唐 友 堯
中國(guó)武漢城市建設(shè)學(xué)院

　　摘 要 本文論述了本項(xiàng)試驗(yàn)研究所取得的成果。生產(chǎn)試驗(yàn)表明：該裝置具有利用待濾水、操作方便、構(gòu)造簡(jiǎn)單、投資省等優(yōu)點(diǎn)。另外，就虹吸濾池自動(dòng)沖洗普遍存在的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究，并取得了一定的成效。
　　關(guān)鍵詞 虹吸濾池，自動(dòng)沖洗裝置，錐形三通。

1 前言

　　虹吸濾池在我國(guó)給水行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。分析其原因，虹吸濾池可以省去大型閘門，不需要沖洗水塔或水泵以外，還因操作方便這個(gè)因素決定的。但虹吸濾池的沖洗最初幾乎都是采用真空系統(tǒng)。這種方式需要一套真空設(shè)備，不僅耗電，而且管理、維修也較麻煩。因此，近十多年來(lái)出現(xiàn)了各種方式的自動(dòng)沖洗裝置，然而它們均存在一些問(wèn)題。例如最早使用的水力自動(dòng)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(jìn)水虹吸才能破壞，停止進(jìn)水，故待濾水浪費(fèi)很大，而且當(dāng)兩格或兩格以上濾池同時(shí)達(dá)到最高水位時(shí)，易發(fā)生同時(shí)沖洗的現(xiàn)象。后來(lái)設(shè)想的杠桿式水力自動(dòng)沖洗裝置，進(jìn)水虹吸先破壞，排水虹吸后形成。在排水虹吸形成過(guò)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(shè)想的附控制器的自動(dòng)沖洗裝置，雖然有所改進(jìn)，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(diǎn)，我們?cè)O(shè)想了一種水電結(jié)合式的自動(dòng)沖洗裝置，于1985年6月至7月在武漢市自來(lái)水公司琴斷口水廠進(jìn)行了初步試驗(yàn)，取得了一定的成果[2]，該成果應(yīng)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(guī)模為2萬(wàn)m₃/d，分為8格，每格濾池面積為4.2×3.0m，進(jìn)水虹吸管面積為300×200mm，排水虹吸管面積為450×450mm 。生產(chǎn)試驗(yàn)裝置于是1985年8月開(kāi)始安裝，1986年8月正式投產(chǎn)運(yùn)行，9月對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，1987年6月通過(guò)省級(jí)簽定，同年榮獲建設(shè)部科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，1988年3月獲國(guó)家實(shí)用新型專利（專利號(hào)：86208392·3）。

2 生產(chǎn)試驗(yàn)裝置及原理

　　生產(chǎn)試驗(yàn)裝置如圖1所示。它主要由進(jìn)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(jìn)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(kāi)頭18等部件所組成。當(dāng)進(jìn)水渠進(jìn)水時(shí)，進(jìn)水虹吸輔助管15開(kāi)始通過(guò)進(jìn)水錐形三通13對(duì)進(jìn)水虹吸管5抽氣，使其形成虹吸，來(lái)水由進(jìn)水虹吸管5進(jìn)入水封井再流入濾地，開(kāi)始過(guò)濾。隨著過(guò)濾不斷進(jìn)行，濾層水頭損失越來(lái)越大，水位上升，浮球12及連桿16也隨著上升。當(dāng)上升到濾池設(shè)定的最高水位時(shí)，連桿16下端的永久磁鐵17a使干簧開(kāi)頭18a接通電路，電磁鐵8得電動(dòng)作，將進(jìn)水虹吸破壞閥9內(nèi)的鋼球提起，空氣通入，進(jìn)水虹吸破壞。與此同時(shí)，電磁鐵8提起排水輔助管上的法蘭短管10，使法蘭打開(kāi)，排水虹吸輔助管14開(kāi)始通過(guò)排水錐形三通11對(duì)排水虹吸管6進(jìn)行抽氣。在抽氣過(guò)程中，池內(nèi)的水靠重力繼續(xù)過(guò)濾，水位下降，這樣可以利用一部分待濾水。當(dāng)水位下降到一定深度時(shí)，排水虹吸形成，水位迅速下降。降至接近排水槽頂部時(shí)，連桿16上端永久磁鐵17b使干簧開(kāi)關(guān)18b接通，時(shí)間繼電器開(kāi)始計(jì)時(shí)，反沖洗正式開(kāi)始，水自下而上通過(guò)砂層，使其得到清洗。當(dāng)達(dá)到所需要的沖洗歷時(shí)時(shí)（可調(diào)節(jié)），延時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電磁鐵8失電，鋼球下落，將破壞閥9關(guān)閉，進(jìn)水虹吸形成。與此同時(shí)，法蘭短管10下落，空氣進(jìn)入，排水虹吸破壞，濾池又恢復(fù)正常過(guò)濾。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　1986年9月3日至17日，對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了測(cè)定，現(xiàn)選擇有代表性的成果列于表1。從表1中可以看出，進(jìn)水虹吸形成時(shí)間一般30～40s，進(jìn)水虹吸破壞時(shí)間6～10s，排水虹吸形成時(shí)間5～8min（可調(diào)節(jié)），池內(nèi)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(shí)間10～15s，反沖洗歷時(shí)6～10min（可調(diào)節(jié)）。
　　為了縮短濾池整個(gè)反沖洗所花費(fèi)的時(shí)間，使濾池有效工作時(shí)間延長(zhǎng)，進(jìn)水虹吸與破壞、排水虹吸的破壞所需的時(shí)間應(yīng)盡可能短。據(jù)國(guó)內(nèi)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，進(jìn)水虹吸形成時(shí)間一般為60～120s，進(jìn)水虹吸破壞時(shí)間為20～30s。本裝置實(shí)測(cè)運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上述范圍，顯然對(duì)濾池的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是十分有利的。

4 結(jié)論

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　a 可利用一部分待濾水，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，2萬(wàn)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(jì)，一年可利用待濾水6,3510m₃。按1萬(wàn)m₃水平均所創(chuàng)造的工業(yè)產(chǎn)值50萬(wàn)元計(jì)，一年可利用的水可創(chuàng)造工業(yè)產(chǎn)值約318萬(wàn)元。
　　b 裝置簡(jiǎn)易，沒(méi)有機(jī)械設(shè)備和較復(fù)雜的電氣設(shè)備，投資省，上馬容易。
　　c 沖洗和過(guò)濾完全自動(dòng)，故操作管理方便。
　　d 通過(guò)電氣線路瓦鎖，可以避免多格同時(shí)沖洗，以保證沖洗強(qiáng)度。
　　e 采用時(shí)間繼電器，能準(zhǔn)確地控制反沖洗歷時(shí)，并能根據(jù)沖洗需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。
　　f 不需要另設(shè)強(qiáng)制沖洗控制系統(tǒng)，因排水虹吸輔助管進(jìn)水口在進(jìn)水槽常水位以下，可按需要隨時(shí)進(jìn)行反沖洗。
　　總之，這種裝置簡(jiǎn)易，實(shí)用，經(jīng)濟(jì)，易于推廣，對(duì)大小不同的虹吸濾池均可使用。

5 問(wèn)題研究

5.1 最高水位的確定
　　虹吸濾池的沖洗是根據(jù)池內(nèi)最高水位控制的。定高了，固然工作周期可以延長(zhǎng)，但雜質(zhì)可能穿透濾層，使過(guò)濾水質(zhì)難以保證，濾池造價(jià)增高；定低了，雖然水質(zhì)得到保證，濾池造價(jià)可降低，但工作周期縮短，需要的沖洗水量增多。過(guò)去虹吸濾池的最高水位是根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)濾水頭1.2～1.5m 來(lái)定[3]。為什么要定這么大？據(jù)筆者了解還沒(méi)有這方面的依據(jù)，而且也沒(méi)有與水質(zhì)聯(lián)系起來(lái)。筆者認(rèn)為，合理的最高水位應(yīng)該是滿足水質(zhì)要求的最高水位。這個(gè)最高水位可以根據(jù)試驗(yàn)來(lái)確定[4]。
　　在濾速、原水濁度、加礬量一定的情況下，每隔一定時(shí)間分別測(cè)定濾池出水濁度和過(guò)濾水頭損失，其數(shù)據(jù)填入表2中，并繪制濾池出水濁度（c）和過(guò)濾水頭損失（h）與時(shí)間（t）的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖2中實(shí)線）。
　　從圖2可以看出，出水濁度c與時(shí)間t的關(guān)系為指數(shù)關(guān)系，過(guò)濾水頭損失h與時(shí)間t的關(guān)系為直線關(guān)系，通過(guò)回歸分析，可以分別求出： c與t的試驗(yàn)公式為
　　c=0.214e0.234t (1)
　　h與t的試驗(yàn)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(jiàn)圖2中虛線）。與實(shí)測(cè)曲線比較，可以看出理論曲線和實(shí)測(cè)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(guān)系。
　　將式（1）、（2）合并，并加以整理，得到過(guò)濾水頭損失h與出水濁度c的試驗(yàn)公式為
　　h=0.77lnc+1.37 (3)

　　根據(jù)式（3），算出不同c下的h值，并繪制出h～c的理論曲線（見(jiàn)圖3中的虛線），同時(shí)根據(jù)表2繪制出h～c的實(shí)測(cè)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(guān)系。
　　

　　為了保證出廠水濁度不超過(guò)3NTU，濾池出水濁度應(yīng)比出廠水濁度更低。在此，我們?nèi)V池出水濁度為1.5NTU作為最大過(guò)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(guò)試驗(yàn)所求得的最大過(guò)濾水頭損失值，從而可以求得虹吸濾池最高水位。
　　應(yīng)當(dāng)指出的是最大過(guò)濾水頭損失值與濾前水質(zhì)、濾層組成、濾速及所用藥劑有關(guān)，因此，它是因條件而異的，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。
5.2 排水虹吸形成時(shí)間的確定
　　進(jìn)水虹吸停止進(jìn)水以后，池內(nèi)待濾水可以靠重力繼續(xù)過(guò)濾。從理論上講，濾池內(nèi)清水渠水位以上的待濾水全部可以利用。但隨著過(guò)濾的延續(xù)，濾池水位與清水渠水位的差值，即可利用的水頭越來(lái)越小，所以到過(guò)濾后期，可利用的待濾水并不多，然而所耗的時(shí)間卻很長(zhǎng)，結(jié)果縮短了濾池工作時(shí)間，達(dá)不到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。由此可見(jiàn)，排水虹吸形成時(shí)間存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的最佳值[5]。為了尋求這個(gè)最佳值，我們?cè)谀乘畯S對(duì)虹吸濾池排水虹吸形成時(shí)間和過(guò)濾水頭進(jìn)行了實(shí)測(cè)，選擇有代表性的一組列于表3 ，并繪制出過(guò)濾水頭H隨時(shí)間t變化的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖4中的實(shí)線）。

　　H = Hmax/(0.161t^1.187+1)　　　　(4)
　　由圖4可知，H與t為一條曲線，根據(jù)回歸分析，可以求得H與t的試驗(yàn)公式為
　　式中Hmax--最大過(guò)濾水頭（m），當(dāng)t=０時(shí)，Ｈmax=１.２２m；
　　t---排水虹吸形成時(shí)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(jiàn)圖4的虛線），與實(shí)測(cè)曲線比較接近，故式（4）較正確地反映了Ｈ與t之間的關(guān)系。
　　為了確定最佳排水虹吸形成時(shí)間，設(shè)可利用的待濾水量百分?jǐn)?shù)為α，其表達(dá)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?jǐn)?shù)a，由式（5）、（4）算出相應(yīng)的t和H值，見(jiàn)表4。然后根據(jù)表4，繪制a和t關(guān)系曲線，見(jiàn)圖5。

　　因曲線曲率最大點(diǎn)不明顯，故在上述曲線兩端上各作一條切線，再作其交點(diǎn)的平分線與曲線相交，從而求得所需的最佳點(diǎn)。
　　從圖5中求得a為62%，t為7min，即可利用的待濾水為62%時(shí)，排水虹吸形成時(shí)間以7min為宜。
　　同樣，應(yīng)當(dāng)指出的是最佳排水虹吸形成時(shí)間還與濾層組成、濾前水質(zhì)、過(guò)濾運(yùn)行條件等因素有關(guān)，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須予以考慮。
5.3 進(jìn)水虹吸的破壞與形成
　　為使虹吸濾池沖洗時(shí)少排掉待濾水，運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到設(shè)定的最高水位后，進(jìn)水虹吸必須先停止進(jìn)水，而且虹吸破壞要盡可能快。另外，當(dāng)沖洗結(jié)束時(shí)，進(jìn)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(nèi)有一鋼球，通過(guò)鏈條與電磁鐵連接，閥下端與進(jìn)水虹吸破壞管相連，閥體周圍開(kāi)有圓孔，閥體內(nèi)下部設(shè)有密封環(huán)。當(dāng)電磁鐵通電后，鋼球被拉起，空氣立即從圓孔進(jìn)入，使進(jìn)水虹吸很快破壞。當(dāng)沖洗結(jié)束時(shí)，由于電磁鐵失電，鋼球下落，嚴(yán)密地將下孔堵住，使進(jìn)水虹吸很快形成。根據(jù)實(shí)測(cè)，進(jìn)水虹吸破壞時(shí)間為6～10S，形成時(shí)間為30～40S。實(shí)踐證明，這種閥簡(jiǎn)單、靈活，很受歡迎。

5.4 排水虹吸的形成與破壞
　　為了達(dá)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(fù)過(guò)濾，又必須使排水虹破壞快一些。如果按過(guò)去的傳統(tǒng)作法，在抽氣管上裝一個(gè)閘閥，抽氣時(shí)關(guān)小一些，這樣固然可以延長(zhǎng)抽氣時(shí)間，利用待濾水，但虹吸破壞時(shí)間又延長(zhǎng)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(diào)節(jié)比閘閥靈活，而且精確度也高），同時(shí)并聯(lián)一個(gè)逆止閥，如圖7所示。當(dāng)抽氣時(shí)，逆止閥是關(guān)閉的，排水虹吸管中的空氣只通過(guò)針形閥抽出，這時(shí)通過(guò)開(kāi)關(guān)針形閥就可以調(diào)節(jié)排水虹吸抽氣時(shí)間；沖洗結(jié)束時(shí)，大氣從針形閥和逆止閥同時(shí)進(jìn)入排水虹吸管，使排水虹吸很快破壞，從而使濾池及時(shí)恢復(fù)過(guò)濾。根據(jù)實(shí)測(cè)，排水虹吸形成時(shí)間為5～8min（可調(diào)節(jié)），破壞時(shí)間為10～15S。
5.5抽氣設(shè)備
　　目前，國(guó)內(nèi)外抽氣設(shè)備主要有真空泵、水射器、斜三通、孔板三通等。但真空泵、水射器等均存在耗能較高的問(wèn)題。針對(duì)這一情況，我們研制了一種新型的抽氣設(shè)備--錐形三通[6]，如圖8所示。
　　該設(shè)備于是1996年獲國(guó)家實(shí)用新型專利（專利號(hào)：ZL94246650·0）。它具有抽氣效率高，動(dòng)力消耗低，運(yùn)行可靠，構(gòu)造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

　　[1] 唐友堯.虹吸濾池自動(dòng)沖洗裝置評(píng)述.給水排水,1986(3):18～19
　　[2] 唐友堯.虹吸濾池的水電結(jié)合式自動(dòng)沖洗裝置.中國(guó)給水排水,1986,2(3):61
　　[3] 上海市政工程設(shè)計(jì)院.給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)(3).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1986
　　[4] 唐友堯.濾池最大過(guò)濾水頭損值的確定.武漢城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào).1990,7(2)3～5
　　[5] 唐友堯,程道銀,龍建平.虹吸濾池排水虹吸形成時(shí)間最佳值的確定.中國(guó)給水排水, 1988,4(3):60～61
　　[6] 唐友堯．一種新型的抽氣充氧設(shè)備--錐形三通．給水排水,1993，19（3）：46～49

EXPERIMENTAL RESEARCH IN AUTOMATIC BACKWASH INSTALLATION OF SIPHON EILTER
Tang youyao
Wuhan Urban Construction Institute

　　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.