CN112642182A - 一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统及其使用方法，所述系统包括折板流变型多向流砂水分离器处理单元、第一非均质新生砂过滤器处理单元和第二非均质新生砂过滤器处理单元；所述折板流变型多向流砂水分离器处理单元，包括切向进水管、出水渠、壳筒板、透水外筒板、透水内筒板、环壁斜板、楔形溢流堰板、异重流折板、瓶形板、锁砂盖、锁砂桨、排砂泵、循环阀；所述非均质新生砂过滤器处理单元，包括壳体、预置砂滤层、耙砂孔、曝气阀、浑液排口、鼓风口、过滤阀、回流泵。本发明利用流体力学原理与创新优化设计，在提升砂水分离效果的同时，消除了传统除砂工艺中存在的跑砂现象，为污水处理厂稳定运行和效能提升提供了技术支撑。

Description

一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统及使用方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统及使用方法。
背景技术
市政污水中往往携带着大量砂粒，依据《室外排水设计规范(2016年版)》(GB50014-2006)测算，1座处理规模为10000m3/d的市政污水处理厂每年接收到的砂量高达110m3，而在一些污水厂的实测数据中，污水中的含砂量甚至会比设计规范中高出数倍。这些砂粒如不能在源头得到及时有效的分离而持续累积在污水处理系统内，将对后续处理构筑物产生一系列持久性不利影响，例如设备磨损、管道堵塞、污水处理池淤积等，严重影响污水处理设施的稳定运行。同时，污水处理系统中的砂粒还会进一步进入污水厂剩余污泥系统中，导致污泥量增加、砂粒分离难度增大、污泥热值降低、厌氧资源化效率低下等衍生问题。在实际生产中，这常常导致污泥处理处置项目的运行成本居高不下，甚至难以为继。因此，在国家持续推进污水资源化及无废城市试点建设的大背景下，污水处理系统中砂粒的高效去除是保障污水厂处理效能和运行稳定性的关键瓶颈问题。
市政污水中砂粒的粒径分布较广(通常在0-300μm范围内)，而传统的除砂工艺主要针对粒径大于200μm、比重大于2.65的砂粒的去除，对粒径小于200μm微砂的拦截效率较低，且在砂水二次分离时存在明显跑砂现象，因此导致整体除砂效率低下。甚至在一些雨污合流制污水厂中，雨季引发的沉砂池湍流会搅动集浑砂锁砂区中的砂重新带回水中，使得砂水分离形同虚设。由此可见，污水处理厂传统除砂工艺的提质增效迫在眉睫。
发明内容
本发明针对上述传统除砂工艺缺陷，为进一步提升污水处理厂污水中砂粒去除效率，为后续处理设施提供稳定的运行环境，同时为满足污水处理系统应对补短板、强弱项、提质增效的内在需求，提供一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统及使用方法，该系统由折板流变型多向流砂水分离器和非均质新生砂过滤器及相应连接部件构成，其中，折板流变型多向流砂水分离器通过内环层流区注水正压导入、异重流区分层、锁砂区离心防跑砂等多环节设计保证砂水分离效果，提升除砂效率；随后通过非均质新生砂过滤器对前述砂水分离器产生的浑砂进行再利用，通过原位清洗自生新生砂过滤层对污水中微砂进一步过滤，实现小颗粒微砂的高效去除，进一步保证系统除砂效果的稳定性。
本发明提供如下技术方案：一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统，包括相连通的折板流变型多向流砂水分离器处理单元、第一非均质新生砂过滤器处理单元和第二非均质新生砂过滤器处理单元；
所述折板流变型多向流砂水分离器处理单元包括壳筒板、位于壳筒板一侧的切向进水管、位于壳筒板上侧的两个透水内筒板和两个透水外筒板、位于所述壳筒板另一侧的切向出水渠，所述透水内筒板与所述透水外筒板通过环壁斜板连接，所述切向出水渠位于所述环壁斜板上侧并与所述透水外筒板相连；所述两个透水内筒板与所述环壁斜板内侧形成注压区，所述两个透水内筒板和两个透水外筒板之间形成内环层流区，所述两个透水外筒板与所述壳筒板之间形成外环层流区，所述注压区、内环层流区和所述外环层流区构成折板流变区；
所述两个透水内筒板下侧连接有向所述壳筒板轴外侧凸起的二次流折板，所述壳筒板下部设置有离心处理用的瓶形板形成的浑砂锁砂区(1-8)，所述浑砂锁砂区的瓶形板上端部通过异重流折板与所述壳筒体相连接，所述浑砂锁砂区内部上侧设置有锁砂桨，所述锁砂桨上设置有与所述二次折流板连接的流线型锁砂盖，所述异重流折板与所述二次流折板之间形成异重流区；所述浑砂锁砂区下部设置有浑砂储砂区，所述浑砂储砂区通过排沙泵和循环阀分别与所述第一非均质新生砂过滤器处理单元上部的曝气阀和所述第二非均质新生砂过滤器处理单元上部的曝气阀相连；
所述非均质新生砂过滤器处理单元由上至下依次包括由隔板形成的浑砂灌注区、预置砂滤区和滤后水区，所述浑砂灌注区底部设置有带有于所述单元一侧的第一耙砂孔的新生砂自滤层，所述预置沙滤区于所述单元一侧设置有第二耙砂孔，所述滤后水区于所述单元另一侧设置有溢流口，所述预置砂滤区与所述滤后水区之间设置有过滤阀；
所述第一非均质新生砂过滤单元和所述第二非均质新生砂过滤单元通过回流泵将得到的滤后水回注至所述折板流变型多向流砂水分离器处理单元的注压区。
进一步地，所述浑砂锁砂区位于壳筒体两侧下部设置有外界余热热水进水口和余热热水出水口的低品位余热回收区。
进一步地，所述切向出水渠与所述环壁斜板连接处设置有楔形溢流堰板，所述楔形溢流堰板与所述环壁斜板连接点垂直上侧设置有可浮砂挡板。
进一步地，与所述切向出水渠相对一侧的壳筒体上设置有与所述外环层流区相连通的浮渣清掏口。
进一步地，所述非均质新生砂过滤器处理单元的浑砂灌注区于所述溢流口开口一侧壳体设置有浑液排口。
进一步地，所述预置沙滤区于所述溢流口开口一侧设置有上气阀和下气阀。
进一步地，所述上气阀和所述下气阀均连接于外部鼓风口。
进一步地，所述二次折流板由若干个螺旋折流扇叶组成，所述若干个螺旋折流扇叶之间形成流线形溜砂槽。
进一步地，所述异重流折板与所述瓶形板接口处形成康达弧。
本发明还提供上述用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统的使用方法，包括以下步骤：
S1：含砂污水从所述切向进水管进入所述外环层流区，水体进行切向环流运动产生径向分层层流，在所述外环层流区内，水体中的砂粒在径向主要受到离心力、压力梯度力和曳力的影响，通过水体圆周运动可以使得砂粒在离心力的作用下沿着径向由内向外运动，从而使得层流中的各层密度发生变化，而压力梯度力
Figure BDA0002845553720000041
与离心力方向相反不利于颗粒的分离，因此将所述壳筒体的外筒板设计为透水外筒板，将内环层流区外壁处的正压导入，以减小外环的压力梯度力和颗粒的向心径向运动；
S2：分层后的水体垂直向下进入水平径向异重流区，利用异重流原理，轻液密度低处于所述异重流区上层，接触到所述二次流折板后直接流入所述内环层流区；密度高的含砂重液处于所述异重流区下层，进而将砂粒推入所述浑砂锁砂区，最终所述异重流区内大粒径的砂粒被高效去除；
S3：轻液中包裹着小粒径微砂在所述内环层流区内继续做分层切向旋流运动并向上运行，在中央设所述透水内筒板，进而减小该区域的压力梯度力，在防止中央产生负压漩涡的同时，通过在所述注压区内注水渗透，进一步减少所述内环层流区内层的负压。透水孔方向顺着旋流的方向为内环旋流补充动力；
S4：所述内环层流区顶部设置的环壁斜板，利用浅层沉淀原理，对微砂进行拦截，拦截后的微砂由重力沉入所述浑砂锁砂区内，所述注压区(1-31)的水采用非均质新生砂自滤器底部滤后水，或采用污水厂污泥絮凝脱水后的滤后水，滤后液中残留的阳离子絮凝剂，有利于污水中微砂的絮凝团聚和去除；
S5：所述浑砂锁砂区内设置的所述锁砂桨为该区域提供旋流所需的最小角速度，浑砂在所述浑砂锁砂区内相互碰撞有助于砂粒表面附着有机物的脱落，提高砂粒的平均密度ρs；在角速度一定时，颗粒所受到的离心力
Figure BDA0002845553720000051
与所述浑砂锁砂区的半径成正比，为此锁砂区外形由上向下先逐渐扩径，从而大大提高离心力防止跑砂；之后锁砂区再逐渐缩径，用于收拢重力沉降的砂粒于所述浑砂储砂区；
S6：所述锁砂桨轴端设计为水滴形外形并占据中心位置，可以有效减小水体圆周运动产生的中央负压区，防止跑砂；或者当所述浑砂锁砂区底部的砂粒在向上跑砂时，撞击所述锁砂桨后返回至所述浑砂锁砂区中；
S7：所述锁砂桨顶部的设置流线型锁砂盖，通过流态优化减小落砂口的湍流扰流，所述浑砂锁砂区外侧设置的低品位余热回收区，可以通过利用30℃～45℃的低品位工业废热对所述浑砂锁砂区进行加温，使所述浑砂锁砂区(1-8)内的粘度明显降低，实现35摄氏度的水粘度仅为15摄氏度水的粘度的63％，有效减少径向曳力Fd＝6πμRu，在提高离心力的锁砂粒效果的同时，提高了污水厂污泥热处理产生废热的利用率，大大减少了废热冷却所需的能耗；
S8：所述排砂泵根据实际工况需求进行小流量连续排砂，避免所述浑砂锁砂区内产生死水板结，保障所述浑砂锁砂区内的水流方向永远向下，从而避免跑砂，所述排砂泵吸砂泵间歇运行或持续运行；
S9：所述非均质新生砂过滤器处理单元将所述折板流变型多向流砂水分离器处理单元分离出的浑砂进行再生利用，所述第一非均质新生砂过滤器处理单元与所述第二非均质新生砂过滤器处理单元交替运行，所述非均质新生砂过滤器处理单元的日常运行采用序批式运行模式，分为浑砂灌注、浑砂气洗、静置分层、浑液上排、新生砂过滤等几个步骤；
S10：浑砂灌注：将所述浑砂锁砂区内的砂水混合物通过排砂泵灌注至所述非均质新生砂过滤器处理单元的浑砂灌注区；
首先进行浑砂气洗：开启与所述排沙泵连接的曝气阀，通过强对流作用使砂粒流化互相摩擦，达到清洗砂粒的作用；
静置分层：关闭所述曝气阀后混合液逐渐分层，颗粒较大和平均密度较大的洁净砂沉淀较快，于所述浑砂灌注区下部形成所述新生砂自滤层，所述浑砂灌注区顶部为沉降最慢或无明显沉降的浑液区，所述浑砂灌注区中部为微砂混合液区；
浑液上排：开启所述浑液排口将浑液排出所述非均质新生砂过滤器处理单元，可根据系统实际需求设置多个不同液位高度的浑液排口；
新生砂过滤：打开所述过滤阀、利用所述非均质新生砂过滤器处理单元自己产生的新生砂自滤层对微砂进行过滤，达到对微砂高效拦截的目的；
S11：当新生砂层日渐增多后，可打开所述第一耙砂孔清除微砂和洁净砂，并对所述预置砂滤层进行清洗；如对砂的品质有较高要求，可在排砂前用污水厂中水灌注清洗多次后排砂；
S12：滤后水通过所述回流泵提升循环至注压区回用，避免将滤后水由重力排放至地下泵房，避免浪费水头势能。
本发明的有益效果为：
本发明针市政污水处理中污水砂粒去除的效能瓶颈问题，利用流体力学原理与创新优化设计，建立了一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统及使用方法，在提升砂水分离效果的同时消除了传统除砂工艺中存在的跑砂现象，为污水处理厂稳定运行和效能提升提供了技术支撑。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明提供的砂水分离系统整体示意图；
图2为本发明提供的砂水分离系统的折板流变区俯视剖面图；
图3为本发明提供的砂水分离系统的二次折流板与锁砂盖俯视平面图；
图4为本发明提供的砂水分离系统的非均质新生砂过滤器处理单元运行步骤流程图。
具体实施例方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
其次，本申请的实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，所述的连接可以是直接连接，也可以是间接连接。
实施例1
如图1所示，一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统，包括相连通的折板流变型多向流砂水分离器处理单元1、第一非均质新生砂过滤器处理单元2和第二非均质新生砂过滤器处理单元3；
折板流变型多向流砂水分离器处理单元1包括壳筒板1-1、位于壳筒板一侧的切向进水管1-2、位于壳筒板上侧的两个透水内筒板1-3和两个透水外筒板1-4、位于壳筒板另一侧的切向出水渠1-5，透水内筒板1-3与透水外筒板1-4通过环壁斜板1-6连接，切向出水渠1-5位于环壁斜板1-6上侧并与透水外筒板1-4相连；
如图1-2所示，两个透水内筒板1-3与环壁斜板1-6内侧形成注压区1-31，两个透水内筒板1-3和两个透水外筒板1-4之间形成内环层流区1-41，两个透水外筒板1-4与壳筒板1-1之间形成外环层流区1-42，注压区1-31、内环层流区1-41和外环层流区1-42构成折板流变区1-40；
两个透水内筒板1-3下侧连接有向壳筒板1-1轴外侧凸起的二次流折板1-7，壳筒板下部设置有离心处理用的瓶形板1-80形成的浑砂锁砂区1-8，浑砂锁砂区1-8的瓶形板1-80上端部通过异重流折板1-9与壳筒体1-1相连接，异重流折板1-9与瓶形板1-80接口处形成康达弧1-92；浑砂锁砂区1-8内部上侧设置有锁砂桨1-81，锁砂桨1-81上设置有与二次折流板1-7连接的流线型锁砂盖1-82，异重流折板1-9与二次流折板1-7之间形成异重流区1-91；浑砂锁砂区1-8下部设置有浑砂储砂区1-10，浑砂储砂区1-10通过排沙泵4和循环阀5分别与第一非均质新生砂过滤器处理单元2上部的曝气阀7-3和第二非均质新生砂过滤器处理单元3上部的曝气阀7-3相连。
本发明中所述折板流变型多向流砂水分离器处理单元，其主要原理为：
①折板流变区外筒板设计为透水外筒板，将内环层流区外壁处的正压导入，以减小外环的压力梯度力和颗粒的径向向心运动；
②分层后的水体向下进入水平径向异重流区，利用异重流原理，轻液密度低处于异重流区上层，接触二次流折板后直接流入内环层流区，含砂重液密度高处于异重流区下层，则可将砂粒推入浑砂锁砂区，以实现大粒径砂粒的高效去除；异重流折板末端设置康达弧，利用流体力学康达效应将砂粒直接导入锁砂区瓶形板处的高效锁砂区域。
③轻液中包裹着小粒径微砂在内环层流区内继续做分层切向旋流运动并向上运行，通过中央设透水内筒板，在防止中央产生负压漩涡的同时，通过在注压区内注水渗透，进一步减少内环层流区内层的负压；
④内环层流区上升通道两侧的筒板处设置螺旋上升的凸条。利用水体的附壁流原理，使得微砂在上升过程中不断撞击筒板，尽可能通过撞击振动使得附着在微砂上的有机物得以脱落。
⑤内环层流区顶部设置环壁斜板，利用浅层沉淀原理，对微砂进行拦截，拦截后的微砂由重力沉入锁砂区内；
⑥锁砂盖顶部二次折流板设置多处溜砂槽，槽底坡度大于砂粒安息角，利于沉积在二次折流板处的环流微砂的去除。
⑦浑砂锁砂区内设置水滴形所述锁砂桨以有效减小水体圆周运动产生的中央负压区，防止跑砂，浑砂在锁砂区内相互碰撞有助于砂粒表面附着有机物的脱落，提高砂粒的平均密度，锁砂区外形由上向下先逐渐扩径，从而大大提高离心力防止跑砂；锁砂区顶部的设置流线型锁砂盖，通过流态优化减小落砂口的湍流扰流；之后锁砂区再逐渐缩径，用于收拢重力沉降的砂粒于浑砂储砂区；
⑧锁砂区外侧设置低品位余热回收区1-12，可以通过利用30℃～45℃的低品位工业废热、对锁砂区进行加温，使锁砂区内的粘度明显降低(使利用余热加热到35℃的水粘度仅为15℃水的粘度的63％)，有效减少径向曳力，在提高离心力的锁砂粒效果的同时，提高了污水厂污泥热处理产生废热的利用率，大大减少了废热冷却所需的能耗。
非均质新生砂过滤器处理单元由上至下依次包括由隔板形成的浑砂灌注区7、预置砂滤区8和滤后水区9，浑砂灌注区7底部设置有带有于单元一侧的第一耙砂孔7-11的新生砂自滤层7-1，预置沙滤区8于单元一侧设置有第二耙砂孔8-1，滤后水区9于单元另一侧设置有溢流口9-1，预置砂滤区8与滤后水区9之间设置有过滤阀8-5；
第一非均质新生砂过滤单元2和第二非均质新生砂过滤单元3通过回流泵6将得到的滤后水回注至折板流变型多向流砂水分离器处理单元1的注压区1-31。
浑砂锁砂区1-8位于壳筒体1-1两侧下部设置有外界余热热水进水口1-11和余热热水出水口1-13的低品位余热回收区1-12。
切向出水渠1-5与环壁斜板连接处设置有楔形溢流堰板1-51，楔形溢流堰板1-51与环壁斜板1-6连接点垂直上侧设置有可浮砂挡板1-52。切向出水渠1-5相对一侧的壳筒体1-1上设置有与外环层流区1-42相连通的浮渣清掏口1-13。
非均质新生砂过滤器处理单元的浑砂灌注区7于溢流口9-1开口一侧壳体设置有浑液排口7-12。预置沙滤区8于溢流口9-1开口一侧设置有上气阀8-2和下气阀8-3。上气阀8-2和下气阀8-3均连接于外部鼓风口8-4。
如图3所示，二次折流板1-7由若干个螺旋折流扇叶1-71组成，若干个螺旋折流扇叶1-71之间形成流线形溜砂槽1-72。
本发明中所述非均质新生砂过滤器处理单元，其主要原理为：将浑砂储砂区的砂水混合物通过排砂泵灌注至浑砂灌注区，通过曝气强对流作用使砂粒流化互相摩擦，达到清洗砂粒的作用，进而通过静置分层形成新生砂自滤砂层，进而对污水中小颗粒微砂进一步过滤拦截。
实施例2
本实施例为采用如实施例1的用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统的使用方法，包括以下步骤：
S1：含砂污水从切向进水管1-2进入外环层流区1-42，水体进行切向环流运动产生径向分层层流，在外环层流区1-42内，水体中的砂粒在径向主要受到离心力、压力梯度力和曳力的影响，通过水体圆周运动可以使得砂粒在离心力的作用下沿着径向由内向外运动，从而使得层流中的各层密度发生变化，而压力梯度力
Figure BDA0002845553720000111
与离心力方向相反不利于颗粒的分离，因此将壳筒体的外筒板设计为透水外筒板，将内环层流区外壁处的正压导入，以减小外环的压力梯度力和颗粒的向心径向运动；
S2：分层后的水体垂直向下进入水平径向异重流区1-91，利用异重流原理，轻液密度低处于异重流区1-91上层，接触到二次流折板1-7后直接流入内环层流区1-31；密度高的含砂重液处于异重流区1-91下层，进而将砂粒推入浑砂锁砂区1-8，最终异重流区1-91内大粒径的砂粒被高效去除；
S3：轻液中包裹着小粒径微砂在内环层流区1-31内继续做分层切向旋流运动并向上运行，在中央设透水内筒板1-3，进而减小该区域的压力梯度力，在防止中央产生负压漩涡的同时，通过在注压区1-31内注水渗透，进一步减少内环层流区1-41内层的负压。透水孔方向顺着旋流的方向为内环旋流补充动力；
S4：内环层流区1-31顶部设置的环壁斜板1-6，利用浅层沉淀原理，对微砂进行拦截，拦截后的微砂由重力沉入浑砂锁砂区1-8内，注压区1-31的水采用非均质新生砂自滤器底部滤后水，或采用污水厂污泥絮凝脱水后的滤后水，滤后液中残留的阳离子絮凝剂，有利于污水中微砂的絮凝团聚和去除；
S5：浑砂锁砂区1-8内设置的锁砂桨1-81为该区域提供旋流所需的最小角速度，浑砂在浑砂锁砂区1-8内相互碰撞有助于砂粒表面附着有机物的脱落，提高砂粒的平均密度ρs；在角速度一定时，颗粒所受到的离心力
Figure BDA0002845553720000121
与浑砂锁砂区1-8的半径成正比，为此锁砂区外形由上向下先逐渐扩径，从而大大提高离心力防止跑砂；之后锁砂区再逐渐缩径，用于收拢重力沉降的砂粒于浑砂储砂区1-10；
S6：锁砂桨1-81轴端设计为水滴形外形并占据中心位置，可以有效减小水体圆周运动产生的中央负压区，防止跑砂。浑砂锁砂区底部的砂粒在向上跑砂时，撞击所述锁砂桨1-81后也可返回至浑砂锁砂区中；
S7：锁砂桨1-81顶部的设置流线型锁砂盖1-82，通过流态优化减小落砂口的湍流扰流，浑砂锁砂区1-8外侧设置的低品位余热回收区1-12，可以通过利用30℃～45℃的低品位工业废热对浑砂锁砂区1-8进行加温，使浑砂锁砂区1-8内的粘度明显降低，实现35摄氏度的水粘度仅为15摄氏度水的粘度的63％，有效减少径向曳力Fd＝6πμRu，在提高离心力的锁砂粒效果的同时，提高了污水厂污泥热处理产生废热的利用率，大大减少了废热冷却所需的能耗；
S8：排砂泵4根据实际工况需求进行小流量连续排砂，避免浑砂锁砂区1-8内产生死水板结，保障浑砂锁砂区1-8内的水流方向永远向下，从而避免跑砂，排砂泵4吸砂泵间歇运行或持续运行；
S9：非均质新生砂过滤器处理单元将折板流变型多向流砂水分离器处理单元1分离出的浑砂进行再生利用，第一非均质新生砂过滤器处理单元2与第二非均质新生砂过滤器处理单元3交替运行，非均质新生砂过滤器处理单元的日常运行采用序批式运行模式，分为浑砂灌注、浑砂气洗、静置分层、浑液上排、新生砂过滤等几个步骤；
S10：如图4所示，浑砂灌注：将浑砂锁砂区1-8内的砂水混合物通过排砂泵4灌注至非均质新生砂过滤器处理单元的浑砂灌注区7；
首先进行浑砂气洗：开启与排沙泵4连接的曝气阀7-3，通过强对流作用使砂粒流化互相摩擦，达到清洗砂粒的作用；
静置分层：关闭曝气阀7-3后混合液逐渐分层，颗粒较大和平均密度较大的洁净砂沉淀较快，于浑砂灌注区7下部形成新生砂自滤层7-1，浑砂灌注区7顶部为沉降最慢或无明显沉降的浑液区，浑砂灌注区7中部为微砂混合液区；
浑液上排：开启浑液排口7-12将浑液排出非均质新生砂过滤器处理单元，可根据系统实际需求设置多个不同液位高度的浑液排口；
新生砂过滤：打开过滤阀8-5、利用非均质新生砂过滤器处理单元自己产生的新生砂自滤层7-1对微砂进行过滤，达到对微砂高效拦截的目的；
S11：当新生砂层日渐增多后，可打开第一耙砂孔7-11清除微砂和洁净砂，并对预置砂滤层8进行清洗；如对砂的品质有较高要求，可在排砂前用污水厂中水灌注清洗多次后排砂；
S12：滤后水通过回流泵6提升循环至注压区1-31回用，避免将滤后水由重力排放至地下泵房，避免浪费水头势能。
对比例1
采用含粒径为120目石英砂微粉并利用实施例2的使用方法操作实施例1提供的砂水分离系统，模拟市政污水进行除砂对比实验，设置实施例1中的折板流变型多向流砂水分离装置采用直径300mm，对比例1采用直径300mm传统机械旋流沉砂装置，除砂效果如下表所示：
Figure BDA0002845553720000141
对比例2
采用实际污水厂沉砂池底砂调配浑砂进行对比实验，设置实施例1采用直径300mm的非均质新生砂过滤器处理单元洗砂，对比例采用传统无清洗溢流型砂水分离器，结果如表2所示：
表2
Figure BDA0002845553720000142
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统，其特征在于，包括相连通的折板流变型多向流砂水分离器处理单元(1)、第一非均质新生砂过滤器处理单元(2)和第二非均质新生砂过滤器处理单元(3)；
所述折板流变型多向流砂水分离器处理单元(1)包括壳筒板(1-1)、位于壳筒板一侧的切向进水管(1-2)、位于壳筒板上侧的两个透水内筒板(1-3)和两个透水外筒板(1-4)、位于所述壳筒板另一侧的切向出水渠(1-5)，所述透水内筒板(1-3)与所述透水外筒板(1-4)通过环壁斜板(1-6)连接，所述切向出水渠(1-5)位于所述环壁斜板(1-6)上侧并与所述透水外筒板(1-4)相连；所述两个透水内筒板(1-3)与所述环壁斜板(1-6)内侧形成注压区(1-31)，所述两个透水内筒板(1-3)和两个透水外筒板(1-4)之间形成内环层流区(1-41)，所述两个透水外筒板(1-4)与所述壳筒板(1-1)之间形成外环层流区(1-42)，所述注压区(1-31)、内环层流区(1-41)和所述外环层流区(1-42)构成折板流变区(1-40)；
所述两个透水内筒板(1-3)下侧连接有向所述壳筒板(1-1)轴外侧凸起的二次流折板(1-7)，所述壳筒板下部设置有离心处理用的瓶形板(1-80)形成的浑砂锁砂区(1-8)，所述浑砂锁砂区(1-8)的瓶形板(1-80)上端部通过异重流折板(1-9)与所述壳筒体(1-1)相连接，所述浑砂锁砂区(1-8)内部上侧设置有锁砂桨(1-81)，所述锁砂桨(1-81)上设置有与所述二次折流板(1-7)连接的流线型锁砂盖(1-82)，所述异重流折板(1-9)与所述二次流折板(1-7)之间形成异重流区(1-91)；所述浑砂锁砂区(1-8)下部设置有浑砂储砂区(1-10)，所述浑砂储砂区(1-10)通过排沙泵(4)和循环阀(5)分别与所述第一非均质新生砂过滤器处理单元(2)上部的曝气阀(7-3)和所述第二非均质新生砂过滤器处理单元(3)上部的曝气阀(7-3)相连；
所述非均质新生砂过滤器处理单元由上至下依次包括由隔板形成的浑砂灌注区(7)、预置砂滤区(8)和滤后水区(9)，所述浑砂灌注区(7)底部设置有带有于所述单元一侧的第一耙砂孔(7-11)的新生砂自滤层(7-1)，所述预置沙滤区(8)于所述单元一侧设置有第二耙砂孔(8-1)，所述滤后水区(9)于所述单元另一侧设置有溢流口(9-1)，所述预置砂滤区(8)与所述滤后水区(9)之间设置有过滤阀(8-5)；
所述第一非均质新生砂过滤单元(2)和所述第二非均质新生砂过滤单元(3)通过回流泵(6)将得到的滤后水回注至所述折板流变型多向流砂水分离器处理单元(1)的注压区(1-31)。
2.根据权利要求1所述的一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统，其特征在于，所述浑砂锁砂区(1-8)位于壳筒体(1-1)两侧下部设置有外界余热热水进水口(1-11)和余热热水出水口(1-13)的低品位余热回收区(1-12)。
3.根据权利要求1所述的一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统，其特征在于，所述切向出水渠(1-5)与所述环壁斜板连接处设置有楔形溢流堰板(1-51)，所述楔形溢流堰板(1-51)与所述环壁斜板(1-6)连接点垂直上侧设置有可浮砂挡板(1-52)。
4.根据权利要求3所述的一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统，其特征在于，与所述切向出水渠(1-5)相对一侧的壳筒体(1-1)上设置有与所述外环层流区(1-42)相连通的浮渣清掏口(1-13)。
5.根据权利要求1所述的一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统，其特征在于，所述非均质新生砂过滤器处理单元的浑砂灌注区(7)于所述溢流口(9-1)开口一侧壳体设置有浑液排口(7-12)。
6.根据权利要求1所述的一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统，其特征在于，所述预置沙滤区(8)于所述溢流口(9-1)开口一侧设置有上气阀(8-2)和下气阀(8-3)。
7.根据权利要求1所述的一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统，其特征在于，所述上气阀(8-2)和所述下气阀(8-3)均连接于外部鼓风口(8-4)。
8.根据权利要求1所述的一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统，其特征在于，所述二次折流板(1-7)由若干个螺旋折流扇叶(1-71)组成，所述若干个螺旋折流扇叶(1-71)之间形成流线形溜砂槽(1-72)。
9.根据权利要求1所述的一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统，其特征在于，所述异重流折板(1-9)与所述瓶形板(1-80)接口处形成康达弧(1-92)。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种用于污水中砂粒高效分离的砂水分离系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：含砂污水从所述切向进水管(1-2)进入所述外环层流区(1-42)，水体进行切向环流运动产生径向分层层流，在所述外环层流区(1-42)内，水体中的砂粒在径向主要受到离心力、压力梯度力和曳力的影响，通过水体圆周运动可以使得砂粒在离心力的作用下沿着径向由内向外运动，从而使得层流中的各层密度发生变化，而压力梯度力
Figure FDA0002845553710000031
与离心力方向相反不利于颗粒的分离，因此将所述壳筒体的外筒板设计为透水外筒板，将内环层流区外壁处的正压导入，以减小外环的压力梯度力和颗粒的向心径向运动；
S2：分层后的水体垂直向下进入水平径向异重流区(1-91)，利用异重流原理，轻液密度低处于所述异重流区(1-91)上层，接触到所述二次流折板(1-7)后直接流入所述内环层流区(1-31)；密度高的含砂重液处于所述异重流区(1-91)下层，进而将砂粒推入所述浑砂锁砂区(1-8)，最终所述异重流区(1-91)内大粒径的砂粒被高效去除；
S3：轻液中包裹着小粒径微砂在所述内环层流区(1-31)内继续做分层切向旋流运动并向上运行，在中央设所述透水内筒板(1-3)，进而减小该区域的压力梯度力，在防止中央产生负压漩涡的同时，通过在所述注压区(1-31)内注水渗透，进一步减少所述内环层流区(1-41)内层的负压。透水孔方向顺着旋流的方向为内环旋流补充动力；
S4：所述内环层流区(1-31)顶部设置的环壁斜板(1-6)，利用浅层沉淀原理，对微砂进行拦截，拦截后的微砂由重力沉入所述浑砂锁砂区(1-8)内，所述注压区(1-31)的水采用非均质新生砂自滤器底部滤后水，或采用污水厂污泥絮凝脱水后的滤后水，滤后液中残留的阳离子絮凝剂，有利于污水中微砂的絮凝团聚和去除；
S5：所述浑砂锁砂区(1-8)内设置的所述锁砂桨(1-81)为该区域提供旋流所需的最小角速度，浑砂在所述浑砂锁砂区(1-8)内相互碰撞有助于砂粒表面附着有机物的脱落，提高砂粒的平均密度ρs；在角速度一定时，颗粒所受到的离心力
Figure FDA0002845553710000041
与所述浑砂锁砂区(1-8)的半径成正比，为此锁砂区外形由上向下先逐渐扩径，从而大大提高离心力防止跑砂；之后锁砂区再逐渐缩径，用于收拢重力沉降的砂粒于所述浑砂储砂区(1-10)；
S6：所述锁砂桨(1-81)轴端设计为水滴形外形并占据中心位置，可以有效减小水体圆周运动产生的中央负压区，防止跑砂；或者当所述浑砂锁砂区(1-8)底部的砂粒在向上跑砂时，撞击所述锁砂桨(1-81)后返回至所述浑砂锁砂区(1-8)中；
S7：所述锁砂桨(1-81)顶部的设置流线型锁砂盖(1-82)，通过流态优化减小落砂口的湍流扰流，所述浑砂锁砂区(1-8)外侧设置的低品位余热回收区(1-12)，可以通过利用30℃～45℃的低品位工业废热对所述浑砂锁砂区(1-8)进行加温，使所述浑砂锁砂区(1-8)内的粘度明显降低，实现35摄氏度的水粘度仅为15摄氏度水的粘度的63％，有效减少径向曳力Fd＝6πμRu，在提高离心力的锁砂粒效果的同时，提高了污水厂污泥热处理产生废热的利用率，大大减少了废热冷却所需的能耗；
S8：所述排砂泵(4)根据实际工况需求进行小流量连续排砂，避免所述浑砂锁砂区(1-8)内产生死水板结，保障所述浑砂锁砂区(1-8)内的水流方向永远向下，从而避免跑砂，所述排砂泵(4)吸砂泵间歇运行或持续运行；
S9：所述非均质新生砂过滤器处理单元将所述折板流变型多向流砂水分离器处理单元(1)分离出的浑砂进行再生利用，所述第一非均质新生砂过滤器处理单元(2)与所述第二非均质新生砂过滤器处理单元(3)交替运行，所述非均质新生砂过滤器处理单元的日常运行采用序批式运行模式，分为浑砂灌注、浑砂气洗、静置分层、浑液上排、新生砂过滤等几个步骤；
S10：浑砂灌注：将所述浑砂锁砂区(1-8)内的砂水混合物通过排砂泵(4)灌注至所述非均质新生砂过滤器处理单元的浑砂灌注区(7)；
首先进行浑砂气洗：开启与所述排沙泵(4)连接的曝气阀(7-3)，通过强对流作用使砂粒流化互相摩擦，达到清洗砂粒的作用；
静置分层：关闭所述曝气阀(7-3)后混合液逐渐分层，颗粒较大和平均密度较大的洁净砂沉淀较快，于所述浑砂灌注区(7)下部形成所述新生砂自滤层(7-1)，所述浑砂灌注区(7)顶部为沉降最慢或无明显沉降的浑液区，所述浑砂灌注区(7)中部为微砂混合液区；
浑液上排：开启所述浑液排口(7-12)将浑液排出所述非均质新生砂过滤器处理单元；
新生砂过滤：打开所述过滤阀(8-5)、利用所述非均质新生砂过滤器处理单元自己产生的新生砂自滤层(7-1)对微砂进行过滤，达到对微砂高效拦截的目的；
S11：当新生砂层日渐增多后，可打开所述第一耙砂孔(7-11)清除微砂和洁净砂，并对所述预置砂滤层(8)进行清洗；
S12：滤后水通过所述回流泵(6)提升循环至注压区(1-31)回用，避免将滤后水由重力排放至地下泵房，避免浪费水头势能。
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