CN111729358A - 水力提升式悬浮过滤系统 - Google Patents

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张金良
蔡明�
郭鹏程
乔吉平
周风华
安恒菲
杜征
姜晨冰
冯赟昀
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Abstract

本发明公开了一种水力提升式悬浮过滤系统，包括滤水池和反冲洗排泥系统，反冲洗排泥系统包括清洗装置和反冲洗排泥管路，清洗装置包括架设在滤水池顶部的安装部和清洗机构，清洗机构包括动力源、搅拌组件、导流件和第一、第二连接件，第一连接件将搅拌轴与配水板转动连接，第二连接件将导流件安装在配水板上。本发明的优点在于清洗机构的动力源带动搅拌桨在导流件内转动，转动的水体在导流件的约束下产生持续稳定的提升力，使导流通道内的水体由排水间隙排出，然后由进水间隙再次进入导流通道内，使滤料往复循环摩擦，有效保证滤料的清洗效果。

Description

水力提升式悬浮过滤系统
技术领域
本发明涉及过滤系统，尤其是涉及一种水力提升式悬浮过滤系统。
背景技术
常规的江河湖泊或水渠过滤工艺中，常采用正向过滤，即将需要过滤的水源由过滤池顶部进入过滤池，经过滤后由过滤池底部流出，池体内的滤料密度均比水大沉积在过滤板上，比如应用较为广泛的快滤池、V型滤池等。
传统正向过滤方式存在以下问题：为确保过滤效果，需要铺设较厚的滤料，水流自上而下穿过滤料时，会引起水头的损失；其次，在反冲洗时常常消耗大量的优质水源和电源，浪费严重；第三，若待处理水源中水藻含量较大，水藻极易堵塞滤料，增加反冲洗次数，进一步增加能耗，浪费水源。
为此，申请人公开了一种反向过滤的悬浮过滤系统（即CN103977611A），包括与进水渠连通的长方体结构的滤池体和反冲洗系统，滤池体内的下配水板和上置滤板将其分为原水配水区，过滤区和清水贮存区，过滤区内采用比水密度小的滤料，水源经原水配水区进入过滤区。即利用密度比水小的滤料及自下而上的反向过滤方式对原水进行过滤，还可利用自身水头对滤料进行反向冲洗，提高了过滤效率。但是，申请人发现该技术方案在实际运行中仍然存在以下技术问题：
首先，在过滤时仅利用水体的重力进行反向冲洗，冲洗效果差，同时由于池体较长且排放管细长，反向冲洗下来的泥沙容易积聚在池体的底部而无法及时排出，需要用大量的优质水源定期清洗滤池体底部的淤泥，费时费力，浪费优质水源，影响整个过滤系统的正常运行。其次，在反冲洗过程中，需要实时关注滤池体的水位，一旦水位下降至过滤区中下部时，较小的滤料将会随着水位下降而落入下方的配水区，滤料损失较多。再者，由于滤池体较长且进水口位于其短边一侧，在水体上升过程中进水口处的水流产生的横向推力推动滤料向另一侧移动，导致进水口一侧的滤料较薄而另一侧滤料较厚，滤料厚度分布及其不均匀，过滤效果不均一；并且由于进水口位于滤池体的一侧，布水不均。
发明内容
基于上述情形，本发明提供一种水力提升式悬浮过滤系统，在搅拌桨转动过程中利用导流筒的约束产生的提升力使导流筒内的水体不断由顶部排出，而外部的水体不断从底部再次进入导流筒，使滤料如此反复循环，有效保证清洗效果。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述的水力提升式悬浮过滤系统，包括与原水渠连通的滤水池和设置在所述滤水池上的反冲洗排泥系统，滤水池内的配水板和过滤板将其自下而上分隔为配水区、过滤区和清水贮存区，所述过滤区内填充有滤料；所述反冲洗排泥系统包括用于清洗所述滤料的清洗装置和反冲洗排泥管路，所述清洗装置包括架设在所述滤水池顶部的安装部和清洗机构，所述清洗机构包括
动力源，固定在所述安装部上；
搅拌组件，包括顶部与所述动力源传动连接而底部向下延伸至所述配水板处的搅拌轴，和设置在所述搅拌轴下部的搅拌桨；
第一连接件，将搅拌轴与配水板转动连接在一起；
导流件，具有导流通道，导流件顶部与所述过滤板形成排水间隙，其底部与配水板上下间隔形成进水间隙；所述搅拌桨设置在所述导流通道内；及
第二连接件，将导流件安装在配水板上；
其中，动力源带动搅拌桨在导流通道内转动，转动的水体在导流件的约束下产生持续稳定的提升力，使导流通道内的水体由排水间隙进入过滤区，过滤区的水体由进水间隙再次进入导流通道内，使所述滤料往复循环摩擦。
所述导流件为具有导流通道的导流筒，其顶部与所述过滤板的间距为200 mm～300mm，其底部与所述配水板的间距为200 mm～300mm。
所述搅拌桨的外边缘与所述导流件内侧壁的间距为20～50mm
所述清洗机构置为多个，多个清洗机构沿所述滤水池的环向均匀间隔布设。
所述滤水池包括呈圆筒状结构的池体和上大下小的、呈锥台形结构的污泥收集斗，所述原水渠的供水管路自所述污泥收集斗底部的进水口延伸至所述配水区。
所述滤水池内侧壁的顶部设置有溢流堰，滤水池的外侧壁上部设置有与所述溢流堰连通的出水渠，所述出水渠的底部连通设置有出水管。
所述反冲洗排泥管路包括多根与所述污泥收集斗的底壁连通的反冲洗排放管，多根所述反冲洗排放管为结构相同的虹吸式结构，均具有向上突出的虹吸段；
反冲洗排泥管路还包括多根虹吸破坏管，所述虹吸破坏管的一端与连通设置在反冲洗排放管的虹吸段顶部，而其另一端向下延伸至所述过滤板上表面；
反冲洗排放管的虹吸段顶端高度与所述过滤板上表面高度一致。
所述供水管路上设置供水阀，每根所述反冲洗排放管上均设置有排水阀。
所述配水板上均布开设有多个上大下小的圆台形结构的配水孔。
所述过滤板上沿其圆周方向均布间隔开设有多圈安装孔，每个所述安装孔内均设置有滤头，相邻两圈所述滤头底部的进出水口方向相反。
本发明优点在于结构巧妙，不仅能够保证滤料的清洗效果，还能够实现均匀布水，避免因布水不均而导致滤料厚薄差别较大的问题，确保滤料厚度均匀，还能够在反冲洗的同时实现排泥，无需专门清理底部的泥沙，节约时间，节约清洁水，进而提高了过滤效率。具体体现在以下几点：
1）、本发明的滤水池内设置有清洗装置，在清洗过程中搅拌桨搅动的水体因导流筒的约束产生向上的提升力，进而由导流筒的顶部排出至过滤区，同时过滤区下部的水体经下部的进水间隙再次进入到导流筒内，使过滤区的滤料由下到上，再由上到下如此往复循环，增加了滤料之间的摩擦作用，保证反冲洗效果。
2）、滤水池的池体圆筒状结构，底部为上大下小的污泥收集斗，进水口位于污泥收集斗底壁的中心处，即本发明采用的是底部中心进水方式，水流从进水管溢出后向周围均匀流淌，使得滤水池内的水位稳定上升，实现了均匀布水；水流在平面上的受力均匀，进而减少水流对滤料的冲击，有效避免因布水不均而引起的滤料厚薄差别较大的现象，进一步保证过滤效果。
同时，滤水池的独特结构使截留下来的泥沙等杂质在反冲洗过程中能够直接流入反冲洗排放管，实现了滤料的反向冲洗和排沙作业的同步处理，进而无需再对滤水池的底部进行冲洗，节约清洁水，省时省力，过滤效率高。
3）、本发明将反冲洗排放管加工成虹吸式结构，在反冲洗过程中用虹吸破坏管打破反冲洗排放管的真空，使得滤水池内的水位下降到过滤板时就不再下降，有效避免因水位过低而导致较小颗粒的滤料下落至配水区，减少滤料损失。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明所述清洗装置的结构示意图。
图3是图1的俯视图（隐去电机、过滤板和配水板）。
图4是本发明所述过滤板上滤头底部进出水口的开口方向布置图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
如图1所示，本发明所述的水力提升式悬浮过滤系统，包括与原水渠连通的滤水池和设置在滤水池上的反冲洗排泥系统，
滤水池包括呈圆筒状结构的池体1.1和上大下小的、呈锥台形结构的污泥收集斗1.2，池体1.1的底部水平设置有具有多个配水孔的配水板2，池体1.1中部水平设置有过滤板3，过滤板3和配水板2的间距约为1.8~2.2m；
配水板2和过滤板3将滤水池自下而上分隔为配水区A、过滤区B和清水贮存区C，过滤区B填充有滤料，滤料为白色聚苯乙烯珠粒，直径为0.9～1.1mm，相对密度为1.05，珠粒表现密度为20～60kg/m3，滤料填充厚度为（0.8~1.2m）污泥收集斗1.2的底部中心位置处开设有进水口，原水渠的供水管路4自进水口延伸至配水板2的下方，供水管路4的出水口向上延伸至配水板2的下表面，确保配水均匀；
滤水池内侧壁的顶部沿其周向设置有溢流堰，滤水池的外侧壁上部沿其周向设置有与溢流堰连通的、呈环形结构的出水渠5.1，出水渠5.1的底部连通设置有出水管5.2，便于将过滤后的净水及时排出；
反冲洗排泥系统包括用于清洗滤料的清洗装置和反冲洗排泥管路，清洗装置清洗下来的含有污泥的水体经反冲洗排泥管路排出。
如图3所示，清洗装置包括架设在池体1.1顶部的安装架6（为呈圆形结构的安装座）和清洗机构，其中清洗机构的具体结构如下：
动力源为电机7.1和与电机7.1传动连接的减速机，架设在安装架6上，防止电机7.1与水体接触，提高安全性；
搅拌组件，包括顶部与减速机传动连接而底部向下延伸至配水板2处的搅拌轴7.2，还包括设置在搅拌轴7.2下部的搅拌桨7.3（搅拌桨为轴流式叶轮，其叶片数量≥2）；
第一连接件，包括固连在配水板2上的支座和设置在支座内的转动轴承，搅拌轴7.2与转动轴承连接为一体；
导流件，为具有导流通道的导流筒7.4，导流筒7.4顶部与过滤板3间隔设置形成排水间隙，排水间隙的高度H1为200 mm～300mm（即导流筒7.4顶部与过滤板3的间距），其底部与配水板2上下间隔设置形成高度H2为200 mm～300mm的进水间隙（即导流筒7.4底边与配水板2的间距）；搅拌桨7.3设置在导流通道内，搅拌桨7.3的外边缘到导流筒7.4内壁的水平距离为20～50mm；
及第二连接件，具体为安装支座7.5，将导流筒7.4架设在配水板2上；
其中，电机7.1带动搅拌桨7.3在导流通道内转动，转动的水体在导流筒7.4的约束下产生持续稳定的提升力，使导流通道内的水体由排水间隙进入过滤区B，过滤区B下部的水体在提升力的作用下由进水间隙再次进入导流通道内，如此往复循环，增加滤料之间的摩擦力，确保滤料清洗效果。
实际安装时，清洗机构的安装数量可根据实际情况灵活选择，当水力负荷较大时，在安装架6的中心位置处安装一台清洗机构，当水力负荷较小时，可均匀间隔布设两台清洗机构，或三台清洗机构或如图所示的四台清洗机构，以确保滤料的清洗效果。
如图1-2所示，反冲洗排泥管路包括四根与污泥收集斗1.2的底壁连通的反冲洗排放管8.1，四根反冲洗排放管8.1为结构相同的虹吸式结构，均具有向上突出的虹吸段；
反冲洗排泥管路还包括与反冲洗排放管8.1一一对应的虹吸破坏管8.2，虹吸破坏管8.2一端连通设置在反冲洗排放管8.1的虹吸段顶部，其另一端向下延伸至过滤板3上表面；
反冲洗排放管8.1的虹吸段顶端高度与过滤板3上表面高度一致；
在反冲洗过程中，当清水贮存区C的水位下降至过滤板3的上表面时，虹吸破坏管8.2内进入空气而破坏反冲洗排放管8.1的真空，出现虹吸现象，使滤水池内的水位在下降至过滤板3位置处时不再下降而停止排水，降低滤料流失的几率。
如图1所示，供水管路4上设置供水阀4.1，每根反冲洗排放管8.1上均设置有排水阀8.3，供水阀4.1和排水阀8.3为手动阀，当然也可以是由单片机控制的电磁阀；单片机的控制输出端与电机7.1的控制输出端连接，即单片机控制电机7.1的开启和停机（当然也可以采用人工控制电机7.1）。
实际施工时，过滤板3为与池体1.1结构一致的圆形结构，过滤板3上沿其圆周方向均匀开设有六圈安装孔（开孔率为5%），自内向外依次为第一圈、第二圈、第三圈、第四圈、第五圈、第六圈），每个安装孔内均设置有滤头，其中第一、第三和第五圈的滤头底部的进出水口指向过滤板3的外圆周，第二、第四和第六圈的滤头底部的进出水口统一指向过滤板3的中心，具体如图4所示。
实际施工时，配水板2为与池体1.1结构一致的圆形板，配水板2上均布开设有上大下小并呈圆台形结构的配水孔（以配水孔底口的表面计算，配水板2的开孔率＞4%），每个配水孔的顶直径为15mm左右，而其底部直径约为6mm，水体在进入配水孔时，配水孔上大下小的结构能够增加水体向上流动的阻力，放缓流速，确保水体稳定上升，进而保证均匀布水。
本发明悬浮过滤系统的过滤流程如下：
手动（或PLC）打开供水阀4.1，关闭排水阀8.3，原水渠内的水体经供水管路4进入配水区A，水体经配水板2均匀配水后进入过滤区B，过滤区B的水位稳定上升；同时过滤区B的滤料在浮力的作用下不断堆积在过滤板3下方，直至滤料压实在一起，水体上升的过程，也是对滤料不断挤压的过程，水体在透过滤料的过程中，水体中携带的悬浮颗粒被滤料截留下来，透过滤料的滤后水经滤头进入上方的清水贮存区C，当清水贮存区C的水位上升至最高水位F处时，经溢流堰流入出水渠5.1内，然后经出水管5.2排放至下一工序或直接排入水体（如湖泊、河流）中，完成原水渠的反向过滤作业。
将本发明的悬浮过滤系统进行中试试验，具体如下：当水力负荷为8m3/m2h且进水含沙量为680mg/L时，经本发明的悬浮过滤系统过滤后的水体含沙量为180mg/L，泥沙去除率为73.5%；当水力负荷为8m3/m2h且进水含沙量为800mg/L时，经本发明的悬浮过滤系统过滤后的水体含沙量为200 mg/L，泥沙去除率为75%。数据表明，本发明的悬浮过滤系统具有很好的过滤效果。
本发明的悬浮过滤系统在工作一定时间后，常需要对滤料进行清理，同时过滤区B和配水去积聚的泥沙颗粒排出滤水池，具体的反冲洗过程如下：
冲洗开始时清水贮存区C的水位位于最高水位或接近最高水位，手动（或PLC控制）关闭供水阀4.1、打开排水阀8.3和电机7.1，清水贮存区C的净水在重力的作用下经滤头底部的进出口进入过滤区B，同时搅拌桨7.3在电机7.1的驱动下转动，搅拌桨7.3搅动的水体（含有滤料）在导流筒7.4的约束下产生向上的提升力，导流筒7.4内的水体向上流动并经排水间隙进入过滤区B，过滤区B下部的水体在提升力的作用下进入导流筒7.4，实现上层滤料和下层滤料的往复循环，增大滤料之间的摩擦作用，增强反冲洗效果；
在冲洗过程中，冲洗下来的污泥颗粒等杂质在水体重力的作用下经反冲洗排放管8.1持续排出；当水位香江至过滤板3的上表面时，虹吸破会管破坏反冲洗排放管8.1的真空，使反冲洗排放管8.1停止向外排水，滤水池内的水位也停止下降，降低滤料损失的几率；然后关闭电机7.1和排水阀8.3，打开供水阀4.1即可进行过滤作业。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。同时还需要说明的是，尽管本发明采用术语第一、第二、第三等描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一连接件也可以被称为第二连接件，类似地，第二连接件也可以称为第一连接件。

Claims (10)

1.一种水力提升式悬浮过滤系统，包括与原水渠连通的滤水池和设置在所述滤水池上的反冲洗排泥系统，滤水池内的配水板和过滤板将其自下而上分隔为配水区、过滤区和清水贮存区，所述过滤区内填充有滤料；其特征在于：所述反冲洗排泥系统包括用于清洗所述滤料的清洗装置和反冲洗排泥管路，所述清洗装置包括架设在所述滤水池顶部的安装部和清洗机构，所述清洗机构包括
动力源，固定在所述安装部上；
搅拌组件，包括顶部与所述动力源传动连接而底部向下延伸至所述配水板处的搅拌轴，和设置在所述搅拌轴下部的搅拌桨；
第一连接件，将搅拌轴与配水板转动连接在一起；
导流件，具有导流通道，导流件顶部与所述过滤板形成排水间隙，其底部与配水板上下间隔形成进水间隙；所述搅拌桨设置在所述导流通道内；及
第二连接件，将导流件安装在配水板上；
其中，动力源带动搅拌桨在导流通道内转动，转动的水体在导流件的约束下产生持续稳定的提升力，使导流通道内的水体由排水间隙进入过滤区，过滤区的水体由进水间隙再次进入导流通道内，使所述滤料往复循环摩擦。
2.根据权利要求1所述的水力提升式悬浮过滤系统，其特征在于：所述导流件为具有导流通道的导流筒，其顶部与所述过滤板的间距为200 mm～300mm，其底部与所述配水板的间距为200 mm～300mm。
3.根据权利要求1所述的水力提升式悬浮过滤系统，其特征在于：所述搅拌桨的外边缘与所述导流件内侧壁的间距为20～50mm。
4.根据权利要求2所述的水力提升式悬浮过滤系统，其特征在于：所述清洗机构置为多个，多个清洗机构沿所述滤水池的环向均匀间隔布设。
5.根据权利要求1或2所述的水力提升式悬浮过滤系统，其特征在于：所述滤水池包括呈圆筒状结构的池体和上大下小的、呈锥台形结构的污泥收集斗，所述原水渠的供水管路自所述污泥收集斗底部的进水口延伸至所述配水区。
6.根据权利要求5所述的水力提升式悬浮过滤系统，其特征在于：所述滤水池内侧壁的顶部设置有溢流堰，滤水池的外侧壁上部设置有与所述溢流堰连通的出水渠，所述出水渠的底部连通设置有出水管。
7.根据权利要求5所述的水力提升式悬浮过滤系统，其特征在于：所述反冲洗排泥管路包括多根与所述污泥收集斗的底壁连通的反冲洗排放管，多根所述反冲洗排放管为结构相同的虹吸式结构，均具有向上突出的虹吸段；
反冲洗排泥管路还包括多根虹吸破坏管，所述虹吸破坏管的一端与连通设置在反冲洗排放管的虹吸段顶部，而其另一端向下延伸至所述过滤板上表面；
反冲洗排放管的虹吸段顶端高度与所述过滤板上表面高度一致。
8.根据权利要求7述的水力提升式悬浮过滤系统，其特征在于：所述供水管路上设置供水阀，每根所述反冲洗排放管上均设置有排水阀。
9.根据权利要求5所述的水力提升式悬浮过滤系统，其特征在于：所述配水板上均布开设有多个上大下小的、圆台形结构的配水孔。
10.根据权利要求5所述的水力提升式悬浮过滤系统，其特征在于：所述过滤板上沿其圆周方向均布间隔开设有多圈安装孔，每个所述安装孔内均设置有滤头，相邻两圈所述滤头底部的进出水口方向相反。
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