废水处理原理与工艺.
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2# 大 中 小 发表于 2008-8-1 13:19
只看该作者1.4.3 废水处理方法简介
处理废水的方法很多，其分类方法也不同。这里仅介绍两种。第一种是按废水中污染物从废水中除去的方式分。可分为三类：（a）分离处理，通过各种方法使污染物从废水中分离出来，一般不改变污染物的化学本性。（b）转化处理，通过化学或生物化学的方法，使废水中的污染物转化为无害的物质，或是转化为易于分离的物质然后再分离。（c）稀释处理，这类方法既不改变污染物的化学特性也不把污染物分离，而是通过稀释混合降低污染物的浓度，但污染物的总量不变。这是一种消极的方法。
另一种分类方法是按废水处理的程度，或说按处理的阶段来分类。一般按处理的程度不同可把废水处理分为三级：一级处理、二级处理和三级处理。一级处理也叫初级处理，该过程只能除去废水中的大颗粒的悬浮物及漂浮物，很难达到排放标准。二级处理一般可以除去细小的或呈胶体态的悬浮物及有机物，一般能达到排放标准。三级处理也称高级处理，进一步除去废水中的胶体及溶解态的污染物，一般可达到回用的目的。下面按这种分类方法把处理废水常用的方法概述一下。
（1）废水的一级处理方法
1）重力分离方法：依靠重力的作用，使污染物分离，又分为沉降分离和浮上分离。沉降法用于除去水中密度比水大的污染物，上浮法用于除去水中密度比水小的漂浮物。
2）阻力截留法：这种方法利用筛网等与悬浮固体之间几何尺寸的差异截留固体悬浮物。包括有格栅、筛网和粒状介质截留法。
3）稀释法：稀释法即用没有污染物的或污染物含量低的水与污染物含量高的水相互混合而降低污染物浓度的方法。
4）中和法：利用酸碱中和的原理来消除废水中酸或碱污染物的方法。
废水的一级处理方法较简单，多数情况下达不到排放标准。需要进一步处理。
（2）废水的二级处理方法
1）气浮法：气浮法是利用废水中的污染物的疏水性，或是添加某种药剂使废水中的污染物变得疏水，然后向废水中通入气泡，疏水的污染物就会吸附到气泡上，而随气泡浮到水面上而形成泡沫层，把泡沫层与水分离即可把污染物与水分离。
2）混凝法：混凝法是向废水中投加电解质或混凝剂或通过机械搅拌，使废水中呈胶体状态存在的污染物互相凝聚，形成大而重的絮凝体，然后再用重力沉降的方法分离。
3）萃取法：利用分配定律的原理，用一种与水不互溶，而对废水中某些污染物溶解度大的有机溶剂，从废水中分离除去污染物的方法。
4）氧化还原法：向废水中投加氧化剂或还原剂，将有害的污染物氧化或还原为无害或害处较小的物质的过程。
5）电解法：电解处理法是指用电解的基本原理，是废水中的污染物通过电解过程在阴、阳极上分别发生氧化或还原反应转化为无害物质，以实现废水净化的方法。
6）生物法：利用水中的微生物来氧化分解污染物的过程。又可分为好氧生物法和厌氧生物法。好氧生物法是在水中有溶解氧存在的条件下，利用好氧微生物和兼性微生物分解污染物的方法。厌氧生物法是在无溶解氧的条件下，利用厌氧微生物和兼性微生物分解废水中污染物的方法。生物法是目前应用较广的二级废水处理方法，特别是对于城市废水，几乎都是用生物法处理。
7）吹脱法：这种方法用来除去废水中的气态或挥发性污染物。使空气与废水充分接触，使溶解在废水中的气体或挥发性污染物扩散到空气中而除去。
8）汽提法：这种方法也用于除去废水中的挥发性污染物。是利用蒸汽直接加热废水至沸腾，挥发性污染物随水蒸汽一起逸出而除去的方法。污染物浓度高时，可把蒸汽冷凝后回收污染物。
（3）废水的三级处理方法
1）吸附法：让废水与固体吸附剂接触，使分子或离子状态的污染物吸附于吸附剂上，然后分离水与吸附剂即可把污染物与水分离。一般吸附剂再生后可以循环使用。
2）膜分离法：按作用原理的不同，膜分离法有可分为超过滤、电渗析和反渗透三种方法。
超过滤也称为精密过滤，它也是利用过滤介质除去废水中污染物的方法，与一般过滤不同的是超过滤所用的介质孔径很小，一般为1~0.1 μm。这种方法可以除去水中的胶体物质或大分子的污染物。
电渗析是使废水通过由阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列组成的通道，在直流电场的作用下，离子能有选择性地透过不同的膜，某些通道中污染物被浓缩，另一些通道中的废水则得到净化。
反渗透法是用半透膜把废水与清水分开，在废水表面施加压力，使水分子透过半透膜，而污染物不能透过，从而分离或浓缩污染物的方法。
3）磁过滤法：依靠磁场的作用，用高梯度磁过滤器截留磁性的污染物，或投加磁种，使非磁性的污染物吸附于磁种上，然后再分离的方法。
4）离子交换法：废水与固体离子交换剂接触，离子态污染物能与离子交换剂上的同号离子互相交换，使废水中有害离子分离出来的方法。
以上介绍的是废水处理的常用方法，随着技术的进步，仍有一些新的方法出现。另外，以上分类也是相对的，有些方法很难说属于那一类。
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3# 大 中 小 发表于 2008-8-1 13:20
只看该作者第四章 粒状介质过滤
过滤是去除悬浮物，特别是去除质量浓度比较低的悬浊液中微小颗粒的一种有效方法。过滤时，含悬浮物的废水流过具有一定孔隙率的过滤介质，水中的悬浮物被截留在介质表面或内部而除去。根据所采用的过滤介质不同，可将过滤分为下列几类。 （1）格筛过滤
过滤介质为栅条或滤网，用以去除粗大的悬浮物，如杂草、破布、纤维、纸浆等。其典型设备有格栅、筛网和微滤机。 （2）微孔过滤
采用成型滤材，如滤布、滤片、烧结滤管、蜂房滤芯等，也可在过滤介质上预先涂上一层助滤剂（如硅藻土）形成孔隙细小的滤饼，用以去除粒径细微的颗粒。定型的商品设备很多。
（3）膜过滤
采用特制的滤膜作过滤介质，在一定的推动力（如压力、电场力等）下进行过滤，由于滤膜孔隙极小且具有选择性，可以除去水中细菌、病毒、有机物和溶解性溶质。主要设备有反渗透、超过滤和电渗析等。
（4）深层过滤
深层过滤采用的是颗粒状滤料，如石英砂、无烟煤等。由于滤料颗粒之间存在孔隙，当废水穿过一定深度的滤层时，水中的悬浮物即被截留。为区别于上述三类表面或浅层过滤过程，这类过滤称之为深层过滤，简称过滤。在给水处理中，常用过滤处理沉淀或澄清池出水，滤后出水浑浊度满足用水要求。在废水处理中，过滤常作为吸附、离子交换、膜分离法等预处理手段，也作为生化处理后的深度处理，使滤后水达到回用的要求。
本章主要介绍深层过滤，其它过滤在有关章节中讨论。
4.1 深层过滤的基本过程
深层过滤的基本过程是废水由上到下通过一定厚度的由一定粒度的粒状介质组成的床层，由于粒状介质之间存在大小不同的孔隙，废水中的悬浮物被这些孔隙截留而除去，如图4-1（a）。随着过滤过程的进行，孔隙中截留的污染物越来越多，到一定程度时过滤不
（a）过滤 （b）反洗
图4-1 深层过滤过程示意图
能进行，需要进行反洗，去除截留在介质中的污染物，反洗的过程是通过上升水流的作用使滤料呈悬浮状态，滤料间的孔隙变大，污染物随水流带走，如图4-1（b）。反洗完成后再进行过滤。所以深层过滤过程是间断进行的。
4.2 过滤机理
粒状介质的过滤机理可以概括为以下三个方面：
（1）阻力截留
当废水流过滤料层时，粒径较大的悬浮物颗粒首先被截留在表层滤料的空隙中，从而使此层滤料间的空隙越来越小，截污能力随之变得越来越高，结果逐渐形成一层主要由被截留的固体颗粒构成的滤膜，并由它起主要的过滤作用，这种作用属于阻力截留或筛滤作用。筛滤作用的强度主要取决于表层滤料的最小粒径和水中悬浮物的粒径，并与过滤速度有关。悬浮物粒径越大，表层滤料的粒度和滤速越小，就越易形成表层筛滤膜，滤膜的截污能力也越高。
（2）重力沉降
废水通过滤料层时，众多的滤料介质表面提供了巨大的沉降面积。据估计，1 m3粒径为0.5 mm的滤料中就拥有400 m2不受水力冲刷而可供悬浮物沉降的有效面积，形成无数的小“沉淀池”，悬浮物极易在此沉降下来。重力沉降强度主要取决于滤料直径和过滤速度。滤料越小，沉降面积越大；滤速越小则水流越平稳，这些都有利于悬浮物的沉降。
（3）接触絮凝
由于滤料有较大的表面积，它与悬浮物之间有明显的物理吸附作用。此外，砂粒在水中表面常常带有负电荷，能吸附带有正电的铁、铝等胶体，从而在滤料表面形成带正电的薄膜，进而又吸附带负电荷的粘土及多种有机胶体，在砂粒上发生接触絮凝。在大多数情况下，滤料表面对尚未凝聚的胶体还能起到接触碰撞的媒介作用，促进其凝聚过程，这种絮凝称为接触絮凝。
在实际过滤过程中，上述三种机理往往同时起作用，只是依条件不同而有主次之分。对粒径较大的悬浮颗粒，以阻力截留为主，由于这一过程主要发生滤料表层，通常称为表层过滤。对于细微悬浮物，以发生在滤料深层的重力沉降和接触絮凝为主，称为深层过滤。
4.3 过滤的工艺过程
过滤工艺包括过滤和反洗两个阶段。过滤即截留污染物；反洗即把污染物从滤料层中冲走，使之恢复过滤能力。从过滤开始到结束延续的时间称为过滤周期（或工作周期）。从过滤开始到反洗结束称为一个过滤循环。
图4-2是普通快速滤池的结构简图，其中（a）是结构透视图，（b）是管道和阀门连接示意图。以此为例说明其工作过程。滤池内填充石英砂滤料，滤料下铺有砾石承托层（即垫层），最下面是集水系统。池外设置管道和阀门的区域称为管廊，也称为走道空间。过滤时，废水由进水管经闸门F1进入池内，通过滤料层和垫层流到池底，水中的悬浮物和胶体被截留于滤料表面和内层空隙中，滤过水由集水系统经闸门F2排出，此时闸门F3、F4、F5关闭。随过滤过程的进行，污染物在滤料层中的不断累积，必然导致以下两个结果：（a）滤料层内的空隙由上到下逐渐被堵塞，水流通过滤料层的阻力和水头损失随之逐渐增大，出水量逐渐减小；（b）滤料表层的吸附位置逐步被截留的悬浮物占据，同时水流流速逐渐增大，对滤料表面造成越来越大的冲刷力，从而使滤料截污能力逐渐降低，于是，上层滤料的过滤任务就转移到下层，并依次传递，最终使污染物透过滤料层，使出水水质恶化。显然，当过滤水头损失超过滤池所能提供的资用水头（高、低水位之差），或者出水中污染物质量浓度超过允许值时，即应终止过滤，并进行反洗。反洗时，冲洗水进入配水系统，即关闭阀门F1、F2、，打开阀门F3、F4，有一定压力的反洗水通过集水系统从下向上通过滤料层。反洗水的流速应足够大，以使滤料层膨胀流化，集聚在滤料层内的污染物被水冲走，经阀门F4排出。反洗时冲洗水的流速应适当，太小不能使滤料层流化，起不到反洗的作用，流速过大，滤料层过渡膨胀，降低反洗水的冲刷作用，也可能造成滤料的损失。反洗水可以送回初级沉淀池或生物处理系统。图中F5的作用是排放初期的过滤水，因为过滤初期时滤料的孔隙较大，有些细小的悬浮物可能不能被截留而进入排水中，使排水达不到要求的标准。
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4# 大 中 小 发表于 2008-8-1 13:21
只看该作者4．8．2 滤池反冲洗
当过滤过程进行到一定程度，即出水的悬浮物质量浓度超过一定值或过滤速度很慢时，滤池需进行反冲洗。反冲洗的目的是清除截留在滤料孔隙中的悬浮物，恢复其过滤能力。一般滤池采用滤后水反冲洗，并辅以表面冲洗或空气冲洗。空气冲洗管常布设在滤料层和垫料层的交界处。空气泡搅动滤料层，使截留的悬浮物脱落下来，被水流冲走。采用这种水─气联合冲洗方式不需要使滤层全部流化，所用的冲洗强度较小，不会产生滤料流失，滤料也不会分层，但冲洗不干净。大多数滤池都采用了较高的冲洗强度，使滤层全部流化。靠水力剪切和颗粒摩擦清洗滤料。
（1）膨胀率
当上升的反冲洗水流对滤料施加的拖曳力等于滤料的有效重量时，即冲洗水的上升流速等于颗粒的沉降速度时，滤料呈临界悬浮状，此后，随冲洗强度加大，滤层进一步膨胀和流化。滤层膨胀率e可表示为：e＝(H×100％)/H0，式中H0为滤层膨胀前的厚度；H为滤料层膨胀的厚度，即膨胀后与膨胀前的厚度差。膨胀率测定简单，常作为反冲洗操作的控制指标。膨胀率太低，水流剪切力小；膨胀率过高，颗碰撞次数会减少，还会冲动垫料层及流失滤料。因此，膨胀率应适当。
（2）反冲洗强度
单位时间内单位滤池面积所通过的反冲洗水量称为反冲洗强度，通常用q表示，它的单位是L/(m2?s)。反冲洗强度的大小与滤料的粒度、水的温度、孔隙率和要求的膨胀率有关。可用试验的方法确定。根据经验，过滤一般的悬浮物时，要求q约在12~15 L/(m2?s)之间，如过滤油质悬浮物，则要求q增大至20 L/(m2?s)或更大。
反冲洗强度的测定比较容易。采用水塔或水箱进行反冲洗时，开启反冲洗阀门后，当滤池内水位上升到与排水槽口平时，开始记录时间直至反冲洗完毕并记下水塔或水箱内水位下降的高度。反冲洗强度用式4-2计算。
式4-2
式中：q－反冲洗强度，L/(m2?s)；F1－水塔或水箱面积，m2；F2－滤池面积，m2；H－水塔或水箱水位下降高度，m；t－反冲洗时间，s。
用冲洗水泵反冲洗时，反冲洗强度的测定方法是将滤池内水位降到滤料面以上10~20 cm后，开启反冲洗泵与阀门，待反冲洗水上升流速稳定后，测定水位上升高度和所用时间，然后用下式4-3计算:
式4-3
式中：q－反冲洗强度，L/（m2?s）；H－滤池水位上升高度，m；t－水位上升H高度所用的时间，s。
（3）反冲洗时间
反冲洗时间依滤层污染程度而异，应根据运行情况来确定。在冲洗初期，出水浊度急剧升高，达最大值后，逐渐降低。通过测定反洗水浊度，可确定合适的冲洗时间。若冲洗时间不足，污染物来不及脱落和排走。一般反冲洗时间为5~10 min，加上启闭阀门和表面冲洗时间，总共需15~30 min。
（4）反冲洗水头
反冲洗所需水头等于滤层、垫层、配水系统及管路的水头损失之和，并留有1.5~2.0 m的富余水头。具体可根据有关流体力学的方法计算。
（5）反冲洗水的供应和排除
一般是用滤后水作为反冲洗用水。反冲洗水可用水塔或水泵供给。水塔安装高度及水泵扬程取决于反冲洗水头。反冲洗水量为滤池面积、反冲洗强度与时间的乘积，约占滤过水量的1％~2％。水塔的容量应为一次冲洗用水量的1.5倍，水深不超过3 m。当反洗水需要升温时，可在水塔内通入蒸汽。反冲洗排出的污水应及时排除，通常返回处理系统的首端。
（6）空气冲洗
空气冲洗是在滤料层和垫层之间加空气管，在反冲洗的同时鼓入压力空气，增加对颗粒的搅动，增加颗粒之间互相碰撞和摩擦的机会，加强反冲洗效果。到目前为止，还没能从理论上推导出水─气联合冲洗的最佳空气冲洗强度。根据经验单一滤料的石英砂及无烟煤滤池，采用的空气冲洗强度范围为160~270 L/(m2?s)，冲洗时间3~4 min。
（7）表面冲洗
在过滤含有机物质较多的原水时，滤层表面往往生成由滤料颗粒、悬浮物和粘性物形成的泥球。为了破坏泥球，提高冲洗质量，常用压力水进行表面冲洗。表面冲洗装置有管式和旋转管式两种。
固定式冲洗管设在滤层以上6~8 cm处，每个喷水孔服务的面积应相同，冲洗强度为2.5~3.5 L/(m2?s)，压力15~20 m水柱。
旋转式冲洗管设在滤层以上5 cm处，利用射流产生的反力使喷水管旋转、冲刷和搅拌滤层。对多层滤料滤池，常设双层旋转管。冲洗强度为1~1.5 L/(m2?s)，压力30~40 m水柱。与固定管相比，旋转管所用钢材和冲洗水量较少。
4.9 滤池常见故障及对策
4.9.1 气阻
在过滤末期，局部滤层的水头损失可能大于该处实际的水压力，即出现负水头。此时部分滤层水中溶解的气体将释放出来，积聚在孔隙中，阻碍水流通过，以致滤水量显著减少。反冲洗时气泡会冲出滤层表面。这种现象称为气阻，也称气闭。气阻出现时会导致滤层裂缝、出水水质恶化。为防止气阻现象产生，首先应保持滤层上足够的水深，消除负水头。在池深已定时，可采取调换表层滤料，增大滤料粒径的办法。其次，在配水系统末端应设排气管，防止反冲洗水中带入的气体积聚在垫层或滤层中。有时也可适当加大滤速，促使整个滤层纳污比较均匀。如发生气阻，应停止过滤，进行反冲洗。
4.9.2 结泥球
滤层表面的颗粒较细，截留的悬浮物较多。如果冲洗不干净，则互相粘结成球。球径可达5~20 cm。在下一次冲洗时，因质量较大而沉入滤层深处，造成布水不匀和再结泥球的恶性循环。这种污泥的主要成分是有机物，结球严重时会腐化发臭。
反冲洗效果的好坏也可用冲洗后滤层中的泥球含量来衡量，泥球的含量常用泥球的体积占滤料总体积的百分数来表示。大致如表4-4所示。泥球的测定可取一定体积的有代表性滤料，用与滤料中最大颗粒的直径相近的筛子在水中筛分，筛上的即为泥球，测出泥球的体积，即可计算出泥球率。
表4-4 滤料中泥球含量与冲洗效果的判定
泥球含量/％ 0~0.2 0.2~0.5 0.5~1.0 1.0~5.0 >5.0
冲洗效果 极好 好 满意 不好 极坏
为解决泥球问题，首先应当从改善冲洗入手。检查冲洗时滤料碰撞程度和冲洗水的排出情况，适当调整冲洗强度和冲洗时间，此外，还需检查配水系统，有条件时可另加表面冲洗装置或压缩空气辅助冲洗。
如改善冲洗不能解决问题可采取以下措施：（a）翻池人工清洗，或彻底换滤料，同时检查垫层是否有移动和配水系统是否有堵塞；（b）滤池反冲洗后暂停使用，保持滤料上面水深20~30 cm，然后加氯浸泡12 h，氧化有机污泥，然后再进行反冲洗。加氯量约每平方米滤池1 kg漂白粉或每平方米0.3 kg液氯。
4.9.3 跑砂
如果冲洗强度过大或滤料级配不当，反冲洗会冲走大量细滤料。另外，如果冲洗水分布不匀，垫料层可能发生平移，进一步促使布水不匀，最后局部垫料层被冲走淘空，过滤时，滤料通过这些部位的配水系统漏失到清水池中。遇到这种情况，应检查配水系统，并适当调整冲洗强度。
4.9.4 水生生物繁殖
在水温较高时，沉淀池出水中常含多种微生物，极易在滤池中繁殖。在快滤池中，生物繁殖是不利的，往往会使滤层堵塞。可在滤前加氯解决。
4.10 其它滤池 一般快滤池都有复杂的管道系统，并设有各种控制阀门，操作步骤相当复杂，同时也增加了建造费用。为简化管道和阀门系统，出现了其它形式的滤池。
4.10.1 无阀滤池
图4-9是重力式无阀滤池的示意图。其工作过程如下：原水自进水管2进入滤池后，自上而下穿过滤料层，滤后水经连通管进入顶部贮水箱，待水箱充满后，过滤水由出水管12排入清水池。随着过滤进行，水头损失逐渐增大，虹吸上升管3内的水位逐渐上升（即过滤水头增大），当这个水位达到虹吸辅助管的管口处时，废水就从辅助管下落，并抽吸虹吸管顶部的空气，在很短的时间内，虹吸管因出现负压而投入工作，滤池进入反冲洗阶段。贮水箱中的清水自下而上流过滤床，反冲洗水由虹吸管排入排水井。当贮水箱水位下降至虹吸破坏管口时，虹吸管吸进空气，虹吸破坏，反洗结束，滤池又恢复过滤。无阀滤池的运行全部自动进行，操作方便，工作稳定可靠；在运转中滤层不会出现负水头；结构简单，材料节省，造价比普通快滤池低30％~50％。但滤料进出困难；因冲洗水箱位于滤池上部，使滤池总高度较大；滤池冲洗时，原水也由虹吸管排出，浪费了一部分澄清的原水，且反洗污水量大。
无阀滤池多用于中、小型给水工程，且进水悬浮物质量浓度宜在100 mg/L以内。由于采用小阻力配水系统，所以单池面积不能太大。已有标准设计可供选用。
图4-9 重力式无阀滤池示意图
4．10．2 虹吸滤池
虹吸滤池的滤料组成和滤速选定与普通快滤池相同，采用小阻力配水系统。所不同
是利用虹吸原理进水和排走反洗水，其构造和工作原理如图4-10所示。
图的右半部表示过滤时的情况，经过澄清的水由进水槽1流入滤池上部的配水槽2，经虹吸管3流入进水槽4，再经过进水堰5（调节各单元滤池的进水量）和布水管6流入滤池。水经过滤层7和配水系统8而流入集水槽9，再经出水管10流入出水井11，由控制堰流出滤池。 随着过滤的进行，水头损失不断增长，滤池内水位不断上升。当水位上升到预定高度（一般为1.5~2.0 m）时，则破坏进水虹吸作用，停止进水，滤池即自动进行反冲洗。 图的左半部表示滤池冲洗时的情况：开启真空系统使冲洗虹吸管13形成虹吸，将池内存水抽至滤池中间部，由排水管14排出。当滤池内水位低于集水槽9的水位时，集水槽的水反向流过滤层，冲洗滤料；反洗水经排水槽排至虹吸管进口处抽走。当滤料冲洗干净后，破坏冲洗虹吸管的真空，启动进水虹吸管，滤池又进入过滤状态。
虹吸滤池的冲洗水头一般为1.1~1.3 m（即集水槽水位与排水槽顶的高差）。因一组滤池的集水槽相互连通，一个滤池的反冲洗水量由其它滤池的滤过水供给。为了使其它滤池的出水量能满足冲洗水量的要求，所以滤池的总数必须大于反冲洗强度和滤速的比值。例如，反冲洗强度为10~15 L/(m2?s)，滤速为8 m/h时，则至少需要5~7个滤池。 虹吸滤池不需要大型进水阀或控制滤速装置，也不需冲洗水塔或水泵。比同规模的快滤池造价投资省20％~30％，但滤池深度较大（5~6 m）。适用于中、小型水处理厂。
图4-10 虹吸滤池构造和工作示意图
4．10．3 压力滤池（罐）
压力滤池是一个承压的钢罐，内部构造与普通快滤池相似，在压力下工作，允许水头损失可达6~7 m。进水用泵直接抽入，滤后水压力较高，常可直接送到用水装置或水塔中。压力滤池过滤能力强，容积小，设备定型，使用的机动性大。但是，单个滤池的过滤面积较小，只适用于废水量小的场合。
压力滤池分竖式和卧式两种，竖式滤池有现成的产品，见图4-11。其直径一般不超过3 m。池内常设无烟煤和石英砂双层滤料，粒径一般采用0.6~1.0 mm，厚度一般用
1.1~1.2 m，滤速为8~10 m/s或更大。通常采用小阻力配水系统。反冲洗污水通过顶部的漏
