V型濾池的工藝設(shè)計(jì)、施工安裝和自動(dòng)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(guó)德利滿(mǎn)公司在70年代發(fā)展起來(lái)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(shí)反沖洗兼有待濾水的表面掃洗；采用了氣墊分布空氣和專(zhuān)用的長(zhǎng)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(yùn)行周期長(zhǎng)、反沖洗效果好、節(jié)能和便于自動(dòng)化管理等特點(diǎn)。因此70年代已在歐洲大陸廣泛使用。80年代后期，我國(guó)南京、西安、重慶等地開(kāi)始引進(jìn)使用。90年代以來(lái)，我國(guó)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(wàn)m3/d）的建設(shè)中，首次自行設(shè)計(jì)、施工安裝了V型濾池。此后我們就開(kāi)展了V型濾池的設(shè)計(jì)與安裝這項(xiàng)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(lái)水公司設(shè)計(jì)和安裝了V型濾池。在近十年來(lái)的V型濾池的設(shè)計(jì)、施工安裝以及自動(dòng)控制過(guò)程中，我們?nèi)〉昧艘欢ǖ膶?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有以下幾點(diǎn)工作體會(huì)：

一、研究掌握V型濾池結(jié)構(gòu)、工作原理、工藝特點(diǎn)

濾池是水廠凈水工藝中的重要環(huán)節(jié)，而濾池過(guò)濾能力的再生，是濾池穩(wěn)定高效運(yùn)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(zhǎng)工作周期，提高產(chǎn)水量。而V型濾池過(guò)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(guò)濾周期比單純水沖洗的濾池延長(zhǎng)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(shí)，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(guò)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(shí)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(yùn)動(dòng)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(gè)級(jí)配較均勻的混合濾層，其孔隙率高于級(jí)配濾料的分級(jí)濾層，改善了過(guò)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(shí)，對(duì)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(yùn)動(dòng)，減少了水沖洗時(shí)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(shí)，由于氣泡的激烈遄動(dòng)作用，大大加強(qiáng)了污物剝落能力及截污能力。在濾池實(shí)際反沖洗時(shí)，我們觀察到：當(dāng)反沖時(shí)間約5分鐘時(shí)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(shí)，原水通過(guò)與反沖洗排水槽相對(duì)的兩個(gè)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(lái)的污物、雜質(zhì)推向排水槽，同時(shí)掃洗了水平速度等于零的一些地方，在這些地方漂起來(lái)的砂又重新沉淀下來(lái)。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(gè)特別優(yōu)點(diǎn)，事實(shí)上，它還起到了在一個(gè)濾池反沖洗時(shí)防止其它濾池在最大輸出負(fù)荷下運(yùn)行的作用。

二、合理選用設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)參數(shù)來(lái)進(jìn)行濾池的工藝設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。近十年來(lái)由我們?cè)O(shè)計(jì)的多座V型濾池，建成投產(chǎn)后的實(shí)際運(yùn)行效果普遍較好。這證明我們所選用的設(shè)計(jì)參數(shù)是理想的，簡(jiǎn)介如下：

1、主要設(shè)計(jì)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(chǎng)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(zhǎng)柄濾頭，濾頭長(zhǎng)28.5cm；濾帽上有縫隙36條；濾柄上部有φ2mm氣孔，下部有長(zhǎng)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(gè)。                   

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(zhǎng)最好不要超過(guò)1.2m。濾梁的寬度為10cm，高度和長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)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(dòng)特性，為了保證反沖洗時(shí)濾池平面氣、水分配的均勻，濾池平面尺寸的長(zhǎng)寬比稍大一些為好。一般為：長(zhǎng):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(zhǎng)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(shí)濾板下面任何一點(diǎn)的壓力均等，并使濾板下壓入的空氣可以盡快形成一個(gè)氣墊層，濾板與池底之間應(yīng)有一個(gè)高度適當(dāng)?shù)目臻g。我們把濾板下面清水庫(kù)的高度一般設(shè)計(jì)為0.85～0.95米。這個(gè)高度足以使空氣通過(guò)濾頭的孔和縫得到充分的混合并均勻分布在整個(gè)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(guò)進(jìn)水總渠，經(jīng)兩個(gè)氣動(dòng)橡皮閥和一個(gè)手動(dòng)閘板閥后，再通過(guò)溢流堰由兩個(gè)側(cè)孔進(jìn)入V型槽后流入濾格。我們把中間的那個(gè)方孔（用W1表示）設(shè)計(jì)成用手動(dòng)閘板閥來(lái)控制的進(jìn)水孔，這個(gè)閘板閥一般情況下是常開(kāi)的（只有在濾格維修時(shí)才關(guān)上），濾池反沖洗時(shí)，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(jì)成兩個(gè)大小尺寸相等，用枕形充氣橡膠閥來(lái)控制待濾水進(jìn)入的方孔，濾池反沖洗時(shí)，此兩孔被枕形充氣橡膠閥堵上。我們把這三個(gè)進(jìn)水孔面積大小的比例設(shè)計(jì)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(lái)相互修訂并最后確定進(jìn)水孔的大小。             

表面掃洗是通過(guò)由V型槽底部小孔噴出的射流來(lái)實(shí)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(méi)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(yàn)，小孔中心標(biāo)高比反沖洗水位低0.8～1.2cm為最佳。我們?cè)��?jīng)參觀過(guò)由法國(guó)德利滿(mǎn)公司設(shè)計(jì)的一間水廠，他們?cè)O(shè)計(jì)的小孔中心標(biāo)高比反沖洗水位低了1.3cm。濾池反沖洗時(shí)，表面掃洗效果不及我們?cè)O(shè)計(jì)的濾池。

濾池其它方面的設(shè)計(jì)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(mǎn)足工藝設(shè)計(jì)要求而正常運(yùn)行。V型濾池對(duì)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(duì)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(shí)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(chǎng)，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(duì)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(shí)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(guò)±5毫米。我們采用電力部華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院研制生產(chǎn)的905接縫專(zhuān)用密封膠（按水泥:砂:905膠=1:1:0.5比例配制成905砂漿）對(duì)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(yùn)行的自動(dòng)控制                     

對(duì)V型濾池過(guò)濾和再生的自動(dòng)控制是濾池正常生產(chǎn)運(yùn)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(shí)時(shí)多任務(wù)集散型控制系統(tǒng)，對(duì)濾池的過(guò)濾和反沖洗實(shí)行控制。

1、過(guò)濾控制                  

我們?cè)跒V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(guò)濾就是通過(guò)它們測(cè)出濾池的水位和水頭損失，將水位值及濾后水閥門(mén)的開(kāi)啟度送入每一個(gè)PLC柜中安裝的一塊專(zhuān)用模塊，調(diào)整模塊就可以調(diào)整閥門(mén)的開(kāi)啟度，使濾池達(dá)到進(jìn)出水平衡，從而實(shí)現(xiàn)恒水位、恒濾速的自動(dòng)過(guò)濾。

2、反沖洗控制              

一組濾池的反沖洗由一臺(tái)公用的PLC來(lái)控制。當(dāng)過(guò)濾達(dá)到過(guò)濾周期或?yàn)V池壓差（水頭）設(shè)定值時(shí)，濾池提出反沖洗請(qǐng)求，PLC根據(jù)濾池的優(yōu)先秩序，組成一個(gè)請(qǐng)求反沖洗隊(duì)列。一旦響應(yīng)某格濾池的請(qǐng)求，PLC實(shí)施反沖洗的整個(gè)過(guò)程，在一組濾板中，不允許兩個(gè)濾池同時(shí)進(jìn)行反沖洗，當(dāng)一只濾池正在反沖洗時(shí)，其它濾池請(qǐng)求反沖洗的信號(hào)則存入公用的PLC中，然后再按存儲(chǔ)秩序，對(duì)濾池依次進(jìn)行反沖洗。

當(dāng)濾池反沖洗時(shí)，公用PLC的控制過(guò)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(shí)，關(guān)閉濾后水控制閥，打開(kāi)反沖洗排水閥；②啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，5秒鐘后，打開(kāi)濾池反沖洗氣閥，對(duì)濾池進(jìn)行1分鐘氣預(yù)沖；③打開(kāi)反沖洗水閥，啟動(dòng)反沖洗水泵，進(jìn)行7分鐘的氣水同時(shí)反沖洗；④關(guān)閉反沖洗氣閥，5秒鐘后，停鼓風(fēng)機(jī)，打開(kāi)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(kāi)待濾水進(jìn)水閥，濾池恢復(fù)過(guò)濾。整個(gè)反沖洗過(guò)程歷時(shí)約25分鐘。

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

五、V型濾池主要設(shè)備器材的選用

專(zhuān)用儀表和氣動(dòng)閥門(mén)的選擇，是對(duì)V型濾池實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制的關(guān)鍵。V型濾池正常運(yùn)行的反沖洗水閥、氣閥；清水閥、排污閥，我們都采用了氣動(dòng)蝶閥。這些閥門(mén)各自來(lái)水公司可以根據(jù)自身的實(shí)際情況決定采用國(guó)產(chǎn)的或采用進(jìn)口的，但一定要選擇質(zhì)量好的。目前國(guó)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(mén)差，物美價(jià)廉，值得試用。我們認(rèn)為待濾水進(jìn)水閥采用枕式氣動(dòng)橡膠閥比較好，制作簡(jiǎn)單，動(dòng)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(guó)產(chǎn)的就可以滿(mǎn)足要求，沒(méi)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(shí)間內(nèi)使產(chǎn)水量大幅增長(zhǎng)，是實(shí)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�！陛^好途徑。其主要特點(diǎn)是：采用粒徑相對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)柄濾頭配水系統(tǒng)；運(yùn)行實(shí)現(xiàn)“公用沖洗PLC+各濾池PLC”的自動(dòng)控制模式。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：平面尺寸為12 m×7 m；設(shè)計(jì)濾速為8.04 m/h；濾頭密度為54 個(gè)/m2；濾料層厚1.2 m。

V型濾池在自動(dòng)模式下運(yùn)行時(shí)，PLC通過(guò)控制濾后水出水閘門(mén)的開(kāi)度來(lái)控制濾池恒液位，當(dāng)符合下列條件之一時(shí)開(kāi)始反沖洗：濾池運(yùn)行時(shí)間達(dá)到設(shè)定值；過(guò)濾水頭損失達(dá)到設(shè)定值；來(lái)自于控制臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)PLC—XBT鍵盤(pán)或中控室監(jiān)控計(jì)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(gè)過(guò)程：①氣預(yù)擦洗［一臺(tái)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(tái)鼓風(fēng)機(jī)，一臺(tái)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(tái)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(yùn)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(guò)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(duì)策是經(jīng)常定期清洗水位計(jì)及濾層水頭損失計(jì)，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(guò)濾性能及聚合鋁投加量對(duì)直接過(guò)濾的影響。結(jié)果表明，合理控制PAC投加量會(huì)產(chǎn)生如下效應(yīng)：①使過(guò)濾水頭損失增長(zhǎng)減緩，水頭損失隨時(shí)間變化曲線(xiàn)近似直線(xiàn)，可有效防止濾層過(guò)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(shì)。