基于水质监控的 V 型滤池反冲洗节水系统设计

李明俊 郑洪波 雷斌 苏江 钟钊明

摘要：針对供水厂V 型滤池的定时法反冲洗因预设时间不够科学合理而导致的水资源浪费或冲洗不彻底的行业痛点，从硬件设计和优化算法两个方面创新反冲洗控制模式，提出彻底冲洗干净和节水效益两种技术经济指标，采用以PLC 与人机界面为主要控制载体，辅以在线浊度监控的滤池反冲洗节水系统设计。系统基于任意一个滤池反冲洗工艺的3个阶段时长是可被个性化预设和动态调整的基础上，加装在反冲洗排污出水口位置的浊度计可实时监测反冲洗期间的排污水浊度，为动态控制和结束水反冲洗步骤的决策提供科学依据，旨在使滤池既能被彻底冲洗干净，又可充分发挥节水效益。通过试验研究，对经验定时法和节水系统两种反冲洗控制模式进行技术经济分析对比，计算得出年约节省3万余吨反冲洗水量，结果表明投用于制水量越大的供水厂，节水系统所产生的节水、节能效果越显著。

关键词：V 型滤池;水质浊度监控;反冲洗;节水;结束条件

中图分类号：TU991.2       文献标志码：A       文章编号：1009-9492（2021）12-0201-03

Design of V-type Filter Backwash Water Saving System Basedon Water Quality Monitoring

Li Mingjun1，2，Zheng Hongbo 1，2，Lei Bin 1，2，Su Jiang1，2，Zhong Zhaoming3

（1.School of Robotics，Guangdong Vocational College of Science and Technology，Zhuhai，Guangdong 519090，China;2.Zhuhai Key Laboratory of Advanced Equipment Manufacturing and Material Forming Technology，Zhuhai，Guangdong 519090，China;3.Duanzhou Water Supply Branch，Zhaoqing Zhaoshui Water Development Co.，Ltd.，Zhaoqing，Guangdong 526060，China ）

Abstract：For the backwash with the timing method in the V-shaped filtering sink of a water supply factory，the preset time is not scientific and  reasonable enough，leading to the waste of water resources and incomplete washing.To overcome such a difficulty in the industry，the backwash  control mode was innovated in terms of hardware design and optimization algorithm，the technical and economical indexes of complete washing  and benefits of water saving were proposed，and the water-saving design of filtering sink backwash with the main control carrier of PLC and  human-computer interface supplemented by the online turbidity monitoring was used.The system can be preset and dynamically adjusted in a  customized way based on three stages of any filter backwashing process.And a turbidimeter installed at outlet of backwashing sewage outlet can  monitor turbidity of sewage during backwashing period in real time，which provides a scientific basis for dynamic control and decision-making of  ending water backwashing process，in order to make filter not only be thoroughly washed，but also fully have water-saving benefits and achieve  the goal of water-saving and energy-saving.Through the experimental study of the water supply factory tested，technical and economic analysis  and comparison were made for the backwash control modes of empirical timing method and water-saving system.According to the calculation， more than 30000 tons of backwash water can be saved each year.The results show that the bigger the amount of water produced by the water  supply factory is，the more obvious the water-saving and energy-saving effect of the water-saving system is.

Key words：V-shaped filter;water quality turbidity monitoring;backwashing;water-saving;ending conditions

0 引言

V型滤池工艺是城镇供水厂生活饮用水处理工艺中用于净化待滤水，降低出水浊度的关键末端环节，直接关系出厂水水质。以气反冲洗、气水混合反冲洗、水反冲洗的3个关键步骤阶段构成的反冲洗是经运行一定时间后的V型滤池恢复正常过滤功能的必要工艺流程，需要消耗较大的厂内自用水量和工业用电量，而水反冲洗又是整个反冲洗流程中消耗水、电量占比最大的一个阶段[1-2]。在现行的V型滤池自动反冲洗设计中，除非发生滤池超负荷运行或待滤水水质异常等特殊情况，否则水处理行业一般采用经验定时法来实现V 型滤池反冲洗[3]，即为所有滤池关于反冲洗流程的3个阶段预设成统一的反冲洗时间值，且在相当长一段时间内是固定不变，如图1所示，气反冲洗60 s、气水混合反冲洗420 s、水反冲洗420 s。鉴于池体构筑物施工误差导致池体之间的面积及其滤层厚度不一致，进水量差异导致滤池运行负荷不均衡，反冲洗引起石英砂滤料跑料致使滤层变化等原因，每个滤池实际截污容量难免因池而异，故此，使用传统的经验定时法进行反冲洗，会产生既不利于高负荷滤池被彻底冲洗干净，又会造成低负荷滤池过度反冲洗导致大量浪费水资源的两大弊端。

以广东某地水厂为例，通过实际生产运行试验和对比测试，着重研究如何为每个滤池实现个性化预设反冲洗流程各阶段时间值和合理缩短滤池水反冲洗阶段时间以减少厂内自用水量及反冲洗水泵运行期间所产生的电量，在保证任意滤池被彻底冲洗干净的前提下，确定反冲洗工艺节水系统设计方案。

1 系统研究方法

提供一种基于水质监控的V 型滤池反冲洗节水系统，系统基于任意一个V 型滤池反冲洗工艺的3个步骤时长是可被个性化预设和动态调整的基础上，在反冲洗排污口加装水质浊度计，实时监测反冲洗期间的排污水浊度，用以精准识别结束水冲步骤的最佳时机条件，为动态控制和结束水反冲洗步骤的决策提供科学依据。其结束时机条件为满足以下条件中的其中一个：（1）水反冲洗时间达到个性化预设时间并且排污水的浊度值低于预设浊度值;（2）水反冲洗时间大于超时报警阈值。其中，个性化预设时间一般小于或等于系统默认预设时间，系统默认预设时间小于超时报警值;若判断结果为是，水反冲洗步骤结束。系统既可保证每个滤池被彻底冲洗干净，又可实现节水节能效果。

2 系统方案设计

2.1  硬件设计

如图2所示，1为V 型滤池工艺排污汇流口，用于导流滤池反冲洗期间所产生的污水;2为水质浊度计加装位置;3为V 型滤池本体;32为滤池本体两个V 型槽;33为滤池本体排水渠。水质浊度计监测值实时传送至反冲洗节水系统主控制器PLC。

如图3所示，设计一种V 型滤池反冲洗节水系统网络拓扑图。C1为中央控制室监控计算机，C3为主站中大型PLC，C4共6个为从站小型PLC，彼此之间通过由C2光纤交换机及光纤搭建出的以太网络进行数据通信，通信协议采用国际标准的Modbus-TCP/IP  协议[4];C5为水质浊度仪，通过基于RS-485串行总线的Modbus-RTU 协议与C3主站PLC 通信，允许C3主站PLC 访问读取C5水质浊度计实时监控的反冲排污水浊度值;C3主站PLC 通过继电接触器控制电路及信号电缆远程控制鼓风机、反冲洗水泵等反冲洗设备，且通过RS-485串行通信总线实时监测设备工况;C4的6个从站小型PLC 和同等数量的V 型滤池存在一对应关系，任意从站小型PLC 均可监控其对应滤池的所有阀门状态及接收由C8液位、阀门开度传感器反馈至滤池从站PLC 的液位、阀门开度等模拟量信号，上述设计均为反冲洗节水系统的功能实现和可靠控制提供必要条件。

与单一控制器同时监控多个滤池的集中控制方法相比较，上述所设计的集散控制模块具有风险分散、控制分散，而操作管理集中的架构优势，可有效提高 V 型滤池工艺的可靠安全性和操作便捷性[5-6]。

2.2 软件设计

2.2.1  算法流程

节水原理如图4所示，滤池反冲洗需经过反冲前过滤S3、反冲前排污S5、气反冲洗S7、气水混合反冲洗S9，再进入水反冲洗阶段S11，其中，个性化预设时间小于或等于系统默认预设时间，系统默认预设时间远小于超时报警值。由步骤S12可知，当条件A“个性化预设水反冲洗时间结束”和条件B “排污水浊度低于设定值”作与运算，其结果再和条件C“水反冲洗累计时间大于超时报警值”作或运算，邏辑表达式为F=A × B +C，F 真值是结束反冲洗流程的充分条件。根据V 型滤池工艺实际情况，系统水反冲洗超时报警值统一预设为600 s，此设计既能保证滤池至少得到系统预设值的反冲洗时间，也可避免因浊度仪故障造成无法停止反冲洗的现象。

所有滤池反冲洗流程各阶段实际耗时及其排污水浊度值均被系统自动记录。系统会根据正常运行水平和历史数据趋势的对比作出分级响应和预警，如滤池近2次水反冲洗实际耗时值变化过大，旨在为研判滤池的含污截污性能、反冲洗强度、数据监测等方面异常情况提供数据支撑[7-9]。

2.2.2 人机界面

如图5所示，所有滤池的预设水反冲洗时间均低于默认值，以1#滤池为例，该滤池水反冲洗时间预设值为380 s，而系统固定的默认值为420 s。假设1#滤池进入水反冲洗阶段且累计运行时间已达390 s，同时水质浊度计在线监测的排污水浊度低于设定值，系统会提前结束反冲洗流程，即比系统默认值（420 s ）节省30 s 时长的反冲洗水量;若水反冲洗累计运行时间超过420 s，而排污水浊度大于设定值，说明当前滤床污泥较多，仍未冲洗干净，则系统继续保持水反冲洗，直至排污水浊度小于设定值才结束本次反冲洗流程，以保证该滤池能被彻底冲洗干净;若水反冲洗累计运行时间已超过水反冲洗超时报警值600 s，则系统自动终止本次反冲洗，并通过人机界面的报警弹窗和铃响来警示值班人员，有效杜绝因浊度仪异常或信号反馈故障等因素导致系统误判断而提前结束反冲洗，致使滤池冲洗不彻底、不干净的水质安全事故[10-12]。

系统在设计上既可满足滤池在被彻底冲洗干净前提下实现节水节能目的，又能对反冲洗期间排污水浊度监测异常等情况作出自诊断与处理。

3 试验研究

根据试验，滤池每次水反冲洗约节省时间为15～40s，单个滤池每次反冲洗可节省水量20～60m3，6个滤池在单个运行周期共节省约137㎡3，如忽略停池停产等意外因素，按滤池运行周期2000 min、单次反冲洗时长27min、保养5min计算，每个滤池年内约需反冲洗258次，则节水系统一年内约节省3万余吨水量。而水厂制水量越大，用于净水处理的滤池有效过滤面积、水洗强度、冲洗时长亦增大，则节水节电效果越显著。

4 结束语

本文研判经验定时法反冲洗系统容易产生水资源浪费或滤池冲洗不彻底的生产现状，提出一系列以直击痛点、挖潜增效为导向的技术措施。通过在反冲洗排污渠位置加装水质浊度计，优化反冲洗算法流程，辅以人机界面设计作为时间参数预设且能动态调整，节水系统经过实地水厂的生产性投用运行，证明既解决高负荷滤池冲洗不彻底问题，提高抵御水质安全风险能力，又减少低负荷滤池不必要的反冲洗水量消耗，在保证滤池彻底冲洗干净的前提下实现节水节能目的，助力供水厂安全优质降本供水。

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第一作者简介：李明俊（1986-），男，硕士，高级工程师，研究领域为自动化系统设计、机电一体化技术，已发表论文5篇。

（编辑：刁少华）