改造大阻力普通快滤池的实践
1 概况
佛山市供水总公司下属的石湾水厂始建于1963年，当时供水规模只有4 000 m3/d，随着城市建设的飞速发展，水厂前后经过几次改扩建和挖潜改造，目前已具备50×104m3/d的供水能力。水厂由三个生产完全独立的车间组成，由于建立的年代不同，三个车间净水构筑物所采用的型式也不尽相同。单就滤池来说，一车间采用的是单阀滤池和中阻力快滤池，二、三车间采用的是大阻力普通快滤池。它们冲洗的方式都是采用单一的水冲洗形式，所要求的反冲洗强度大，因此耗水量多。
从滤池的工艺过程来看，首先冲洗效果的好坏会直接影响到滤池的工作周期，另外，如果滤料的粒径比较均匀，孔隙率较大，滤料层截污能力就增强，滤池的工作周期也会相应增长。
因此滤池改进的重点应该从增加滤池的含污能力、改进滤料的级配组成、提高滤速和反冲洗效果、延长运行周期等入手。然而旧池的改造不同于建新池，必须尽可能利用原池的结构，即要投资省，又要使效果最佳，从而达到提高供水水质、节能降耗等目的。
2 二车间滤池的对比性改造试验
二车间有两座共16格滤池，单池尺寸为5m×5m，配水系统为丰字形多叉穿孔管系统。承托层由下而上是由粒径为36～16mm、16～8mm、8～4mm、4～2mm的卵石组成，厚45cm。中间是粒径为1～2mm粗砂层，厚5cm，也起承托作用。上面是粒径为0.5～1.0 mm的石英砂滤料层，厚80cm。1995年借二车间滤池更换滤砂的机会，开始了滤池的改造试验，将其中两格滤池增设了配气系统。为了与原配水系统相配合，增设的配气系统也采用丰字多叉穿孔管形式，其干管采用Φ219 mm的无缝钢管，支管为Φ40 mm的玻璃钢管。支管上钻有与水平面成45°夹角、向下的两排孔，孔径为Φ2.5 mm，孔距150 mm，两排孔交错排列。这两格滤池的配水系统、承托层均维持原状，而滤料层配置其中一格维持原状，另一格则换成厚80 cm、粒径为0.95～1.35 mm的均质石英砂。
滤池反冲洗时，仍用原高位水池水冲洗，水洗强度14 L/(m2·s)，气洗强度为15 L/(m2·s)。反冲洗顺序是先气洗2 min，然后再气水同时冲洗3 min，最后水洗3 min。这套配气系统刚开始使用时效果特别好，特别是第一次冲洗就把粒径为0.5～1.0 mm滤料层中长期积累的泥球冲上表面足有3 cm厚一层(由于风机房建造等原因，配气系统安装了半年多才投入使用，原单一水洗又洗得不彻底，积攒了很多泥球)，遂将该层铲去补上了新砂。这两格滤池的工作周期均比其他没装气洗装置的滤格至少长4～8 h，特别是均质滤料这格池的工作周期就更长一些。出水水质比其他没有气冲装置的滤池要好，滤后水浊度比其他滤池低0.2～0.5 NTU。二车间这一试验充分显示了气水反冲洗和均质滤料的优越性。但是，这两个池运行一段时间后，空气支管已受到不同程度的堵塞，使气洗很不均匀，特别是非均质滤料层的一格滤池，差不多有1/5的地方已堵塞，影响了气洗效果。分析其原因，其一是只增加了气洗装置而其他没有改动，例如承托层没有增厚，不能将气管埋入承托层中，洗砂排水槽液面高度也没变，水洗强度仍在14 L/(m2·s)左右变化。单独水洗时这个强度正好，能使滤砂膨胀，使污泥水进入排污槽排走，但气水同时冲洗，水的冲洗强度又显得大了，气和水冲洗速度配合不容易得到控制，造成了不同程度的乱层。其二是气水同时反冲洗完后再进行单独水洗而突然停气时，空气支管内容易产生负压，细小砂子从气孔进入了支管，时间一长就发生了堵塞，布气也就不均匀了，从而会影响气洗效果。
从一年多的生产试验中我们体会到：水冲洗是靠水的剪切力去除砂粒之间的截留物，压缩空气的加入增大了滤料表面的剪力，使得通常水冲洗时不易剥落的污物在气泡急剧上升的剪力下得以剥落，从而提高了反冲洗效果；同时，由于压缩空气的加入，气泡在颗粒滤料中爆破，使得滤料颗粒间的碰撞摩擦加剧，并加强了水冲洗时对滤料颗粒表面的剪切作用；另外气泡在均粒滤料滤层中运动产生混合后，使滤料的颗粒不易粘结，气泡速度的波动和尾迹中水流的湍动产生漩涡扩散，促进了滤层颗粒的循环混合，由此得到一个级配较均匀的混合滤层，其孔隙率将高于级配滤料的分级滤层，改善了过滤性能，因此提高了滤层截污能力；又由于气泡在滤层中的运动，减少了水冲洗时滤料颗粒间相互接触的阻力，水洗强度可大大降低，从而节省了冲洗的水耗。所以滤池采用均粒滤料及气、水反冲洗，是目前国内外过滤技术中效果最好的，但如果采用这种丰字型多叉穿孔管作为配水配气系统，那么布气、布水就不够均匀，冲洗时容易造成滤层乱层，冲洗效果也不如长柄滤头配水配气系统的冲洗效果好。
3 三车间滤池的实际改造
三车间的大阻力普通快滤池有两座共20格滤池，单池尺寸为6.25 m×6.25 m。配水系统由一条DN800 mm的干管和44条DN100 mm的穿孔支管组成。承托层、滤料层的组成及冲洗方式均与二车间相同，池高3.55 m。1997年在总结二车间滤池改造试验的基础上，开始了对三车间滤池进行改造的工作。遵照尽可能少兴土木、充分利用原池结构、既节省投资且效果又佳的改造宗旨，对滤池原结构进行了分析，得出的改造方法是：
① 对原池体不进行太多的改动，只将大阻力配水系统的穿孔支管拆除，保留干管，采用长柄滤头配水配气，增设滤板、滤梁(均做成预制件)。安装时尽可能提高滤板高度，加大配气的空间(滤板与池底之间高0.8 m)。当滤池反冲洗时，布气、布水都能得到较好的均压性能，使反冲洗的均匀度能得到充分保障。
② 增加滤层厚度，并将滤层原来的级配滤料改为无需垫层、有效粒径为0.9～1.35 mm的石英砂均质滤料。这种滤料颗粒粗，孔隙大，强度高，使用寿命长。对均质滤料层采用气、水进行几乎无膨胀的反冲洗，使滤池的原有高度得到充分利用，可将滤层厚度由原来的0.8 m提高到1.1 m(将原有3条洗砂排水槽适当提高，使槽面只高出砂面0.5 m，而原槽面高出原砂面1 m)。
③ 将每格滤池的滤后清水管断开，增设出水堰，使滤后水经过堰口跌水后再收集流入清水总管中，利用出水堰和清水阀共同来控制滤池的恒水位过滤。
④ 在紧靠滤板下面的池壁上，对称开两个Φ219 mm的孔洞，使空气经孔洞进入滤板下面的空间。用Φ219 mm的无缝钢管作为气冲管道，同时配置气洗蝶阀，使压缩空气经过气洗蝶阀后分两路从孔洞进入滤板下面的空间，形成气垫层，并通过滤头均布于整格滤池平面上。
⑤ 管廊里原有的电动清水和反冲水阀，由于环境潮湿不通风，经常出现故障动作失灵，因此将它们更换为气动蝶阀。还将原电动进水阀换成气动橡皮阀。气动蝶阀采用法国产气动蝶阀(其中清水气动阀是带角位控制仪的，用以控制阀门的开启度)。增设一些必要的仪表(如采用德国E+H公司的水位控制仪等)，用PLC程序控制器来控制四个阀门的开启，实现滤池的全自动控制。
⑥ 新建一幢风机房，安装2台罗茨鼓风机和2台空气压缩机(一用一备，均为国产设备)，装一个贮气罐，分别给滤池反冲洗和气动阀门提供压缩空气。
改造分两期进行，先改造一座10格滤池。改造能否成功的关键在滤板滤梁的制作及安装上，滤板面在39.062 5 m2范围内，水平度误差不能超过±2 mm，要使整池滤板面水平度高，关键又在滤梁的安装上。另外，还需对滤板之间及滤板与池壁之间的缝隙进行密封，保证不漏水、不漏气。
三车间一期滤池的改造历时八个月，一次性获得成功，总投资310万元。紧接着对三车间滤池进行了改造和未改造的实际生产性对比试验(见表1)，经改造滤池的运行周期为72 h，未改造滤池的运行周期为40 h，待滤水浊度在4～8 NTU之间，水量在5 500～9 000 m3/h之间。
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从表1可以看出：①改造后滤池的滤后水浊度降低了一倍；②在符合细菌指标的情况下，改造后滤池的运行周期还有潜力可挖。
同时，还对改造与未改造滤池的工艺参数进行了测定(见表2)。
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测定条件：待滤水浊度为4NTU，水量为6600m3/h；经改造滤池的反冲洗程序为先气洗1 min，再气水同时冲洗3 min，最后单独水洗3min。
从表2可以看出：①改造后反冲周期增加近两倍，且还有潜力；②反冲强度减小后，反冲水量节约60%左右。
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