V型濾池的工藝設(shè)計、施工安裝和自動控制

 濾池有多種型式，以石英砂作為濾料的普通快濾池使用歷史悠久。在此基礎(chǔ)上，人們從不同的工藝角度發(fā)展了其它型式的快濾池。V型濾池就是在此基礎(chǔ)上由法國德利滿公司在70年代發(fā)展起來的。V型濾池采用了較粗、較厚的均勻顆粒的石英砂濾層；采用了不使濾層膨脹的氣、水同時反沖洗兼有待濾水的表面掃洗；采用了氣墊分布空氣和專用的長柄濾頭進(jìn)行氣、水分配等工藝。它具有出水水質(zhì)好、濾速高、運行周期長、反沖洗效果好、節(jié)能和便于自動化管理等特點。因此70年代已在歐洲大陸廣泛使用。80年代后期，我國南京、西安、重慶等地開始引進(jìn)使用。90年代以來，我國新建的大、中型凈水廠差不多都采用了V型濾池這種濾水工藝，特別是廣東省新建的凈水廠幾乎都采用了V型濾池。91年至94年我公司在沙口水廠（50萬m3/d）的建設(shè)中，首次自行設(shè)計、施工安裝了V型濾池。此后我們就開展了V型濾池的設(shè)計與安裝這項工作。我們先后幫高明、中山小欖、中山東鳳、順德龍江、三水、廣寧、汕頭、惠州等兄弟自來水公司設(shè)計和安裝了V型濾池。在近十年來的V型濾池的設(shè)計、施工安裝以及自動控制過程中，我們?nèi)〉昧艘欢ǖ膶嵺`經(jīng)驗，有以下幾點工作體會：

一、研究掌握V型濾池結(jié)構(gòu)、工作原理、工藝特點

濾池是水廠凈水工藝中的重要環(huán)節(jié)，而濾池過濾能力的再生，是濾池穩(wěn)定高效運行的關(guān)鍵。若采用較好的反沖洗技術(shù)，使濾池經(jīng)常處于最優(yōu)條件下工作，不僅可以節(jié)水、節(jié)能，還能提高水質(zhì)，增大濾層的截污能力，延長工作周期，提高產(chǎn)水量。而V型濾池過濾能力的再生，就采用了先進(jìn)的氣、水反沖洗兼表面掃洗這一技術(shù)。因此濾池的過濾周期比單純水沖洗的濾池延長了75%左右，截污水量可提高118%，而反沖洗水的耗量比單純水沖洗的濾池可減少40%以上。濾池在氣沖洗時，由于用鼓風(fēng)機(jī)將空氣壓入濾層，因而從以下幾方面改善了濾池的過濾性能：                 

①壓縮空氣的加入增大了濾料表面的剪力，從而使得通常水沖洗時不易剝落的污物在氣泡急劇上升的高剪力下得以剝落，從而提高了反沖洗效果。                 

②氣泡在濾層中運動產(chǎn)生混合后，可使濾料的顆粒不斷渦旋擴(kuò)散，促進(jìn)了濾層顆粒循環(huán)混合，由此得到一個級配較均勻的混合濾層，其孔隙率高于級配濾料的分級濾層，改善了過濾性能，從而提高了濾層的截污能力。                 

③壓縮空氣的加入，氣泡在顆粒濾料中爆破，使得濾料顆粒間的碰撞磨擦加劇，在水沖洗時，對濾料顆粒表面的剪切作用也得以充分發(fā)揮，加強(qiáng)了水沖清污的效能。

④氣泡在濾層中的運動，減少了水沖洗時濾料顆粒間的相互接觸的阻力，使水沖洗強(qiáng)度大大降低，從而節(jié)省沖洗的能耗。           

綜上所述，氣、水反沖洗時，由于氣泡的激烈遄動作用，大大加強(qiáng)了污物剝落能力及截污能力。在濾池實際反沖洗時，我們觀察到：當(dāng)反沖時間約5分鐘時的濾層污物剝落高達(dá)95%以上，因此V型濾池的反沖洗效果是肯定的。此外反沖洗時，原水通過與反沖洗排水槽相對的兩個V型槽底部的小孔進(jìn)入濾池，它掃洗濾層的表面，并把濾層反沖上來的污物、雜質(zhì)推向排水槽，同時掃洗了水平速度等于零的一些地方，在這些地方漂起來的砂又重新沉淀下來。此外濾池的表面掃洗，還加快了反沖水的漂洗速度，用原水養(yǎng)活了反沖洗濾后水用量及電能，也節(jié)約了沖洗水量。養(yǎng)活沖洗水量是原水表面清掃的一個特別優(yōu)點，事實上，它還起到了在一個濾池反沖洗時防止其它濾池在最大輸出負(fù)荷下運行的作用。

二、合理選用設(shè)計參數(shù)            

了解掌握了上述V型濾池的工作原理后，要想所設(shè)計的V型濾池能充分發(fā)揮其優(yōu)越性。就必須嚴(yán)格保證其工藝要求的結(jié)構(gòu)尺寸。因此，合理選用設(shè)計參數(shù)來進(jìn)行濾池的工藝設(shè)計是至關(guān)重要的。近十年來由我們設(shè)計的多座V型濾池，建成投產(chǎn)后的實際運行效果普遍較好。這證明我們所選用的設(shè)計參數(shù)是理想的，簡介如下：

1、主要設(shè)計參數(shù)的采用

濾料：石英海砂，最好是選擇海水沖刷強(qiáng)度比較大的海邊砂場的石英砂。粒徑0.95～1.35mm；不均勻系數(shù)K80=1.0～1.3；濾層厚度1.2～1.5m。

濾速：7～15m/h。沙上水深1.2～1.3m。

反沖洗強(qiáng)度：壓縮空氣15～161/m2.s；水反沖4～51/m2.s；水表面掃洗1.5～1.8/m2.s。                

濾頭：采用QS型長柄濾頭，濾頭長28.5cm；濾帽上有縫隙36條；濾柄上部有φ2mm氣孔，下部有長65mm、寬1mm條縫；材質(zhì)為ABS工程塑料。濾頭均勻分布在濾板上，每平方米布置48～56個。                   

濾板、濾梁均為鋼筋砼預(yù)制件。濾板制成矩形或正方形，但邊長最好不要超過1.2m。濾梁的寬度為10cm，高度和長度根據(jù)實際情況決定。

2、濾池結(jié)構(gòu)尺寸及標(biāo)高確定     

根據(jù)流體的流動特性，為了保證反沖洗時濾池平面氣、水分配的均勻，濾池平面尺寸的長寬比稍大一些為好。一般為：長:寬=4：1～3.5:1（寬度不包括中央氣水分配槽，中央氣水分配槽寬度一般為0.7～0.9米）。一般情況下，池的長度最好不要小于11米。濾池中央氣水分配槽將濾池寬度分成兩半，每半的寬度都不宜超4米。         

為了確保反沖洗時濾板下面任何一點的壓力均等，并使濾板下壓入的空氣可以盡快形成一個氣墊層，濾板與池底之間應(yīng)有一個高度適當(dāng)?shù)目臻g。我們把濾板下面清水庫的高度一般設(shè)計為0.85～0.95米。這個高度足以使空氣通過濾頭的孔和縫得到充分的混合并均勻分布在整個濾池面積之上，從而保證了濾池的正常濾水工作和濾池的再生效果。              

待濾水通過進(jìn)水總渠，經(jīng)兩個氣動橡皮閥和一個手動閘板閥后，再通過溢流堰由兩個側(cè)孔進(jìn)入V型槽后流入濾格。我們把中間的那個方孔（用W1表示）設(shè)計成用手動閘板閥來控制的進(jìn)水孔，這個閘板閥一般情況下是常開的（只有在濾格維修時才關(guān)上），濾池反沖洗時，表面掃洗水由此方孔經(jīng)溢流堰進(jìn)入。我們把兩邊的進(jìn)水方孔（分別用W21和W22表示，W1=W2），設(shè)計成兩個大小尺寸相等，用枕形充氣橡膠閥來控制待濾水進(jìn)入的方孔，濾池反沖洗時，此兩孔被枕形充氣橡膠閥堵上。我們把這三個進(jìn)水孔面積大小的比例設(shè)計為：W1:W21=W1:W22=1:3；進(jìn)水孔流速控制在0.40～0.5m/s；用這兩條原則來相互修訂并最后確定進(jìn)水孔的大小。             

表面掃洗是通過由V型槽底部小孔噴出的射流來實現(xiàn)的。根據(jù)射流的性質(zhì)，要使表面掃洗效果最佳，此射流最好為半淹沒射流。因此，V型槽底部小孔中心標(biāo)高的確定就顯得非常關(guān)鍵。根據(jù)我們的經(jīng)驗，小孔中心標(biāo)高比反沖洗水位低0.8～1.2cm為最佳。我們曾經(jīng)參觀過由法國德利滿公司設(shè)計的一間水廠，他們設(shè)計的小孔中心標(biāo)高比反沖洗水位低了1.3cm。濾池反沖洗時，表面掃洗效果不及我們設(shè)計的濾池。

濾池其它方面的設(shè)計我們與有關(guān)資料介紹的基本一致，此處不多贅述。

三、施工安裝的做法              

濾池施工安裝的好壞直接關(guān)系到濾池竣工投產(chǎn)后能否滿足工藝設(shè)計要求而正常運行。V型濾池對施工安裝的要求更是有嚴(yán)格的規(guī)定：濾板的水平誤差不得大于±2毫米；各濾池間的水平誤差不得大于±5毫米；梁中心和錨固筋之間距離誤差為±2毫米；板尺寸制作誤差為±2毫米；它要求中央排水渠堰頂?shù)乃�平度誤差不能大于±2毫米；濾池所有內(nèi)邊尺寸都要求嚴(yán)格控制。因此，要保證濾池的施工安裝質(zhì)量要求，除對全池土建施工的嚴(yán)格管理控制外，最關(guān)鍵還得嚴(yán)格控制濾板濾梁的制作及安裝，只有濾板、濾梁平整了，濾頭實質(zhì)上也就平整了。而濾板和濾梁我們往往都制成預(yù)制件。在預(yù)制場，我們用鋼模具、鋼筋和砼精心制作濾板、濾梁，保證單件濾板、濾梁的水平度和濾板厚度，并對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，把好質(zhì)量第一關(guān)。要使整池濾板面水平度高，關(guān)鍵在濾梁的安裝上。我們將安裝濾梁用的預(yù)埋鐵件準(zhǔn)確平整地預(yù)埋在池底上，然后在這塊預(yù)埋鐵件上焊一條DN100鋼短管，又在預(yù)制好的濾梁下方的預(yù)埋鐵件上焊一條DN80鋼管，將DN80鋼管套入DN100鋼管中，用水準(zhǔn)儀校水平，水平調(diào)準(zhǔn)后，再將管焊牢成一整體。然后用DN200管作模，將水泥砂漿灌入模中，使在DN100、DN80管的外面形成一層保護(hù)膜防止鋼管支承生銹，同時又加強(qiáng)了它的支承強(qiáng)度。在濾梁安裝好的基礎(chǔ)上，又用水準(zhǔn)儀嚴(yán)格控制濾板的水平度安裝。真正做到了全池濾板面水平誤差不超過±5毫米。我們采用電力部華東勘測設(shè)計研究院研制生產(chǎn)的905接縫專用密封膠（按水泥:砂:905膠=1:1:0.5比例配制成905砂漿）對濾板之間及濾板與池壁之間的縫隙進(jìn)行了密封。保證了不漏水不漏氣的密封性能，從而也保證了氣、水反沖洗的成功。

四、生產(chǎn)運行的自動控制                     

對V型濾池過濾和再生的自動控制是濾池正常生產(chǎn)運行的保障。我們采用了可編程序控制器和工業(yè)電腦（PLC+IPC）組成的實時多任務(wù)集散型控制系統(tǒng)，對濾池的過濾和反沖洗實行控制。

1、過濾控制                  

我們在濾池的相應(yīng)部位安裝了水位傳感儀、水頭損失傳感器。濾池的過濾就是通過它們測出濾池的水位和水頭損失，將水位值及濾后水閥門的開啟度送入每一個PLC柜中安裝的一塊專用模塊，調(diào)整模塊就可以調(diào)整閥門的開啟度，使濾池達(dá)到進(jìn)出水平衡，從而實現(xiàn)恒水位、恒濾速的自動過濾。

2、反沖洗控制              

一組濾池的反沖洗由一臺公用的PLC來控制。當(dāng)過濾達(dá)到過濾周期或濾池壓差（水頭）設(shè)定值時，濾池提出反沖洗請求，PLC根據(jù)濾池的優(yōu)先秩序，組成一個請求反沖洗隊列。一旦響應(yīng)某格濾池的請求，PLC實施反沖洗的整個過程，在一組濾板中，不允許兩個濾池同時進(jìn)行反沖洗，當(dāng)一只濾池正在反沖洗時，其它濾池請求反沖洗的信號則存入公用的PLC中，然后再按存儲秩序，對濾池依次進(jìn)行反沖洗。

當(dāng)濾池反沖洗時，公用PLC的控制過程是：①關(guān)閉待濾水進(jìn)水閥，當(dāng)濾池水位下降到洗砂排水槽頂時，關(guān)閉濾后水控制閥，打開反沖洗排水閥；②啟動鼓風(fēng)機(jī)，5秒鐘后，打開濾池反沖洗氣閥，對濾池進(jìn)行1分鐘氣預(yù)沖；③打開反沖洗水閥，啟動反沖洗水泵，進(jìn)行7分鐘的氣水同時反沖洗；④關(guān)閉反沖洗氣閥，5秒鐘后，停鼓風(fēng)機(jī)，打開空氣隔膜閥排氣，進(jìn)行5分鐘清水反沖漂洗后，停反沖水泵。5秒鐘后，關(guān)閉水反沖洗閥，然后關(guān)閉反沖洗排水閥，打開待濾水進(jìn)水閥，濾池恢復(fù)過濾。整個反沖洗過程歷時約25分鐘。

另外，PLC還能控制濾池的開啟個數(shù)，它根據(jù)濾池進(jìn)水流量確定濾池的開啟個數(shù)，按先停先開，先開先停的原則確定某格濾池的開、停。

五、V型濾池主要設(shè)備器材的選用

專用儀表和氣動閥門的選擇，是對V型濾池實現(xiàn)全自動控制的關(guān)鍵。V型濾池正常運行的反沖洗水閥、氣閥；清水閥、排污閥，我們都采用了氣動蝶閥。這些閥門各自來水公司可以根據(jù)自身的實際情況決定采用國產(chǎn)的或采用進(jìn)口的，但一定要選擇質(zhì)量好的。目前國內(nèi)有的生產(chǎn)廠家的質(zhì)量達(dá)到了世界先進(jìn)水平，并不比進(jìn)口閥門差，物美價廉，值得試用。我們認(rèn)為待濾水進(jìn)水閥采用枕式氣動橡膠閥比較好，制作簡單，動作可靠。其它與之配套的設(shè)備：鼓風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、水泵等用國產(chǎn)的就可以滿足要求，沒有必要進(jìn)口。

綜上所述，我們認(rèn)為V型濾池的先進(jìn)之處，就在于采用了均質(zhì)濾料和先進(jìn)的氣、水反沖洗兼表面掃洗技術(shù)。這一技術(shù)除在新建凈水廠應(yīng)用外，我們還可以把這一技術(shù)推廣到舊廠改造中去，依靠科學(xué)進(jìn)步，采用新的科學(xué)技術(shù)，進(jìn)行技術(shù)改造，充分發(fā)揮其最大的潛力，可在短時間內(nèi)使產(chǎn)水量大幅增長，是實現(xiàn)供水行業(yè)“提高供水水質(zhì)，提高供水安全可靠性，降低藥耗、降低能耗、降低漏耗。”較好途徑。其主要特點是：采用粒徑相對較粗的石英砂均質(zhì)濾料及較厚濾層的截污、納污能力，并延長濾池工作周期；氣水反沖洗加表面掃洗，濾層不膨脹或微膨脹；其配水系統(tǒng)為長柄濾頭配水系統(tǒng)；運行實現(xiàn)“公用沖洗PLC+各濾池PLC”的自動控制模式。主要設(shè)計參數(shù)如下：平面尺寸為12 m×7 m；設(shè)計濾速為8.04 m/h；濾頭密度為54 個/m2；濾料層厚1.2 m。

V型濾池在自動模式下運行時，PLC通過控制濾后水出水閘門的開度來控制濾池恒液位，當(dāng)符合下列條件之一時開始反沖洗：濾池運行時間達(dá)到設(shè)定值；過濾水頭損失達(dá)到設(shè)定值；來自于控制臺現(xiàn)場PLC—XBT鍵盤或中控室監(jiān)控計算機(jī)的沖洗命令。

V型濾池反沖洗方式較具特色，沖洗分三個過程：①氣預(yù)擦洗［一臺鼓風(fēng)機(jī)，送氣1 min，q氣＝22.5 m3/(m2·h)］；②氣水混合沖洗［兩臺鼓風(fēng)機(jī)，一臺沖洗水泵，沖洗6 min，q氣＝55 m3/(m2·h)，q水=7.5 m3/(m2·h)］；③水漂洗［兩臺沖洗水泵，沖洗6 min，q水＝15 m3/(m2·h)］；始終的橫向表面掃洗強(qiáng)度q水＝5.2 m3/(m2·h)左右。

在運行管理中發(fā)現(xiàn)：濾池進(jìn)水V型槽橫向表面掃洗孔的標(biāo)高過低，表面掃洗強(qiáng)度略低，導(dǎo)致橫向掃洗效果欠佳，泡沫浮渣漂浮滯留；濾頭有堵塞現(xiàn)象，清理極為不便；濾池調(diào)節(jié)故障經(jīng)常出現(xiàn)，采取的主要對策是經(jīng)常定期清洗水位計及濾層水頭損失計，保持靈敏度，適當(dāng)控制濾池進(jìn)水穩(wěn)定性，濾池維護(hù)管理工作量較大。

另外，在生產(chǎn)中考察了低濁期(原水濁度＜20 NTU)的V型濾池直接過濾性能及聚合鋁投加量對直接過濾的影響。結(jié)果表明，合理控制PAC投加量會產(chǎn)生如下效應(yīng)：①使過濾水頭損失增長減緩，水頭損失隨時間變化曲線近似直線，可有效防止濾層過早堵塞；②增加絮體在濾層內(nèi)的穿透深度，充分發(fā)揮V型濾池的均質(zhì)濾料、深濾床的截污納污優(yōu)勢。