德陽市孝感水廠一期除鐵除錳虹吸濾池改造實踐

陳榮艷， 范云峰

(1.中國華西工程設計建設有限公司， 四川 成都 610000； 2.德陽市自來水公司， 四川 德陽 618000)

德陽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《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)要求，故原設計采用原水曝氣-單級過濾的除鐵、除錳工藝，濾池采用虹吸濾池。改造前，虹吸濾池內每格濾池四周濾料至濾頭全部板結，僅濾池中部未被板結。濾料板結嚴重，堅如石塊，需人工鑿開才能運出濾池。由于濾料與濾頭板結在一起，起砂時濾頭損壞嚴重，故需全部更換。每2年就需要更換一次濾料，每次費用多達60萬元，且影響正常供水。

1 改造目標

為使出水水質達標，且避免每兩三年更換濾料和濾頭造成資金的浪費，因此工程改造的主要目標是解決濾料板結問題。

2 濾料板結原因分析

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、濾料板結的問題。因此，除鐵、錳濾池選擇虹吸濾池是欠妥的。按《室外給水設計規(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25 m2。而本項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比中間濾料板結嚴重。

2.3 沖洗強度不足

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，按此水量計算，反沖強度為8.11 L/(m2·s)，為設計沖洗強度的52.5%。原設計有30%～40%的膨脹率，低負荷期間水沖洗強度不足，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，這是造成濾料板結的主要原因。

2.4 沖洗周期較長

該濾池運行時的反沖周期為2～4 d。根據(jù)《室外給水設計規(guī)范》(GB 50013—2006)，對于單水沖的細砂級配(如石英砂粒徑設計為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)，而反沖強度反而下降，致使反沖洗效果更為不佳，加速了濾料的板結，這是濾料板結的次要原因。

3 原虹吸濾池設計參數(shù)

原設計規(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(換砂后粒徑調整為0.8～1.5 mm)。

設計正常濾速為9.3 m/h，濾池水頭損失為1.8 m，反沖水頭為1.2 m，反沖洗強度為15.43 L/(m2·s)，采用濾頭進行配水。

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的問題，故在原濾池結構基礎上盡量避免大的改動。原虹吸濾池發(fā)生濾料板結的主要原因為沖洗強度不足，沖洗不干凈。因此改造方案考慮增加氣沖洗系統(tǒng)，進行氣水反沖洗。國內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，結合現(xiàn)有虹吸濾池改造成功案例[3]、除鐵除錳水廠的運行經(jīng)驗[4]及項目實際情況，進行改造。

4.1 除鐵錳

根據(jù)現(xiàn)有除鐵錳水廠的運行經(jīng)驗，采用生物除鐵錳，當生物濾層培養(yǎng)成熟后，濾池鐵錳的去除率達到99%，出水水質優(yōu)于國家標準。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，設計濾速為4.86 m/h，校核強制濾速為5.83 m/h。

4.2 濾料厚度和粒徑的調整

由于原濾料粒徑偏大，反沖洗效果不佳，加速了濾料的板結。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配濾料的要求，可進行氣水同時沖洗以及水沖洗。

根據(jù)《室外給水設計規(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，將原設計的人工錳砂更換為天然錳砂。

4.3 沖洗強度的確定

考慮目前除鐵除錳虹吸濾池采用氣水同時沖洗尚無設計運行經(jīng)驗，特別是氣沖強度的控制，既要防止濾料板結又要避免破壞濾料表面的活性濾膜，故在調試及運行中，通過變頻鼓風機確定合適的氣沖強度。

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

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

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受到影響，因此需要適當加大配水區(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，原濾池為單獨水沖洗時，錳砂濾料沖洗強度為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?，可適當抬高至0.3 m以內?？紤]到配水區(qū)過于抬高會導致沖洗跑砂現(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(原設計未考慮承托層)，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、濾頭個數(shù)及布置形式保持不變，但濾板的固定方式需要改進，原固定方式采用通長槽鋼和橡膠帶的形式固定，容易導致個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)，濾梁下設濾柱，濾柱通過植筋的方式與原底板錨固。將濾板固定在濾梁上，通過地腳螺栓固定，濾板間縫隙用903混合水泥砂漿嵌縫填料進行密封。

單格池子的濾板個數(shù)為30塊，每塊尺寸為975 mm×975 mm，濾頭個數(shù)為 49個，按每個濾帽縫隙面積3.5 cm2計，計算得到開孔比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時也基本能滿足沖洗水量及強度的要求，考慮盡量利用現(xiàn)有設施，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，因而將原設計清水渠出水堰高度由501.8 m調整為502.10 m。

為保證沖洗強度隨不同沖洗階段發(fā)生變化，在出水堰附近的渠道內增加1根旁通管，旁通管接至池外的出水總管上，旁通管設調節(jié)閥門，便于對流量進行控制，從而保證沖洗強度。

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孔口進入濾池內，2根支管再分成3根DN80進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施，因一期一階段氣水同時沖洗所需的風量Q=27 m3/min，風壓P=26.5 kPa，而現(xiàn)有鼓風機的風量和風壓較大，需對一期二階段鼓風機增設1個變頻器，在對一期一階段虹吸濾池進行沖洗時，將鼓風機調頻至12.6～23.4 m3/min。

4.9 進水、排水虹吸系統(tǒng)控制改造

為方便自動控制，保留原進水虹吸管和排水虹吸管，在原來的進水虹吸管頂部增加1根DN15真空管，并增加2個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DN25電磁閥(一開一閉型)，如圖2所示。當濾池過濾開始時，真空電磁閥開啟，開始抽吸真空，達到設計時間后，真空電磁閥關閉，進水虹吸形成；當濾池沖洗開始時，開啟破壞電磁閥，破壞進水虹吸，停止進水。排水虹吸與進水虹吸形成相同。

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，為實現(xiàn)濾池氣水反沖洗的全自動化控制，對原進、出水的虹吸系統(tǒng)進行自控改造。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)則主要考慮對出水堰旁新增的旁通管上的流量調節(jié)閥進行控制。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交替使用鼓風系統(tǒng)，避免同時沖洗。

5 改造后運行效果

從圖3、圖4可以看出，在改造完成后2年的實際運行過程中，濾料未再發(fā)生板結現(xiàn)象，濾池出水水質穩(wěn)定，達到了改造的預期效果。

300002500020000150001000050000含量/(mg·L-1)0.400.350.300.250.200.150.100.050日進水量/m3出廠水鐵出廠水錳原水鐵原水錳日進水量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水量0.450.400.350.300.250.200.150.100.050含量/(mg·L-1)2500020000150001000050000日進水量/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 改造前進出水水質0.200.180.160.140.120.100.080.060.040.020日進水量/m314000120001000080006000400020000出廠水鐵出廠水錳原水鐵原水錳日進水量含量/(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水量140001200010000800060004000200000.070.060.050.040.030.020.010含量/(mg·L-1)日進水量/m3b.2020年圖4 改造后進出水水質

但目前實際運行發(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)有鼓風機的風量和風壓較大，雖在現(xiàn)有鼓風機增設1個變頻器，但調節(jié)范圍有限，故風量和風壓較設計值略微偏大。

6 結語

通過分析德陽市孝感水廠一期一階段虹吸濾池濾料板結問題，結合現(xiàn)有濾池的形式，提出一系列的改造措施，工程改造費用為192.71萬元。自2019年投產(chǎn)運行至今，濾池出水水質穩(wěn)定，達到了改造的預期效果，為類似水廠提供了借鑒。