最大与最小粒径的质量百分含量和均匀系数同时表示滤料产品的级配的方法，相当于既规定了滤料的最大粒径、最小粒径以及超出其粒径范围的滤料质量百分含量，又规定了d60（或 d80）与d10的比值，将两类表示方法混合在一起，这样会导致很难生产出符合要求的产品。例如要求粒径范围0.50~1.00mm，粒径小于0.50mm以及大于1.00mm的滤料百分数不大于5%，同时要求K60<1.5。要满足粒径小于0.50mm以及大于1.00mm的滤料百分数不大于5%的要求，只需放置孔径0.50mm、1.00mm以及0.50mm到1.00 mm之间的3至5个标准筛筛出其中的滤料，取筛出的0.50mm与1.00mm之间滤料90%以上，分别配以0.50mm以下或1.00mm以上的不足5%的滤料即可。若要同时满足均匀系数的要求，其中的d10、d60或d80不是一个定值，故不能选择合适的标准筛以满足产品需求。因此以最大粒径、最小粒径及超出最大与最小粒径的质量百分含量和均匀系数同时表示的方法是不可取的。
这种将最大粒径、最小粒径及均匀系数同时表示滤料级配的方法在旧版教材中出现过，在新版《给水工程》（第5版）教材和2018版《室外给水设计标准》中则没有出现。
4 建议与展望
（1）滤料级配表示方法有两类，第一类方法采用最大最小粒径（粒径范围）及超出最大最小粒径以外的滤料质量百分含量或不同粒径段滤料质量百分含量来表示。第二类方法采用有效粒径d10及均匀系数K60或K80表示。
对于同一滤料产品，只能采用两类方法中的一种表示，不能同时采用两类方法或两类方法中的指标混合表示。
（2）用有效粒径d10及均匀系数K60或K80表示滤料时，根据不同的滤池形式提出合理的滤料规格需求，不能片面强调K60或K80接近1。就均质滤料滤池而言，有效粒径范围为0.90~1.00mm，均匀系数小于1.6。
（3）不同的滤池型式对滤料的要求不同，如单层细砂滤料、双层滤料、均匀级配粗砂滤料分别对应不同配水和反冲洗方式以及滤层厚度的滤池，不能简单地认为均质滤料滤池比普通快滤池等其他池型的滤池好，也不能片面地认为均匀级配粗砂滤料比单层细砂滤料好。
（4）建议在国家或工程建设行业标准中完善水处理滤料级配表示方法等内容，以促进滤料行业健康有序地高质量发展。
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