海港水厂是秦皇岛市海港区中心水厂, 连续几年海港区缺水及水质问题都起因于海港水厂, 虹吸滤池是整个水厂工艺的薄弱环节。海港水厂中虹吸滤池共有3组, 总设计能力7.5万m³/d。1组和2组建于1974年, 处理能力为5万m³/d, 1987年扩建第3组, 增加处理能力2.5万m³/d。虹吸滤池是利用虹吸原理进水和排水, 可节省管廊、阀门、冲洗水箱等, 我国在上世纪七八十年代应用较多。但是虹吸滤池池深较大, 反冲洗耗水量大, 反冲洗强度随滤池出水量的降低而降低, 因冲洗条件限制, 往往使用不久就会出现滤层含泥量增加、过滤周期缩短、反冲洗时间延长、产水量下降等现象, 出水水质较差, 且自用水较多, 浪费水资源。海港水厂虹吸滤池不同程度地存在以上问题, 尤其是暑期原水水质变化较大, 有时反冲水量高达2万m³/d, 反冲水量大又造成供水量降低, 即便如此水质仍难以保证。

　　 气水反冲洗是改善虹吸滤池反冲洗效果的有力措施, 可以大大节约反冲洗用水, 而且由于气泡的“擦洗”作用可以使滤料洗得更干净, 延长滤料的寿命。海港水厂虹吸滤池是非标准虹吸滤池, 无法利用常规改造方法, 在尽量减少池体结构改动的基础上, 把虹吸滤池改造为大小格面积不等气水反冲滤池。

　　 改为气水反冲滤池后海港水厂可以恢复产能7.5万m³/d;滤后水浊度小于0.6 NTU (滤前水3NTU以下) ;过滤周期24~36h;反冲强度可控, 滤速恒定;实现滤池的全自动控制, 并在控制室实时监控各滤池及相关设备的运行状态。

　　 海港水厂虹吸滤池为非标准虹吸滤池如图1所示, 设计滤速v=8.5m/h;单组过滤面积, 每组分8格单池, 单格面积为15m²。

　　 标准虹吸滤池的中心部分相当于普通快滤池的管廊, 反冲洗水流到排水集水渠后由排水虹吸管排至设置在管廊内的排水渠内;海港水厂虹吸滤池剖面如图2所示, 为节省空间取消管廊, 排水虹吸管、排水渠设置在滤池内。

　　 要改造为气水反冲滤池有两个难点:一是管廊的设置, 要在有限的空间内新建管廊;二是反冲洗泵房的位置选取, 虹吸滤池经过两次扩建后, 没有多余空间建反冲洗泵房, 由于地下管道繁多且错综复杂, 反冲水无法从清水池取水, 只能直接取自清水管道, 清水管未充满的时候, 无法满足反冲条件。

　　 虹吸滤池改为气水反冲滤池需要增设管廊, 按常规设计管廊应设在每组滤池中间位置, 如图2所示滤池的中心处有屋顶立柱, 若改造为管廊, 需将立柱、中间隔墙、屋顶拆除, 然后重建立柱并增设两个池壁, 鉴于原虹吸滤池建造久远, 拆除隔墙对池体产生的影响无法预测, 安全和经济上不合适。

　　 海港水厂在不改动现有构筑物的基础上将滤池不对称布置, 使管廊位置偏移, 把滤格设置为大小池面积不等, 省去拆除立柱、中间隔墙, 如图3和图4所示, 把原有每组8格单池单格面积15m²改为每座分8格单池, 其中4格单格面积为18m², 另4格单格面积为12m²。

　　 为节省反冲泵房空间, 反冲洗泵选用变频潜水泵, 放置在滤池出水渠内, 用DN500的不锈钢连通管连接3组滤池清水渠, 相当于形成小清水池, 当反冲时, 潜水泵从1组清水渠抽取反冲水, 也即相当于从3组清水渠抽水, 满足反冲水量要求。

　　 改造后, 气水反冲滤池单组设计最大流量1 145m³/h (共3组虹吸滤池) ;设计滤速v=9.5m/h;单组过滤面积, 每组分8格单池, 其中4格单格面积为18m², 另4格单格面积为12 m²;反冲洗方式采用气-气水-水反冲洗, 其中, 气洗q_气=15L/ (s·m²) 、t=3min, 气水联洗q气=15L/ (s·m²) 、q水=4.0L/ (s·m²) 、t=6 min, 单水冲洗q_水=8.0L/ (s·m²) 、t_大池=5min、t_小池=7min, 排水由排水槽收集后排入排水渠;滤料采用单层均质石英砂滤料, 石英砂滤料有效粒径为0.8~1.2mm, 滤料层厚1 250mm, 承托层厚100mm, 粒径2~4mm。

　　 气水反冲滤池的滤格面积不同, 需要的气水冲强度不同, 因此在选择电气设备时, 选用变频鼓风机和变频反冲洗水泵。滤池气反冲采用罗茨鼓风机, 运行中发生压力变化时流量变化较小、适应性较强、价格便宜, 可在反冲不同面积滤池时采用不同频率。但风机的噪音大、体积大, 海港水厂专门在远离操作地点处建造鼓风机房, 改善工人操作环境。采用2台罗茨鼓风机, 1备1用, 参数为Q=16.2m³/min, H=0.05MPa (变频) 。

　　 滤池水冲一般选用反冲水泵放置在专门建造的反冲洗水泵房中, 海港水厂受构筑物空间所限, 采用反冲潜水泵, 放置在出水堰板前出水渠内。采用3台反冲潜水泵, 参数为Q=206m/h, H=12m (变频) 。

　　 滤池采用空压机2台, 1备1用, 参数为Q=70m³/h, H=0.75 MPa。

　　 滤池每格设有7个阀门, 进水采用气动闸板阀控制, 出水管采用恒水位气动调节蝶阀, 排水、初滤水、反冲水、反冲气、排气均采用气动蝶阀。

　　 过滤系统和反冲系统纳入自控系统, 由计算机控制。海港水厂采用西门子PLC控制系统1套, 设公共柜1台, 就地柜12台, 负责滤池在恒水位过滤和自动反冲洗时对各阀门、鼓风机和反冲水泵的控制;自动反冲时鼓风机和反冲水泵采用循环排序, 当其中1台不满足启动条件时, 系统自动跳转到下1台;系统在反冲洗时如遇到阀门故障、风机故障、冲洗复位指令及通讯故障时, 会自动复位并停止水泵风机。

　　 由于海港水厂滤池的滤格面积不同, 分为大池小池, 自动化系统中为气冲及气水冲设置不同的风机频率, 根据水厂实际情况, 大池设为50 Hz, 小池设为32.5 Hz;自控系统中增加了滤池静止修整时间, 使滤料恢复原位后再进水, 保证滤后水质达标;为保证当自控系统发生事故时滤池可以正常运行, 水厂对滤池进行全自动、中控室控制、现场就地控制、现场全手动共4级操作设置。

　　 滤池管廊设在5m深1.8m宽深坑内, 设备安装空间狭小, 布放数十个阀门及其管道, 并预留维修空间, 设计难度高;水温低导致管廊内管道表面凝水, 管廊潮湿, 在管廊中设置液位报警自动排水, 做好设备防水;设置滤池水位报警、断电断气应急处置、滤池停池处置等自动化应急保护措施, 进一步保障管廊设备防水。

　　 在滤池改造实施过程中发现两个问题, 根据水厂特点, 提出下一步解决方法和建议:滤池进水口采用固定式堰板控制, 配水均匀性不宜保证, 建议采用进水可调式控制方式;滤池管廊潮湿, 易导致管廊内管道表面凝水, 滤池运行半年后增设了排风除湿设备。

　　 海港水厂气水反冲滤池投入运行半年以来, 滤后水质提高, 浊度小于0.6NTU, 进出水水质检测如表1所示。

　　 滤池其他运行参数稳定, 滤速恒定, 反冲强度可控, 反冲彻底;过滤周期比改造前大大延长, 现在设定为24h;滤池产能恢复到7.5万m³/d, 彻底解决了过去反冲强度低、反冲不彻底、过滤周期短、产水量低、滤后水难以达标的难题。

　　 气水反冲滤池自2017年6月投入运行以来, 不仅运行效果良好, 还降低了制水成本, 取得了良好的经济效益。

　　 海港水厂虹吸滤池2016下半年反冲水量97.09万m³, 改造后2017下半年反冲水量34.3万m³, 同比节省62.97万m³。虹吸滤池2016下半年水处理量833万m³, 2017下半年水处理量1 376万m³, 如果2017下半年按同样处理833万m³水量计, 仅需反冲水20.76万m³, 即可节省反冲水76.33万m³。

　　 虹吸滤池改造前后海港水厂原水利用率 (海港水厂有2个滤站, 虹吸滤站和四阀滤站, 四阀滤站在2016~2017年没有技术变更或改造) 如图5所示。2016下半年海港水厂原水利用率为93%, 改造运行后, 2017年下半年海港水厂原水利用率为98.3%, 同比增长5.3个百分点, 考虑其他情况引起水质变化, 估计其有4个百分点的增长由虹吸滤池的成功改造贡献, 即2017年下半年节约水 (来水量2 174万m³) 86.98万m³, 全年可节约174万m³, 得到年减小原池体漏失水量约50万m³。

　　 改造为气水反冲方式后, 按15年更换1次滤料计, 年均费用4万元。改造前每年两次表层滤料更换和平均每3年1次全部滤料更换费用, 年均25万元。每年节省滤料费用21万元。

　　 改造后, 无人值守全自动化运行, 节约班组一个, 减少人工成本81万元/年, 半年节省40.5万元。

　　 改造后, 滤池全自动化运行, 各种主要设备和阀门均采用国内外知名品牌, 可靠性高, 3年内出现故障的概率不高, 系统设备产生维护费用很低;3年后, 预计年均维修费15万元。2017下半年未发生维护费。

　　 因此, 虹吸滤池改造运行半年, 节约制水成本效果明显, 见表2。

　　 改造后运行半年, 同比节省制水成本137.26万元。按全年反冲水节省成本100万元计算, 虹吸滤池改造后, 前三年每年可节约制水成本248.94万元, 以后每年平均增加15万元维护费用, 每年可节约制水成本233.94万元。

　　 海港水厂虹吸滤池改造, 不改动虹吸滤池现有构筑物, 只改造系统设备, 创新改为大小格面积不等的滤池, 将虹吸工艺改造为气水反冲工艺。此项目实施成功, 可以成为虹吸滤池尤其是非标准虹吸滤池工艺改造案例, 并为其他资金受限、场地受限的老水厂实施技术改造提供借鉴思路。