摘要：本文論述了本項試驗研究所取得的虹吸成果。生產試驗表明：該裝置具有利用待濾水、濾池操作方便、自動裝置構造簡單、沖洗投資省等優點。試驗另外，研究就虹吸濾池自動沖洗普遍存在的虹吸幾個問題進行了研究，并取得了一定的濾池成效。

關鍵詞：虹吸濾池 自動沖洗裝置 錐形三通

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

　　虹吸濾池在我國給水行業得到了廣泛的自動裝置應用。分析其原因，沖洗虹吸濾池可以省去大型閘門，試驗不需要沖洗水塔或水泵以外，研究還因操作方便這個因素決定的虹吸。但虹吸濾池的濾池沖洗最初幾乎都是采用真空系統。這種方式需要一套真空設備，自動裝置不僅耗電，而且管理、維修也較麻煩。因此，近十多年來出現了各種方式的自動沖洗裝置，然而它們均存在一些問題。例如最早使用的水力自動沖洗裝置，由于要等排水虹吸形成以后，水位下降到一定深度，進水虹吸才能破壞，停止進水，故待濾水浪費很大，而且當兩格或兩格以上濾池同時達到最高水位時，易發生同時沖洗的現象。后來設想的杠桿式水力自動沖洗裝置，進水虹吸先破壞，排水虹吸后形成。在排水虹吸形成過程中可利用一部分待濾水，但杠桿易失靈，維修較麻煩。前幾年設想的附控制器的自動沖洗裝置，雖然有所改進，但需要一套控制器，不僅上馬困難，而且管理要求高[1]。為了克服上述裝置的缺點，我們設想了一種水電結合式的自動沖洗裝置，于1985年6月至7月在武漢市自來水公司琴斷口水廠進行了初步試驗，取得了一定的成果[2]，該成果應用于湖北襄樊棉紡織染廠附屬水廠新建的虹吸濾池，濾池規模為2萬m₃/d，分為8格，每格濾池面積為4.2×3.0m，進水虹吸管面積為300×200mm，排水虹吸管面積為450×450mm 。生產試驗裝置于是1985年8月開始安裝，1986年8月正式投產運行，9月對各種參數進行了測定，1987年6月通過省級簽定，同年榮獲建設部科技進步三等獎，1988年3月獲國家實用新型專利（專利號：86208392·3）。

2 生產試驗裝置及原理

　　生產試驗裝置如圖1所示。它主要由進水虹吸輔助管15與抽氣管4、排水虹吸輔助管14與抽氣管2、進水錐形三通13與排水錐形三通11，虹吸破壞閥9、法蘭短管10、電磁鐵8、浮球12、連桿16、永久磁鐵17、干簧開頭18等部件所組成。當進水渠進水時，進水虹吸輔助管15開始通過進水錐形三通13對進水虹吸管5抽氣，使其形成虹吸，來水由進水虹吸管5進入水封井再流入濾地，開始過濾。隨著過濾不斷進行，濾層水頭損失越來越大，水位上升，浮球12及連桿16也隨著上升。當上升到濾池設定的最高水位時，連桿16下端的永久磁鐵17a使干簧開頭18a接通電路，電磁鐵8得電動作，將進水虹吸破壞閥9內的鋼球提起，空氣通入，進水虹吸破壞。與此同時，電磁鐵8提起排水輔助管上的法蘭短管10，使法蘭打開，排水虹吸輔助管14開始通過排水錐形三通11對排水虹吸管6進行抽氣。在抽氣過程中，池內的水靠重力繼續過濾，水位下降，這樣可以利用一部分待濾水。當水位下降到一定深度時，排水虹吸形成，水位迅速下降。降至接近排水槽頂部時，連桿16上端永久磁鐵17b使干簧開關18b接通，時間繼電器開始計時，反沖洗正式開始，水自下而上通過砂層，使其得到清洗。當達到所需要的沖洗歷時時（可調節），延時開關斷開，電磁鐵8失電，鋼球下落，將破壞閥9關閉，進水虹吸形成。與此同時，法蘭短管10下落，空氣進入，排水虹吸破壞，濾池又恢復正常過濾。

3 試驗結果及分析

　　1986年9月3日至17日，對試驗裝置進行了測定，現選擇有代表性的成果列于表1。從表1中可以看出，進水虹吸形成時間一般30～40s，進水虹吸破壞時間6～10s，排水虹吸形成時間5～8min（可調節），池內水位下降0.8～1.1m，每沖一次每格可利用待濾水10～15m₃，排水虹吸破壞時間10～15s，反沖洗歷時6～10min（可調節）。
　　為了縮短濾池整個反沖洗所花費的時間，使濾池有效工作時間延長，進水虹吸與破壞、排水虹吸的破壞所需的時間應盡可能短。據國內有關資料報導，進水虹吸形成時間一般為60～120s，進水虹吸破壞時間為20～30s。本裝置實測運行參數遠遠低于上述范圍，顯然對濾池的經濟運行是十分有利的。

4 結論

　　試驗結果表明，該裝置具有以下優點：
　　a 可利用一部分待濾水，具有一定的經濟和社會價值。根據試驗結果，2萬m₃/d的濾池，沖洗一次可利用待濾水174m₃（平均值），以每天沖洗一次計，一年可利用待濾水6,3510m₃。按1萬m₃水平均所創造的工業產值50萬元計，一年可利用的水可創造工業產值約318萬元。
　　b 裝置簡易，沒有機械設備和較復雜的電氣設備，投資省，上馬容易。
　　c 沖洗和過濾完全自動，故操作管理方便。
　　d 通過電氣線路瓦鎖，可以避免多格同時沖洗，以保證沖洗強度。
　　e 采用時間繼電器，能準確地控制反沖洗歷時，并能根據沖洗需要進行調節。
　　f 不需要另設強制沖洗控制系統，因排水虹吸輔助管進水口在進水槽常水位以下，可按需要隨時進行反沖洗。
　　總之，這種裝置簡易，實用，經濟，易于推廣，對大小不同的虹吸濾池均可使用。

5 問題研究

5.1 最高水位的確定
　　虹吸濾池的沖洗是根據池內最高水位控制的。定高了，固然工作周期可以延長，但雜質可能穿透濾層，使過濾水質難以保證，濾池造價增高；定低了，雖然水質得到保證，濾池造價可降低，但工作周期縮短，需要的沖洗水量增多。過去虹吸濾池的最高水位是根據設計過濾水頭1.2～1.5m 來定[3]。為什么要定這么大？據筆者了解還沒有這方面的依據，而且也沒有與水質聯系起來。筆者認為，合理的最高水位應該是滿足水質要求的最高水位。這個最高水位可以根據試驗來確定[4]。
　　在濾速、原水濁度、加礬量一定的情況下，每隔一定時間分別測定濾池出水濁度和過濾水頭損失，其數據填入表2中，并繪制濾池出水濁度（c）和過濾水頭損失（h）與時間（t）的關系曲線（見圖2中實線）。
　　從圖2可以看出，出水濁度c與時間t的關系為指數關系，過濾水頭損失h與時間t的關系為直線關系，通過回歸分析，可以分別求出： c與t的試驗公式為
　　c=0.214e0.234t (1)
　　h與t的試驗公式為
　　h=0.18+0.18t (2)
　　從式（1）、（2），算出不同t的c、
　　h值，并繪制出c～t、h～t的理論曲線（見圖2中虛線）。與實測曲線比較，可以看出理論曲線和實測曲線比較接近，故式（1）、（2）較正確地反映了c與t、h與t之間的關系。
　　將式（1）、（2）合并，并加以整理，得到過濾水頭損失h與出水濁度c的試驗公式為
　　h=0.77lnc+1.37 (3)

　　根據式（3），算出不同c下的h值，并繪制出h～c的理論曲線（見圖3中的虛線），同時根據表2繪制出h～c的實測曲線，可以看出兩條曲線比較接近，故式（3）較正確地反映了h與c之間的關系。
　　

　　為了保證出廠水濁度不超過3NTU，濾池出水濁度應比出廠水濁度更低。在此，我們取濾池出水濁度為1.5NTU作為最大過濾水頭損失值的先決條件。在式（3）中，取c=1.5代入，便可以求得h=1.68m。這就是通過試驗所求得的最大過濾水頭損失值，從而可以求得虹吸濾池最高水位。
　　應當指出的是最大過濾水頭損失值與濾前水質、濾層組成、濾速及所用藥劑有關，因此，它是因條件而異的，應通過試驗來確定。
5.2 排水虹吸形成時間的確定
　　進水虹吸停止進水以后，池內待濾水可以靠重力繼續過濾。從理論上講，濾池內清水渠水位以上的待濾水全部可以利用。但隨著過濾的延續，濾池水位與清水渠水位的差值，即可利用的水頭越來越小，所以到過濾后期，可利用的待濾水并不多，然而所耗的時間卻很長，結果縮短了濾池工作時間，達不到經濟運行的目的。由此可見，排水虹吸形成時間存在一個經濟運行的最佳值[5]。為了尋求這個最佳值，我們曾在某水廠對虹吸濾池排水虹吸形成時間和過濾水頭進行了實測，選擇有代表性的一組列于表3 ，并繪制出過濾水頭H隨時間t變化的關系曲線（見圖4中的實線）。

　　H = Hmax/(0.161t^1.187+1)　　　　(4)
　　由圖4可知，H與t為一條曲線，根據回歸分析，可以求得H與t的試驗公式為
　　式中Hmax--最大過濾水頭（m），當t=０時，Ｈmax=１.２２m；
　　t---排水虹吸形成時間（min）。
　　由式（４），算出不同t的H值，并繪制出Ｈ～t的理論曲線（見圖4的虛線），與實測曲線比較接近，故式（4）較正確地反映了Ｈ與t之間的關系。
　　為了確定最佳排水虹吸形成時間，設可利用的待濾水量百分數為α，其表達式為
　　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)
　　取不同百分數a，由式（5）、（4）算出相應的t和H值，見表4。然后根據表4，繪制a和t關系曲線，見圖5。

　　因曲線曲率最大點不明顯，故在上述曲線兩端上各作一條切線，再作其交點的平分線與曲線相交，從而求得所需的最佳點。
　　從圖5中求得a為62%，t為7min，即可利用的待濾水為62%時，排水虹吸形成時間以7min為宜。
　　同樣，應當指出的是最佳排水虹吸形成時間還與濾層組成、濾前水質、過濾運行條件等因素有關，因此，在設計時必須予以考慮。
5.3 進水虹吸的破壞與形成
　　為使虹吸濾池沖洗時少排掉待濾水，運轉達到設定的最高水位后，進水虹吸必須先停止進水，而且虹吸破壞要盡可能快。另外，當沖洗結束時，進水虹吸又要盡可能快地形成。為此我們采用了圖6所示的虹吸破壞閥。閥內有一鋼球，通過鏈條與電磁鐵連接，閥下端與進水虹吸破壞管相連，閥體周圍開有圓孔，閥體內下部設有密封環。當電磁鐵通電后，鋼球被拉起，空氣立即從圓孔進入，使進水虹吸很快破壞。當沖洗結束時，由于電磁鐵失電，鋼球下落，嚴密地將下孔堵住，使進水虹吸很快形成。根據實測，進水虹吸破壞時間為6～10S，形成時間為30～40S。實踐證明，這種閥簡單、靈活，很受歡迎。

5.4 排水虹吸的形成與破壞
　　為了達到利用待濾水的目的，需要使排水虹吸形成慢一些，但為了濾池很快恢復過濾，又必須使排水虹破壞快一些。如果按過去的傳統作法，在抽氣管上裝一個閘閥，抽氣時關小一些，這樣固然可以延長抽氣時間，利用待濾水，但虹吸破壞時間又延長了。為克服這一矛盾，我們將抽氣管上閘閥改為針形閥（因這種閥調節比閘閥靈活，而且精確度也高），同時并聯一個逆止閥，如圖7所示。當抽氣時，逆止閥是關閉的，排水虹吸管中的空氣只通過針形閥抽出，這時通過開關針形閥就可以調節排水虹吸抽氣時間；沖洗結束時，大氣從針形閥和逆止閥同時進入排水虹吸管，使排水虹吸很快破壞，從而使濾池及時恢復過濾。根據實測，排水虹吸形成時間為5～8min（可調節），破壞時間為10～15S。