无烟煤滤料的水力筛分现现象及颗粒的排列方式
一、滤料水力筛分现象
当滤料是单层滤料时，由于滤料颗粒的大小不一，反冲洗时在上升水流中所受到的重力不同，向上流动的水流速度把滤层托起来，使砂粒处于悬浮状态，且顺着水流方向从大到小排列，反洗结束后，处于悬浮状态的滤料，自动地重新按小颗粒在上、大颗粒在下的顺序排列，这称为水力筛分现象，又称为水力分级现象。
二、滤料颗粒的排列方式与过滤性能的关系
滤料颗粒的排列方式是滤池过滤的关键，顺着过滤水流方向观察滤料粒径的变化，大约可以分为四种情况，即粒径相同的均径滤床、粒径由小变大的下向流普通滤床、粒径由大到小的上向流滤床、粒径在同一层内部粒径由小变大排列的双层滤床，如图4-3所示。
在水的过滤过程中，水中悬浮杂质在滤层行进过程中沿层逐级截留，悬浮杂质是一群各种不同尺寸的杂质混合群体，因尺寸和黏着力的差异，被截留的难易程度是先易后难。因此，水在滤层流动过程中，易除去的悬浮杂质优先被上游滤层截获，残留的较难除去的悬浮杂质进入下游滤层。沿过滤水流方向看，越往滤层深处走所剩悬浮杂质的除去难度越大，故滤层的截污能力是随滤料粒径增加而变小的。
三、均径滤床
在均径滤床中水中悬浮物除去难度沿层增加，而滤料截污能力没有相应增强，因此，上层没能截留的悬浮物也难被下层滤层截获，或者说需要更厚一层滤料才能达到与上层同等的截污效果。可以看出，用均径滤料所构成的滤层对过滤是不理想的，均径滤料难于在生产中使用，在研究过滤的理论时有时用均径滤料做实验。
四、普通滤床
当石英砂新装入滤池时，形成的滤层是均质滤层，在水流反洗以后由于存在水力筛分现象，粒径小的滤料留在了上层，沿滤层的厚度方向滤料是按从小到大的顺序排列的。形成了分级滤料滤层，如图4-3(b)所示。可以说单层滤料的滤层都是分级滤料滤层。
分级滤料滤层在过滤时有两个不利之处，一是上部滤层由于孔隙小，能容纳的悬浮固体比下部滤层少，整个滤层的容纳能力不均匀。另一个是水流通过上部滤层的阻力比下部大，在截留悬浮固体后变得更严重。从整体上看，这种过滤方式是用截污能力较强的细滤料(表层)去拦截水中容易除去的大颗粒杂质，用截污能力较弱的粗滤料(底层)去拦截水中较难除去的小颗粒杂质，也就是说沿着水流方向滤床截污能力由强到弱的变化与水中杂质先易后难的分级筛除很不适应。所以，该滤床出水水质差，过滤周期短。这种过滤，事实上会造成污泥绝大部分堆积在上层，导致滤层阻力增长过快，水头损失太大，在过滤的水头损失达到允许值的时候，整个滤层的截留悬浮固体能力未能发挥出来。
五、上向流滤床
从上面分析可以看出，单层滤料下向流过滤的固有缺陷是沿过滤水流方向滤料颗粒由小到大排列，为消除这一缺陷可以考虑改变水流方向，让水自下而上通过滤料层，即采用向上流过滤，如图4-3(c)所示。
采用向上流过滤时，滤料沿滤层从粗到细排列，截污能力沿层渐增，因而实现了全层滤料截污能力与残留杂质除去难度的较佳匹配。这种滤床性能优越，截污容量大，过滤周期长，出水水质好，水头损失增长慢。
六、多层滤床
为消除单层滤料下向流过滤的固有缺陷的另一个办法是采用多层滤料。通过选择密度不同的两种或三种滤料，做到反冲洗后轻而粗的滤料在上层，细而重的滤料处于下层，形成上粗下细的较佳排列，图4-3(d)为两种滤料形成的双层滤床示意图。双层滤料每种滤料装填一定高度形成一层，两层叠加共同构成滤床。现已用于生产的有无烟煤滤料和石英砂组成的双层滤床，以及无烟煤滤料、石英砂和重质矿石组成的三层滤床。
当水由上而下通过多层滤料床时，上部粗滤料除去水中较大尺寸的杂质起粗滤作用，下部细滤料进一步除去细小的剩余杂质起精滤作用，这样每层滤料发挥特长，截污能力得到充分发挥，所以，多层滤床出水浊度小，过滤周期长，水头损失小，过滤性能比单层优越。不过，就多层滤床的每一层而言，在反冲洗以后每层滤料都存在各自的水力筛分现象，仍然是上细下粗，单层滤料床的固有缺陷并没有消除。
七、双向流过滤
双向流过滤就是在滤层中部设置一出水的集水管，进水从池子上部和池子下部同时流入，因此也称双流滤床。双流滤床的滤层厚度约为单层滤床的两倍，并具有下列特点：①由于集水管上下都进水，一座双向滤床相当于两座单层滤床的作用；②集水管下面的滤层起近似理想滤层的作用。虽然双向滤池的阀门太多，结构也较复杂，但由于其工艺上的优点，我国锅炉给水中的压力过滤器常采用双向流过滤。
通过上述分析，可以看出理想的滤层应该是沿着过滤水流的方向，滤层中滤料的粒径从大到小递减，由于滤料颗粒的孔隙也是从大到小递减，创造了两个有利条件：一个是进入滤池的水先接触到的那部分滤层能够比后接触到的滤层多容纳悬浮固体；另一个是这部分的孔隙本来较大，在容纳更多的悬浮固体后，仍然保留了一定的孔隙大小，允许水中的悬浮物进入滤层的内部，在过滤的水头损失达到较大允许值时，整个滤层都得到充分利用。
