成千上万的水和废水处理设施使用颗粒介质过滤器。操作控制系统——以及介质配置、下排水系统和反冲洗过程——是一个重要的考虑因素，因为它决定了如何通过过滤器控制水流。
重力过滤中使用四种基本类型的操作控制系统，不同的工厂有一些差异。每一种都有优缺点。
- 流出流速
- 渗透分裂
- 恒定的水平
- 下降率
选择最佳的过滤器操作控制系统选项需要理解哪一个与整个工厂设计的一致效果最好。在每次重新设计时，或在新工厂正在建设时的开发初始阶段，都应考虑到过滤器控制的考虑。
对于现有的设施，了解操作控制系统的工作原理非常重要，因为它有助于操作人员改善水质和维护，因为故障可能损坏过滤床，并导致过滤速率突然变化。
1.流量控制的流出率
这种类型的系统控制的处理速率通过一个细胞的过滤器的流出物或排放。基本部件包括流量传感装置、速率控制器和调制阀。可以使用各种各样的流量传感装置，包括直接读数仪表系统和间接读数系统，如文丘里或孔板。
速率控制设计也有很大差异，取决于流量传感装置和调节阀的设计。来自流量传感器、速率控制器和阀门的信号可以是气动、电动、机械或这些的组合。
在操作过程中使用流量传感装置来确定通过过滤器排出管路的流量。测量的流速被导向速率控制器，它将测量的流速与操作员可调的设定点进行比较。如果测量值和设定值不同，控制器向调制阀发送适当的信号以打开或关闭，从而使测量流量和设定值流量对齐。
当过滤器在反冲洗后直接开始运行时，通过过滤器的实际水头损失远低于可用水头损失。可用水头损失可分为两个简化部分:洁净床水头损失和污垢水头损失。净化床水头损失包括过滤系统的固定部分，包括通过介质、下漏和管道系统的水力损失。污垢水头损失是与过滤介质中捕获的固体有关的通过过滤器的压力损失。
在反冲洗之后，当污垢水头损失最低时，过滤系统的限制量最小;如果不加以调整，水就会以最快的速度流动。为了将实际流量控制在设定值，调节阀关闭，通过该阀引起水头损失，以限制回流到设定值的流量。
随着污垢扬程损失的增加，流量调节阀逐渐打开，以保持离开过滤器的恒定流量。滤池中的水位可能会随着时间的推移而变化，如果时间或过滤后的浑浊度不能决定频率，当实际水头损失达到过滤器的可用水头损失时，就可以启动反冲洗。当电池水位达到最大标高且调节阀移至全开位置时，指示实际水头损失与可用水头损失相等的点。
优点
- 尽管通过系统的水头损失有波动，但通过电池的允许流量始终保持在设定值不变。
- 出水速率控制系统允许操作人员通过单个过滤单元轻松控制最大流速。
- 恒定的处理速率还可以防止滤床内捕获的固体物的排出，这可能导致突破的发生。
缺点
- 流出率控制系统需要大多数操作人员注意校准所涉及的仪器。对于这样的系统，防止多个控制方案相互冲突的整体工厂系统控制尤其重要。
- 这种类型的控制适合于启停操作方案，因为流向多个过滤器的流没有被调节。这可能会形成一种段塞流条件，在这种条件下，干净的过滤器与大量的脏水初始流动形成段塞流。为了考虑这种类型的情况，过滤器中通常包含一个从过滤器到废料的步骤。当过滤器被放入反冲洗流中时，该装置被出水阀停止- - - - - -不是在进水处如果系统失败，过滤器将作为一个下降速率过滤器运行。
2.渗透分裂
一种进水分流过滤系统在每个过滤单元的入口处设有可调堰。进水堰是该系统的主要组成部分。所有过滤单元共有的进料管或水槽将水输送到各个堰。进口堰是可调的，所以每个可以定位在相同的高度，以获得均匀的流量分流。辅助设备通常包括一个进水控制阀和一个出水液压控制点，以维持过滤池中的最低水位。如果电池需要从使用中拆卸，例如在反冲洗事件期间，进水控制阀用于停止流入流体。排出液液压控制点可由下游堰或排出管上翘的回路组成。
当水通过每个单元的进水分裂堰时，等量的水被输送到每个在线过滤单元。出水液压控制点包括防止过滤介质表面冲刷或脱水。液压控制点通常设置在静止滤料表面上方几英寸处。当污垢水头损失和滤池水位最低时，从进水堰流出的水流可定向通过洗涤水收集槽，以尽量减少反冲洗后直接对介质的冲刷。
当污垢头损失增加时，细胞内的水位将上升。终端水头损失位于进水堰以下的水位高程处，以防止堰水泛滥，这将使其无法进行分流。
优点
- 如果一个滤池停止使用，流入滤池的水流会自动分配到其余运行中的滤池中，随着水位在堰上的深度增加。对于多个单元操作，反冲洗顺序可以进行调整，以便可以从其余单元中抵消反冲洗一个单元的需要，以防止洗涤水回收系统过载。
- 不需要校准或调整机械或电子元件来维持系统功能。
- 通常情况下，堰的位置是这样的，这样工厂操作人员就可以直观地检查它们，以确保碎片没有污染堰。目测观察电池内的水位还可以让操作人员轻松地看到电池何时接近需要反冲洗。
缺点
- 如果传入流量超过了可用的在线过滤面积，就有可能超过过滤单元的设计液压加载速率。这种情况可能发生在流入过滤器的流量增加，多个过滤器单元同时离线，或这些情况的组合。如果进水流量发生变化，每个单元的水力加载速率也会发生变化。
- 液压加载速率的突然变化会使捕获的固体排出，造成浊度突破。
- 下游液压控制点的设计对于防止介质表面的冲刷也很重要，因为冲刷会导致介质层深度的差异，从而导致通过介质层的过滤速率不均匀。
3.恒定水准控制
这种类型的过滤器控制使用每个过滤器单元中的液位传感装置与出水管道中的控制阀通信。通信方式可以有多种形式，包括机械联动、气压、电信号或这些的组合。可使用各种液位控制装置。最常见的是配有适当执行器的蝶阀，以定位阀板。
阀门通径的选择对操作至关重要，在选择阀门时，阀瓣位置的微小变化应该不会大幅改变通过阀门的流量。
恒定液位控制类似于流量控制中的流出率，因为传感系统将当前条件与预期设定值进行比较，并与控制阀一起工作，使两种条件保持一致。在恒水位控制系统中，水位传感装置确定实际水位并与设定值进行比较。该比较方法依赖于传感装置、控制阀执行器和通信控制器。
与过滤器运行开始时的出水率控制系统一样，当污垢水头损失较低时，控制阀开度降低，将水头损失传递给过滤系统。当污垢水头损失增加时，打开控制阀以平衡总体过滤水头损失。当出水阀达到全开位置，污垢水头损失继续增加，导致过滤器水位增加，表明需要反冲洗时，就实现了终端水头损失。
另一个常见的选择是使用进水流量控制，它类似于出水速率控制系统，除了组件位于过滤器的进水侧。
优点
- 消除潜在的介质表面冲刷是恒液位控制系统的主要优势，因为电池水位总是位于介质表面之上。
- 像出水流速控制系统一样，恒液位控制系统也允许使用负水头损失，或真空吸入，通过整个过滤系统来延长过滤器运行时间。
- 如果进水流量控制在恒定速率，恒液位控制系统将保持恒定的过滤速率。
缺点
- 在流量控制和速率控制之间来回切换可以发生在液压断点。
- 恒定液位控制系统可能存在潜在的流量稳定问题。
- 操作人员无法直观地看到过滤器中形成的水头损失。
4.下降速率过滤
递减速率过滤是最古老和最简单的过滤控制方法之一。它与多个过滤单元一起使用-单元数量越多，性能越好。该系统的主要组成部分是过滤介质。
为了限制通过单元的最大过滤速率，可以在排水管中设置流量限制，或在某些特殊情况下，在进水侧设置流量限制。流量限制可能只是一个孔板。
如果阀门在反冲洗后直接部分关闭，以限制最清洁单元的流量，也可以使用双位置控制阀。
理解衰减率过滤最简单的方法是考虑整个过滤系统而不是单个过滤单元。进水在细胞水位以下进入细胞，允许水自由流入细胞。所有过滤单元都通过进水系统进行流体连接。在滤池进水不受限制的情况下，每个滤池的水位是相同的。在初始系统启动后，过滤器单元反冲洗事件交错进行，以便每个过滤器单元处于不同的清洁度状态。
因此，通过滤池的流量是基于滤池中的污垢头损失，因为所有的滤池在介质上方的水位是相同的。因此，最干净的(最近反冲洗)滤芯比最脏的(最近反冲洗)滤芯通过的水更多。
随着整个系统中污垢水头损失的增加，过滤器单元中的液位将增加，直到达到系统水头损失的最大值。因为所有的滤池都有相同的水位，所以运行时间最长的滤池会被反冲洗。
反冲洗事件完成后，系统的整体污头损失减少，因此细胞水位将下降，循环重复。
流量限制装置，如孔板或部分打开的阀门，通常安装在出水管路上，以限制通过池过滤的最大速率。这个流量限制是用来限制通过过滤器的初始流量——本质上是过滤器的速度限制。
优点
- 由于其控制元件要求最低，下降速率系统相当容易操作。
- 递减速率过滤可以更好地利用过滤介质深度。当介质最干净时，较高的过滤速率将固体驱入床层更深处。随着污垢水头损失的增加，过滤速率降低，以减小床层内的剪切力。
- 该系统处理可变进水流量比大多数其他控制系统更好，因为通过公共进水系统，变化被分散在更多的过滤单元中。
缺点
- 如果不限制或限制在最大速率，洁净细胞中有浊度突破的风险。这可能是一个监管问题，因为大多数监管机构要求使用最大过滤速率。
- 当多个滤泡存在时，单个滤泡头损失的发展无法直观观察到。所有单元共有的进水流掩盖了一个单元可能比另一个单元损失更多的水头的事实。幸运的是，今天的电气监测系统很容易被编程来跟踪电池运行长度，以正确顺序反冲洗事件。
注:这里提供的描述是基于单个正在运行的过滤器单元，不考虑上游或下游流程及其控制系统。在操作过滤系统时，重要的是要考虑过滤器的操作控制系统如何影响整个工厂的控制过程或如何受控制过程的影响。
本文的较长版本最初发表于Opflow2016年11月。资料来源:Pallwitz, S. & St. Germain, D.， 2016。颗粒介质过滤:维护操作控制系统。Opflow 42:11:10。经美国水利工程协会许可改编和转载。
