虹吸滤池自动冲洗装置试验研究

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摘要：本文论述了本项试验研究所取得的成果。生产试验表明：该装置具有利用待滤水、操作方便、构造简单、投资省等优点。另外，就虹吸滤池自动冲洗普遍存在的几个问题进行了研究，并取得了一定的成效。

关键词：虹吸滤池 自动冲洗装置 锥形三通

EXPERIMENTAL RESEARCH IN AUTOMATIC BACKWASH INSTALLATION OF SIPHON EILTER

Abstract: The paper discusses the achievements obtained from this experimental research , which proves that the experimental installation offer such advantages as the use of water to be filtered ,easy operation ,compact construction and small investment.In addition ,it also successfully deals with some common problems which exist in automatic back wash installationt of siphon filter.

Key words: siphon filter,automatic backwash installation ,tapered wye branch.

1 前言

虹吸滤池在我国给水行业得到了广泛的应用。分析其原因，虹吸滤池可以省去大型闸门，不需要冲洗水塔或水泵以外，还因操作方便这个因素决定的。但虹吸滤池的冲洗最初几乎都是采用真空系统。这种方式需要一套真空设备，不仅耗电，而且管理、维修也较麻烦。因此，近十多年来出现了各种方式的自动冲洗装置，然而它们均存在一些问题。例如最早使用的水力自动冲洗装置，由于要等排水虹吸形成以后，水位下降到一定深度，进水虹吸才能破坏，停止进水，故待滤水浪费很大，而且当两格或两格以上滤池同时达到最高水位时，易发生同时冲洗的现象。后来设想的杠杆式水力自动冲洗装置，进水虹吸先破坏，排水虹吸后形成。在排水虹吸形成过程中可利用一部分待滤水，但杠杆易失灵，维修较麻烦。前几年设想的附控制器的自动冲洗装置，虽然有所改进，但需要一套控制器，不仅上马困难，而且管理要求高[1]。为了克服上述装置的缺点，我们设想了一种水电结合式的自动冲洗装置，于1985年6月至7月在武汉市自来水公司琴断口水厂进行了初步试验，取得了一定的成果[2]，该成果应用于湖北襄樊棉纺织染厂附属水厂新建的虹吸滤池，滤池规模为2万m3/d，分为8格，每格滤池面积为4.2×3.0m，进水虹吸管面积为300×200mm，排水虹吸管面积为450×450mm 。生产试验装置于是1985年8月开始安装，1986年8月正式投产运行，9月对各种参数进行了测定，1987年6月通过省级签定，同年荣获建设部科技进步三等奖，1988年3月获国家实用新型专利（专利号：86208392·3）。

2 生产试验装置及原理

生产试验装置如图1所示。它主要由进水虹吸辅助管15与抽气管4、排水虹吸辅助管14与抽气管2、进水锥形三通13与排水锥形三通11，虹吸破坏阀9、法兰短管10、电磁铁8、浮球12、连杆16、永久磁铁17、干簧开头18等部件所组成。当进水渠进水时，进水虹吸辅助管15开始通过进水锥形三通13对进水虹吸管5抽气，使其形成虹吸，来水由进水虹吸管5进入水封井再流入滤地，开始过滤。随着过滤不断进行，滤层水头损失越来越大，水位上升，浮球12及连杆16也随着上升。当上升到滤池设定的最高水位时，连杆16下端的永久磁铁17a使干簧开头18a接通电路，电磁铁8得电动作，将进水虹吸破坏阀9内的钢球提起，空气通入，进水虹吸破坏。与此同时，电磁铁8提起排水辅助管上的法兰短管10，使法兰打开，排水虹吸辅助管14开始通过排水锥形三通11对排水虹吸管6进行抽气。在抽气过程中，池内的水靠重力继续过滤，水位下降，这样可以利用一部分待滤水。当水位下降到一定深度时，排水虹吸形成，水位迅速下降。降至接近排水槽顶部时，连杆16上端永久磁铁17b使干簧开关18b接通，时间继电器开始计时，反冲洗正式开始，水自下而上通过砂层，使其得到清洗。当达到所需要的冲洗历时时（可调节），延时开关断开，电磁铁8失电，钢球下落，将破坏阀9关闭，进水虹吸形成。与此同时，法兰短管10下落，空气进入，排水虹吸破坏，滤池又恢复正常过滤。

3 试验结果及分析

1986年9月3日至17日，对试验装置进行了测定，现选择有代表性的成果列于表1。从表1中可以看出，进水虹吸形成时间一般30～40s，进水虹吸破坏时间6～10s，排水虹吸形成时间5～8min（可调节），池内水位下降0.8～1.1m，每冲一次每格可利用待滤水10～15m3，排水虹吸破坏时间10～15s，反冲洗历时6～10min（可调节）。

为了缩短滤池整个反冲洗所花费的时间，使滤池有效工作时间延长，进水虹吸与破坏、排水虹吸的破坏所需的时间应尽可能短。据国内有关资料报导，进水虹吸形成时间一般为60～120s，进水虹吸破坏时间为20～30s。本装置实测运行参数远远低于上述范围，显然对滤池的经济运行是十分有利的。

表1 自动冲洗装置实测结果 测定

日期 滤池号 进水虹吸

形成时间 进水虹吸

破坏时间 排水虹吸

形成时间 排水虹吸

破坏时间 反冲洗

时间 池内水位

下降值（m） 可利用

待滤水（m3) 备 注 9.6 5# 40" 6" 10‘20" 14" 6‘20" 9.6 6# 30" 9" 8‘49" 12" 10‘58" 9.9 6# 27" 6" 7‘10" 10" 8‘5" 0.97 13.3 9.9 7# 37" 6" 5‘42" 13" 8‘18" 1.16 17.6 9.10 8# 31" 6" 6‘07" 13" 8‘17" 0.84 12.4 9.11 1# 36" 8" 7‘21" 11" 1‘19" 0.85 12.7 9.13 3# 1‘ 12" 6‘13" 15" 8‘39" 1.05 14.6 9.13 8# 39" 6" 3‘19" 13" 8‘17" 0.50 7.0 9.13 6# 38" 8" 6‘48" 10" 6‘20" 0.96 10.4 9.17 5# 33" 6" 6‘35" 12" 6‘25" 1.00 14.2 4 结论

试验结果表明，该装置具有以下优点：

a 可利用一部分待滤水，具有一定的经济和社会价值。根据试验结果，2万m3/d的滤池，冲洗一次可利用待滤水174m3（平均值），以每天冲洗一次计，一年可利用待滤水6,3510m3。按1万m3水平均所创造的工业产值50万元计，一年可利用的水可创造工业产值约318万元。

b 装置简易，没有机械设备和较复杂的电气设备，投资省，上马容易。

c 冲洗和过滤完全自动，故操作管理方便。

d 通过电气线路瓦锁，可以避免多格同时冲洗，以保证冲洗强度。

e 采用时间继电器，能准确地控制反冲洗历时，并能根据冲洗需要进行调节。

f 不需要另设强制冲洗控制系统，因排水虹吸辅助管进水口在进水槽常水位以下，可按需要随时进行反冲洗。

总之，这种装置简易，实用，经济，易于推广，对大小不同的虹吸滤池均可使用。

5 问题研究

5.1 最高水位的确定

虹吸滤池的冲洗是根据池内最高水位控制的。定高了，固然工作周期可以延长，但杂质可能穿透滤层，使过滤水质难以保证，滤池造价增高；定低了，虽然水质得到保证，滤池造价可降低，但工作周期缩短，需要的冲洗水量增多。过去虹吸滤池的最高水位是根据设计过滤水头1.2～1.5m 来定[3]。为什么要定这么大？据笔者了解还没有这方面的依据，而且也没有与水质联系起来。笔者认为，合理的最高水位应该是满足水质要求的最高水位。这个最高水位可以根据试验来确定[4]。

在滤速、原水浊度、加矾量一定的情况下，每隔一定时间分别测定滤池出水浊度和过滤水头损失，其数据填入表2中，并绘制滤池出水浊度（c）和过滤水头损失（h）与时间（t）的关系曲线（见图2中实线）。

从图2可以看出，出水浊度c与时间t的关系为指数关系，过滤水头损失h与时间t的关系为直线关系，通过回归分析，可以分别求出： c与t的试验公式为

c=0.214e0.234t (1)

h与t的试验公式为

h=0.18+0.18t (2)

从式（1）、（2），算出不同t的c、

h值，并绘制出c～t、h～t的理论曲线（见图2中虚线）。与实测曲线比较，可以看出理论曲线和实测曲线比较接近，故式（1）、（2）较正确地反映了c与t、h与t之间的关系。

将式（1）、（2）合并，并加以整理，得到过滤水头损失h与出水浊度c的试验公式为

h=0.77lnc+1.37 (3)

表2 滤池出水浊度和过滤水头损失测试数据 时 间 出水浊度 c/NTU 过滤水损失 h/m 备 注 0 0.20 0.10 1 0.25 0.25 原水浊度100NTU 2 0.35 0.40 加矾量2.0mg/l 3 0.45 0.74 滤速10m/h 4 0.60 1.08 5 0.72 1.21 6 0.82 1.33 7 1.05 1.46 8 1.35 1.60 9 1.70 1.80 10 2.25

2.00 11 3.06 2.20 12 3.45 2.27

根据式（3），算出不同c下的h值，并绘制出h～c的理论曲线（见图3中的虚线），同时根据表2绘制出h～c的实测曲线，可以看出两条曲线比较接近，故式（3）较正确地反映了h与c之间的关系。

为了保证出厂水浊度不超过3NTU，滤池出水浊度应比出厂水浊度更低。在此，我们取滤池出水浊度为1.5NTU作为最大过滤水头损失值的先决条件。在式（3）中，取c=1.5代入，便可以求得h=1.68m。这就是通过试验所求得的最大过滤水头损失值，从而可以求得虹吸滤池最高水位。

应当指出的是最大过滤水头损失值与滤前水质、滤层组成、滤速及所用药剂有关，因此，它是因条件而异的，应通过试验来确定。

5.2 排水虹吸形成时间的确定

进水虹吸停止进水以后，池内待滤水可以靠重力继续过滤。从理论上讲，滤池内清水渠水位以上的待滤水全部可以利用。但随着过滤的延续，滤池水位与清水渠水位的差值，即可利用的水头越来越小，所以到过滤后期，可利用的待滤水并不多，然而所耗的时间却很长，结果缩短了滤池工作时间，达不到经济运行的目的。由此可见，排水虹吸形成时间存在一个经济运行的最佳值[5]。为了寻求这个最佳值，我们曾在某水厂对虹吸滤池排水虹吸形成时间和过滤水头进行了实测，选择有代表性的一组列于表3 ，并绘制出过滤水头H随时间t变化的关系曲线（见图4中的实线）。

表3 排水虹形成时间与过滤水头测试数据 形成时间t/min 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 过滤水头H/m 1.22 1.04 0.89 0.76 0.67 0.60 0.54 0.49 0.44 0.40 0.36 0.33 0.29 0.27 0.25 0.23

H = Hmax/(0.161t1.187+1)

(4)

由图4可知，H与t为一条曲线，根据回归分析，可以求得H与t的试验公式为

式中Hmax--最大过滤水头（m），当t=0时，Hmax=1.22m；

t---排水虹吸形成时间（min）。

由式（4），算出不同t的H值，并绘制出H～t的理论曲线（见图4的虚线），与实测曲线比较接近，故式（4）较正确地反映了H与t之间的关系。

为了确定最佳排水虹吸形成时间，设可利用的待滤水量百分数为α，其表达式为

α=(Hmax-H)/Hmax = 1 - H/Hmax

即Hmax=H/(1-α) ，代入式（4）得

t={[1/(1-α)]/0.161}1/1.187

(5)

取不同百分数a，由式（5）、（4）算出相应的t和H值，见表4。然后根据表4，绘制a和t关系曲线，见图5。

表4 排水虹吸形成时间和过滤水头计算值 时间 t/min 0.732 1.449 2.281 3.310 4.658 5.515 6.555 7.847 9.510 14.977 29.657 过滤水头 H/m 1.098 0.976 0.854 0.732 0.608 0.550 0.488 0.427 0.366 0.427 0.366 百分数 a/% 10 20 30 40 50 55 60 65 70 80 90

因曲线曲率最大点不明显，故在上述曲线两端上各作一条切线，再作其交点的平分线与曲线相交，从而求得所需的最佳点。

从图5中求得a为62%，t为7min，即可利用的待滤水为62%时，排水虹吸形成时间以7min为宜。

同样，应当指出的是最佳排水虹吸形成时间还与滤层组成、滤前水质、过滤运行条件等因素有关，因此，在设计时必须予以考虑。

5.3 进水虹吸的破坏与形成

为使虹吸滤池冲洗时少排掉待滤水，运转达到设定的最高水位后，进水虹吸必须先停止进水，而且虹吸破坏要尽可能快。另外，当冲洗结束时，进水虹吸又要尽可能快地形成。为此我们采用了图6所示的虹吸破坏阀。阀内有一钢球，通过链条与电磁铁连接，阀下端与进水虹吸破坏管相连，阀体周围开有圆孔，阀体内下部设有密封环。当电磁铁通电后，钢球被拉起，空气立即从圆孔进入，使进水虹吸很快破坏。当冲洗结束时，由于电磁铁失电，钢球下落，严密地将下孔堵住，使进水虹吸很快形成。根据实测，进水虹吸破坏时间为6～10S，形成时间为30～40S。实践证明，这种阀简单、灵活，很受欢迎。

5.4 排水虹吸的形成与破坏

为了达到利用待滤水的目的，需要使排水虹吸形成慢一些，但为了滤池很快恢复过滤，又必须使排水虹破坏快一些。如果按过去的传统作法，在抽气管上装一个闸阀，抽气时关小一些，这样固然可以延长抽气时间，利用待滤水，但虹吸破坏时间又延长了。为克服这一矛盾，我们将抽气管上闸阀改为针形阀（因这种阀调节比闸阀灵活，而且精确度也高），同时并联一个逆止阀，如图7所示。当抽气时，逆止阀是关闭的，排水虹吸管中的空气只通过针形阀抽出，这时通过开关针形阀就可以调节排水虹吸抽气时间；冲洗结束时，大气从针形阀和逆止阀同时进入排水虹吸管，使排水虹吸很快破坏，从而使滤池及时恢复过滤。根据实测，排水虹吸形成时间为5～8min（可调节），破坏时间为10～15S。

5.5抽气设备

目前，国内外抽气设备主要有真空泵、水射器、斜三通、孔板三通等。但真空泵、水射器等均存在耗能较高的问题。针对这一情况，我们研制了一种新型的抽气设备--锥形三通[6]，如图8所示。

该设备于是1996年获国家实用新型专利（专利号：ZL94246650·0）。它具有抽气效率高，动力消耗低，运行可靠，构造简单等优点。

参 考 文 献

[1] 唐友尧.虹吸滤池自动冲洗装置评述.给水排水,1986(3):18～19

[2] 唐友尧.虹吸滤池的水电结合式自动冲洗装置.中国给水排水,1986,2(3):61

[3] 上海市政工程设计院.给水排水设计手册(3).北京:中国建筑工业出版社,1986

[4] 唐友尧.滤池最大过滤水头损值的确定.武汉城市建设学院学报.1990,7(2)3～5

[5] 唐友尧,程道银,龙建平.虹吸滤池排水虹吸形成时间最佳值的确定.中国给水排水, 1988,4(3):60～61

[6] 唐友尧．一种新型的抽气充氧设备--锥形三通．给水排水,1993，19（3）：46～49