V型滤池设计改进探讨

朱 雷 陈小庆 钟 力 苏 毅 付素贞 陈忠正

　　提要：本文着重对国内投产的部分V型滤池设计、施工、运行等方面作了客观的总结分析，在此基础上，提出了一些合理的改进措施，力求做到“洋为中用”，因地制宜，避免盲目引进套用，造成不良的后果。同时，对所提出的各项改进措施作了较深入的理性分析，旨在“抛砖引玉”，取得共识，从而给V型滤池客观、公正、恰当的评价，使其在我国的给水处理中发挥应有的作用。
　　关键词：V型滤池 流化态 冲洗 滤床

　　1．引言

　　V型滤池全称为AQUAZUR V型滤池，是由法国得利满水处理有限公司首创的专利技术。六十年代末期在巴黎奥利水厂首先采用，七十年代逐渐在欧洲广泛使用，先后在意大利、以色列、摩洛哥、洪都拉斯、委内瑞拉等国应用后，受到各国好评，逐步在国际上得到推广。八十年代以来，我国也认识到国外革新后的气水反冲洗技术的独特冲洗效果，陆续引进国外先进的气水反冲洗工艺，用于新扩建水厂中。我国第一座V型滤池1990年7月在南京投产，接着有重庆、西安、大庆、沈阳、淄博、武汉等城市水厂采用。近年来，设计常规处理水厂工程时，规模在10万m³/d以上（包括10万m³/d）的水厂，在工艺流程的构筑物选型中，多设计了V型滤池，以改善制水工艺，提高水厂自动化程度和生产管理水平。
　　V型滤池是恒水位过滤，池内的超声波水位自动控制可调节出水清水阀，阀门可根据池内水位的高、低，自动调节开启程度，以保证池内的水位恒定。V型滤池所选用的滤料的铺装厚度较大（约1.20m），粒径也较粗（0.95—1.35mm）的石英砂均质滤料。当反冲洗滤层时，滤料呈微膨胀状态，不易跑砂。V型滤池的另一特点是单池面积较大，过滤周期长，水质好，节省反冲洗水量。单池面积普遍设计为70—90m²，甚至可达100m²以上。由于滤料层较厚，载污量大，滤后水的出水浊度普遍小于0.5NTU。
　　V型滤池的冲洗一般采用的工艺为气洗→气水同时冲洗→水冲洗+表面扫洗。水冲洗强度设计为5l/s·m²,比双阀滤池的水冲洗强度15l/ s.m²,要节约反冲洗用水量2/3，若以一个15万m³/d水厂为例，全年可节省反冲洗水量约为60万m³，若以0.4元/ m³水价计算，年节省反冲洗水量费用达24万元之多，可见其经济效益之显著。为此，我国部分城市先后引进了这一技术先进的V型滤池。但实践表明，此种滤池对施工的精度和操作管理水平要求甚严，否则，势必影响正常运行，达不到设计的效果。当前，我国某些城市水厂中的V型滤池的运行正是如此状况。由调研得知，在部分水厂V型滤池生产运行中常遇到的一些问题，主要表现在反冲洗不均匀，有较严重的短流现象发生；跑砂；滤板接缝不平、滤头套管处密封不严，滤头堵塞甚至发生开裂；阀门启闭不畅等现象时有发生。上述一系列问题急待研究和解决，否则，势必影响V型滤池在我国的进一步推广和使用。
现就武汉市现有的白鹤嘴水厂、白沙洲水厂及沌口水厂新建、扩建的V型滤池设计和运行中遇到的一些问题，分别从处理工艺、构造等方面作了进一步的研究和探讨，并提出改进方案简介如下：

　　2．气水反冲洗工艺的改进措施

　　V型滤池的气水反冲洗工艺归结起来有三种类型，如表一所示。表一中工艺二的冲洗效果优于工艺一，其原因就在于气水同时反冲洗时，滤层已发生微膨胀，且此时形成的总G值也增加较大，不仅对滤料产生了较弱的剪切力，而且受到气泡经过微膨胀料层细小通道时所产生的较强的泡振作用及气泡尾迹的挟带和尾涡混掺作用，因而施于滤料颗粒表面污泥层上的振动力和摩擦力也就产生和增大，在此两力的作用下，颗粒表面上的污泥层有小部分可能被振落，另一部分有可能被振松，进而在水流剪切力和碰撞摩擦的共同作用下，使污泥较好地脱落下来。由此可见工艺二的冲洗效果显然较工艺一要好。
　　但深入研究表明，在气水同时反冲洗时滤料颗粒表面吸附的污泥层所受到的力，除了水流对其产生的剪切力和颗粒碰撞摩擦以外，还存在振动和混掺两种作用力。振动作用力是气泡高速浮升穿过流化滤层各孔隙通道时，施加于孔隙通道周围滤料颗粒上的力。此力对孔隙通道周围滤层产生影响，其影响范围，可用影响半径r的大小来表征（见表二），r大，则表示泡振作用强，反之则弱，显然，此力对滤料颗粒表面的污泥层脱落和松动必然带来强烈的影响。混掺力则是气泡在流化滤床中上升时，其尾迹尾涡区产生的涡旋扩散作用造成尾迹区内外的水流与滤料相互掺混，即为混掺作用，其作用力称为混掺力。泡振力和混掺力在工艺二中发挥的作用虽较工艺一大一些，但还是显得微弱，没有得到充分的发挥。由此通过小试和生产性试验提出改进工艺三。

V型滤池各冲洗工艺对照表 　表一 冲洗工艺 第一冲洗
阶段 第二冲洗
阶段 第三冲洗
阶段 总历时T
min 工
艺
一 q_a（/s.m²） 14-18 8-10 q_w(l/s.m²) 3-4 q_ss(l/s.m²) 1.4-2.2 1.4-2.2 t(min) 4-5 4-5 工
艺
二 q_a（/s.m²） 14-18 14-18 9-12 q_w(l/s.m²) 3-4 3-4 q_ss(l/s.m²) 1.4-2.2 1.4-2.2 1.4-2.2 t(min) 1-2 4-5 4-5 工
艺
三 q_a（l/s.m²） 4
7-10 q_w(l/s.m²) 12 12 12 q_ss(l/s.m²) 1.4-2.2 1.4-2.2 1.4-2.2 t(min) 2-3 3-4 2-3

注：表中q_w为气冲洗强度，q_w为水冲洗强度，q_ss为表面扫洗强度，t为冲洗历时。

泡振作用影响半径 表二 冲洗工艺 气洗强度
q_a
(l/s.m²) 水洗强度
q_w
(l/s.m²) 滤层膨胀率
e
(%) 泡振作用影响半径
r
(mm) 工艺一 16 4 0 1 工艺二 16 4 5 35 工艺三 4 12 15 >50

　　工艺三为流态化气水同时冲洗工艺，如图示：

　　工艺三的具体过程：首先用中等水冲洗强度（q_w=10-12l/s.m²）对滤层进行冲洗，使滤层在此q_w值下产生流态化，相应的膨胀率达到15-20%，试验得知，此时的水流剪切力和滤料颗粒相互碰撞、摩擦力的叠加值为最大，因而两者的综合作用为最强，使冲洗效能得到充分发挥。如若膨胀率达到30%以上，水流剪切力与颗粒间的碰撞、摩擦力的叠加值反而减小。另膨胀率达到15-20%时，滤层已产生流化，形成的过气通道较工艺二的微膨胀过气通道要大得多，有利于随后的气水同时冲洗时，气泡不被破碎保持原形顺利高速穿过。故必须先用中等强度的水进行冲洗，使滤层产生流化。此阶段历时3min。然后将压缩空气通入滤池大阻力配气系统进行气水同时冲洗。取q_a=4l/s.m²，q_w值仍不变（以便于操作管理，更主要的是保持水流剪切力和摩擦力二者的叠加为最大值不变），共同对流化滤层进行冲洗。这时气泡通过流化滤层所产生的泡振力和尾涡混掺力远比工艺二的高气冲强、低水冲强的滤层微膨胀状态下，气水同时冲洗所产生的泡振力和混掺力要大得多。因此滤料颗粒表面所吸附的一次、二次污泥层在冲洗过程中均受到了强烈水流剪切、颗粒碰撞摩擦、气泡的振动和尾涡混掺等力的综合作用，使得吸附在颗粒表面的二次污泥层全被掺落或振落，一次污泥层的粘附强度也同样会被削弱，进而该层污泥亦被掺落或振落。此阶段历时约3min。试验表明，过大的q_a（指q_a>4l/s.m²）并不能使冲洗效果有明显的提高，反而使能耗增加，造成空气量的浪费，增大了配气系统的设备规模和造价。第三冲洗阶段停止供气，继续用水进行漂洗，q_w还是不变，此时，在水流剪切力和颗粒碰撞、摩擦力的作用下，一是继续把已被泡振力和混掺力作用下松动的颗粒表面上粘附的一次污泥层，从颗粒表面脱附下来；二是把原来在上述四种力共同作用下已脱落下来的二次污泥层和部分一次污泥层尽快地漂洗出流化滤层，随冲洗水排走。表面扫洗作用始终贯穿于整个冲洗的全过程。表面扫洗可以加快漂洗速度；减少冲洗用水量；也使反冲洗时其它滤池的负荷有所减少。在冲洗结束时，滤床内剩余的冲洗水浓度甚低，仅10mg/l左右。当过滤重新开始时，即可获得优质的滤后水。
　　但必须指出的是，工艺三与工艺一、工艺二相比，它的不足之处在于，当滤层的膨胀率为15—20%情况下，进行气水同时冲洗，会导致滤料极易随冲洗废水的排除而流失，即出现较严重的跑砂现象。为避免此情况的出现，需将现有的排水槽改为能防砂流失的三相分离的排水槽（如图四所示）。

　　3．池形、结构的设计改进措施

　　3．1采用固定式大阻力配水,配气系统进行滤池反冲洗的设计方案
　　V型滤池的施工精度要求极高，滤板的水平误差不得大于±2mm。对滤板要求平整，其实质是要求滤头平整。滤板与池底之间有一个适当的高度空间，气冲时在滤板下形成气垫层，只要气压大于静水压力，气垫层就逐渐增厚。当水面逐渐降至长柄滤头的长柄管上的进气孔时，空气开始经小孔流入长柄管，再通过滤帽进入滤层（见图一）。如流入的空气量与经小孔流走的气量相等时，水面便停止下降而形成一个稳定的气垫层；若进气量大，小孔不足以排走进入的空气量，水面会继续下降至长柄管下部的进气缝处，这时剩余的空气就经过进气缝流入长柄管。在滤板平整的情况下，每个滤头上的进气孔、进气缝标高一致，各滤头的出气量也就均等。如果滤板不平，在同样的气垫层厚度情况下，每个滤头的进气面积就不同，导致进气量不同，此时空气就无法均匀地分配在滤层上，严重时将有脉冲现象或气流短路现象出现，势必导致冲洗效果不良。

　　鉴于国内许多水厂中V型滤池的滤板、滤头的施工质量得不到保证，致使气流溢出不均匀，短路现象严重。加之，滤头与滤板的接合处不严密，也易产生漏气、漏水，从而达不到设计的冲洗强度。为此，我们改用大阻力配气、配水系统，对滤池进行改造，即配气，配水系统均采用穿孔管。将配气系统设置在滤层下60—70cm深处，外包20目尼龙网，以防止滤料进入。配气系统因采用的是低气冲强度，故干管支管均不大，管经在DN20-80mm之间。根据滤层截污分布规律曲线（如图二所示），曲线1和2是不同粒径均质滤料滤层各层发挥的不同程度的截污作用。由曲线1可知，滤层深度70cm以下，滤层的含泥量小于17%。另气泡在高速浮升过程中，对周围滤料颗粒产生微振作用的影响范围大小与气泡本身的尺寸大小有关。气泡尺寸大，对滤料颗粒的振动范围就大，而气泡尺寸是随滤层的深度加深而减小的。通过试验得出，配气系统固定在距滤层表面0.6-0.7m深处时，气泡尺寸最理想。配水系统则敷设在承托层底部，与双阀滤池的敷设方式相同（如图三所示）。这样的设计，使截污量多的上部约60-70cm深的滤层受到强烈的气水同时冲洗，把滤层截流的污物几乎全部洗净；下部30—50cm的截污量不多的滤层由下部单一的水进行冲洗，即可使之冲洗干净。这样既提高了冲洗效果，又降低了气水同时冲洗能耗。

　　配气系统的管路设计，以现有V型滤池的有效面积F=96m²为例，左右分两侧对称布置，每侧为48m²，池体中央上部设排水槽，中部为管廊，下部为清水渠。配水、配气系统的设计，可按单元进行，即将每边48m²分为三个单元，如图三所示。每个单元为16m²，依次安设配气、配水系统和防砂流失排水槽。由图三可知，V型滤池的整体高度由4.10m降至3.10m，即减小池体高度1.00m，且该配水、配气系统采用的是大阻力穿孔管配水、配气系统，取消了原设计中的滤板与滤头，既减小了施工难度，又大大降低了工程造价。不失为一种既经济又实用的新型“V型快滤池”。
　　3．2三相分离排水槽的设计方案
　　鉴于气水同时冲洗过程为气、液、固三相流态，其中的滤料层已流态化，其膨胀率约为15-20%。滤料颗粒在此状态下，受到水、气的同时冲洗，必需考虑防滤料随气水同时冲洗而流失的现象。为此，通过生产性试验得出：以下两种设计方案，均可使滤料的年流失率<10%，符合国家规定要求。

　　方案一：当滤料为单一石英砂时可用图四所示的A型防滤料流失的三相分离排水槽。
　　方案二：当滤料由煤、砂或煤、砂、磁铁矿所组成的双层或三层滤料时，可用图四所示的B型防滤料流失的三相分离排水槽。生产试验表明，采用此种排水槽，煤滤料的年流失率<10%，故是一种有效的防轻质滤料流失的排水槽。

　　以上两种三相分离排水槽均可用在采用冲洗工艺三时的V型滤池上，以取代原有排水槽。
　　3．3表面扫洗装置的设计方案
　　V型滤池的表面扫洗是使两侧池壁的冲洗废水和漂浮物在横向扫洗水流的作用下及时得到排除，不致造成滞流。但原V型滤池表面扫洗的出水是设在V型进水槽下部的一排直径为DN20mm的管嘴出流，管嘴间距为100mm。该管嘴被固定设置，不能调节，设置的标高要求严格与排水槽堰顶标高保持一致。因为只有在扫洗时，管嘴处于半淹没状态，扫洗的横向推力才为最佳。如果管嘴高于水面，则不产生横向推力，经管嘴的自由出流只击打水面，扫洗作用失效；如管嘴全部淹没于水下，则起不到扫洗水面漂浮物的作用。其次，扫洗管嘴的设置应保证水平方向，管嘴向上、向下倾斜都会减小水平方向的推动力。尤其是当水表面漂浮物较多、较厚时，扫洗效果不好会影响池内水质。为此，改用可转动的穿孔管取代之，穿孔管可在180°范围内旋转，使池面及池壁均可得到冲洗，以克服现存的弊病。由于采用了三相分离排水槽，冲洗废水中的漂浮物，在表面扫洗水流的作用下，由纵向设置在滤池中央排水槽壁内侧的半园形沟槽收集，流入中央排水槽终端竖井内，随冲洗废水排走，如图三所示。
　　3．4滤层厚度的改变方案
　　新型V型滤池仍采用均质滤料，粒径为0.95-1.35mm，不均匀系数不小于1.6等参数均不变，而滤层的厚度可比原V型滤池减小一些，建议取H=1.10m。选用均质滤料是因其冲洗后不会出现水力分层，表层滤料不易较快地被杂质所堵塞。并且由于滤层厚度大，粒径大，孔隙率大，滤层截污能力强，深层截污量多，较好地增大了整个滤层的截污能力，故滤池的工作周期较长。由于对滤层采用流态化气水同时冲洗进行冲洗，冲洗效果远较原工艺二的气水同时冲洗法要高，滤层冲洗得更加洁净，故虽然滤层的厚度减小了，仍可保证较长的过滤周期和产水量。

　　4．结论

　　由于改形后的V型滤池气水同时冲洗工艺具有多种冲洗功能，多种作用力得到了最佳的发挥，参与对滤料颗粒冲洗，故使滤层被冲洗得更为洁净，使滤池的工作周期延长，产水量得到明显增加，经济效益显著。由此可见，改形后的V型滤池与原V型滤池冲洗工艺相比，具有施工容易，有国内成熟的双阀滤池经验可借鉴，施工精度较易得到保证，而且造价低，配气均匀，不易堵塞，工作安全可靠等优点，更能适应于我国的经济形式和国情。武汉市自来水公司拟在各水厂的改扩建或新建中，采用这种改进的V型滤池。

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　　作者：朱雷，武汉科技大学城市建设学院讲师。
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