重力式无阀滤池的技术改造

重力式无阀滤池的技术改造

概况

重力式无阀滤池具有无大型阀门、正水头过滤、冲洗自动化、造价

低及操作管理方便等优点，因而在铁路或县镇中小型水厂中得到了广泛

的应用。但重力式无阀滤池存在以下问题：进水系统复杂、施工要求高；

进水过程易夹气，影响正常的过滤和反冲洗；采用单层石英砂滤料，滤

池产水量低，不能满足供水量日益增大的要求。

上饶铁路东门给水所的给水改扩建工程是将原12 000m3/d的供水规

33模扩建成20 000m/d，其中增加320m/h的重力式无阀滤池1座。作者

对国家标准图中240m3/h的重力式无阀滤池进行了技术改造，改造后的

重力式无阀滤池产水量提高到320m3/h，较成功地解决了以上几个方面的

问题。

1 改造后的构造和工作原理

改造后的无阀滤池构造见图1。过滤时的工作情况：浑水经进水总

管1流入进水分配箱22，由进水分配堰2进入竖井进水渠3，经消能板

4消能后，均匀地分布在滤料层5上，通过承托层6、小阻力配水系统7

进入底部配水空间8。滤后水从底部配水空间经连通区9上升到冲洗水

箱10。当水箱水位达到出水渠11的溢流堰顶后，溢入渠内，最后流入

清水池。

图1 改造后的重力式无阀滤池结构

1 进水总管 2 进水分配堰 3 竖井进水渠 4 消能板5 滤料层 6

承托层 7 小阻力配水系统 8 配水空间9 连通区 10 冲洗水箱 11

出水渠 12 虹吸辅助管 13 抽气管 14 虹吸上升管 15 虹吸下降管

16 排水渠 17 反冲洗调节器 18 虹吸破坏斗 19 虹吸破坏管 20

伞形顶盖 21 水封斗 22 进水分配箱

反冲洗时的工作情况：滤池运行中，滤层阻力逐渐增加，虹吸上升

管14中的水位相应逐渐升高。当水位达到虹吸辅助管12管口时，水自

该管中落下，并通过抽气管13不断将虹吸下降管15中的空气带走，使

虹吸管中形成真空。当虹吸上升管中的水越过虹吸管顶端与虹吸下降管

中上升的水柱相汇时，两股水流汇成一股，冲出虹吸下降管管口，把虹

吸管中残存的空气全部带走，形成连续的虹吸流。这时，水箱中的水自

下而上对滤料进行反冲洗。

在冲洗过程中，水箱内水位逐渐下降。当水位下降到虹吸破坏斗18

时，虹吸破坏管19把小斗中的水吸完。管口与大气相通，虹吸破坏，冲

洗结束，过滤重新开始。

2 技术改造要点及其分析

(1)改变浑水进水方式，取消原无阀滤池的进水U型存水弯和进水三

通，增加竖井进水渠3。竖井进水渠在池子内部连接滤池的进水分配箱

和伞形顶盖。滤池进水分配箱中的浑水直接由竖井进水渠进入锥形罩体

内部。给水所中原有160m3/h的重力式无阀滤池是按国家标准图建造的，

滤池在进水过程中夹进的气体，一部分可上逸并通过排水虹吸管出口端

排出池外，一部分将进入滤池并在伞形顶盖下积聚且受压缩。在滤池过

滤阶段，受压缩的气体会时断时续地膨胀并将虹吸管中的水顶出池外，

影响正常过滤；在滤池反冲洗阶段，受压缩的气体会使排水虹吸管虹吸

破坏不彻底，造成滤池连续反冲洗。这两种现象在原有的重力式无阀滤

池运行中时有发生，影响给水所的正常生产。目前，解决这种现象采取

的措施是：在进水管上设置进水U型存水弯或在适当位置设置气水分离

器。前者(国家标准图中采用的)较方便但解决措施不彻底，后者需增加

设备。为了保证进水系统不产生夹气运行现象，考虑以下几方面：①防

止滤池夹气运行。原进水系统进水管中的流速较大(规范中的设计流速为

0.5～0.7m/s)，空气不易从水中分离；改造后的进水系统竖井进水渠中

的流速较小(设计流速为0.1m/s左右)，水流的夹气作用减弱。②排除积

聚在伞形顶盖下面受压缩的气体。在过滤初期，虹吸管中气体和进水系

统进水过程中夹进的气体积聚在伞形顶盖下面，由于竖井进水渠中水流

速度较小，气体受压缩后易于从竖井进水渠中分离。

(2)改变进水分配箱。据报道［1］：标准图中的无阀滤池产生夹气运

行的主要原因是分配水箱中的配水堰与滤池进水管口两次水位跌差造成

的，当浑水进入滤池的进水管时，在管口又形成一个“跌水漏斗”形的

水封，这种水封将空气带入进水管内并阻碍从管内分离出来的空气排出。

改造后的无阀滤池进水系统，由于竖井进水渠中的水流速度较小，管口

水封作用减弱，所以作者认为进水分配水箱设计时仅需满足水力条件。

(3)改用单层均质石英砂滤料层，石英砂滤料层的粒径为0.8～

1.0mm，厚度为1 100mm。根据设计规范，滤料层的设计膨胀率取30%，

.2反冲洗强度取15L/(sm)，设计滤速取13m/h(为了保证安全，设计滤速

偏低，通过实际运行，作者认为滤速还可以提高一些)。承托层的级配及

其厚度同标准图。

(4)在虹吸上升管管口安装水封斗21。其主要作用是：①增加滤料

层膨胀后与虹吸上升管管口之间的安全高度。②防止滤池反冲洗过程中

跑砂。③便于滤池调试运行，防止调试过程中滤料流失。

3 运行情况

上饶铁路东门给水所水源取自信江。原水浊度在10～700NTU之间，

水力循环澄清池的出水浊度在8NTU以下，改造后的无阀滤池的出水浊度

在3NTU以下。

运行过程中，改造后的无阀滤池与给水所原有的无阀滤池对比表明：

改型后的滤池运行稳定，从未出现过夹气运行现象，工作周期比原有的

无阀滤池相对延长。

4 结束语

本改造工程于1995年6月设计完毕，次年全部工程顺利按设计要求

竣工并投入运行，1998年12月通过南昌铁路局验收。改造后的无阀滤

池，单池产水量由240m3/h提高到320m3/h，投资15万元，比建造一座

3320m/h的池子节省投资5万余元。至今为止，该无阀滤池已稳定运行将

近三年，完全达到了设计要求。

一、虹吸滤池

虹吸滤池是快滤池的一种形式，它的特点是利用虹吸原理进水和排走洗砂水，因此节省了两个闸门。此外，它利用小阻力配水系统和池子本身的水位来进行反冲洗，不需另设冲洗水箱或水泵，加之较易利用水力，自动控制池子的运行，所以已较多地得到应用。

1. 虹吸滤池的构造及工作原理

虹吸滤池是由6～8个单元滤池组成一个整体。滤池的形状主要是矩形，水量少时也可建成圆形。图3.27为圆形虹吸滤池构造和工作示意图。滤池的中心部分相当于普通快滤池的管廊，

滤池的进水和冲诜水的排除由虹吸管完成。管廊上部设有真空

控制系统14。

图的右半部表示过滤时的情况：经过澄清的水由进水槽1梳入滤池上部的配水槽2。经虹吸管3流入单元滤池的进水槽4，再经过进水堰5(调节单元滤池的进水量)和布水管6流入滤池。水经过滤层7和配水系统8而流入清水槽9，再经出水管

10流入出水井11，通过控制堰流出滤池。

滤池在过滤过程中滤层的含污量不断增加，水头损失不断增长，要保持出水堰12上的水位，即维持一定的滤速，则滤池内的水位应该不断地上升，才能克服滤层增长的水头损失。当滤池内水位上升到预定的高度时，水头损失达到了最大允许

值，(一般采用1.5～2.0米)滤层就需要进行冲洗。

虹吸滤池在过滤时，由于滤后水位永远高于滤层，保持正水头过滤，所以不会发生负水头现象。每个单元滤池内的水位，

由于通过滤层的水头损失不同而不同。

滤池的配水系统必须采用小阻力配水系统。因此可以利用

滤池本身的滤过水的水位(清水槽内水位)即可冲洗。

图的左半部表示滤池冲洗时的情况：首先破坏进水虹吸管3的真空，则配水槽2的水不再进入滤池，滤池继续过滤。起初滤池内水位下降较快，但很快就无显著下降，此时就可以开始冲洗。利用真空系统14抽出冲洗虹吸管15中的空气，使它形成虹吸，并把滤池内的存水通过冲洗虹吸管15抽到池中心

的下部，再由冲洗排水管16排走。此时滤池内水位降低，当清水槽的水位与池内水位形成一定的水位差时，冲洗工作就正式开始了。冲洗水的流程与普通快滤池相似。当滤料冲洗干净后，破坏冲洗虹吸管15的真空，冲洗立即停止，然后，再启

动虹吸管3，滤池又可以进行过滤。

冲洗水头一般采用1.1～1.3米。是由清水槽9的水位与冲洗排水槽顶的高差来控制的。滤池平均冲洗强度一般采用10～15升/秒·米2，冲洗历时5～6分钟。一个单元滤池在冲洗时，其他滤池会自动调整增加滤速使总处理水量不变。由于滤池的冲洗水是直接由清水槽9供给，因此一个单元滤池冲洗

时，其它单元滤池的总出水量必须满足冲洗水量的要求。

供给单元滤池冲洗强度的大小与采用的单元个数有关，它们的

关系可表示如下：

(3.38)

式中 q——冲洗强度(升/秒·米2)；

n——单元滤池个数；

Q——单元滤池的过滤水量(升／秒)；

F——单元滤池的面积(米2)。

上式也可以用滤速表示：

(3.39)

式中 v——过滤速度(米／时)。

当冲洗强度为10～15升/秒·米2，滤速为8米/时。利用上式可以算出滤池至少需要5～7个单元。如采用的滤速再高一些，则需要的单元滤池数目可以少一些。

圆形或多边形平面的虹吸滤池施工复杂。其单元池的平面为扇面形或梯形。冲洗时沿 池壁处因离排水槽较远，所以冲洗不干净，会有积泥。现标准图都采用矩形平面。处理水量为160米3/时～2400米3/时的虹吸滤池都有国家标准图可以选用。

2. 虹吸滤池的设计

虹吸滤池在设计中有些问题考虑的原则与普通快滤池相同，不再重述，这里把设计中特殊的问题进行讨论。

(1)滤池深度 虹吸滤池的深度因包括了冲洗水头，故比普通快滤池要深，目前我国设 计的虹吸滤池深4.5～5米。其组成尺寸如下：

滤池的总深度＝H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7+H8 (3.40)

式中 H1——滤池底部集水空间的高度，一般采用0.3米；

H2——小阻力配水系统的高度；

H3——滤料层的厚度，按设计需要决定；

H4——冲洗时滤料层的膨胀高度，H4＝H3 e％；

H5——冲洗排水槽总高度，H5＝冲洗排水槽净高+槽底结构厚度

(约0.1米)；

H6——出水控制堰与冲洗排水槽槽顶的高度差，即冲洗水头

(1.0～1.3米)；

H7——最大过滤水头采用1.5～2.0米；

H8——滤池保护高度，采用0.1～0.3米。

(2) 配水系统 虹吸滤池的冲洗水头，仅1.1～1.3米左右，它的配水系统只能采用小阻力配水系统。小阻力配水系统采用较多的有双层孔板，孔板网、三角槽孔板、穿孔滤砖和缝隙式滤头等。小面积滤池宜采用滤头，大面积滤池宜采用双层孔板。 缝隙式滤头小阻力配水系统在虹吸滤池、无阀滤池、压力滤池及离子交换器中普遍使用，通过生产实践，证明它能保证运转，并可省去砾石垫层，降低滤池深度；缺点是安装较复杂、造价较高，每平方米约装40～60个。每个滤头的缝隙面积在100～350毫米2，总缝隙面积约占滤池面积的0.5～2％。

滤头与滤板的连接方式有两种：当滤板用钢板或铸铁板时，滤头可以不用底座而直接拧在钢板上孔的丝扣中，当滤水板采

用钢筋混凝土板时，可采用底座上予埋短管而后接滤头的方式。

(3) 真空虹吸系统 真空虹吸系统是虹吸滤池的重要组成部分，系由真空泵、真空罐、管路(包括控制阀门)和进水、冲洗虹吸管等组成。

真空系统中可以不用真空泵而用水射器来代替。可以设制真空罐集中控制，也可不设真空罐，直接用水射器或真空泵抽气来形成虹吸。

进水虹吸管与冲洗虹吸管的尺寸按所通过的流量选定，其断面可为圆形或矩形。材料可采用钢板焊制，也可采用铸铁管材。真空泵按预定时间内完成虹吸管需要的真空抽气量，并考虑适当的余量来选定，形成冲洗虹吸的时间以2～5分钟左右为宜。

在标准设计中虹吸系统也可采用水力自动控制(也可手动操作)代替真空系统，不必另设真空泵。

3． 虹吸滤池的优缺点和适用条件

虹吸滤池在工艺构造方面有许多优点，同时也存在一定问题，它与普通快滤池相比有以下的优缺点。

(1) 优点 不需要大型的闸阀及相应的电动或水力等控制设备，可以利用滤池本身的出水量、水头进行冲洗，不需要设置洗水塔或水泵；可以在一定范围内，根据来水量的变化自动均衡地调节各单元滤池的滤速，不需要滤速控制装置；滤过水位永远高于滤层，可保持正水头过滤，不至于发生负水头现象；设备

简单，管廊面积小，控制闸阀和管路可集中在滤池中央的真空罐周围，操作管理方便，易于自动化控制，减少生产管理人员，降低运转费用；在投资上与同样生产能力的普通快滤池相比能降低造价20～30％，且节约金属材料30～40％。

(2) 缺点 与普通快滤池相比，池深较大(5～6米)；采用小阻力配水系统单元滤池的面积不宜过大，因冲洗水头受池深的限制，最大在1.3米左右，没有富余的水头调节，有时冲洗效果不理想。

(3) 适用条件 虹吸滤池适用于中小型给水处理(一般在4000吨/日～5000吨/日)，有较突出的优点。如水量小于4000吨/日，则采用重力式无阀滤池。虹吸滤池进水浑浊度的要求与普通滤池一样，一般希望在10毫克/升以下，这种滤池可以采用砂滤料，也可以采用双层滤料。虹吸滤池冲洗水投不高，所以滤料颗粒不可选的太粗，否则将引起冲洗水头不足，膨胀率很小，冲洗不净的后患。

二、重力式无阀滤池

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无阀滤池的构造如图3.28所示，其平面形状一般采用图形，也可采用方形。从澄清池来的水，经进水分配槽1，进水管2，及配水挡板5的消能和分散作用后，比较均匀地分布在滤层上部，水流通过滤层6、滤头7与垫板8进入集水空间9，然后经联络管10上升到冲洗水箱11。随着过滤的进行，冲洗水箱中的水位逐渐上升(虹吸上升管8中水位也相应上升)。当水位达到出水管12喇叭口的上缘时，便从喇叭口溢流到清水池。这就是无阀的过滤池的过滤过程。

无阀滤池的冲洗用水，全靠自己上部的冲洗水箱暂时储存。冲洗水箱的容积是按照一个 滤池的一次冲洗水量设计。无阀滤池常用小阻力配水系统。

当滤池刚投入运转时，滤层较清洁，虹吸上升管内外的水面差便反映了滤池清洁滤层过滤时的水头损失，如图3.28中所示的H初，这一数值一般在20厘米左右，也称它为初期水头损失。随着过滤的进行，水头损失逐渐增加，但是由于澄清池来水不变，就使得虹吸上升管内的水位缓慢上升，也就使得滤层上的过滤水头加大，用以克服滤层中增加的阻力，使滤速不变，过滤水量也因此不变。

当虹吸上升管内的水位逐渐上升，在到达虹吸辅助管13以前(即过滤阶段)，上升管中被水排挤的空气受到压缩，从虹吸下降管15的下端穿过水封进入大气。当虹吸上升管中的水位超过t虹吸辅助管18的上端管口时(此时的H终称“终期允

许水头损失”一般采用1.5～2.0米)，水便从虹吸辅助管中流下，当急速的水流经过抽气管14与管13连接处的水射器20时，就把管14中的空气带走，使它产生负压，同时把管15上端的空气抽走，也使虹吸管造成负压，由于在虹吸辅助管13上口入流处因产生旋涡，也夹带了一部分气体，更加速了虹吸管中真空度的增加。虹吸管上升管中的水位继续上升，同时虹吸管下降管15中的水位也在上升，当虹吸管3、15中两股水柱汇合后，虹吸即形成，水流便冲出管口流入排水井16，冲洗就开始了。虹吸的流量约为滤池进水流量的六倍，因此，由进水管来的水即被带入虹吸管。虹吸形成后，冲洗水箱的水便沿着与过滤相反的方向，通过管10，从下而上地经过滤池，自动进行冲洗，冲洗后的水进入虹吸管3，流到排水井。

在冲洗过程中，冲洗水箱的水位逐渐下降，当降到虹吸破坏斗17缘口以下时，虹吸破坏管18把斗中水吸光，管口露出水面，空气便大量由破坏管进入虹吸管，虹吸被破坏，冲洗即停止，虹吸上升管中的水位回降，过滤又重新开始。

无阀滤池的冲洗强度可用升降锥形挡板19来进行调整。起始冲洗强度一般采用12升/秒·米2，终了强度为8升/秒·米2，滤层膨胀率为30～50％，冲洗时间为3.5～5.0分钟。

无阀滤池能自动进行冲洗，这是它的特点，但是，由于某种原因(如出水水质已经恶化)。需要提前冲洗时(此时水头损失尚没达到终期允许水头损失)，就需要另外设置强制冲洗设

备，一般可以采用两种方法达到以上目的。一种是在虹吸辅助管上的水射器上端，按入一根高压水管(压力在2公斤/厘米2以上)，两管夹角为15度，有闸门控制，当需要人工强制冲洗时，开启闸门，高压水通过水射器，抽走虹吸管的空气，形成虹吸。另一种方法是用真空泵抽出抽气管14中的空气，使虹吸形成，达到人为地强制冲洗的目的。

无阀滤池的运行全部自动，操作方便，工作稳定可靠；在运转过程中滤层内不会出现负水头，结构简单，材料节省，造价比普通快滤池 低30～50％。但由于冲洗水箱建于滤池的上部，滤池的总高度较大；滤池冲洗时，进水管照样进水，并被排走，浪费了一部分澄清水，并且增加了虹吸管管径；因滤池有顶盖，所以滤料只能由顶盖和池壁的入孔装卸，并且不能观察到滤池的整个冲洗情况。

根据目前的实践经验，无阀滤池的进水浊度一般希望在10毫克/升以下。由于采用的是小阻力配水系统，所以滤他面积不能太大。目前已投入运转的单个无阀滤池的出水最均在160米3/时以内。无阀滤池适用于工矿、城镇的小型给水工程。

三、压力滤池

前面我们讨论的几种滤池都是水面与大气相通，依靠滤层上的水深，以重力的方式进行过滤的。压力滤池是密闭的钢罐，

里面装有和快滤池相似的配水系统和滤料等，是在压力下进行工作的。在工业给水处理过程中，它常与离子交换软化器串连使用，过滤后的水往往可以直接送到用水装置。

压力滤池的构造见图3.29，通常的冲洗排水槽改成了排水斗。滤料的粗度、厚度都比普遍快滤池的大，粒径一般采用0.6～1.0毫米，滤料厚一般用1.1～1.2米。滤速为8～10米/时，甚至更大，在采用粗滤料及滤料厚度大时，常考虑用压缩空气辅助冲洗，以节省冲洗水量，提高冲洗效果。

压力滤池的进、出水管上都装有压力表，两表压力的差值就是过滤时的水头损失，一般可选5～6米，有时可达10米。配水系统较多的采用小阻力系统中的缝隙式滤头。

压力滤池分竖式和卧式，竖式滤池有现成的产品，直径一般不超过3米。卧式滤池直径不超过3米，但长度可达10米。 压力滤池耗费钢材多，投资较大。但因占地少，又有定型产品，可缩短建设周期，且运转管理方便，在工业中采用较广。

四、微滤机

微滤机成功地应用于去除地面水，尤其是水库水中的浮游生物。它是一个鼓状的金属框架，上面复盖有不锈钢的支撑网与工作网，见图3.30。

旋转鼓筒1置于池2中，其1/2的直径露出水面。水由水

槽3经孔管4(同时作为转筒的轴)进入，从鼓筒里向外过滤，过滤后的水沿槽8引出。鼓筒上方有滤网的冲洗设备5，鼓筒内排水槽6收集冲洗水沿管7(作为转筒的支撑)排走。

我国湖南大学机电工厂生产不同规格的微滤机，鼓简直径由0.3～3米，长度与直径相等，生产率从250～36000米3/日。不锈钢丝网的规格有700 100目/吋2，500 100目/吋2及400 100目/吋2。约相当于滤网孔径35～60微米。过滤强度可取10～25升/秒·米2，冲洗滤网的水量为过滤水量的1—3％。微滤机运行管理中主要的矛盾是滤网冲诜是否干净的问题。 微滤机具有占地面积小，生产能力大、操作管理方便等优点，它可用于生活饮用水水厂原水的预处理，工业用水的处理、活水的预处理与最后处理以及工业废水中有用物质的回收等。

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