CN112076504A - 一种无阀水力全自动上流过滤装置及其滤水方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水过滤领域，尤其涉及一种无阀水力全自动上流过滤装置及其滤水方法。包括蓄水仓以及设置于蓄水仓内的过滤仓，蓄水仓顶部一侧开设有清水输出管，过滤仓内底部设有用于承托过滤砂石层的承托层，还包括设置于蓄水仓外部的原水管，原水管穿过蓄水仓并与承托层下方的过滤仓空间连通；虹吸上升管底端与过滤仓顶部连通、顶端穿出蓄水仓与虹吸下降管顶部连接，虹吸下降管底部与排水槽连接。本发明依靠改进后的装置结构实现相对滤层由下至上的进水，充分发挥滤料利用率，同时省却现有技术中的冲洗设备，集高效率、长周期、小投入、少维护的优点于一体，极具推广和使用价值。

Description

一种无阀水力全自动上流过滤装置及其滤水方法

技术领域

本发明属于水过滤技术领域，尤其涉及一种无阀水力全自动上流过滤装置及其滤水方法。

背景技术

现有城市供水或其他原水过滤均需要采用滤池，包括压力滤池、无阀滤池、虹吸滤池和V型滤池；其中无阀滤池是因过滤过程依靠水的重力自动流入滤池进行过滤或反洗，且滤池没有阀门而得名，其在运行过程中，出水水位保持恒定，采用过滤砂石层来充当滤层对原水进行过滤，随着过滤水量的增加，杂质积攒在过滤砂石层中并提高原水的进水阻力，而滤层的水头损失增加使得进水水位不断在吸管内上升，当水位上升到虹吸管管顶并形成虹吸时，即自动开始滤层反冲洗，冲洗废水沿虹吸管排出池外，然后如此循环往复作业。

但是现有技术中，无论哪种滤池，其均采用石英砂作为滤层的滤料，同时均采用原水由上至下的流动方向穿过滤层，而组成滤层的砂石层由于由上至下呈粉砂、细砂、中砂和粗砂分布，由于最上层的粉砂层，其空隙最小、最致密，这就造成原水中需要被截留的杂质基本上全被截留在最上层的粉砂中，导致最上层很小厚度的粉砂在很短时间内被堵塞饱和、而下方的滤层的过滤能力尚未得到发挥时，滤层就已经失效，并不得不进行冲洗作业，而且冲洗膨胀后的滤料在自重下沉积后，仍然会呈现大粒径砂石在下、小粒径砂石在上的位置分布。同时现有技术中滤池的冲洗作业需要建设专门的清水池和冲洗水泵泵房，一般而言需要安装不少于两台的大功率水泵并配备相应的供电设置和大口径冲洗管道和阀门。这就造成现有技术中的滤池，存在如下缺陷：1）过滤周期短，滤料得不到充分的利用；2）冲洗作业频繁，耗水耗电；3）整体设备占地大、投资多且运行维护成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种无阀水力全自动上流过滤装置及其滤水方法，依靠改进后的装置结构实现相对滤层由下至上的进水，充分发挥滤料利用率，同时省却现有技术中的冲洗设备，集高效率、长周期、小投入、少维护的优点于一体，极具推广和使用价值。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种无阀水力全自动上流过滤装置，包括蓄水仓以及设置于蓄水仓内的过滤仓，蓄水仓顶部一侧开设有清水输出管，过滤仓内底部设有用于承托过滤砂石层的承托层，所述过滤装置还包括进水管路、虹吸启动管路、虹吸管路和虹吸破坏管路，所述的进水管路包括原水管和配水槽，原水管设置于蓄水仓外部，原水管的上端设于配水槽内，配水槽上设有进水口；原水管的下端与承托层下方的过滤仓空间连通；过滤仓顶部开设有第一单向阀并形成过滤仓内清水流入蓄水仓的清水通道；过滤仓底部开设有第二单向阀并形成蓄水仓内清水流入过滤仓的冲洗水通道；

所述虹吸启动管路包括同位管、水头管和虹吸辅助管，同位管的下端与原水管连通；同位管的上端高于或等于原水管的上端；水头管的上端与同位管连通，水头管的下端连通排水槽；虹吸辅助管的下端与水头管的管身连通，虹吸辅助管的上端与虹吸管路连通，连通位置在虹吸上升管和虹吸下降管的对接处；

所述虹吸管路包括虹吸上升管和虹吸下降管，虹吸上升管下端与过滤仓顶部连通、上端穿出蓄水仓与虹吸下降管顶部连接，虹吸下降管底部与排水槽连接；

虹吸破坏管路的下端位于蓄水仓内，顶端与虹吸上升管和虹吸下降管的对接处连通。

所述同位管的下端与原水管连通，连通位置略高于蓄水仓的顶部。

所述水头管的上端与同位管连通，连通位置略低于原水管的上端管口水平高度。

所述虹吸辅助管的下端与水头管的管身连通，连通位置略低于清水输出管上端管口水平高度。

所述虹吸破坏管的下端设有虹吸延时罐，虹吸延时罐低于虹吸上升管下端。

所述第一单向阀和第二单向阀均采用拍门。

所述过滤砂石层由数层粒径不同的砂石层组成，且由下至上方向排列的砂石层的粒径呈递减状。

所述的无阀水力全自动上流过滤装置的滤水方法，步骤如下：

1）过滤阶段，通过进水口向配水槽内注入原水，并溢流入原水管，原水管内的原水由下至上穿过过滤砂石层并从第一单向阀流入蓄水仓，最终持续从清水输出管排出；

2）冲洗阶段，水头管排水并启动虹吸管路进行虹吸，过滤仓内混合液体被虹吸外排，蓄水仓内清水充当冲洗水，通过第二单向阀进入过滤仓而膨胀过滤砂石层，并使得过滤砂石层滤除的杂质通过虹吸管路外排；

3）复位阶段，虹吸破坏管破坏虹吸后，循环进入过滤阶段。

所述的无阀水力全自动上流过滤装置的滤水方法，步骤如下：

1）过滤阶段

通过进水口向配水槽内注入原水，待配水槽内水位到达原水管上端管口处时，原水持续注入原水管，并流入过滤仓底部空间，原水由下至上穿过过滤砂石层并被过滤，最终从第一单向阀处流入蓄水仓，蓄水仓内水位逐渐升高，升高液位达到清水输出管上端口位置，通过清水输出管排出至外界；

2）冲洗阶段

2-1）虹吸启动阶段

随着过滤水量的增加，过滤砂石层过滤的杂质量增多，使得原水穿过过滤砂石层的水阻增大，这就使得原水管内水位逐渐上升，当原水管内水位上升至水头管与同位管连通位置高度时，同时虹吸上升管内的水位也达到平齐蓄水仓内水位，原水管内水位继续上升，原水从水头管流入排水槽；同时该水流通过虹吸辅助管将虹吸上升管和虹吸下降管对接处的空气一同抽走并排至外界，使得虹吸上升管和虹吸下降管内形成负压，当虹吸上升管中的水位超过最高点而流入虹吸下降管时，即形成虹吸；

2-2）虹吸冲洗阶段

当虹吸形成的瞬间，过滤仓内的混合水迅速从虹吸管路排出至排水槽，同时随着过滤仓内水位和水压的下降，蓄水仓内的清水从第二单向阀进入过滤仓，并混合从原水管涌入的对向水流后冲击过滤砂石层，使得过滤砂石层膨胀并将积攒的杂质释放，杂质随着水流继续从虹吸管路排出至外界，而过滤砂石层重力较大，无法随水流流出；

3）复位阶段

待蓄水仓内水位下降至虹吸破坏管下端水平高度时，蓄水仓内水位下降期间，空气从清水输出管进入过滤仓内，蓄水仓内水位持续下降，虹吸延时罐内存水使得虹吸延时；当虹吸延时罐内无存水进入空气时，空气通过虹吸辅助管进入虹吸管路，从而破坏虹吸，过滤砂石层在自重下回落且根据粒径大小逐渐回落，实现复位；进入过滤仓的原水和清水瞬间使得过滤仓内水位、水压高出蓄水仓内清水水压，第二单向阀关闭，原水管继续进水并进入过滤阶段。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1）针对现有的无阀滤池进行结构改进，采用相对滤层进行由下至上进水，使得原水中的大颗粒杂质首先被截留在粗砂里，中等、小、极小的颗粒分别留置在相应的中砂、细砂和粉砂中，充分利用滤料而提高过滤效果，同时延长水头损失的耗时，使得滤水阶段的周期被延长、冲洗作业的频率被降低；

2）经过结构改进，使得蓄水仓内清水以其势能作为动力，自动由下至上流过各层滤料，砂粒在水流作用摩擦，即洗砂又靠虹吸作用排污，有效恢复过滤功能。从而省却了专用的冲洗水箱和水泵的设置，不仅减少了投资和设备占地消耗，同时还减少了运行维护负担。

附图说明

图1为具体实施方式中无阀水力全自动过滤池的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明包括蓄水仓1以及设置于蓄水仓1内的过滤仓2，蓄水仓1顶部一侧开设有清水输出管15，过滤仓2内底部设有用于承托过滤砂石层21的承托层22，本发明装置还包括进水管路、虹吸启动管路、虹吸管路和虹吸破坏管5路。

其中，所述的进水管路包括原水管11和配水槽13，原水管11设置于蓄水仓1外部，原水管11的上端设于配水槽13内，配水槽13具有一定的高度，配水槽13下部槽壁上设有进水口14，用于连接原水的进水管道；原水首先通过进水口14进入配水槽13，配水槽13内水位逐渐上升，当水位到达原水管11上端口处，自然顺势流入原水管11内，由于原水管11直径较大，当原水注入时，并不会迅速的充满原水，而是水位缓慢的由下向上升高。原水管11的下端与承托层22下方的过滤仓2空间连通，原水首先进入的是过滤仓2的下方空间，原水由下向上流动；过滤仓2顶部开设有第一单向阀23，并形成过滤仓2内清水流入蓄水仓1的清水通道；过滤仓2底部开设有第二单向阀24并形成蓄水仓1内清水流入过滤仓2的冲洗水通道；

所述虹吸启动管路包括同位管12、水头管4和虹吸辅助管4141，同位管12的下端与原水管11连通，连通位置略高于蓄水仓1的顶部，连通位置的设定并不仅仅限于此位置，同位管12的作用是与原水管11内水位同位，相当于原水管11与同位管12是一个连通器；同位管12的上端高于或等于原水管11的上端，当原水管11内水位过高时，不至于溢流；水头管4的上端与同位管12连通，连通位置略低于原水管11的上端管口水平高度，连通位置与原水管11的上端管口之间的垂直距离差根据过滤情况而定；在本发明中，原水管11内水位高低是体现过滤仓2内水阻情况，水位越高说明水阻越大，当大到一定程度时，说明过滤砂石层21需要冲洗；所以，此时需要发送一个虹吸冲洗信号。而冲洗信号就是水头管4充水，抽空虹吸管路内的气体，启动虹吸。水头管4的下端连通排水槽16；虹吸辅助管41的下端与水头管4的管身连通，连通位置略低于清水输出管15上端管口水平高度；虹吸辅助管41的上端与虹吸管路连通，连通位置在虹吸上升管31和虹吸下降管32的对接处；虹吸辅助管41的作用是将虹吸管路内充斥的空气抽吸掉，降低虹吸管路内气压，使得虹吸管路内形成负压，随着负压的增大，虹吸管路内水位对接，形成虹吸。

所述虹吸管路包括虹吸上升管31和虹吸下降管32，虹吸上升管31下端与过滤仓2顶部连通，上端穿出蓄水仓1与虹吸下降管32顶部连接，虹吸下降管32底部与排水槽16连接。虹吸上升管31和虹吸下降管32呈倒V型结构，主要作用是利用虹吸原理排放冲洗后的混合液。

虹吸破坏管5路的下端位于蓄水仓1内，顶端与虹吸上升管31和虹吸下降管32的对接处连通。虹吸破坏管5的下端设有虹吸延时罐25，虹吸延时罐25低于虹吸上升管31下端。虹吸延时罐25的作用就是延时虹吸动作。

所述第一单向阀23和第二单向阀24均采用拍门。

其中，过滤砂石层21由数层粒径不同的砂石层组成，且由下至上方向排列的砂石层的粒径呈递减状，更为具体的，由粉砂、细砂、中砂、粗砂呈由上至下排列组成。

所述无阀水力全自动上流过滤装置的滤水方法，具体步骤如下：

1）过滤阶段

通过进水口14向配水槽13内注入原水，待配水槽13内水位到达原水管11上端管口处时，原水持续注入原水管11，由于原水管11较粗，原水管11内的水位缓慢地上升，并流入过滤仓2底部空间，原水由下至上穿过过滤砂石层21并被过滤，最终从第一单向阀23处流入蓄水仓1，蓄水仓1内水位逐渐升高，升高液位达到清水输出管15上端口位置时，通过清水输出管15排出至外界。

上述过程是对原水进行过滤，过滤的方式改变了传统由上至下的过滤方式，本发明的过滤方式，大大提高了过滤砂石层21的利用率，并延长了过滤周期。

冲洗阶段

2-1）虹吸启动阶段

随着过滤水量的增加，过滤砂石层21过滤的杂质量增多，使得原水穿过过滤砂石层21的水阻增大，这就使得原水管11内水位逐渐上升，当原水管11内水位上升至水头管4与同位管12连通位置高度时，同时虹吸上升管31内的水位也达到平齐蓄水仓1内水位；原水管11内水位继续上升，原水从水头管4流入排水槽16；由于虹吸下降管32的下端伸入排水槽16内，排水槽16内设有水封面，将虹吸管路进行水封，同时该水流通过虹吸辅助管41将虹吸上升管31和虹吸下降管32内封存的空气一同抽走并排至排水槽16，使得虹吸上升管31和虹吸下降管32内形成负压，负压随着虹吸辅助管41作用逐渐在增大，所以，在负压作用下，虹吸上升管31和虹吸下降管32内水位逐渐被提升，当虹吸上升管中的水位超过最高点而流入虹吸下降管时，即形成虹吸；

2-2）虹吸冲洗阶段

当虹吸形成的瞬间，过滤仓2内的混合水迅速从虹吸管路排出至排水槽16，同时随着过滤仓2内水位和水压的下降，下降到一定程度时，蓄水仓1内的水压大于过滤仓2内水压，使得蓄水仓1内的清水从第二单向阀24进入过滤仓2，并混合从原水管11涌入的对向水流后冲击过滤砂石层21，使得过滤砂石层21膨胀并将积攒的杂质释放，杂质随着水流继续从虹吸管路排出至外界，而过滤砂石层21重力较大，无法随水流流出；

上述步骤中，蓄水仓1内的清水起到冲洗水的作用，对于传统冲洗来说，本发明的冲洗利用自身蓄水仓1内存储的清水作为冲洗水，本技术方式减少了外设冲洗水储存池、管路铺设、电机、水泵等一系列设备的安装和施工，从而减少了生产投资资金，降低设备维修成本，缩短生产周期。

3）复位阶段

待蓄水仓1内水位下降至虹吸破坏管5下端水平高度时，蓄水仓1内水位下降期间，空气从清水输出管15进入过滤仓2内，蓄水仓1内水位持续下降，虹吸延时罐25内存水使得虹吸延时；当虹吸延时罐25内无存水、进入空气时，空气通过虹吸辅助管41进入虹吸管路，从而破坏虹吸，过滤砂石层21在自重下回落且根据粒径大小逐渐回落，实现复位；进入过滤仓2的原水和清水瞬间使得过滤仓2内水位、水压高出蓄水仓1内清水水压，第二单向阀24关闭，原水管11继续进水并进入过滤阶段。

本发明所述装置经过申请人运行并对现有技术中的无阀滤池比较后发现，现有技术的滤池需要8小时冲洗一次，而本发明则需5-7天，过滤周期延长15-20倍；同时每平方过滤面积可以节约冲洗用水月5000吨/年，即每日一万吨处理规模的水厂，其每年可节约用水25万吨。本发明技术方案尤其适用于每日2万吨处理规模以下的小型城乡供水系统，具有广泛的社会应用市场前景和商业价值。

Claims (9)

1.一种无阀水力全自动上流过滤装置，包括蓄水仓以及设置于蓄水仓内的过滤仓，蓄水仓顶部一侧开设有清水输出管，过滤仓内底部设有用于承托过滤砂石层的承托层，其特征在于，所述过滤装置还包括进水管路、虹吸启动管路、虹吸管路和虹吸破坏管路，所述的进水管路包括原水管和配水槽，原水管设置于蓄水仓外部，原水管的上端设于配水槽内，配水槽上设有进水口；原水管的下端与承托层下方的过滤仓空间连通；过滤仓顶部开设有第一单向阀并形成过滤仓内清水流入蓄水仓的清水通道；过滤仓底部开设有第二单向阀并形成蓄水仓内清水流入过滤仓的冲洗水通道；

所述虹吸启动管路包括同位管、水头管和虹吸辅助管，同位管的下端与原水管连通；同位管的上端高于或等于原水管的上端；水头管的上端与同位管连通，水头管的下端连通排水槽；虹吸辅助管的下端与水头管的管身连通，虹吸辅助管的上端与虹吸管路连通，连通位置在虹吸上升管和虹吸下降管的对接处；

所述虹吸管路包括虹吸上升管和虹吸下降管，虹吸上升管下端与过滤仓顶部连通、上端穿出蓄水仓与虹吸下降管顶部连接，虹吸下降管底部与排水槽连接；

虹吸破坏管路的下端位于蓄水仓内，顶端与虹吸上升管和虹吸下降管的对接处连通。

2.如权利要求1所述的无阀水力全自动上流过滤装置，其特征在于，所述同位管的下端与原水管连通，连通位置略高于蓄水仓的顶部。

3.如权利要求1所述的无阀水力全自动上流过滤装置，其特征在于，所述水头管的上端与同位管连通，连通位置略低于原水管的上端管口水平高度。

4.如权利要求1所述的无阀水力全自动上流过滤装置，其特征在于，所述虹吸辅助管的下端与水头管的管身连通，连通位置略低于清水输出管上端管口水平高度。

5.如权利要求1所述的无阀水力全自动上流过滤装置，其特征在于，所述虹吸破坏管的下端设有虹吸延时罐，虹吸延时罐低于虹吸上升管下端。

6.如权利要求1所述的无阀水力全自动上流过滤装置，其特征在于，所述第一单向阀和第二单向阀均采用拍门。

7.如权利要求1所述的无阀水力全自动上流过滤装置，其特征在于，所述过滤砂石层由数层粒径不同的砂石层组成，且由下至上方向排列的砂石层的粒径呈递减状。

8.权利要求1-7所述的无阀水力全自动上流过滤装置的滤水方法，其特征在于，步骤如下：

1）过滤阶段，通过进水口向配水槽内注入原水，并溢流入原水管，原水管内的原水由下至上穿过过滤砂石层并从第一单向阀流入蓄水仓，最终持续从清水输出管排出；

2）冲洗阶段，水头管排水并启动虹吸管路进行虹吸，过滤仓内混合液体被虹吸外排，蓄水仓内清水充当冲洗水，通过第二单向阀进入过滤仓而膨胀过滤砂石层，并使得过滤砂石层滤除的杂质通过虹吸管路外排；

3）复位阶段，虹吸破坏管破坏虹吸后，循环进入过滤阶段。

9.如权利要求8所述的无阀水力全自动上流过滤装置的滤水方法，其特征在于，步骤如下：

1）过滤阶段

通过进水口向配水槽内注入原水，待配水槽内水位到达原水管上端管口处时，原水持续注入原水管，并流入过滤仓底部空间，原水由下至上穿过过滤砂石层并被过滤，最终从第一单向阀处流入蓄水仓，蓄水仓内水位逐渐升高，升高液位达到清水输出管上端口位置，通过清水输出管排出至外界；

冲洗阶段

2-1）虹吸启动阶段

随着过滤水量的增加，过滤砂石层过滤的杂质量增多，使得原水穿过过滤砂石层的水阻增大，这就使得原水管内水位逐渐上升，当原水管内水位上升至水头管与同位管连通位置高度时，同时虹吸上升管内的水位也达到平齐蓄水仓内水位，原水管内水位继续上升，原水从水头管流入排水槽；同时该水流通过虹吸辅助管将虹吸上升管和虹吸下降管对接处的空气一同抽走并排至外界，使得虹吸上升管和虹吸下降管内形成负压，当虹吸上升管中的水位超过最高点而流入虹吸下降管时，即形成虹吸；

2-2）虹吸冲洗阶段

当虹吸形成的瞬间，过滤仓内的混合水迅速从虹吸管路排出至排水槽，同时随着过滤仓内水位和水压的下降，蓄水仓内的清水从第二单向阀进入过滤仓，并混合从原水管涌入的对向水流后冲击过滤砂石层，使得过滤砂石层膨胀并将积攒的杂质释放，杂质随着水流继续从虹吸管路排出至外界，而过滤砂石层重力较大，无法随水流流出；

3）复位阶段

待蓄水仓内水位下降至虹吸破坏管下端水平高度时，蓄水仓内水位下降期间，空气从清水输出管进入过滤仓内，蓄水仓内水位持续下降，虹吸延时罐内存水使得虹吸延时；当虹吸延时罐内无存水进入空气时，空气通过虹吸辅助管进入虹吸管路，从而破坏虹吸，过滤砂石层在自重下回落且根据粒径大小逐渐回落，实现复位；进入过滤仓的原水和清水瞬间使得过滤仓内水位、水压高出蓄水仓内清水水压，第二单向阀关闭，原水管继续进水并进入过滤阶段。

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