V型滤池的工艺设计、施工安装和自动控制

　　滤池有多种型式，以石英砂作为滤料的普通快滤池使用历史悠久。在此基础上，人们从不同的工艺角度发展了其它型式的快滤池。V型滤池就是在此基础上由法国德利满公司在70年代发展起来的。V型滤池采用了较粗、较厚的均匀颗粒的石英砂滤层；采用了不使滤层膨胀的气、水同时反冲洗兼有待滤水的表面扫洗；采用了气垫分布空气和专用的长柄滤头进行气、水分配等工艺。它具有出水水质好、滤速高、运行周期长、反冲洗效果好、节能和便于自动化管理等特点。因此70年代已在欧洲大陆广泛使用。80年代后期，我国南京、西安、重庆等地开始引进使用。90年代以来，我国新建的大、中型净水厂差不多都采用了V型滤池这种滤水工艺，特别是广东省新建的净水厂几乎都采用了V型滤池。91年至94年我公司在沙口水厂（50万m3/d）的建设中，首次自行设计、施工安装了V型滤池。此后我们就开展了V型滤池的设计与安装这项工作。我们先后帮高明、中山小榄、中山东凤、顺德龙江、三水、广宁、汕头、惠州等兄弟自来水公司设计和安装了V型滤池。在近十年来的V型滤池的设计、施工安装以及自动控制过程中，我们取得了一定的实践经验，有以下几点工作体会：

一、研究掌握V型滤池结构、工作原理、工艺特点

　　滤池是水厂净水工艺中的重要环节，而滤池过滤能力的再生，是滤池稳定高效运行的关键。若采用较好的反冲洗技术，使滤池经常处于最优条件下工作，不仅可以节水、节能，还能提高水质，增大滤层的截污能力，延长工作周期，提高产水量。而V型滤池过滤能力的再生，就采用了先进的气、水反冲洗兼表面扫洗这一技术。因此滤池的过滤周期比单纯水冲洗的滤池延长了75%左右，截污水量可提高118%，而反冲洗水的耗量比单纯水冲洗的滤池可减少40%以上。滤池在气冲洗时，由于用鼓风机将空气压入滤层，因而从以下几方面改善了滤池的过滤性能：                 

　　①压缩空气的加入增大了滤料表面的剪力，从而使得通常水冲洗时不易剥落的污物在气泡急剧上升的高剪力下得以剥落，从而提高了反冲洗效果。                 

　　②气泡在滤层中运动产生混合后，可使滤料的颗粒不断涡旋扩散，促进了滤层颗粒循环混合，由此得到一个级配较均匀的混合滤层，其孔隙率高于级配滤料的分级滤层，改善了过滤性能，从而提高了滤层的截污能力。                 

　　③压缩空气的加入，气泡在颗粒滤料中爆破，使得滤料颗粒间的碰撞磨擦加剧，在水冲洗时，对滤料颗粒表面的剪切作用也得以充分发挥，加强了水冲清污的效能。

　　④气泡在滤层中的运动，减少了水冲洗时滤料颗粒间的相互接触的阻力，使水冲洗强度大大降低，从而节省冲洗的能耗。           

　　综上所述，气、水反冲洗时，由于气泡的激烈遄动作用，大大加强了污物剥落能力及截污能力。在滤池实际反冲洗时，我们观察到：当反冲时间约5分钟时的滤层污物剥落高达95%以上，因此V型滤池的反冲洗效果是肯定的。此外反冲洗时，原水通过与反冲洗排水槽相对的两个V型槽底部的小孔进入滤池，它扫洗滤层的表面，并把滤层反冲上来的污物、杂质推向排水槽，同时扫洗了水平速度等于零的一些地方，在这些地方漂起来的砂又重新沉淀下来。此外滤池的表面扫洗，还加快了反冲水的漂洗速度，用原水养活了反冲洗滤后水用量及电能，也节约了冲洗水量。养活冲洗水量是原水表面清扫的一个特别优点，事实上，它还起到了在一个滤池反冲洗时防止其它滤池在最大输出负荷下运行的作用。

二、合理选用设计参数            

　　了解掌握了上述V型滤池的工作原理后，要想所设计的V型滤池能充分发挥其优越性。就必须严格保证其工艺要求的结构尺寸。因此，合理选用设计参数来进行滤池的工艺设计是至关重要的。近十年来由我们设计的多座V型滤池，建成投产后的实际运行效果普遍较好。这证明我们所选用的设计参数是理想的，简介如下：

1、主要设计参数的采用

　　滤料：石英海砂，最好是选择海水冲刷强度比较大的海边砂场的石英砂。粒径0.95～1.35mm；不均匀系数K₈₀=1.0～1.3；滤层厚度1.2～1.5m。

　　滤速：7～15m/h。沙上水深1.2～1.3m。

　　反冲洗强度：压缩空气15～161/m².s；水反冲4～51/m².s；水表面扫洗1.5～1.8/m².s。                

　　滤头：采用QS型长柄滤头，滤头长28.5cm；滤帽上有缝隙36条；滤柄上部有φ2mm气孔，下部有长65mm、宽1mm条缝；材质为ABS工程塑料。滤头均匀分布在滤板上，每平方米布置48～56个。                   

　　滤板、滤梁均为钢筋砼预制件。滤板制成矩形或正方形，但边长最好不要超过1.2m。滤梁的宽度为10cm，高度和长度根据实际情况决定。

2、滤池结构尺寸及标高确定     

　　根据流体的流动特性，为了保证反冲洗时滤池平面气、水分配的均匀，滤池平面尺寸的长宽比稍大一些为好。一般为：长:宽=4：1～3.5:1（宽度不包括中央气水分配槽，中央气水分配槽宽度一般为0.7～0.9米）。一般情况下，池的长度最好不要小于11米。滤池中央气水分配槽将滤池宽度分成两半，每半的宽度都不宜超4米。         

　　为了确保反冲洗时滤板下面任何一点的压力均等，并使滤板下压入的空气可以尽快形成一个气垫层，滤板与池底之间应有一个高度适当的空间。我们把滤板下面清水库的高度一般设计为0.85～0.95米。这个高度足以使空气通过滤头的孔和缝得到充分的混合并均匀分布在整个滤池面积之上，从而保证了滤池的正常滤水工作和滤池的再生效果。              

　　待滤水通过进水总渠，经两个气动橡皮阀和一个手动闸板阀后，再通过溢流堰由两个侧孔进入V型槽后流入滤格。我们把中间的那个方孔（用W1表示）设计成用手动闸板阀来控制的进水孔，这个闸板阀一般情况下是常开的（只有在滤格维修时才关上），滤池反冲洗时，表面扫洗水由此方孔经溢流堰进入。我们把两边的进水方孔（分别用W21和W22表示，W1=W2），设计成两个大小尺寸相等，用枕形充气橡胶阀来控制待滤水进入的方孔，滤池反冲洗时，此两孔被枕形充气橡胶阀堵上。我们把这三个进水孔面积大小的比例设计为：W1:W21=W1:W22=1:3；进水孔流速控制在0.40～0.5m/s；用这两条原则来相互修订并最后确定进水孔的大小。             

　　表面扫洗是通过由V型槽底部小孔喷出的射流来实现的。根据射流的性质，要使表面扫洗效果最佳，此射流最好为半淹没射流。因此，V型槽底部小孔中心标高的确定就显得非常关键。根据我们的经验，小孔中心标高比反冲洗水位低0.8～1.2cm为最佳。我们曾经参观过由法国德利满公司设计的一间水厂，他们设计的小孔中心标高比反冲洗水位低了1.3cm。滤池反冲洗时，表面扫洗效果不及我们设计的滤池。

　　滤池其它方面的设计我们与有关资料介绍的基本一致，此处不多赘述。

三、施工安装的做法              

　　滤池施工安装的好坏直接关系到滤池竣工投产后能否满足工艺设计要求而正常运行。V型滤池对施工安装的要求更是有严格的规定：滤板的水平误差不得大于±2毫米；各滤池间的水平误差不得大于±5毫米；梁中心和锚固筋之间距离误差为±2毫米；板尺寸制作误差为±2毫米；它要求中央排水渠堰顶的水平度误差不能大于±2毫米；滤池所有内边尺寸都要求严格控制。因此，要保证滤池的施工安装质量要求，除对全池土建施工的严格管理控制外，最关键还得严格控制滤板滤梁的制作及安装，只有滤板、滤梁平整了，滤头实质上也就平整了。而滤板和滤梁我们往往都制成预制件。在预制场，我们用钢模具、钢筋和砼精心制作滤板、滤梁，保证单件滤板、滤梁的水平度和滤板厚度，并对其进行养护，把好质量第一关。要使整池滤板面水平度高，关键在滤梁的安装上。我们将安装滤梁用的预埋铁件准确平整地预埋在池底上，然后在这块预埋铁件上焊一条DN100钢短管，又在预制好的滤梁下方的预埋铁件上焊一条DN80钢管，将DN80钢管套入DN100钢管中，用水准仪校水平，水平调准后，再将管焊牢成一整体。然后用DN200管作模，将水泥砂浆灌入模中，使在DN100、DN80管的外面形成一层保护膜防止钢管支承生锈，同时又加强了它的支承强度。在滤梁安装好的基础上，又用水准仪严格控制滤板的水平度安装。真正做到了全池滤板面水平误差不超过±5毫米。我们采用电力部华东勘测设计研究院研制生产的905接缝专用密封胶（按水泥:砂:905胶=1:1:0.5比例配制成905砂浆）对滤板之间及滤板与池壁之间的缝隙进行了密封。保证了不漏水不漏气的密封性能，从而也保证了气、水反冲洗的成功。

四、生产运行的自动控制                     

　　对V型滤池过滤和再生的自动控制是滤池正常生产运行的保障。我们采用了可编程序控制器和工业电脑（PLC+IPC）组成的实时多任务集散型控制系统，对滤池的过滤和反冲洗实行控制。

1、过滤控制                  

　　我们在滤池的相应部位安装了水位传感仪、水头损失传感器。滤池的过滤就是通过它们测出滤池的水位和水头损失，将水位值及滤后水阀门的开启度送入每一个PLC柜中安装的一块专用模块，调整模块就可以调整阀门的开启度，使滤池达到进出水平衡，从而实现恒水位、恒滤速的自动过滤。

2、反冲洗控制              

　　一组滤池的反冲洗由一台公用的PLC来控制。当过滤达到过滤周期或滤池压差（水头）设定值时，滤池提出反冲洗请求，PLC根据滤池的优先秩序，组成一个请求反冲洗队列。一旦响应某格滤池的请求，PLC实施反冲洗的整个过程，在一组滤板中，不允许两个滤池同时进行反冲洗，当一只滤池正在反冲洗时，其它滤池请求反冲洗的信号则存入公用的PLC中，然后再按存储秩序，对滤池依次进行反冲洗。

　　当滤池反冲洗时，公用PLC的控制过程是：①关闭待滤水进水阀，当滤池水位下降到洗砂排水槽顶时，关闭滤后水控制阀，打开反冲洗排水阀；②启动鼓风机，5秒钟后，打开滤池反冲洗气阀，对滤池进行1分钟气预冲；③打开反冲洗水阀，启动反冲洗水泵，进行7分钟的气水同时反冲洗；④关闭反冲洗气阀，5秒钟后，停鼓风机，打开空气隔膜阀排气，进行5分钟清水反冲漂洗后，停反冲水泵。5秒钟后，关闭水反冲洗阀，然后关闭反冲洗排水阀，打开待滤水进水阀，滤池恢复过滤。整个反冲洗过程历时约25分钟。

　　另外，PLC还能控制滤池的开启个数，它根据滤池进水流量确定滤池的开启个数，按先停先开，先开先停的原则确定某格滤池的开、停。

五、V型滤池主要设备器材的选用

　　专用仪表和气动阀门的选择，是对V型滤池实现全自动控制的关键。V型滤池正常运行的反冲洗水阀、气阀；清水阀、排污阀，我们都采用了气动蝶阀。这些阀门各自来水公司可以根据自身的实际情况决定采用国产的或采用进口的，但一定要选择质量好的。目前国内有的生产厂家的质量达到了世界先进水平，并不比进口阀门差，物美价廉，值得试用。我们认为待滤水进水阀采用枕式气动橡胶阀比较好，制作简单，动作可靠。其它与之配套的设备：鼓风机、空压机、水泵等用国产的就可以满足要求，没有必要进口。

　　综上所述，我们认为V型滤池的先进之处，就在于采用了均质滤料和先进的气、水反冲洗兼表面扫洗技术。这一技术除在新建净水厂应用外，我们还可以把这一技术推广到旧厂改造中去，依靠科学进步，采用新的科学技术，进行技术改造，充分发挥其最大的潜力，可在短时间内使产水量大幅增长，是实现供水行业“提高供水水质，提高供水安全可靠性，降低药耗、降低能耗、降低漏耗。”较好途径。其主要特点是：采用粒径相对较粗的石英砂均质滤料及较厚滤层的截污、纳污能力，并延长滤池工作周期；气水反冲洗加表面扫洗，滤层不膨胀或微膨胀；其配水系统为长柄滤头配水系统；运行实现“公用冲洗PLC+各滤池PLC”的自动控制模式。主要设计参数如下：平面尺寸为12 m×7 m；设计滤速为8.04 m/h；滤头密度为54 个/m²；滤料层厚1.2 m。

　　V型滤池在自动模式下运行时，PLC通过控制滤后水出水闸门的开度来控制滤池恒液位，当符合下列条件之一时开始反冲洗：滤池运行时间达到设定值；过滤水头损失达到设定值；来自于控制台现场PLC—XBT键盘或中控室监控计算机的冲洗命令。

　　V型滤池反冲洗方式较具特色，冲洗分三个过程：①气预擦洗［一台鼓风机，送气1 min，q_气＝22.5 m³/(m²·h)］；②气水混合冲洗［两台鼓风机，一台冲洗水泵，冲洗6 min，q_气＝55 m³/(m²·h)，q水=7.5 m³/(m²·h)］；③水漂洗［两台冲洗水泵，冲洗6 min，q_水＝15 m3/(m²·h)］；始终的横向表面扫洗强度q水＝5.2 m³/(m²·h)左右。

　　在运行管理中发现：滤池进水V型槽横向表面扫洗孔的标高过低，表面扫洗强度略低，导致横向扫洗效果欠佳，泡沫浮渣漂浮滞留；滤头有堵塞现象，清理极为不便；滤池调节故障经常出现，采取的主要对策是经常定期清洗水位计及滤层水头损失计，保持灵敏度，适当控制滤池进水稳定性，滤池维护管理工作量较大。

另外，在生产中考察了低浊期(原水浊度＜20 NTU)的V型滤池直接过滤性能及聚合铝投加量对直接过滤的影响。结果表明，合理控制PAC投加量会产生如下效应：①使过滤水头损失增长减缓，水头损失随时间变化曲线近似直线，可有效防止滤层过早堵塞；②增加絮体在滤层内的穿透深度，充分发挥V型滤池的均质滤料、深滤床的截污纳污优势。