单水冲普通快滤池工艺改造设计探讨

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摘要:以永安市北区水厂5万m3/d单水冲普通快滤池提升改造项目为例，分析总结了单水冲普通快滤池存在的问题及原因，并针对现状滤池的反冲洗方式、配水系统、滤料层、配套设备及控制系统等方面进行了提升改造。滤池提升改造后投产两年多，运行稳定，滤后水水质得到明显改善、过滤周期长、自耗水量小、自动化程度高，可为后续类似项目的提升改造设计提供借鉴。

关键词:普通快滤池；单水冲；气水反冲；双层滤料

世纪80年代净水厂滤池主要池型多采用单水冲普通快滤池，时至今日，滤池已经发展为气水反冲洗滤池，主要代表池型有V型滤池及翻板滤池两种。单水冲普通快滤池存在滤料冲洗不干净，过滤周期短，自耗水量大，水质不稳定且自动化程度低的问题，而这些问题在气水反冲洗滤池上得到了很好的解决。为了充分利用现状普通快滤池，节约投资且解决上述问题，在不改动池体结构的基础上，根据普通快滤池的池型可将滤池配水系统改造为滤板滤头或U型管，结合新增的反冲洗设备及重新换填的滤料，实现滤池的气水反冲洗，解决上述单水冲普通快滤池存在的问题。

1项目概况

永安市北区水厂是永安市生活饮用水主供水厂之一，建于20世纪80年代，设计规模为5万m3/d，实际供水规模4.5万m3/d。其主要净水工艺为微涡流絮凝反应池+斜管沉淀池+普通快滤池，水源为沙溪鸭姆潭水库。北区水厂普通快滤池是20世纪80年代净水过滤工艺中的典型池型，极具代表性。滤池分为12格，每格平面内尺寸为5.6m×4.6m，总深4.0m，设中央管沟，管沟内宽1.0m，深0.6m，见图1。滤池原设计采用大阻力管式配水系统，由镀锌钢管及焊接钢管人工加工而成。DN600滤水主干管布设在滤池中央管沟内，滤水支管为DN80，单池布设44根，滤水管间距为250mm，见图2。图1、图2中高程为相对高程，高程单位为m，尺寸单位为mm。滤池承托层为2～32mm的级配砾石，滤料层采用0.5～1.2mm的石英砂，厚700mm，其自上而下分布见表1。滤池反冲洗采用单独水冲洗，建有高位水箱一座，有效容积约为194m3，最高供给水头为10.5m，以平均反冲洗强度15L/（s•m2）计算，可供冲洗8.4min左右。滤池进水、排水采用虹吸管，水冲阀及出水阀采用电动蝶阀。

2现状普通快滤池运行存在的问题及原因分析

（1）配水系统水力条件差，反冲洗配水不均。滤池采用大阻力管式配水系统，由于采用钢管直接人工加工而成，受当时生产工艺的限制，在加工时存在误差，配水孔口孔径及孔距分布不均匀且形成孔口毛刺现象，造成阻力不均，导致配水不均匀。同时，由于配水系统采用钢管，长期浸泡在水中，容易遭受锈蚀，形成管内外锈层及孔口孔径不均，配水效果更差。（2）“跑砂”现象严重。滤池采用高位水池单水反冲洗，前期水压大，反冲洗水量足，对滤料层冲击大。若未进行有效调整控制，容易造成水冲强度过大，承托层松动，形成混层，影响过滤效果，甚至产生“跑砂”。（3）滤料层冲洗不干净，过滤周期短。单水反冲洗无法有效地让滤料摩擦起来，部分附着在滤料表面层的泥膜，无法随水流剥落下来，长期运行下去，造成滤料层形成泥球，缩短过滤周期。（4）控制系统落后，部分阀门失灵。滤池建设较早，受时代局限，自控程度低，滤池运行及反冲洗过程均需人工控制，且配套阀门老旧，部分已经失灵或者泄漏。

3滤池提升改造设计方案

本次滤池提升改造主要针对现状滤池的反冲洗方式、配水系统、滤料层、配套设备及控制系统等方面进行。3.1滤池反冲洗方式。现阶段国内外应用于滤池的反冲洗工艺主要有单水反冲洗和气水反冲洗两种[1]。由于气水反冲洗滤池具有滤料冲洗干净，过滤周期长，自耗水量小，出水水质稳定且自动化程度高等优点，自20世纪90年代以来，已在国内大多数新建水厂中得以采用。本次提升改造中将现状滤池单独水冲洗改造为气水反冲洗。滤池增设配套反冲洗水泵、鼓风机、空压机等反冲洗设备。滤池气水反冲洗通过气冲过程中气流不断地搅动滤层，滤料间相互剧烈的碰撞运动，使得粘附在滤料上的泥膜剥落，通过气水混冲和单水反冲洗将剥落的污泥带出滤池，使得滤料冲洗得更加干净彻底且反冲洗水量也有所减少。3.2配水系统设计。普通快滤池配水系统改造需根据现状配水系统的形式进行分析决定，目前主要有两种方式，一种是原配水系统为滤砖，可改造为滤板滤头；另外一种是原配水系统为大阻力管式配水系统，可改造为U型管。本项目根据滤池现状（图1），将原地下中央管沟内的滤水干管拆除，作为清水渠；配水系统改造为U型管配水配气系统，即横向配水配气管（U型管）和竖向配水配气立管相结合，如图3所示。U型管外型尺寸为宽110mm，高170mm，上部为配气区，需形成内气垫层，其气孔开孔位置为半圆管顶部和半圆管与矩形管结合部（两侧），各开一列。顶部排气孔孔径≤1.5mm，两侧气孔≤3.5mm，以避免大气泡反冲洗。气孔间距为75mm，开孔比（开孔面积/滤池过滤面积）控制为0.10%～0.12%。下部为配水区，配水孔直径为17mm，间距为150mm，开孔比控制为1.0%～1.2%，属于小阻力配水系统，见图3。U型管最大长度一般为3.9m，若池宽超过4.0m，为了保证配水配气均匀，需采用横向双管布置。根据现状滤池尺寸，受配水配气立管长度限制，需加高滤池清水渠，使得清水渠高度为750mm；受滤池宽度（4.6m）影响，U型管采用横向双管布置，单根长度为2225mm，沿清水渠方向排列，每行间距为225mm，共24行，见图4。3.3滤料层设计。原滤池池底（0.000m）至洗砂槽底（1.700m），高差1.7m，扣除垫高层及二次找平层0.3m，滤池改造完池底（0.300m）至洗砂槽底（1.700m）高差为1.4m，池高充足。本项目滤池采用双层滤料，上层为无烟煤滤料厚350mm，下层为石英砂滤料厚400mm，承托层采用砾石厚350mm，其自上而下分布见表2。3.4滤池主要设计参数。滤池原设计规模5万m3/d设计，正常滤速7.08m/h，强制滤速7.72m/h，单池有效过滤面积为25.76m2，共12格。滤池采用恒液位过滤，恒液位为2.9m，通过超声波液位计及出水气动调节阀开度控制液位。滤池采用气水反冲洗，第一阶段为单独气冲洗，强度15L/（s•m2），时间3min；第二阶段为气水混冲，气冲强度15L/（s•m2），水冲强度3L/（s•m2），时间3min；第三阶段为单独水冲洗，水冲强度12L/（s•m2），初定时间3min，根据滤池实际运行情况进行调整。滤池增设初滤水排放阀，正常过滤开始前30s初滤水，由初滤水排放阀排放，以减少初滤水对清水污染。3.5增设配套设备（1）反冲洗水泵。反冲洗水泵设置4台，其中1#、2#反冲洗水泵为混冲泵，流量为280m3/h，扬程14m；3#、4#反冲洗泵为单独水冲洗泵，流量为1150m3/h，扬程14m。水泵均采用变频控制，泵后主管设电磁流量计监控反冲洗流量及水量。（2）鼓风机。反冲洗气源来源于鼓风机，鼓风机设置于管廊间，数量两台(一备一用)，风量23.18m3/min，压力49kPa，采用变频控制。（3）空压机。气动阀动力气源来源于螺杆风机，风机风量为0.9m3/min，风压1.0MPa，配套储气罐、冷干机及空气过滤器。（4）配套阀门更换。进水虹吸管及排水虹吸管改造为气动闸板阀，水冲阀更换为气动蝶阀，出水阀更换为气动调节蝶阀，增设气冲阀、初滤水排放阀均采用气动蝶阀。（5）增设滤池监测设备。增加超声波液位计、滤池出水浊度仪和沉后水浊度仪。3.6控制系统改造简介滤池控制系统采用上位机站+下位PLC站+远程IO站的集散式配置，实现对滤池改造部分进行自动化控制与应用。系统采用工业以太网进行数据通讯，并配置工业互联网接入设备，实现远程计算机及手机APP的数据监视。

4滤池提升改造施工及运营情况

普通快滤池改造从2016年年底开始，为了保证不影响城区供水，滤池改造分为2格1组，共6组进行。施工过程中需根据厂区生产情况安排进度，施工难度较大，施工工期较长。最早两组滤池已于2017年年中投入使用，整体工程于2018年年中完成。改造后普通快滤池已整体运行2年多，运行良好，自动化程度高，过滤周期达到48h，滤后水水质稳定，浊度可完全控制在0.5度以下，达到了预期目标。

5结论

根据该项目实施后的运行情况，单水冲普通快滤池改造为气水反冲洗普通快滤池的设计思路是可行的。通过对单水冲普通快滤池的反冲洗方式、配水系统、滤料层、配套设备及自控系统进行改造，能够达到滤料冲洗干净，过滤周期长，自耗水量小，出水水质稳定且自动化程度高的预期目标。项目设计过程中需充分考虑普通快滤池原先的配水系统形式、滤池池底到洗砂槽底高差，合理选择合适的配水配气系统及滤料层形式及厚度。

参考文献

[1]许保玖.给水处理理论[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

作者:邱清根 单位:福州城建设计研究院有限公司