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提問時間 2013-02-01 11:09
馬永林1 趙志忠1 陳昌隆2
（1. 福建省建筑輕紡設計院 2.寧德市自來水有限公司）
摘 要：如何在現有供水水廠通過技改提高水質以達到國家最新飲用水標準；而濾池是目前我國整個城鎮(zhèn)供水系統設計與運行的核心環(huán)節(jié)，其生產水質量的好壞直接影響到水廠出廠水水質。因此在選擇合理的濾池形式后，一些有關濾池組成部分如濾料、濾板、配水系統、沖洗系統、控制系統、過濾速度、濾池深度等成為設計的關鍵部分，其中影響濾池過水能力及水質最主要因素是濾池內濾板及濾料的選擇。
關鍵詞：濾池；技改；新建；出水水質；濾料；濾板
1 工程概況
寧德市自來水有限公司創(chuàng)建于1979年，2001年7月改制為股份制。一九九0年經福建省人民政府批準，投資710萬元，建成了亭坪水廠（第二水廠），日產水量為4萬噸。一九九二年一期工程日產2萬噸正式投產。一九九七年七月完成了二期擴建工程。據了解，市區(qū)中心城區(qū)現有供水人口23萬多人，總用水量日需7萬噸左右，高峰期日用水量達7.5萬噸。而市自來水公司下屬第一水廠日產1萬噸，第二水廠日產4萬噸，另外，位于城南鎮(zhèn)車里灣的德源自來水廠日產2萬噸。在供水和用水基本持平的情況下，一旦水廠設備出現故障或水質出現問題等緊急情況，就必須停產搶修或處理，直接影響到市區(qū)的安全供水。
寧德市自來水公司第二水廠距今已20余年，濾池作為第二水廠整個水處理系統核心環(huán)節(jié)，改造前存在設備嚴重老化.同時近期由于水庫附近寧古公路施工，大量山體植被被剝離，露出山體表層黑色土壤，下雨時被暴雨沖入庫區(qū)，造成水源濁度造成水源濁度最高時達到位1200度，濁度在40～60度時含有大量乳白色膠體，造成凈水廠出水水質不達標，產水效率低下等特點，已經對當地的生產及居民生活用水產生嚴重影響，因此該改造項目被列為寧德市政府2010年重點建設項目，其改造內容為：在原有處理設施的基礎上進行技術改造，盡量減少對現有設施進行大規(guī)模的改動；并對當前正常供水不能產生較大影響。技術改造達到的的主要目的是提高出水水質、提高產水量；且必須在春節(jié)前（一個月內）完成技改任務，確保春節(jié)用水高峰正常保質保量供水。由于本項目遺留設計資料較少，因此給后續(xù)改造工作（尤其不熟悉內部結構的情況下）帶來很大麻煩。
2 技術改造
2.1 技術改造路線
如何在現有供水水廠通過技改提高水質以達到國家最新飲用水標準；特別對老水廠選擇先進技術工藝及設備滿足水廠近遠期設計水質及水量的要求；而濾池又是目前我國整個城鎮(zhèn)供水系統設計與運行的核心環(huán)節(jié)，其生產水質量的好壞直接影響到水廠出廠水水質。因此在選擇合理濾池的濾料、濾板、配水系統、沖洗系統、控制系統、過濾速度、濾池深度等成為設計的關鍵部分，其中濾池內濾板及濾料的選擇成為影響濾池水質及過水能力最主要因素。
圖1 寧德市第二水廠總平面布置圖
圖2 原濾池平面及剖面圖
原設計濾池為重力式無閥濾池，依據原國家設計標準圖（1980年版）進行建造。本次改造設計處理規(guī)模為2.0萬噸/天，共分四組，每組尺寸為4.70m×4.70m，原設計濾層高度為1000mm，改造前最近一次換濾料更改成濾層高度1200mm，過濾介質采用石英砂濾料，原設計按老規(guī)范設計，老規(guī)范雙層濾料濾速為 10 m/h～4m/h，所以原設計濾速經計算約為10m/h，由于國家新的水質標準實施其出水濁度應控制在小于1.0NTU，新的國家技術規(guī)范要求設計雙層濾料過濾濾速須控制在9m/h～12 m/h，使得濾速降低產水率下降，如按照新國標要求采用傳統工藝進行本次技術改造完全達不到業(yè)主需求，因此技術路線調整為采用先進成熟的過濾集成技術，在濾池不變即過濾面積不變的情況下提高濾速增大產水量，改造后至少穩(wěn)定運行10年以上。
濾池技術改造遵循避繁就簡的方式，改造的核心環(huán)節(jié)為濾池內濾料濾板的設計、選擇及更換，其次為配水系統、沖洗系統及其它部件的維護及更新，在不影響現有城鎮(zhèn)供水的情況下改造實行循序的方式即完成一個方可進行下一個濾池改造。
2.2 濾池濾料技術改造
作為任何一個濾池設施核心部分的濾料類型和特性，經常根據密實判斷、慣例和具有權威性的研究而選擇。模型試驗出來的不同濾料組合及級配，便能得以借鑒，從中研究以達到合乎真實情況的結論。期望在這些試驗中能有最優(yōu)化的試驗資料，以得到最合適于要處理水的濾料及最佳濾速。
過濾作為水廠必不可少的一個環(huán)節(jié)，過濾在水廠作用是去除懸浮物，特別是去除濃度比較低的懸濁液中微小顆粒的一種非常有效的方法。濾料是濾池的核心部分，它提供懸浮物接觸凝聚的表面和納污的空間，濾料應滿足下列要求：
① 有足夠的機械強度，在沖洗過程中不因碰撞、摩擦而破碎。
② 有足夠的化學穩(wěn)定性，不溶于水，對水中化學成分足夠穩(wěn)定，不產生有害物質。
③ 具有一定的大小和級配，滿足截留懸浮物的要求。
④ 外形近乎球形，表面粗糙，帶有棱角，能提供較大的比表面和孔隙率。
在自來水處理中最常用的濾料有石英砂、無煙煤粒、石榴石粒、磁鐵礦粒、白云石粒、花崗巖粒以及聚苯乙烯發(fā)泡塑料等，其中以石英砂目前使用最為廣泛。在此次改造項目中，由于原濾池建設年代久遠，濾池內濾料已幾經更換，近期在2009年新換石英砂且裝填高度達1.2m的情況下仍達不到目前新的供水水質標準，因此在2010年底決定對原一期濾池實施徹底改造，且改造目的很明確：提高水質、提高產水量、不影響正常供水；改造主要環(huán)節(jié)為現有無閥濾池，改造后確保水質完全達到國家飲用水水質標準情況下盡可能提高產水量。
首先針對現有濾池實際情況，確定濾料介質的組成。雖濾料組成及級配在眾多水廠已有眾多的經驗可循，但根據現有傳統濾料的使用情況，砂的機械強度大，相對密度2.65左右，在PH值為2.1～6.5的酸性水環(huán)境中化學穩(wěn)定性好，但水呈堿性時，有溶出現象。無煙煤的化學穩(wěn)定性較石英砂好，在酸性、中性及堿性環(huán)境中都不溶出，但機械強度稍差，其它應因產地不同而有所不同，一般為1.4～1.9，常用于雙層濾料濾池中；而理想濾池濾料排列應是沿水流方向由粗到細。為了解決實際濾池與理想濾池的矛盾，此次改造我們采用高強度天然礦物飲用水專用多層濾料，即選擇不同密度、不同顆粒大小的濾料組合。增加了優(yōu)于石英砂、無煙煤等化學穩(wěn)定性更好、機械強度更大的精選天然質濾料。即上部放置粒徑較大，密度較小的輕質濾料，在中部放置粒徑較小，密度較大的重質濾料，下部放置粒徑更大、密度更大的重質濾料。濾料層內部是粒徑從上到下逐漸變小然后變大，水流經過由大到小的顆粒層。濾料層數越多，愈趨近于理想濾池。按照滲井原理級配的復合多層濾料過濾，水按重力自上而下流動。第一層粒徑d1＝0.8～1.2mm、比重r1＝2.4、厚度h1＝150mm；第二層粒徑d2＝0.4～0.8mm、比重r2＝3.2、厚度h2＝250mm；第三層粒徑d3＝0.2～0.4、比重r3＝4.2、厚度h3＝160mm；第四層……。共設計7層復合濾料，裝填高度為700mm。第二、三層濾料的厚度最大，逐層厚度減薄，每一層都沒有堵死，都有空隙。最后一層仍然有空隙，只不過此時濁度已經降到極限，再增加過濾的層數沒有任何意義。
在改造過程中，濾料厚度也是決定出水水質的一個決定因素，濾層的含污能力和過濾效果除取決于濾料粒徑外，還與濾層厚度有關，即決定于濾層厚度和濾料粒徑的比值L/de。L/de值愈大，去除率也愈高，因為L/de值與單位過濾面積上濾料總表面積和顆粒數目成正比。采用0.15－0.25mm極細微的重質顆粒濾料決定de值遠遠小于傳統石英砂濾料粒徑，因此在出廠試驗時濾料層增加至600mm時完全達到設計要求，為防止初調反沖所帶走的考慮采用700mm濾料層。
圖3 本次改造所用部分濾料樣品
改造后實踐表明，按照滲井精濾結構排列的多層復合濾料濾池的含污能力比原單層濾料濾池的含污能力提高2～3倍，過濾周期延長1倍，濾速提高40%以上，在近六個月連續(xù)監(jiān)測中進水濁度ㄑ20NTU情況下出水水質一直保持在0.3NTU以下。
圖4 濾料層級配排列
|
日期 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
濁度 |
進水 |
16.10 |
14.60 |
18.40 |
19.20 |
21.20 |
16.50 |
14.70 |
12.40 |
10.40 |
6.50 |
|
出水 |
0.24 |
0.20 |
0.26 |
0.26 |
0.30 |
0.21 |
0.20 |
0.18 |
0.15 |
0.10 |
|
|
日期 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
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|
濁度 |
進水 |
4.60 |
3.80 |
2.80 |
11.30 |
9.60 |
4.60 |
2.80 |
3.50 |
4.10 |
5.80 |
|
出水 |
0.10 |
0.10 |
0.10 |
0.16 |
0.12 |
0.10 |
0.10 |
0.10 |
0.10 |
0.10 |
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圖5 寧德自來水廠5月監(jiān)測數據
2.3 濾池濾板技術改造
現有水處理系統的濾后排水系統通常分為：大阻力排水系統和小阻力排水系統。通常采用有鋼篦子（在鋼結構上打孔）或鋼筋混凝土開孔等各種類型，本次改造采用高強度無阻力新型濾板，該濾板系WQX國家專利產品， 采用無阻力濾板，解決由于濾板設計不合理，使得排水阻力較大的問題，同時解決由于空隙設計問題帶來跑砂的情況。其最大特點是：水阻小、過流有效截面積大、強度高、使用壽命可達40年、無堵塞。
濾板采用新型高強給水型塑料經機床一次性壓制切割而成，使用壽命達40年以上；專用濾板的形狀根據濾池內部結構進行改造，設計濾板厚度為20mm。在本次改造中采用的專用濾板主要為方形結構，尺寸分別為：800×400（mm）、400×400（mm）、400×300（mm）、400×200（mm）共四種形式，所用濾板總量為308塊。
本無阻力濾后排水濾板結構簡單、尺寸恰當，孔眼形狀合理，設計精巧，可實現排水阻力幾乎為零。按照現行重力無閥濾池要求用于水廠時其濾速設計為6m/h～9m/h，而此次改造后濾速可提高至15 m/h以上的情況下出水濁度遠遠優(yōu)于國家標準。
上文也集中闡述了在寧德第二水廠的改造中如何進行濾板和濾料的選擇，進行濾料及濾板的選擇后，改造的實施分為兩步同時走的方式，即工廠根據確定了的濾料及濾板的要求進行預制生產，現場進行二次勘察及濾板支架的現場制作并及時反饋修正工廠預制生產的數據，保證整個工序的連貫性，整個改造用時20天，除第一個濾池用時為8天外其余每個濾池改造時間包括調試僅為4天。
科學的濾料篩選配合其專用濾板是本次改造項目成功實施的關鍵所在，改造后該項目運行半年多來水質一直非常穩(wěn)定，優(yōu)于預期效果且達到國家飲用水標準：
（1）產水量：在原來基礎上至少提高了40%。原本項目設計為每日最大產水2.0萬噸，現為每小時產水1200噸，每日至少為2.8萬噸；
（2）水質標準：由于該項目建設年代久遠，最初設計濁度指標為小于3.0NTU，國家新標準提高至小于1.0NTU后很難達到要求，現改造后出水指標穩(wěn)定在0.3NTU以下；
（3）建設周期：由于采用工廠預制與現場相結合的方式使得工期大大縮短至僅為20天，如水廠資料齊全1.0萬噸規(guī)模水廠濾料及濾板（含支架）實施周期僅為7天；
（4）調試周期短：工況的調整專業(yè)性很強，一般一個濾池半天完全可調整至正常狀態(tài)。
（5）使用壽命長：采用高耐磨濾料且沖洗為水力翻騰減少摩擦、高強塑料作為濾板原材料，保證系統使用壽命至少為20年且無任何維護。
（6）故障少，維護率低：采用多層天然復合濾料，充分利用其截留雜質好易于反沖的特點，完全優(yōu)于氣水反沖濾池，符合現代水廠設計節(jié)能高效的特點。
參考文獻：
[1] GBJ13－86（1997年版），室外給水設計規(guī)范
[2] GB50013－2006，室外給水設計規(guī)范
[3] 給水工程（ 第四版），中國建筑工業(yè)出版社
