魏 琪，劉保超

(連云港市自來水有限責任公司，江蘇連云港 222200)

目前，國內(nèi)約90%的大中型水廠選用氣水反沖洗濾池。為節(jié)約用水、降低能耗、提高沖洗效果和出水水質，老水廠普通快濾池的改造方式一般是將單水沖系統(tǒng)改為氣水反沖洗系統(tǒng)，將濾料更換為均質石英砂濾料[1]。本項目擬采取將原有中阻力配水濾磚配水系統(tǒng)改造為小阻力濾頭濾板配水配氣系統(tǒng)的改造方式，采用“先氣沖洗，再水沖洗”的氣水聯(lián)合反沖洗，并使用煤砂雙層濾料。普通快濾池改造的成功案例較多，如上海市自來水奉賢有限公司第三水廠將一期普通快濾池改造為V型濾池[2]，選用均質濾料和氣水聯(lián)合反沖洗方式；西南某市水廠將原0.9 m單層級配濾料改造為1.0 m雙層濾料[3]，原有的中阻力二次配水濾磚配水系統(tǒng)改造為小阻力開孔管配水配氣系統(tǒng)，采用“先氣沖洗，再氣水同時沖洗，后水沖洗”的氣水聯(lián)合反沖洗方式；永安市北區(qū)水廠對普通快濾池進行改造時，也采用了相同的沖洗方式，將大阻力管式配水系統(tǒng)改造為U型管配水配氣系統(tǒng)，采用350 mm無煙煤+400 mm石英砂雙層濾料，改造后運行周期達48 h，濾后水渾濁度<0.5 NTU[4]。每座水廠的工藝運行條件均不相同。本項目改造的主要背景是超負荷運行，有其自身特點，所開展的改造實踐研究具有一定參考價值。

1 改造背景

蘇北某水廠設計規(guī)模為20.00萬m3/d，是該市區(qū)的主力供水廠，一期工程于1995年底投產(chǎn)，規(guī)模為10.00萬m3/d，采用格柵反應池+平流沉淀池+普通快濾池常規(guī)處理工藝；二期工程于2013年投產(chǎn)，規(guī)模為10.00萬m3/d，采用中置式高密度沉淀池+V型濾池常規(guī)處理工藝；一期和二期的接續(xù)工藝是規(guī)模為20.00萬m3/d的臭氧-生物活性炭深度處理工藝。

由于城市發(fā)展和附近區(qū)域供水的接入，水廠的供水量逐年增加，出現(xiàn)超負荷運行情況，2020年一期生產(chǎn)線平均處理水量達12.10萬m3/d，最高處理水量達15.58萬m3/d。一期普通快濾池采用中阻力陶瓷濾磚配水，無煙煤和石英砂雙層濾料，單水沖洗，沖洗效果差，出水渾濁度高，濾磚經(jīng)常被損壞，已影響正常生產(chǎn)。

2 工藝流程和進水水質

2.1 工藝流程

該水廠分期建設，一期普通快濾池投產(chǎn)時為常規(guī)處理工藝，2011年深度處理改造后，濾池出水進入深度處理工藝，全廠的工藝流程如圖1所示。由圖1可知，一期濾池的進水為平流沉淀池沉后水，出水經(jīng)提升后進入臭氧接觸池，然后進入活性炭濾池，濾池的出水水質將影響接續(xù)工藝的運行。

圖1 第三水廠工藝流程Fig.1 Process Flow of the Third WTP

2.2 進水水質

一期濾池的進水為平流沉淀池出水，該廠水源常年符合Ⅲ類水標準，夏季行洪時有季節(jié)性污染，濾池進水水質如表1所示。

表1 原水和平流沉淀池出水水質Tab.1 Quality of Raw Water and Treated Water from the Horizontal Sedimentation Tank

3 存在問題

3.1 濾磚易損壞

濾磚容易被沖洗損壞，未改造時，每年都有濾池的濾磚被損毀，損毀后不僅影響正常生產(chǎn)、污染水質，還有大量濾料漏入下游工藝，產(chǎn)生不良影響。修復時必須將該濾池全部清理干凈，單池維修周期長達20 d，費用較高，需要對其進行改造。

3.2 沖洗效果差，出水渾濁度高

單水沖洗效果較差，濾層不易沖洗干凈，沖洗水耗、電耗高。且濾池已運行20多年，產(chǎn)生不均勻沉降現(xiàn)象，現(xiàn)狀洗砂排水槽標高相差較大，排水不均勻，導致濾料流失和部分濾料常年沖洗不干凈。長期跟蹤顯示，普通快濾池出水渾濁度較高(0.70～0.90 NTU)。

注：標高單位為m圖2 濾池高程布置圖Fig.2 Elevation Layout of Filter

3.3 電氣設備老化，自動化程度低

現(xiàn)狀控制柜和配電柜為1994年安裝的多米諾抽屜柜，抽屜滑軌變形嚴重，閥門信號易丟失，嚴重影響自動運行，沖洗操作均為現(xiàn)場手動方式。自動化系統(tǒng)為2000年左右的硬件，雖然后期進行過升級，但很難與現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的自動化監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)融合，不能在綜合生產(chǎn)管理平臺上有效管控。電動閥門為建設時安裝的設備，老化嚴重，存在漏水、執(zhí)行器頻繁故障等問題。

4 方案設計

方案設計時，采用濾板濾頭配水配氣系統(tǒng)、更換排水槽和增加鼓風機系統(tǒng)等為常規(guī)方案。但在濾層選擇上，設計部門推薦目前應用比較普遍的單層均質濾料，認為工藝成熟，成功案例較多，而水廠運行管理人員根據(jù)實際運行情況，建議采用無煙煤-石英砂雙層濾料，主要原因有以下幾種。①該生產(chǎn)線必須承擔較高負荷，如采用常規(guī)均質濾料，相較無煙煤濾料粒徑較小，相較雙層濾料的石英砂濾料濾層較厚，設計濾速低，生產(chǎn)能力不夠。②該廠水質條件下，已有均質濾料濾池需在過濾前投加助濾劑(聚合氯化鋁)，實際投加量為2 mg/L，方能達到理想的渾濁度去除效果，對濾池運行周期基本無影響[5]，處理效率不如雙層濾料。③實際運行過程中，現(xiàn)狀未改造的濾池已經(jīng)處于此負荷下運行，但出水渾濁度在0.70～0.90 NTU。并且發(fā)現(xiàn)如果某一濾池損壞，經(jīng)過濾磚需全部拆除、重新安裝，鋪設新的無煙煤和石英砂濾料后，出水渾濁度會在一段時間持續(xù)較低，分析認為此現(xiàn)象和濾料清潔度有關，因此，建議采用雙層濾料+氣水反沖洗解決超負荷問題。④普通快濾池的接續(xù)工藝為臭氧-生物活性炭濾池，其中活性炭濾池的下層鋪設500 mm的石英砂(d10=0.60 mm，不均勻系數(shù)k80=1.30)。自2011年深度處理工程投產(chǎn)至一期濾池改造前，炭池進水渾濁度接近1.00 NTU，實際出水渾濁度<0.20 NTU，炭濾池有一定的保安過濾作用。經(jīng)協(xié)商，最后達成先期設計成雙層濾料濾池(無煙煤+石英砂)，預留均質濾料安裝空間的方案，最終濾池高程布置如圖2所示。

4.1 設計規(guī)模

原設計規(guī)模為10.00萬m3/d，濾池分為8格，單格面積為55 m2，設計濾速為9.43 m/h。受到現(xiàn)場實際條件制約，且參考已有快濾池運行情況以及室外給水設計標準的強制濾速限值[6]，設計濾速取11.00～15.00 m/h，可以達到12.00萬～16.00萬m3/d的處理規(guī)模。其中，設計濾速已超出室外給水設計標準的推薦值(8.00～12.00 m/h)，存在一定風險，可達到強制濾速(12.00～16.00 m/h)。實際運行中擬通過及時反沖洗方式縮短反沖洗等待時間，減少濾池更高負荷下的運行時間，盡可能讓濾池運行在技術規(guī)程要求的強制濾速范圍，降低水質風險。

4.2 反沖洗

濾池總深度接近4.4 m，滿足濾板濾頭安裝高度。采用濾板濾頭配水配氣系統(tǒng)，增加氣沖洗，先氣沖后水沖，沖洗強度分別為55 m3/(m2·h)和36 m3/(m2·h)。氣源由新建鼓風機房提供，采用變頻控制，可根據(jù)情況調整風量；沖洗水源由現(xiàn)狀提升泵和水塔提供，沖洗強度通過反沖洗閥門開度控制。更換洗砂排水槽為不銹鋼排水槽，槽頂標高不變。

4.3 濾層

采用無煙煤和石英砂雙層濾料，無煙煤粒徑為0.80～1.80 mm，k80≤2.00，厚度為400 mm；石英砂粒徑為0.50～1.20 mm，k80≤1.70，厚度為400 mm；承托層粒徑為1.20～16.00 mm，4層，厚度共計330 mm。以后生產(chǎn)允許時，可更換均質濾料。實際采用濾料：無煙煤，d10=0.87 mm，k80=1.60；石英砂，d10=0.61 mm，k80=1.58。

4.4 鼓風機房

鼓風機房共2臺，1用1備。單臺流量為3 200 m3/h，揚程為5 m，功率為76 kW，均為變頻，含流量、壓力儀表。

4.5 電氣設備和自控系統(tǒng)

更換配電柜和閥門，更新PLC控制柜和自控系統(tǒng)，梳理氣水反沖洗控制流程，重新編寫程序，實現(xiàn)濾池生產(chǎn)自動運行，并納入現(xiàn)狀水廠SCADA系統(tǒng)平臺。

5 改造實施過程

項目于2019年4月開工，采取施工總承包方式，土建改造、設備采購安裝和自動化優(yōu)化設計改造全部由總承包集成。關鍵設備如配水配氣系統(tǒng)、閥門及執(zhí)行器、鼓風機和儀表等，通過指定品牌短名單控制采購質量。由于工程為邊生產(chǎn)邊改造，項目有諸多問題和經(jīng)驗教訓，現(xiàn)進行總結。

5.1 平面布置和管線綜合

現(xiàn)狀影響項目改造的地下設施主要有高壓電纜走廊、自用水管線和排水管線等，平面布置如圖3所示。清理出各管線并經(jīng)討論、對比后，采取現(xiàn)狀管線不動、新建動力和信號電纜穿保護套管后沿氣管敷設、氣管在其他管線上方跨越的方案，如圖4所示。過路部分采取保留道路基礎結構層，鋪設10 cm砂墊層，放置管道，混凝土整體包封?？缭讲糠植扇∫韵路绞剑孩僭O置混凝土支墩，防止氣管沉降壓迫其他管線；②在管線垂直空間內(nèi)填充砂墊層，預留緩沖空間。氣管完成鋪設運行2年多，運行正常。

圖3 管線綜合平面布置Fig.3 Comprehensive Layout Plan of Pipelines

5.2 工藝協(xié)調

邊生產(chǎn)邊改造項目需要綜合實時生產(chǎn)情況，確保不影響現(xiàn)有生產(chǎn)能力，保證供水安全，具體措施如下。

圖4 管線綜合剖面布置Fig.4 Comprehensive Section Layout of Pipelines

5.2.1 控制同時改造的濾池數(shù)

為保證高峰供水期間14.00萬m3/d以上的處理能力，夏季和冬季只改造1組濾池，春季和秋季同時施工2組。改造完成、運行正常后，方可開始下一組改造，因此，項目工期持續(xù)時間長達26個月。運行濾池的反沖洗和檢修工作全部放在夜間或低谷時進行。另外，為保證新舊濾池能同時運行，在原有配電柜和多米諾控制柜旁，新增配電柜和PLC總站各1套，臨時放置，待所有濾池改造完畢后，將原有柜體拆除，新增的2柜移至正式永久位置。

5.2.2 停產(chǎn)改造時的應對措施

更換濾池進水閥門時，因8組濾池共用進水渠道，需全部停產(chǎn)，對生產(chǎn)影響較大，需提前調度水廠生產(chǎn)負荷，保證清水池在滿水位條件下，停運此生產(chǎn)線2 h左右進行更換閥門。更換作業(yè)的閥門、配件和器具必須檢查完備后，方可停水操作，并盡量縮短停水時間。

另外，在更換反沖洗閥門時，需要對鋼管進行重新切割、焊接，耗費時間較長，也需將施工工序合理安排，以免影響夜間的沖洗操作。

5.3 關鍵施工工序控制

濾板濾頭的配水配氣孔標高的誤差，將直接影響沖洗均勻程度，由于舊濾池的不均勻沉降和混凝土澆筑問題，底板標高偏差大，不易控制。氣孔制作時，需將原濾磚位置鑿空，預埋不銹鋼管，進行重新澆筑。在改造第1組濾池時，該位置的模板和鋼筋制作浪費了近2周時間，方將氣孔完全按要求固定完畢。在后續(xù)濾池改造時，現(xiàn)場技術人員總結經(jīng)驗，根據(jù)濾池的長度和氣孔間隔定制了支架，在氣孔固定時，直接將不銹鋼管固定到支架上，混凝土澆筑時，將支架和氣管一起澆筑，提高了施工速度和質量。水孔則在底板上部10 cm左右進行水鉆成孔，在開孔前經(jīng)過多次激光水平儀和水準儀聯(lián)合校準，確保1次開孔成功。最終8組濾池改造氣孔和水孔標高控制全部符合質控要求(±2 mm)[5]，沖洗效果良好。

5.4 沖洗控制邏輯制定

普通快濾池氣水聯(lián)合沖洗自動控制程序由水廠根據(jù)已有運行經(jīng)驗與自控單位深度對接，反復調試，最終確定沖洗方式，并可通過勾選或更改數(shù)值的方式調整步驟。沖洗主要分為沖洗準備、氣沖洗、水沖洗和恢復過濾4個階段，每一階段條件全部滿足后，方進入下一階段。另外，因閥門、設備狀態(tài)和故障報警等為固化邏輯，為使界面簡潔，不在人機界面顯示，只在沖洗流程故障報警時，彈出相應提示畫面。

沖洗準備階段主要控制濾層上水位、水塔水位和出水閥開度3個參數(shù)，一般濾層上水深取0.20 m，實際設定為0.30 m，預留出水閥關閉時間，否則待水位達到0.20 m后再關閉出水閥，易導致濾層上水位只有0.10 m或者濾料露出。因此，根據(jù)不同閥門的開關速度設定水位高度，保證出水閥關到位時，實際水深為0.20 m左右。水塔水位高度設定值主要考慮檢測水泵是否開啟、氣沖洗和其他步驟的等待時間，保證在水泵正常運行的基礎上，減少氣沖后等待水洗的時間，提高沖洗效果，并通過設置停泵機制，減少水泵運行時間，節(jié)約電耗。水塔水位、沖洗流程和水泵運行的理想狀態(tài)為：沖洗開始時，自動啟動水泵上水，開始水沖時，水塔水位高度恰好滿足沖洗水量要求，水泵停止運行。出水閥開度設定，在過濾周期末期，濾層堵塞，濾速較慢，一般開啟至100%，如全開后，濾速過快，濾后水渾濁度升高，可適當減小開度。

氣沖洗階段，待沖洗準備條件全部滿足后，啟動鼓風機進行氣沖，根據(jù)氣體流量計和現(xiàn)場氣沖情況，綜合確定鼓風機頻率，氣沖洗時間則根據(jù)濾料潔凈度、出水水質和運行周期等進行設定。

水沖洗階段，因為無煙煤濾料密度小，氣沖后濾層內(nèi)夾雜氣泡，為防止濾料流失，將水沖分為小水沖和大水沖兩個階段。這樣既可保證氣沖完成后雜質未沉淀時即開始水沖，又可防止沖洗液位上升過快，無煙煤濾料被水流帶走流失。經(jīng)調試和驗證，此沖洗條件下，無煙煤濾料流失量少于5 cm/a。

靜置階段，通過適當?shù)撵o置時間，使濾層逐漸穩(wěn)定，再恢復過濾，使初濾水渾濁度穩(wěn)定，滿足后續(xù)深度處理進水水質要求。

實踐證明，該控制邏輯方便實用，通過控制水塔水位來節(jié)省電耗。另外，工藝技術管理人員定期對沖洗強度和沖洗時間復核，濾池自動運行工況良好，濾池運行穩(wěn)定，濾層干凈，出水水質優(yōu)良。

5.5 施工對生產(chǎn)安全的影響

本改造項目持續(xù)時間長、作業(yè)面小、施工和管理人員流動性大，經(jīng)常是完成一組更換一波人，造成極大的安全隱患，需要水廠方時刻關注改造濾池的工序進度。新的施工人員對各閥門的作用并不了解，會隨意開啟或忘記關閉閥門，導致生產(chǎn)事故。如某池反沖洗閥門更換完畢后，未及時關閉，導致夜間沖洗時，沖洗水漫進施工的濾池，將濾池內(nèi)作業(yè)的焊機等設備和工具損毀；又如某池改造時，放空閥開啟排水后未關閉，導致還未更換的清水閥漏水，倒灌進管廊間，運行人員巡視時才發(fā)現(xiàn)，但漏水已經(jīng)將安裝位置較低的閥門執(zhí)行器淹沒，造成了一定損失，也影響了濾池的自動運行。經(jīng)過上述事故后，水廠將施工人員安全培訓和交底作為進場必要前置條件，制作閥門動作審批單，在管廊安裝液位報警器，通過一系列措施，后續(xù)施工基本未再發(fā)生類似安全事故。

6 超負荷運行效果

6.1 處理水量和反沖洗情況

超負荷運行現(xiàn)狀是基于該市水廠建設滯后，為保證城市供水需求，不得不采取的挖潛措施，近3年該濾池處理水量如圖5所示。由圖5可知，2021年1月處理水量達到最高值，為497.00萬m3，當月平均處理量為16.03萬m3/d，超負荷率為60.30%；2021年前11月平均處理水量為407.00萬m3，平均處理量為13.40萬m3/d，平均超負荷率為34.00%。

圖5 近3年濾池處理水量Fig.5 Treatment Capacity Volume of Filter in Recent Three Years

根據(jù)實際運行情況，改造前，濾池運行周期一般在24 h左右，但在冬季低溫和原水污染時，只能通過提高反沖洗頻率和延長水沖時間來保證處理效果，改善作用不明顯。改造后，濾池在正常水質條件下，運行周期可延長至36 h左右，但為保證出水渾濁度，仍設定為24 h，遇到冬季低溫、超負荷和原水污染疊加的極端情況下，如2021年1月初，改造后的濾池沖洗效果明顯優(yōu)于未改造時，運行周期(12 h)也比未改造時(8 h)延長了50%。

6.2 對渾濁度的去除效果

圖6 改造后濾池出水渾濁度Fig.6 Turbidity of Filter Outflow after Reconstruction

2021年7月，8組濾池全部改造完成，當月處理水量為407.84萬m3，超負荷率為31.56%。之后持續(xù)跟蹤檢測了8組濾池的出水渾濁度(2021年7月—2021年11月)，如圖6所示。由圖6可知，2021年8組濾池出水渾濁度在0.22～0.37 NTU，平均渾濁度為0.28 NTU，渾濁度去除率在69.62%～82.11%，平均去除率為77.24%。2018年同期，8組濾池出水渾濁度在0.72～0.96 NTU，平均渾濁度為0.80 NTU；渾濁度去除率在27.27%～45.45%，平均去除率為39.11%。普通快濾池建設時普遍未考慮氣沖洗，隨著運行時間延長，濾料出現(xiàn)堵塞、水頭損失陡增等現(xiàn)象，嚴重時還會在濾料層產(chǎn)生泥球，導致出水水質下降[1]，這主要是配水不均勻和沒有進行氣沖洗，濾料不能有效沖洗所致。本文中濾池由于常年超負荷運行，加速了濾池惡化。改造前，該水廠工藝管理人員按《城鎮(zhèn)供水廠運行、維護及安全技術規(guī)程》[7]要求，定期對濾料含泥率進行檢測，均符合標準，但處理效果仍較差，出水渾濁度高。改造后，氣水反沖洗通過強力摩擦作用，更徹底地將濾料吸附的污染物去除，進一步提高濾料潔凈度，使濾料能更好地吸附微粒物質，降低渾濁度，且能吸附部分致色度物質[8]，改善出水水質。

6.3 對接續(xù)工藝的影響

濾池出水渾濁度下降，提高了渾濁度去除率，降低了接續(xù)工藝的處理負荷。在改造前，接續(xù)的臭氧-生物活性炭工藝進水渾濁度接近1.00 NTU，活性炭濾池水頭損失增長較快，運行周期最多為72 h。一期濾池改造完成后，臭氧-生物活性炭進水平均渾濁度為0.30 NTU左右，炭池運行周期明顯延長，經(jīng)逐步調整，目前已達到96 h，處理效果良好，出廠水渾濁度控制在0.15 NTU以下。

7 經(jīng)驗和結論

(1)水廠老舊工藝改造開始前，生產(chǎn)運行單位會同專業(yè)設計院深入討論，根據(jù)原水特征和工藝適用性，共同制定針對性改造方案，可保證改造效果。

(2)本項目的主要特點為持續(xù)的超負荷運行工況和超長的改造周期，因此，在改造過程中，水廠要深度參與，合理調配各生產(chǎn)線負荷，選擇合適時機進行關鍵作業(yè)。同時，還做好現(xiàn)場安全管控工作，防止邊生產(chǎn)邊改造過程中發(fā)生生產(chǎn)事故。

(3)改造后濾池的運行情況表明，選擇合適的濾層結構和沖洗控制方式，老舊快濾池仍可以達到良好處理效果，超設計負荷30%以上時，出水渾濁度仍能達到0.30 NTU左右。

(4)通過軟硬件設備更新，實現(xiàn)濾池完全自動運行，為水廠的少人或無人化值守提供了基礎條件，改造完成穩(wěn)定運行3個月后，該水廠一期濾池崗位取消。

(5)針對長期超負荷運行的特殊情況，將持續(xù)跟蹤濾池運行處理效果，保證出水水質。