精品给水系统中V型滤池的过滤机理与工艺设计.docx
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精品给水系统中V型滤池的过滤机理与工艺设计
给水系统中V型滤池的过滤机理与工艺设计
摘要：
对V型滤池的过滤机理、工艺特点以及主要结构尺寸、材料的选用、气水联合反冲洗等技术参数和技术条件等做了较全面的介绍，对V型类滤池设计、施工、运行和管理等流程科进行了较为详细的阐述，从而为在给水厂工艺中更好地选择和利用V型滤池提供参考。
关键词:
V型滤池；机理；工艺设计；应用
MechanismandProcessDesignofV-filterinDrinkingWaterSupplyIndustry
Abstract:
Inthispaper,theV-filterfilteringmechanism,aswellasmajorstructuralcharacteristics,materialschoosing,wasdiscussedfirstly.Meanwhile,amorecomprehensivepresentationofwaterandgasjointanti-washingandothertechnicalparameters,conditionswereincluded.Also，theV-typefilterdesign,construction,operationAndmanagementprocessesweredescribeddetailedinordertohelpbetterusethisnewtechnicalfilterinthedrinkingwatersupplyindustry.
Keywords:
V-filter,mechanism,processdesign,application
1.前言
滤池是给水厂净水工艺中的重要环节[1]。
滤池有多种型式，其中以石英砂作为滤料的普通快滤池使用历史悠久。
一直以来，为了增加滤池含污能力，研究工作者对滤池的研究主要有过滤方式和滤池池型两方面，,其次还有从节约滤池的阀门及便利操作向着自动化和连续操作的方向作了许多改进和革新[2]。
在此基础上，人们从不同的工艺角度发展了其它型式的快滤池。
V型滤池就是在此基础上由法国德利满公司在70年代发展和首创的专利技术,由于其截污量大、冲洗效果好的显著优势,近年来在大、中型水厂应用较多[3]。
V型滤池是快滤池的一种形式，因为其进水槽形状呈V字形而得名，也叫均粒滤料滤池（其滤料采用均质滤料，即均粒径滤料）、六阀滤池（各种管路上有六个主要阀门）。
20世纪70年代已在欧洲大陆广泛使用.20世纪80年代后期,我国南京、西安、重庆等地开始引进使用.20世纪90年代以来,我国新建的大、中型净水厂差不多都采用了V型滤池这种滤水工艺,特别是广东省新建的净水厂几乎都采用了V型滤池[4].V型滤池在近年来普遍选用，已建成运行的约在20座以上,颇有取代四阀和双阀滤池之势。
[5]
2.V型滤池的过滤机理
2.1V型滤池的过滤机理
在过滤过程中,滤层孔隙中的水流一般属于层流状态,被水流挟带的颗粒将随着水流流线运动.它之所以会脱离流线而与滤粒表面接近,完全是一种物理力学作用,一般认为由以下几种作用引起:
拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力等.V型滤池的过滤机理主要是截留和吸附两种。
[6-8]
2.1.1截留机理
截留机理主要作用在深层过滤工艺中,是利用机械过滤,截留所有大于滤料筛孔尺寸的颗粒物或已经沉积的颗粒物集团。
滤料的筛孔越小,此现象越明显,在由较粗滤料构成的滤床中作用较小。
2.1.2吸附机理
悬浮颗粒物随着液体流动,它可能穿过滤料而不被截留,但在摩擦作用下的直接中间截留、由布朗运动导致的扩散、重力作用产生的沉淀、不同速度梯度而产生的转动及颗粒物的惯性等均可以改变其行走路线并使其与滤料接触。
粘附作用是一种物理化学作用,当水中杂质颗粒迁移到滤料表面上,则在范德华引力和静电力相互作用下,以及某些化学键和某些特殊的化学引力下,被粘附于滤料颗粒表面上,或者粘附在滤粒表面上原先粘附的颗粒上.此外,絮凝颗粒的吸附架桥作用也会存在.粘附作用取决于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质.在低滤速时吸附作用更突出。
2.2V型滤池的工作过程
2.2.1V型滤池正常过滤阶段
图1过滤工艺流程图
通常，给水厂过滤工艺流程如图1所示；剖面图和平面图分别如图2、图3所示。
具体过滤过程为：
待滤水（即沉淀池出水）由进水总渠经进水气动隔膜阀1和方孔2后，溢过堰口3再经侧孔4进入被待滤水淹沿的V型槽5，分别经槽底均匀的配水小孔6和V型槽5堰顶部进入滤池。
被均质滤料滤层过滤的滤后水经长柄滤头流入底部空间11，由配水方孔9汇入气水分配管渠8，再经管廊中的水封井12、出水堰13、清水渠14流入清水池。
图2 V型滤池B-B剖面图
图3 V型滤池平面图
1-进水气动隔膜阀；2-方孔；3-堰口；4-侧孔；5-V型槽；6-小孔；7-排水渠；8-气、水分配渠；9-配水方孔；10-配气小孔；11-底部空间；12-水封井；13出水堰；14-清水渠；15-排水渠；16-清水阀；17-进气阀；18-冲洗水阀；
2.2.2滤池反冲洗阶段
被已经沉积的颗粒物包裹着的滤料表面之间的间隙变小,使流速升高,被截留的沉积物可能脱附并被带到滤料的深层而被拦截。
被截留的悬浮物逐渐阻塞滤料之间的空隙,随着阻塞悬浮物的增加,影响通过滤池水流的水头损失也随之加大。
当水头损失值达到或接近1.50m水柱时[9],需要对滤池进行反冲洗。
V型滤池在自动模式下运行时，当符合下列条件之一时开始反冲洗：
滤池运行时间达到设定值；过滤水头损失达到设定值；来自于控制台现场PLC—XBT键盘或中控室监控计算机的冲洗命令。
[10]反冲洗过程常采用“气冲→气水同时反冲→水冲”三步[11]，反冲洗过程如下[12-14]：
（1）关闭进水气动闸阀。
但有一部分进水仍从两侧常开的方孔流入滤池，由V型槽一侧流向排水渠一侧，形成表面扫洗。
而后开启排水阀将池面水从排水槽中排出直至滤池水面与V型槽顶相平。
滤池水位下降到离滤料面300mm时,关闭滤后水出水气动蝶阀,同时开启反洗排污气动闸阀;
（2）单独气冲：
开启反洗进气气动蝶阀,自动启动一台鼓风机运行1min,形成气垫层（气洗强度7.78L/（m2.s））;运行二台鼓风机进行气洗后5s（气洗强度15.27L/（m2.s））;空气经气水分配渠的上部小孔均匀进入滤池底部，由长柄滤头喷出，将滤料表面杂质擦洗下来并悬浮于水中，被表面扫洗水冲入排水槽。
（3）气水同时反冲洗：
单独气洗65s后,在气冲的同时启动冲洗水泵，打开冲洗水阀（水洗强度1.67L/（m2.s），进行气水同时冲洗。
反冲洗水也进入气水分配渠，气、水分别经小孔和方孔流入滤池底部配水区，经长柄滤头均匀进入滤池，滤料得到进一步冲洗，表扫仍继续进行。
气水同时冲洗6min
（4）单独水冲：
气水同时冲洗6min后,关闭反洗进气气动蝶阀,进入单独水漂洗阶段（水洗强度4.20/（m2.s））,同时打开进水气动闸阀（开启度50%,表面扫洗水强度1.67L/（m2.s））进行表面扫洗最后将水中杂质全部冲入排水槽。
;
（5）水单独反冲洗6min后,关闭反洗进水气动蝶阀;
（6）关闭反洗排污气动闸阀,将进水气动闸阀全部开启;
（7）水位接近设计过滤水位下限时,慢慢开启滤后水出水气动蝶阀,进入过滤状态。
2.2.3V型滤池的表面冲洗作用
气、水反冲洗时,由于气泡的激烈湍动作用,大大加强了污物剥落能力及截污能力。
在滤池实际反冲洗过程中,当反冲时间约5min时的滤层污物剥落高达95%以上,此表面V型滤池的反冲洗效果是比较好的。
此外，反冲洗时,原水通过与反冲洗排水槽相对的两个V型槽底部的小孔进入滤池,它扫洗滤层的表面,并把滤层反冲上来的污物、杂质推向排水槽,同时扫洗了水平速度等于零的一些地方,在这些地方漂起来的砂又重新沉淀下来。
此外滤池的表面扫洗,还加快了反冲水的漂洗速度,用原水养活了反冲洗滤后水用量及电能,也节约了冲洗水量。
养活冲洗水量是原水表面清扫的一个特别优点,事实上,它还起到了在一个滤池反冲洗时防止其它滤池在最大输出负荷下运行的作用[15]。
3.V型滤池工艺特点分析
3.1V型滤池工艺特点
V型滤池是法国得利满公司经过长期水力模型试验研究设计出来的第五代滤池[16],具有先进的过滤工艺和反冲洗技术。
从构造和运行情况看，与其它如四阀和双阀滤池相比,法国得利满公司V型滤池具有以下突出的工艺特点[17,18]:
（1）V型滤池采用恒液位、恒滤速的重力流过滤方式,滤料上有足够的水深（1-1.2m）,以保持有效的过滤压力从而保证过滤介质的各个深度均不产生负压。
（2）滤料采用较大的有效粒径和较厚的砂滤层,能使污物更深地渗入过滤介质中从而充分发挥滤料的截污能力,截污能力强,截污量大,并增加过滤周期。
（3）先进的气水联合反冲洗工艺,可防止滤床膨胀,防止滤砂的损失。
单独气冲洗时压缩空气加入增大了滤料表面的剪力,从而使得通常水冲洗时不易剥落的污物在气泡急剧上升的高剪力下得以剥落。
气水联合反冲洗时气泡在颗粒滤料中爆破,使得滤料颗粒间的碰撞磨擦加剧,同时加入水冲洗时,对滤料颗粒表面的剪切作用也得以充分发挥,加强了水冲清污的效能。
气泡在滤层中的运动,减少了水冲洗时滤料颗粒间的相互接触的阻力,使水冲强度大大降低,从而节省冲洗的能耗和水耗。
（4）均质的滤料,加上气水联合反冲洗工艺,能避免滤床形成水力分级。
气泡在滤层中运动产生混合后,可使滤料的颗粒不断涡旋扩散,促进了滤层颗粒循环混合,由此得到一个级配较均匀的混合滤层,其孔隙率高于级配滤料的分级滤层,改善了过滤性能,从而提高了滤层的截污能力。
（5）在整个气水反冲洗过程中持续进行表面扫洗,可以快速地将杂质排出,从而减少反冲洗时间节省冲洗的能耗,大大减少了冲洗水量。
更重要的是持续表面扫洗所消耗全部或部分的待滤水,使得在此期间同一滤池组的其他滤池的流量和流速不会突然增加或仅有一点增加,不会造成冲击负荷,滤池出水调节阀也不要频繁调节。
（6）冲洗后滤池的过滤是通过缓慢升高水位的方法重新启动的,滤池冲洗后重新起动时间约10-15分钟,使滤床得到稳定,确保初滤水的水质。
（7）反冲洗的排水系统简单,施工方便,省去了为排水均匀而设的众多集水槽。
（8）自动化程度高,控制系统成熟，管理方便。
3.2V型滤池的不足之处:
（1）V型滤池池型结构相对复杂得多,尤其是配水配气系统精度要求高,新建时增加施工难度;
（2）配水、配气系统复杂,V型滤池增加了供气设备,提高了基建投资,增加了维修工作量。
（3）反冲洗时滤料有向排水堰方向漂移的现象,影响了滤池的正常工作,需定期平整。
（4）单池面积平均比普通滤池单池面积大,但因中间的排水槽占了很大一部分面积而并未充分利用,导致实际过滤面积比单池面积小。
4.有关V型滤池的一些讨论：
4.1V型滤池的工艺设计参数
V型滤池的设计参数都是经过长期水力模型试验而得来,因此V型滤池的主要工艺参数是一种优化组合的设计参数,在设计中应严格参照选用设计,了解掌握了V型滤池的工作原理后，一些经验参数简介如下：
[19-21]
4.1.1主要设计参数
a）滤料：
石英海砂，最好是选择海水冲刷强度比较大的海边砂场的石英砂，不宜选用河砂。
粒径0.95～1.35mm；不均匀系数K80=1.0～1.3；滤层厚度1.2～1.5m。
b）滤速：
7～15m/h。
沙上水深1.2～1.3m。
c）反冲洗强度：
压缩空气15～16L/m2.s；水反冲4～5L/m2.s；水表面扫洗1.5～1.8L/m2.s。
d）滤头：
采用QS型长柄滤头，滤头长28.5cm；滤帽上有缝隙36条；滤柄上部有φ2mm气孔，下部有长65mm、宽1mm条缝；材质为ABS工程塑料。
底部采用带长柄滤头底板的排水系统，不设砾石承托层。
滤头采用网状均匀分布在滤板上，每平方米布置48～56个。
e）滤板、滤梁均为钢筋砼预制件。
滤板制成矩形或正方形，但边长最好不要超过1.2m。
滤梁的宽度为10cm，高度和长度根据实际情况决定。
4.1.2滤池结构尺寸及标高确定
根据流体的流动特性，为了保证反冲洗时滤池平面气、水分配的均匀，滤池平面尺寸的长宽比稍大一些为好。
一般为：
长:
宽=4：
1～3.5:
1（宽度不包括中央气水分配槽，中央气水分配槽宽度一般为0.7～0.9米）V型滤池池体单室标准工艺尺寸,如表1。
表1 V型滤池池体单室标准工艺尺寸
为了确保反冲洗时滤板下面任何一点的压力均等，并使滤板下压入的空气可以尽快形成一个气垫层，滤板与池底之间应有一个高度适当的空间。
我们把滤板下面清水库的高度一般设计为0.85～0.95米。
这个高度足以使空气通过滤头的孔和缝得到充分的混合并均匀分布在整个滤池面积之上，从而保证了滤池的正常滤水工作和滤池的再生效果。
表面扫洗是通过由V型槽底部小孔喷出的射流来实现的。
根据射流的性质，要使表面扫洗效果最佳，此射流最好为半淹没射流。
因此，V型槽底部小孔中心标高的确定就显得非常关键。
根据我们的经验，小孔中心标高比反冲洗水位低0.8～1.2cm为最佳。
我们曾经参观过由法国德利满公司设计的一间水厂，他们设计的小孔中心标高比反冲洗水位低了1.3cm。
滤池反冲洗时，表面扫洗效果不及我们设计的滤池。
4.2工艺设计注意要点
V型滤池工艺设计中应注意以下几个要点:
（1）根据V型滤池的工艺特点,充分发挥V型滤池的优越性,必须严格采用V型滤池的主要工艺参数进行设计,同时在设计时应注意区分滤池的工艺尺寸和建筑结构尺寸。
（2）合理设计滤池进水总渠的流速和过流面积,确保各个滤池配水均匀。
（3）合理设计滤池超负荷水量。
V型滤池的最佳运行负荷为设计水量的80%-100%,最大的运行负荷不宜超过设计水量的110%,因此应严格设计滤池溢流堰标高。
（4）滤池的出水堰不可取消,且每口滤池必须设一台滤池出水调节阀。
国内的一些设计院认为:
通过出水调节阀控制恒液位,出水堰可以取消;或多口滤池共用一台滤池出水调节阀,这是不正确的。
第一,滤池的出水堰是确保滤池恒液位、恒滤速过滤;第二,取消出水堰调节阀后为自由水头,调节阀的调节精度无法保证,也就无法确保滤池恒液位、恒滤速过滤。
第三,多口滤池共用一台滤池出水调节阀将无法精确调节并确保滤池恒水位,调节其中一口池时将会影响其它滤池的恒液位。
（5）国内有些设计院为了节省土建造价,取消2缩小反冲洗水池,这是不合理。
由于V型滤池对反冲洗强度有精确的要求,V型滤池设计时要求反冲洗水池的贮水量应满足冲洗两口以上滤池的水量,且在反冲洗水池的出水处设一定标高的出水堰,保证反冲洗水池中的水位恒定,这样也就保证了反冲洗强度的恒定。
（6）V型滤池滤料面至排水堰顶的高度为h=0.50m,V型槽扫洗孔高度（h1）指设计滤料面至V型槽扫洗孔中心的高度为h1=0.35m,这样确保V型槽扫洗孔为淹没出流而且将表面污物推向排水槽。
（7）反冲洗进水管入池内可适当扩大有利于配水均匀,但管内底应与池底标高一致,管顶低于气垫层。
4.3设备和材料的选择
4.3.1阀门的选型
滤池运行都是通过阀门来控制的,因此阀门的选型至关重要,在滤池阀门的设计和选型时应注意以下几个方面:
（1）滤池阀门建议都采用国际知名品牌的进口阀门,但为了节省造价,除了滤池出水调节阀,其他阀门可以采用国内知名品牌阀门或在国内组装的进口阀门。
（2）滤池出水调节阀建议采用气动调节阀,不宜采用电动阀,因为电动阀不宜频繁动作且阀位难以控制。
（3）滤池排水阀建议采用气动蝶阀,不宜采用长杆闸板阀。
由于长杆闸板阀不易于安装,而且随着时间的推移土建变形,造成长杆闸板阀运行困难。
（4）阀门的气动装置（气缸）应合理配置。
4.3.2机械设备的配置
滤池主要机械设备有:
反冲洗水泵、鼓风机、空气压缩机等,这些设备完全可以选用国产设备,在定货时一定要注明所定设备的技术参数,到货后再根据铭牌参数校核反冲洗强度。
4.3.3自动控制系统的配置
自动控制系统的元器件建议采用进口的产品,液位计和阻塞计建议选用差压式,不宜采用超声波液位计。
4.4V型滤池生产管理
4.4.1建立V型滤池运行维修档案制度
详细记载和保管的图档资料有:
（1）V型滤池土建安装施工竣工验收资料;
（2）所有设备性能检测和测试资料;
（3）每组滤池滤料筛分曲线;
（4）V型滤池操作维修手册;
4.4.2确定V型滤池优化运行方案
V型滤池的优化运行是指:
在滤池出水水质符合标准的前提下,尽可能降低滤池运行成本,且便于安全生产管理。
因此滤池的优化运行是一项系统工程,在确定优化运行方案时必须综合考虑以下几个方面:
（1）根据水厂整个工艺流程生产状况以及国家或本水司的水质标准合理确定待滤水和滤后水水质标准;
（2）合理设定V型滤池反冲洗控制参数过滤时间和堵塞值。
过滤时间是V型滤池在常态下便于生产管理的主要控制参数,堵塞值是非常态下的应急控制参数,因此过滤时间设定应综合考虑滤后水水质、堵塞值以及滤料再生等因素。
（3）合理设定V型滤池反冲洗步骤。
滤池反冲洗时,先关闭进水气动闸板阀,滤池继续过滤并将水位降至砂面以上5cm,然后打开反冲洗排水阀和进水闸板阀,开始反冲洗,这样的反冲洗步骤避免了砂面以上待滤水在反冲洗时被排放,降低运行成本。
4.4.3确定V型滤池运行日常巡检、定期维护保养、大修检查事项,并建立档案制度
（1）V型滤池日常巡检事项有:
24小时在线监测滤后水浊度、水头损失、过滤时间、滤池运行状态;每2小时检查和记录一次滤池过滤、反冲洗设备以及控制柜的运行状况。
（2）V型滤池定期维护保养有:
1）每周定期检查压缩空气的压力和清理过滤器;
2）定期更换鼓风机、空压机的润滑油;
3）每半年校核液位计、堵塞计、调节阀角度转换器的信号输出值;
4）每年检测一次V型滤池自控系统。
5）每年对滤池进行一次技术测定,内容包括:
滤速、滤料筛分曲线、滤料厚度、滤料含泥率、反冲洗强度、反冲洗时间、反冲洗前后滤后水浊度等;
6）每年检测一次滤池配水均匀性;
7）每年定期检查V型滤池混凝土构筑物。
（3）V型滤池大修检查事项有:
（1）滤头更换;
（2）滤料补充;
（3）滤料置换;
（4）机械设备大修理检查。
4.4.4生产运行的自动控制
对V型滤池过滤和再生的自动控制是滤池正常生产运行的保障。
采用了可编程序控制器和工业电脑（PLC+IPC）组成的实时多任务集散型控制系统，对滤池的过滤和反冲洗实行控制。
[22]
（1）过滤控制
我们在滤池的相应部位安装了水位传感仪、水头损失传感器。
滤池的过滤就是通过它们测出滤池的水位和水头损失，将水位值及滤后水阀门的开启度送入每一个PLC柜中安装的一块专用模块，调整模块就可以调整阀门的开启度，使滤池达到进出水平衡，从而实现恒水位、恒滤速的自动过滤。
（2）反冲洗控制
一组滤池的反冲洗由一台公用的PLC来控制。
当过滤达到过滤周期或滤池压差（水头）设定值时，滤池提出反冲洗请求，PLC根据滤池的优先秩序，组成一个请求反冲洗队列。
一旦响应某格滤池的请求，PLC实施反冲洗的整个过程，在一组滤板中，不允许两个滤池同时进行反冲洗，当一只滤池正在反冲洗时，其它滤池请求反冲洗的信号则存入公用的PLC中，然后再按存储秩序，对滤池依次进行反冲洗。
当滤池反冲洗时，公用PLC的控制过程是：
①关闭待滤水进水阀，当滤池水位下降到洗砂排水槽顶时，关闭滤后水控制阀，打开反冲洗排水阀；②启动鼓风机，5秒钟后，打开滤池反冲洗气阀，对滤池进行1分钟气预冲；③打开反冲洗水阀，启动反冲洗水泵，进行7分钟的气水同时反冲洗；④关闭反冲洗气阀，5秒钟后，停鼓风机，打开空气隔膜阀排气，进行5分钟清水反冲漂洗后，停反冲水泵。
5秒钟后，关闭水反冲洗阀，然后关闭反冲洗排水阀，打开待滤水进水阀，滤池恢复过滤。
整个反冲洗过程历时约25分钟。
另外，PLC还能控制滤池的开启个数，它根据滤池进水流量确定滤池的开启个数，按先停先开，先开先停的原则确定某格滤池的开、停。
5.结语
综上所述，V型滤池的先进之处，就在于采用了均质滤料和先进的气、水反冲洗兼表面扫洗相结合技术。
其主要特点是：
采用粒径相对较粗的石英砂均质滤料及较厚滤层的截污、纳污能力，并延长滤池工作周期；气水反冲洗加表面扫洗，滤层不膨胀或微膨胀；其配水系统为长柄滤头配水系统；运行实现“公用冲洗PLC+各滤池PLC”的自动控制模式。
这种全新的设计，满足了高速滤池的三个基本要求[23']：
即在整个过滤周期中都能获得优质的出水；运行使用周期长，运行费用低，而反冲洗循环次数少；反冲洗可采用三种流体：
压缩空气，滤后水和原水。
因此可用较小的水头损失和同样的电耗获得较高的效率。
这一技术除在新建净水厂应用外，我们还可以把这一技术推广到旧厂改造中去，依靠科学进步，采用新的科学技术，进行技术改造，充分发挥其最大的潜力，可在短时间内使产水量大幅增长，是实现供水行业“提高供水水质，提高供水安全可靠性，降低药耗、降低能耗、降低漏耗。
”较好途径。
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