陳榮艷， 范云峰

(1.中國(guó)華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司， 四川 成都 610000； 2.德陽(yáng)市自來(lái)水公司， 四川 德陽(yáng) 618000)

德陽(yáng)市孝感水廠一期一階段為地下水水廠，于1998年建成投產(chǎn)。由于地下水水源所含鐵、錳超過(guò)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求，故原設(shè)計(jì)采用原水曝氣-單級(jí)過(guò)濾的除鐵、除錳工藝，濾池采用虹吸濾池。改造前，虹吸濾池內(nèi)每格濾池四周濾料至濾頭全部板結(jié)，僅濾池中部未被板結(jié)。濾料板結(jié)嚴(yán)重，堅(jiān)如石塊，需人工鑿開(kāi)才能運(yùn)出濾池。由于濾料與濾頭板結(jié)在一起，起砂時(shí)濾頭損壞嚴(yán)重，故需全部更換。每2年就需要更換一次濾料，每次費(fèi)用多達(dá)60萬(wàn)元，且影響正常供水。

1 改造目標(biāo)

為使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，且避免每?jī)扇旮鼡Q濾料和濾頭造成資金的浪費(fèi)，因此工程改造的主要目標(biāo)是解決濾料板結(jié)問(wèn)題。

2 濾料板結(jié)原因分析

2.1 濾池選型欠妥

虹吸濾池由于沖洗水頭低、沖洗水量受到過(guò)濾水量的限制，普遍存在沖洗不均、反沖效果差、濾料含泥量多、濾料板結(jié)的問(wèn)題。因此，除鐵、錳濾池選擇虹吸濾池是欠妥的。按《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50013—2006)[1]規(guī)定，除鐵、除錳濾池宜采用大阻力配水系統(tǒng)。

2.2 濾池單池面積偏大

虹吸濾池屬于小阻力配水系統(tǒng)，單格面積不宜超過(guò)25 m2。而本項(xiàng)目中虹吸濾池單格面積為30 m2，因而造成每格濾池四周的濾料板結(jié)比中間濾料板結(jié)嚴(yán)重。

2.3 沖洗強(qiáng)度不足

受地震及水源井產(chǎn)水量等因素的影響，該水廠平均日供水量為2.0×104m3，按此水量計(jì)算，反沖強(qiáng)度為8.11 L/(m2·s)，為設(shè)計(jì)沖洗強(qiáng)度的52.5%。原設(shè)計(jì)有30%～40%的膨脹率，低負(fù)荷期間水沖洗強(qiáng)度不足，只能使濾料產(chǎn)生微膨脹，單水沖的微膨脹沖洗效果不理想，這是造成濾料板結(jié)的主要原因。

2.4 沖洗周期較長(zhǎng)

該濾池運(yùn)行時(shí)的反沖周期為2～4 d。根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50013—2006)，對(duì)于單水沖的細(xì)砂級(jí)配(如石英砂粒徑設(shè)計(jì)為0.5～1.2 mm)，沖洗周期為12～24 h；若濾料粒徑加大(最小粒徑由0.5 mm加大至0.8 mm)，而反沖強(qiáng)度反而下降，致使反沖洗效果更為不佳，加速了濾料的板結(jié)，這是濾料板結(jié)的次要原因。

3 原虹吸濾池設(shè)計(jì)參數(shù)

原設(shè)計(jì)規(guī)模為4.0×104m3/d，分為6格，每格尺寸為6.0 m×5.0 m，單格過(guò)濾面積為30 m2，采用人工錳砂，濾料層厚為800 mm，粒徑為0.5～1.2 mm(換砂后粒徑調(diào)整為0.8～1.5 mm)。

設(shè)計(jì)正常濾速為9.3 m/h，濾池水頭損失為1.8 m，反沖水頭為1.2 m，反沖洗強(qiáng)度為15.43 L/(m2·s)，采用濾頭進(jìn)行配水。

4 除鐵除錳虹吸濾池改造方案

本次改造主要解決濾料板結(jié)的問(wèn)題，故在原濾池結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上盡量避免大的改動(dòng)。原虹吸濾池發(fā)生濾料板結(jié)的主要原因?yàn)闆_洗強(qiáng)度不足，沖洗不干凈。因此改造方案考慮增加氣沖洗系統(tǒng)，進(jìn)行氣水反沖洗。國(guó)內(nèi)已有不少案例表明將虹吸濾池增加氣水反沖洗[2]后效果良好，結(jié)合現(xiàn)有虹吸濾池改造成功案例[3]、除鐵除錳水廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[4]及項(xiàng)目實(shí)際情況，進(jìn)行改造。

4.1 除鐵錳

根據(jù)現(xiàn)有除鐵錳水廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，采用生物除鐵錳，當(dāng)生物濾層培養(yǎng)成熟后，濾池鐵錳的去除率達(dá)到99%，出水水質(zhì)優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。故本工程考慮采用生物除鐵除錳?？紤]原水水量情況，本次虹吸濾池的改造規(guī)模按2×104m3/d考慮，設(shè)計(jì)濾速為4.86 m/h，校核強(qiáng)制濾速為5.83 m/h。

4.2 濾料厚度和粒徑的調(diào)整

由于原濾料粒徑偏大，反沖洗效果不佳，加速了濾料的板結(jié)。因此建議將濾料粒徑更換為0.6～1.2 mm，與石英砂濾料接近，滿足單層粗砂均勻級(jí)配濾料的要求，可進(jìn)行氣水同時(shí)沖洗以及水沖洗。

根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50013—2006)，除鐵、除錳濾池濾料厚度宜為 800～1200 mm，工程原有的0.8 m厚度保持不變。此外，將原設(shè)計(jì)的人工錳砂更換為天然錳砂。

4.3 沖洗強(qiáng)度的確定

考慮目前除鐵除錳虹吸濾池采用氣水同時(shí)沖洗尚無(wú)設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，特別是氣沖強(qiáng)度的控制，既要防止濾料板結(jié)又要避免破壞濾料表面的活性濾膜，故在調(diào)試及運(yùn)行中，通過(guò)變頻鼓風(fēng)機(jī)確定合適的氣沖強(qiáng)度。

先氣水同時(shí)沖洗階段：氣沖強(qiáng)度為8～13 L/(m2·s)(可調(diào))，水沖強(qiáng)度為4 L/(m2·s)，沖洗時(shí)間為3～5 min(可調(diào))。

后水沖洗階段：水沖強(qiáng)度為4～8 L/(m2·s)(可調(diào))，沖洗時(shí)間為8～15 min(可調(diào))。

4.4 配水區(qū)高度的改造

原配水區(qū)的高度僅為0.4 m，本工程增加配氣系統(tǒng)后，因配水區(qū)高度較低，上層沒(méi)有考慮形成氣墊層的高度，配氣的均勻性以及沖洗效果將會(huì)受到影響，因此需要適當(dāng)加大配水區(qū)的高度。

原排砂槽頂距離濾料層頂面高度為1.0 m，排砂槽底距離濾料頂面高度為0.33 m，原濾池為單獨(dú)水沖洗時(shí)，錳砂濾料沖洗強(qiáng)度為18 L/(m2·s)，膨脹率為30%，0.8 m厚的濾料膨脹高度為0.24 m，但改造成氣水反沖洗形式后，變?yōu)槲⑴蛎洠蛇m當(dāng)抬高至0.3 m以內(nèi)?？紤]到配水區(qū)過(guò)于抬高會(huì)導(dǎo)致沖洗跑砂現(xiàn)象，滿足形成氣層的高度即可，因此考慮配水區(qū)抬高0.2 m。

4.5 濾料層表面到排水槽頂?shù)木嚯x

若配水區(qū)抬高0.2 m，則配水區(qū)變成0.6 m，濾板厚0.1 m，濾料厚0.8 m，排砂槽高度不變，但考慮要增加氣沖系統(tǒng)。為保證氣體的分配均勻，增加承托層(原設(shè)計(jì)未考慮承托層)，承托層厚度按100 mm考慮，則排砂槽頂距離濾料頂面高度為0.7 m。

4.6 濾板濾梁改造

原濾板、濾頭個(gè)數(shù)及布置形式保持不變，但濾板的固定方式需要改進(jìn)，原固定方式采用通長(zhǎng)槽鋼和橡膠帶的形式固定，容易導(dǎo)致個(gè)別濾板因平整度未控制好與槽鋼銜接處的密閉性不好，產(chǎn)生漏氣，導(dǎo)致沖洗不均勻，從而影響反沖洗效果。改造中，考慮增加5根鋼筋混凝土濾梁(定制成品)，濾梁下設(shè)濾柱，濾柱通過(guò)植筋的方式與原底板錨固。將濾板固定在濾梁上，通過(guò)地腳螺栓固定，濾板間縫隙用903混合水泥砂漿嵌縫填料進(jìn)行密封。

單格池子的濾板個(gè)數(shù)為30塊，每塊尺寸為975 mm×975 mm，濾頭個(gè)數(shù)為 49個(gè)，按每個(gè)濾帽縫隙面積3.5 cm2計(jì)，計(jì)算得到開(kāi)孔比φ=1.72%，符合小阻力配水系統(tǒng)大于1.25%且小于2.0%的要求。

4.7 配水系統(tǒng)的改造

虹吸濾池規(guī)模為2.0×104m3/d時(shí)也基本能滿足沖洗水量及強(qiáng)度的要求，考慮盡量利用現(xiàn)有設(shè)施，因此不利用孝感水廠一期二階段現(xiàn)有的反沖洗泵房的水泵進(jìn)行反沖洗。

由于改為天然錳砂濾料，增大了反沖洗水頭，因而將原設(shè)計(jì)清水渠出水堰高度由501.8 m調(diào)整為502.10 m。

為保證沖洗強(qiáng)度隨不同沖洗階段發(fā)生變化，在出水堰附近的渠道內(nèi)增加1根旁通管，旁通管接至池外的出水總管上，旁通管設(shè)調(diào)節(jié)閥門，便于對(duì)流量進(jìn)行控制，從而保證沖洗強(qiáng)度。

4.8 增加反沖洗氣管道系統(tǒng)

反沖洗配氣干管采用DN200，流速為14.33 m/s，反沖洗空氣管由反沖洗配氣干管分成兩根DN150支管分別從φ200孔口進(jìn)入濾池內(nèi)，2根支管再分成3根DN80進(jìn)氣管輸送至氣水分配區(qū)，如圖1所示。

圖1 反沖洗氣管道系統(tǒng)

通過(guò)濾梁上新增的配氣小孔給濾池配氣，配氣小孔緊貼濾板下緣，間距為500 mm，每根濾梁下布置9根DN32配氣小孔。

為節(jié)約投資，反沖洗氣源和壓縮空氣利用現(xiàn)有孝感水廠一期二階段反沖洗泵房設(shè)施，因一期一階段氣水同時(shí)沖洗所需的風(fēng)量Q=27 m3/min，風(fēng)壓P=26.5 kPa，而現(xiàn)有鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓較大，需對(duì)一期二階段鼓風(fēng)機(jī)增設(shè)1個(gè)變頻器，在對(duì)一期一階段虹吸濾池進(jìn)行沖洗時(shí)，將鼓風(fēng)機(jī)調(diào)頻至12.6～23.4 m3/min。

4.9 進(jìn)水、排水虹吸系統(tǒng)控制改造

為方便自動(dòng)控制，保留原進(jìn)水虹吸管和排水虹吸管，在原來(lái)的進(jìn)水虹吸管頂部增加1根DN15真空管，并增加2個(gè)DN15電磁閥(常閉型)，在排水虹吸管頂部增加1根DN25真空管，并增加2個(gè)DN25電磁閥(一開(kāi)一閉型)，如圖2所示。當(dāng)濾池過(guò)濾開(kāi)始時(shí)，真空電磁閥開(kāi)啟，開(kāi)始抽吸真空，達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)間后，真空電磁閥關(guān)閉，進(jìn)水虹吸形成；當(dāng)濾池沖洗開(kāi)始時(shí)，開(kāi)啟破壞電磁閥，破壞進(jìn)水虹吸，停止進(jìn)水。排水虹吸與進(jìn)水虹吸形成相同。

圖2 真空管道系統(tǒng)

4.10 自控系統(tǒng)改造

根據(jù)工藝要求，為實(shí)現(xiàn)濾池氣水反沖洗的全自動(dòng)化控制，對(duì)原進(jìn)、出水的虹吸系統(tǒng)進(jìn)行自控改造。配氣系統(tǒng)主要考慮增加變頻器，從而控制氣源流量，配水系統(tǒng)則主要考慮對(duì)出水堰旁新增的旁通管上的流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。改造后的濾池與原有一期二階段水廠濾池的氣沖洗采用同一氣源，因此自控要考慮各池的沖洗應(yīng)交替使用鼓風(fēng)系統(tǒng)，避免同時(shí)沖洗。

5 改造后運(yùn)行效果

從圖3、圖4可以看出，在改造完成后2年的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，濾料未再發(fā)生板結(jié)現(xiàn)象，濾池出水水質(zhì)穩(wěn)定，達(dá)到了改造的預(yù)期效果。

300002500020000150001000050000含量/(mg·L-1)0.400.350.300.250.200.150.100.050日進(jìn)水量/m3出廠水鐵出廠水錳原水鐵原水錳日進(jìn)水量a.2010年1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月出廠水鐵出廠水錳原水鐵原水錳日進(jìn)水量0.450.400.350.300.250.200.150.100.050含量/(mg·L-1)2500020000150001000050000日進(jìn)水量/m31月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月b.2011年圖3 改造前進(jìn)出水水質(zhì)0.200.180.160.140.120.100.080.060.040.020日進(jìn)水量/m314000120001000080006000400020000出廠水鐵出廠水錳原水鐵原水錳日進(jìn)水量含量/(mg·L-1)1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月a.2019年1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月出廠水鐵出廠水錳原水鐵原水錳日進(jìn)水量140001200010000800060004000200000.070.060.050.040.030.020.010含量/(mg·L-1)日進(jìn)水量/m3b.2020年圖4 改造后進(jìn)出水水質(zhì)

但目前實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)中存在輕微跑砂的現(xiàn)象，這是由于一期二階段現(xiàn)有鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓較大，雖在現(xiàn)有鼓風(fēng)機(jī)增設(shè)1個(gè)變頻器，但調(diào)節(jié)范圍有限，故風(fēng)量和風(fēng)壓較設(shè)計(jì)值略微偏大。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析德陽(yáng)市孝感水廠一期一階段虹吸濾池濾料板結(jié)問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)有濾池的形式，提出一系列的改造措施，工程改造費(fèi)用為192.71萬(wàn)元。自2019年投產(chǎn)運(yùn)行至今，濾池出水水質(zhì)穩(wěn)定，達(dá)到了改造的預(yù)期效果，為類似水廠提供了借鑒。