CN106110720B - 一种水力控制虹吸式全自动旋流沉淀装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力控制虹吸式全自动旋流沉淀装置，包括顶部的虹吸装置、中部的旋流沉淀装置和底部的水力控制装置；虹吸装置的虹吸储水槽与旋流沉淀装置的圆筒体直接相连。渐扩式半圆形虹吸罩位于虹吸储水槽内部，可调式堰板安装于出水槽上，控制虹吸储水槽内水位高度；虹吸下降水流量控制底部存水箱水位高度，水位高度决定浮球控制排泥阀和浮球式泄水控制瓣的启闭。本发明装置依据经典沉淀理论，利用虹吸原理，充分利用水力控制虹吸和排泥过程，实现零能耗的高效固液旋转分离，构造简单，全过程无需人为参与，自动运行，操作管理方便，故障率低，竖向布置节省用地，符合水处理工艺高效低耗的设计理念，不受季节和地点限制，适合多种水处理场合。

Description

一种水力控制虹吸式全自动旋流沉淀装置

技术领域

本发明涉及水的物理处理技术，尤其是涉及水处理沉淀装置。

背景技术

水处理颗粒物物理沉淀工程是水处理中最基本最常用的方法之一，它是根据水中悬浮颗粒和水本身的密度差异，利用重力作用达到固液分离的过程。这种方法是最为简单和常用的物理处理技术，也是水处理技术中一道必不可少的工序。利用这种技术所建立的沉淀构筑物，在水处理工艺中被称为沉砂池或沉淀池。沉淀池在水处理中广为使用。它的型式很多，按池内水流方向可分为平流式、竖流式和辐流式三种。根据经典的沉淀理论，考虑到颗粒沉淀过程中的诸多因素，传统的沉砂池或是沉淀池，能够通过重力作用达到固液分离的目的，但是由于形式及构造的限制，难以实现短距离，长行程的沉淀过程；同时考虑占地等原因，无法为固液分离提供较长的沉淀时间，难有高效的固液分离效率，与理想沉淀效果存在较大差距，尤其对于需要增加絮凝作用的水处理工程，没有高效的沉淀过程，很难达到良好的水处理效果。

发明内容

针对传统沉淀池形式及结构所存在的弊端，本发明提供了一种水力控制虹吸式全自动旋流沉淀装置，通过水力流动实现自控控制，不需要外力介入。典型的旋转式进水方式，缩短固液分离距离，增加沉淀时间，更接近浅池理论，同等条件下，更利于流体中固液分离，分离效率提高的同时，通过虹吸装置可以推动旋流沉淀装置内导向螺旋片旋转，使得固液速度错位，加速固体沉入旋流沉淀装置底部，通过水位控制，实现水力自动排泥过程，可以有效解决以上问题。

本发明涉及的水力控制虹吸式全自动旋流沉淀装置包括顶部的虹吸装置、中部的旋流沉淀装置和底部的水力控制装置。

虹吸装置包括虹吸储水槽、出水槽、出水管、可调式堰板、虹吸空气倒U型管、延时电磁控制阀、渐扩式半圆形虹吸罩和虹吸下降管，出水槽焊接于虹吸储水槽的外侧，之间有可调式堰板间隔，经沉淀后水体由虹吸储水槽越过可调式堰板至出水槽，顺着出水槽下部出水管流出；渐扩式半圆形虹吸罩位于虹吸储水槽的中部，虹吸下降管之上，虹吸下降管垂直穿过旋流沉淀装置直至底部存水箱中；渐扩式半圆形虹吸罩顶部开孔连接虹吸空气倒U型管，两者之间设置有延时电磁控制阀，渐扩式半圆形虹吸罩与旋流沉淀装置的圆筒体直接相连。

旋流沉淀装置包括进水管、封闭底板、倒圆锥体、圆筒体、导向螺旋片、钟罩形喇叭口20、转动叶轮、传动轴和排泥管，原水通过旋流沉淀装置底部进水管进入倒圆锥体，导向螺旋片安装于旋流沉淀装置内部，固定于中间部位的传动轴上，传动轴下部安装有单向的转动叶轮，虹吸下降管出口位于转动叶轮上方，当虹吸开启后，虹吸下降管水流可以推动转动叶轮转动，转动叶轮带动导向螺旋片旋转辅助固液分离。旋流沉淀装置通过支架垂直固定于底部的水力控制装置之上。

水力控制装置包括底部存水箱、浮球控制排泥阀、带有放空控制阀25的排泥放空管24、溢流管23、泄水管、浮球式泄水控制瓣、进出水控制阀，底部存水箱由锥形和圆筒形结构组合而成，锥形与圆筒形连接处有开孔，开孔内侧安装有浮球式泄水控制瓣，外侧连接有泄水管，泄水管与外部联通；进水管与排泥管分别横穿底部存水箱的圆筒形结构，进水管由进水控制阀控制，排泥管设置有浮球控制排泥阀，位于底部存水箱内，独特设计有利于底部存水箱内水位控制浮球控制排泥阀启闭，底部存水箱顶部设置有溢流管，溢流管与外部联通，当水力控制装置中的浮球控制排泥阀发生故障时，溢流管可防止水位上升淹没破坏水力控制装置的情况发生；溢流管以及排泥管道通过管件连接在排泥放空管上。

本发明所述的水力控制旋流沉淀装置应用时，流体通过进水管进入旋流沉淀装置，旋流沉淀装置采用不锈钢结构，与进水管一体式连接，保证管道进水方向和通畅，进水流量由进水管控制阀门调节控制，流体沿着固定式导向螺旋片盘旋上升，该导向螺旋片焊接于旋流沉淀装置中心固定的传动轴上，导向螺旋片外边缘与旋流沉淀装置外侧壁留有100mm空隙，传动轴通过旋流沉淀装置中心部位上部和下部设置的转动轴承实现转动。随着待固液分离原水由旋流沉淀装置底部进水管旋转而上，在上升过程中，流体中的固体颗粒物质通过重力作用以及撞击作用速度降低，固液开始分离；部分会在重力作用下，与流体产生反向运动，慢慢淤积于旋流沉淀装置底部；流体则通过旋流作用后直接从顶部出水口排出，水流动路线短，且旋流沉淀装置内部只有一个方向向上的导向螺旋片，水流过程沿径向、轴向速度梯度小，水剪应力小，所以具有较低的水力压降和较低的能耗。

旋流沉淀装置进水负荷一般控制在1～4m³/(m²·h)，适用范围大，由于旋流沉淀装置内部剪应力小、能耗低，即便是提高进水负荷，水在旋转上升过程中也不易发生湍动，抗负荷能力较强，等比例放大或是串联使用仍能保证固液分离效率，有利于扩大应用。

旋流沉淀装置的圆筒体与下部的倒圆锥体采用焊接的形式连接，保证结构的一体性，下部的倒圆锥体上部直径与圆筒体直径相等，倒圆锥体下部开口直径为圆筒体直径的1/2，导向螺旋片随着下部的倒锥体盘旋上升，形成底部半径小，上部半径大的锥形螺旋结构，此举有利于原水盘旋上升过程中，增加水力停留时间，特殊的流体路径设计，可以防止短流或翻泥现象的发生，更有利于提高固液分离效率，具有较好的灵活操作弹性和稳定性。

圆筒体内固液分离后液体不断地进入顶部的虹吸储水槽中，虹吸储水槽焊接于圆筒体的正中心位置，高度一般控制在0.5～1.0m，圆筒体与虹吸储水槽相接处侧边隆起一定坡度，坡度一般控制在i＝0.1～0.5之间，可阻挡部分固体进入虹吸储水槽内，虹吸储水槽直径为倒圆锥体底部直径的2倍。

虹吸装置设计为可调节式堰板出水，以保证出水量的稳定。随着虹吸储水槽内水位的升高，达到可调式堰板设定的出水水位，沉淀后水体通过出水槽流出；可调式堰板为不锈钢材质，圆形布置，通过固定锚栓锚固，可以上下移动锚固螺栓高度实现可调式堰板高度调节，控制出水流量以及出水槽内的虹吸水位高度，可调式堰板高度根据进水水质和虹吸周期设定。

虹吸储水槽为敞开式布置，内设计有螺栓固定的三脚架，固定由虹吸空气倒U型管、延时电磁控制阀、渐扩式半圆形虹吸罩、渐扩口、虹吸下降管及渐扩式半圆形虹吸罩组成的虹吸装置，渐扩式半圆形虹吸罩为半球形设置，半球直径为虹吸下降管直径的2倍，底部拼接有渐扩口，扩口处水平夹角为75°，该尺寸可以很好的控制空气的储量，有利于渐扩式半圆形虹吸罩内液体水位控制，渐扩口的设置能够保证虹吸过程中有足够的水量通过，实现自动虹吸的目的。

虹吸下降管位于渐扩式半圆形虹吸罩中部，直穿导向螺旋片中心的传动轴，直至底部的转动叶轮处，与转动叶轮顶部保持一定的距离，控制距离为虹吸管管径的2倍。虹吸下降管与传动轴按照套管布置，虹吸下降管外壁距离传动轴内壁为50mm。

特殊的盘旋式上升设计，可以实现固液走向分离，互不干扰；水力控制装置内设置有单向的转动叶轮，直径为虹吸储水槽直径的1.5倍，虹吸下降水流可以推动转动叶轮转动，进而带动导向螺旋片单向旋转，促进固体颗粒下沉，进一步提高固液分离效率。转动叶轮上部设置有钟罩形喇叭口，钟罩形喇叭口直径为转动叶轮直径的1.5倍，钟罩形布置，角度为30°～45°，保证下降水流推力效果，固定于旋流沉淀装置底部中心位置，完全罩在转动叶轮的上部，虹吸下降管的出口处距离转动叶轮顶部不小于50mm。

旋流沉淀装置下部为封闭式结构，通过焊接的方式连接，中心位置设置有密闭轴承，传动轴从轴承中穿过，固液分离后固体淤积于旋流沉淀装置下部，倒圆锥体的底部位置分别设置有进水管道和排泥管道，通过焊接的方式连成整体。

虹吸下降管出水进入水力控制装置中的锥形敞开式底部存水箱中，倒锥体与水平夹角为30°～45°，底部存水箱直径与圆筒体直径相等，高度控制为圆筒体高度的1.5倍，为拼接式结构，进水管及排泥管分别穿过底部存水箱，开孔处封闭，防止漏水，在底部存水箱顶部设置有溢流管，溢流管管径与进水管管径一致；底部存水箱底部为排泥放空管，排泥放空管管径为进水管管径的2倍；排泥管道、溢流管以及排泥放空管汇集于同一合流管与外部联通。

进水管穿过底部存水箱的一侧，在底部存水箱的侧壁上开有直径为进水管直径1/2的泄水孔，通过泄水管与外部联通，泄水孔上设置有浮球式泄水控制瓣，浮球式泄水控制瓣的开闭由底部存水箱内水位变化控制。

进水管及排泥放空管上均设置有管道控制阀门，排泥管道上设置有浮球控制排泥阀，该阀门的开闭由底部存水箱内水位变化控制。

自动排泥方式采用水力控制，利用虹吸过程蓄积至底部存水箱的流体水位控制浮球控制排泥阀的启闭，当虹吸装置顶部水流虹吸后至底部存水箱，达到设定水位后引起浮球控制排泥阀的开启，实现排泥，同时泄水管上的浮球式控制瓣打开，底部存水箱开始泄水，泄水导致水位降低，浮球控制排泥阀关闭，排泥结束。此过程的反复循环，实现自动虹吸排泥，达到水力控制自动运行的目的。

随着原水不断地通过旋流沉淀装置，虹吸储水槽中的水位不断地升高，使得渐扩式半圆形虹吸罩内的液面达到一定高度，渐扩式半圆形虹吸罩内空气被压缩，液面稳定；随着不断地运行，虹吸装置顶部延时电磁控制阀打开，延迟5s后关闭，此段时间内挤压在渐扩式半圆形虹吸罩内被压缩空气会通过虹吸空气倒U型管迅速排出，液体会迅速充满虹吸下降管和渐扩式半圆形虹吸罩，形成虹吸；虹吸下降水流推动底部的转动叶轮旋转，带动导向螺旋片开始慢慢逆时针旋转，旋转使导向螺旋片与固体颗粒相对速度发生改变，增加固液分离速度；同时虹吸水流蓄积在底部存水箱中，底部存水箱中水位不断升高，当达到浮球控制排泥阀的控制水位后，浮球控制排泥阀打开，积存在旋流沉淀装置底部处的淤泥会在水流重力作用下排出；排泥过程中，虹吸储水槽中水位会下降，水位下降至渐扩式半圆形虹吸罩最下端的渐扩口处，空气进入渐扩式半圆形虹吸罩，虹吸被破坏，虹吸过程结束；虹吸过程中，底部存水箱水位上升过程也使得浮球式泄水控制瓣打开，排泥的同时底部存水箱也开始进行泄水，直至浮球式泄水控制瓣闭合，水位降低也使得浮球控制排泥阀关闭，排泥结束；恢复到最初状态，随着原水不断进入旋流沉淀装置，整个过程反复自动周期性循环进行，过程简单，通过水力完成自动控制，高效可靠。

本发明水力控制虹吸式全自动旋流沉淀装置充分利用水力控制虹吸和排泥过程，能够实现零能耗高效的固液分离，抗冲击负荷能力强，适应高负荷运行，可以实现自动化，操作管理方便，构造简单，全自动运行，固液分离效率高，竖向布置节省用地，故障率低，使用方便。

附图说明

图1为水力控制虹吸式全自动旋流沉淀装置结构示意图。

图中标记说明：

1、出水槽 2、可调式堰板

3、虹吸空气倒U型管 4、延时电磁控制阀

5、渐扩式半圆形虹吸罩 6、虹吸下降管

7、渐扩口 8、出水管

9、虹吸储水槽 10、圆筒体

11、导向螺旋片 12、倒圆锥体

13、传动轴 14、进水管

15、进水管控制阀门 16、浮球式泄水控制瓣

17、泄水管 18、底部存水箱

19、转动叶轮 20、钟罩形喇叭口

21、封闭底板 22、浮球控制排泥阀

23、溢流管 24、排泥放空管

25、放空控制阀

具体实施方式

结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。图1显示了本发明的基本结构。

如附图所示，原水经过进水管14进入旋流沉淀装置的倒锥体12内，流量由进水管控制阀门15调节控制，流体通过固定式导向螺旋片11盘旋上升，此时流体中的固体颗粒物质通过重力作用以及撞击作用速度降低，落到导向螺旋片11上，大部分会在重力作用下，与流体产生反向运动，慢慢淤积于旋流沉淀装置的底部，中心开孔固定式封闭底板21之上，剩余少部分会与流体达到速度平衡，暂时停留在导向螺旋片11上；流体通过11不断上升进入旋流沉淀装置的圆筒体10中，此时流体固液分离进入稳定阶段，经缓冲，最终上升至虹吸储水槽9中，随着液面的不断升高，渐扩式半圆形虹吸罩5内的液面逐渐升高，渐扩式半圆形虹吸罩内空气被压缩，当达到一定程度后，液面稳定；此时虹吸储水槽9内液面继续升高，当液面到达可调式堰板2控制水位后，液体通过出水槽1经出水管8完成连续出水；流体流动过程中，固液分离后的固体颗粒物不断地汇集至旋流沉淀装置的封闭底板21处，随着不断地运行，水位的上升，虹吸装置的延时电磁控制阀4打开，延迟5s后关闭，此段时间内挤压在渐扩式半圆形虹吸罩5内被压缩空气会通过虹吸空气倒U型管3排出，液体会迅速充满虹吸下降管6和渐扩式半圆形虹吸罩5，形成虹吸，虹吸产生的水流通过虹吸下降管6迅速排至底部存水箱18中，水流下降过程中产生的推力推动转动叶轮19，转动叶轮19带动中心固定的传动轴13，中心固定的传动轴13带动导向螺旋片11开始逆时针旋转，旋转使导向螺旋片11与固体颗粒相对速度发生改变，引起部分停留在固定式导向螺旋片11上的固体颗粒物质下沉，最终沉至封闭底板21处；与此同时，从虹吸下降管6流出的水流，蓄积在底部存水箱18中，使得18中的水位不断升高，当达到浮球控制排泥阀22的控制水位后，22打开，积存在旋流沉淀装置的封闭底板21处的淤泥会在水流重力作用下，通过排泥管排出，排泥量通过浮球控制排泥阀22的开度控制；排泥过程中，虹吸储水槽9中水位会下降，水位下降至渐扩式半圆形虹吸罩5最下端渐扩口7处，空气进入渐扩式半圆形虹吸罩5，虹吸被破坏，虹吸过程结束；虹吸过程中，底部存水箱18水位上升过程也使得浮球式泄水控制瓣16打开，排泥的同时底部存水箱18也开始进行泄水，由于泄水管17管径小于虹吸下降管6的管径，所以泄水过程相对较慢，这样就实现了排泥的时间控制，由于时间控制延时电磁控制阀4关闭，虹吸结束，进而底部存水箱18补水过程停止，所以18中的水位会随着不断地泄水持续下降，直至浮球式泄水控制瓣16闭合，水位降低也使得浮球控制排泥阀22关闭，排泥结束；随着流体不断通过进水管14进入旋流沉淀装置，旋流沉淀装置继续完成固液分离、虹吸和水力控制排泥的过程，进入下一个沉淀排泥沉淀周期，周而复始运行。

Claims (7)

1.一种水力控制虹吸式全自动旋流沉淀装置，其特征在于：包括顶部的虹吸装置、中部的旋流沉淀装置和底部的水力控制装置；

所述虹吸装置包括虹吸储水槽、出水槽、出水管、可调式堰板、虹吸空气倒U型管、延时电磁控制阀、渐扩式半圆形虹吸罩和虹吸下降管，出水槽焊接于虹吸储水槽的外侧，之间有可调式堰板间隔，经沉淀后水体由虹吸储水槽越过可调式堰板至出水槽，顺着出水槽下部出水管流出；渐扩式半圆形虹吸罩位于虹吸储水槽中央，虹吸下降管之上，虹吸下降管垂直穿过旋流沉淀装置直至底部存水箱中，渐扩式半圆形虹吸罩顶部开孔连接虹吸空气倒U型管，两者之间设置有延时电磁控制阀，渐扩式半圆形虹吸罩与旋流沉淀装置中的圆筒体直接相连；

所述旋流沉淀装置包括进水管、封闭底板、倒圆锥体、圆筒体、导向螺旋片、钟罩形喇叭口、转动叶轮、传动轴和排泥管，原水通过旋流沉淀装置底部进水管进入倒圆锥体，导向螺旋片安装于旋流沉淀装置内部，固定于中间部位的传动轴上，传动轴下部安装有单向的转动叶轮，虹吸下降管出口位于转动叶轮上方，当虹吸开启后，虹吸下降管水流可以推动转动叶轮转动，转动叶轮带动导向螺旋片旋转辅助固液分离；旋流沉淀装置通过支架垂直固定于底部的水力控制装置之上；

所述水力控制装置内包括底部存水箱、浮球控制排泥阀、排泥放空管、溢流管、泄水管、浮球式泄水控制瓣、进出水控制阀，底部存水箱由锥形和圆筒形结构组合而成，锥形与圆筒形连接处有开孔，开孔内侧安装有浮球式泄水控制瓣，外侧连接有泄水管，泄水管与外部联通；进水管与排泥管分别横穿底部存水箱的圆筒形结构，进水管由进水控制阀控制，排泥管设置有浮球控制排泥阀，位于底部存水箱内，底部存水箱顶部设置有溢流管，溢流管与外部联通，当水力控制装置中的浮球控制排泥阀发生故障时，溢流管可防止水位上升淹没破坏水力控制装置的情况发生；溢流管以及排泥管通过管件连接在排泥放空管上。

2.根据权利要求1所述的水力控制虹吸式全自动旋流沉淀装置，其特征在于：所述虹吸下降管为竖直的管子，上部位于渐扩式半圆形虹吸罩内部，下部直通至底部存水箱中，出口与转动叶轮不接触。

3.根据权利要求1所述的水力控制虹吸式全自动旋流沉淀装置，其特征在于：所述导向螺旋片为逆时针单向布置，固定于旋流沉淀装置中心固定的传动轴上，盘旋上升直至顶部，与圆筒体和倒圆锥体的外壁均有空隙。

4.根据权利要求1所述的水力控制虹吸式全自动旋流沉淀装置，其特征在于：所述传动轴底部与转动叶轮固定式连接，转动叶轮转向与导向螺旋片布置方向一致，转动叶轮上部罩有固定式钟罩形喇叭口。

5.根据权利要求1所述的水力控制虹吸式全自动旋流沉淀装置，其特征在于：所述水力控制装置包括浮球控制排泥阀和浮球式泄水控制瓣，浮球控制排泥阀和浮球式泄水控制瓣各自有连杆分别连接浮球，浮球漂浮于底部存水箱中。

6.根据权利要求1所述的水力控制虹吸式全自动旋流沉淀装置，其特征在于：所述可调式堰板锚固于虹吸储水槽四周，与虹吸储水槽顶部留有空隙，可调式堰板可以上下调节。

7.根据权利要求1所述的水力控制虹吸式全自动旋流沉淀装置，其特征在于：所述水力控制虹吸式全自动旋流沉淀装置的整体结构的上部为圆套筒形结构，下部为倒圆锥体套筒结构，倒圆锥体套筒底部有封闭底板固定于底部存水箱的中心部位，隔绝旋流沉淀装置与底部存水箱。