基于水質監控的 V 型濾池反沖洗節水系統設計

李明俊 鄭洪波 雷斌 蘇江 鐘釗明

摘要：針對供水廠V 型濾池的定時法反沖洗因預設時間不夠科學合理而導致的水資源浪費或沖洗不徹底的行業痛點，從硬件設計和優化算法兩個方面創新反沖洗控制模式，提出徹底沖洗干凈和節水效益兩種技術經濟指標，采用以PLC 與人機界面為主要控制載體，輔以在線濁度監控的濾池反沖洗節水系統設計。系統基于任意一個濾池反沖洗工藝的3個階段時長是可被個性化預設和動態調整的基礎上，加裝在反沖洗排污出水口位置的濁度計可實時監測反沖洗期間的排污水濁度，為動態控制和結束水反沖洗步驟的決策提供科學依據，旨在使濾池既能被徹底沖洗干凈，又可充分發揮節水效益。通過試驗研究，對經驗定時法和節水系統兩種反沖洗控制模式進行技術經濟分析對比，計算得出年約節省3萬余噸反沖洗水量，結果表明投用于制水量越大的供水廠，節水系統所產生的節水、節能效果越顯著。

關鍵詞：V 型濾池;水質濁度監控;反沖洗;節水;結束條件

中圖分類號：TU991.2?????? 文獻標志碼：A?????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0201-03

Design of V-type Filter Backwash Water Saving System Basedon Water Quality Monitoring

Li Mingjun1，2，Zheng Hongbo 1，2，Lei Bin 1，2，Su Jiang1，2，Zhong Zhaoming3

（1.School of Robotics，Guangdong Vocational College of Science and Technology，Zhuhai，Guangdong 519090，China;2.Zhuhai Key Laboratory of Advanced Equipment Manufacturing and Material Forming Technology，Zhuhai，Guangdong 519090，China;3.Duanzhou Water Supply Branch，Zhaoqing Zhaoshui Water Development Co.，Ltd.，Zhaoqing，Guangdong 526060，China ）

Abstract：For the backwash with the timing method in the V-shaped filtering sink of a water supply factory，the preset time is not scientific and? reasonable enough，leading to the waste of water resources and incomplete washing.To overcome such a difficulty in the industry，the backwash? control mode was innovated in terms of hardware design and optimization algorithm，the technical and economical indexes of complete washing? and benefits of water saving were proposed，and the water-saving design of filtering sink backwash with the main control carrier of PLC and? human-computer interface supplemented by the online turbidity monitoring was used.The system can be preset and dynamically adjusted in a? customized way based on three stages of any filter backwashing process.And a turbidimeter installed at outlet of backwashing sewage outlet can? monitor turbidity of sewage during backwashing period in real time，which provides a scientific basis for dynamic control and decision-making of? ending water backwashing process，in order to make filter not only be thoroughly washed，but also fully have water-saving benefits and achieve? the goal of water-saving and energy-saving.Through the experimental study of the water supply factory tested，technical and economic analysis? and comparison were made for the backwash control modes of empirical timing method and water-saving system.According to the calculation， more than 30000 tons of backwash water can be saved each year.The results show that the bigger the amount of water produced by the water? supply factory is，the more obvious the water-saving and energy-saving effect of the water-saving system is.

Key words：V-shaped filter;water quality turbidity monitoring;backwashing;water-saving;ending conditions

0 引言

V型濾池工藝是城鎮供水廠生活飲用水處理工藝中用于凈化待濾水，降低出水濁度的關鍵末端環節，直接關系出廠水水質。以氣反沖洗、氣水混合反沖洗、水反沖洗的3個關鍵步驟階段構成的反沖洗是經運行一定時間后的V型濾池恢復正常過濾功能的必要工藝流程，需要消耗較大的廠內自用水量和工業用電量，而水反沖洗又是整個反沖洗流程中消耗水、電量占比最大的一個階段[1-2]。在現行的V型濾池自動反沖洗設計中，除非發生濾池超負荷運行或待濾水水質異常等特殊情況，否則水處理行業一般采用經驗定時法來實現V 型濾池反沖洗[3]，即為所有濾池關于反沖洗流程的3個階段預設成統一的反沖洗時間值，且在相當長一段時間內是固定不變，如圖1所示，氣反沖洗60 s、氣水混合反沖洗420 s、水反沖洗420 s。鑒于池體構筑物施工誤差導致池體之間的面積及其濾層厚度不一致，進水量差異導致濾池運行負荷不均衡，反沖洗引起石英砂濾料跑料致使濾層變化等原因，每個濾池實際截污容量難免因池而異，故此，使用傳統的經驗定時法進行反沖洗，會產生既不利于高負荷濾池被徹底沖洗干凈，又會造成低負荷濾池過度反沖洗導致大量浪費水資源的兩大弊端。

以廣東某地水廠為例，通過實際生產運行試驗和對比測試，著重研究如何為每個濾池實現個性化預設反沖洗流程各階段時間值和合理縮短濾池水反沖洗階段時間以減少廠內自用水量及反沖洗水泵運行期間所產生的電量，在保證任意濾池被徹底沖洗干凈的前提下，確定反沖洗工藝節水系統設計方案。

1 系統研究方法

提供一種基于水質監控的V 型濾池反沖洗節水系統，系統基于任意一個V 型濾池反沖洗工藝的3個步驟時長是可被個性化預設和動態調整的基礎上，在反沖洗排污口加裝水質濁度計，實時監測反沖洗期間的排污水濁度，用以精準識別結束水沖步驟的最佳時機條件，為動態控制和結束水反沖洗步驟的決策提供科學依據。其結束時機條件為滿足以下條件中的其中一個：（1）水反沖洗時間達到個性化預設時間并且排污水的濁度值低于預設濁度值;（2）水反沖洗時間大于超時報警閾值。其中，個性化預設時間一般小于或等于系統默認預設時間，系統默認預設時間小于超時報警值;若判斷結果為是，水反沖洗步驟結束。系統既可保證每個濾池被徹底沖洗干凈，又可實現節水節能效果。

2 系統方案設計

2.1? 硬件設計

如圖2所示，1為V 型濾池工藝排污匯流口，用于導流濾池反沖洗期間所產生的污水;2為水質濁度計加裝位置;3為V 型濾池本體;32為濾池本體兩個V 型槽;33為濾池本體排水渠。水質濁度計監測值實時傳送至反沖洗節水系統主控制器PLC。

如圖3所示，設計一種V 型濾池反沖洗節水系統網絡拓撲圖。C1為中央控制室監控計算機，C3為主站中大型PLC，C4共6個為從站小型PLC，彼此之間通過由C2光纖交換機及光纖搭建出的以太網絡進行數據通信，通信協議采用國際標準的Modbus-TCP/IP? 協議[4];C5為水質濁度儀，通過基于RS-485串行總線的Modbus-RTU 協議與C3主站PLC 通信，允許C3主站PLC 訪問讀取C5水質濁度計實時監控的反沖排污水濁度值;C3主站PLC 通過繼電接觸器控制電路及信號電纜遠程控制鼓風機、反沖洗水泵等反沖洗設備，且通過RS-485串行通信總線實時監測設備工況;C4的6個從站小型PLC 和同等數量的V 型濾池存在一對應關系，任意從站小型PLC 均可監控其對應濾池的所有閥門狀態及接收由C8液位、閥門開度傳感器反饋至濾池從站PLC 的液位、閥門開度等模擬量信號，上述設計均為反沖洗節水系統的功能實現和可靠控制提供必要條件。

與單一控制器同時監控多個濾池的集中控制方法相比較，上述所設計的集散控制模塊具有風險分散、控制分散，而操作管理集中的架構優勢，可有效提高 V 型濾池工藝的可靠安全性和操作便捷性[5-6]。

2.2 軟件設計

2.2.1? 算法流程

節水原理如圖4所示，濾池反沖洗需經過反沖前過濾S3、反沖前排污S5、氣反沖洗S7、氣水混合反沖洗S9，再進入水反沖洗階段S11，其中，個性化預設時間小于或等于系統默認預設時間，系統默認預設時間遠小于超時報警值。由步驟S12可知，當條件A“個性化預設水反沖洗時間結束”和條件B “排污水濁度低于設定值”作與運算，其結果再和條件C“水反沖洗累計時間大于超時報警值”作或運算，邏輯表達式為F=A × B +C，F 真值是結束反沖洗流程的充分條件。根據V 型濾池工藝實際情況，系統水反沖洗超時報警值統一預設為600 s，此設計既能保證濾池至少得到系統預設值的反沖洗時間，也可避免因濁度儀故障造成無法停止反沖洗的現象。

所有濾池反沖洗流程各階段實際耗時及其排污水濁度值均被系統自動記錄。系統會根據正常運行水平和歷史數據趨勢的對比作出分級響應和預警，如濾池近2次水反沖洗實際耗時值變化過大，旨在為研判濾池的含污截污性能、反沖洗強度、數據監測等方面異常情況提供數據支撐[7-9]。

2.2.2 人機界面

如圖5所示，所有濾池的預設水反沖洗時間均低于默認值，以1#濾池為例，該濾池水反沖洗時間預設值為380 s，而系統固定的默認值為420 s。假設1#濾池進入水反沖洗階段且累計運行時間已達390 s，同時水質濁度計在線監測的排污水濁度低于設定值，系統會提前結束反沖洗流程，即比系統默認值（420 s ）節省30 s 時長的反沖洗水量;若水反沖洗累計運行時間超過420 s，而排污水濁度大于設定值，說明當前濾床污泥較多，仍未沖洗干凈，則系統繼續保持水反沖洗，直至排污水濁度小于設定值才結束本次反沖洗流程，以保證該濾池能被徹底沖洗干凈;若水反沖洗累計運行時間已超過水反沖洗超時報警值600 s，則系統自動終止本次反沖洗，并通過人機界面的報警彈窗和鈴響來警示值班人員，有效杜絕因濁度儀異?；蛐盘柗答伖收系纫蛩貙е孪到y誤判斷而提前結束反沖洗，致使濾池沖洗不徹底、不干凈的水質安全事故[10-12]。

系統在設計上既可滿足濾池在被徹底沖洗干凈前提下實現節水節能目的，又能對反沖洗期間排污水濁度監測異常等情況作出自診斷與處理。

3 試驗研究

根據試驗，濾池每次水反沖洗約節省時間為15～40s，單個濾池每次反沖洗可節省水量20～60m3，6個濾池在單個運行周期共節省約137㎡3，如忽略停池停產等意外因素，按濾池運行周期2000 min、單次反沖洗時長27min、保養5min計算，每個濾池年內約需反沖洗258次，則節水系統一年內約節省3萬余噸水量。而水廠制水量越大，用于凈水處理的濾池有效過濾面積、水洗強度、沖洗時長亦增大，則節水節電效果越顯著。

4 結束語

本文研判經驗定時法反沖洗系統容易產生水資源浪費或濾池沖洗不徹底的生產現狀，提出一系列以直擊痛點、挖潛增效為導向的技術措施。通過在反沖洗排污渠位置加裝水質濁度計，優化反沖洗算法流程，輔以人機界面設計作為時間參數預設且能動態調整，節水系統經過實地水廠的生產性投用運行，證明既解決高負荷濾池沖洗不徹底問題，提高抵御水質安全風險能力，又減少低負荷濾池不必要的反沖洗水量消耗，在保證濾池徹底沖洗干凈的前提下實現節水節能目的，助力供水廠安全優質降本供水。

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第一作者簡介：李明俊（1986-），男，碩士，高級工程師，研究領域為自動化系統設計、機電一體化技術，已發表論文5篇。

（編輯：刁少華）