重庆市自来水有限公司， 重庆 400000
摘要：本文针对重庆市自来水有限公司沙坪坝水厂V型滤池出现的跑沙现象进行了深入研究，并由跑沙原因全面分析V型滤池反冲的各种因素，探索优化解决V型滤池反冲的各种因素组合，在目前状态下优化参数，实现了V型滤池精细化管理。
关键词：V型滤池 反冲 精细化
重庆市自来水有限公司目前是重庆市主城区最大的供水企业，下辖6个净水厂，其中沙坪坝水厂就是其中之一。
沙坪坝高家花园水厂是一座拥有50余年历史的治水企业，主要供水区域为整个沙坪坝区、部分渝中区和九龙坡区，多年来为确保沙区自来水供应做出了重要贡献。沙坪坝老水厂原设计规模为12.5万m3/日，经过2005年改造后的沙坪坝水厂日产水规模为20万m3/。
本工程引用嘉陵江源水，常年平均浊度82NTU，雨季平均为300~500NTU，最低平均20NTU。
一、沙坪坝水厂原改造设计资料
（一）水厂改造工程水质目标及工艺
沙坪坝水厂改造工程实施后，其供水的水质应达到或高于一类水司的水质要求，正常情况下应保证水厂出厂水浊度不超过0.5NTU，用户水龙头出水浊度≤1.0NTU。
这套二级沉淀过滤的常规处理工艺流程，经过重庆市自来水多年的生产实践，效果较好，年平均出水浊度在1.0NTU。但实现上述水质目标，尚有一定差距。因此具体构筑物的设计选型和运行参数的拟定，需要加强和优化。另外，上述工艺对水厂有机卤化物的去除，效果不大。因此要想生产高品质的饮用水，必须辅以深度处理工艺。
新增深度处理工艺后，对原常规处理流程作一下改动：
前臭氧氧化：主要用来代替预氯化，杀死藻类，提高混凝效率，避免产生THMS。
气水冲洗砂滤池
新建成的气水反冲均粒滤料滤池与老厂的普快滤池、虹吸滤池等相比，主要优点是过滤周期长，出水水质优良，滤料冲洗干净、自动化程度高、单池面积大、节约反冲洗水等。由于受布置场地限制，特别是考虑了与深度处理的衔接与预留空间，新滤池布置如下：
其主要设计参数如下：
处理能力：20万m3/d，分8格，单格过滤面积105m3
过滤速度：10.42m/h
强制滤速：11.7m/h
滤料：石英砂，0.8~1.20mm，d10=0.90mm，k60≤1.35
滤层厚度：1.3~1.4m（不含细卵石承托层）
冲洗方式：气——气水结合——水漂洗，三阶段变强度冲洗方式
气冲强度：15L/s.m2，水冲强度：3.5~6.4 L/s.m2（在气水联合冲和水漂洗时可调节），水表面扫洗强度1.8~2 L/s.m2
配水形式：塑料长柄滤头或增强塑料滤砖，开孔比1.40%。
单格尺寸：15.00m×3.50m×2，总尺寸：70.31m×24.15m，结构设计分成3段。
滤池进水管为2根DN1400钢管，进入渠道处缩为DN1300，滤池出水总管前端为DN1600，后端为DN2000，再进入反冲洗泵房溢流堰前的恒定水位吸水井，保证冲洗流量稳定。
（二）沙坪坝水厂反冲改造状况简介
冲洗泵采用3台干式安装的潜水泵，单台Q=1330m3/h，H=8m，55kW。气水联合冲水泵一台，最后单独水冲漂洗时水泵开二台。
罗茨鼓风机3台，单台Q=44.1m3/min，H=0.4bar，45kW。首先单独气冲，采用2台鼓风机并联运行。气水联合冲时只需开启一台鼓风机，若开启2台鼓风机则会出现跑沙现象。在生产过程中，应注意以下问题：
设计的反冲强度是在一定理想的状态下形成的，但在实际生产运行中，要有针对性地适当调整。
检测石英砂的悬浮状态、断层分析、跑砂是确定反冲强度的关键，并根据生产运行情况及时调整。
不断摸索与提高反冲洗技术，使滤料层的反冲洗处于最优条件，不仅可以节水节能，还能提高出水水质。
滤池初滤水浊度也是生产控制指标之一。滤池冲洗的运行周期是否在24小时或更长时间，应通过一段时间的优化运行来确定。降低滤后水浊度采用那种方式，水厂可因地制宜或经试验后择优选用。滤池冲洗结束时，底部卵石层空隙间水的浊度接近冲洗水浊度，在滤层右下向上方向，空隙间水的浊度提高，滤层顶部及上部接近冲洗排放水的浊度。当滤池过滤时，开始滤出的是卵石层的空隙水，接着是滤料层的水，然后是砂面上的水，接着是进水与砂面上水的混合水，最后是待滤水。因排水浊度高于或远高于待滤水，故初滤水浊度较高。
控制初滤水浊度的基本措施是：降低冲洗结束时的废水浊度；为节约冲洗水，可在后期以低反冲强度冲洗一定时间；冲洗后停用一定时间或在冲洗开始时滤速缓慢提高，可缓和初滤水浊度。水厂可因地制宜选用。
二、沙坪坝水厂目前运行现状
由于重庆市自来水有限公司加强出厂水质管理，在2015年将出厂水质浊度标准提高0.3NT，所以对水工设施的技术要求增加，同时对生产运行管理需要进一步加强。
在通过不断的生产实践中发现，以前的生产工艺设施在出厂水质提高状况下虽能满足生产运行，但也引起了工艺的部分变化。V型滤池跑沙就是很典型的一个例子，2017年5月沙坪坝水厂补沙300吨，2018年9月跑沙严重又补沙180吨。
这是沙坪坝水厂V型滤池跑沙的现场照片。
为此，我们对沙坪坝水厂滤池反冲进行了全面分析和研究，决定按照以下步骤进行：
1、先测试目前所有滤池的各项参数和运行状态，并进行记录分析。
2、针对目前存在的问题进行分析整理，找出问题症结所在。
3、有针对性的解决问题，并进行优化。
（一）原始数据测试
我们开始计划测试数据包括了11组数据：
1、滤料厚度（每次试验前后均测量）；
2、阻塞值（每次试验前后均测量）；
3、沉水滤后水浊度（每次试验前后均测量）；
4、滤料含泥量（每次试验前后均测量）；
5、反冲过程反冲水浊度（每阶段结束后）；
6、反冲水强度（三阶段）；
7、反冲空气强度（三阶段）；
8、反冲水压力（三阶段）；
9、反冲气压力（三阶段）；
10、滤料膨胀率（每次试验均测量）；
11、跑沙量（每次冲洗三阶段均测试）。
经过我们现场比对核实，部分数据再实际操作过程中没法实现，比如跑沙量，理论上是可以测量的，但是由于我们生产现场不具备多处或快速测量，每个阶段中间停顿时间太短，没法每阶段测试。最终我们原始测试项目和结果如下：
反冲水和反冲气强度测试数据
项目 | 滤池编号 | 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# | 7# | 8# | |
反冲气 强度 | 气冲 | 单次流量 | 191.30 | 188.31 | 184.42 | 200.38 | 194.77 | 200.39 | 120.59 | 193.42 |
平均强度 | 10.69 | 10.55 | 10.39 | 11.29 | 10.88 | 11.16 | 5.84 | 10.90 | ||
混冲 | 单次流量 | 329.84 | 328.30 | 337.00 | 336.00 | 328.00 | 306.00 | 193.22 | 326.89 | |
平均强度 | 11.05 | 11.04 | 11.39 | 11.36 | 10.99 | 10.23 | 5.62 | 11.05 | ||
反冲水 强度 | 混冲 | 单次流量 | 156.96 | 155.87 | 160.23 | 155.87 | 166.77 | 170.04 | 167.86 | 171.13 |
平均强度 | 4.83 | 4.81 | 4.97 | 4.84 | 5.13 | 5.21 | 4.48 | 5.31 | ||
水冲 | 单次流量 | 269.04 | 272.58 | 274.94 | 276.12 | 266.68 | 272.58 | 274.94 | 277.30 | |
平均强度 | 7.64 | 7.76 | 7.88 | 7.91 | 7.57 | 7.72 | 6.78 | 7.95 | ||
平均强度 | 9.02 | 9.16 | 9.30 | 9.34 | 8.94 | 9.11 | 8.00 | 9.38 | ||
反冲单次 用气量 | 单位 | m3 | 521.14 | 516.61 | 521.42 | 536.38 | 522.77 | 506.39 | 313.81 | 520.31 |
反冲单次 总用水量 | 单位 | m3 | 426.00 | 428.45 | 435.17 | 431.99 | 433.45 | 442.62 | 442.80 | 448.43 |
2、改造前滤料厚度和含泥量测试数据
沙坪坝水厂V型滤池变频改造滤料厚度及含泥量检测记录表 | |||||||||||
滤池编号 | 滤料厚度 | 含泥量 | 左侧 平均 | 右侧 平均 | |||||||
左上 | 左中 | 左下 | 右上 | 右中 | 右下 | 左 | 右 | ||||
1# | 1.203 | 1.223 | 1.206 | 1.267 | 1.274 | 1.307 | 0.29% | 0.35% | 1.203 | 1.283 | |
2# | 1.304 | 1.330 | 1.337 | 1.291 | 1.312 | 1.292 | 0.38% | 0.28% | 1.324 | 1.298 | |
3# | 1.232 | 1.245 | 1.246 | 1.234 | 1.254 | 1.234 | 0.25% | 0.28% | 1.241 | 1.241 | |
4# | 1.336 | 1.329 | 1.314 | 1.242 | 1.225 | 1.217 | 0.31% | 0.30% | 1.326 | 1.228 | |
5# | 1.315 | 1.304 | 1.285 | 1.244 | 1.257 | 1.233 | 0.33% | 0.24% | 1.301 | 1.245 | |
6# | 1.295 | 1.289 | 1.280 | 1.182 | 1.200 | 1.196 | 0.34% | 0.26% | 1.288 | 1.193 | |
7# | 1.296 | 1.284 | 1.256 | 1.270 | 1.267 | 1.265 | 0.34% | 0.35% | 1.279 | 1.267 | |
8# | 1.210 | 1.210 | 1.195 | 1.300 | 1.290 | 1.280 | 0.33% | 0.42% | 1.205 | 1.29 | |
3、反冲跑沙量和粒径对比数据
沙坪坝水厂V型滤池变频改造期间跑砂量记录表 | |||||||||
滤池 编号 | 跑砂粒径 | ||||||||
跑砂量（g） | <0.589mm | 0.589-0.701mm 28目 | 0.701-0.830mm 24目 | 0.830-1.165mm 20目 | 1.165-1.397mm 14目 | 1.397-1.651mm 12目 | >1.651mm 10目 | ||
重量（g） | 重量（g） | 重量（g） | 重量（g） | 重量（g） | 重量（g） | 重量（g） | |||
1# | 左 | 468.8 | 13.6 | 225.6 | 217.8 | 9.9 | 0 | 0 | 0 |
右 | 47.4 | 2.2 | 30.5 | 13.3 | 0.9 | 0 | 0 | 0 | |
2# | 左 | / | / | / | / | / | / | / | / |
右 | / | / | / | / | / | / | / | / | |
3# | 左 | 57.9 | 2.6 | 24.1 | 28.0 | 2.7 | 0 | 0 | 0 |
右 | 73.1 | 2.7 | 42.6 | 25.9 | 1.4 | 0 | 0 | 0 | |
4# | 左 | 48.8 | 2.4 | 35.1 | 19.4 | 1.4 | 0 | 0 | 0 |
右 | 120.5 | 5.1 | 70.0 | 42.2 | 2.4 | 0 | 0 | 0 | |
5# | 左 | 30.5 | 1.5 | 19.4 | 9.2 | 0.5 | 0 | 0 | 0 |
右 | 185.8 | 7.9 | 107.0 | 66.5 | 2.6 | 0 | 0 | 0 | |
6# | 左 | 39.8 | 1.5 | 22.9 | 13.3 | 1.1 | 0 | 0 | 0 |
右 | 56.2 | 2.7 | 32.0 | 19.2 | 35.6 | 0 | 0 | 0 | |
7# | 左 | 187.8 | 6.5 | 81.9 | 93.1 | 5.0 | 0 | 0 | 0 |
右 | 24.5 | 1.1 | 12.9 | 9.4 | 0.7 | 0 | 0 | 0 | |
8# | 左 | 311.5 | 8.0 | 147.2 | 148.0 | 6.9 | 0 | 0 | 0 |
右 | 18.4 | 1.3 | 12.0 | 4.6 | 0.2 | 0 | 0 | 0 | |
4、反冲各阶段膨胀率测试数据
V型滤池膨胀率测试（气冲） | ||||||||
滤池编号 | 1号 | 2号 | 3号 | 4号 | 5号 | 6号 | 7号 | 8号 |
右 | 右 | 右 | 右 | 右 | 右 | 右 | 右 | |
滤料厚度 | 1.307 | 1.292 | 1.234 | 1.217 | 1.233 | 1.196 | 1.265 | 1.28 |
膨胀高度 | 0.64 | 0.6 | 0.75 | 0.62 | 0.64 | 0.65 | 0.59 | 0.56 |
膨胀率 | 48.97% | 46.44% | 60.78% | 50.94% | 51.91% | 54.35% | 46.64% | 43.75% |
V型滤池膨胀率测试（混合冲） | ||||||||
滤池编号 | 1号 | 2号 | 3号 | 4号 | 5号 | 6号 | 7号 | 8号 |
右 | 右 | 右 | 右 | 右 | 右 | 右 | 右 | |
滤料厚度 | 1.307 | 1.292 | 1.234 | 1.217 | 1.233 | 1.196 | 1.265 | 1.28 |
膨胀高度 | 0.64 | 0.68 | 0.85 | 0.74 | 0.74 | 0.7 | 0.68 | 0.62 |
膨胀率 | 48.97% | 52.63% | 68.88% | 60.81% | 60.02% | 58.53% | 53.75% | 48.44% |
5、水质测试数据
滤池编号 | 河床 水位（m) | 反冲 时间 | 滤池运行周期（h) | 反冲前 | 反冲过程中的反冲水浊度 | 反冲刚结束时 | 恢复运行30分钟时 | ||||||
阻塞值（m) | 滤后水 浊度（NTU） | 气冲结束时 | 水冲结束时 | 阻塞值 | 滤后水浊度 | 阻塞值 | 滤后水浊度 | ||||||
左 | 右 | 左 | 右 | ||||||||||
1 | 173 | 22:30 | 22 | 1.29 | 0.28 | 292 | 298 | 2.76 | 2.52 | 0.05 | 0.49 | 0.83 | 0.13 |
2 | 173 | 21:45 | 23 | 1.7 | 0.24 | 284 | 279 | 2.63 | 2.42 | 0.1 | 0.28 | 0.94 | 0.18 |
3 | 173 | 1:15 | 25 | 1.59 | 0.27 | 272 | 280 | 2.58 | 2.79 | 0 | 0.31 | 0.73 | 0.13 |
4 | 173 | 23:50 | 26 | 1.6 | 0.26 | 268 | 267 | 2.7 | 2.43 | 0 | 0.29 | 0.93 | 0.16 |
5 | 173 | 2:45 | 21 | 1.48 | 0.25 | 262 | 237 | 2.54 | 2.3 | 0 | 0.31 | 0.88 | 0.13 |
6 | 173 | 20:50 | 22 | 1.49 | 0.28 | 268 | 246 | 2.67 | 2.53 | 0 | 0.30 | 0.75 | 0.12 |
7 | 173 | 00:15 | 21 | 1.95 | 0.29 | 306 | 295 | 2.84 | 2.76 | 0 | 0.32 | 0.40 | 0.12 |
8 | 173 | 3:50 | 22 | 1.68 | 0.22 | 262 | 253 | 2.6 | 2.71 | 0 | 0.27 | 0.68 | 0.16 |
从测试数据看，反冲强度时气冲强度偏低，反冲水强度偏高，是引起了滤池严重跑沙和过滤水的周期缩短。反冲改造前沙坪坝滤池反冲周期平均为24小时，相较其他水厂反冲周期较短。
对于滤池的精细化控制，我们先对现场的反冲风机和水泵进行变频调节，收集数据，建立相应数据库和数学模型，通过数据分析优化，摸索完善反冲洗的专家系统。
改变反冲强度分三个阶段。
第一，增大气冲时强度，把原来反冲开三台，现在改为气冲时改为全部四台完全开启，反冲强度能达到12L/s左右。
第二，适当减少混合冲和水冲时的反冲气和水的强度，通过变频调节，将电动机的转速降低，使混合冲和水冲时强度降低到合理值附近；为保证水质，水冲阶段适当提高到7L/S。由于调试时间较短，三个反冲时间段的反冲时间未做改变。
第三，以滤池滤后水浊度和阻塞值等重要参数作为PID调节调节，对滤池的各项数据进行智能控制，收集相关数据建立信息库，总结提炼出针对不同季节、不同浊度、不同水质条件下专家系统，推广应用于同行水厂。
四 效益分析
在我们采用变频后，我们每次反冲气量由于只是电动机的功率消耗，无成本，没法统计。对于反冲水量，经过我们对滤后水质和反冲周期验证，目前的滤池现状，较适宜的反冲水强度为混冲时110m3，单独水冲时选择220m3比较科学。
（一）变频后滤后水质更稳定，维护量更少
1、滤后水更稳定
从图片中可以明显看出，项目实施后，滤后水质更稳定可靠。
2、本项目可减少滤池维护工作量
从沙坪坝水厂使用经验看，滤池多次发生故障，尤其是滤头引起的漏沙等，通过本次项目改造，降低了反冲水的冲刷强度，对于保护滤池过滤，减少对滤池滤头的冲刷，能起到一定的积极作用。
（二）经济效益
本项目对于节约反冲水、反冲用电和跑沙有明显效益，由于沙坪坝水厂的用电系统无法停运安装计量装置，对于此项目电量节约无法定量统计。在此仅对节约反冲水量和跑沙进行计算。
1、反冲水
沙坪坝水厂改造前每天对每口滤池进行一次反冲。从上表中每天的反冲水量为3958.83（m3）
每年反冲水量为：3958.83×365= 1,444,972.95（m3）
经过我们优化反冲时间目前为40小时反冲一次，年反冲周期为：
8760÷40=219
优化后年反冲水量为：
219×330*8=578160（m3）
年节水：
1,444,972.95-578160=866,812.95（m3）
2、反冲跑沙
2017年沙坪坝水厂补沙300吨，2018年沙坪坝水厂补沙180吨；根据我们现在滤池的沙量，如果补充到设计值1.4米的话，需要补沙189吨。综合三年平均值为：
（300+180+189）÷3=223（吨）
按照水价2.5元计算，反冲水量经济效益为：
866,812.95×2.5= 2,167,032.38（元）
补沙目前陈本为滤料1150元/吨，加上二次转运人工等按照1500元/吨计算，跑砂经济效益为：
223×1500=334500（元）
3、总经济效益
2,167,032.38 +334500=2,501,532.38（元）
参考文献：
中国市政工程中南设计研究院 《重庆市沙坪坝水厂工艺及操作简章》2005年12月
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