气水反冲洗滤池的优化运行

陈冬毅，施志强
(汕头市自来水总公司，广东汕头515041)

　　摘 要：对月浦水厂气水反冲洗滤池设计参数和运行情况进行了系统的追踪分析，旨在优化气水反冲洗滤池的运行以提高水质和节约能耗，同时为今后气水反冲洗滤池的设计和运行管理提供借鉴。
　　关键词：气水反冲洗；V型滤池；优化运行
　　中图分类号：TU991.6
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)04-0055-04

　　目前以地表水为水源的生活饮用水净水工艺中，过滤是固液分离的最后阶段，也是必不可少的环节，它能去除沉淀池无法沉降的小颗粒，同时也为滤后消毒创造良好条件。参照《城市供水行业2000年技术进步发展规划》提出的水质目标，滤池的设计选型也应寻求一种技术先进、科学经济、更适合水质处理要求的新型过滤形式。20世纪90年代以来，以气水反冲洗、均质滤料为代表的新型滤池得到了广泛应用，它具有截污能力强、出水水质好、水头损失增长较慢、不产生“负水头”且易于自动控制等特点，在技术和经济上均处于领先水平。

　　1　月浦水厂概况

　　月浦水厂滤池的设计参数见表1。

　　月浦水厂设计规模为80×10⁴ m³/d，分两期建设，近期为40×10⁴ m³/d，现已建成投产20×10⁴ m³/d。设计中选用气水反冲洗滤池，共设滤格10组。滤池在设计过程中借鉴兄弟水厂的使用经验，对一些设计参数进行了优化。

　　2　气水反冲洗滤池的运行
　　月浦水厂气水反冲洗滤池运行一年来，滤池设备运行稳定，在滤前水浊度＜5NTU时，出水浊度基本保持为0.05～0.20NTU。为检验滤池设计参数的合理性和运行效果，改善过滤效能，对气水反冲洗滤池的一些设计参数和运行情况做了下列的跟踪分析，并提出一些值得商榷的问题。
　　2.1　滤料
　　在待滤水浊度、滤速一定的情况下，过滤效果取决于滤料的性能，故在月浦水厂滤池安装过程中，严格控制滤料质量，并按中华人民共和国建设部标准《水处理用石英砂滤料》(CJ24·1—88)对滤料抽样筛分，保证符合设计要求。滤池运行半年后，对滤料筛分进行了复查，并与原筛分曲线进行比较，结果见图1。
　　比较发现：①滤砂的平均粒径变粗，滤砂使用前粒径＜0.90mm的占11.7%，使用后仅占5.1%；②对不同深度的滤砂取样分析，其筛分情况基本相同；③每格滤池的滤层厚度均下降2～4cm。分析结果表明，在设计反冲洗强度下，滤砂不会出现明显分层，但部分粒径＜0.90mm的滤砂在反冲洗过程中被冲走，导致运行一段时间后，滤层厚度有所下降。因此在规范给出的反冲洗强度下，可考虑选用d10＞1.0mm、粒径为1.0～1.35mm、K80＝1.2～1.3的滤砂。

　　2.2过滤周期
　　表2是水厂某一时期，滤前水浊度在(4.0±0.5)NTU时，滤层水头损失、滤后水浊度随过滤周期变化的情况。

　　过滤周期是体现滤池性能的重要参数，周期选择合适与否直接关系到滤池的产水量和水质。科学地确定过滤周期，充分发挥均质滤料的优势，成为滤池优化的一个重要课题。目前有的学者利用数学模型描述滤层中悬浮颗粒截留量随过滤时间和滤层深度而变化的规律，以此来确定过滤周期，但不同学者提出的过滤方程往往差异很大。因此在实际操作中，过滤周期的选定基本上仍是根据在不同时期、滤前水浊度相对稳定的某个时段进行试验来确定的。
　　从表2中可看出：在相同负荷和浊度下，滤池的过滤周期即使延长到64h，滤后水浊度和滤层水头损失仍很小，距砂面15cm的滤砂含泥量也仅为0.29%，仍有较好的性能。因此为节能降耗，同时确保出水水质，把过滤周期从原36～48h调整为56h。
　　2.3反冲洗强度及时间
　　在气水反冲洗滤池设计中，反冲强度是决定滤池再生效率的最重要参数。月浦水厂的气水反冲洗滤池，其滤层在反冲洗过程中呈微膨胀，反冲洗后滤砂不会出现分层，表明反冲洗强度合适。但仅有合适的反冲洗强度而冲洗时间不足时，也不能充分洗掉包裹在滤料表面的污泥，甚至无法置换反冲洗废水，导致污泥重返滤层，滤层表面易产生泥膜，因此只有配以合适的反冲洗时间，滤池再生才能彻底。滤池的反冲洗强度、反冲洗时间同过滤周期有关，为检验原设计反冲洗强度和时间对滤池反冲洗效果的影响，进行了一组试验，图2是在设计反冲洗强度下，不同过滤周期的排水浊度变化曲线图，图3为水洗末期排水浊度变化情况的放大。

　　改变气冲、气水混冲、水冲时间后测定的滤料含泥量、反冲洗排水浊度以及排水浊度＜10NTU的所需时间见表3。

　　实际生产中常以反冲洗排水浊度＜10NTU、滤砂含泥量＜0.2%作为选定合适反冲洗时间的指标。从试验中得出：①过滤周期即使为64h，在设计的反冲洗强度、时间条件下，滤料仍能得到彻底再生；②在设计的反冲洗时间内，反冲洗末期排水浊度在5min时已低于10NTU；③气冲2min与1min的效果基本相同。实际操作中还发现气水混冲为2 min时，尽管滤砂含泥量较低，但水冲时余气冒泡仍带有浊质。为了保证反冲洗质量，同时降低能耗，把反冲洗时间调整为气冲1min，气水混冲3min，水冲5min后的效果仍很好。经测定，再把水洗时间调整到4min时，反冲洗排水浊度已降到8NTU，水洗结束时反冲洗排水浊度降到2NTU左右，距滤池表面15cm的滤砂含泥量均＜0.06%，滤池仍能彻底再生。
　　2.4表面扫洗
  　　气水反冲洗滤池的反冲洗过程始终伴随着表面扫洗，其耗水量较大。因扫洗水量对反冲洗效果有较大影响，故合理控制扫洗水量有利于减少水耗。为此，在相同过滤周期、反冲洗强度下，通过不同扫洗水量对反冲洗效果进行了追踪，结果见表4。

　　从表4可看出：表面扫洗强度＜1.0L/(m²·s)时，反冲洗完毕，不同位置池面水的浊度相差较大；当表面扫洗强度＞1.5L/(m²·s)时，扫洗水溢过V型槽，反冲效果不明显且浪费水；当表面扫洗强度在1.0～1.5L/(m²·s)时，不存在上述两种情况，且能达到扫洗目的，因此表面扫洗强度选定为1.5 L/(m²·s)。另外通过试验还发现，仅在水洗过程中伴以扫洗也能取得同样反冲洗效果，这可节约大量扫洗水，但要增加进水的控制设备和操作步骤，其效益有待进一步分析。
　　在生产中还观察到，滤池在气冲阶段的表面扫洗效果明显，但在气水混冲和水冲时效果不佳，发现是由扫洗孔位置偏低造成的(见图4a)。

　　从文献［4］知：当扫洗孔刚好处于半淹没状态时，扫洗的横向推力最大，效果最好。气冲时进水量仅为扫洗水量，液面上升不高，孔口没有完全淹没，扫洗效果还可以，而气水混冲、水冲时进水量增加，滤池水面的上壅高度也加大，使扫洗孔淹没水中，降低了扫洗效能。因此在确定扫洗孔标高时，除应考虑孔口中心位置与排水堰顶标高外，还应注意到气水混冲和水冲阶段水的上壅高度。经过实际运行发现，扫洗孔口中心标高最好是比排水堰顶高2～4cm(见图4b)，这样在混冲、水冲时扫洗水力最大，才能充分发挥表面扫洗的作用。
　　在全负荷运行时，滤池末端的滤层有严重冲砂现象，分析原因是由于V型进水槽采用30°设计，导致过水断面太小、流速太快造成的，虽在V型槽的中部设置穿孔导流板可缓解进水流速，消除了上述现象，但又发现滤池反冲洗时，该导流板严重影响挡板后端滤池表面扫洗的强度和均匀性，削弱了扫洗效果。借鉴同类滤池采用45°的V型槽设计而无上述现象发生，说明采用30°V型槽不够合适，建议采用45°V型槽，增加过水截面以消除冲砂现象。

　　3　小结与探讨

　　气水反冲滤池具有截污能力强、反冲洗效果好、耗水量低等优点，但在设计和使用过程中一些细节因素往往易被忽略，结合水厂实际及上述试验分析，认为在以下三个方面还可以进一步优化，使气水反冲洗滤池更为完善，更能发挥其优越性。
　　①滤料粒径宜选定在1.0～1.35mm月浦水厂气水反冲洗强度是目前气水反冲洗滤池设计普遍采用的强度，鉴于在该强度下粒径＜0.90 mm滤料仍易被冲走，导致滤层下降及当前对滤料优化有向深滤层、粗粒径、均匀分布发展的趋势，因此选滤料时，应借鉴气水反冲洗滤池的实际应用情况，综合考虑反冲洗强度、滤速、滤层厚度等因素，一般滤料粒径在1.0～1.35 mm，K80＝1.2～1.3较为合适。
　　②过滤周期、反冲洗强度、时间的优化应结合实际生产情况
　　过滤周期对滤池运行有很大影响，延长过滤周期可减少反冲洗次数，降低水耗和电耗，但过滤周期太长会导致形成泥球、滤层出现板结，增大反冲洗难度，影响滤池的使用寿命，水质也难以保证。反冲洗强度不足会无法完全洗脱滤料上的污泥，过大则引起跑砂甚至滤头移位且耗能，反冲洗时间不够则不能完全置换反冲洗水，再生不充分。过滤周期、反冲洗时间还与滤前水浊度、生产负荷、滤砂性能等因素有关，因此应根据实际生产对滤池的过滤周期等参数进行优化，才能充分发挥气水反冲洗滤池的效能。根据试验，将过滤周期调整为56h，更能发挥滤池的效能；反冲洗时间由原来的2、2、6min调整为1、3、5min，表面扫洗强度从原来的2.0 L/(m²·s)减为1.5 L/(m²·s)，也能获得同样的反冲洗效果，值得设计时参考。
　　③要控制好扫洗孔的标高和V形槽的过水截面
　　科学确定扫洗孔的标高，发挥表面扫洗的辅冲功能，既能提高滤池反冲洗效果，又可减少冲洗水量。V形槽过水截面的设计取值对于改善池内待滤水分布、平衡扫洗水量、强化扫洗效果有很好的促进作用。应该指出，扫洗孔的标高在保证孔口中心与排水堰顶相平仍不够，还应考虑水的上壅高度，一般可比排水堰顶高2～4cm；V型槽设计时应精确计算，确保过水断面和满足布水均匀，避免出现冲砂现象。

　　参考文献：
　　［1］城市供水行业2000年技术进步发展规划［M］.北京：中国建筑工业出版社，1993.
　　［2］严煦世.给水工程［M］.北京：中国建筑工业出版社，1995.
　　［3］丁亚兰.国内外给水工程设计实例［M］.北京：化学工业出版社，2000.
　　［4］袁志宇.滤池冲洗方式探讨［J］.给水排水，1999，25(1)：8-10.

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　　收稿日期：2001-01-13