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提问时间 2013-02-01 11:09
马永林1 赵志忠1 陈昌隆2
（1. 福建省建筑轻纺设计院 2.宁德市自来水有限公司）
摘 要：如何在现有供水水厂通过技改提高水质以达到国家最新饮用水标准；而滤池是目前我国整个城镇供水系统设计与运行的核心环节，其生产水质量的好坏直接影响到水厂出厂水水质。因此在选择合理的滤池形式后，一些有关滤池组成部分如滤料、滤板、配水系统、冲洗系统、控制系统、过滤速度、滤池深度等成为设计的关键部分，其中影响滤池过水能力及水质最主要因素是滤池内滤板及滤料的选择。
关键词：滤池；技改；新建；出水水质；滤料；滤板
1 工程概况
宁德市自来水有限公司创建于1979年，2001年7月改制为股份制。一九九0年经福建省人民政府批准，投资710万元，建成了亭坪水厂（第二水厂），日产水量为4万吨。一九九二年一期工程日产2万吨正式投产。一九九七年七月完成了二期扩建工程。据了解，市区中心城区现有供水人口23万多人，总用水量日需7万吨左右，高峰期日用水量达7.5万吨。而市自来水公司下属第一水厂日产1万吨，第二水厂日产4万吨，另外，位于城南镇车里湾的德源自来水厂日产2万吨。在供水和用水基本持平的情况下，一旦水厂设备出现故障或水质出现问题等紧急情况，就必须停产抢修或处理，直接影响到市区的安全供水。
宁德市自来水公司第二水厂距今已20余年，滤池作为第二水厂整个水处理系统核心环节，改造前存在设备严重老化.同时近期由于水库附近宁古公路施工，大量山体植被被剥离，露出山体表层黑色土壤，下雨时被暴雨冲入库区，造成水源浊度造成水源浊度最高时达到位1200度，浊度在40～60度时含有大量乳白色胶体，造成净水厂出水水质不达标，产水效率低下等特点，已经对当地的生产及居民生活用水产生严重影响，因此该改造项目被列为宁德市政府2010年重点建设项目，其改造内容为：在原有处理设施的基础上进行技术改造，尽量减少对现有设施进行大规模的改动；并对当前正常供水不能产生较大影响。技术改造达到的的主要目的是提高出水水质、提高产水量；且必须在春节前（一个月内）完成技改任务，确保春节用水高峰正常保质保量供水。由于本项目遗留设计资料较少，因此给后续改造工作（尤其不熟悉内部结构的情况下）带来很大麻烦。
2 技术改造
2.1 技术改造路线
如何在现有供水水厂通过技改提高水质以达到国家最新饮用水标准；特别对老水厂选择先进技术工艺及设备满足水厂近远期设计水质及水量的要求；而滤池又是目前我国整个城镇供水系统设计与运行的核心环节，其生产水质量的好坏直接影响到水厂出厂水水质。因此在选择合理滤池的滤料、滤板、配水系统、冲洗系统、控制系统、过滤速度、滤池深度等成为设计的关键部分，其中滤池内滤板及滤料的选择成为影响滤池水质及过水能力最主要因素。
图1 宁德市第二水厂总平面布置图
图2 原滤池平面及剖面图
原设计滤池为重力式无阀滤池，依据原国家设计标准图（1980年版）进行建造。本次改造设计处理规模为2.0万吨/天，共分四组，每组尺寸为4.70m×4.70m，原设计滤层高度为1000mm，改造前最近一次换滤料更改成滤层高度1200mm，过滤介质采用石英砂滤料，原设计按老规范设计，老规范双层滤料滤速为 10 m/h～4m/h，所以原设计滤速经计算约为10m/h，由于国家新的水质标准实施其出水浊度应控制在小于1.0NTU，新的国家技术规范要求设计双层滤料过滤滤速须控制在9m/h～12 m/h，使得滤速降低产水率下降，如按照新国标要求采用传统工艺进行本次技术改造完全达不到业主需求，因此技术路线调整为采用先进成熟的过滤集成技术，在滤池不变即过滤面积不变的情况下提高滤速增大产水量，改造后至少稳定运行10年以上。
滤池技术改造遵循避繁就简的方式，改造的核心环节为滤池内滤料滤板的设计、选择及更换，其次为配水系统、冲洗系统及其它部件的维护及更新，在不影响现有城镇供水的情况下改造实行循序的方式即完成一个方可进行下一个滤池改造。
2.2 滤池滤料技术改造
作为任何一个滤池设施核心部分的滤料类型和特性，经常根据密实判断、惯例和具有权威性的研究而选择。模型试验出来的不同滤料组合及级配，便能得以借鉴，从中研究以达到合乎真实情况的结论。期望在这些试验中能有最优化的试验资料，以得到最合适于要处理水的滤料及最佳滤速。
过滤作为水厂必不可少的一个环节，过滤在水厂作用是去除悬浮物，特别是去除浓度比较低的悬浊液中微小颗粒的一种非常有效的方法。滤料是滤池的核心部分，它提供悬浮物接触凝聚的表面和纳污的空间，滤料应满足下列要求：
① 有足够的机械强度，在冲洗过程中不因碰撞、摩擦而破碎。
② 有足够的化学稳定性，不溶于水，对水中化学成分足够稳定，不产生有害物质。
③ 具有一定的大小和级配，满足截留悬浮物的要求。
④ 外形近乎球形，表面粗糙，带有棱角，能提供较大的比表面和孔隙率。
在自来水处理中最常用的滤料有石英砂、无烟煤粒、石榴石粒、磁铁矿粒、白云石粒、花岗岩粒以及聚苯乙烯发泡塑料等，其中以石英砂目前使用最为广泛。在此次改造项目中，由于原滤池建设年代久远，滤池内滤料已几经更换，近期在2009年新换石英砂且装填高度达1.2m的情况下仍达不到目前新的供水水质标准，因此在2010年底决定对原一期滤池实施彻底改造，且改造目的很明确：提高水质、提高产水量、不影响正常供水；改造主要环节为现有无阀滤池，改造后确保水质完全达到国家饮用水水质标准情况下尽可能提高产水量。
首先针对现有滤池实际情况，确定滤料介质的组成。虽滤料组成及级配在众多水厂已有众多的经验可循，但根据现有传统滤料的使用情况，砂的机械强度大，相对密度2.65左右，在PH值为2.1～6.5的酸性水环境中化学稳定性好，但水呈碱性时，有溶出现象。无烟煤的化学稳定性较石英砂好，在酸性、中性及碱性环境中都不溶出，但机械强度稍差，其它应因产地不同而有所不同，一般为1.4～1.9，常用于双层滤料滤池中；而理想滤池滤料排列应是沿水流方向由粗到细。为了解决实际滤池与理想滤池的矛盾，此次改造我们采用高强度天然矿物饮用水专用多层滤料，即选择不同密度、不同颗粒大小的滤料组合。增加了优于石英砂、无烟煤等化学稳定性更好、机械强度更大的精选天然质滤料。即上部放置粒径较大，密度较小的轻质滤料，在中部放置粒径较小，密度较大的重质滤料，下部放置粒径更大、密度更大的重质滤料。滤料层内部是粒径从上到下逐渐变小然后变大，水流经过由大到小的颗粒层。滤料层数越多，愈趋近于理想滤池。按照渗井原理级配的复合多层滤料过滤，水按重力自上而下流动。第一层粒径d1＝0.8～1.2mm、比重r1＝2.4、厚度h1＝150mm；第二层粒径d2＝0.4～0.8mm、比重r2＝3.2、厚度h2＝250mm；第三层粒径d3＝0.2～0.4、比重r3＝4.2、厚度h3＝160mm；第四层……。共设计7层复合滤料，装填高度为700mm。第二、三层滤料的厚度最大，逐层厚度减薄，每一层都没有堵死，都有空隙。最后一层仍然有空隙，只不过此时浊度已经降到极限，再增加过滤的层数没有任何意义。
在改造过程中，滤料厚度也是决定出水水质的一个决定因素，滤层的含污能力和过滤效果除取决于滤料粒径外，还与滤层厚度有关，即决定于滤层厚度和滤料粒径的比值L/de。L/de值愈大，去除率也愈高，因为L/de值与单位过滤面积上滤料总表面积和颗粒数目成正比。采用0.15－0.25mm极细微的重质颗粒滤料决定de值远远小于传统石英砂滤料粒径，因此在出厂试验时滤料层增加至600mm时完全达到设计要求，为防止初调反冲所带走的考虑采用700mm滤料层。
图3 本次改造所用部分滤料样品
改造后实践表明，按照渗井精滤结构排列的多层复合滤料滤池的含污能力比原单层滤料滤池的含污能力提高2～3倍，过滤周期延长1倍，滤速提高40%以上，在近六个月连续监测中进水浊度ㄑ20NTU情况下出水水质一直保持在0.3NTU以下。
图4 滤料层级配排列
|
日期 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
浊度 |
进水 |
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 |
|
|
浊度 |
进水 |
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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|
图5 宁德自来水厂5月监测数据
2.3 滤池滤板技术改造
现有水处理系统的滤后排水系统通常分为：大阻力排水系统和小阻力排水系统。通常采用有钢篦子（在钢结构上打孔）或钢筋混凝土开孔等各种类型，本次改造采用高强度无阻力新型滤板，该滤板系WQX国家专利产品， 采用无阻力滤板，解决由于滤板设计不合理，使得排水阻力较大的问题，同时解决由于空隙设计问题带来跑砂的情况。其最大特点是：水阻小、过流有效截面积大、强度高、使用寿命可达40年、无堵塞。
滤板采用新型高强给水型塑料经机床一次性压制切割而成，使用寿命达40年以上；专用滤板的形状根据滤池内部结构进行改造，设计滤板厚度为20mm。在本次改造中采用的专用滤板主要为方形结构，尺寸分别为：800×400（mm）、400×400（mm）、400×300（mm）、400×200（mm）共四种形式，所用滤板总量为308块。
本无阻力滤后排水滤板结构简单、尺寸恰当，孔眼形状合理，设计精巧，可实现排水阻力几乎为零。按照现行重力无阀滤池要求用于水厂时其滤速设计为6m/h～9m/h，而此次改造后滤速可提高至15 m/h以上的情况下出水浊度远远优于国家标准。
上文也集中阐述了在宁德第二水厂的改造中如何进行滤板和滤料的选择，进行滤料及滤板的选择后，改造的实施分为两步同时走的方式，即工厂根据确定了的滤料及滤板的要求进行预制生产，现场进行二次勘察及滤板支架的现场制作并及时反馈修正工厂预制生产的数据，保证整个工序的连贯性，整个改造用时20天，除第一个滤池用时为8天外其余每个滤池改造时间包括调试仅为4天。
科学的滤料筛选配合其专用滤板是本次改造项目成功实施的关键所在，改造后该项目运行半年多来水质一直非常稳定，优于预期效果且达到国家饮用水标准：
（1）产水量：在原来基础上至少提高了40%。原本项目设计为每日最大产水2.0万吨，现为每小时产水1200吨，每日至少为2.8万吨；
（2）水质标准：由于该项目建设年代久远，最初设计浊度指标为小于3.0NTU，国家新标准提高至小于1.0NTU后很难达到要求，现改造后出水指标稳定在0.3NTU以下；
（3）建设周期：由于采用工厂预制与现场相结合的方式使得工期大大缩短至仅为20天，如水厂资料齐全1.0万吨规模水厂滤料及滤板（含支架）实施周期仅为7天；
（4）调试周期短：工况的调整专业性很强，一般一个滤池半天完全可调整至正常状态。
（5）使用寿命长：采用高耐磨滤料且冲洗为水力翻腾减少摩擦、高强塑料作为滤板原材料，保证系统使用寿命至少为20年且无任何维护。
（6）故障少，维护率低：采用多层天然复合滤料，充分利用其截留杂质好易于反冲的特点，完全优于气水反冲滤池，符合现代水厂设计节能高效的特点。
参考文献：
[1] GBJ13－86（1997年版），室外给水设计规范
[2] GB50013－2006，室外给水设计规范
[3] 给水工程（ 第四版），中国建筑工业出版社
