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。由于地下水水源所含鐵、錳超過《生活飲用水衛生標準》(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《室外給水設計規范》(GB 50013—2006)[1]規定，除鐵、除錳濾池宜采用大阻力配水系統。

2.2 濾池單池面積偏大

虹吸濾池屬于小阻力配水系統，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《室外給水設計規范》(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

原設計規模為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，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，結合現有虹吸濾池改造成功案例[3]、除鐵除錳水廠的運行經驗[4]及項目實際情況，進行改造。

4.1 除鐵錳

根據現有除鐵錳水廠的運行經驗，采用生物除鐵錳，當生物濾層培養成熟后，濾池鐵錳的去除率達到99%，出水水質優于國家標準。故本工程考慮采用生物除鐵除錳。考慮原水水量情況，本次虹吸濾池的改造規模按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《室外給水設計規范》(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 配水區高度的改造

原配水區的高度僅為0.4 m，本工程增加配氣系統后，因配水區高度較低，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，變為微膨脹，可適當抬高至0.3 m以內。考慮到配水區過于抬高會導致沖洗跑砂現象，滿足形成氣層的高度即可，因此考慮配水區抬高0.2 m。

4.5 濾料層表面到排水槽頂的距離

若配水區抬高0.2 m，則配水區變成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。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為30塊，每塊尺寸為975 mm×975 mm，濾頭個數為 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大于1.25%且小于2.0%的要求。

4.7 配水系統的改造

虹吸濾池規模為2.0×104m3/d時也基本能滿足沖洗水量及強度的要求，考慮盡量利用現有設施，因此不利用孝感水廠一期二階段現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

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，如圖1所示。

圖1 反沖洗氣管道系統

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。

為節約投資，反沖洗氣源和壓縮空氣利用現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

4.10 自控系統改造

根據工藝要求，為實現濾池氣水反沖洗的全自動化控制，對原進、出水的虹吸系統進行自控改造。配氣系統主要考慮增加變頻器，從而控制氣源流量，配水系統則主要考慮對出水堰旁新增的旁通管上的流量調節閥進行控制。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，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，濾料未再發生板結現象，濾池出水水質穩定，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

但目前實際運行發現中存在輕微跑砂的現象，這是由于一期二階段現有鼓風機的風量和風壓較大，雖在現有鼓風機增設1個變頻器，但調節范圍有限，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年投產運行至今，濾池出水水質穩定，達到了改造的預期效果，為類似水廠提供了借鑒。