董志鋒，劉 倩，薛 文，邱仲領(lǐng)，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(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的逐漸增多，先后于1988年、1989年、1992年進(jìn)行二、三、四期水廠擴(kuò)建以保障供水需求，設(shè)計(jì)供水能力為7.2萬m3/d。供水采用“混凝-沉淀-過濾-消毒”常規(guī)水處理工藝。由于水廠建造時(shí)間早，濾池均采用虹吸濾池，工藝相對(duì)落后，濾池抗沖擊負(fù)荷能力差，出水效果不理想[1]，加之使用年限高達(dá)25 a以上，濾池設(shè)備銹蝕老化嚴(yán)重。同時(shí)，虹吸濾池長(zhǎng)期運(yùn)行，由于沖洗不徹底，導(dǎo)致濾板濾孔堵塞、濾層板結(jié)發(fā)黑、濾層中出現(xiàn)大量泥球、有效過濾面積減少等問題。為使濾后出水達(dá)到內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，濾池經(jīng)常未達(dá)到過濾周期就需要進(jìn)行人工強(qiáng)制沖洗，造成水廠自用水量增加，浪費(fèi)水資源。

隨著供水量的提高，采用單一的水沖方式已經(jīng)無法滿足濾池生產(chǎn)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(nèi)已有將虹吸濾池改造為V型濾池、翻板濾池的改造實(shí)例[2-3]。將虹吸濾池改為V型濾池，需要改造池體構(gòu)造，土建改造投資成本高，施工周期長(zhǎng)。翻板濾池具有反沖洗徹底、濾料不易流失、池體構(gòu)造簡(jiǎn)單、土建安裝方便、占地小、布置緊湊的特點(diǎn)[4]；同時(shí)，虹吸濾池在技改中具有池深大、過濾面積可擴(kuò)大的特點(diǎn)[5]，受水廠場(chǎng)地的限制、根據(jù)虹吸濾池的特點(diǎn)，為滿足供水增長(zhǎng)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(jí)改造為氣水反沖洗翻板濾池，本文總結(jié)了氣水反沖洗翻板濾池的改造方案、優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用成效，以期為存在類似問題的水廠提供技術(shù)借鑒。

1 工藝概況

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

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

2 現(xiàn)狀濾池存在的問題

2.1 現(xiàn)狀濾池主要設(shè)計(jì)參數(shù)

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(jí)配礫石；濾床底部配水系統(tǒng)采用小阻力穿孔板，設(shè)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(shè)有進(jìn)水和排水虹吸管各1根，反沖時(shí)需關(guān)閉反沖洗格濾池進(jìn)水閥門及濾池進(jìn)清水池總閥門，由其他格的濾池濾后水對(duì)該格進(jìn)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(dāng)濾池內(nèi)水位逐漸上漲達(dá)到最高液位時(shí)，排水輔助虹吸管通過抽氣三通不斷抽氣，使虹吸排水管內(nèi)水位較快地上升，形成虹吸排水，濾池內(nèi)水位迅速下降，至接近排水槽上口時(shí)，清水總渠內(nèi)的水即通過配水系統(tǒng)穿過濾層向上流動(dòng)，從而達(dá)到反沖洗的目的。當(dāng)計(jì)時(shí)水槽內(nèi)的破壞虹吸管口露出時(shí)，空氣會(huì)進(jìn)入排水虹吸管內(nèi)，虹吸被破壞，沖洗即停止，濾池進(jìn)入過濾狀態(tài)[6]。

2.3 現(xiàn)狀濾池存在問題

(1)反沖不徹底，濾料易板結(jié)，縮短濾池運(yùn)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(jié)，導(dǎo)致濾池運(yùn)行周期縮短[7]。

(2)運(yùn)行效果下降，影響出水效果。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，濾料積泥日漸嚴(yán)重，最終板結(jié)發(fā)黑，影響濾池出水效果。

(3)虹吸過程長(zhǎng)，自用水率高。虹吸濾池使用水力自動(dòng)沖洗裝置，要等排水虹吸形成后，水位降到一定深度，進(jìn)水虹吸才能破壞，才會(huì)停止進(jìn)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(hù)成本高。濾池利用水位壓力差進(jìn)行反沖洗，反沖洗強(qiáng)度不均勻，易發(fā)生“跑砂”現(xiàn)象。每隔5 a需更換濾砂，人力物力維護(hù)成本高[8]。

3 改造方案及過程

3.1 改造原則

(1)改造方案應(yīng)簡(jiǎn)單、方便、運(yùn)行可靠，保證濾后水滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的水質(zhì)要求。

(2)維持濾池的主體土建結(jié)構(gòu)不變，在少動(dòng)或不動(dòng)主體結(jié)構(gòu)的原則下進(jìn)行，使改造工作簡(jiǎn)單、施工方便。

(3)盡量利用現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行改造，減少改造工程量和投資[9]。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

濾池改造后設(shè)計(jì)參數(shù)如下：濾池分2組，每組5格，共10格。濾料類型：底層鋪設(shè)粒徑為2～4 mm的石英砂100 mm作為承托層，上層鋪設(shè)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(dú)氣沖3 min，沖洗強(qiáng)度為17 L/(m2·s)；再氣水同時(shí)沖洗1 min，氣沖強(qiáng)度為17 L/(m2·s)，水沖強(qiáng)度為15 L/(m2·s)；最后單獨(dú)水沖3 min，水沖強(qiáng)度為15 L/(m2·s)，整個(gè)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(jìn)水系統(tǒng)

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

3.4 排水系統(tǒng)

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?fù)谂潘?，開口尺寸為L(zhǎng)×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(jìn)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(dòng)閥氣缸控制拉板打開的角度調(diào)節(jié)排水量。

3.5 配水配氣系統(tǒng)

改變?cè)械膯嗡疀_方式，采用氣水聯(lián)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(xiàn)澆濾梁，并安裝預(yù)制濾板，采用F式長(zhǎng)柄濾頭進(jìn)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(tǒng)

反沖洗系統(tǒng)：為了節(jié)省造價(jià)，水沖系統(tǒng)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(dòng)拉板閥，控制反沖洗水量。

供氣系統(tǒng)：氣沖系統(tǒng)及氣動(dòng)閥門控制系統(tǒng)。在水廠值班樓內(nèi)重新規(guī)劃鼓風(fēng)機(jī)與空壓機(jī)設(shè)備間，設(shè)備間內(nèi)安裝2臺(tái)型號(hào)為JTS125的羅茨鼓風(fēng)機(jī)(1用1備)，設(shè)計(jì)風(fēng)量為14.4 m3/min，出氣壓力為49 kPa，通過DN200的氣沖管道對(duì)翻板濾池進(jìn)行氣沖。同時(shí)，還安裝空氣壓縮機(jī)、干燥機(jī)2臺(tái)(1用1備)以及儲(chǔ)氣罐2個(gè)，用于控制濾池中的氣動(dòng)閥門。

4 實(shí)際運(yùn)行效果

4.1 渾濁度去除率

為了進(jìn)一步考察改造前后濾池渾濁度去除能力，分別對(duì)改造前后沉淀池、濾池出水渾濁度進(jìn)行連續(xù)一個(gè)月的測(cè)定，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

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

由表1可知，改造前濾池進(jìn)水量為1.2萬m3/d，改造后進(jìn)水量為1.8萬m3/d，改造后進(jìn)水量比改造前進(jìn)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(jìn)水量的增加導(dǎo)致四期斜管沉淀池上升流速增加，水流帶動(dòng)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(dòng)較小，在90%上下波動(dòng)；改造前濾池渾濁度去除率波動(dòng)幅度較大，上下波動(dòng)43%，這說明改造后濾池截污納垢能力較強(qiáng)，濾池的抗沖擊負(fù)荷能力提高。

4.2 濾池反沖洗周期

濾池改造前，進(jìn)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(jìn)水量和改造前相同時(shí)(1.2萬m3/d)，濾池反沖洗周期延長(zhǎng)至48 h，濾池運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)提高了100%，顯著提升了濾池的運(yùn)行效率。當(dāng)濾池進(jìn)水量為1.8萬m3/d時(shí)，濾池反沖洗周期為24～36 h，與改造前相比，濾池產(chǎn)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?lián)Q濾砂截污能力增強(qiáng)；同時(shí)，濾池反沖洗系統(tǒng)改變，使濾池反沖洗較為徹底，從而提高濾池的運(yùn)行效率。

4.3 濾池反沖洗水量

為評(píng)估濾池改造前后反沖洗用水量，對(duì)反沖洗用水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(jù)水廠實(shí)際運(yùn)行情況，改造后四期濾池進(jìn)水量為1.8萬m3/d，反沖洗周期為24 h；改造前四期濾池進(jìn)水量為1.2萬m3/d，反沖洗周期為22 h，月反沖洗節(jié)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(fā)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(jīng)濟(jì)效益分析

濾池改造后于2019年7月正式投入運(yùn)行，投入使用過程中，效果良好，成本降低，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，具體如下。

(1)以1.8萬m3/d的供水量計(jì)算，每天節(jié)約反沖洗水量18 000×(4.76%-2.72%)=367.2 m3，每年原水成本節(jié)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(fèi)用約為13萬元，改造后每15 a更換1次濾砂，單次更換費(fèi)用約為16萬元，折合每年濾砂更換節(jié)省1.5萬元。

(3)新增設(shè)備維護(hù)成本：新增2臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)、2臺(tái)空壓機(jī)、31臺(tái)氣動(dòng)翻板閥，預(yù)計(jì)維修費(fèi)用為5萬元/a。

(4)電費(fèi)：主要為鼓風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)的運(yùn)行，按照每天運(yùn)行2 h計(jì)算，每年電費(fèi)約為2萬元。

(5)供水增加產(chǎn)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(jì)算，每年可產(chǎn)生109.5萬元的利潤。因此，虹吸濾池改造后經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目花費(fèi)154萬元，通過上述經(jīng)濟(jì)效益分析可計(jì)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(jié)論

針對(duì)虹吸濾池反沖洗不徹底、濾料易板結(jié)、過濾周期短、過濾效果差的問題，結(jié)合水廠實(shí)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(duì)比改造前后的運(yùn)行效果，得到以下結(jié)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(huì)流失，反沖洗更為徹底。

(2)與虹吸濾池進(jìn)水量相比，氣水反沖洗翻板濾池進(jìn)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(fù)荷能力提高，濾池運(yùn)行效果提升。

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

(4)改造后濾池反沖洗水量降低了21.84%，月節(jié)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。