李明俊 鄭洪波 雷斌 蘇江 鐘釗明

摘要：針對(duì)供水廠V 型濾池的定時(shí)法反沖洗因預(yù)設(shè)時(shí)間不夠科學(xué)合理而導(dǎo)致的水資源浪費(fèi)或沖洗不徹底的行業(yè)痛點(diǎn)，從硬件設(shè)計(jì)和優(yōu)化算法兩個(gè)方面創(chuàng)新反沖洗控制模式，提出徹底沖洗干凈和節(jié)水效益兩種技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，采用以PLC 與人機(jī)界面為主要控制載體，輔以在線濁度監(jiān)控的濾池反沖洗節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)基于任意一個(gè)濾池反沖洗工藝的3個(gè)階段時(shí)長(zhǎng)是可被個(gè)性化預(yù)設(shè)和動(dòng)態(tài)調(diào)整的基礎(chǔ)上，加裝在反沖洗排污出水口位置的濁度計(jì)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反沖洗期間的排污水濁度，為動(dòng)態(tài)控制和結(jié)束水反沖洗步驟的決策提供科學(xué)依據(jù)，旨在使濾池既能被徹底沖洗干凈，又可充分發(fā)揮節(jié)水效益。通過試驗(yàn)研究，對(duì)經(jīng)驗(yàn)定時(shí)法和節(jié)水系統(tǒng)兩種反沖洗控制模式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比，計(jì)算得出年約節(jié)省3萬余噸反沖洗水量，結(jié)果表明投用于制水量越大的供水廠，節(jié)水系統(tǒng)所產(chǎn)生的節(jié)水、節(jié)能效果越顯著。

關(guān)鍵詞：V 型濾池;水質(zhì)濁度監(jiān)控;反沖洗;節(jié)水;結(jié)束條件

中圖分類號(hào)：TU991.2?????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?????? 文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0201-03

Design of V-type Filter Backwash Water Saving System Basedon Water Quality Monitoring

Li Mingjun1，2，Zheng Hongbo 1，2，Lei Bin 1，2，Su Jiang1，2，Zhong Zhaoming3

（1.School of Robotics，Guangdong Vocational College of Science and Technology，Zhuhai，Guangdong 519090，China;2.Zhuhai Key Laboratory of Advanced Equipment Manufacturing and Material Forming Technology，Zhuhai，Guangdong 519090，China;3.Duanzhou Water Supply Branch，Zhaoqing Zhaoshui Water Development Co.，Ltd.，Zhaoqing，Guangdong 526060，China ）

Abstract：For the backwash with the timing method in the V-shaped filtering sink of a water supply factory，the preset time is not scientific and? reasonable enough，leading to the waste of water resources and incomplete washing.To overcome such a difficulty in the industry，the backwash? control mode was innovated in terms of hardware design and optimization algorithm，the technical and economical indexes of complete washing? and benefits of water saving were proposed，and the water-saving design of filtering sink backwash with the main control carrier of PLC and? human-computer interface supplemented by the online turbidity monitoring was used.The system can be preset and dynamically adjusted in a? customized way based on three stages of any filter backwashing process.And a turbidimeter installed at outlet of backwashing sewage outlet can? monitor turbidity of sewage during backwashing period in real time，which provides a scientific basis for dynamic control and decision-making of? ending water backwashing process，in order to make filter not only be thoroughly washed，but also fully have water-saving benefits and achieve? the goal of water-saving and energy-saving.Through the experimental study of the water supply factory tested，technical and economic analysis? and comparison were made for the backwash control modes of empirical timing method and water-saving system.According to the calculation， more than 30000 tons of backwash water can be saved each year.The results show that the bigger the amount of water produced by the water? supply factory is，the more obvious the water-saving and energy-saving effect of the water-saving system is.

Key words：V-shaped filter;water quality turbidity monitoring;backwashing;water-saving;ending conditions

0 引言

V型濾池工藝是城鎮(zhèn)供水廠生活飲用水處理工藝中用于凈化待濾水，降低出水濁度的關(guān)鍵末端環(huán)節(jié)，直接關(guān)系出廠水水質(zhì)。以氣反沖洗、氣水混合反沖洗、水反沖洗的3個(gè)關(guān)鍵步驟階段構(gòu)成的反沖洗是經(jīng)運(yùn)行一定時(shí)間后的V型濾池恢復(fù)正常過濾功能的必要工藝流程，需要消耗較大的廠內(nèi)自用水量和工業(yè)用電量，而水反沖洗又是整個(gè)反沖洗流程中消耗水、電量占比最大的一個(gè)階段[1-2]。在現(xiàn)行的V型濾池自動(dòng)反沖洗設(shè)計(jì)中，除非發(fā)生濾池超負(fù)荷運(yùn)行或待濾水水質(zhì)異常等特殊情況，否則水處理行業(yè)一般采用經(jīng)驗(yàn)定時(shí)法來實(shí)現(xiàn)V 型濾池反沖洗[3]，即為所有濾池關(guān)于反沖洗流程的3個(gè)階段預(yù)設(shè)成統(tǒng)一的反沖洗時(shí)間值，且在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)是固定不變，如圖1所示，氣反沖洗60 s、氣水混合反沖洗420 s、水反沖洗420 s。鑒于池體構(gòu)筑物施工誤差導(dǎo)致池體之間的面積及其濾層厚度不一致，進(jìn)水量差異導(dǎo)致濾池運(yùn)行負(fù)荷不均衡，反沖洗引起石英砂濾料跑料致使濾層變化等原因，每個(gè)濾池實(shí)際截污容量難免因池而異，故此，使用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)定時(shí)法進(jìn)行反沖洗，會(huì)產(chǎn)生既不利于高負(fù)荷濾池被徹底沖洗干凈，又會(huì)造成低負(fù)荷濾池過度反沖洗導(dǎo)致大量浪費(fèi)水資源的兩大弊端。

以廣東某地水廠為例，通過實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行試驗(yàn)和對(duì)比測(cè)試，著重研究如何為每個(gè)濾池實(shí)現(xiàn)個(gè)性化預(yù)設(shè)反沖洗流程各階段時(shí)間值和合理縮短濾池水反沖洗階段時(shí)間以減少廠內(nèi)自用水量及反沖洗水泵運(yùn)行期間所產(chǎn)生的電量，在保證任意濾池被徹底沖洗干凈的前提下，確定反沖洗工藝節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)研究方法

提供一種基于水質(zhì)監(jiān)控的V 型濾池反沖洗節(jié)水系統(tǒng)，系統(tǒng)基于任意一個(gè)V 型濾池反沖洗工藝的3個(gè)步驟時(shí)長(zhǎng)是可被個(gè)性化預(yù)設(shè)和動(dòng)態(tài)調(diào)整的基礎(chǔ)上，在反沖洗排污口加裝水質(zhì)濁度計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反沖洗期間的排污水濁度，用以精準(zhǔn)識(shí)別結(jié)束水沖步驟的最佳時(shí)機(jī)條件，為動(dòng)態(tài)控制和結(jié)束水反沖洗步驟的決策提供科學(xué)依據(jù)。其結(jié)束時(shí)機(jī)條件為滿足以下條件中的其中一個(gè)：（1）水反沖洗時(shí)間達(dá)到個(gè)性化預(yù)設(shè)時(shí)間并且排污水的濁度值低于預(yù)設(shè)濁度值;（2）水反沖洗時(shí)間大于超時(shí)報(bào)警閾值。其中，個(gè)性化預(yù)設(shè)時(shí)間一般小于或等于系統(tǒng)默認(rèn)預(yù)設(shè)時(shí)間，系統(tǒng)默認(rèn)預(yù)設(shè)時(shí)間小于超時(shí)報(bào)警值;若判斷結(jié)果為是，水反沖洗步驟結(jié)束。系統(tǒng)既可保證每個(gè)濾池被徹底沖洗干凈，又可實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)能效果。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1? 硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，1為V 型濾池工藝排污匯流口，用于導(dǎo)流濾池反沖洗期間所產(chǎn)生的污水;2為水質(zhì)濁度計(jì)加裝位置;3為V 型濾池本體;32為濾池本體兩個(gè)V 型槽;33為濾池本體排水渠。水質(zhì)濁度計(jì)監(jiān)測(cè)值實(shí)時(shí)傳送至反沖洗節(jié)水系統(tǒng)主控制器PLC。

如圖3所示，設(shè)計(jì)一種V 型濾池反沖洗節(jié)水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。C1為中央控制室監(jiān)控計(jì)算機(jī)，C3為主站中大型PLC，C4共6個(gè)為從站小型PLC，彼此之間通過由C2光纖交換機(jī)及光纖搭建出的以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信協(xié)議采用國際標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-TCP/IP? 協(xié)議[4];C5為水質(zhì)濁度儀，通過基于RS-485串行總線的Modbus-RTU 協(xié)議與C3主站PLC 通信，允許C3主站PLC 訪問讀取C5水質(zhì)濁度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控的反沖排污水濁度值;C3主站PLC 通過繼電接觸器控制電路及信號(hào)電纜遠(yuǎn)程控制鼓風(fēng)機(jī)、反沖洗水泵等反沖洗設(shè)備，且通過RS-485串行通信總線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備工況;C4的6個(gè)從站小型PLC 和同等數(shù)量的V 型濾池存在一對(duì)應(yīng)關(guān)系，任意從站小型PLC 均可監(jiān)控其對(duì)應(yīng)濾池的所有閥門狀態(tài)及接收由C8液位、閥門開度傳感器反饋至濾池從站PLC 的液位、閥門開度等模擬量信號(hào)，上述設(shè)計(jì)均為反沖洗節(jié)水系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)和可靠控制提供必要條件。

與單一控制器同時(shí)監(jiān)控多個(gè)濾池的集中控制方法相比較，上述所設(shè)計(jì)的集散控制模塊具有風(fēng)險(xiǎn)分散、控制分散，而操作管理集中的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，可有效提高 V 型濾池工藝的可靠安全性和操作便捷性[5-6]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1? 算法流程

節(jié)水原理如圖4所示，濾池反沖洗需經(jīng)過反沖前過濾S3、反沖前排污S5、氣反沖洗S7、氣水混合反沖洗S9，再進(jìn)入水反沖洗階段S11，其中，個(gè)性化預(yù)設(shè)時(shí)間小于或等于系統(tǒng)默認(rèn)預(yù)設(shè)時(shí)間，系統(tǒng)默認(rèn)預(yù)設(shè)時(shí)間遠(yuǎn)小于超時(shí)報(bào)警值。由步驟S12可知，當(dāng)條件A“個(gè)性化預(yù)設(shè)水反沖洗時(shí)間結(jié)束”和條件B “排污水濁度低于設(shè)定值”作與運(yùn)算，其結(jié)果再和條件C“水反沖洗累計(jì)時(shí)間大于超時(shí)報(bào)警值”作或運(yùn)算，邏輯表達(dá)式為F=A × B +C，F(xiàn) 真值是結(jié)束反沖洗流程的充分條件。根據(jù)V 型濾池工藝實(shí)際情況，系統(tǒng)水反沖洗超時(shí)報(bào)警值統(tǒng)一預(yù)設(shè)為600 s，此設(shè)計(jì)既能保證濾池至少得到系統(tǒng)預(yù)設(shè)值的反沖洗時(shí)間，也可避免因濁度儀故障造成無法停止反沖洗的現(xiàn)象。

所有濾池反沖洗流程各階段實(shí)際耗時(shí)及其排污水濁度值均被系統(tǒng)自動(dòng)記錄。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)正常運(yùn)行水平和歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)的對(duì)比作出分級(jí)響應(yīng)和預(yù)警，如濾池近2次水反沖洗實(shí)際耗時(shí)值變化過大，旨在為研判濾池的含污截污性能、反沖洗強(qiáng)度、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等方面異常情況提供數(shù)據(jù)支撐[7-9]。

2.2.2 人機(jī)界面

如圖5所示，所有濾池的預(yù)設(shè)水反沖洗時(shí)間均低于默認(rèn)值，以1#濾池為例，該濾池水反沖洗時(shí)間預(yù)設(shè)值為380 s，而系統(tǒng)固定的默認(rèn)值為420 s。假設(shè)1#濾池進(jìn)入水反沖洗階段且累計(jì)運(yùn)行時(shí)間已達(dá)390 s，同時(shí)水質(zhì)濁度計(jì)在線監(jiān)測(cè)的排污水濁度低于設(shè)定值，系統(tǒng)會(huì)提前結(jié)束反沖洗流程，即比系統(tǒng)默認(rèn)值（420 s ）節(jié)省30 s 時(shí)長(zhǎng)的反沖洗水量;若水反沖洗累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過420 s，而排污水濁度大于設(shè)定值，說明當(dāng)前濾床污泥較多，仍未沖洗干凈，則系統(tǒng)繼續(xù)保持水反沖洗，直至排污水濁度小于設(shè)定值才結(jié)束本次反沖洗流程，以保證該濾池能被徹底沖洗干凈;若水反沖洗累計(jì)運(yùn)行時(shí)間已超過水反沖洗超時(shí)報(bào)警值600 s，則系統(tǒng)自動(dòng)終止本次反沖洗，并通過人機(jī)界面的報(bào)警彈窗和鈴響來警示值班人員，有效杜絕因濁度儀異常或信號(hào)反饋故障等因素導(dǎo)致系統(tǒng)誤判斷而提前結(jié)束反沖洗，致使濾池沖洗不徹底、不干凈的水質(zhì)安全事故[10-12]。

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上既可滿足濾池在被徹底沖洗干凈前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)能目的，又能對(duì)反沖洗期間排污水濁度監(jiān)測(cè)異常等情況作出自診斷與處理。

3 試驗(yàn)研究

根據(jù)試驗(yàn)，濾池每次水反沖洗約節(jié)省時(shí)間為15～40s，單個(gè)濾池每次反沖洗可節(jié)省水量20～60m3，6個(gè)濾池在單個(gè)運(yùn)行周期共節(jié)省約137㎡3，如忽略停池停產(chǎn)等意外因素，按濾池運(yùn)行周期2000 min、單次反沖洗時(shí)長(zhǎng)27min、保養(yǎng)5min計(jì)算，每個(gè)濾池年內(nèi)約需反沖洗258次，則節(jié)水系統(tǒng)一年內(nèi)約節(jié)省3萬余噸水量。而水廠制水量越大，用于凈水處理的濾池有效過濾面積、水洗強(qiáng)度、沖洗時(shí)長(zhǎng)亦增大，則節(jié)水節(jié)電效果越顯著。

4 結(jié)束語

本文研判經(jīng)驗(yàn)定時(shí)法反沖洗系統(tǒng)容易產(chǎn)生水資源浪費(fèi)或?yàn)V池沖洗不徹底的生產(chǎn)現(xiàn)狀，提出一系列以直擊痛點(diǎn)、挖潛增效為導(dǎo)向的技術(shù)措施。通過在反沖洗排污渠位置加裝水質(zhì)濁度計(jì)，優(yōu)化反沖洗算法流程，輔以人機(jī)界面設(shè)計(jì)作為時(shí)間參數(shù)預(yù)設(shè)且能動(dòng)態(tài)調(diào)整，節(jié)水系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)地水廠的生產(chǎn)性投用運(yùn)行，證明既解決高負(fù)荷濾池沖洗不徹底問題，提高抵御水質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)能力，又減少低負(fù)荷濾池不必要的反沖洗水量消耗，在保證濾池徹底沖洗干凈的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)能目的，助力供水廠安全優(yōu)質(zhì)降本供水。

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第一作者簡(jiǎn)介：李明?。?986-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)樽詣?dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化技術(shù)，已發(fā)表論文5篇。

（編輯：刁少華）