虹吸濾池改造為翻板濾池的應用

董志鋒，劉 倩，薛 文，邱仲領，張 亮，張松芳

(橫崗自來水有限公司，廣東深圳 518055)

深圳市某自來水廠一期建于1986年，隨著經濟的快速發展和人口的逐漸增多，先后于1988年、1989年、1992年進行二、三、四期水廠擴建以保障供水需求，設計供水能力為7.2萬m3/d。供水采用“混凝-沉淀-過濾-消毒”常規水處理工藝。由于水廠建造時間早，濾池均采用虹吸濾池，工藝相對落后，濾池抗沖擊負荷能力差，出水效果不理想[1]，加之使用年限高達25 a以上，濾池設備銹蝕老化嚴重。同時，虹吸濾池長期運行，由于沖洗不徹底，導致濾板濾孔堵塞、濾層板結發黑、濾層中出現大量泥球、有效過濾面積減少等問題。為使濾后出水達到內控標準，濾池經常未達到過濾周期就需要進行人工強制沖洗，造成水廠自用水量增加，浪費水資源。

隨著供水量的提高，采用單一的水沖方式已經無法滿足濾池生產要求，因此，將虹吸濾池改為氣水反沖洗，以徹底解決濾料問題。目前，國內已有將虹吸濾池改造為V型濾池、翻板濾池的改造實例[2-3]。將虹吸濾池改為V型濾池，需要改造池體構造，土建改造投資成本高，施工周期長。翻板濾池具有反沖洗徹底、濾料不易流失、池體構造簡單、土建安裝方便、占地小、布置緊湊的特點[4]；同時，虹吸濾池在技改中具有池深大、過濾面積可擴大的特點[5]，受水廠場地的限制、根據虹吸濾池的特點，為滿足供水增長的需求，決定將虹吸濾池改造為氣水反沖翻板濾池。

該水廠采用了一種更徹底的改造方案，將水廠四期虹吸濾池升級改造為氣水反沖洗翻板濾池，本文總結了氣水反沖洗翻板濾池的改造方案、優勢及應用成效，以期為存在類似問題的水廠提供技術借鑒。

1 工藝概況

該水廠采用常規水處理工藝，工藝流程如圖1所示。原水由水庫進入水廠，經配水井分配后進入穿孔旋流反應池；在反應池內絮凝形成密實的大顆粒絮凝體，原水夾帶大顆粒絮凝體以一定的流速進入斜管沉淀池；沉淀去除大顆粒絮凝體，沉淀后水進入濾池；通過粒狀濾料截留膠體和小顆粒絮凝物，進一步降低水中渾濁度；投入次氯酸鈉消毒后的清水進入清水池，通過送水泵房送至市政管網。

圖1 深圳某水廠工藝流程Fig.1 Process Flow Chart of a WTP in Shenzhen

2 現狀濾池存在的問題

2.1 現狀濾池主要設計參數

四期虹吸濾池供水能力為2.0萬m3/d，分為2組，每組分為5格，共10格。濾料類型：石英砂為0.6～1.2 mm，濾料厚度為700 mm，承托層厚度為200 mm，采用粒徑為2～25 mm多層級配礫石；濾床底部配水系統采用小阻力穿孔板，設有雙層濾板，上層孔徑較小，下層孔徑較大。單格濾池平面尺寸：L×B=3.5 m×3 m，每格濾池過濾面積為10.5 m2。濾池反沖洗方式為濾后水反沖(單水、無氣沖)。每格虹吸濾池設有進水和排水虹吸管各1根，反沖時需關閉反沖洗格濾池進水閥門及濾池進清水池總閥門，由其他格的濾池濾后水對該格進行重力反沖洗。虹吸濾池如圖2所示。

圖2 虹吸濾池平面圖Fig.2 Plan of Siphon Filter

2.2 虹吸濾池反沖洗過程

當濾池內水位逐漸上漲達到最高液位時，排水輔助虹吸管通過抽氣三通不斷抽氣，使虹吸排水管內水位較快地上升，形成虹吸排水，濾池內水位迅速下降，至接近排水槽上口時，清水總渠內的水即通過配水系統穿過濾層向上流動，從而達到反沖洗的目的。當計時水槽內的破壞虹吸管口露出時，空氣會進入排水虹吸管內，虹吸被破壞，沖洗即停止，濾池進入過濾狀態[6]。

2.3 現狀濾池存在問題

(1)反沖不徹底，濾料易板結，縮短濾池運行周期。采用重力單水反沖，反沖洗不徹底，濾料間擦洗作用不夠，濾板濾孔易堵塞，濾料易板結，導致濾池運行周期縮短[7]。

(2)運行效果下降，影響出水效果。隨著運行時間的增加，濾料積泥日漸嚴重，最終板結發黑，影響濾池出水效果。

(3)虹吸過程長，自用水率高。虹吸濾池使用水力自動沖洗裝置，要等排水虹吸形成后，水位降到一定深度，進水虹吸才能破壞，才會停止進水，待濾水需排空，因此，自用水率高。

(4)濾料易流失，人力及維護成本高。濾池利用水位壓力差進行反沖洗，反沖洗強度不均勻，易發生“跑砂”現象。每隔5 a需更換濾砂，人力物力維護成本高[8]。

3 改造方案及過程

3.1 改造原則

(1)改造方案應簡單、方便、運行可靠，保證濾后水滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的水質要求。

(2)維持濾池的主體土建結構不變，在少動或不動主體結構的原則下進行，使改造工作簡單、施工方便。

(3)盡量利用現有設施進行改造，減少改造工程量和投資[9]。

3.2 設計參數

濾池改造后設計參數如下：濾池分2組，每組5格，共10格。濾料類型：底層鋪設粒徑為2～4 mm的石英砂100 mm作為承托層，上層鋪設粒徑為0.8～1.2 mm 的石英砂800 mm，濾料總厚度為900 mm。單格濾池平面尺寸：L×B=4.5 m×3 m，每格濾池過濾面積為13.5 m2，濾速為6.17 m/h。濾池反沖洗方式：先單獨氣沖3 min，沖洗強度為17 L/(m2·s)；再氣水同時沖洗1 min，氣沖強度為17 L/(m2·s)，水沖強度為15 L/(m2·s)；最后單獨水沖3 min，水沖強度為15 L/(m2·s)，整個反沖洗過程歷程7 min。改造后翻板濾池如圖3所示。

圖3 翻板濾池平面圖Fig.3 Plan of the Shuttle Filter

3.3 進水系統

原有的進水總渠只有1條，為減少土建工程量，節約成本，保留原有進水渠，拆除原有進水虹吸管及附屬管路、進水渠和進水槽之間的隔墻，并拆除進水溢流堰，在進水槽底板處開口，沉淀池出水通過開口處進入，開口尺寸為L×B=200 mm×200 mm。在開口處加裝拉板，通過氣動閥控制拉板打開角度調節每格濾池的進水量，使每格濾池進水分布均勻。在開口處下方距離濾砂面500 mm處加裝進水緩沖槽，沉淀池出水從開口處進入緩沖槽溢流至濾池，以減緩水流對濾砂的沖擊力，使濾砂分布均勻。

3.4 排水系統

拆除排水槽、排水集水槽、虹吸管及附屬管路，封堵排水管與濾池底部排水箱涵連接口。在濾池墻壁上鑿挖排水口，開口尺寸為L×B=300 mm×800 mm。在開口處安裝1根與開口尺寸相同的排水管，排水管進水口處呈斜面，在斜面位置加裝與斜面相同大小的拉板，通過氣動閥氣缸控制拉板打開的角度調節排水量。

3.5 配水配氣系統

改變原有的單水沖方式，采用氣水聯合沖洗。拆除原有的雙層濾板，更換成單層的氣水反沖洗濾板，在濾板下方安裝3條DN80的氣沖管道，新建整體現澆濾梁，并安裝預制濾板，采用F式長柄濾頭進行配水配氣，濾板底部氣水室高度為600 mm。

3.6 反沖洗供氣供水系統

反沖洗系統：為了節省造價，水沖系統仍為原有重力方式反沖。在原有單格濾池出水口處加裝氣動拉板閥，控制反沖洗水量。

供氣系統：氣沖系統及氣動閥門控制系統。在水廠值班樓內重新規劃鼓風機與空壓機設備間，設備間內安裝2臺型號為JTS125的羅茨鼓風機(1用1備)，設計風量為14.4 m3/min，出氣壓力為49 kPa，通過DN200的氣沖管道對翻板濾池進行氣沖。同時，還安裝空氣壓縮機、干燥機2臺(1用1備)以及儲氣罐2個，用于控制濾池中的氣動閥門。

4 實際運行效果

4.1 渾濁度去除率

為了進一步考察改造前后濾池渾濁度去除能力，分別對改造前后沉淀池、濾池出水渾濁度進行連續一個月的測定，對比結果如表1所示。

表1 濾池改造前后渾濁度對比Tab.1 Comparison of Turbidity before and after Filter Renovation

由表1可知，改造前濾池進水量為1.2萬m3/d，改造后進水量為1.8萬m3/d，改造后進水量比改造前進水量提高50%。改造前沉淀池出水渾濁度為0.36～0.62 NTU，濾后水渾濁度為 0.09～0.18 NTU，渾濁度去除率為40%～83.93%；改造后沉淀池出水渾濁度為0.8～1.45 NTU，濾后水渾濁度為 0.09～0.12 NTU，渾濁度去除率為88.35%～93.53%，與改造前相比，渾濁度去除率提高了10%～48%。濾池改造后沉淀池出水渾濁度比改造前升高了0.44～0.85 NTU，這是由于濾池改造后，進水量的增加導致四期斜管沉淀池上升流速增加，水流帶動底層礬花，礬花上浮，使得沉淀池出水渾濁度升高。改造后濾池渾濁度去除率波動較小，在90%上下波動；改造前濾池渾濁度去除率波動幅度較大，上下波動43%，這說明改造后濾池截污納垢能力較強，濾池的抗沖擊負荷能力提高。

4.2 濾池反沖洗周期

濾池改造前，進水量為1.2萬m3/d，濾池反沖洗周期為22～24 h；濾池改造后，進水量和改造前相同時(1.2萬m3/d)，濾池反沖洗周期延長至48 h，濾池運行時長提高了100%，顯著提升了濾池的運行效率。當濾池進水量為1.8萬m3/d時，濾池反沖洗周期為24～36 h，與改造前相比，濾池產量提高了50%。這是由于濾池改造后，單格濾池過濾面積增大，新換濾砂截污能力增強；同時，濾池反沖洗系統改變，使濾池反沖洗較為徹底，從而提高濾池的運行效率。

4.3 濾池反沖洗水量

為評估濾池改造前后反沖洗用水量，對反沖洗用水量進行統計，改造前平均反沖洗水量為570.81 m3/d，改造后為489.34 m3/d。根據水廠實際運行情況，改造后四期濾池進水量為1.8萬m3/d，反沖洗周期為24 h；改造前四期濾池進水量為1.2萬m3/d，反沖洗周期為22 h，月反沖洗節水量為4 237.97 m3，降低了21.84%。濾池改造后，濾池反沖洗水量降低，自用水率也發生了改變，改造前濾池自用水率為4.76%，改造后為2.72%，降低了42.85%。

4.4 改造后經濟效益分析

濾池改造后于2019年7月正式投入運行，投入使用過程中，效果良好，成本降低，取得了良好的經濟效益，具體如下。

(1)以1.8萬m3/d的供水量計算，每天節約反沖洗水量18 000×(4.76%-2.72%)=367.2 m3，每年原水成本節約367.2×365×1.16=15.55萬元。

(2)濾砂更換成本：改造前按每5 a更換1次濾砂，單次更換費用約為13萬元，改造后每15 a更換1次濾砂，單次更換費用約為16萬元，折合每年濾砂更換節省1.5萬元。

(3)新增設備維護成本：新增2臺鼓風機、2臺空壓機、31臺氣動翻板閥，預計維修費用為5萬元/a。

(4)電費：主要為鼓風機、空壓機的運行，按照每天運行2 h計算，每年電費約為2萬元。

(5)供水增加產生的效益：改造后每天可增加6 000 m3，按照目前的供水效益計算，每年可產生109.5萬元的利潤。因此，虹吸濾池改造后經濟效益如表2所示。

表2 虹吸濾池改造后效益分析表Tab.2 Benefit Analysis after Siphon Filter Renovation

(6)投資回收期：本次虹吸濾池改造項目花費154萬元，通過上述經濟效益分析可計算出投資回收期為154÷119.55=1.29 a，即1.29 a即可回收全部投資。

5 結論

針對虹吸濾池反沖洗不徹底、濾料易板結、過濾周期短、過濾效果差的問題，結合水廠實際情況，提出一種將虹吸濾池改為氣水反沖洗翻板濾池的改造方案，并通過對比改造前后的運行效果，得到以下結論。

(1)將原有的虹吸管路拆除，并安裝氣沖管路，保留原有的水沖路線，將原有的雙層濾板換成氣水反沖洗濾板，采用閉閥沖洗，濾料不會流失，反沖洗更為徹底。

(2)與虹吸濾池進水量相比，氣水反沖洗翻板濾池進水量為1.8萬m3/d，比改造前提高了50%；改造后渾濁度去除率為88%～93%，比改造前提高10%～48%，濾池抗沖擊負荷能力提高，濾池運行效果提升。

(3)相同進水量下(1.2萬m3/d)改造后濾池的反沖洗周期延長，運行時長提高了100%；改造后濾池進水量為1.8萬m3/d，濾池反沖洗周期為24～36 h，濾池運行效率提高。

(4)改造后濾池反沖洗水量降低了21.84%，月節約自用水量4 237.97 m3，自用水率降低了42.85%，反沖洗水量顯著降低。