CN1036512A - 利用细砂沉淀来处理水的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用沉淀法来处理水的方法，在混合区1或胶体稳 定区注入反应物，再把水引入起聚集作用的过渡区 2，然后水再进入层式沉淀区8，淀清的水从那里流 出。其特点为在混合区1按一定比例注入比水重的 粒状物，并维持端流状态，在过渡区产生扰动7保持 粒状态悬浮在水中，几乎全部的粒状物都被送到层式 沉淀区8，在其底部被收集并排出，再在D被分离， 粒状物经清洗后回收再用。

Description

本发明是有关用絮凝-沉淀法来处理水（特别是澄清和净化水）的过程和装置。
此方法的原理是清除掉水中的悬浮物质，水经过这样的处理方法、就分别能满足家庭用水、工业和农业用水、或可排放于自然界中。
悬浮在水中要除掉的杂质的来源是很不同的、其尺寸非常小（微米量级），同时其含量可在很大范围内变化：由于这些特点，直接用自然沉淀法难得达到较快的分离速度，已经知道的、以前的那些水处理过程中用一些辅助的净水剂，依靠它们的化学或物理作用促使杂质团（通常称为絮片）的生成和长大，以使这些成团的杂质相对来讲容易沉淀出来。此方法是很常用的，净化剂包括有绒聚剂和絮凝剂，绒聚剂是矿物盐（如硫酸亚铁、硫酸亚铝、氯化铁等等）它们能引起悬浮杂质的水解：絮凝剂（高分子电解质类的聚合物）能促使凝核的形成、凝集和生长。
这样的凝聚物或絮片接下来被引入到一个（或几个）沉淀区，在其上部得澄清的净水，底部的沉垢通常经适当的处理后可回收再用。
这种方法已经得到很多的改进，以提高澄清水流出的速度和增加清除悬浮杂质的能力（即降低水中固体颗粒的含量及浑浊度）。有关此，可参看多吉尔（Dauthnille）先生的文章，此文章发表在1987年6月15-18日在尼斯（Nice）召开的大会上，其会议论文集已由A.G.T.H.M。出版了。
人们总是期望借助于引入凝核的方法以加快在绒聚和絮凝过程中絮片的形成速度。
就象在1964年8月4日提交的专利FR-1，411，792中建议的那样，往水中注入反应物、即澄清水的辅助物，通常是用20～200微米的细砂。待细砂弥散在水中后，把水循环，使其速度逐渐降低，从上到下使附着在砂上的絮片增长、在重力还不能破坏砂在水中弥散状态的条件下，絮片长大到1～4毫米，然后从下向上在重力作用下砂粒“拉”着絮片沉落。再收集这样形成的含粒沉垢，可从中分离出砂粒。用这种熟知的原理沉淀法的方法称为“絮片循环”（“CYCLOFLOC”），通常淀清速度为6～8米/吋。
要提请注意的是，这里讲的淀消速度（或是“在液面处的速度”）是水流量（单位为米3/吋）除以沉淀区自由面积（单位为米2）的商。
以后又有人提出、特别是在1966年9月28日提交的专利FR-1，501，912和1969年12月16日提交册的专利FR-2，071，027中，建议让水流过由颗粒状物质（实用砂粒）形成的硫化床，水流速度从下向上逐渐降低。捕集了污垢的流化床上的砂粒、经分离掉污垢后循环使用。流化床上方的多层装置是为了改善沉淀过程。用这种原理进行的沉淀，澄清过程称为“快速流”（“FLUORAPID”），能达到出口速度（溢流速度或淀清速度）8～15米/时。
再近些，又提出了不用砂子的方法，这在1983年10月7日提交的专利FR-2，552，082中作了介绍。在反应池（起絮凝和/或析出作用）和层式沉淀池之间增加一个起浓集和沉淀作用的过渡池。反应池由内外两池组成、其上、下是相通的，装在内池的轴流泵使水从外池流向内池的底部、使水循环流量大大高于流入反应池的水流量。用这种方法，污垢同样沉淀在过渡池底（占85～90%），从过渡池上部流出含有絮片的水、接下去流向层式沉淀池进行充分沉淀。鉴于流出过渡池的水中絮片含量很少，因而避免了在沉淀池的层状物下聚集污垢，也就不必为防止污垢被冲动而降慢整个淀清过程。看起来这种方法能达到35米/时的淀清速度，且处理后的水质也适中，约和城市废水相仿。
在已经知道的一些方法中，可以设想絮片的浓集是产生在完全没有搅动和涡旋的区域，而当水流变强时很容易破坏形成的絮片。
本发明是为了进一步提高澄清水的出口速度、而丝毫没有以降低水质为代价。
本发明建议用沉淀法处理水：在要处理的水中注入反应物、且产生一个混合区、或称为胶体不稳定区，然后水流到起胶体聚集作用的过渡区、再进入层式沉淀池，清水从那里流出。依据此方法的特点在于，要按一定的比例注入比水重的不溶性颗粒状物质，在混合区要保持湍流，再进入起聚集作用的过渡区、依赖湍流的特点维持粒状物悬浮在水中，这样所有的粒状物都将被送到层式沉淀区，在这个区里把收集起来的污垢排走，污垢经分离后粒状物可回收再用。
本发明也提出了沉淀法处理的装置，范置由胶体混合池、或胶体失稳池，过渡聚集池，和沉淀池顺序地组成。混合池中有待处理水和反应物的入口、及搅动机构，层式沉淀池的上部有净水出口、下部是收集污垢的区域。此装置的特点在于，在混合池有一个通路、供注入比此水重的不溶性粒状物，在聚集池有一个搅动机构，在层式沉淀池有排走收集起来的污垢的出口，通过污垢和/或粒状物的分离站，其一个出口与混合池的粒状物注入口相连接。
可以看到，与那些已知的方法相比较、本发明的特点是用粒状物的同时维持在聚集池中的湍流，而且大部分的沉淀发生在层式沉淀池。但这些都是最近一些方法力求避免的。
事实上，与那些已经知道的方法相比，除了注入粒状物之外没有任何方法能提高淀清速度。但这带来不方便之处：必须添加一个额外的流程，以分离粒状物和形成的污垢来再生利用粒状物。其次，由于砂粒在当作粒状物时有不受欢迎的磨蚀作用，这会致使内行的人放弃这个方案。
再说，还没有证据说明所预计的任何一个感兴趣的观点，聚集池在反应池和层式沉淀池之间，沉淀没在后者中发生，然而最近的一些方法表明：这样的过渡池是特别会发生大部分必不可少的沉淀的。
最后，特别是没有证据说明，在这样的过渡池中依靠胶体聚集到砂粒上形成的絮片在长大时不沉淀：保持絮片不下沉而处悬浮态实际上是靠搅动，但这看起来与使用砂粒是相矛盾的。同时也排除了全部的“生长”现象，即使用粒状物首先排除了浓集池不沉淀的原理。
然而试验已经表明本发明能达到30～60米/时的已知淀清速度，甚至90米/时，这远高于以前所知的各种方法，而且没有因此而降低水的澄清度。
还要补充一点，本发明建议粒状物和水的混合进行反应是在强烈的搅动区内，这与以前的各工艺是显然不同的，以前的方法中水的循环至多只能在两个区域之间产生搅动，这两个区域是用隔板挡开的、且水流方向是相对的。
粒状物可以用砂子，更多的情况下可在两大类中选一种或选另外一种，这些可能是天然的也不能是人工造的。有些物质对在水质条件要求下是化学性质惰性的，属于这一类的除了砂粒和细砂（micr-osable）之外，常用的有拓留石、玄武岩、金属氧化物（特别是铁的氧化物）及浮石等。有些物质除了物理性质外、还能以化学性质和、或生物性质参与水的净化过程，这一类中有活性碳、离子交换树脂、碳酸钙（carbonate    de    calcium），沸石等。或者以另一更简单的原则来选择，即用表面势能尽量小，甚至为负的物质。
根据本发明中最佳实施方案，其中一些可相互接合会使：
在混合区维持的速度梯度远高于在过渡聚集区的速度梯度;
用砂子时，过渡聚集区的速度梯度在400～1500    1/秒;
用砂子时，在上混合区的速度梯度为1500～4000    1/秒;
用砂子时，最理想的速度梯度在混合区域为3000～3500    1/秒，在聚集区域为700～900    1/秒。
依据本发明的装置其最佳实施为：
混合池和聚集过渡池的截面形状接近正方形，各个池子侧边长与搅动叶浆直径之比约为0.5～0.8;
混合池的搅动器是由电动机驱动、绕一垂直轴旋转的螺旋桨，其周边速度为1～2米/秒，聚集过渡池的搅动器也是由电动机驱动、绕一垂直轴旋转的螺旋桨，其周边速度为0.2～2.5米/秒;
水离开混合池是从位于该池和聚集过渡池之间的第一块挡板上部的水平边缘溢流的：离开过渡池进入侧池则是从位于两池之间的第二块挡板下部的水平边缘下方流动的;水再经位于侧池和侧水道之间的隔板的上部边缘溢流，在长水道中把水分配给长形的层式沉淀池;水再从位于长水道和沉淀池之间挡板下部边缘下面流入沉淀池这条下面的边缘是从侧池开始从上倾斜的。也可以把水流方向反过来，保留同样数量的挡板和隔板，这样最后水从沉淀池下部流入。
聚集过渡池的截面是接近正方形，第一块挡板上部边和第二块挡板下部边之间的高度为1～3倍过渡池的边长，最佳条件是1～1.5倍。搅动器安装深度从挡板上边缘算起为0.5～0.9倍的上述高度（最佳为0.6～0.7倍）。
过渡池的搅动器是一台轴流泵，旋转方向以与水流相反为佳。
本发明的内容、特点、优点将以后面的图来反映，这里只以一个例子来说明，本发明不只限于此例子：
图1是有关本发明的沉淀装置的纵剖面简图，用细砂子作为粒状物;
图2是图3上按Ⅱ-Ⅱ线的剖面视图，图3是没有细砂再生流程的另一种装置实施例;
图3是一幅俯视图;
图4是图3上沿Ⅳ-Ⅳ线的横向剖面图;
图5是图3上沿Ⅴ-Ⅴ线的横向剖面图;
图6是图3上所示沿Ⅵ-Ⅵ线横向剖面图;
图1所示的装置是由一分别相连通的池子组成，分为聚集区A、沉淀区B、污垢收集罐C及砂粒/污垢分离器D。
反应-聚集区A包括混合池1、过渡聚集池2;混合池中含有胶体的待处理处于不稳定状态;聚集池中不稳定的胶体以细砂为凝核进行聚集。混合池1装有管子3是水的入口，管子4是供应絮凝剂的、管子5是从上面介绍过的分离站D来的细砂的通路。
池1和池2中分别装有搅动器6和7。
沉淀区B包括一个沉淀池8，装有层式沉淀件9，池8上部水引出与清水输出管10相接，下部有排走收集起来的污垢的部件11、它与污垢罐C相连。管子12和泵13把砂子和污垢一起从沉淀池送入到分离站D，在那里用水力旋转分离的原理作处理，污垢从管14排出，清洁的细砂从管5排出。
图2-图6详细介绍了一个装置，其所用的符号与图1所用的都是一致的。池1、2都是方形截面的，其高度（看下面）等于或略大于相应的边长，材料可以用混凝土或钢。
混合池1旁边是供水池15、各种水源的管子都接到那里。混合池1和过渡池2由挡板16分开、其上缘16A为溢流口。
过渡池2旁边是侧池17、两者由挡板18分开、其下缘为18A。
侧池17和水道19由挡板20分开、其上缘20A为溢流口。
侧面的配水道19按沉淀池8沿长度方向相连，两者由挡板21分开、其下缘21A从池3开始向上倾斜的，在起点处与18A几乎一样高。
池8的上部装有不同的层式沉淀部件9，它们在图4上是朝右向上倾斜的，以保持与水流方向一致。
部件9的下部有部件11把污垢收集到沟22中，它与收集池23相通，池23位于池3下方、两者由板24隔开。
在池8下部的沟收集靠重量下沉的污垢。在另外一种装置中（这里未示出）沟直接位于池3的下部、且设有隔墙24。
沉淀池8的底是朝着沟22的方向倾斜的，收集污垢的装置11作为一个例子，可以是一根蜗杆。
池8上部有提取水的管子25、它与侧面的集水槽26相连，把清水送到管10去。
最佳的安排为16A和18A之间的高度（见图2）是1～1.2倍方池3的边长（本例中为1.2倍）;而搅动器7从16A算起的深度以0.75～0.90倍的上述高度（这里是0.8倍）。
搅动器是叶浆式，其直径为0.65～0.75倍池3边长（这里是0.7倍）。
搅动器7由电机27驱动，使得叶片外缘的园周速度为1～2米/秒;在混合池1中的搅动器6由电机28驱动，达到叶片外缘园周速度为0.7～1.5米/秒，相同的，其叶片直径为0.7倍池1的边长。
这些搅动器都是采用薄叶片的。
作为一个例子，搅动器7可以是轴流水泵，其转向是与水流方向相反，以产生强烈的扰动维持细砂在水中的悬浮直到水流入池8。
在运行中，搅动器6的园周速度比搅动器7的园周速度大，以在池1和池2中产生强烈的扰动、且池1中的扰动比池2要大。
如用速度梯度G来衡量施加给水的“形变”，可以讲池1中的速度梯度比池2中的大。
参数G由下式决定：
G＝（P/μv）1/2
其中、当用机械搅动器时P＝Np·ρ·N3D5
G：速度梯度（1/秒）
P：消耗在水中的功率（瓦）
μ：流体的粘性系数（千克/米秒）
v：流体的体积（米3）
NP：搅动器的功率数（是元因次系数、表征搅动器在流体中受到的阻力）
ρ：密度（千克/米3）
N：搅动器的转速（转/秒）
D：搅动器叶片直径（米）
有关此参数在可耐（CORNET）的文章：“在水处理的不同过程中的水力梯度的确定”（“水处理的净化技术”№.418，1981年10月.P21-32）中讨论了;或者波拉塞克（POLASEK）的文章：“均方根速度梯度的函义及在不同水处理装置中的计算”（“水”SA-vol·5.№.4.1979年10月P196-207.）
在混合池1中可以施加1000-1500和4000    1/秒（甚至更高）的速度梯度，例如3000-3500    1/秒的量级，池2中速度梯度约为300-400和1500    1/秒（甚至更高高），例如在700～900    1/秒量级。
按上述参数相应于水在池2中处理的时间为水在混合池1中的2.5～3.5倍。
要注意到本发明所采用的速度梯度远高于实际絮凝过程中的速度梯度（小于30    1/秒）。这里要说明的是，出于行家的意料，本发明所采用的聚集现象和聚集过程是具有与已知的絮凝现象完全不同的性质。
在工作中，待处理的水流入快速扰动的池或罐1，在其底部注入绒聚剂、絮凝剂、反应物、细砂，待处理的水经调节后在池1中流动，产生强烈的一次扰动;由砂粒运动激起的二次扰动有很大的“剪切”作用，这样增加了微粒之间的有效接触（撞击）而绒聚（放电），氢氧化物依靠直接接触;以及更重要的是借助于细砂的媒介，这也是细砂在过程中充当的角色。接下去水再到池2或罐2中处理、在强烈的扰动下处理6分钟，保持砂子处于悬浮状态不下沉;完全水处理的条件为流体必须在池内“翻腾”足够的次数（次数N是搅动器产生的流体流量与处理水流量之比）;有一个强烈扰动、各向同性的区域，实际产生的“扰动长度”很短的。相邻近范围内的胶体状杂质放电后，靠吸附附着在细砂上。
细砂悬浮在水中，水流在侧水道（位于机械搅动池和沉淀池之间）流动相对是缓慢的，水的速度要能防止砂子过早沉淀、亦即到达沉淀池中层状物9之前不能沉淀。在沉淀池中微粒、形成絮片状的杂质变得很重了，要下沉了，在层状物9处杂质速度比水慢、在成60°倾斜的9上沉淀下来，然后向沟22滑去。清水则从上部排出流向下一步的处理装置，而在沟里收集的污垢、在本例子中是分次排出的（其他情况下可在池底连续地刮取污垢，排到一起再排走）。
污垢按下去流到砂子-污垢分离系统，通常在“旋风”池中分离、再生，干净的砂子再次与净水剂一起输到待处理的水中去。
水的流动在混合池1中是从下向上、聚集池2中从上向下、侧池中从下向上、水道中从上向下、在挡板沉淀池从下向上。
应注意，倾斜的边21A决定了挡板21下部位置，这能保证流向各个层状物9几乎具有相同的流量。
本发明可说明这样一点，即在检查水在处理前后的质量时，本发明比其余已知的方法处理的水质有明显提高;同时淀清水的速度能达到30～60米/时，甚至90米/时（这时的雷诺数大大起过200）。
给出的沉淀装置的大小可直接由可达到的沉积速率决定，本发明的经济利益易于理解。
在100～150米3/时的示范性试验装置的试验结果在表1、2中给出，一个是搅动区的特性，另一个是达到的指标。
细砂的粒度是40～100微米，注入浓度为4克/升水。
表2中NTU.M.E.S.和M.O.的定义为：
NTU：浊度单位，M.E.S.悬浮的物质，M.O.有机物质。
表1
最后一点说明，以上仅用一个例子对本发明作了介绍，还有很多类似的方法和装置可能由本行有技艺的专家们提出来，但都不能超过本发明的范围。
Figure 891011617_IMG3

Claims (19)

1、用沉淀法处理水的方法：在待处理的水流中注入反应物并形成一个混合区(1)、或称为胶体不稳定区，然后把水引入到一个聚集过渡区(2)，再把水引入层式沉淀区(8)，在那里提取处理后的水，其特征在于：在内部混合区(1)按一定比例注入比水重的不溶性粒状物、并在这一区域维持湍流(扰动)状态：在聚集过渡区(7)产生湍流(扰动)使得粒状物在水中保持悬浮：几乎全部的粒状物都被送到层式沉淀区(8)，在其底部被收集并排出、再在D分离出粒状物经清洗后回收再用。
2、根据权利要求的方法，其特征为，在混合区（1）中的速度梯度远大于在聚集过渡区（2）中的速度梯度。
3、根据权利要求1或2的方法，其特征为，粒状物为细砂，在过渡区（2）中建立的速度梯度为400～1500  1/秒。
4、根据权利要求1-3中的任何一个的方法，其特征为，粒状物为细砂，在混合区（1）中的速度梯度为1500～4000  1/秒。
5、根据权利要求4的方法，其特点为，粒状物为细砂，在混合区（1）中的速度梯度在3000  1/秒和3500  1/秒之间，而过渡区（2）中的速度梯度在700  1/秒和900  1/秒之间。
6、根据权利要求1-5中的任何一方法，其特征为，粒状物为粒度为20～200微米的细砂，注入到水中去的比例约为4克/升。
7、根据权利要求1-6中的任何一方法，其特征为，水在过渡区（2）被处理的时间约为水在混合区（1）中处理时间的2.5～3.5倍。
8、根据权利要求1-7中的任何一方法，其特征为，在混合区（1）水流是从下向上的，在过渡区（2）水流是从上向下的。
9、沉淀法处理水的装置由-系列池子组成，依次为，混合池（1），或称胶体不稳定池，装有待处理水入口（3）和反应物入口（4）及搅拌器（6）;聚集过渡池（2）;层式沉淀池（8）、其上部有淀清水出口（10），其下部为收集沉淀的污垢区域，其特征为，它包括在混合池有注入比水重的不溶性粒状物的入口（5），过渡池（2）有搅动器（7），层式沉淀池下部有被收集的污垢出口（23），它通向砂粒和污垢分离站（D），分离站的一个出口和粒状物在混合池的入口（5）相连。
10、根据权利要求9的装置，其特征为：混合池（1）和过渡池（2）的截面是接近正方形，其边长和搅动器（6、7）直径的比分别约为0.5和0.8。
11、根据权利要求9或10所介绍的装置，其特征为：混合区（1）中的搅动器（6）是绕垂直轴转动的叶桨，由电机（28）驱动，叶桨的圆周速度在0.5～2米/秒之间：过渡区（2）中的搅动器（7）是绕垂直轴转动的叶桨，由电机（27）驱动，叶桨的圆周速度在0.2～2.5米/秒之间。
12、根据权利要求9-11中的任何一个的装置，装置的特征为，水离开混合池（1）是从挡板（16）上部边缘（16A）溢流的，挡板（16）是位于混合池（1）和过渡区（2）之间的，水从过渡区（2）到测池（17）是从位于两池间的挡板（18）下部边缘（18A）下流过去的，水从侧池（17）到配水道（19）是过位于两者间的隔板（21）的上部边缘（21A）溢流的，（21A）从侧池（17）起向上倾斜的。
13、根据权利要求12，其装置的特征为，过渡池（2）的截面是接近正方形，（16A）和（18A）之间的高度为1～3倍过渡池的边长：搅动器（7）安装深度从16的（16A）算起为上述高度的0.5～0.9倍。
14、根据权利要求12或13，其装置的特征为，侧面配水道（19）和沉淀池（8）之间挡板（21）的倾斜的下边缘（21A），是从大约（18A）的高度开始上升的，（18A）为位于过渡池（15）之间挡板（18）的下部边缘。
15、根据权利要求12到14中的任一个，其装置的特征为，沉淀池（8）的底部装有机构（11）把污垢集中的浓集区（22），其位置约比过渡池低一些并相通，与污垢排出管（23）相连。
16、根据权利要求15，其装置的特征为：沉淀池（8）的底是倾斜的，斜向上述的污垢浓集区（22）。
17、根据权利要求9到16中的任一个，其装置的特征为，过渡池（2）中的搅动器（7）是轴流水泵，其转动方向与水流方向相反。
18、根据权利要求9到17中的任一个，其装置的特征为，按照所考虑的条件，注入水中的粒状物从化学和、或生物角度看在水中是完全惰性的。
19、根据权利要求9到17中的任一个，其装置的特征为，按照所考虑的条件，注入水中的粒状物从化学和、或生物角度看在水中是有活性的。
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