某水厂砂滤池改造方案

一、 某水厂的基本情况

某水厂设计年供水量18万吨，由三套系统组成，一套年供水量12万吨，采用气浮+V型滤池工艺。一套年供水量3万吨，采用气浮+虹汲滤池工艺。另一套年供水量3万吨，采用气浮+《粗滤料反粒度过滤》工艺。供水高峰时期，三套系统全部投入运行，供水低峰时期，以12万吨系统运行为主。

二、  某水厂《粗滤料反粒度过滤》滤池存在问题

2000年由长沙规划设计院采用湖南大学发明《粗滤料反粒度过滤》专利技术，设计参数为：池面积为4.2*4.2米，由六个池组成，滤池流速12米/时，水反冲洗强度为21升/秒平方米，冲洗时间为5-7分钟，滤池内由下部550毫米卵石层上部850毫米砂层组成，进水采用大阻力穿孔丰型管，在实际运行过程中，砂层内部被截留下来的泥无法随冲洗水带走，随着时间延长，运行状况日益恶化，导致砂层积泥越来越多，甚至造成砂层内局部形成泥球和结块，水穿过砂层速度就会发生变化，有的部位流速高，有的部位流速低，就会出现水走短路现象，最终结果是出水浊度严重超标，滤池无法正常运行。

三 、整改原则

采用先进、实用、可靠的处理工艺；

经治理后保证出水的各项指标达到自来水处理工艺滤池出水标准：

按照投资省、运行费用低、布局合理、运行效果稳定的原则进行设计改造；

选用国内外质量上乘、价格适中、并经实践考验过的先进设备，保证设施持久稳定运行；

第2章、滤池改造工艺方案

一、方案设计依据

某原有滤池相关图纸和某水厂高程图

《给水处理理论》

《室外给水设计规范》

《给水排水工程设计手册》

《给水排水工程快速设计手册》

《给水排水工程施工手册》

二、方案整改概述

2.1、 滤池整改的目的

1、 在保证出水浊度达标前提下，滤池能够长周期，稳定，正常运行。

2、 在不改变构筑物的基础上，尽量减少整改费用。

3、 在不影响高峰期供水前提下，尽量缩短整改周期。

2.2、 整改方案的选择

《粗滤料反粒度过滤》简称反滤池，从理论上分析，滤池在冲洗之后，滤层会自然形成上部砂粒径小，下部砂粒径大，下部空间就大，截污容量也大，运行周期长。但是在实际运行过程中，由于大量的泥聚集在砂层下部，反冲洗水带走积泥，必须要穿过砂层，因此冲洗水强度高，而水的密度较大，增加冲洗水强度，会出现跑砂现象，借签国内外先进滤池经验，如V型滤池，虹汲滤池，还是翻板滤池，他们都有一个共同点，都是采用气水反冲技术。由于空气密度小，仅有水的千分之一，气冲强度可大大提高，而不会出现跑砂现象。因此，在不改变滤池结构基础上，将反滤工艺改为正滤工艺，增加一套气冲洗装置，彻底解决滤池在运行过程中冲洗不干净的问题。

三、工艺设计计算说明

3.1、设计数据

设计水量 Q=36000 m3

滤速V=11.8m/h

滤池冲洗确定(见下表)

冲洗周期T=48h

反冲横扫强度1.8L/(s·㎡)【一般为 1.4～2.0 L/(s·㎡)】

3.2、设计计算.

3.2.1池体改造

3.2.1.1滤池工作时间T’

T’=24－t×24/T=24－0.2×24/28=24－0.1=23.9(h)(式中未考虑排放滤水)

3.2.1.2校核强制滤速V’

V’=NV/(N－1)=8×11.8/7=13.5m/h

满足V≦13.7 m/h 的要求.

3.2.1.3滤池高度的确定

原有反粒度滤池的总高为：3.21m，因此在不影响出水浊度的情况下，科学安排滤各部分的高度是本设计的基础。根据v型滤池的设计规范。我们将各部分高度安排如下：

滤池超高H5=0.18m

滤池口水深H4=1.25m

滤层厚度H3=0.95m(0.95～1.5m)

滤板厚H2=0.13m

滤板下布水区高度H1=0.7m(0.7～0.9m)

其中冲洗时形成的气势层厚度为(0.1～0.15m)

滤池总高度

H=H1+H2+H3+H4+H5

=0.7+0.13+0.95+1.25+0.18

=3.21m

3.2.1.4 水封井的设计

滤池采用单层加厚均粒滤料,粒径0.95～1.35 ㎜,不均匀系数1.2～1.6。

均粒滤料清洁滤料层的水头损失按下式计算

△ H 清=180V/g·(1－m0))2/mo3·(1/∮d0)2L0v

式中:

△H 清—水流通过清洁滤料层的水头损失,㎝;

V—水的运动黏度, c ㎡/s; 20℃时为0.0101 c ㎡/s;

g—重力加速度, 981 ㎝/s2;

m0—滤料孔隙率; 取0.5;

d0—与滤料体积相同的球体直径,㎝,根据厂家提供数据为0.1 ㎝

L0—滤层厚度, L0=95 ㎝

v—滤速,㎝/s,v=11.8m/h=0.328 ㎝/s;

∮—滤料粒径球度系数,天然砂粒为0.75～0.8,取0.8;

△ H 清=180×0.0101/981×(1－0.5)2/0.53·(1/0.8×0.1)2·95×0.328=14.25 ㎝根据经验,滤速为8～10m/h 时,清洁滤料层的水头损失一般为30～40 ㎝,计算值比经验值低,取经验值的低限30 ㎝为清洁滤料层的过滤水头损失,正常过滤时通过长柄滤头的水头损失△h≦0.22m,忽略其他水头损失,则每次反冲洗后刚开始过滤时,水头损失为△ H 开始=0.3+0.22=0.52m 为保证滤池正常过滤时池内的液面高出滤料层,水封井出水堰顶标高与滤料层相同。

设计水封井平面尺寸2m×2m,堰底板比滤池底板低0.3m.

水封井出水堰总高:

△ H 水封=0.3+H1+H2+H3=0.3+0.7+0.13+0.95=2.08m

因为每座滤料过滤水量:

Q 单=v·f=11.8×4.2×3.78=187.5m3 /h=0.0521m3 /s

所以水封井出水堰上水头由矩形堰的流量公式

Q=1.84bh3/2 计算得:

H 水封=｛Q 单/(1.84b 堰)｝2/3=｛0.0521/(1.84×2)｝2/3=0.0585 m=0.06m

3.2.2、反冲洗管渠系统

3.2.2.1长柄滤头配水配气系统

<1>长柄滤头安装在混凝土滤板上,滤板固定在梁上,滤板用0.05m 后预制板上浇注0.08m 后混凝土层,滤板下的长柄部分浸没于水中,长柄上端有小孔,下端有竖向缝,气水同时反冲洗时,约有2/3 空气有上缘小孔进入,1/3 空气由缝隙进入柄内,长炳下端浸没部分还有一个小孔,流进冲洗水,这部分气水在柄内混合后有长柄滤头顶部的条缝喷入滤层冲洗。

<2>长柄滤头固定板下的气水室高度为0.7m,其中冲洗时形成的气垫层厚度为0.1～0.15m。

<3>向长柄滤头固定板下气水室配气的出口应该紧贴滤头固定板的底面，由配水干管向气水室配水的支管出口应该紧贴池底。

<4>长柄滤头配气系统的滤帽缝隙与滤池过滤面积之比为1/80，每平方米的滤头数量为49~ 个。

<5>冲洗水和空气同时通过长柄滤头的水头损失按产品的实测资料确定。

<6>向长柄滤头配水配气系统气水室配气的干管的进口流速为5m/s 左右；配气支管或孔口流速为10m/s 左右。配水干管进口流速为1.5m/s 左右；配水支管或孔口流速为1~1.5m/s.

长柄滤头结构如下图所示：

3.2.2.2、反冲洗用水量Q 反的计算:

反冲洗用水流量按水洗强度最小时计算.单独水洗时反冲洗强度最大,为5L/(s·㎡)

Q 反=q 水·f=5×16=80 L/s=0.08 m3 /s

V 型滤池反冲洗时,表面扫洗同时进行,其流量:

Q 表水= q 表水·f=0.0018×16=0.0288 m3 /s

C、反冲洗配水系统的断面计算.

由于改造后的V型滤池采用小阻力配水方式，因此必须对原有反粒度滤池的配水管道系统进行改造，针对原有的大阻力丰字型布水主管无法拆除。因此布水方式只有在原有基础上进行改造，通过科学计算和对现场实际情况的研究，针对反冲洗配水系统的具体改造如下：

将反冲洗布水主管上法兰连接的布水支管拆除。主管上的支管连接口作为布水孔道。

反冲洗配水干管用原有布水管道,流速v=0.41m/s。反冲洗水由反冲洗配水干管输至原大阻力丰字型布水主管,由大阻力丰字型布水主管上侧的原有布水孔道配水的滤池底部布水区,反冲洗水通过配水孔道的流速根据配水量和孔道截面积算出,由于配水孔道为28个DN80，所以反冲洗孔道流速为:

v 水支= Q 反水/A 方孔 =0.08/（28×3.14×0.04×0.04）=0.57 m/s

 3.2.2.3反冲洗用气量的计算:

反冲洗用气流量按气冲强度最大时的空气流量计算.这时气冲的强度为15

L/(s·㎡)

Q 反气=q 气·f=15×16=240 L/s=0.24 m3 /s

配气系统的端面计算

配气干管流速应为5m/s 左右,则配气干管的截面积

A 气干= Q 反气/v 水干=0.24/5=0.048㎡

反冲洗配气干管用钢管.DN250,流速5.0m/s.配气管道一直深入滤池底部布水区，并沿布水区紧贴滤板下缘布置，反冲洗用空气由反冲洗配气干管输送至气水分配区,由配气干管两侧的开凿的布气小孔配气到滤池底部布水区,布气小孔紧贴滤板下缘,间距与布水方孔相同,共计28个,反冲洗用空气通过配气小孔的流速按反冲洗配气支管的流速取值。

反冲洗配气支管流速或孔口流速为10m/s 左右,则配气支管的截面积:

A 气支= Q 反气/v 水支=0.24/10=0.024㎡

每个布气小孔面积:

A 气孔= A 气支/28=0.024/28=0.000857㎡

孔口直径:

d 气孔= (4×A 气孔/π)1/2=(4×0.000857/3.14)1/2=0.033m

每孔配气量:

Q 气孔=Q 反气/28=0.24 /28=0.00857 m3 /s=30.86m3 /h

 3.2.2.4滤池管渠的布置:

<1>反冲洗管渠.

A、气水分配系统.

反冲水分配管两侧沿程各布置14个配水小孔,孔间距0.29m,共28个配水孔，反冲布气管道两侧沿程各布置14个配水小孔,孔间距0.29m,共28个配气小孔。

B、排水集水槽:

排水集水槽顶端高出滤料层顶面0.5m,则排水集水槽高:

H 起=H1+H2+H3+0.5-1.5

=0.7+0.13+0.95+0.5-1.5

=0.78m

式中H1,H2,H3,同前池体造型设计部分滤池高度确定的内容。

排水集水槽末端高:

H 末=H1+H2+H3+0.5－1.0

=0.9+0.13+1.4+0.5－1.0

=1.28m

式中H1,H2,H3,同前池体造型设计部分滤池高度确定的内容。

底坡I=(1.28－0.78)/L=0.5/4.2=0.119

C、排水集水槽排水能力校核.

由矩形断面暗沟(非满流n=0.013).计算公式校核集水槽排水能力.

设集水槽超高0.3m.则槽内水位高h 排集=0.48 米,槽宽,b 排集=0.40m。

湿周X=b+2h=0.40+2×0.48=1.36 ㎡

水流断面:A 排集= b×h=0.40×0.48=0.192㎡

水力半径:R= A 排集/X=0.192/1.36=0.151m

水流速度:v=R2/3·I1/2/n=7.19m/s

过流能力Q 排集=A 排集·v=0.192×7.19=1.38 m3 /s

实际过水量:

Q 反=Q 反水+Q 表水=0.08+0.0288=0.1088 m3 /s﹤过流能力Q 排集

<2>进水管渠.

A、 进水总渠.

8个滤池分为的两组,每组进水总渠过水流量按强制过滤流量设计,流速0.8～1.2m/s,则强制过滤流量

Q强=(36000/3)×2=24000m3 /d=0.28m3 /s

进水总渠水流端面积A 总=Q 强/v=0.24㎡

进水总渠宽0.5m,水面高0.48m

B、 每座滤池的进水孔:

每座滤池由进水侧壁开三个进水孔,进水总渠的浑水通过这三个进水孔进入滤池,两侧进水孔孔口在反冲洗时关闭,中间进水孔孔口设手动调节闸板,在反冲洗时不关闭,供给反冲洗表扫用水,调节闸门的开启度,使其在反冲洗时的进水量等于表扫水用水量,孔口面积按口淹没出流公式:

Q=0.8√2gh 计算,其总面积按滤池强制过滤水量计,孔口两侧水位差取0.1m,则孔

口总面积

A 孔= Q强/0.8√2gh=0.28/0.8（2×9.8×0.1）1/2=0.25㎡

中间面积按表面扫水量设计。

A 中孔=A 孔×(Q表水/Q强)=0.25×(0.0288/0.28)=0.026㎡

孔口宽B排=0.13m.高H中孔=0.2m

两侧孔口设闸门。采用橡胶囊充气阀,每个侧孔面积：

A 侧=(A 孔－A 中孔)/2=(0.25－0.026)/2=0.112 ㎡

孔口宽0.56m,高H 侧孔=0.2m

C、 每座滤池内设的过水堰.

为了保证进水稳定性,进水总渠引来的浑水经过过水堰进入每座滤池内的配水渠，

在经滤池内的配水渠分配到两侧的V 形槽，宽顶堰宽b 宽堰＝4.2m,宽顶堰与进水渠平

行设置，与进水总渠侧壁相距0.3m，堰上水头由矩形堰的流量公式Q＝1.84bh3/2

得，

h 宽堰＝｛Q 强/（1.84b 宽顶）｝2/3＝｛0.28/（1.84×4.2）｝2/3＝0.11m

D、 每座滤池的配水渠；

进入每座滤池的混水经过宽顶堰溢流进配水渠，由配水渠两侧的进水孔进入滤池内的V 形槽。

滤池配水渠宽b 配＝0.5m。渠高0.5m。渠总长等与滤池总宽。则渠长L 配渠＝4.2m。

当渠内水深0.35m 时，流速（进来的混水由分配渠中段向渠两侧进水孔流去，

每侧流量为Q 强/2）

V配渠＝Q 强/（2b配渠h 配渠）＝0.28/（2×0.5×0.35）＝0.8m/s

满足滤池近水管渠流速0.8～1.2m/s

E、 配水渠的水力半径：

R配渠=b配渠h配渠/(2h配渠＋b配渠)=0.5×0.35/(2×0.35＋0.5)=0.146m

I渠=(nv配渠/R 深2/3)2=(0.013×0.8/0.1462/3)2=0.0014

渠内水面降落量

△ h 渠=I渠L配渠/2=0.0014×4.2/2=0.003m

因为配水渠最高水位:

h配渠+△h渠=0.35+0.003=0.353m﹤渠高0.5m

所以配水渠的过水能力满足要求.

(3)V 形槽的设计:

V 形槽槽底设表扫水出水孔直径取dv孔=0.025m,间隔0.15m.每槽共计28 个,则单

侧V 形槽表扫水出水孔出水总面积A 表孔=(3.14×0.0252/4)×28=0.0137㎡

表扫水出水孔低于排水集税槽堰顶0.15m,即V 形槽槽底的高度低于集水槽堰顶

0.15m

据潜孔出流公式

Q=0.8A ,其中Q 为单格滤池的表扫水量.则表面扫洗时V 形槽内水位高出滤池反冲洗时滤面hv滤=｛Q表水/2×0.8A 表孔｝2/2g

=｛0.0288/2×0.8×0.0137｝2/2×9.8=0.088m

反冲洗时排水集水槽的堰上水头由矩形堰的流量公式

Q=1.84bh3/2

式中b—集水槽长

b=L排槽=4.2m,Q 为单格滤池反冲洗流量

Q反单=Q反=0.08=0.08m3/s

所以,h排槽=｛Q 反单/(1.84b)｝2/3=0.0475m

V 形槽倾角45 度,垂直高度0.75m,壁厚0.05m.反冲洗时V 形槽顶高出槽内液面的度为:

0.75－0.15－h排槽－hv液=0.75－0.15－0.0475－0.088=0.45m

3.2.3阻力计算

3.2.3.1返洗水管道阻力计算：

本设计选用冲洗供水，

A,冲洗水泵到滤池配水系统的管路水头损失△h1

反冲洗配水干管用钢管DN300,与滤池配水管道采用变径连接管内流速为1.13m/s,1000i=6.63，布置管长总计100m

△hf=it=6.63×100=0.663m

主要配件及局部阻力系数,见下表:

则冲洗水泵到滤池配水系统的管路水头损失

△ h1=△hf+△hi=0.663+0.335=1.0m

清水区最低水位与排水槽堰顶的高度差H0=1m。

B、滤池配水系统的水头损失△h2

<1>反冲水管道的水头损失△h反水

反冲洗管道是原有的底部为DN500的管，上部截面是200×200的方管的异型管。

则异型管上部的方管折算成圆管的面积为:0.00785 m2

Q反水=0.08 m3 /s,

V反水=Q 反气水/(S1+S2)=0.08/（0.00785+0.19625）=0.39m/s

水力半径:R反水=｛(S1+S2)/3.14｝1/2

=｛0.2041/3.14｝1/2=0.255m

查表得：水力坡度:I反渠=0.5/1000

管内水头损失:

△ h反水=I反水×L反水=0.5/1000×4.2=0.0021m

<2>配水孔眼水头损失△h孔:

配水孔眼水头损失按孔口淹没出流公式QA 计算,其中.Q 为Q反气水,A 为配水方孔总面积.由反冲洗配水系统的断面计算部分可知。配水方孔的实际总面积为A 方孔＝0.14 ㎡，则

△ h孔＝｛Q反气水/0.8A方孔｝2/2g

＝｛0.08/（0.8×0.14）｝2/2×9.8

＝0.026m

<3>查手册，反冲洗经过滤头的水头损失△hi滤头﹤0.22m

<4>气水同时通过滤头时增加的水头损失, △h增≦0.22 m

气水同时反冲洗时,气水流量比为15/4=3.75.长柄滤头配气系统的滤帽缝隙总面积与滤池过滤面之比约为1.25﹪.则长柄滤头中的水流速度:

V柄=Q 反气水/1.25﹪f=0.08/0.0125×16=0.4m/s

通过滤头时增加的水头损失:

h增=9810×n×(0.01－0.01×V柄+0.12×V柄2)

=9810×n×(0.01－0.01×0.4+0.12×0.42)

=927Pa=0.093mH20

则滤池配水系统的水头损失

△ h2=△h反水+△h孔+△h滤+△h增

=0.021+0.026+0.22+0.093=0.36m

C,砂滤层水头损失△h3

滤料为石英砂,容重r1=2.65 吨/m3,水的容重r=1 吨/m3,石英砂滤料膨胀前的孔隙率

mo=0.41.滤料层膨胀前的厚度H3=0.95m,则滤料层水头损失:

△ h3=(r1/ro－1)(1－mo)H3=0.923m

D,富余水头△h4 取1.25m.

则反冲洗水水泵的最小扬程为:

H水泵=HO+△h1+△h2+△h3+△h4

=1.0+1.0+0.36+0.923+1.25

=4.53m

Q反水=0.08m3/s=288 m3/h

选三台ISW150-200A 型单级双吸离心泵,两用一备,扬程10m 时,水泵流量179m3/h。

3.2.3.2反洗空气管路损失：

<1>长柄滤头的气压损失△P滤头：

气水同时反冲洗时反冲洗用空气流量Q 反气＝0.24 m3 /s。长柄滤头采用网状布

置，约55 个/㎡，则每座滤池共计安装长柄滤头：

n＝55×16＝880 个

每个滤头的通气量0.24×1000/880＝0.27L/s

根据厂家提供数据，在该气体流量下的压力损失量最大为：

△ P 滤头＝3000Pa=3kPa

〈2〉气管小孔的其压损失△P气孔

反冲洗时空气通过配气小孔的流速：

V气孔＝10 m /s

压力损失按孔口出流方式：

Q＝360uA 计算：

式中：u—孔口流量系数。u=0.6

A— 孔口面积，㎡

△ P—压力损失

g—重力加速度，g=9.8 m2 /s

Q—气体流量，m3 /s

r—水的形对密度,r=1

则气水分配渠配气小孔的压力损失

△ P气孔=Q2气孔r/(2×36002u2A2

气水g)

=30.862/(2×36002×0.62×0.0008572×9.8)       0.0017 m3 /s=6.2 m3 /h

=14mmH2o

=137Pa

=0.137Kpa

<3>配气管道的总压力损失△P总:

A,配气管道的沿程压力损失△P1

反冲洗空气流量0.24 m3 /s,配气干管用DN250 钢管,流速5.0 m /s,满足配气干管

流速为5m/s 左右的条件,反冲洗空气管总长80m,气水分配区内的压力损失忽略不

计。

反冲洗管道内的空气气压计算公式;

P气压=(1.5+H气压)×9.8

式中:

P气压—空气压力.Kpa

H气压—长柄滤头距反冲洗水面的高度m,H气压=1.45m,则反冲洗时空气管内的气

体压力.

P 空气=(1.5+H气压)×9.8=(1.5+1.45)×9.8=28.91KPa

空气温度按30℃考虑,查表空气管道的摩阻为9.8KPa/1000m

则配气管道沿程压力损失:

△ P1=9.8×60/1000=0.59KPa

B,配气管道的局部压力损失△P2

主要配件及长度换算系数§, 见表:

L0—管道当量长度,m

D—管径,m

K—长度换算系数

空气管配件换算长度L0

L0=55.5KD1.2=55.5×6.91×0.5×1.2=166.9m

则局部压力损失:

△ P2=166.9×9.8/1000=1.KPa

<4>气水冲洗室中的冲洗水压P水压:

由于反冲气管和反冲水管分属两个部分，因此反冲水管的冲洗水对压P水压可以估计为P水压=K(H水泵－△h1－△h反水－△h小孔)×9.81    K取0.15

=0.15(11－1.0－0.0021－0.026)×9.81

=13.87KPa

计本系统采用气水同时反冲洗,对气压要求是不利情况发生在气水同时反冲洗时，此时要求鼓风机或贮气罐调节阀出口的静压为:

P 出口=P 管+P 气+P 水压+P 富

式中:

P管—输出管道的压力总损失, KPa

P气—配气系统的压力损失, KPa.本设计

P气=△P 滤头+△P 气孔

P水压—气水冲洗室中的冲洗水水压, KPa

P富—富余压力.4.9KPa

所以,鼓风机或储气罐调节阀出口的静压力为:

P出口=P管+P 气+P水压+P富

=2.33+2.+4.9+13.87=24Kpa

<5>设备选型:

根据气水同时反冲洗时反冲洗系统对空气的压力风量要求,造三台罗茨风机SR100，其中两用一备,风量7.23 m3 /min

风压58.9KPa,电机功率11KW,型号BSR100，正常工作风量:7.23m3 /min

四、工程设备明细：

4.1主要设备和材料清单（表一）

一、方案实施时间计划