國內外水處理濾料級配表示方法對比
水處理濾料是濾池的關鍵材料，濾料級配是產品生產、濾池設計、生產運行過程中的重要指標。然而，目前水務行業對濾料級配表示方法不規范，甚至有的級配要求不切合濾料的生產實際，導致發生不必要的糾紛。在對比研究歐盟、美國及國內的教材和標準關于濾料級配表示方法內涵的基礎上，提出濾料級配的兩類推薦性表示方法，強調不可同時采用兩類方法表示同一濾料的級配，不可片面要求均勻系數小到接近1，建議今后在國家工程建設標準體系中補充完善水處理濾料級配表示方法。水處理濾料是濾池的關鍵材料，濾料級配是產品制造、濾池設計、生產運行過程中的重要指標。針對國外及我國不同時期濾料級配的表示方法，通過從濾料生產、濾池設計、項目管理等方面進行分析，提出濾料級配的推薦表示方法以促進水處理行業規范有序地發展。
目前用于水處理的過濾材料主要包括顆粒濾料、纖維濾料、改性濾料或者各種濾料的組合，其中常用的顆粒濾料主要包括石英砂、無煙煤、高密度礦、陶粒濾料、顆粒活性炭等。顆粒濾料是供水排水工程中濾池的關鍵材料，在保障濾池出水水質中起著決定性的作用。粒徑級配是濾料最重要的參數，其表示方法對濾料生產、設計、采購、運行管理至關重要。粒徑級配的表述須符合社會發展現狀，有利于國家經濟建設，有利于人民身心健康。而進入我國水務市場的歐美公司以及我國本土水務行業對濾料級配表示方法不盡相同。更有甚者，在技術需求文件中提出的級配要求在實際中很難生產出滿足要求的濾料產品。因此文章整理分析國內外有關水處理濾料粒徑級配的表示方法，以供同仁參考借鑒。
1 國外濾料級配表示方法
1.1 歐盟
歐盟關于水處理濾料的標準有Products used for treatment of water intended for human consumption-Inorganic supporting and filtering materials-Definitions（EN 12901: 2000）（中文譯為《水處理用產品-濾料和承托料-定義》和Products used for treatment of water intended for human consumption — Silica sand and silica gravel（BS EN 12904∶2005）（中文譯為《水處理用產品—石英砂和礫石》）。EN 12901標準規定了濾料和承托料相關指標的定義。BS EN 12904標準規定了石英砂和礫石指標的要求、試驗方法以及標識運輸和儲存。其中關于石英砂和礫石承托料粒徑級配指標定義與要求的內容如下：粒徑級配應采用下面（1）、（2）兩種方法中的一種進行表示。
（1）用有效粒徑（Effective size，d10）、均勻系數（Uniformity coefficient，U）、最小粒徑d1（Minimum size，d1）表示。
有效粒徑（d10）：在粒徑分布曲線上僅有10%（以質量計）的顆粒通過的篩孔孔徑，最大偏差限值為±5%。
均勻系數（U）：60%（以質量計）顆粒通過的篩孔孔徑與10%顆粒通過的篩孔孔徑的比值，小于1.5。
最小粒徑d1 ：僅有1%(以質量計)的顆粒通過的篩孔孔徑，最大偏差為±5%（注：為了獲得在小粒徑端連續的顆粒粒徑分布，需要測定d1值）。
（2）用粒徑范圍（Particle size range）、大于最大粒徑的質量百分含量（Oversize percentage）、小于最小粒徑的質量百分含量（Undersize percentage）表示。
最大粒徑：分析濾料級配時最大篩孔的孔徑。
最小粒徑：分析濾料級配時最小篩孔的孔徑。
大于最大粒徑的質量百分含量：未通過最大篩孔試驗篩的濾料顆粒的質量百分比。
小于最小粒徑的質量百分含量：通過最小篩孔試驗篩的濾料顆粒的質量百分比。
一般而言，小于最小或大于最大粒徑的質量百分含量限值為：多層濾料濾池的濾料為5%，單層濾料濾池的濾料為10%，礫石承托層為15%。標準對此第（2）種表示方法進行了舉例說明，見表1。
表1 粒徑范圍實例
1.2 美國
美國水協標準Granular Filter Material （ANSI/AWWA B10016）（中文譯為《顆粒過濾材料》）描述了無煙煤、石英砂、高密度礦和礫石承托料的定義、指標要求、檢測、包裝和運輸等內容，其中關于濾料術語和粒徑級配內容如下:
1.2.1 術語
主要術語有：濾料、粒徑大小、有效粒徑、均勻系數等。過濾材料：用于水處理濾池中的濾料和礫石承托料。濾料：過濾中用于去除水中顆粒物的高密度礦、石英砂和無煙煤等。粒徑大小：由標準篩篩分確定的濾料顆粒的各種尺寸和尺寸范圍。有效粒徑(ES)：通過10%（按干重）濾料樣品的篩孔孔徑。例如，經過篩分，如果通過濾料樣品的10%（按干重）的篩孔孔徑為0.45mm，則濾料的有效粒徑為0.45mm。均勻性系數(UC)：通過60%濾料樣品（按干重)的篩孔孔徑與通過10%同一樣品(按干重）的篩孔孔徑的比值。
1.2.2 濾料級配表示方法
美國水協標準對濾料級配的表示方法有兩類，一類用質量百分含量表示，另一類以有效粒徑和均勻系數表示。
（1）用質量百分含量表示。用質量百分含量表示濾料級配的方法分兩種。
第一種方法規定濾料樣品的不同粒徑范圍內所占的質量百分含量。例如，按質量計算，粒徑大小在X mm至Y mm之間的濾料質量占樣品總量的10%；粒徑在A mm至B mm之間的濾料質量百分含量為60%；粒徑在S mm至T mm之間的濾料占比為90%。由于標準篩不可能將濾料篩分成完全等于總量的10%、60%和90%的精確值，因此與百分比對應的篩孔尺寸須從每個篩子通過樣品的百分含量曲線中根據篩孔孔徑用插入法求得。
第二種方法用比要求的粒徑小的濾料質量百分含量表示。例如，小于0.4mm的濾料質量百分含量應在濾料總量的X%至Y%之間。通過標準篩的孔徑相對應的百分比X%和Y%，可以直接使用篩分結果而無需繪圖。
（2）用有效粒徑和均勻系數表示。1892年，HAZEN發現松散狀態下石英砂濾料的滲透性與有效粒徑和均勻系數有關。通過實踐表明，用效粒徑和均勻系數共同表示濾料級配是適用的。
例如：無煙煤的有效粒徑范圍一般為0.6~1.6 mm，均勻系數不大于1.7。石英砂濾料的有效粒徑范圍一般為0.35~0.65 mm，均勻系數不大于1.7。高密度礦石的有效粒徑范圍一般為 0.18~0.60 mm，均勻性系數不大于2.2。
均勻系數的大小通常由用戶指定，并考慮濾料的密度，以實現適當的分層，盡量減少混合，并防止反沖洗過程中跑砂。
顆粒活性炭（GAC）用作過濾濾料時，其有效粒徑范圍為0.5~1.5mm，均勻系數不大于2.1。
1.2.3 級配表示方法的選擇
對于同一濾料產品的級配，只能用其中一類方法表示，不能同時用兩類方法表示，要么用質量百分含量表示，要么用有效粒徑與均勻系數表示。
2 國內濾料級配表示方法
我國水處理高速發展的時期來得比較晩，在改革開放前，還沒有濾料產品的行業標準。在20世紀80年代，中國市政工程中南設計研究總院有限公司受住房和城鄉建設部委托，編制了《水處理用石英砂濾料》《水處理用無煙煤濾料》 《水處理用磁鐵礦濾料》《礫石承托料》《磁鐵礦承托料》標準，使水處理用的大部分濾料有了統一的行業標準，為國內自來水行業提供了使用濾料的依據。2005年將5部行業標準進行修訂，整編為現行的城鎮建設行業標準《水處理用濾料》（CJ/T 43-2005）。關于給水設計標準，也是隨著技術進步，經歷了多次修訂，現行國家標準為《室外給水設計標準》（GB 50013-2018）。我國不同年代出版的給水工程教材中關于濾料表示方法大多與當時的標準規范一致。
2.1 舊版給水工程教材及規范對濾料級配的表示方法
中國建筑工業出版社1999年出版的《給水工程》第4版教材中描述了兩種濾料級配的表示方法，一種用有效粒徑和不均勻系數表示，另一種用最大粒徑、最小粒徑和不均勻系數聯合表示。
（1）有效粒徑和不均勻系數法。以濾料有效粒徑d10和不均勻系數K80表示濾料粒徑級配，見式（1）。
（2）最大粒徑、最小粒徑和不均勻系數法。采用最大粒徑dmax、最小粒徑dmin和不均勻系數K80來控制濾料級配，與我國舊版《室外給水設計規范》（GBJ 13-86）中所采用的濾料粒徑級配表示方法一致，見表2。嚴格地說，表2中K80有一個數值幅度，即上、下限值。因為在dmax和dmin已定條件下，從理論上說，如果K80趨近于1，則d10和d80將有一系列不同選擇。整個濾層的濾料粒徑可以趨近于dmin，也可趨近于dmax，這在濾層厚度、濾速和反沖洗強度一定條件下，對過濾和反沖洗都將帶來一定的影響，如果濾料粒徑過大，則可能沖洗不干凈，倘若粒徑過小，則可能會跑砂。
表2 濾料級配及濾速
注:濾料密度一般為：石英砂2.60~2.65 g/cm3，無煙煤1.40~1.60 g/cm3，重質礦石4.70~5.00 g/cm3
2.2 新版給水工程教材及標準對濾料級配的表示方法
中國建筑工業出版社2020年出版的《給水工程》第5版教材與最新《室外給水設計標準》(GB 50013-2018)一致，都采用有效粒徑及均勻系數來表示，針對不同濾料種類規定了濾料組成和正常濾速及強制濾速的大小，僅局部符號表示和取值稍有區別，GB 50013-2018的相關規定見表3。
2018版《室外給水設計標準》中均勻級配粗砂濾料組成要求與單層細砂濾料及雙層濾料不盡相同，單層細砂濾料及雙層濾料產品的有效粒徑是明確的數值，只是有一定允許偏差；均勻級配粗砂濾
料的有效粒徑不是一個明確數值，而是一個范圍，標準規定的涵義為石英砂的有效粒徑的范圍在0.90~1.20mm時，要求均勻系數K60<1.6。同時要注意標準中“石英砂d10=0.90~1.20”指的是有效粒徑，不是指濾料的最小粒徑與最大粒徑之間的范圍，兩者不能混淆。
相比GB 50013-2018，GB 50013-20062006版《室外給水設計標準》中還有三層濾料濾池的有關規定，其表達方式也采用有效粒徑及不均勻系數的形式。對于均勻級配粗砂濾料的表示，兩個版本的區別在于均均系數的表示形式及取值的不同，2006版規定K80<1.4，2018版為K60<1.6，從表示形式和取值上看，2018版要求更符合社會生產和使用狀況，糾正了盲目追求均勻系數過小的現象。
根據《試驗篩金屬絲編織網、穿孔板和電成型薄板篩孔的基本尺寸》（GB/T 6005-2008）中關于標準試驗篩篩孔尺寸有主要尺寸系列和補充尺寸系列，推薦選擇主要尺寸系列，對常用的水處理濾料的粒徑大小，選擇的篩孔主要尺寸大小比值為1.4，補充尺寸大小的相鄰比值有1.19和1.12。如果要求K80<1.4或更小，則不能配置出合理的用于樣品篩分并能繪制出篩分曲線的一系列標準試驗篩，即很難篩分出符合要求的濾料。只有使用大量的原料才能生產出極少量的合格產品，導致浪費大量天然的不可再生資源,企業幾乎不可能實現批量生產。
因此，2018版《室外給水設計標準》中對均勻系數的取值作了合理的調整，增大了均勻系數的限值。
2.3 行業標準對濾料級配的表示方法
中華人民共和國城鎮建設行業標準《水處理用濾料》（CJ/T 43-2005）對水處理用濾料的技術要求、檢驗方法、鋪裝方法進行了規定。其中對濾料級配的有關內容為：濾料的粒徑范圍、有效粒徑(d10)、均勻系數(K60)或不均勻系數(K80),由用戶確定。在用戶確定的濾料和承托料粒徑范圍中，小于最小粒徑、大于最大粒徑的質量百分含量均應小于5%(按質量計)。
CJ/T 43-2005標準僅對超出濾料粒徑范圍的質量百分含量作出了規定，沒有明確濾料粒徑級配的表示方法和實例。
2.4 團體標準
團體標準《城鎮水處理用濾料和承托料》（T/CAMIE 05-2021）對濾料級配的表示方法進行了規定。在技術要求部分對兩種不同表示方法的級配分布進行了規定，具體內容為：
方法a：用粒徑范圍d1~d2表示，同時對超過粒徑范圍的質量百分含量進行了要求。示例：0.90~1.40mm，粒徑小于0.90mm與大于1.40mm的濾料樣品百分含量均不大于5%。采用方法a（粒徑范圍d1~d2）表述時，濾料級配宜滿足表4的要求。
方法b：用有效粒徑d10及均勻系數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時，濾料及配宜滿足表5要求。
3 總 結
3.1 表示方法
國內外關于濾料級配的表示方法有兩大類，分別以質量百分含量和有效粒徑為主體，只是每類方法中包含的具體內容有所不同，如表6所示。采用有效粒徑和均勻性系數表示時，歐盟標準多了最小粒徑（d1）指標。美國標準中粒徑范圍和質量百分含量按濾料樣品中不同粒徑范圍對應不同的百分含量表示，描述得更為細致。我國以有效粒徑為主體的表示方法在不同時期對均勻系數表示略有不同，早期用K80表示，近年來，K60與K80兩種均有。以粒徑范圍表示方法有兩種，一種是與均勻系數聯合表示，一種是與超出粒徑范圍的濾料質量百分含量限值聯合表示。
3.2 對比分析（見表6）
(1）以粒徑范圍及超出需求的最大與最小粒徑的質量百分含量的表示方法中的最大與最小粒徑最好與標準篩的孔徑大小一致，這可直接通過標準篩篩分生產出所需要的濾料產品。因此，這種方法在生產過程中易于控制產品質量，在實際生產應用中是可行的。
(2）有效粒徑和均勻系數（或不均勻系數）的表示方法，是從濾池的生產運行過程中發現的，符合濾池運行的規律，因而該表示方法也是可行的。有效粒徑與濾料濾層厚度有一定的線性相關性，即濾層厚度是濾料有效粒徑的幾何倍數，不同有效粒徑大小的幾何倍數大小不一樣。2018年版《室外給水設計標準》規定濾層厚度與有效粒徑之比：細砂及雙層濾料過濾應大于1 000，粗砂濾料過濾應大于1 250，取值與美國標準一致，這有利于設計人員對濾池的濾料組成及濾層厚度和濾速選擇適當的取值。
用有效粒徑和均勻系數要求的濾料是可以通過計算和曲線分析的數據實現生產出符合要求的產品。只需先滿足有效粒徑d10，再通過不均勻系數或均勻系數計算出d80或d60，在篩分曲線上補充完整d10以下以及d80或d60以上的曲線部分，得到完整的曲線圖，再根據曲線選擇合適的標準篩，即可生產出滿足要求的產品。因而從生產上考慮，此種表示方法是合適的。
歐盟標準中還有最小粒徑d1聯合表示，因要求過篩1%的濾料，一般難以用標準篩達到此小比例的要求，在我國和美國沒有相關要求。在檢測歐洲有關水務公司的濾料樣品時，也未有最小粒徑d1的指標要求。
(3）以最大粒徑、最小粒徑及超出最大與最小粒徑的質量百分含量和均勻系數同時表示濾料產品的級配的方法，相當于既規定了濾料的最大粒徑、最小粒徑以及超出其粒徑范圍的濾料質量百分含量，又規定了d60（或 d80）與d10的比值，將兩類表示方法混合在一起，這樣會導致很難生產出符合要求的產品。例如要求粒徑范圍0.50~1.00mm，粒徑小于0.50mm以及大于1.00mm的濾料百分數不大于5%，同時要求K60<1.5。要滿足粒徑小于0.50mm以及大于1.00mm的濾料百分數不大于5%的要求，只需放置孔徑0.50mm、1.00mm以及0.50mm到1.00 mm之間的3至5個標準篩篩出其中的濾料，取篩出的0.50mm與1.00mm之間濾料90%以上，分別配以0.50mm以下或1.00mm以上的不足5%的濾料即可。若要同時滿足均勻系數的要求，其中的d10、d60或d80不是一個定值，故不能選擇合適的標準篩以滿足產品需求。因此以最大粒徑、最小粒徑及超出最大與最小粒徑的質量百分含量和均勻系數同時表示的方法是不可取的。
這種將最大粒徑、最小粒徑及均勻系數同時表示濾料級配的方法在舊版教材中出現過，在新版《給水工程》（第5版）教材和2018版《室外給水設計標準》中則沒有出現。
4 建議與展望
（1）濾料級配表示方法有兩類，第一類方法采用最大最小粒徑（粒徑范圍）及超出最大最小粒徑以外的濾料質量百分含量或不同粒徑段濾料質量百分含量來表示。第二類方法采用有效粒徑d10及均勻系數K60或K80表示。
對于同一濾料產品，只能采用兩類方法中的一種表示，不能同時采用兩類方法或兩類方法中的指標混合表示。
（2）用有效粒徑d10及均勻系數K60或K80表示濾料時，根據不同的濾池形式提出合理的濾料規格需求，不能片面強調K60或K80接近1。就均質濾料濾池而言，有效粒徑范圍為0.90~1.00mm，均勻系數小于1.6。
（3）不同的濾池型式對濾料的要求不同，如單層細砂濾料、雙層濾料、均勻級配粗砂濾料分別對應不同配水和反沖洗方式以及濾層厚度的濾池，不能簡單地認為均質濾料濾池比普通快濾池等其他池型的濾池好，也不能片面地認為均勻級配粗砂濾料比單層細砂濾料好。
（4）建議在國家或工程建設行業標準中完善水處理濾料級配表示方法等內容，以促進濾料行業健康有序地高質量發展。
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