董志锋，刘 倩，薛 文，邱仲领，张 亮，张松芳

(横岗自来水有限公司，广东深圳 518055)

深圳市某自来水厂一期建于1986年，随着经济的快速发展和人口的逐渐增多，先后于1988年、1989年、1992年进行二、三、四期水厂扩建以保障供水需求，设计供水能力为7.2万m3/d。供水采用“混凝-沉淀-过滤-消毒”常规水处理工艺。由于水厂建造时间早，滤池均采用虹吸滤池，工艺相对落后，滤池抗冲击负荷能力差，出水效果不理想[1]，加之使用年限高达25 a以上，滤池设备锈蚀老化严重。同时，虹吸滤池长期运行，由于冲洗不彻底，导致滤板滤孔堵塞、滤层板结发黑、滤层中出现大量泥球、有效过滤面积减少等问题。为使滤后出水达到内控标准，滤池经常未达到过滤周期就需要进行人工强制冲洗，造成水厂自用水量增加，浪费水资源。

随着供水量的提高，采用单一的水冲方式已经无法满足滤池生产要求，因此，将虹吸滤池改为气水反冲洗，以彻底解决滤料问题。目前，国内已有将虹吸滤池改造为V型滤池、翻板滤池的改造实例[2-3]。将虹吸滤池改为V型滤池，需要改造池体构造，土建改造投资成本高，施工周期长。翻板滤池具有反冲洗彻底、滤料不易流失、池体构造简单、土建安装方便、占地小、布置紧凑的特点[4]；同时，虹吸滤池在技改中具有池深大、过滤面积可扩大的特点[5]，受水厂场地的限制、根据虹吸滤池的特点，为满足供水增长的需求，决定将虹吸滤池改造为气水反冲翻板滤池。

该水厂采用了一种更彻底的改造方案，将水厂四期虹吸滤池升级改造为气水反冲洗翻板滤池，本文总结了气水反冲洗翻板滤池的改造方案、优势及应用成效，以期为存在类似问题的水厂提供技术借鉴。

1 工艺概况

该水厂采用常规水处理工艺，工艺流程如图1所示。原水由水库进入水厂，经配水井分配后进入穿孔旋流反应池；在反应池内絮凝形成密实的大颗粒絮凝体，原水夹带大颗粒絮凝体以一定的流速进入斜管沉淀池；沉淀去除大颗粒絮凝体，沉淀后水进入滤池；通过粒状滤料截留胶体和小颗粒絮凝物，进一步降低水中浑浊度；投入次氯酸钠消毒后的清水进入清水池，通过送水泵房送至市政管网。

图1 深圳某水厂工艺流程Fig.1 Process Flow Chart of a WTP in Shenzhen

2 现状滤池存在的问题

2.1 现状滤池主要设计参数

四期虹吸滤池供水能力为2.0万m3/d，分为2组，每组分为5格，共10格。滤料类型：石英砂为0.6～1.2 mm，滤料厚度为700 mm，承托层厚度为200 mm，采用粒径为2～25 mm多层级配砾石；滤床底部配水系统采用小阻力穿孔板，设有双层滤板，上层孔径较小，下层孔径较大。单格滤池平面尺寸：L×B=3.5 m×3 m，每格滤池过滤面积为10.5 m2。滤池反冲洗方式为滤后水反冲(单水、无气冲)。每格虹吸滤池设有进水和排水虹吸管各1根，反冲时需关闭反冲洗格滤池进水阀门及滤池进清水池总阀门，由其他格的滤池滤后水对该格进行重力反冲洗。虹吸滤池如图2所示。

图2 虹吸滤池平面图Fig.2 Plan of Siphon Filter

2.2 虹吸滤池反冲洗过程

当滤池内水位逐渐上涨达到最高液位时，排水辅助虹吸管通过抽气三通不断抽气，使虹吸排水管内水位较快地上升，形成虹吸排水，滤池内水位迅速下降，至接近排水槽上口时，清水总渠内的水即通过配水系统穿过滤层向上流动，从而达到反冲洗的目的。当计时水槽内的破坏虹吸管口露出时，空气会进入排水虹吸管内，虹吸被破坏，冲洗即停止，滤池进入过滤状态[6]。

2.3 现状滤池存在问题

(1)反冲不彻底，滤料易板结，缩短滤池运行周期。采用重力单水反冲，反冲洗不彻底，滤料间擦洗作用不够，滤板滤孔易堵塞，滤料易板结，导致滤池运行周期缩短[7]。

(2)运行效果下降，影响出水效果。随着运行时间的增加，滤料积泥日渐严重，最终板结发黑，影响滤池出水效果。

(3)虹吸过程长，自用水率高。虹吸滤池使用水力自动冲洗装置，要等排水虹吸形成后，水位降到一定深度，进水虹吸才能破坏，才会停止进水，待滤水需排空，因此，自用水率高。

(4)滤料易流失，人力及维护成本高。滤池利用水位压力差进行反冲洗，反冲洗强度不均匀，易发生“跑砂”现象。每隔5 a需更换滤砂，人力物力维护成本高[8]。

3 改造方案及过程

3.1 改造原则

(1)改造方案应简单、方便、运行可靠，保证滤后水满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的水质要求。

(2)维持滤池的主体土建结构不变，在少动或不动主体结构的原则下进行，使改造工作简单、施工方便。

(3)尽量利用现有设施进行改造，减少改造工程量和投资[9]。

3.2 设计参数

滤池改造后设计参数如下：滤池分2组，每组5格，共10格。滤料类型：底层铺设粒径为2～4 mm的石英砂100 mm作为承托层，上层铺设粒径为0.8～1.2 mm 的石英砂800 mm，滤料总厚度为900 mm。单格滤池平面尺寸：L×B=4.5 m×3 m，每格滤池过滤面积为13.5 m2，滤速为6.17 m/h。滤池反冲洗方式：先单独气冲3 min，冲洗强度为17 L/(m2·s)；再气水同时冲洗1 min，气冲强度为17 L/(m2·s)，水冲强度为15 L/(m2·s)；最后单独水冲3 min，水冲强度为15 L/(m2·s)，整个反冲洗过程历程7 min。改造后翻板滤池如图3所示。

图3 翻板滤池平面图Fig.3 Plan of the Shuttle Filter

3.3 进水系统

原有的进水总渠只有1条，为减少土建工程量，节约成本，保留原有进水渠，拆除原有进水虹吸管及附属管路、进水渠和进水槽之间的隔墙，并拆除进水溢流堰，在进水槽底板处开口，沉淀池出水通过开口处进入，开口尺寸为L×B=200 mm×200 mm。在开口处加装拉板，通过气动阀控制拉板打开角度调节每格滤池的进水量，使每格滤池进水分布均匀。在开口处下方距离滤砂面500 mm处加装进水缓冲槽，沉淀池出水从开口处进入缓冲槽溢流至滤池，以减缓水流对滤砂的冲击力，使滤砂分布均匀。

3.4 排水系统

拆除排水槽、排水集水槽、虹吸管及附属管路，封堵排水管与滤池底部排水箱涵连接口。在滤池墙壁上凿挖排水口，开口尺寸为L×B=300 mm×800 mm。在开口处安装1根与开口尺寸相同的排水管，排水管进水口处呈斜面，在斜面位置加装与斜面相同大小的拉板，通过气动阀气缸控制拉板打开的角度调节排水量。

3.5 配水配气系统

改变原有的单水冲方式，采用气水联合冲洗。拆除原有的双层滤板，更换成单层的气水反冲洗滤板，在滤板下方安装3条DN80的气冲管道，新建整体现浇滤梁，并安装预制滤板，采用F式长柄滤头进行配水配气，滤板底部气水室高度为600 mm。

3.6 反冲洗供气供水系统

反冲洗系统：为了节省造价，水冲系统仍为原有重力方式反冲。在原有单格滤池出水口处加装气动拉板阀，控制反冲洗水量。

供气系统：气冲系统及气动阀门控制系统。在水厂值班楼内重新规划鼓风机与空压机设备间，设备间内安装2台型号为JTS125的罗茨鼓风机(1用1备)，设计风量为14.4 m3/min，出气压力为49 kPa，通过DN200的气冲管道对翻板滤池进行气冲。同时，还安装空气压缩机、干燥机2台(1用1备)以及储气罐2个，用于控制滤池中的气动阀门。

4 实际运行效果

4.1 浑浊度去除率

为了进一步考察改造前后滤池浑浊度去除能力，分别对改造前后沉淀池、滤池出水浑浊度进行连续一个月的测定，对比结果如表1所示。

表1 滤池改造前后浑浊度对比Tab.1 Comparison of Turbidity before and after Filter Renovation

由表1可知，改造前滤池进水量为1.2万m3/d，改造后进水量为1.8万m3/d，改造后进水量比改造前进水量提高50%。改造前沉淀池出水浑浊度为0.36～0.62 NTU，滤后水浑浊度为 0.09～0.18 NTU，浑浊度去除率为40%～83.93%；改造后沉淀池出水浑浊度为0.8～1.45 NTU，滤后水浑浊度为 0.09～0.12 NTU，浑浊度去除率为88.35%～93.53%，与改造前相比，浑浊度去除率提高了10%～48%。滤池改造后沉淀池出水浑浊度比改造前升高了0.44～0.85 NTU，这是由于滤池改造后，进水量的增加导致四期斜管沉淀池上升流速增加，水流带动底层矾花，矾花上浮，使得沉淀池出水浑浊度升高。改造后滤池浑浊度去除率波动较小，在90%上下波动；改造前滤池浑浊度去除率波动幅度较大，上下波动43%，这说明改造后滤池截污纳垢能力较强，滤池的抗冲击负荷能力提高。

4.2 滤池反冲洗周期

滤池改造前，进水量为1.2万m3/d，滤池反冲洗周期为22～24 h；滤池改造后，进水量和改造前相同时(1.2万m3/d)，滤池反冲洗周期延长至48 h，滤池运行时长提高了100%，显著提升了滤池的运行效率。当滤池进水量为1.8万m3/d时，滤池反冲洗周期为24～36 h，与改造前相比，滤池产量提高了50%。这是由于滤池改造后，单格滤池过滤面积增大，新换滤砂截污能力增强；同时，滤池反冲洗系统改变，使滤池反冲洗较为彻底，从而提高滤池的运行效率。

4.3 滤池反冲洗水量

为评估滤池改造前后反冲洗用水量，对反冲洗用水量进行统计，改造前平均反冲洗水量为570.81 m3/d，改造后为489.34 m3/d。根据水厂实际运行情况，改造后四期滤池进水量为1.8万m3/d，反冲洗周期为24 h；改造前四期滤池进水量为1.2万m3/d，反冲洗周期为22 h，月反冲洗节水量为4 237.97 m3，降低了21.84%。滤池改造后，滤池反冲洗水量降低，自用水率也发生了改变，改造前滤池自用水率为4.76%，改造后为2.72%，降低了42.85%。

4.4 改造后经济效益分析

滤池改造后于2019年7月正式投入运行，投入使用过程中，效果良好，成本降低，取得了良好的经济效益，具体如下。

(1)以1.8万m3/d的供水量计算，每天节约反冲洗水量18 000×(4.76%-2.72%)=367.2 m3，每年原水成本节约367.2×365×1.16=15.55万元。

(2)滤砂更换成本：改造前按每5 a更换1次滤砂，单次更换费用约为13万元，改造后每15 a更换1次滤砂，单次更换费用约为16万元，折合每年滤砂更换节省1.5万元。

(3)新增设备维护成本：新增2台鼓风机、2台空压机、31台气动翻板阀，预计维修费用为5万元/a。

(4)电费：主要为鼓风机、空压机的运行，按照每天运行2 h计算，每年电费约为2万元。

(5)供水增加产生的效益：改造后每天可增加6 000 m3，按照目前的供水效益计算，每年可产生109.5万元的利润。因此，虹吸滤池改造后经济效益如表2所示。

表2 虹吸滤池改造后效益分析表Tab.2 Benefit Analysis after Siphon Filter Renovation

(6)投资回收期：本次虹吸滤池改造项目花费154万元，通过上述经济效益分析可计算出投资回收期为154÷119.55=1.29 a，即1.29 a即可回收全部投资。

5 结论

针对虹吸滤池反冲洗不彻底、滤料易板结、过滤周期短、过滤效果差的问题，结合水厂实际情况，提出一种将虹吸滤池改为气水反冲洗翻板滤池的改造方案，并通过对比改造前后的运行效果，得到以下结论。

(1)将原有的虹吸管路拆除，并安装气冲管路，保留原有的水冲路线，将原有的双层滤板换成气水反冲洗滤板，采用闭阀冲洗，滤料不会流失，反冲洗更为彻底。

(2)与虹吸滤池进水量相比，气水反冲洗翻板滤池进水量为1.8万m3/d，比改造前提高了50%；改造后浑浊度去除率为88%～93%，比改造前提高10%～48%，滤池抗冲击负荷能力提高，滤池运行效果提升。

(3)相同进水量下(1.2万m3/d)改造后滤池的反冲洗周期延长，运行时长提高了100%；改造后滤池进水量为1.8万m3/d，滤池反冲洗周期为24～36 h，滤池运行效率提高。

(4)改造后滤池反冲洗水量降低了21.84%，月节约自用水量4 237.97 m3，自用水率降低了42.85%，反冲洗水量显著降低。