栏目导读      

中国科技核心期刊《净水技术》关注我国供排水和工业水处理生产一线的实际问题，打造一线生产技术人员实战经验的分享平台。本栏目内容主要选自发表于《净水技术》“供排水企业运行及管理成果专栏”的原创论文，经通俗化删减改编，供同行交流参考。

原文参考文献著录格式，欢迎引用：  

童佳佳，李纲，侯宝芹,等. 老旧水厂工艺升级改造并实现节能增效的探讨[J]. 净水技术, 2022,41(6):181-186.

TONG J J, LI G, HOU B Q, et al. Discussion on energy conservation and efficiency improvement through technological upgrading and reconstruction for an old WTP[J]. Water Purification Technology, 2022, 41(6): 181-186.

   

 

本期提要

 

超负荷运行背景下，通过对现有工艺或构筑物的优化改造，可以实现对水厂处理能力的低成本有效升级。本文所介绍的针对普通快滤池的改造设计和实施案例，一方面达到了预期的设计效果，另一方面解决了原设施存在的滤砖易损坏、冲洗效果差和自动化程度低等问题，对老旧水厂的原位改造提供了有益借鉴。

苏北某水厂设计规模为20万m ³ /d，是该市区主力供水厂，一期工程于1995年底投产，规模为10万m ³ /d，采用格栅反应池+平流沉淀池+普通快滤池常规处理工艺；二期工程于2013年投产，规模为10万m ³ /d，采用中置式高密度沉淀池+V型滤池常规处理工艺；一期和二期的接续工艺为20万m ³ /d臭氧-生物活性炭深度处理工艺。

由于城市发展和附近区域供水的接入，水厂的供水量逐年增加，出现超负荷运行情况，2020年一期生产线平均处理水量达12.10万m ³ /d，最高处理水量达15.58万m ³ /d。一期普通快滤池采用中阻力陶瓷滤砖配水，无烟煤和石英砂双层滤料，单水冲洗，冲洗效果差，出水浑浊度高，滤砖经常损坏，已影响正常生产。

该水厂分期建设，一期普通快滤池投产时为常规处理工艺，2011年深度处理改造后，滤池出水进入深度处理工艺，一期滤池的进水为平流沉淀池沉后水，出水经提升后进入臭氧接触池，然后进入活性炭滤池，滤池的出水水质将影响接续工艺的运行。

一期滤池的进水为平流沉淀池出水，该厂水源常年符合Ⅲ类水标准，夏季行洪时有季节性污染。

  抽丝剥茧，寻找病因

经过仔细研判，一期普通快滤池存在以下主要问题：

（1）滤砖易损坏

滤砖容易被冲洗损坏，未改造时，每年都有滤池的滤砖被损毁，损毁后不仅影响正常生产，污染水质，还有大量滤料漏入下游工艺，产生不良影响。修复时必须将该滤池全部清理干净，单池维修周期长达20天，费用也较高，需要对其进行改造。

（2）冲洗效果差，出水浑浊度高

单水冲洗效果较差，滤层不易冲洗干净，冲洗水耗、电耗高；并且滤池已运行20多年，产生不均匀沉降，现状洗砂排水槽标高相差较大，排水不均匀，导致滤料流失和部分滤料常年冲洗不干净，长期跟踪显示，普通快滤池出水浑浊度较高（0.7~0.9NTU）。

（3）电气设备老化，自动化程度低

现状控制柜和配电柜为1994年安装的多米诺抽屉柜，抽屉滑轨变形严重，阀门信号易丢失，严重影响自动运行，冲洗操作均为现场手动方式；自动化系统为2000年左右的硬件，虽然后期进行过升级，但很难与现有生产工艺的自动化监控系统（SCADA）融合，不能在综合生产管理平台上有效管控。电动阀门为建设时便安装的设备，老化严重，存在漏水、执行器频繁故障等问题。

方案设计时，采用滤板滤头配水配气系统、更换排水槽和增加鼓风机系统等为常规方案。但在滤层选择上，设计部门推荐目前应用比较普遍的单层均质滤料，认为工艺成熟，成功案例较多；水厂运行管理人员根据实际运行情况，建议采用无烟煤-石英砂双层滤料。主要原因：①该生产线必须承担较高负荷，如采用常规均质滤料，相较无烟煤滤料粒径较小，相较双层滤料的石英砂滤料滤层较厚，设计滤速低，生产能力不够；②该厂水质条件下，已有均质滤料滤池需在过滤前投加助滤剂（聚合氯化铝），实际投加量为2 mg/L，方能达到理想的浑浊度去除效果，对滤池运行周期基本无影响 ^[4] ，处理效率不如双层滤料。③实际运行过程中，现状未改造的滤池已经处于此负荷下运行，但出水浑浊度在0.7~0.9NTU之间。并且发现如某一滤池损坏，经过滤砖全部拆除、重新安装，铺设新的无烟煤和石英砂滤料后，出水浑浊度会持续较低一段时间，笔者认为此现象和滤料清洁度有关，因此建议采用双层滤料+气水反冲洗来解决超负荷问题。④普通快滤池的接续工艺为臭氧-生物活性炭滤池，其中活性炭滤池的下层铺设有500mm的石英砂（d ₁₀ =0.6mm，K ₈₀ =1.3），自2011年深度处理工程投产至一期滤池改造前，炭池进水浑浊度接近1NTU，实际出水浑浊度＜0.2NTU，炭滤池有一定的保安过滤作用。经协商，最后达成先期设计成双层滤料滤池（无烟煤+石英砂），预留均质滤料安装空间的方案。

（1）设计规模

原设计规模10万m ³ /d，8格，单格面积55m ² ，设计滤速9.43m/h。受到现场实际条件制约，且参考了已有快滤池运行情况以及室外给水设计标准的强制滤速限值 ^[5] ，设计滤速取11～15m/h，可以达到12～16万m ³ /d的处理规模。其中设计滤速已超出室外给水设计标准的推荐值（8～12 m/h），存在一定风险，处在强制滤速（12～16 m/h）范围内。实际运行中拟通过及时反冲洗，缩短反冲洗等待时间，减少滤池更高负荷下的运行时间，尽可能让滤池运行在技术规程要求的强制滤速范围内，降低水质风险。

（2）反冲洗

滤池总深度接近4.4m，满足滤板滤头安装高度，采用滤板滤头配水配气系统。增加气冲洗，先气冲后水冲，冲洗强度分别为55m ³ /（m ² ·h）和36m ³ /（m ² ·h）。气源由新建鼓风机房提供，采用变频控制，可根据情况调整风量；冲洗水源由现状提升泵和水塔提供，冲洗强度通过反冲洗阀门开度控制。更换洗砂排水槽为不锈钢排水槽，槽顶标高不变。

（3）滤层

采用无烟煤和石英砂双层滤料，无烟煤粒径0.8~1.8mm，不均匀系数k ₈₀ ≤2.0，厚度400mm；石英砂粒径0.5~1.2mm，不均匀系数k ₈₀ ≤1.7，厚度400mm；承托层1.2~16mm，4层共330mm。以后生产允许时，可更换均质滤料。实际采用滤料参数为，无烟煤：d ₁₀ =0.87，k ₈₀ =1.60；石英砂：d ₁₀ =0.61mm，k ₈₀ =1.58。

（4）鼓风机房

共2台，1用1备。单台流量3200m ³ /h，扬程5m，功率76kW，2台变频，含流量、压力仪表。

（5）电气设备和自控系统

更换配电柜和阀门，更新PLC控制柜和自控系统，梳理气水反冲洗控制流程，重新编写程序，实现滤池生产自动运行，并纳入现状水厂SCADA系统平台。

项目于2019年4月开工，采取施工总承包方式，土建改造、设备采购安装和自动化优化设计改造全部由总承包集成，关键设备如配水配气系统、阀门及执行器、鼓风机和仪表等，业主通过指定品牌短名单来控制采购质量。由于边生产边改造的特点，项目有诸多问题和经验教训，现进行总结。

（1）平面布置和管线综合

现状影响项目改造的地下设施，主要有高压电缆走廊、自用水管线和排水管线等。清理出各管线并经讨论、对比后，采取现状管线不动，新建动力和信号电缆穿保护套管后沿气管敷设，气管在其他管线上方跨越的方案。过路部分采取保留道路基础结构层，铺设10cm砂垫层，放置管道，混凝土整体包封；跨越部分：①设置混凝土支墩，防止气管沉降压迫其他管线，②在管线垂直空间内填充砂垫层，预留缓冲空间。气管完成铺设运行2年多，运行正常。

图 管线综合剖面布置图

（2）工艺协调

边生产边改造项目需要综合实时生产情况，确保不影响现有生产能力，保证供水安全，具体措施如下。

· 为保证高峰供水期间14万m ³ /d以上的处理能力，夏季和冬季，只改造1组滤池；春季和秋季，同时施工2组。改造完成、运行正常后，方可开始下1组改造，因此项目工期持续时间长，达26个月。运行滤池的反冲洗和检修工作全部放在夜间或低谷时进行。另外，为保证新旧滤池能同时运行，在原有配电柜和多米诺控制柜旁，新增配电柜和PLC总站各1套，临时放置，待所有滤池改造完毕后，将原有柜体拆除，此2柜移至正式永久位置。

更换滤池进水阀门时，因8组滤池共用进水渠道，需全部停产，对生产影响较大，需提前调度水厂生产负荷，保证清水池在满水位条件下，停运此生产线2h左右进行更换阀门。更换作业的阀门、配件和人员器具必须检查完备后，方可停水操作，并尽量缩短停水时间。

另在更换反冲洗阀门时，需要对钢管进行重新切割、焊接，耗费时间较长，也需将施工工序合理安排，以免影响夜间的冲洗操作。

（3）关键施工工序控制

滤板滤头的配水配气孔标高的一致性，将直接影响冲洗均匀程度，由于旧滤池的不均匀沉降和混凝土浇筑问题，底板标高偏差大，不易控制。气孔制作时，需将原滤砖位置凿空，预埋不锈钢管，进行重新浇筑，在改造第1组滤池时，该位置的模板和钢筋制作浪费了近2周时间，方将气孔完全按要求固定完毕。在后续滤池改造时，现场技术员和业主总结经验，根据滤池的长度和气孔间隔定制了支架，在气孔固定时，直接将不锈钢管固定到支架上，混凝土浇筑时，将支架和气管一起浇筑，提高了施工速度和质量。水孔则在底板上部10cm左右进行水钻成孔，在开孔前经过多次激光水平仪和水准仪联合校准，确保1次开孔成功。最终8组滤池改造气孔和水孔标高控制全部符合质控要求（±2mm），冲洗效果良好。

（4）冲洗控制逻辑制定

普通快滤池气水联合冲洗自动控制程序，由水厂根据已有运行经验与自控单位深度对接，反复调试，最终确定冲洗方式，并可通过勾选或更改数值的方式进行调整步骤。冲洗主要分为冲洗准备、气冲洗、水冲洗和恢复过滤四个阶段，每一阶段条件全部满足后，方进入下一阶段，另因阀门、设备状态和故障报警等为固化逻辑，为使界面简洁，不在人机界面显示，只在冲洗流程故障报警时，弹出相应提示画面。

冲洗准备阶段，主要控制滤层上水位、水塔水位和出水阀开度3个参数，一般滤层上水深取0.20m，实际设定为0.30m，预留出水阀关闭时间，否则待水位达到0.20m后，再关闭出水阀，易导致滤层上水位只有0.10m或者滤料露出，因此根据不同阀门的开关速度设定水位高度，保证出水阀关到位时，实际水深为0.20m左右。水塔水位高度设定值，主要考虑检测水泵是否开启，考虑气冲洗和其他步骤的等待时间，保证在水泵正常运行的基础上，减少气冲后等待水洗的时间，提高冲洗效果，并通过设置停泵机制，减少水泵运行时间，节约电耗。水塔水位、冲洗流程和水泵运行的理想状态为：冲洗开始时，自动启动水泵上水，开始水冲时，水塔水位高度恰好满足冲洗水量要求，水泵停止运行。出水阀开度设定，在过滤周期末期，滤层堵塞，滤速较慢，一般开启至100%，如全开后，滤速过快，滤后水浑浊度升高，可适当减小开度。

气冲洗阶段，待冲洗准备条件全部满足后，启动鼓风机进行气冲，根据气体流量计和现场气冲情况，综合确定鼓风机频率，气冲洗时间则根据滤料洁净度、出水水质和运行周期等进行设定。

水冲洗阶段，因为无烟煤滤料密度小，气冲后滤层内夹杂气泡，为防止滤料流失，将水冲分为小水冲和大水冲两个阶段，这样既可保证气冲完成后杂质未沉淀时即开始水冲，又可防止冲洗液位上升过快，无烟煤滤料被水流带走流失，经调试和验证，此冲洗条件下，无烟煤滤料流失量少于5cm/年。

静置阶段，通过适当的静置时间，使滤层逐渐稳定，再恢复过滤，使初滤水浑浊度稳定，满足后续深度处理进水水质要求。

实践证明，该控制逻辑方便实用，通过控制水塔水位来节省电耗。另外工艺技术管理人员定期对冲洗强度和冲洗时间复核，滤池自动运行工况良好，滤池运行稳定，滤层干净，出水优良。

（5）施工对生产安全的影响

（1）水厂老旧工艺改造开始前，生产运行单位会同专业设计院深入讨论，根据原水特征和工艺适用性，共同制定针对性改造方案，可保证改造效果。

（2）本项目的主要特点为持续的超负荷运行工况和超长的改造周期，因此在改造过程中，水厂方要深度参与，合理调配各生产线负荷，选择合适时机进行一些关键作业；同时做好现场安全管控工作，防止边生产边改造过程中发生生产事故。

（3）改造后滤池的运行情况表明，选择合适的滤层结构和冲洗控制方式，老旧快滤池仍可以达到良好处理效果，超设计负荷30%以上时，出水浑浊度仍能达到0.3 NTU左右。

（4）通过软硬件设备更新，实现滤池完全自动运行，为水厂的少人或无人化值守提供了基础条件，改造完成稳定运行3个月后，该水厂一期滤池岗位取消。

（5）针对长期超负荷运行的特殊情况，将持续跟踪滤池运行处理效果，保证出水水质。