朱 雷 陳小慶 鐘 力 蘇 毅 付素貞 陳忠正

　　提要：本文著重對國內投產的部分V型濾池設計、施工、運行等方面作了客觀的總結分析，在此基礎上，提出了一些合理的改進措施，力求做到“洋為中用”，因地制宜，避免盲目引進套用，造成不良的后果。同時，對所提出的各項改進措施作了較深入的理性分析，旨在“拋磚引玉”，取得共識，從而給V型濾池客觀、公正、恰當的評價，使其在我國的給水處理中發揮應有的作用。
　　關鍵詞：V型濾池 流化態 沖洗 濾床

　　1．引言

　　V型濾池全稱為AQUAZUR V型濾池，是由法國得利滿水處理有限公司首創的專利技術。六十年代末期在巴黎奧利水廠首先采用，七十年代逐漸在歐洲廣泛使用，先后在意大利、以色列、摩洛哥、洪都拉斯、委內瑞拉等國應用后，受到各國好評，逐步在國際上得到推廣。八十年代以來，我國也認識到國外革新后的氣水反沖洗技術的獨特沖洗效果，陸續引進國外先進的氣水反沖洗工藝，用于新擴建水廠中。我國第一座V型濾池1990年7月在南京投產，接著有重慶、西安、大慶、沈陽、淄博、武漢等城市水廠采用。近年來，設計常規處理水廠工程時，規模在10萬m³/d以上（包括10萬m³/d）的水廠，在工藝流程的構筑物選型中，多設計了V型濾池，以改善制水工藝，提高水廠自動化程度和生產管理水平。
　　V型濾池是恒水位過濾，池內的超聲波水位自動控制可調節出水清水閥，閥門可根據池內水位的高、低，自動調節開啟程度，以保證池內的水位恒定。V型濾池所選用的濾料的鋪裝厚度較大（約1.20m），粒徑也較粗（0.95—1.35mm）的石英砂均質濾料。當反沖洗濾層時，濾料呈微膨脹狀態，不易跑砂。V型濾池的另一特點是單池面積較大，過濾周期長，水質好，節省反沖洗水量。單池面積普遍設計為70—90m²，甚至可達100m²以上。由于濾料層較厚，載污量大，濾后水的出水濁度普遍小于0.5NTU。
　　V型濾池的沖洗一般采用的工藝為氣洗→氣水同時沖洗→水沖洗+表面掃洗。水沖洗強度設計為5l/s·m²,比雙閥濾池的水沖洗強度15l/ s.m²,要節約反沖洗用水量2/3，若以一個15萬m³/d水廠為例，全年可節省反沖洗水量約為60萬m³，若以0.4元/ m³水價計算，年節省反沖洗水量費用達24萬元之多，可見其經濟效益之顯著。為此，我國部分城市先后引進了這一技術先進的V型濾池。但實踐表明，此種濾池對施工的精度和操作管理水平要求甚嚴，否則，勢必影響正常運行，達不到設計的效果。當前，我國某些城市水廠中的V型濾池的運行正是如此狀況。由調研得知，在部分水廠V型濾池生產運行中常遇到的一些問題，主要表現在反沖洗不均勻，有較嚴重的短流現象發生；跑砂；濾板接縫不平、濾頭套管處密封不嚴，濾頭堵塞甚至發生開裂；閥門啟閉不暢等現象時有發生。上述一系列問題急待研究和解決，否則，勢必影響V型濾池在我國的進一步推廣和使用。
現就武漢市現有的白鶴嘴水廠、白沙洲水廠及沌口水廠新建、擴建的V型濾池設計和運行中遇到的一些問題，分別從處理工藝、構造等方面作了進一步的研究和探討，并提出改進方案簡介如下：

　　2．氣水反沖洗工藝的改進措施

　　V型濾池的氣水反沖洗工藝歸結起來有三種類型，如表一所示。表一中工藝二的沖洗效果優于工藝一，其原因就在于氣水同時反沖洗時，濾層已發生微膨脹，且此時形成的總G值也增加較大，不僅對濾料產生了較弱的剪切力，而且受到氣泡經過微膨脹料層細小通道時所產生的較強的泡振作用及氣泡尾跡的挾帶和尾渦混摻作用，因而施于濾料顆粒表面污泥層上的振動力和摩擦力也就產生和增大，在此兩力的作用下，顆粒表面上的污泥層有小部分可能被振落，另一部分有可能被振松，進而在水流剪切力和碰撞摩擦的共同作用下，使污泥較好地脫落下來。由此可見工藝二的沖洗效果顯然較工藝一要好。
　　但深入研究表明，在氣水同時反沖洗時濾料顆粒表面吸附的污泥層所受到的力，除了水流對其產生的剪切力和顆粒碰撞摩擦以外，還存在振動和混摻兩種作用力。振動作用力是氣泡高速浮升穿過流化濾層各孔隙通道時，施加于孔隙通道周圍濾料顆粒上的力。此力對孔隙通道周圍濾層產生影響，其影響范圍，可用影響半徑r的大小來表征（見表二），r大，則表示泡振作用強，反之則弱，顯然，此力對濾料顆粒表面的污泥層脫落和松動必然帶來強烈的影響。混摻力則是氣泡在流化濾床中上升時，其尾跡尾渦區產生的渦旋擴散作用造成尾跡區內外的水流與濾料相互摻混，即為混摻作用，其作用力稱為混摻力。泡振力和混摻力在工藝二中發揮的作用雖較工藝一大一些，但還是顯得微弱，沒有得到充分的發揮。由此通過小試和生產性試驗提出改進工藝三。

V型濾池各沖洗工藝對照表 　表一 沖洗工藝 第一沖洗
階段 第二沖洗
階段 第三沖洗
階段 總歷時T
min 工
藝
一 q_a（/s.m²） 14-18 8-10 q_w(l/s.m²) 3-4 q_ss(l/s.m²) 1.4-2.2 1.4-2.2 t(min) 4-5 4-5 工
藝
二 q_a（/s.m²） 14-18 14-18 9-12 q_w(l/s.m²) 3-4 3-4 q_ss(l/s.m²) 1.4-2.2 1.4-2.2 1.4-2.2 t(min) 1-2 4-5 4-5 工
藝
三 q_a（l/s.m²） 4
7-10 q_w(l/s.m²) 12 12 12 q_ss(l/s.m²) 1.4-2.2 1.4-2.2 1.4-2.2 t(min) 2-3 3-4 2-3

注：表中q_w為氣沖洗強度，q_w為水沖洗強度，q_ss為表面掃洗強度，t為沖洗歷時。

泡振作用影響半徑 表二 沖洗工藝 氣洗強度
q_a
(l/s.m²) 水洗強度
q_w
(l/s.m²) 濾層膨脹率
e
(%) 泡振作用影響半徑
r
(mm) 工藝一 16 4 0 1 工藝二 16 4 5 35 工藝三 4 12 15 >50

　　工藝三為流態化氣水同時沖洗工藝，如圖示：

　　工藝三的具體過程：首先用中等水沖洗強度（q_w=10-12l/s.m²）對濾層進行沖洗，使濾層在此q_w值下產生流態化，相應的膨脹率達到15-20%，試驗得知，此時的水流剪切力和濾料顆粒相互碰撞、摩擦力的疊加值為最大，因而兩者的綜合作用為最強，使沖洗效能得到充分發揮。如若膨脹率達到30%以上，水流剪切力與顆粒間的碰撞、摩擦力的疊加值反而減小。另膨脹率達到15-20%時，濾層已產生流化，形成的過氣通道較工藝二的微膨脹過氣通道要大得多，有利于隨后的氣水同時沖洗時，氣泡不被破碎保持原形順利高速穿過。故必須先用中等強度的水進行沖洗，使濾層產生流化。此階段歷時3min。然后將壓縮空氣通入濾池大阻力配氣系統進行氣水同時沖洗。取q_a=4l/s.m²，q_w值仍不變（以便于操作管理，更主要的是保持水流剪切力和摩擦力二者的疊加為最大值不變），共同對流化濾層進行沖洗。這時氣泡通過流化濾層所產生的泡振力和尾渦混摻力遠比工藝二的高氣沖強、低水沖強的濾層微膨脹狀態下，氣水同時沖洗所產生的泡振力和混摻力要大得多。因此濾料顆粒表面所吸附的一次、二次污泥層在沖洗過程中均受到了強烈水流剪切、顆粒碰撞摩擦、氣泡的振動和尾渦混摻等力的綜合作用，使得吸附在顆粒表面的二次污泥層全被摻落或振落，一次污泥層的粘附強度也同樣會被削弱，進而該層污泥亦被摻落或振落。此階段歷時約3min。試驗表明，過大的q_a（指q_a>4l/s.m²）并不能使沖洗效果有明顯的提高，反而使能耗增加，造成空氣量的浪費，增大了配氣系統的設備規模和造價。第三沖洗階段停止供氣，繼續用水進行漂洗，q_w還是不變，此時，在水流剪切力和顆粒碰撞、摩擦力的作用下，一是繼續把已被泡振力和混摻力作用下松動的顆粒表面上粘附的一次污泥層，從顆粒表面脫附下來；二是把原來在上述四種力共同作用下已脫落下來的二次污泥層和部分一次污泥層盡快地漂洗出流化濾層，隨沖洗水排走。表面掃洗作用始終貫穿于整個沖洗的全過程。表面掃洗可以加快漂洗速度；減少沖洗用水量；也使反沖洗時其它濾池的負荷有所減少。在沖洗結束時，濾床內剩余的沖洗水濃度甚低，僅10mg/l左右。當過濾重新開始時，即可獲得優質的濾后水。
　　但必須指出的是，工藝三與工藝一、工藝二相比，它的不足之處在于，當濾層的膨脹率為15—20%情況下，進行氣水同時沖洗，會導致濾料極易隨沖洗廢水的排除而流失，即出現較嚴重的跑砂現象。為避免此情況的出現，需將現有的排水槽改為能防砂流失的三相分離的排水槽（如圖四所示）。

　　3．池形、結構的設計改進措施

　　3．1采用固定式大阻力配水,配氣系統進行濾池反沖洗的設計方案
　　V型濾池的施工精度要求極高，濾板的水平誤差不得大于±2mm。對濾板要求平整，其實質是要求濾頭平整。濾板與池底之間有一個適當的高度空間，氣沖時在濾板下形成氣墊層，只要氣壓大于靜水壓力，氣墊層就逐漸增厚。當水面逐漸降至長柄濾頭的長柄管上的進氣孔時，空氣開始經小孔流入長柄管，再通過濾帽進入濾層（見圖一）。如流入的空氣量與經小孔流走的氣量相等時，水面便停止下降而形成一個穩定的氣墊層；若進氣量大，小孔不足以排走進入的空氣量，水面會繼續下降至長柄管下部的進氣縫處，這時剩余的空氣就經過進氣縫流入長柄管。在濾板平整的情況下，每個濾頭上的進氣孔、進氣縫標高一致，各濾頭的出氣量也就均等。如果濾板不平，在同樣的氣墊層厚度情況下，每個濾頭的進氣面積就不同，導致進氣量不同，此時空氣就無法均勻地分配在濾層上，嚴重時將有脈沖現象或氣流短路現象出現，勢必導致沖洗效果不良。

　　鑒于國內許多水廠中V型濾池的濾板、濾頭的施工質量得不到保證，致使氣流溢出不均勻，短路現象嚴重。加之，濾頭與濾板的接合處不嚴密，也易產生漏氣、漏水，從而達不到設計的沖洗強度。為此，我們改用大阻力配氣、配水系統，對濾池進行改造，即配氣，配水系統均采用穿孔管。將配氣系統設置在濾層下60—70cm深處，外包20目尼龍網，以防止濾料進入。配氣系統因采用的是低氣沖強度，故干管支管均不大，管經在DN20-80mm之間。根據濾層截污分布規律曲線（如圖二所示），曲線1和2是不同粒徑均質濾料濾層各層發揮的不同程度的截污作用。由曲線1可知，濾層深度70cm以下，濾層的含泥量小于17%。另氣泡在高速浮升過程中，對周圍濾料顆粒產生微振作用的影響范圍大小與氣泡本身的尺寸大小有關。氣泡尺寸大，對濾料顆粒的振動范圍就大，而氣泡尺寸是隨濾層的深度加深而減小的。通過試驗得出，配氣系統固定在距濾層表面0.6-0.7m深處時，氣泡尺寸最理想。配水系統則敷設在承托層底部，與雙閥濾池的敷設方式相同（如圖三所示）。這樣的設計，使截污量多的上部約60-70cm深的濾層受到強烈的氣水同時沖洗，把濾層截流的污物幾乎全部洗凈；下部30—50cm的截污量不多的濾層由下部單一的水進行沖洗，即可使之沖洗干凈。這樣既提高了沖洗效果，又降低了氣水同時沖洗能耗。

　　配氣系統的管路設計，以現有V型濾池的有效面積F=96m²為例，左右分兩側對稱布置，每側為48m²，池體中央上部設排水槽，中部為管廊，下部為清水渠。配水、配氣系統的設計，可按單元進行，即將每邊48m²分為三個單元，如圖三所示。每個單元為16m²，依次安設配氣、配水系統和防砂流失排水槽。由圖三可知，V型濾池的整體高度由4.10m降至3.10m，即減小池體高度1.00m，且該配水、配氣系統采用的是大阻力穿孔管配水、配氣系統，取消了原設計中的濾板與濾頭，既減小了施工難度，又大大降低了工程造價。不失為一種既經濟又實用的新型“V型快濾池”。
　　3．2三相分離排水槽的設計方案
　　鑒于氣水同時沖洗過程為氣、液、固三相流態，其中的濾料層已流態化，其膨脹率約為15-20%。濾料顆粒在此狀態下，受到水、氣的同時沖洗，必需考慮防濾料隨氣水同時沖洗而流失的現象。為此，通過生產性試驗得出：以下兩種設計方案，均可使濾料的年流失率<10%，符合國家規定要求。

　　方案一：當濾料為單一石英砂時可用圖四所示的A型防濾料流失的三相分離排水槽。
　　方案二：當濾料由煤、砂或煤、砂、磁鐵礦所組成的雙層或三層濾料時，可用圖四所示的B型防濾料流失的三相分離排水槽。生產試驗表明，采用此種排水槽，煤濾料的年流失率<10%，故是一種有效的防輕質濾料流失的排水槽。

　　以上兩種三相分離排水槽均可用在采用沖洗工藝三時的V型濾池上，以取代原有排水槽。
　　3．3表面掃洗裝置的設計方案
　　V型濾池的表面掃洗是使兩側池壁的沖洗廢水和漂浮物在橫向掃洗水流的作用下及時得到排除，不致造成滯流。但原V型濾池表面掃洗的出水是設在V型進水槽下部的一排直徑為DN20mm的管嘴出流，管嘴間距為100mm。該管嘴被固定設置，不能調節，設置的標高要求嚴格與排水槽堰頂標高保持一致。因為只有在掃洗時，管嘴處于半淹沒狀態，掃洗的橫向推力才為最佳。如果管嘴高于水面，則不產生橫向推力，經管嘴的自由出流只擊打水面，掃洗作用失效；如管嘴全部淹沒于水下，則起不到掃洗水面漂浮物的作用。其次，掃洗管嘴的設置應保證水平方向，管嘴向上、向下傾斜都會減小水平方向的推動力。尤其是當水表面漂浮物較多、較厚時，掃洗效果不好會影響池內水質。為此，改用可轉動的穿孔管取代之，穿孔管可在180°范圍內旋轉，使池面及池壁均可得到沖洗，以克服現存的弊病。由于采用了三相分離排水槽，沖洗廢水中的漂浮物，在表面掃洗水流的作用下，由縱向設置在濾池中央排水槽壁內側的半園形溝槽收集，流入中央排水槽終端豎井內，隨沖洗廢水排走，如圖三所示。
　　3．4濾層厚度的改變方案
　　新型V型濾池仍采用均質濾料，粒徑為0.95-1.35mm，不均勻系數不小于1.6等參數均不變，而濾層的厚度可比原V型濾池減小一些，建議取H=1.10m。選用均質濾料是因其沖洗后不會出現水力分層，表層濾料不易較快地被雜質所堵塞。并且由于濾層厚度大，粒徑大，孔隙率大，濾層截污能力強，深層截污量多，較好地增大了整個濾層的截污能力，故濾池的工作周期較長。由于對濾層采用流態化氣水同時沖洗進行沖洗，沖洗效果遠較原工藝二的氣水同時沖洗法要高，濾層沖洗得更加潔凈，故雖然濾層的厚度減小了，仍可保證較長的過濾周期和產水量。

　　4．結論

　　由于改形后的V型濾池氣水同時沖洗工藝具有多種沖洗功能，多種作用力得到了最佳的發揮，參與對濾料顆粒沖洗，故使濾層被沖洗得更為潔凈，使濾池的工作周期延長，產水量得到明顯增加，經濟效益顯著。由此可見，改形后的V型濾池與原V型濾池沖洗工藝相比，具有施工容易，有國內成熟的雙閥濾池經驗可借鑒，施工精度較易得到保證，而且造價低，配氣均勻，不易堵塞，工作安全可靠等優點，更能適應于我國的經濟形式和國情。武漢市自來水公司擬在各水廠的改擴建或新建中，采用這種改進的V型濾池。

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　　作者：朱雷，武漢科技大學城市建設學院講師。
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