CN102921208B - 高效连续式反粒度过滤装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续式反粒度过滤工艺。该工艺以反粒度过滤为核心，优选不同孔径滤网或滤布作为过滤介质，包裹于柱状栅格上进行过滤。原水在压力作用下由外筒体经过滤介质进入柱状栅格进行过滤，工作过程中过滤介质保持缓慢旋转状态，当旋转至反冲区时，滤后水由内而外对过滤介质进行反冲。该工艺在过滤的同时进行反冲洗，实现了连续过滤；外层过滤介质空隙大于里层，具备反粒度过滤滤速高、含污量大的特点；将原水配水、过滤、反冲洗等诸多过滤单元集于一体，提高了主体设备的集成度；同时在主体设备内实现固液分离及污泥浓缩，无需额外增设其它设备和装置，设备化程度高，应用范围广，基建投资和运行成本低，占地面积小，操作简单。

Description

高效连续式反粒度过滤装置及工艺

技术领域

本发明涉及一种水质净化装置，用于过滤分离水中悬浮物，尤其涉及以纤维过滤介质反粒度过滤为核心，实现高效稳定净化效果的水质净化工艺，可广泛应用于地表水、市政污水、工业废水的净化处理及污泥浓缩。

背景技术

传统过滤方式多采用下向流过滤，也即水流自上而下通过滤床。此种过滤方式存在以下缺陷：首先，由于传统滤层中滤料粒径分布呈现上小下大的特征，原水杂质首先被表层小粒径滤料截留，而底层大粒径滤料易被小颗粒杂质穿透，滤床截污能力得不到充分发挥，使得过滤周期短，滤速低，反冲洗难度大；其次，滤床被穿透后需停池进行反冲洗，增大了其它滤池处理负荷，同时增加了运行成本；再次，反冲洗废水含固率较低，增大了制水成本。

在此种背景下，针对传统滤层的上述缺陷，水处理专家提出了“反粒度过滤”的概念，也即，原水应遵循“先粗后细”的顺序经过滤料。

为获得反粒度过滤效果，研究者提出了双层滤料、三层滤料乃至多层滤料的下向流过滤工艺，并取得了高于单层滤料的滤速及过滤周期，但对于每一层滤料，此类工艺依然没有真正解决传统过滤存在的问题，而且还存在反冲洗时的“混床”问题及轻质滤料流失问题。在此基础上出现的双向流滤池将原水配水管置于滤床底部，于滤池中部设置清水管收集滤后水，生产实践中存在滤池周期短，反冲洗困难等问题，难于推广应用。

在上述研究基础上，研究人员进行了上向流反粒度过滤工艺的研究和探索，极大提高了滤层含污能力，但工程应用中存在反冲洗困难、滤速过高易造成滤层流态化等问题；针对上述问题，通过提高细滤料粒径级配，又出现了粗滤料反粒度过滤工艺，也取得了比较好的效果，但同时带来了过滤精度下降的问题。

近年出现的彗星式纤维滤料过滤工艺，下向流过滤中能够形成上疏下密的理想反粒度过滤滤层结构状态，极大地提高了滤速，延长了滤池工作周期，且易于反冲洗。但这种反粒度滤层结构是在较高的滤层工作压力及滤速下获得的，不适用于滤速较低的工况条件。

综上所述，对于滤层过滤工艺，迄今为止还没有既能达到满意处理效果，又能保持较长工作周期，且滤速高，工艺简单、占地面积小、操作运行方便、成本低廉的处理方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种水质净化装置与工艺，该工艺以反粒度过滤为核心，通过优化过滤介质布置，使水流过水断面逐渐减小，增大滤层含污能力，提高过滤表面负荷，亦有利于反冲洗中截留杂质的排出，过滤与反冲洗同步连续进行，可广泛应用于不同水质原水净化处理，具备高效稳定的除浊效果。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

高效连续式反粒度过滤工艺，包括主体设备、管路系统和自控系统，其中主体设备中部分为内外筒，外筒分为原水配水区及反冲洗水收集区两部分，以隔板相隔，其中反冲洗水收集区设有穿孔排水管；内筒为滤后水收集区，内外筒之间以包裹于旋转栅格上的过滤介质相隔，旋转栅格以设置于设备顶部的减速电机带动旋转；主体设备顶部为清水区，与滤后水收集区相通并与原水配水区以隔板相隔；主体设备底部为反冲洗水浓缩区，与反冲洗水收集区相通并与原水配水区以隔板相隔。旋转栅格下部设有柔性桨叶，底部封口，由底部轴座固定并支撑；管路系统包括由原水进水管、滤后水出水管、反冲洗抽吸管、排泥管及附设与其上的阀门仪表组成，其中，进水管与设备原水布水区连通，出水管与清水区连通，排泥管与反冲洗水浓缩区连通，反冲洗抽吸系统由布置于反冲洗水收集区的穿孔管及设备外与水泵吸水管路连通的抽吸管组成。

优选的，主体设备外筒由两片隔板及包裹于旋转栅格之上的过滤介质分隔为原水布水区及反冲洗水收集区，旋转栅格在减速机的驱动下进行缓慢转动，隔板内侧以橡胶滚轴与过滤介质压紧接触实现与原水区的分隔，同时避免表层截留杂质被刮落于清水区。

优选的，由滤网或网状滤布组成的过滤介质缠绕在旋转栅格上，由于内层半径小于外层，或在内层布置小孔径滤布，外层布置大孔径滤布，从而形成内小外大的过水断面形状，而过滤中表层滤布截留污染物后造成压力增大，对内层滤布有压紧作用，形成外疏内密的结构特点。

优选的，反冲洗水收集管于朝向外筒壁，也即过滤介质背侧均匀开孔。

优选的，原水配水区与污泥浓缩区之间的隔板上开有小孔。

优选的，自控系统信号输入单元包括位于原水进水管上的流量计、清水出水管上的浊度仪及流量计，位于反冲洗水收集管路上的浊度仪及流量计，位于原水进水管及清水出水管上的压力表；信号输出控制单元包括位于反冲洗水收集管路上的电磁阀、位于排泥管路上的电磁阀、原水泵和位于原水进水管路上的电磁阀。

由以上方案可见，本发明是一种以反粒度过滤为核心的水质净化工艺，可广泛应用于各种水质原水的净化处理。与传统过滤工艺相比，具有如下优势：

1、通过对滤层空隙率分布及滤层结构的优化，使过滤中水流过水断面先大后小，从而提高了滤速、滤层含污能力及反冲洗效果，减小了占地面积；

2、以纤维滤布为过滤介质的反粒度过滤，由于空隙率小于传统滤层过滤，因而能够取得更佳的过滤效果；

3、不同滤层高度处水流流程大致相同，过滤水头损失分布均匀，因而有效避免了过滤中短流现象的发生，使不同高度滤层的截污能力得到有效发挥，过滤与反冲洗同步进行，实现了连续过滤，延长了过滤工作周期；

4、通过负压抽吸降低反冲洗水收集区压力，有利于反冲洗效果的强化；由于污染物颗粒具有远大于水分子的惯性，因而反冲洗水收集管的布置方式最大限度地避免了污染物颗粒被抽吸出反应器；

5、反冲洗废水上清液经抽吸重新进入过滤处理单元，而污染物颗粒沉降进入污泥浓缩区后经压实沉降排放，含固率远高于传统过滤工艺滤后水，因而能够极大地减小生产废水排放量，提高产水率；

6、将过滤、滤后水收集、反洗水浓缩集于一体，提高了工艺的集成度。

附图说明

图1为高效连续式反粒度过滤器工艺示意图；

图2为隔板(13)与过滤介质结合方式示意图；

图3为扫洗孔单向阀工作原理示意图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

参阅图1，本发明包括主体设备、附属管道及阀门系统和计控系统。主体设备外围结构由外筒体(35)、顶盖(36)及底板(37)围成。

参阅图1，对工艺过滤过程进行说明。

原水经提升水泵(1)加压后，由进水管(2)经流量计(3)、电磁阀(4)及压力表(5)进入主体设备原水配水区(6)，该区域上下分别由水平隔板(7)、(8)与清水区(9)及污泥浓缩区(10)分隔，由过滤介质、柱状栅格(12)、竖向隔板(13)、(14)与滤后水收集区(15)分隔，过滤介质(11)均匀包裹于柱状栅格(12)之上。原水进入配水区(6)后，在压力作用下穿过过滤介质(11)及柱状栅格(12)进入底端封口的滤后水收集区(15)，颗粒杂质被过滤介质(11)截留，由于滤层空隙具有外大内小的特性，因而能够充分发挥深层滤料截污能力。滤后水收集区(15)与清水区(9)联通，滤后水自下而上进入清水区(9)，而后进入出水管(16)，经浊度仪(17)、压力表(18)、电磁法(19)进入清水池。在此过程中，由于过滤水头大致相等，保证了竖直方向过滤介质配水的均匀性，滤层截污能力得以充分发挥。

继续参阅图1，对工艺反冲洗过程进行说明。

柱状栅格(12)带动过滤介质(11)在减速电机(20)及传动轴(21)的驱动下进行缓慢旋转，处于配水区(6)的部分滤层处于过滤状态，当滤层经过内侧以橡胶滚轴与过滤介质压紧接触的隔板(13)进入反冲洗水收集区(22)后，由于外筒压力骤然降低，滤后水由(15)经柱状栅格(12)及过滤介质(11)由内而外对滤层进行反冲洗。滤层空隙内小外大的特性有利于截留杂质被冲洗出滤层。该区域设有反冲洗水收集管(23)与经连接管(25)提升泵吸水管(26)连接，收集管(23)靠近外筒壁侧均匀开有抽吸小孔(24)，在水提升泵抽吸下，反冲洗水由小孔(24)收集到滤后水收集管(23)中，然后进入连接管(25)，先后经过浊度仪(27)、压力表(28)、电磁法(29)进入水泵吸水管，重新开始过滤过程。由于抽吸小孔(24)背向滤层开孔，因而最大限度地避免了颗粒状杂质经抽吸进入水泵吸水管路。抽吸作用进一步降低了滤后水收集区(22)的压力，从而增大了反冲洗水头，有利于反冲洗的顺利进行。滤后水收集区压力可由压力表(28)读数，通过调节电磁法(29)进行调整。反冲洗出滤层的杂质颗粒在滤后水收集区(22)内进行干扰沉降，经连通孔洞(30)进入污泥浓缩区(31)进行浓缩。浓缩污泥泥面随过滤时间的延续不断增高，当沉降颗粒变浓度区升高至滤后水收集管(23)底端时，杂质颗粒可由底端小孔(24)进入滤后水收集管(23)，从而引起浊度仪(27)读数骤然升高，此时开启排泥管路(32)上的电磁阀(33)进行排泥。电磁阀(33)开启后，浓缩污泥排出造成污泥浓缩区(31)处于负压状态，沿隔板(8)外侧环形布置的扫洗孔单向阀(34)开启，部分原水经(34)进入(31)，对积聚于底板上的污泥进行冲洗，同时将隔板(8)上沉降的杂质颗粒挟带入(31)进行排放。

反应器工作一段时间后，当出水管压力降低到一定值以下时，需进行强制反冲洗。此时，首先关闭水泵进水电磁阀(4)，开启排泥电磁阀(33)，清水区(9)内滤后水将在重力作用下进入滤后水收集区(15)，而后经柱状栅格(12)及过滤介质(11)对滤层进行强制反冲洗，反洗水分别经过隔板(8)上的单向阀(34)及孔洞(30)进入污泥浓缩区进行排放。当清水区水量、水压不足时，也可由水泵提供压力，反冲洗水经出水管进入清水区，对滤层进行强制反冲洗。

继续参阅图1，对自控系统的运行进行说明。

控系统信号输入单元包括位于进水管(2)上的压力表(5)，位于清水出水管(16)上的压力表(17)及浊度仪(18)、位于反冲洗水连接管(25)上的浊度仪(27)及压力表(28)，信号输出控制单元包括位于进水管(2)上的电磁阀(4)、位于反冲洗水连接管(25)上的电磁阀(29)和位于排泥管(32)上的电磁阀(33)。正常运行工况下，进水电磁阀(4)处于常开状态，排泥电磁阀(33)处于常闭状态，过滤水头及反冲洗水头可由压力表(5)、压力表(17)及压力表(28)读数，结合伯诺里方程及过滤基本方程建模得出。通过输出信号调节电磁阀(29)开启度保持压力表(28)于一定值；当浊度仪(27)数值突然增大时，开启电磁阀(33)进行排泥，t分钟后关闭电磁阀(33)；当浊度仪(18)检测值超过与预设值，或压力表(17)低于预设值时，关闭进水泵(1)及电磁阀(4)，开启排泥阀(33)进行强制反冲洗。

参阅图1和图2，对隔板(13)与过滤介质的结合方式进行说明。

隔板(13)的安装位置如图1所示。隔板(13)一端满焊于外筒壁上，另一端为圆弧形结构，内衬四氟乙烯衬垫。隔板与过滤介质之间为橡胶滚轴，该橡胶滚轴中心为钢棒，固定于隔板(8)及隔板(9)之上。过滤工况下，过滤介质在电机驱动下做缓慢转动，带动橡胶滚轴做同向运动，因而粘附于过滤介质表面的杂质颗粒能够通过橡胶滚轴进入反冲洗区。

参阅图1和图3，对隔板(8)上扫洗孔单向阀(34)工作方式进行说明。

扫洗孔单向阀(34)于隔板(8)外侧环状安装，如图1所示。该单向阀由上部的十字支撑杆，下部的浮体，以及连接支撑杆与浮体的连接杆组成。过滤工况下，浮体在水的浮力作用下上浮，堵塞扫洗孔，水流不能从原水配水区(6)进入污泥浓缩区(31)；排泥及强制反冲洗工况下，浮体位置下降，水流由浮体与隔板间隙进入污泥浓缩区，并对底板上的沉积污泥进行冲洗。

本发明通过优化滤层空隙率分布，使滤层截污能力得以充分发挥，提高了工艺的处理负荷，大幅度提高了反冲洗废水浓度，大幅度延长了过滤周期，并将过滤、反冲洗及污泥浓缩集于一体，无需增设附属装置和设备，对各种水质原水具有高效、稳定的净化效果，同时占地面积小，操作简单，处理成本低。

当然，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (7)

1.高效连续式反粒度过滤装置，包括主体设备、原水进水管路系统、反冲洗水浓缩及循环系统和自控系统，其特征在于：

所述主体设备为一密闭筒体，桶内设置有原水配水区、反粒度过滤区、反冲洗废水浓缩及排放区、滤后水收集区，其中，原水配水区位于主体设备中部，顶部与清水区，底部与污泥浓缩区分别以隔板相连；反粒度过滤区由外部缠绕多层过滤介质的一端封口的柱状栅格组成，以过滤介质与原水配水区相隔；柱状栅格带动过滤介质在减速电机及传动轴的驱动下进行缓慢旋转，柱状栅格内部为滤后水收集区，栅格底部为盲板，盲板中心有限位轴与污泥浓缩区隔板中心轴套相连；滤后水收集区上部与位于主体设备顶部的清水区连通，滤后水进入清水区后由顶部清水管排出；原水配水区中以两块竖向隔板隔出反冲洗水收集区，该区内设反冲洗水收集管，底部与污泥浓缩区连通；反冲洗水上清液由收集管排出，杂质颗粒沉降进入污泥浓缩区，浓缩后排出主体设备；

所述的原水进水管路系统包括原水管及沿水流方向依次设于原水管上的附属设备为提升泵、阀门、流量计，同时原水管与主体设备原水配水区连通；

所述的反冲洗水浓缩及循环系统包括反冲洗水收集管及附属阀门仪表系统、强制反冲洗管及附属阀门系统组成的反冲洗水上清液循环系统，以及由排泥管路及附属阀门组成的浓缩污泥排放系统组成，其中反冲洗水收集管接出主体设备后与提升泵吸水管路相连，强制反冲洗管与水泵出水管相连；

所述的自控系统的信号输入单元包括位于进水管上的压力表，位于清水出水管上的压力表及浊度仪、位于反冲洗水连接管上的浊度仪及压力表，信号输出控制单元包括位于进水管上的电磁阀、位于反冲洗水连接管上的电磁阀和位于排泥管上的电磁阀。

2.根据权利要求1所述的高效连续式反粒度过滤装置的过滤工艺方法，其特征在于：

所述的反粒度过滤区的过滤介质为缠绕在柱状栅格上的网状过滤介质，因缠绕半径不同，或内外层介质空隙布置不同，形成内小外大，内密外疏的空隙率分布特征；过滤介质在柱状栅格带动下缓慢转动，当过滤介质处于反粒度过滤区时，原水在压差作用下由外向内流过滤层，符合反粒度过滤特征，滤层截污能力得以充分发挥；过滤介质处于反冲洗区时，反洗水在压差作用下由内而外进行反冲洗，所述过滤工艺方法简述如下：

原水经提升水泵加压后，由进水管经流量计、电磁阀及压力表进入主体设备原水配水区，原水配水区上下分别由水平隔板、与清水区及污泥浓缩区分隔，由过滤介质、柱状栅格、竖向隔板、与滤后水收集区分隔，过滤介质均匀包裹于柱状栅格之上，原水进入原水配水区后，在压力作用下穿过过滤介质及柱状栅格进入底端封口的滤后水收集区，颗粒杂质被过滤介质截留，由于滤层空隙具有外大内小的特性，因而能够充分发挥深层滤料截污能力，滤后水收集区与清水区联通，滤后水自下而上进入清水区，而后进入出水管，经浊度仪、压力表、电磁阀进入清水池，柱状栅格带动过滤介质在减速电机及传动轴的驱动下进行缓慢旋转，处于原水配水区的部分滤层处于过滤状态，当滤层经过内侧以橡胶滚轴与过滤介质压紧接触的隔板进入反冲洗水收集区后，由于外筒压力骤然降低，滤后水由经柱状栅格及过滤介质由内而外对滤层进行反冲洗。

3.根据权利要求2所述的过滤工艺方法，其特征在于：

所述的反冲洗水收集管，为一贴近外筒壁布置，背向滤层均匀开孔的竖直管路，保证了反冲洗水上清液排出的均匀性；收集管接出主体设备后与水泵吸水管相连，在负压抽吸作用下降低了反冲洗排水区压力，从而提高了反冲洗水头，有利于反冲洗效果的强化。

4.根据权利要求2所述的过滤工艺方法，其特征在于：

所述的主体设备进水口位于原水布水区底部，而清水出水管及反冲洗水收集管均位于各自区域顶端，从水力条件上保证了过滤配水的均匀性及反冲洗强度在竖直断面上的均匀性，有利于保证反冲洗效果及滤层截污能力的充分发挥。

5.根据权利要求2所述的过滤工艺方法，其特征在于：

所述的主体设备内，反冲洗收集管背向反冲洗水流方向开孔，由于杂质颗粒惯性远大于水分子，因而不易在抽吸作用下进入收集管；杂质颗粒沉降至污泥浓缩区进行浓缩，大幅度提高了排泥含固率。

6.根据权利要求2所述的过滤工艺方法，其特征在于：

所述的主体设备内，反冲洗区与反粒度过滤区隔板与过滤介质间的接触采用橡胶滚轴，保证了两区域间的压差，同时避免了介质表层杂质被刮落于反粒度过滤区。

7.根据权利要求2所述的过滤工艺方法，其特征在于：

所述的主体设备内，反粒度过滤区与污泥浓缩区隔板上设置有扫洗孔单向阀，过滤工况下单向阀浮起堵塞扫洗孔，反冲洗工况下单向阀落下对底板上淤积的污泥进行冲洗。