伊万科夫和赤犬:气水冲洗滤池的设计优化

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气水冲洗滤池的设计优化
崔丽琴
(国投新集能源股份有限公司设计院,安徽合肥230008)
摘要: 气水冲洗滤池是目前广泛使用的滤池池型。由于气水冲洗滤池的配水配气系统较常规滤复杂,且在我国推广应用的时间不长,因此在设计过程中有一些细节因素容易被忽略,部分水厂的实际运行效果并不理想。结合工程实例,对如何优化滤池的设计进行了详细地阐述与剖析。
关键词:气水冲洗滤池;设计;优化
中图分类号:X52 文献标识码:B 文章编号:1006- 8759(2008) 04- 0032- 03
前言
气水冲洗滤池属快滤池的一种,其技术特征是采用均质滤料、以气水冲洗代替单独水冲洗, 利用气泡的振动形成对滤料的搓洗,从而去除滤料截留物。该滤池具有冲洗水量少、节省能耗、过滤滤速快、截污能力强、出水水质好、过滤周期长等显著优点,已成为当前国际过滤技术中的主要池型。
我国目前已建成气水冲洗滤池数百座, 在水处理行业中占有举足轻重的地位。但由于气水冲洗滤池的配水配气系统复杂较常规滤池复杂, 对设计及施工的要求较高, 且在我国推广应用历史不长,技术尚不够完善,有相当一部分水厂的气水冲洗滤池在生产运行中还存在不少问题, 主要表现为反冲洗不均匀、耗水量大、出水水质变差、滤料面倾斜、滤料流失等现象, 影响水厂的正常运行, 滤池的节能性更是大打折扣。为解决上述问题,充分发挥气水冲洗滤池的技术特点,本文以某水厂滤池设计为例, 给出滤池设计的优化思路和措施。
1 工程概况
安徽某县城水厂,处理工艺为:微涡反应池+平流沉淀池+ 气水冲洗滤池+ 消毒。设计沉淀池出水浊度< 10NTU,滤池出水浊度< 0. 5NTU,滤池处理能力为1 084 m3/ h(300 L/ s) ,设计3 组滤池, 单排布置,设计滤池主要特征见下表。

2 系统方案及设计参数优化
设计在分析滤池机理、工况的基础上,结合相关运行厂的经验,对气水冲洗滤池的系统方案、设计参数、池形结构等方面进行了优化。
2. 1 冲洗方式
气水冲洗滤池的设计应首先确定冲洗方式。
目前大多水厂气水冲洗方式是两阶段, 即先单独气冲洗,后水冲洗,利用空气的搅动作用将滤料颗粒表面截留的污泥擦洗掉, 再用水冲洗排出泥水。污泥从滤料表面脱落的原因, 是水流剪切和滤料碰撞摩擦共同作用的结果,在气冲洗状态下,存在气泡由滤层底部向滤层表面的运动, 气泡经过滤料细小通道时将产生较强的泡振作用, 而气泡的携砂作用, 又会导致滤层中的滤料发生循环移动,这些都加剧水流的剪切和滤料的碰撞摩擦,加速滤料颗粒表面污泥的松动和脱落, 因此气水冲洗的冲洗效果要比单独水冲洗效果好, 同时还可以显著减少冲洗耗水量。
研究表明,对于单独气冲洗,在滤层深处气泡粒径较小,达到表层时才能合成大气泡,其冲洗作用的增强主要发生在滤层的表层, 而在此基础上同时加以水冲洗,即气水同时冲洗,可以改善冲洗效果,由于滤料呈微膨胀状态,气泡在滤层深处即可合并成大气泡, 使冲洗作用的增强可以发生在大部分甚至整个滤层,此外,滤料循环移动速度远也大于单独气冲洗时的速度, 这些原因促使水流剪切和滤料碰撞摩擦的程度较单独气冲洗时更高。因此,可将前述的两阶段冲洗方式优化为先气水同时冲洗,后水冲洗。
而从污泥的去除来看, 其排出顺序是由上而下,在冲洗的最初阶段,是保证滤层上部截留污泥的去除,用单独气冲洗即可达到这种效果,因此设计采用了三阶段冲洗方式,即先单独气冲洗,再气水同时冲洗,后水冲洗。为加快漂洗速度、减少冲洗用水量、降低冲洗时其它滤池负荷,设计冲洗全过程辅以表面扫洗。
2. 2 冲洗强度及时间
设计各冲洗阶段的冲洗强度及时间见上表。参数的确定参考了相关运行厂的运行经验, 运行厂的经验表明, 水洗阶段的水洗强度不应低于4L/ (m2 ?s) , 否则水流的挟泥不够能力不够, 滤料层表面会出现沉泥现象,而气水同时冲洗时,气水冲洗强度之和不宜大于20 L/ (m2 ?s) , 否则细砂流失严重。仅有合适的冲洗强度而冲洗时间不足时,也不能充分洗掉包裹在滤料表面的污泥,甚至无法置换冲洗废水,导致污泥重返滤层,在滤层表面形成泥膜。
确定冲洗强度及时间时还应该综合考虑操作控制的简便,本例采用水泵冲洗,冲洗时间易于调整。水冲洗阶段水洗强度采用6 L/ (m2 ?s) ,设为气水同时冲洗时水洗强度的2 倍, 这样在运行过程中可以简单的通过水泵的启闭来实现冲洗强度的改变。
实际生产中可以对设计冲洗强度及时间再进行优化,以反冲洗排水浊度< 10 NTU、滤砂含泥量< 0. 2 %作为确定运行参数的指标。
2. 3 配气配水系统
配气配水系统设计的关键是均匀性。理论上分析, 大阻力系统和小阻力系统都能实现这一目标,但受施工精度的影响,小阻力系统的均匀性不易掌握, 相比之下, 大阻力系统要优于小阻力系统,但相对能耗较大。
对于气水冲洗滤池,其水冲洗强度较单独水冲洗滤池的强度低, 按该强度设计的系统开孔比在过滤状态时集水阻力较大, 因此从配水角度考虑, 气水冲洗滤池又不宜采用大阻力配水系统。
基于上述原因, 设计中采用长柄滤头配气配水系统, 开孔比2 % , 属大阻力配气、小阻力配水系统,可以很好地解决同时均匀配气配水问题。
2. 4 进水与出水
为保证配水均匀,滤池的进水由堰来完成,滤前水经总渠通过堰进入单格滤池的配水渠, 再均匀分配到滤池两侧的配水槽。堰上游设有3 道进水孔并配有闸门, 设置多道进水孔。一方面是为了保证进水稳定, 另一方面可以满足过滤和冲洗不同状态下的进水要求。
滤后水经单格滤池出水管、出水总管汇至出水水封井,水封井设有堰板,这样水封井水位可保持稳定,滤池的运行可视为恒水位匀速过滤,考虑到实际运行状态与设计状态存在偏差, 出水堰采用了可调节堰。
2. 5 冲洗水供应
设计滤池的冲洗水由冲洗水泵直接供应。设计巧妙地利用滤池出水水封井作为冲洗水泵的吸水井, 由于水封井水位在滤池正常工作时保持恒定,因此滤池冲洗时所需扬程是稳定的,相应决定了水泵出流量是稳定的, 很容易控制冲洗水强度处于设计值。另一方面,冲洗水泵从水封井吸水,还可以充分利用滤后水水头,减小水泵扬程,降低运行费用和能耗。
3 池型结构优化
3. 1 滤头及滤板
气水冲洗滤池中, 配气配水均匀的关键是滤头的平整, 而滤头平整的先决条件是滤板的平整。目前国内的滤板基本上采用小块滤板拼装式,《滤池气水冲洗设计规程》(CECS 50 : 93) 中规定小块滤板单板水平误差控制在2 mm以内,同格滤池滤板水平误差控制在5 mm以内,这在实际施工过程中往往难以实现, 也就无法保证滤头的平整度。此外,小块滤板的拼装缝多采用胶泥密封,由于材质不同、膨胀系数不同,又频繁受正反两个方向力的冲击,常有胶泥开裂、脱落现象,导致漏砂、翻板等事故。
设计滤池采用整体浇筑滤板和可调式滤头(缝隙宽d = 0. 5 mm,缝隙面积s = 6. 12 cm2) ,通过设计来减小施工难度。由于整体浇筑滤板不存在任何接缝, 彻底消除了因滤板密封不严密引发的各种隐患;同时滤头为可调式,确保滤头的水平误差控制在极小的范围内,优于规范要求,使配气配水的均匀性更趋理想。由于施工工艺的简化,还可以缩短施工周期, 对于降低滤池工程造价也优势明显。
3. 2 排水槽控制阀门
目前多数水厂排水槽出水的控制都是采用提板闸。然而,出于提高滤池的有效面积的考虑,在满足冲洗废水排出通畅的前提下, 要求排水槽的设计尽可能窄, 因此在滤池内排水槽末端设置提板闸难度较大, 一是土建施工时预埋件难以精确就位,二是闸门安装及设备维修时操作空间不够,加之闸门的漏水量本身较大, 会造成滤池实际运行时产生过度漏水或提板闸垂直度不够而影响传动系统的寿命。
设计对排水槽出水控制阀门作了改进, 采取在池体外侧设置蝶阀的方式替代提板闸, 这样可以降低土建要求和方便阀门的安装维修, 同时蝶阀的密封性能优于提板闸,可减少漏失水量,还能实现排水的瞬间操作。
4 结语
气水冲洗滤池是目前广泛使用的滤池池型。本文结合水厂运行过程中存在的主要问题, 通过对滤池机理和工况的分析, 给出了行之有效的设计优化措施, 在确定系统方案、设计参数、池形结构方面都对传统的滤池设计进行了改进, 使气水冲洗滤池的优越性能够更好地发挥。快滤池的成熟期是指从过滤开始到出水浊度满足水质要求的这段时间,一般认为可分为以下3个阶段:⑴、残余冲洗水置换阶段;⑵、滤池进水与残余冲洗水混合和微粒稳定阶段;⑶、滤层调理阶段。在反冲洗停止时,在整个滤层的空隙中充满冲洗的残留水,所以从滤池开始进水过滤起,是将冲洗残留水置换的过程,由于反冲洗水是从下而上将悬浮固体颗粒洗下并带走,加上滤层的截污量沿深度本身也有一个分布规律,所以冲洗残留水的浊度沿滤池深度从下而上是逐渐增大的,表现在出水浊度–时间曲线上出现第一个峰值。随后新进滤池的水开始滤出,由于水在滤层中不可能是理想的活塞流,所以必存在新水与残留水的混合,混合的结果使部分已迁移或附着在滤料表面的颗粒重新随滤出水排出,导致出水浊度上升,出现了第二个峰值。之后便进入完全无残留冲洗水的阶段,滤层逐步稳定,滤出水浊度逐步降低,至出水水质合格成熟期终止。(泄漏点是指滤出水浊度稳定一段时间之后又出现稳步迅速上升过程的一个点。这一过程又称为有效过滤期。
水力波动:滤出水压的不规则跳动现象称为水力波动。水力波动和滤速波动是并存的,因此数值大的水力波动和滤速波动同时出现,滤池出水水质也就出现恶化现象。水力波动的产生有下列情况:①由于滤池出口或进口的流量控制设施引起的流量不稳定,甚至暂时失灵。②由于全厂流量的增加或由于一个滤池的冲洗引起的滤池滤速变化。③滤池冲洗后开始过滤或者别的滤池开停所引起的滤速变化。当这些情况引起滤速的瞬时变值过大时,则产生滤出水水质显著恶化的现象。研究表明加少量聚合物(助滤剂)就可以控制因水力波动所产生的浊度波动现象。