陈荣艳， 范云峰

(1.中国华西工程设计建设有限公司， 四川 成都 610000； 2.德阳市自来水公司， 四川 德阳 618000)

德阳市孝感水厂一期一阶段为地下水水厂，于1998年建成投产。由于地下水水源所含铁、锰超过《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求，故原设计采用原水曝气-单级过滤的除铁、除锰工艺，滤池采用虹吸滤池。改造前，虹吸滤池内每格滤池四周滤料至滤头全部板结，仅滤池中部未被板结。滤料板结严重，坚如石块，需人工凿开才能运出滤池。由于滤料与滤头板结在一起，起砂时滤头损坏严重，故需全部更换。每2年就需要更换一次滤料，每次费用多达60万元，且影响正常供水。

1 改造目标

为使出水水质达标，且避免每两三年更换滤料和滤头造成资金的浪费，因此工程改造的主要目标是解决滤料板结问题。

2 滤料板结原因分析

2.1 滤池选型欠妥

虹吸滤池由于冲洗水头低、冲洗水量受到过滤水量的限制，普遍存在冲洗不均、反冲效果差、滤料含泥量多、滤料板结的问题。因此，除铁、锰滤池选择虹吸滤池是欠妥的。按《室外给水设计规范》(GB 50013—2006)[1]规定，除铁、除锰滤池宜采用大阻力配水系统。

2.2 滤池单池面积偏大

虹吸滤池属于小阻力配水系统，单格面积不宜超过25 m2。而本项目中虹吸滤池单格面积为30 m2，因而造成每格滤池四周的滤料板结比中间滤料板结严重。

2.3 冲洗强度不足

受地震及水源井产水量等因素的影响，该水厂平均日供水量为2.0×104m3，按此水量计算，反冲强度为8.11 L/(m2·s)，为设计冲洗强度的52.5%。原设计有30%～40%的膨胀率，低负荷期间水冲洗强度不足，只能使滤料产生微膨胀，单水冲的微膨胀冲洗效果不理想，这是造成滤料板结的主要原因。

2.4 冲洗周期较长

该滤池运行时的反冲周期为2～4 d。根据《室外给水设计规范》(GB 50013—2006)，对于单水冲的细砂级配(如石英砂粒径设计为0.5～1.2 mm)，冲洗周期为12～24 h；若滤料粒径加大(最小粒径由0.5 mm加大至0.8 mm)，而反冲强度反而下降，致使反冲洗效果更为不佳，加速了滤料的板结，这是滤料板结的次要原因。

3 原虹吸滤池设计参数

原设计规模为4.0×104m3/d，分为6格，每格尺寸为6.0 m×5.0 m，单格过滤面积为30 m2，采用人工锰砂，滤料层厚为800 mm，粒径为0.5～1.2 mm(换砂后粒径调整为0.8～1.5 mm)。

设计正常滤速为9.3 m/h，滤池水头损失为1.8 m，反冲水头为1.2 m，反冲洗强度为15.43 L/(m2·s)，采用滤头进行配水。

4 除铁除锰虹吸滤池改造方案

本次改造主要解决滤料板结的问题，故在原滤池结构基础上尽量避免大的改动。原虹吸滤池发生滤料板结的主要原因为冲洗强度不足，冲洗不干净。因此改造方案考虑增加气冲洗系统，进行气水反冲洗。国内已有不少案例表明将虹吸滤池增加气水反冲洗[2]后效果良好，结合现有虹吸滤池改造成功案例[3]、除铁除锰水厂的运行经验[4]及项目实际情况，进行改造。

4.1 除铁锰

根据现有除铁锰水厂的运行经验，采用生物除铁锰，当生物滤层培养成熟后，滤池铁锰的去除率达到99%，出水水质优于国家标准。故本工程考虑采用生物除铁除锰。考虑原水水量情况，本次虹吸滤池的改造规模按2×104m3/d考虑，设计滤速为4.86 m/h，校核强制滤速为5.83 m/h。

4.2 滤料厚度和粒径的调整

由于原滤料粒径偏大，反冲洗效果不佳，加速了滤料的板结。因此建议将滤料粒径更换为0.6～1.2 mm，与石英砂滤料接近，满足单层粗砂均匀级配滤料的要求，可进行气水同时冲洗以及水冲洗。

根据《室外给水设计规范》(GB 50013—2006)，除铁、除锰滤池滤料厚度宜为 800～1200 mm，工程原有的0.8 m厚度保持不变。此外，将原设计的人工锰砂更换为天然锰砂。

4.3 冲洗强度的确定

考虑目前除铁除锰虹吸滤池采用气水同时冲洗尚无设计运行经验，特别是气冲强度的控制，既要防止滤料板结又要避免破坏滤料表面的活性滤膜，故在调试及运行中，通过变频鼓风机确定合适的气冲强度。

先气水同时冲洗阶段：气冲强度为8～13 L/(m2·s)(可调)，水冲强度为4 L/(m2·s)，冲洗时间为3～5 min(可调)。

后水冲洗阶段：水冲强度为4～8 L/(m2·s)(可调)，冲洗时间为8～15 min(可调)。

4.4 配水区高度的改造

原配水区的高度仅为0.4 m，本工程增加配气系统后，因配水区高度较低，上层没有考虑形成气垫层的高度，配气的均匀性以及冲洗效果将会受到影响，因此需要适当加大配水区的高度。

原排砂槽顶距离滤料层顶面高度为1.0 m，排砂槽底距离滤料顶面高度为0.33 m，原滤池为单独水冲洗时，锰砂滤料冲洗强度为18 L/(m2·s)，膨胀率为30%，0.8 m厚的滤料膨胀高度为0.24 m，但改造成气水反冲洗形式后，变为微膨胀，可适当抬高至0.3 m以内。考虑到配水区过于抬高会导致冲洗跑砂现象，满足形成气层的高度即可，因此考虑配水区抬高0.2 m。

4.5 滤料层表面到排水槽顶的距离

若配水区抬高0.2 m，则配水区变成0.6 m，滤板厚0.1 m，滤料厚0.8 m，排砂槽高度不变，但考虑要增加气冲系统。为保证气体的分配均匀，增加承托层(原设计未考虑承托层)，承托层厚度按100 mm考虑，则排砂槽顶距离滤料顶面高度为0.7 m。

4.6 滤板滤梁改造

原滤板、滤头个数及布置形式保持不变，但滤板的固定方式需要改进，原固定方式采用通长槽钢和橡胶带的形式固定，容易导致个别滤板因平整度未控制好与槽钢衔接处的密闭性不好，产生漏气，导致冲洗不均匀，从而影响反冲洗效果。改造中，考虑增加5根钢筋混凝土滤梁(定制成品)，滤梁下设滤柱，滤柱通过植筋的方式与原底板锚固。将滤板固定在滤梁上，通过地脚螺栓固定，滤板间缝隙用903混合水泥砂浆嵌缝填料进行密封。

单格池子的滤板个数为30块，每块尺寸为975 mm×975 mm，滤头个数为 49个，按每个滤帽缝隙面积3.5 cm2计，计算得到开孔比φ=1.72%，符合小阻力配水系统大于1.25%且小于2.0%的要求。

4.7 配水系统的改造

虹吸滤池规模为2.0×104m3/d时也基本能满足冲洗水量及强度的要求，考虑尽量利用现有设施，因此不利用孝感水厂一期二阶段现有的反冲洗泵房的水泵进行反冲洗。

由于改为天然锰砂滤料，增大了反冲洗水头，因而将原设计清水渠出水堰高度由501.8 m调整为502.10 m。

为保证冲洗强度随不同冲洗阶段发生变化，在出水堰附近的渠道内增加1根旁通管，旁通管接至池外的出水总管上，旁通管设调节阀门，便于对流量进行控制，从而保证冲洗强度。

4.8 增加反冲洗气管道系统

反冲洗配气干管采用DN200，流速为14.33 m/s，反冲洗空气管由反冲洗配气干管分成两根DN150支管分别从φ200孔口进入滤池内，2根支管再分成3根DN80进气管输送至气水分配区，如图1所示。

图1 反冲洗气管道系统

通过滤梁上新增的配气小孔给滤池配气，配气小孔紧贴滤板下缘，间距为500 mm，每根滤梁下布置9根DN32配气小孔。

为节约投资，反冲洗气源和压缩空气利用现有孝感水厂一期二阶段反冲洗泵房设施，因一期一阶段气水同时冲洗所需的风量Q=27 m3/min，风压P=26.5 kPa，而现有鼓风机的风量和风压较大，需对一期二阶段鼓风机增设1个变频器，在对一期一阶段虹吸滤池进行冲洗时，将鼓风机调频至12.6～23.4 m3/min。

4.9 进水、排水虹吸系统控制改造

为方便自动控制，保留原进水虹吸管和排水虹吸管，在原来的进水虹吸管顶部增加1根DN15真空管，并增加2个DN15电磁阀(常闭型)，在排水虹吸管顶部增加1根DN25真空管，并增加2个DN25电磁阀(一开一闭型)，如图2所示。当滤池过滤开始时，真空电磁阀开启，开始抽吸真空，达到设计时间后，真空电磁阀关闭，进水虹吸形成；当滤池冲洗开始时，开启破坏电磁阀，破坏进水虹吸，停止进水。排水虹吸与进水虹吸形成相同。

图2 真空管道系统

4.10 自控系统改造

根据工艺要求，为实现滤池气水反冲洗的全自动化控制，对原进、出水的虹吸系统进行自控改造。配气系统主要考虑增加变频器，从而控制气源流量，配水系统则主要考虑对出水堰旁新增的旁通管上的流量调节阀进行控制。改造后的滤池与原有一期二阶段水厂滤池的气冲洗采用同一气源，因此自控要考虑各池的冲洗应交替使用鼓风系统，避免同时冲洗。

5 改造后运行效果

从图3、图4可以看出，在改造完成后2年的实际运行过程中，滤料未再发生板结现象，滤池出水水质稳定，达到了改造的预期效果。

300002500020000150001000050000含量/(mg·L-1)0.400.350.300.250.200.150.100.050日进水量/m3出厂水铁出厂水锰原水铁原水锰日进水量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月出厂水铁出厂水锰原水铁原水锰日进水量0.450.400.350.300.250.200.150.100.050含量/(mg·L-1)2500020000150001000050000日进水量/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年图3 改造前进出水水质0.200.180.160.140.120.100.080.060.040.020日进水量/m314000120001000080006000400020000出厂水铁出厂水锰原水铁原水锰日进水量含量/(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月出厂水铁出厂水锰原水铁原水锰日进水量140001200010000800060004000200000.070.060.050.040.030.020.010含量/(mg·L-1)日进水量/m3b.2020年图4 改造后进出水水质

但目前实际运行发现中存在轻微跑砂的现象，这是由于一期二阶段现有鼓风机的风量和风压较大，虽在现有鼓风机增设1个变频器，但调节范围有限，故风量和风压较设计值略微偏大。

6 结语

通过分析德阳市孝感水厂一期一阶段虹吸滤池滤料板结问题，结合现有滤池的形式，提出一系列的改造措施，工程改造费用为192.71万元。自2019年投产运行至今，滤池出水水质稳定，达到了改造的预期效果，为类似水厂提供了借鉴。