杨家建  钱文娇  施正纯

（美国HACH公司，北京，100004）

 

【摘要】当今的自来水厂面临着许多挑战，它们要满足日益快速增长的人口对水量的需求。它们必须要满足法规部门的要求，考虑供水水质安全因素，以最经济可行的方式提供高质量的水来满足最终用户的需要。为了达到这些要求，自来水厂必须达到总体优化。优化的一个关键过程就是滤池的反冲洗。

 

【关键词】滤池；滤池反冲洗；滤池反冲洗终点；浊度测量

 

 

Jiajian Yang，Qian Wenjiao，Henry Shi

（HACH Company，Beijing，100004）

 

【Abstract】Today’s drinking water plants have many challenges to meet as they produce water for a fast-growing and increasingly demanding population. They must satisfy regulatory agency requirements, address health concerns, and ultimately fill the end customer’s needs by producing very high quality water in an economically feasible manner. To meet these challenges, total optimization of the drinking water plant must be achieved. A key process for optimization is filter backwash. This article covers issues associated with monitoring the turbidity during a filter backwash cycle.

 

【Key Words】Sand Filter, Filter Backwash, Filter backwash Termination, Turbidity Monitoring

 

 

 

在传统的自来水处理工艺中，滤池的反冲洗是非常有挑战性的一个环节。对滤床的反冲洗需要大量的（已经处理过的）反冲洗水。过度的反冲洗会大量减少自来水厂的最终产量。通常对滤池的反冲洗需要3～5％的处理过的水。这么多的水也会对自来水厂的运行成本以及利润率有很大的影响。

 

现行传统的滤池反冲洗终点控制方式有以下几种：

无论是哪种方式，出于对水质安全方面的考虑，通常都会考虑比较高的保险系数，从而导致对滤池的过度反冲洗。

 

而通过研究表明， 滤池过度反冲洗一方面浪费了大量的反冲洗水及能源，更重要的是将导致滤池运行性能的降低：

 

如何实现反冲洗终点的准确判断，避免过度反冲洗，对提高滤池运行性能、效率，节能降耗具有重要的现实意义。

 

研究表明，反冲洗周期结束时反冲洗废水的浊度值与滤池后续的运行性能和运行时间具有非常紧密的直接相关性。使用适合滤池工况条件，可***的仪器进行浊度监测是监控反冲洗周期，包括确定反冲洗终点的一个理想的方法。

 

根据这些研究，美国水协推荐将反冲洗废水浊度达到10～15NTU时做为反冲洗终点判定的依据。中国住建部于2010年颁布的《城镇供水厂运行、维护及安全技术规程CJJ58-2009》4.8.1条中也有类似的规定“冲洗结束时，排水的浊度不宜大于10NTU” 。当反冲洗周期在这个浊度范围内结束时，在滤池上面的反冲洗水中仍然残存合适量的虚浮颗粒物质，可以为后续的滤池尽快熟化，进入正常过滤周期创造一个合适的环境。在这种状态下，通常会使得滤池的运行周期更长，效率更高。

 

图1及表1显示的是一个典型的滤池反冲洗情况，该滤池采用汽水反冲洗加间歇式表面冲洗。同时，待滤水浊度为2NTU左右。

 

 

点	描述	初始点的读数（NTU）	时间 （分：秒）	相对时间 （分：秒）
A	表面冲洗开	7.60	00:05	03:55
B	流速＝4000gpm	23.5	00:04	01:30
C	流速＝6000gpm	55.0	02:10	03:45
D	表面冲洗关	23.6	04:00	01:55
E	表面冲洗开 流速＝3900gpm	3.10	05:55	表面冲洗开=1:15 当1:15时，流速=3900gpm
F	表面冲洗关 流速＝6000gpm	14.3	07:10	对剩余的反冲洗，表面冲洗关＝6:35； 当1:30时，流速=6000gpm
G	流速＝5300gpm	3.90	08:40	00:30
H	流速＝4600gpm	2.57	09:10	00:25
I	流速＝3900gpm	1.70	09:35	00:20
J	流速＝3200gpm	1.35	09:55	00:45
K	流速＝2600gpm	0.85	10:40	02:20
L	流速＝2000gpm	0.081	13:00	02:55

 

图1的曲线显示了一条有两个突出峰值的平滑曲线。反冲洗周期按照如下方式进行：

1.      反冲洗周期从表面冲洗开始，逐步增加到流量为6000加仑/分钟（gpm）。

2.      当流速达到6000gpm时，反冲洗的浊度达到峰值，为55NTU。

3.      浊度开始下降，6分钟内达到5NTU以下。

4.      开始第二次（也是最后一次）表面冲洗。反冲洗的浊度上升到第二个峰值15NTU，此时表面冲洗结束。

5.      反冲洗的流速从6000 gpm缓慢较小到2000gpm。

 

在该过程开始后的第9分钟，反冲洗的浊度值在1～2NTU之间，与沉后水（待滤水）的浊度相同。随着反冲洗周期的进一步进行，滤池达到过度清洗，在反冲洗周期即将结束时，最终反冲洗的浊度值达到0.081NTU。从开始到结束，整个反冲洗周期持续了14分钟。

 

根据这些情况，可以进行一些观察。反冲洗结束时的浊度值为0.081NTU；远远低于美国水协推荐的浊度值10～15NTU。这表明滤池是过度清洗了。对后来的滤池的总体影响没有记载，但如果坚持美国水协的推荐标准，反冲洗过程可以在最后一次表面冲洗的峰值处结束，因为那时的浊度值约为10~15NTU，这样就可以节省大量的反冲洗用水量及能耗。尤其是在高生产能力（供水高峰，滤池高负荷运行）期间，使用较少的反冲洗时间将会延长滤池正常过滤时间，提高滤池的工作效率。

 

综上所述，如果可以对滤池反冲洗废水浊度进行快速、准确地测量，将可以使对滤池反冲洗终点进行精确控制成为可能，从而实现滤池管理的优化。

 

反冲洗的终点是根据美国水协推荐的浊度范围确定的。该图显示的反冲洗周期相对较短，而且反冲洗周期中浊度的变化非常快。反冲洗周期的优化需要准确、迅速的浊度测量响应。

 

反冲洗过程中的浊度测量通常可以通过实验室采样分析或进行在线分析实现的。由于反冲洗过程短暂，浊度变化快速，测量点工况不佳，两种方法都有一些问题必须考虑和解决。

 

实验室采样分析是一种简单的搜集数据确定特定的反冲洗情况的方法。这个过程包括了在整个反冲洗周期中，在设定的时间间隔内搜集大量的有代表性的样品，并使用实验室浊度仪对这些样品进行分析。这个过程比较简单，而且非常直接，但却需要操作人员花费大量的时间来测量样品和对数据进行分析。在大多数情况下，每个滤池都需要采集很多样品，以确保获取整个反冲洗周期中整体的情况。

 

采样分析中伴随着以下几个问题：

 

在反冲洗监测过程中，要想成功进行在线浊度的监测，必须考虑以下两点：

1、必须要考虑由于反冲洗废水色度对浊度测量造成的干扰；

由于反冲洗废水的色度相比较要大大高于滤后水色度，而由于色度对可见光线具有吸收的效果，从 而导致浊度仪表的入射光及散射光强度由于色度原因造成干扰；

2、必须考虑现场干扰因素对浊度仪表造成的噪声干扰；

由于反冲洗废水在滤层上部的情况复杂，比如环境光、表面反射及汽洗气泡等，在进行浊度测量时，如果测量设置没有进行优化，所测浊度值将包含很高的噪声干扰因素。噪音主要是由于反冲洗水从滤池表面到废水中的紊流状态引起的。经过浊度传感器前部的大部分的悬浮颗粒及气泡都很大，大部分在线仪器都将这些大粒子视为噪音。在进行浊度测量时，必须进行噪声补偿。

3、仪器的响应时间是非常关键的因素；

由于反冲洗过程中浊度是变化得相当快的一个参数，仪器必须有一个非常准确、快速的响应，从而正确推导出滤池反冲洗的情况。

 

世界上目前的在线浊度测量的方式，按照光源类型分为符合USEPA180.1标准的可见光浊度仪，和符合ISO7027标准的红外光浊度仪；同时按照传感器类型，分为流通池式分析和现场探头式分析。

 

由于符合USEPA180.1标准的可见光浊度仪的光源是钨灯，采用的是400~600nm波长范围的可见光作为光源，受色度干扰较大，适合于经过处理的水的低浊度测量，而在反冲洗废水浊度监测应用中是存在一定问题的，所以不建议采用此类型浊度仪。

 

而符合ISO7027标准的红外光浊度仪的是LED灯，采用的是860nm单一波长的红外光作为光源，不受色度干扰，适合于反冲洗废水浊度监测的应用，建议采用。

 

对于流通池式浊度仪，通常，一小部分有代表性的样品被导入浊度仪的样品池。光源和光电检测器悬挂在样品室中，当样品流过样品室时，就可以得到浊度结果，此时，在线取样的时间决定了仪器对于浊度变化的响应速度。通常，这些仪器相对于反冲洗的变化而言，因为受取样时间的限制，响应速度较慢，同时受宜沉降悬浮颗粒影响，数据失真，因此一般不建议采用。

 

现场探头式分析是将浊度传感器直接放置在滤池过滤介质上1~2英尺的地方，将检测器放置在这个位置，可以确保仪器不受反冲洗时滤料膨胀影响，并且可以尽可能早的在浊度变化的时候测量浊度，这样就可以连续测量以捕捉反冲洗周期中浊度的快速变化。这种方法可以及时地了解反冲洗的每一个阶段的情况，而且也减少了操作人员的采样和准备等工作。响应迅速的现场探头式分析是反冲洗周期中预测浊度变化的理想方法。

 

为了补偿现场干扰因素，比如大尺寸悬浮颗粒、气洗气泡等对浊度仪表造成的噪声干扰，浊度仪表必须具备仪器测量值平均功能（信号平均计算）。信号平均需要连续进行一些测量，一起平均，然后显示。每进行一次新的测量，就会在计算平均值时取代一个旧的测量值，从而产生一个新的平均值。当在线监测中使用信号平均时，平均的程度必须要仔细考虑。较长的平均周期导致对样品变化的响应更慢。相反的，较短的平均周期对样品的变化响应更快。当定义信号平均速率时，必须要考虑在实际的响应时间和反冲洗情况定义的程度的交换。理想情况下，信号平均周期越短，越会产生更有意义的使用信息。

 

综上所述，在反冲洗废水浊度监测应用中，采用符合ISO7027标准的红外光现场探头式浊度仪是比较合理的选择，同时此应用的在线浊度仪应具备信号平均计算的功能。

 

最后，如果干扰和仪器的响应时间都可以解决，使用浊度仪进行在线控制反冲洗就可以实现了。

 

近年来开始应用一种新的在线悬浮固体测量系统。该系统的设计宗旨是帮助自来水厂的工作人员优化反冲洗周期，最终有助于整个自来水厂的总体优化。新的测量系统包括带自清洗的浸入式光学浊度数字探头、具有消除气泡干扰噪音功能的全智能控制器，具有一些关键的特点可以解决传统在线浊度仪监测反冲洗时的局限性，具体如下：

1、光源：该系统使用的光源是LED 红外光源，波长约为860nm。这种光源是经过精确调整的，可以消除环境光的干扰。860nm的波长为红外光源，是肉眼不可见的，极大地减少了反冲洗废水对色度的干扰。这种设计可以提供在0.3～1000NTU的范围内具有很高的线性和非常准确的浊度测量。

3、噪音消除：在大尺寸悬浮颗粒、紊流及大量气泡造成高仪器噪音的工况下，一般的浊度仪及控制器难以满足浊度的准确测量。新型控制器具有对实时测量值进行平均计算功能。浊度测量每1秒钟进行一次，信号平均被设置成每5秒一次，可以有效降低滤池反冲洗废水大尺寸悬浮颗粒、反冲洗气泡、和紊流引起的测量噪音。

4、数据收集：新型控制器可以以每秒钟一组的频率存储数据。数据可以以图表的形式显示在屏幕上，立刻进行分析，或通过4～20mA或数字方式传输到外围的数据收集系统。对于每次反冲洗，其情况都可以很方便的了解。由于反冲洗的周期使用无偏差的分析仪进行监测，因此可以实现对每个滤池的优化。

 

该新型浊度传感器可以消除反冲洗测量过程中典型的干扰问题，可实现对反冲洗的实时监测。准确的反冲洗情况可以使操作人员准确判断什么时候反冲洗过程应该结束，从而优化滤池的运行性能。

 

在水厂，浊度传感器的安装是使用标准安装工具进行的明渠安装。传感器浸没在水面以下大约4英尺的地方，可以消除气泡干扰。传感器以水平的位置直接放到水中，在过滤介质上18英寸的地方，这样可以允许滤料膨胀而不会干扰浊度的测量。传感器需要面向远离会产生反射干扰的墙面或滤层的方向。一旦选好了有代表性的采样位置，就可以对滤池的进水和反冲洗水的浊度进行测量。

 

反冲洗过程中的浊度变化很快。数据可以每1秒钟记录一次，产生准确的情况，为浊度和反冲洗周期阶段之间提供相关性。时间与浊度之间的关系被画出来，将反冲洗过程中特定的步骤与浊度测量相关联起来。这样做可以评估每一步对反冲洗的整体效果的影响。

 

新型浊度传感器以及具有噪音消除功能的控制器，可以提供大量关于反冲洗情况的准确、及时的信息。传感器被安装在正确的位置和考虑到噪声的削减的传感器设置是非常关键的。 一旦建立了反冲洗废水在线浊度测量体系，就可以实现更准确、更有效、更经济的反冲洗终点的精确控制，从而最终实现滤池的优化管理，在保证水质的前提下，提高滤池运行效率，节能降耗。

 

 

 

 

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