广东省佛山市北江水厂于2009年2月投产, 首期工程建设规模为30万m³/d, 原水取自北江干流新潭村段, 北江水厂采用常规+预留深度净水处理工艺, 主要构筑物池型为折返絮凝池、平流沉淀池、V型滤池等 (如图1所示) , 原水经过絮凝、沉淀、过滤及氯氨消毒后, 出厂水水质达到国家《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 。

北江水厂是佛山市三水区的主力水厂, 供水量占三水区70%以上, 近年来随着三水经济快速发展, 北江水厂供水量已达到设计负荷。

北江水厂是属于周期性变水量负荷的水厂, 一级泵房取水泵机搭配是根据清水池水位和管网供水峰期进行调整, 取水量呈周期性变化。一般情况下, 0:00~7:00为补水阶段, 维持清水池水位在4m以上, 取水量为5 000~9 000m³/h;7:00~12:00为供水阶段, 保障管网峰期供给, 取水量为12 000~15 000m³/h;12:00~18:00为调峰阶段, 补充清水池水位, 取水量为9 000~13 000 m³/h;18:00~24:00为供水阶段, 保障管网峰期供给, 取水量为12 000~15 000m³/h。

北江水厂过滤单元共有滤站2座, 每座滤站共10个单池双排布置, 采用均粒滤料V型滤池, 滤池出水均安装有哈希1720E型在线浊度计, 检测数据通过PLC采集传输至水厂中控系统。对累积的数据进行收集分析, 发现滤池的运行具有一定规律。

给水厂有用水高低峰期, 一级取水泵房泵机搭配也要作相应调整, 随着原水瞬时流量改变, 沉淀池出水、滤池出水、出厂水浊度的变化具有一定规律性。

如图2所示, 2016年3月1~7日, 北江水厂一级泵房泵机搭配有3种模式:一台大泵, 原水瞬时流量为7 732~8 427m³/h;1台大泵搭1台中泵, 原水瞬时流量为11 103~12 098 m³/h;还短暂运行过2台大泵, 原水瞬时流量为13 405~14 330m³/h, 滤池进、出水, 出厂水浊度均与原水瞬时流量呈明显正相关关系, 随原水瞬时流量增减而增减。

滤池进水浊度与原水瞬时流量呈正相关是由于随着原水瞬时流量增大沉淀池流速加快, 矾花沉淀不够充分, 且随着一泵转泵瞬间原水流量骤升, 对沉淀池底泥造成扰动, 容易导致浊度产生短暂的骤升。

滤池出水浊度一方面受滤池进水浊度影响, 滤池进水浊度升高, 单位时间内需截留杂质颗粒增多;另一方面, 随着原水瞬时流量增大, 滤速升高, 杂质更容易穿透滤层。

出厂水浊度随滤池出水浊度变化而变化, 由于有清水池作为缓冲, 出厂水浊度变化曲线较平缓, 较滤后水曲线变化滞后1~2h。

由于各滤池距离配水管道远近不同, 给水厂滤池普遍存在布水不均匀的情况, 而滤池运行普遍采用恒定水位过滤模式, 进水量较大的滤池滤阀开度较大, 滤速较快, 出水浊度较高;进水量较小的滤池滤阀开度较小, 滤速较慢, 出水浊度较低。

图3为北江水厂2座滤站20个V型滤池的平面布置, 距离进水管道较近的1#、2#、3#和13#、14#、15#滤池的进水量明显大于其他滤池。

如图4所示, 2016年7月20日0:00~24日0:00, 距离滤站进水管较近的15#滤池浊度平均为0.109NTU, 最高为0.327NTU, 离进水管较远的17#滤池浊度平均仅0.05NTU, 最高也仅为0.137NTU。

给水厂取水泵房一般选用工频泵作为取水泵, 在泵机转换的瞬间, 原水瞬时流量会出现骤变, 原水取水量突增会导致滤池滤速瞬间增大, 由于过滤是一种暂态平衡, 原来被滤料孔隙拦截或被滤料吸附的固体颗粒, 会因孔隙间流速突然变大, 而使杂质脱离冲出造成瞬间穿透^[1]。

滤池穿透集中发生在冬季, 此时处于低温低浊期, 混凝效果欠佳, 形成的矾花颗粒尺寸较小, 残余的微小颗粒在滤料表面没有足够的黏附力, 容易穿透滤层。

2016年1月29日9:50, 原水水温12.3℃, 浊度12.4NTU, 由于取水泵房泵机转换原水瞬时流量短时间内由5 044m³/h增加到9 121m³/h, 1h内13#、14#、15#滤池均发生了穿透, 浊度峰值分别为1.028NTU、0.637NTU, 0.438NTU (如图5所示) 。

以滤池运行规律为依据, 北江水厂对滤池的科学管理进行了探索。

如前所述, 出厂水浊度失控的主要原因是滤池发生穿透, 而滤池的穿透多发生在取水泵站转换泵机导致原水瞬时流量骤升时, 在一泵加泵后要留意滤后水浊度的变化趋势。由于清水池具有缓冲作用, 出厂水水质变化一般较滤后水滞后1~2h, 在中控系统设置滤池出水浊度超过设定限值时报警, 报警后仍有充足时间采取减小超标滤池滤阀开度、减产、反冲洗滤池等应对措施, 避免对出厂水水质造成影响。

滤池过滤周期控制模式主要有水质周期、水压周期和时间周期3种, 国内水厂以时间周期为主, 近来也有研究人员提出采用水质周期进行滤池反冲洗, 当在线浊度计检测出某滤池出水浊度超过设定标准时自动引发该滤池反冲洗^[2]。在实际生产中应考虑到滤池出水浊度升高多发生在用水高峰期, 特别是原水瞬时流量增加后的短暂时间内, 此时进行滤池反冲洗一方面加大其他滤池处理负荷增加其出水浊度超标的概率, 另一方面滤池反冲洗大量消耗清水池储水, 不利于供水安全。北江水厂滤池过滤周期目前采用时间周期控制模式。

滤池反冲洗周期在采用时间周期时除考虑滤池进水浊度、处理水量等因素外, 还应考虑水温的影响, 冬季吸附在滤料上的浊度残留物质容易穿透滤层, 应适当缩短滤池反冲洗周期^[3]。

北江水厂原来在不同季节滤池反冲洗周期均设置为60h, 如图6所示, 19#滤池在冬季反冲洗周期为56~60h, 发生了穿透, 峰值为0.760~1.58NTU。在发现这个问题后, 北江水厂在冬季将滤池反冲洗周期缩短为50h。

滤池对过滤水中悬浮杂质颗粒的去除率与滤速的增加成反比, 滤池反冲洗适宜选在用水低峰期进行, 避免在用水高峰期反冲洗滤池加快其他滤池的滤速。

由于滤池普遍存在布水不均匀的问题, 在安排滤池反冲洗次序时应避免按滤池号顺序排列, 以避免相邻的进水量大的滤池在过滤周期后期同时发生穿透, 影响出厂水水质。

沉淀池出水、滤池出水浊度与原水瞬时流量呈正相关关系, 在供水低峰期可适当减少投矾量, 提高滤池进水浊度, 在供水高峰期应适当增加投矾量, 降低滤池进水浊度。冬季滤池截污能力减弱, 应适当增加投矾量, 降低滤池进水浊度。北江水厂在夏季高峰期滤池进水浊度控制在2.0~2.5NTU, 低峰期控制在2.5~3.0 NTU;冬季高峰期滤池进水浊度控制在1.5~2.0NTU, 低峰期控制在2.0~2.5NTU。

目前国内水厂多采用恒定水位控制滤池过滤, 由于水厂普遍存在滤池布水不均匀的问题, 采取恒水位过滤时会导致进水量较小的滤池滤阀开度较小, 滤速较慢, 出水浊度较低;进水量较大的滤池滤阀开度较大, 滤速较快, 出水浊度较高, 容易造成滤池穿透, 成为制约滤站处理能力的短板。

如表1所示, 2016年1月13日9:21, 北江水厂随着一泵转泵原水瞬时流量增加, 11#、14#、15#滤池滤阀开度分别达到了83.3%、85.5%、87.7%, 其中14#和15#滤池发生了穿透, 出水浊度达到0.480NTU、0.460 NTU;16~19#滤池滤阀开度均在50%以下, 其中19#滤池滤阀开度更是仅有11.9%;13#滤池滤池滤阀因故没有打开, 缺少一组滤池过滤加大了其他滤池的工作负荷。随即在水厂监控系统上将11~15#滤池的滤阀开度设置为50%, 9:39后11~15#滤池滤阀开度均在50%以下, 13#滤池滤阀也重新打开, 滤池出水浊度最高仅为14#滤池的0.180NTU。

台北自来水事业处的李育辑等提出利用快滤池出水最佳化的自动控制程序来调整出水水量的变化, 逻辑是个别滤池出水浊度与水头损失升高时, 随即减少该池的出水量, 增加出水状况良好滤池的出水量, 保持滤站总出水量符合处理水量的需求, 并抑制滤池在过滤过程中发生穿透的情形^[1]。从北江水厂的实际运行来看, 引入控制滤池进出水的自动控制程序具有现实意义, 在引入该程序前, 应在中控系统手动设置滤池滤阀开度限值, 避免进水量大的滤池滤阀开度过大发生穿透影响出水水质。改善滤池布水则具有投入少, 针对性强, 效果明显的优点, 可以弥补滤站短板, 充分发挥滤站总体处理能力, 在不增加甚至减少能物耗的前提下改善出厂水水质。

(1) 滤池进、出水及出厂水浊度均与原水流量变化呈明显正相关关系, 可根据原水流量变化调整投矾量, 控制滤池进水浊度。

(2) 低温低浊期, 原水瞬时流量骤升后的短暂时间内, 负荷大的滤池容易发生穿透, 通过调整滤阀开度可改善滤池布水, 有效抑制滤池穿透的发生。

(3) 由于滤池出水浊度升高多发生在供水高峰期, 单纯采用水质反冲洗模式可能会加大其他滤池负荷, 影响其他滤池出水水质。

(4) 低温低浊期吸附在滤料上的浊度残留物质容易穿透滤层, 应适当缩短滤池反冲洗周期。

(5) 滤池反冲洗时间适宜选择在用水低峰期。

(6) 进水量大的滤池反冲洗时间宜错开, 避免相邻的进水量大的滤池在过滤周期后期同时发生穿透影响出厂水水质。