日照水司奎山水廠濾池反沖洗技術淺析
in 行業新聞 by 柯橋水務
日照水司 尹小華
來源：中國供水節水
奎山十萬噸水廠供水工程是我市重要的基礎設施建設項目，該工程總投資1.2億元人民幣，其中利用英國政府貸款352.8萬英鎊。工程一期設計規模11.2萬噸/日，其中凈水5萬噸/日，木漿廠用原水6.2萬噸/日。凈水廠設計供水能力達到凈水10萬噸/日。過濾是供水工藝中的一個重要環節，合理地選擇與設計濾池反沖洗系統，在經濟、技術、安全等方面有著重要的意義。
一、濾池單獨用水反沖洗方式存在的問題
濾池是常規給水處理中的最后環節。濾池的反沖洗系統是維持濾池功能的關鍵，其基本要求是：在較短的反沖洗時間內，使濾料得到清洗，恢復其去除雜質的能力。反沖洗的質量對濾后水水質、工作周期，運行情況、濾料含污量和級配組成的影響很大。濾池反沖洗系統的機械設備費用很高，同時反沖洗費用又是濾池最主要的運行費用。
濾池的反沖洗有水反沖洗和氣水反沖洗兩種基本方式。傳統的濾池反沖洗方式為水反沖洗方式。單獨水反沖洗方式構造簡單，運行方便，但在運行中存在以下問題：〈1〉水反沖洗主要靠水流剪力，而濾料間擦洗作用不夠，不易將濾料徹底清洗干凈，往往一些較大的懸浮雜質顆粒和泥球殘留在濾層中逐漸積累，使濾層起始水頭損失增大，濾層截污能力下降，運行周期縮短，產水量下降；〈2〉若采用高強度水反沖洗，又會造成濾料嚴重流失，承托層移動，同時過高的反沖洗強度反會降低濾料顆粒間碰撞、摩擦作用；〈3〉濾層中出現泥球后，在設計反沖洗強度下沖洗效果不佳，且延長沖洗時間，泥球更趨嚴重，增加了反沖洗水耗，形成惡性循環；〈4〉反沖洗需要一定的G值，水反沖洗產生的G值低，為300～400S-1，是一種弱反沖洗方式；〈5〉濾池反沖洗強度與濾料粒徑的平方成正比，對于國內外廣泛采用的粗顆粒勻質濾料濾池，為保證反沖洗效果，需要較高的反沖洗強度，又易造成濾料流失。
二、氣水反沖洗的優缺點
從實際運行來看，氣水反沖洗技術與單純水沖洗方相比，具有八個主要優點：〈1〉反沖洗效果好，濾料含泥量減少18%，濾層截污能力提高100%左右，過濾周期延長60%～70%，初期濾速與終期濾速都有增長，過濾水頭損失也有下降；〈2〉較好地消除了濾層泥球現象，延長了過濾周期；〈3〉節省反沖洗耗水量60%～70%，節約水資源效果明顯，減少水反沖洗設備的規模；〈4〉空氣增強了濾料的剪切和摩擦作用，在較小的反沖洗強度下，即可達到＞550S-1的G值可保證沖洗效果，且能量利用率高；〈5〉由于空氣的比重是水比重的1/900～1/750，故氣水反沖洗能量低，可節省運行費用；〈6〉因水反沖洗強度降低，不易產生濾料流失現象，濾層僅有微膨脹，奎山水廠V型濾池水反沖洗強度僅4L/s.m2，氣洗強度為15L/ s.m2；〈7〉提高濾料的使用壽命，減少了濾料層補沙、換沙費用；〈8〉適用于粗粒、勻質濾料濾池，以保證沖洗效果和充分利用濾床截污容量。
但氣水反沖洗方式也存在兩個缺點：〈1〉增加了供氣設備，提高了基建投資和設備為維修工作量；〈2〉反沖洗操作復雜，為方便操作和避免誤操作，氣、水反沖洗濾池宜采用自動控制系統。
三、氣、水反沖洗的基本原理
氣水反沖洗是在水反沖洗之前或同時將空氣由濾料層下部通入，使黏附在濾料層中的污物分離，再用低速水漂洗，排出廢水。
單獨用空氣反沖洗時，濾層不膨脹，濾層吸附雜質的去除，靠氣泡上升時對濾料顆粒產生的剪切、摩擦作用和因氣泡通過濾層某處后的空缺由周圍濾料顆粒填充而加強的濾料顆粒間碰撞、摩擦作用；氣泡在上升過程中對濾層擾動作用逐漸增大，對截污量較大的表層濾料擾動尤大。次階段截留在濾層中的雜質從濾料顆粒上脫落。
氣水同時反沖洗，濾料微膨脹，污泥從濾料顆粒上脫落是水流剪切、摩擦作用、空氣剪切、摩擦作用和濾料間碰撞、摩擦作用綜合作用的結果。與單獨水反沖洗方式相比，由于增加了空氣對濾料的剪切、摩擦作用，同時空氣的加入又強化了水流剪切、摩擦作用和濾料顆粒間碰撞、摩擦作用，故在較小的水反沖洗強度下即可達到大于550S-1的G值。沖洗效果優于單獨氣洗階段。次階段雜質從濾料中去除。
氣水反沖洗最后一個階段是水漂洗階段，其作用為：首先，將從濾層中去除的雜質排出，用清水層置換廢水層；其次，將殘留在濾層中的空氣排出。
四、氣、水反沖洗的運行方式
氣水反沖洗有三種運行方式。第一種方式為：先單獨氣洗，后單獨水洗；第二種方式為：先氣水同時沖洗，后單獨水洗；第三種方式為：先單獨氣洗，然后氣水同時反沖洗，最后水漂洗，即AQUAZUR V型濾池的反沖洗運行方式。
目前國內普遍采用的是第一種運行方式。但國內外及奎山水廠的運行實踐表明：沖洗效果最好的是第三種運行方式。次種運行方式的采用已成為濾池氣水反沖洗技術發展的一種趨勢。
五、反沖洗強度和沖洗時間
反沖洗強度和沖洗時間是濾池反沖洗系統的重要設計參數。根據奎山水廠調試過程中對濾池反沖洗系統各運行參數對比實驗經驗，空氣沖洗強度宜采取13～17L/ s.m2，氣沖洗時間2～4min；水反沖洗強度不宜過大，以免濾料流失，水沖洗強度宜取3～8 L/ s.m2，氣水混合反沖洗時間宜為3～6min，單獨水反沖洗時間宜取6～8min。
六、供氣系統
氣水反沖洗濾池除設置常規水反沖洗供水系統（如反沖洗水泵）外，還須設置反沖洗供氣系統。氣水反沖洗濾池供氣系統有空壓機和鼓風機兩類，奎山水廠濾池采用鼓風機供氣。
奎山水廠采用兩臺鼓風機，一用一備。
鼓風機的空氣量按下式計算：
Q=（l.lq.F）/n
式中：Q——鼓風機空氣量；
L——空氣沖洗強度（L/ s.m2）；
F——單格濾池面積（m2）；
n——鼓風機工作臺數（臺）；
鼓風機出口壓力一般為0.13～0.15Mpa,需根據配氣管道口徑長度和濾層厚度等進行計算確定。
鼓風機噪音較大，鼓風機房必須考慮防震消音措施。鼓風機應盡量與反沖洗泵設置一處。鼓風機須設與其進風管相連接的啟動式空氣回流管道。
空氣管道應采用鋼管，應密閉不漏氣、不漏水，流速為10m/s左右，應設排水閥。整個系統應設置安全閥。
七、配水配氣系統
配水、配氣系統除在正常過濾時均勻集水外的另一個主要作用是：在整個濾池面積上均勻分配反沖洗水和氣。氣水反沖洗系統的配水配氣系統有水氣合用的大阻力管式系統、水氣分開的兩套管式大阻力配水系統、小阻力長柄濾頭系統三種。第一、二種方式布氣布水均勻性不及第三種方式好。第一種方式不能氣水同時反沖洗；第二種方式雖能氣水同時反沖洗，但造價較大。第三種方式既能氣水同時反沖洗，在清水管廊內形成一層氣墊，配水配氣均勻性好，是較好的配水配氣方式。奎山水廠的AQUAZUR V型濾池即采用第三種配水配氣方式。
長柄濾頭的配置既滿足均勻布氣、布水的要求，有方便施工，且不影響濾板鋼筋布置。濾頭縫隙總面積占單格濾池面積的0.9%～1.25%，安裝密度為50～60只/m2。長柄濾頭擰在鋼筋混凝土濾板上。奎山水廠共用4158只長柄濾頭，Dg20長柄濾頭共有36條縫隙，縫隙面積為2.88 cm2，單格濾池面積77/m2，安裝密度為54只/m2，開孔率1.55%。
長柄濾頭配氣配水系統安裝應注意：〈1〉濾板平面必須水平，各點高度誤差不得超過+2mm；〈2〉濾板間瀝青瑪蹄脂填充物必須滿足氣密性要求，不可漏氣、漏水、漏沙；〈3〉濾頭安裝位置準確，其縫隙寬度小于濾料顆粒最小粒徑。
八、自動控制
氣水反沖洗設備較多，反沖洗操作復雜，宜采用自動控制系統，以方便操作。奎山水廠全廠自動控制系統由1臺裝在公司調度室的COMPAQ PCｘ86計算機和2臺安裝在水廠中控室的COMPAQ PCｘ86計算機以及5臺可編程控制器（PLC）組成。濾池有1臺公共清洗PLC和5臺濾池PLC。5臺濾池PLC通過Telway網絡與公共清洗PLC相聯，公共清洗PLC通過MOD.bus與中控室PC相聯，中控室PC通過無線通訊系統與公司調度室PC相聯，完成層層監控。公共清洗PLC負責反沖洗水泵、鼓風機等反沖洗設備的監控，濾池PLC負責各濾池運行及反沖洗的監控，而上位機負責管理，即數據的顯示、打印和保存。
濾池運行及反沖洗。可由PLC系統自動控制，也可由現場XBT（人工智能接口）控制。
PLC系統可顯示濾池閥門故障、資源（水、氣、電）故障、調節故障（水位傳感器和閥門調節器等）三類故障，并報警，且傳至中控室。
當濾池運行狀況滿足以下條件之一時，濾池開始自動反沖洗：〈1〉濾池清水出口閥完全開啟，濾池水位超過1.65m。〈2〉當出水壓力低0.1bar。〈3〉前一次反沖洗結束24小時后。〈4〉由上位機發出指令。反沖洗優先級，首先是XBT上人工清洗請求，其次是水頭損失值，再次是過濾時間。