A3：科技智慧
●漯河市清源供水有限公司 张 帅
摘要
本研究针对水厂滤池反冲洗过程中时间判定不准确和反冲效果不佳的问题，提出了一种基于多参数监测的反冲洗时间判定方法，并探讨了反冲效果优化策略。通过建立滤池运行参数监测系统，分析滤池水头损失、出水浊度和过滤时间等关键参数的变化规律，确定了反冲洗的最佳时机。同时，研究了反冲洗强度、持续时间和频率对反冲效果的影响，提出了优化方案。实验结果表明，基于多参数监测的反冲洗时间判定方法能够准确判断反冲洗时机，优化后的反冲洗策略显著提高了反冲效果，降低了能耗和水耗。本研究为水厂滤池的高效运行提供了理论依据和技术支持。
引言
滤池是水处理工艺中的重要环节，其运行效果直接影响出水水质。反冲洗作为滤池运行的关键操作，对于维持滤池过滤性能、保证出水水质至关重要。然而，传统的水厂滤池反冲洗往往采用固定时间间隔或经验判断，存在反冲洗时机不准确、反冲效果不理想等问题，导致水资源和能源的浪费，影响滤池运行效率。
本研究旨在建立一种基于多参数监测的滤池反冲洗时间判定方法，并通过实验研究反冲洗参数对反冲效果的影响，提出优化策略，为提高水厂滤池运行效率、降低运行成本提供技术支持。
一、水厂滤池反冲洗原理及影响因素
1.1 滤池反冲洗的基本原理
滤池反冲洗是通过反向水流冲刷滤料，去除截留的悬浮物和杂质，恢复滤池过滤能力的过程。这一过程主要包含三个关键阶段：滤料膨胀、杂质剥离和排出。在滤料膨胀阶段，反向水流使滤料层膨胀，增加滤料颗粒间的空隙，为杂质剥离创造条件。杂质剥离阶段，水流剪切力和滤料颗粒间的摩擦作用使附着在滤料表面的杂质脱落。最后，在排出阶段，剥离的杂质随反冲洗水流被带出滤池。
反冲洗过程中，水流速度、持续时间和频率是影响反冲效果的关键因素。适当的水流速度可以确保滤料充分膨胀和杂质有效剥离，但过高的速度可能导致滤料流失。反冲洗持续时间需要足够长以保证杂质完全排出，但过长会导致水资源和能源的浪费。反冲洗频率则需要在保证滤池过滤效果和降低运行成本之间找到平衡点。
1.2 影响反冲洗效果的主要参数
水头损失、出水浊度和过滤时间是反映滤池运行状态和反冲洗效果的重要参数。水头损失是反映滤池堵塞程度的关键指标，它随着过滤时间的增加而逐渐增大。水头损失的增加主要是由于滤料层中截留的悬浮物不断积累，导致水流通过滤料层的阻力增大。当水头损失达到一定阈值时，表明滤池的过滤能力显著下降，需要进行反冲洗。
出水浊度直接反映了滤池的过滤效果。随着过滤的进行，滤料层中截留的悬浮物增多，可能导致部分杂质穿透滤料层，使出水浊度升高。出水浊度的突然升高往往是滤池需要反冲洗的重要信号。
过滤时间反映了滤池的运行周期。过长的过滤时间可能导致滤池过度堵塞，增加反冲洗难度；而过短的过滤时间则可能造成反冲洗过于频繁，增加运行成本。因此，合理确定过滤时间对于优化滤池运行至关重要。
1.3 各参数间的相互关系
水头损失、出水浊度和过滤时间这三个参数相互关联，共同决定了反冲洗的最佳时机。通常情况下，随着过滤时间的增加，水头损失逐渐增大，出水浊度保持稳定。当水头损失达到一定程度时，出水浊度可能开始升高，这表明滤池的过滤能力已经显著下降，需要进行反冲洗。
然而，这种关系并非固定不变，它受到原水水质、滤料特性、过滤速度等多种因素的影响。例如，当原水浊度较高时，可能在水头损失尚未达到阈值时，出水浊度就已经明显升高。因此，在实际操作中，需要综合考虑多个参数的变化情况，才能准确判断反冲洗的最佳时机。
理解这些参数间的相互关系对于优化反冲洗策略至关重要。通过实时监测和分析这些参数的变化，可以更准确地把握滤池的运行状态，从而制定更加科学合理的反冲洗方案，提高滤池的运行效率和水处理效果。
二、反冲洗时间判定方法研究
2.1 基于多参数监测的反冲洗时间判定方法
本研究提出了一种基于多参数监测的反冲洗时间判定方法，旨在克服传统单一参数判断方法的局限性。该方法通过实时监测水头损失、出水浊度和过滤时间三个关键参数，综合分析滤池运行状态，从而准确判断反冲洗时机。
首先，建立了一套完整的滤池运行参数监测系统。该系统包括水头损失传感器、在线浊度仪和数据采集模块。水头损失传感器安装在滤池的进出水管路上，实时监测滤池的水头损失变化。在线浊度仪安装在滤池出水口，连续监测出水浊度。数据采集模块负责收集和处理这些参数数据，并将其传输到中央控制系统。
在系统运行过程中，我们设定了各参数的阈值范围。水头损失阈值根据滤池的设计参数和实际运行经验确定，通常为初始水头损失的1.5-2倍。出水浊度阈值根据水质标准设定，一般不超过0.5 NTU。过滤时间阈值则根据历史数据和滤池运行特性动态调整。
当监测参数达到预设阈值时，系统会自动触发反冲洗程序。具体来说，如果水头损失或出水浊度任一参数达到阈值，或者过滤时间超过设定值，系统就会启动反冲洗。这种方法综合考虑了多个参数的变化，能够更准确地反映滤池的实际运行状态，避免了单一参数判断可能带来的误差。
2.2 实验设计与方法验证
为验证该方法的有效性，我们设计了一组对比实验。实验在某水厂的普通快滤池中进行，持续时间为3个月。实验组采用基于多参数监测的反冲洗时间判定方法，对照组采用传统的固定时间间隔反冲洗方法（每24小时反冲洗一次）。
实验过程中，我们详细记录了每次反冲洗前后的水头损失、出水浊度和过滤时间等参数，并计算了反冲洗水量、能耗等运行指标。同时，我们还采集了反冲洗废水样品，分析其悬浮物浓度，以评估反冲洗效果。
2.3 实验结果与分析
实验结果表明，采用基于多参数监测的反冲洗时间判定方法，能够显著提高滤池运行效率。具体表现在以下几个方面：
反冲洗频率降低：实验组的平均反冲洗间隔时间为28小时，比对照组的24小时延长了16.7%。这说明新方法能够更准确地判断反冲洗时机，避免了不必要的反冲洗。
反冲洗水量节省：实验组的平均每次反冲洗水量比对照组减少了15%。这主要是由于新方法能够根据滤池实际状况调整反冲洗持续时间，避免了过度冲洗。
出水水质稳定：实验组的出水浊度始终保持在0.3NTU以下，优于对照组的0.5NTU。这表明新方法能够及时进行反冲洗，有效维持滤池的过滤性能。
能耗降低：由于反冲洗频率降低和持续时间优化，实验组的平均能耗比对照组降低了12%。
滤料清洁度提高：反冲洗废水的悬浮物浓度分析显示，实验组的平均悬浮物浓度比对照组高出20%，说明新方法的反冲洗效果更好。
这些结果充分证明了基于多参数监测的反冲洗时间判定方法的优越性。它不仅能够准确判断反冲洗时机，还能优化反冲洗过程，提高滤池运行效率，降低运行成本。
2.4 方法适用性与局限性
虽然实验结果表明该方法具有显著优势，但在实际应用中仍需考虑一些因素。首先，该方法需要安装和维护多个在线监测设备，初期投资较高。其次，对于水质波动较大的水源，可能需要更频繁地调整参数阈值。此外，该方法主要适用于普通快滤池，对于其他类型的滤池（如V型滤池、活性炭滤池等），可能需要根据具体情况进行调整。
尽管如此，随着在线监测技术的不断进步和水厂自动化水平的提高，这些局限性将逐步得到克服。未来，我们可以进一步探索将人工智能算法引入该方法，实现更智能、更精准的反冲洗控制。
三、反冲效果优化研究
3.1 反冲洗参数对反冲效果的影响
反冲洗强度、持续时间和频率是影响反冲效果的三个关键参数。为深入研究这些参数的影响规律，我们设计了一组正交实验。实验选取反冲洗强度（10、12、15 L/(m2·s)）、持续时间（4、5、7分钟）和频率（水头损失1.5m、2.0m触发）三个因素，每个因素设置三个水平，采用L9（34）正交表安排实验。
实验结果表明，反冲洗强度对滤料清洁度的影响最为显著。当反冲洗强度从10L/(m2·s)提高到12L/(m2·s)时，反冲洗废水中的悬浮物浓度增加了25%，说明清洁效果明显改善。然而，当强度继续提高到15L/(m2·s)时，悬浮物浓度仅增加了8%，但能耗却增加了30%。这表明存在一个最佳的反冲洗强度范围。
反冲洗持续时间的影响相对较小。实验发现，持续时间从4分钟延长到5分钟时，清洁效果提升明显，但继续延长到7分钟时，效果改善有限，却导致水耗增加40%。因此，过长的持续时间不仅浪费水资源，还可能造成滤料磨损。
反冲洗频率的影响较为复杂。较高频率（水头损失1.5m触发）可以维持较好的出水水质，但会增加反冲洗次数，导致运行成本上升。较低频率（水头损失2.0m触发）虽然节省了反冲洗成本，但可能导致滤池过度堵塞，影响过滤效果。
3.2 反冲洗参数优化方案
基于实验结果，我们提出了以下反冲洗参数优化方案：
反冲洗强度：控制在12-15 L/(m2·s)范围内。对于新滤料或污染较轻的情况，可采用12 L/(m2·s)；对于使用时间较长或污染较重的滤料，可适当提高至15 L/(m2·s)。
反冲洗持续时间：设定为5-7分钟。具体时间可根据反冲洗废水浊度实时调整，当废水浊度降至一定阈值（如50NTU）时，可提前结束反冲洗。
反冲洗频率：采用动态调整策略。在进水水质稳定期，可采用较低频率（水头损失2.0m触发）；在进水水质波动较大或浊度较高时，适当提高频率（水头损失1.5m触发）。
3.3 优化方案的实施效果
为验证优化方案的效果，我们在某水厂进行了为期两个月的现场试验。试验期间，对比了优化前后的运行数据。
结果显示，采用优化方案后，反冲洗水量平均减少了18%，能耗降低了15%，而出水水质保持稳定（浊度<0.3NTU）。反冲洗废水的悬浮物浓度提高了20%，说明清洁效果得到改善。此外，滤料的使用寿命也有所延长，预计可延长15-20%。
特别值得一提的是，优化方案还带来了显著的经济效益。按该水厂规模计算，每年可节约反冲洗水量约5万吨，节省电费约8万元。考虑到滤料更换周期的延长，长期经济效益更加可观。
3.4 优化方案的适用性与注意事项
虽然优化方案取得了良好效果，但在实际应用中仍需注意以下问题：
水质适应性：对于高浊度或高藻类水源，可能需要适当调整参数。建议在水质发生显著变化时，重新进行参数优化。
设备条件：优化方案要求反冲洗系统具备一定的调节能力。对于老旧水厂，可能需要对反冲洗设备进行改造。
自动化程度：建议将优化方案与自动控制系统结合，实现参数的智能调节。这需要配备相应的在线监测设备和控制系统。
操作人员培训：新的运行模式要求操作人员具备更高的技能水平，需要进行专门的培训。
长期监测：建议建立长期监测机制，定期评估优化方案的效果，并根据运行数据不断调整和优化参数。
四、结论
本研究提出的基于多参数监测的反冲洗时间判定方法能够准确判断反冲洗时机，避免了传统方法的盲目性。通过优化反冲洗强度、持续时间和频率，显著提高了反冲效果，降低了运行成本。研究成果为水厂滤池的高效运行提供了理论依据和技术支持，具有重要的实际应用价值。
未来的研究可以进一步探索智能算法在反冲洗控制中的应用，实现滤池运行的智能化管理。同时，考虑不同类型滤池的特点，开发针对性的反冲洗优化策略，也是值得关注的研究方向。
参考文献
张明远, 李华清, 王立新. 水厂滤池反冲洗技术研究进展[J]. 给水排水, 2019, 55(3): 45-52.
陈光明, 刘红梅, 赵永强. 基于模糊控制的滤池反冲洗系统优化研究[J]. 中国给水排水, 2021, 37(15): 78-84.