给水系统中V型滤池的过滤机理与工艺设计
摘要：对V型滤池的过滤机理、工艺特点以及主要结构尺寸、材料的选用、气水联合反冲洗等技术参数和技术条件等做了较全面的介绍，对V型类滤池设计、施工、运行和管理等流程科进行了较为详细的阐述，从而为在给水厂工艺中更好地选择和利用V型滤池提供参考。
关键词:V型滤池；机理；工艺设计；应用
Mechanism and Process Design of V- filter in Drinking Water Supply Industry Abstract:
In this paper, the V-filter filtering mechanism, as well as major
structural characteristics, materials choosing, was discussed firstly. Meanwhile, a more comprehensive presentation of water and gas joint anti-washing and other technical parameters ,conditions were
included .Also，the V-type filter design, construction, operation And management processes were described detailed in order to help better use this new technical filter in the drinking water supply industry. Key words: V-filter, mechanism, process design, application 1.前言
滤池是给水厂净水工艺中的重要环节[1]。滤池有多种型式，其中以石英砂作为滤料的普通快滤池使用历史悠久。一直以来，为了增加滤池含污能力，研究工作者对滤池的研究主要有过滤方式和滤池池型两方面，,其次还有从节约滤池的阀门及便利操作向着自动化和连续操作的方向作了许多改进和革新[2]。
在此基础上，人们从不同的工艺角度发展了其它型式的快滤池。V型滤池就是在此基础上由法国德利满公司在70年代发展和首创的专利技术,由于其截污量大、冲洗效果好的显著优势,近年来在大、中型水厂应用较多[3]。V型滤池是快滤池的一种形式，因为其进水槽形状呈V字形而得名，也叫均粒滤料滤池（其滤料采用均质滤料，即均粒径滤料）、六阀滤池（各种管路上有六个主要阀门）。20 世纪 70 年代已在欧洲大陆广泛使用.20 世纪80年代后期,我国南京、西安、重庆等地开始引进使用. 20 世纪 90 年代以来 ,我国新建的大、中型净水厂差不多都采用了V 型滤池这种滤水工艺 ,特别是广东省新建的净水厂几乎都采用了 V 型滤池[ 4] .V 型滤池在近年来普遍选用，已建成运行的约在20座以上 ,颇有取代四阀和双阀滤池之势。[5]
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2.V型滤池的过滤机理 2.1 V型滤池的过滤机理
在过滤过程中,滤层孔隙中的水流一般属于层流状态,被水流挟带的颗粒将随着水流流线运动. 它之所以会脱离流线而与滤粒表面接近,完全是一种物理力学作用,一般认为由以下几种作用引起:拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力等. V 型滤池的过滤机理主要是截留和吸附两种。[6-8] 2.1.1截留机理
截留机理主要作用在深层过滤工艺中, 是利用机械过滤, 截留所有大于滤料筛孔尺寸的颗粒物或已经沉积的颗粒物集团。滤料的筛孔越小,此现象越明显,在由较粗滤料构成的滤床中作用较小。 2.1.2吸附机理
悬浮颗粒物随着液体流动, 它可能穿过滤料而不被截留,但在摩擦作用下的直接中间截留、由布朗运动导致的扩散、重力作用产生的沉淀、不同速度梯度而产生的转动及颗粒物的惯性等均可以改变其行走路线并使其与滤料接触。 粘附作用是一种物理化学作用,当水中杂质颗粒迁移到滤料表面上,则在范德华引力和静电力相互作用下,以及某些化学键和某些特殊的化学引力下,被粘附于滤料颗粒表面上,或者粘附在滤粒表面上原先粘附的颗粒上.此外,絮凝颗粒的吸附架桥作用也会存在.粘附作用取决于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质.在低滤速时吸附作用更突出。 2.2V型滤池的工作过程 2.2.1V型滤池正常过滤阶段 图 1 过滤工艺流程图
通常，给水厂过滤工艺流程如图1所示；剖面图和平面图分别如图2、图3所示。具体过滤过程为：待滤水（即沉淀池出水）由进水总渠经进水气动隔膜阀1和方孔2后，溢过堰口3再经侧孔4进入被待滤水淹沿的V型槽5，分别经槽底均匀的配水小孔6和V型槽5堰顶部进入滤池。被均质滤料滤层过滤的滤后水经长柄滤头流入底部空间11，由配水方孔9汇入气水分配管渠8，再经管廊中的水封井12、出水堰13、清水渠14流入清水池。 图2 V型滤池B-B剖面图 图3 V型滤池平面图
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1-进水气动隔膜阀；2-方孔；3-堰口；4-侧孔；5-V型槽；6-小孔；7-排水渠；8-气、水分配渠；9-配水方孔；10-配气小孔；11-底部空间；12-水封井；13出水堰；14-清水渠；15-排水渠；16-清水阀；17-进气阀；18-冲洗水阀； 2.2.2滤池反冲洗阶段
被已经沉积的颗粒物包裹着的滤料表面之间的间隙变小, 使流速升高,被截留的沉积物可能脱附并被带到滤料的深层而被拦截。被截留的悬浮物逐渐阻塞滤料之间的空隙, 随着阻塞悬浮物的增加,影响通过滤池水流的水头损失也随之加大。当水头损失值达到或接近1.50 m水柱时[9], 需要对滤池进行反冲洗。 V型滤池在自动模式下运行时，当符合下列条件之一时开始反冲洗：滤池运行时间达到设定值；过滤水头损失达到设定值；来自于控制台现场PLC—XBT键盘或中控室监控计算机的冲洗命令。[10]反冲洗过程常采用“气冲→气水同时反冲→水冲”三步[11]，反冲洗过程如下[12-14]：
(1)关闭进水气动闸阀。但有一部分进水仍从两侧常开的方孔流入滤池，由V型槽一侧流向排水渠一侧，形成表面扫洗。而后开启排水阀将池面水从排水槽中排出直至滤池水面与V型槽顶相平。滤池水位下降到离滤料面300 mm时, 关闭滤后水出水气动蝶阀, 同时开启反洗排污气动闸阀;
(2)单独气冲：开启反洗进气气动蝶阀,自动启动一台鼓风机运行1 min, 形成气垫层(气洗强度7.78 L/( m2.s) ) ; 运行二台鼓风机进行气洗后5 s (气 洗 强 度15.27 L/( m2. s) ) ; 空气经气水分配渠的上部小孔均匀进入滤池底部，由长柄滤头喷出，将滤料表面杂质擦洗下来并悬浮于水中，被表面扫洗水冲入排水槽。
(3)气水同时反冲洗：单独气洗65 s 后,在气冲的同时启动冲洗水泵，打开冲洗水阀(水洗强度1.67 L/( m2.s)，进行气水同时冲洗。反冲洗水也进入气水分配渠，气、水分别经小孔和方孔流入滤池底部配水区，经长柄滤头均匀进入滤池，滤料得到进一步冲洗，表扫仍继续进行。气水同时冲洗6 min
(4)单独水冲：气水同时冲洗6 min后, 关闭反洗进气气动蝶阀, 进入单独水漂洗阶段(水洗强度4.20 /( m2.s) ) , 同时打开进水气动闸阀( 开启度50%, 表面扫洗水强度 1.67 L/( m2.s) )进行表面扫洗最后将水中杂质全部冲入排水槽。;
(5)水单独反冲洗6 min 后, 关闭反洗进水气动蝶阀; (6)关闭反洗排污气动闸阀, 将进水气动闸阀全部开启;
(7)水位接近设计过滤水位下限时, 慢慢开启滤后水出水气动蝶阀, 进入过滤状态。
2.2.3 V型滤池的表面冲洗作用
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气、水反冲洗时, 由于气泡的激烈湍动作用, 大大加强了污物剥落能力及截污能力。在滤池实际反冲洗过程中,当反冲时间约5 min 时的滤层污物剥落高达95%以上, 此表面V 型滤池的反冲洗效果是比较好的。此外，反冲洗时,原水通过与反冲洗排水槽相对的两个 V 型槽底部的小孔进入滤池, 它扫洗滤层的表面, 并把滤层反冲上来的污物、杂质推向排水槽, 同时扫洗了水平速度等于零的一些地方, 在这些地方漂起来的砂又重新沉淀下来。
此外滤池的表面扫洗,还加快了反冲水的漂洗速度, 用原水养活了反冲洗滤后水用量及电能, 也节约了冲洗水量。养活冲洗水量是原水表面清扫的一个特别优点, 事实上, 它还起到了在一个滤池反冲洗时防止其它滤池在最大输出负荷下运行的作用[15]。
3.V型滤池工艺特点分析 3.1 V型滤池工艺特点
V型滤池是法国得利满公司经过长期水力模型试验研究设计出来的第五代滤池[16],具有先进的过滤工艺和反冲洗技术。从构造和运行情况看，与其它如四阀和双阀滤池相比,法国得利满公司V型滤池具有以下突出的工艺特点[17,18]: (1)V型滤池采用恒液位、恒滤速的重力流过滤方式,滤料上有足够的水深
(1-1.2m),以保持有效的过滤压力从而保证过滤介质的各个深度均不产生负压。 (2)滤料采用较大的有效粒径和较厚的砂滤层,能使污物更深地渗入过滤介质中从而充分发挥滤料的截污能力,截污能力强,截污量大,并增加过滤周期。 (3)先进的气水联合反冲洗工艺,可防止滤床膨胀,防止滤砂的损失。单独气冲洗时压缩空气加入增大了滤料表面的剪力,从而使得通常水冲洗时不易剥落的污物在气泡急剧上升的高剪力下得以剥落。气水联合反冲洗时气泡在颗粒滤料中爆破,使得滤料颗粒间的碰撞磨擦加剧,同时加入水冲洗时,对滤料颗粒表面的剪切作用也得以充分发挥,加强了水冲清污的效能。气泡在滤层中的运动,减少了水冲洗时滤料颗粒间的相互接触的阻力,使水冲强度大大降低,从而节省冲洗的能耗和水耗。
(4)均质的滤料,加上气水联合反冲洗工艺,能避免滤床形成水力分级。气泡在滤层中运动产生混合后,可使滤料的颗粒不断涡旋扩散,促进了滤层颗粒循环混合,由此得到一个级配较均匀的混合滤层,其孔隙率高于级配滤料的分级滤层,改善了过滤性能,从而提高了滤层的截污能力。
(5)在整个气水反冲洗过程中持续进行表面扫洗,可以快速地将杂质排出,从而减少反冲洗时间节省冲洗的能耗,大大减少了冲洗水量。更重要的是持续表面扫洗所消耗全部或部分的待滤水,使得在此期间同一滤池组的其他滤池的流量和流速不会突然增加或仅有一点增加,不会造成冲击负荷,滤池出水调节阀也不要频繁调节。
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(6)冲洗后滤池的过滤是通过缓慢升高水位的方法重新启动的,滤池冲洗后重新起动时间约10-15分钟,使滤床得到稳定,确保初滤水的水质。
(7)反冲洗的排水系统简单,施工方便,省去了为排水均匀而设的众多集水槽。 (8)自动化程度高,控制系统成熟，管理方便。 3.2 V型滤池的不足之处:
(1) V型滤池池型结构相对复杂得多,尤其是配水配气系统精度要求高,新建时增加施工难度;
(2)配水、配气系统复杂, V型滤池增加了供气设备,提高了基建投资,增加了维修工作量。
(3)反冲洗时滤料有向排水堰方向漂移的现象,影响了滤池的正常工作,需定期平整。
(4)单池面积平均比普通滤池单池面积大,但因中间的排水槽占了很大一部分面积而并未充分利用,导致实际过滤面积比单池面积小。 4.有关V型滤池的一些讨论： 4.1 V型滤池的工艺设计参数
V型滤池的设计参数都是经过长期水力模型试验而得来,因此V型滤池的主要工艺参数是一种优化组合的设计参数,在设计中应严格参照选用设计, 了解掌握了V型滤池的工作原理后，一些经验参数简介如下：[19-21] 4.1.1主要设计参数
a)滤料：石英海砂，最好是选择海水冲刷强度比较大的海边砂场的石英砂，不宜选用河砂。粒径0.95～1.35mm；不均匀系数K80=1.0～1.3；滤层厚度1.2～1.5m。 b)滤速：7～15m/h。沙上水深1.2～1.3m。
c)反冲洗强度：压缩空气15～16L/m2.s；水反冲4～5L/m2.s；水表面扫洗1.5～1.8L/m2.s。
d)滤头：采用QS型长柄滤头，滤头长28.5cm；滤帽上有缝隙36条；滤柄上部有φ2mm气孔，下部有长65mm、宽1mm条缝；材质为ABS工程塑料。 底部采用带长柄滤头底板的排水系统，不设砾石承托层。滤头采用网状均匀分布在滤板上，每平方米布置48～56个。
e)滤板、滤梁均为钢筋砼预制件。滤板制成矩形或正方形，但边长最好不要超过1.2m。滤梁的宽度为10cm，高度和长度根据实际情况决定。
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