高村水厂位于新乡市市区西部, 设计规模15万m³/d, 分3期建成。其中一期工程建于1950年, 设计供水能力为3万m³/d, 设计以卫河水为原水;二期工程6万m³/d, 1979年建成投产, 以共产主义渠两侧地下水为原水;三期工程6万m³/d, 以黄河水为原水, 1989年建成投产。水厂工艺流程见图1。本文主要是对三期虹吸滤池的改造进行介绍。

　　 虹吸滤池共1座, 设计规模为6万m³/d, 滤池采用双排对称布置的形式, 中间为廊道、左右各4格、共8格, 单格过滤面积为35m², 池深3.6m, 采用虹吸进水和虹吸排水方式。

　　 (1) 设计滤速9.82m/h, 强制滤速11.22m/h。

　　 (2) 滤后水设计浊度≤3NTU。

　　 (3) 砾石承托层厚0.45m, 自上而下粒径为D2~32;级配石英砂滤料层厚0.7m, 粒径为D0.5~1.2;过滤水深1.8m。

　　 (4) 采用DN80大阻力穿孔管 (镀锌钢管) 配水系统;单池共有8条U型洗砂排水槽, 排水槽底距滤料层顶0.38m。

　　 (5) 单水冲洗, 冲洗强度14L/ (s·m²) , 冲洗时间为7min。

　　 (1) 滤后水设计浊度≤3NTU, 出水水质不满足《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 的要求。

　　 (2) 设计滤速偏高, 为设计规范的上限, 难以保证滤池出水水质稳定达标。

　　 (3) 滤层厚度只有0.7 m, 厚度偏小, 造成过滤周期由24h缩短为12h。

　　 (4) 实际运行中滤料含泥量高, 延长反冲洗时间也很难冲洗干净。

　　 (5) 水冲洗采用屋顶水箱, 冲洗强度靠阀门调节, 不容易控制、冲洗不稳定。

　　 (6) 大阻力穿孔管锈蚀十分严重, 导致反冲洗不均匀, 冲洗过程中跑砂严重。

　　 (7) U型洗砂排水槽底距离砂面较近, 只有380mm, 造成U型洗砂排水槽下面跑砂比较严重。

　　 (8) 虹吸进水和排水的方式, 不便于操作、控制, 自动化程度低。

　　 水厂滤池改造的原则: (1) 改造方案应简单、方便、运行可靠, 保证滤后水满足《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749—2006) 的水质要求; (2) 维持滤池的主体土建结构不变, 尽量在少更动或不更动主体结构原则下进行^[1], 使改造工作简单、施工方便; (3) 尽量利用现有设施进行改造, 减少改造工程量和投资。

　　 现状虹吸滤池的平面和剖面见图2和图3。

　　 通过对国内虹吸滤池改造情况的实地调研, 经过论证决定采用将虹吸滤池改造为普通的气水反冲洗滤池的方案, 具体改造方案见图4。

　　 由于现状滤池的设计滤速为9.82m/h, 强制滤速为11.22m/h, 设计滤速偏高, 影响了滤池的出水效果。设计中结合水厂的整体改造, 将滤池的规模由6万m³/d调整为5万m³/d, 调整后滤池的设计参数如下: (1) 设计滤速8.18 m/h, 强制滤速9.35m/h; (2) 反冲洗采用气水联合冲洗, 主要设计参数为:先单独气冲时间为2 min, 冲洗强度为15L/ (s·m²) ;然后气水同时冲洗时间为3~5min, 气冲强度为15L/ (s·m²) , 水冲强度为4 L/ (s·m²) ;最后单独水冲时间为5 min, 冲洗强度为8L/ (s·m²) ;整个反冲洗过程历时10~12min。

　　 由于现状进水系统只有1条进水总渠, 为了不影响土建结构, 没有将进水改造为V型槽进水, 只是拆除原有的虹吸进水管, 在滤池总进水渠内增设了长度为2m、高为650 mm的不锈钢进水溢流堰板, 同时在进水渠和滤池隔墙上增加了500 mm×500mm的气动进水闸门, 保证每格滤池均匀进水。

　　 改变原有的单水冲洗方式, 采用气水联合冲洗。拆除现有的80反冲洗配水管, 新建整体现浇滤板, 采用可调式长柄滤头进行配水配气, 滤板底部气水室高度为700mm。经计算现有的80配水管管径和间距满足改造要求, 改造时只拆除池壁外的管道、保留池壁内的管道作为改造后的配水孔;在池壁上重新开配气孔, 开孔直径为50、间距为250mm。每格滤池采用植筋的方式设置6道滤梁, 滤梁中预埋DN40、间距135mm的PVC管, 作为气水室的平衡气管。

　　 排水系统改造内容包括:中央渠道和U型洗砂排水槽。拆除中央渠道下部配水渠的顶板, 结合滤池气水室的高度和排水方向改为斜向顶板;中央渠道渠顶标高加高至-0.60m;中央渠道末端的池壁上开排水孔、设置DN600的气动排水闸板。

　　 由于现状的混凝土U型洗砂排水槽距离砂面只有380mm, 造成了反冲洗时U型洗砂排水槽跑砂严重, 改造时拆除了现状混凝土U型洗砂排水槽, 新建了宽300mm、高350mm的不锈钢U型洗砂排水槽, 新建的排水槽底距离砂面0.50 m, 满足滤料膨胀的要求, 避免出现跑砂现象。

　　 现状滤池的出水只有一个电动阀门控制, 无法实现恒水位过滤, 因此改造时新建带有出水堰的滤池出水井, 并将电动阀门更换为气动调节阀, 共同实现恒水位过滤。

　　 将滤料更换为均质石英砂滤料, 粒径为0.9~1.3mm, 不均匀系数K₈₀≤1.3, 厚度为1.0m;承托层采用粒径为2~4mm的砾石, 厚度为50mm。

　　 为了便于控制反冲洗强度, 保证反冲洗均匀, 水冲系统由屋顶水箱直接反冲改为水泵反冲, 新增反冲洗水泵3台, 气水同时反冲洗时开启1台水泵, 单独水冲时开启2台水泵, 反冲洗水管利用现状的管道;气冲系统由新增的2台罗茨鼓风机 (1用1备) 、2台空气压缩机 (1用1备) 、1台储气罐和DN250的管道组成。

　　 工程于2015年投入运行至今, 运行状态良好, 滤后水平均浊度小于0.3NTU, 出厂水各项指标均能达到《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749—2006) 的指标要求;滤池反冲洗效果明显, 反冲洗周期由改造前的12h调整为24h, 反冲洗水量减少了70%, 改造方案达到了预期的目的, 滤池改造是成功的, 为今后其他虹吸滤池改造积累了经验。

　　 (1) 下层配水配气渠改造。由于虹吸滤池下层配水渠顶比新建的滤板低, 直接在池壁开设配气孔不能满足《滤池气水冲洗设计规程》的要求。因此改造时将配水渠的顶板进行了拆除, 按照规程新建了配水渠, 不仅对池壁造成了损伤, 而且增加了工程费用、耽误了较多的工期。

　　 针对上述情况, 在以后的类似工程改造中, 可以在渠道侧壁增设DN50的上弯管件, 使配气孔出口紧贴滤板底部^[2], 不仅利于配气, 而且不用拆除配水渠的顶板, 减少对池壁土建结构的破坏, 降低改造工程量。具体设计如图5所示。

　　 (2) 新建的不锈钢U型洗砂排水槽要保证水平。本工程新建的不锈钢U型洗砂排水槽一端固定在中央渠道上、一端固定在池壁上, 施工时水平误差较大, 造成运行时有跑砂现象, 后期经过整改重新调整水平后, 至今没有再出现跑砂现象。因此, 建议在改造时一定要保证U型洗砂排水槽的水平。

　　 (3) 现状滤池深度只有3.6m, 加上水力高程的限制, 设计水面到池底只有3m, 基本上为气水反冲洗滤池要求的最小高度。因此, 基本按规范要求的最小尺寸进行改造, 具体为:气水室高度为0.7m, 滤料厚度1m, 滤料上水深1.15m。两年来运行情况表明3m的有效水深是可以满足改造要求。

　　 (4) 为了节省改造时间, 最初设计时采用了标准预制滤板, 但是在施工时发现现状滤池池体内的尺寸相差较大, 不能满足预制滤板安装要求, 后期设计将其改为整体现浇滤板。

　　 (5) 是否设置表面扫洗系统。受滤池构造的影响, 为了减少对土建结构的破坏, 加上不锈钢U型洗砂排水槽之间的距离只有1 450mm, 改造时没有设计表面扫洗系统, 但从2年来的运行情况来看, 反冲洗时水面没有漂浮物, 反冲洗效果良好。因此, 现状滤池在不允许设置表面扫洗系统的情况下, 通过合理设置洗砂排水槽等措施, 也可以达到理想的运行效果。