CN1176734C - 浮船式穿孔集水槽 - Google Patents

Abstract

一种浮船式穿孔集水槽，包括带有集水孔的槽体和出水管，出水管与槽体通连，特征为：所述集水孔分布于槽体侧部，在槽体和出水管连通处设有水位调节结构，在槽体下部设有可控制开闭的充水活门；还包括有可驱动水位调节结构及充水活门的控制装置。本发明能保持均匀出水，不需动力；可以简便的实现间歇式活性污泥法的变水位沉淀出水；也能用在UNITANK工艺中的沉淀出水，还可用于三槽式氧化沟等需间歇出水或变水位出水的水处理工艺中。

Description

浮船式穿孔集水槽

                          技术领域

本发明涉及一种水处理工艺中使用的装置，具体涉及一种用于水处理的沉淀过程中上清液的汇集装置。

                          背景技术

在污水处理的沉淀过程中，需要将上清液排出，目前常见的是普通穿孔式集水槽，在槽体两侧开有集水孔，集体与出水管连通，并固定于池壁上，上清液从集水孔中流入，经出水管排出。这种结构，由于槽体固定，在需要间歇出水和变水位出水的场合无法使用。为此，亦有采用可变水位的上清液排出装置，通常用电机控制其进水口高度，实现上清液的自上而下排出，其结构复杂、笨重，耗能高；还有报道在排出装置中加设浮球，利用水的浮力使其保持在水池表面，但是，浮球的浮力必须采用气阀控制，操控困难。

                          发明内容

本发明目的是提供一种不需动力，能自行控制变水位方式的上清液收集的浮船式穿孔集水槽。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种浮船式穿孔集水槽，包括带有集水孔的槽体和出水管，出水管与槽体通连，集水孔分布于槽体侧部，在槽体和出水管连通处设有水位调节结构，在槽体下部设有可控制开闭的充水活门；还包括有可驱动水位调节结构及充水活门的控制装置，控制装置使得集水槽具有三种状态，起始状态时，充水活门打开，水位调节结构位于高位，集水槽进水下沉，工作状态时，充水活门关闭，水位调节结构位于排水位，通过集水孔以恒定速度排水，结束状态时，充水活门关闭，水位调节结构位于低位，集水槽浮起。

上述技术方案中，所述槽体可以是顶面敞开的结构，也可以是封闭结构；所述水位调节结构可以为转动式堰板调节结构，转轴位于槽体底部；也可以为升降式堰板调节结构，上升时堰板挡水高度增加，下降时堰板挡水高度降低。

上述技术方案中，所述充水活门可以为转动式活门，转轴位于活门上部；也可以为升降式活门，上升时打开活门，下降时关闭活门。

上述技术方案中，所述槽体的横截面形状有多种，只要满足集水槽的浮动平衡及稳定性要求，可以为矩形；也可以为多边形的复式截面。当设计流量大时，用矩形断面可能导致设计集水槽自重太大，可采用复式断面如图5示，但为方便防腐保养的操作，集水槽宽度不宜小于0.2M。增大集水槽上口宽度，有利于提高浮船式集水槽的稳定性。

槽体可以沿水平方向伸展成十字形，适应于间歇式活性污泥处理工艺；也可以沿水平方向伸展成分叉的多支渠结构，适应于三槽式氧化沟的端部出水。

本发明使用时，控制装置起动，提升堰板使水位调节结构位于高位，同时开启充水活门进水，使集水槽充水下沉，当下沉到一定水面相对标高后，控制装置再次动作，放低控制堰板到设计P高度，同时关闭充水活门，浮船式集水槽开始工作集水，此处，可以采用浮球拉动控制触点自动控制；停止时，控制装置将控制堰板放至最低，槽内水位降低集水槽浮起，直至集水孔脱离水面，停止集水。

本发明的浮船式穿孔集水槽能正常工作，必须满足以下条件：

1.有一定的稳定性，能适应一定的水位的偶然波动和一定偶然荷载。并能在这些偶然作用消失后能自动恢复；

2.开始集水时控制堰板提升高度必须保证能使集水槽下沉到设计标高，不致中途浮起；

3.停止集水时，控制堰板下降导致的槽内水位降低应能保证集水槽上浮达到使集水孔脱离水面并最终离开水面有一定的保护高度，在非出水时段不会有水经集水孔排出。

在实际设计中，可以由水力学公式推算出合理的尺寸、重量。

集水槽流速水头和水头损失都很小，集水槽内水位主要由控制堰板控制，由堰流及孔口出流流量公式及浮力与重力的平衡条件，可得到浮船式穿孔集水槽的稳定条件，假设在整个过程中各流量系数不变。

由堰流公式：    Q＝m₀b(2*g)^1/2H^1.5     (1)

由孔口出流公式：Q＝μ∑f(2*g*h_x)^1/2    (2)

式中：Q表示集水槽集水流量   H表示堰上水头

      m₀表示堰流流量系数   μ表示孔口流量系数

      b表示堰宽             ∑f孔口总面积

      g表示重力加速度       h_x表示孔上水头

设集水槽为矩形断面，净重为G。当集水槽内外水位差等于Δ，即L+h_x-H-p＝Δ(3)时，浮力等于重力G。当集水槽稳定工作时，由(1)、(2)得：

m₀b(2*g)^1/2H^1.5＝μ∑f(2*g*h_x)^1/2

h_x＝m₀ ²b²H³/μ²(∑f)²                           (4)

对(4)求导得：dh_x/dH＝3m₀ ²b²H²/μ²(∑f)²         (5)

当设计平衡点dhx/dH＜1时，当hx变化一Δh_x时，H变化ΔH，且|Δh_x|＜|ΔH|，当hx减小时，由(3)：L+h_x+Δh_x-H-ΔH-p＞Δ，浮力大于重力，集水槽继续上浮，hx进一步减小。若hx增大，则L+h_x+Δh_x-H-ΔH-p＜Δ，浮力小于重力，集水槽下沉，hx进一步增大。由上可知，在此条件下的平衡是暂态平衡，在此条件下浮船式集水槽是不稳定的，不能正常工作。

当设计平衡点dhx/dH＝1时，同样的分析可知：浮船式穿孔集水槽对上浮是不稳定的。但不会进一步下沉。

当设计平衡点dhx/dH＞1时，当hx变化一Δh_x时，H变化ΔH，当hx+Δh_x＞时，有|Δh_x|＞|ΔH|，当hx减小时，由(3)：L+h_x+Δh_x-H-ΔH-p＜Δ，浮力小于重力，集水槽下沉，hx增大，直至恢复平衡点。若hx增大，则L+h_x+Δh_x-H-ΔH-p＞Δ，浮力大于重力，集水槽上浮，hx减小，直至恢复平衡点。由上可知，此条件下的平衡是稳定平衡，在此条件下浮船式集水槽可在一定的偶然作用下保持稳定工作。

以上分析可用函数图解如图6：

曲线为h_x＝F(H)＝m₀ ²b²H³/μ²(∑f)²

直线为h_x＝G(H)＝H+Δ+p-L

此时F(H)与G(H)有两个交点第一点(h1，H1)为不稳定平衡点，第二点(h2，H2)为稳定平衡点即工作点，且h_x因偶然原因上升，只要h_x＞h1，当偶然作用消失时，集水槽仍可回到正常工作状态。但最大提升荷载承受点是曲率等于1的点(H0，h0)。

在控制装置中，必须确定堰板的工作高度P

如图6示，H0为曲线F(H)曲率等于1的点，即此点的曲线的切线平行于G(H)，只要F(H)左移

$\frac{(H2-H1)*(h0-h1)}{(h2-h1)}+H1-H0$

即当

$P=\frac{(H2-H1)*(h0-h1)}{(h2-h1)}+H1-H0$

时，当堰板降下时，集水槽将有一个平衡点，但当

$P>\frac{(H2-H1)*(h0-h1)}{(h2-h1)}+H1-H0$

时，当堰板降下，集水槽将不再有平衡点，且曲线上所有的点都在直线的上方，浮船式穿孔集水槽将一直上浮直至集水孔浮出水面。

堰板的提升高度应能使集水孔孔上水头超过h1，在能在孔上水头达到h1时浮球控制触点动作，放下堰板后，集水槽能下沉到工作水位。首先应满足能使集水空没入水中，设堰板提升高度为S，即使S＞L-Δ，此时平衡曲线为h_x＝F(H-S+P)，相当于把曲线右移S-P，当S＞L-Δ时，S-P＞L-Δ-P，大于G(H)在H轴的截距，此时h_x＝F(H-S+P)与h_x＝G(H)在h_x＜h1的点没有交点，且在直线h_x＝G(H)下方，可一直下沉通过h1。同时可由h_x＝F(H-S+P)与h_x＝G(H)的交点求解集水槽保护高度，应使在堰板不放下时不至于集水沉没。求解的高度会比较大，可采用增大上部集水槽面积的办法减小保护高度。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.由于本发明集水槽靠浮力浮于水面，能随水位的变化升降始终保持一定的上浮高度和孔上水头，使浮船式集水槽在大的水位波动下能始终保持均匀出水，且不需动力。

2.由于本发明通过控制调节堰板和充水活门调节集水槽槽内水位以改变集水槽的总重，从而控制集水槽上浮的高度，因而能以此控制浮船式集水槽集水与否，可以简便的实现间歇式活性污泥法的变水位沉淀出水；也能用在UNITANK工艺中的沉淀出水，由于能随水位升降，不仅可减少工艺管线(废水管)，而且可调节反应池水位，使工艺运行更加灵活更趋合理；同时还可用于三槽式氧化沟等需间歇出水或变水位出水的水处理工艺中。

3.本发明的集水槽在漂浮时可保持平衡，根据水动力学原理，可以方便地推导得出集水槽正常工作的平衡条件和不同于固定式集水槽的设计要求。

                       附图说明

附图1为本发明实施例一的俯视示意图；

附图2为图1的A-A剖视示意图(省略控制装置)；

附图3为实施例一的一种控制装置连接示意图；

附图4为可采用的控制电路示意图；

附图5为槽体设计计算示意图；

附图6为槽体平衡条件的函数曲线图；

附图7为实施例一的计算曲线图；

附图8为集水槽形式一的断面图；

附图9为集水槽形式二的断面图；

附图10为集水槽十字布置形式示意图；

附图11为集水槽多支渠布置形式示意图；

附图12为实施例二的局部剖视示意图。

其中：[1]、槽体；[2]、池体；[3]、出水管；[4]、充水活门；[5]、集水孔；[6]、堰板；[7]、导向支架；[8]、控制浮球；[9]、电机；[10]、整流板。

                        具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1至附图11所示，一种浮船式穿孔集水槽，包括带有集水孔5的槽体1和出水管3，出水管3与槽体1通连，所述槽体1顶面敞开，集水孔5分布于槽体1两侧，在槽体1和出水管3连通处设有转动式堰板调节结构，转轴位于槽体底部，在槽体1下部设有可控制开闭的充水活门4，充水活门4为转动式活门，转轴位于活门上部；还包括有可驱动水位调节结构及充水活门的控制装置，控制装置使得集水槽具有三种状态，起始状态时，充水活门打开，水位调节结构位于高位，集水槽进水下沉，工作状态时，充水活门关闭，水位调节结构位于排水位，通过集水孔以恒定速度排水，结束状态时，水位调节结构位于低位，集水槽浮起。

控制装置的设计意图是实现浮船式穿孔集水槽的工作过程，可以采用各种控制电路来实现，附图3给出一种控制装置的示意图，附图4是其控制电路示意图，利用该控制电路，可实现手动或PLC自动控制，按下启动按钮A1，电机正转，带动堰板及充水活门动作，达到设计高度，限位开关ST1断开，电机停止，充水活门充水，集水槽下沉，当集水槽外水位达到h1时，浮球触点FK闭合，电机反转，带动控制堰板下降，达到工作高度P时，限位开关ST2断开，控制堰板保持在P高度，集水槽工作，当需停止集水时，按下关闭按钮A2，控制堰板放到最底，集水槽内水位降低，集水槽上浮，直至集水孔离开水面。

在具体设计过程中，各参数的设计对集水槽的正常浮沉、工作有较大影响，现以一个日出水量10000M³的浮船式穿孔集水槽的设计为例，作为集水槽的设计示例，不考虑流量时变化系数。

先探讨孔上水头与堰上水头的关系，设h₀，H₀分别是设计孔上水头和堰上水头。

由(5)式：dh_x/dH＝3m₀ ²b²H²/μ²(∑f)²

当h_x＝h₀、H＝H₀时，dh_x/dH＝3m₀ ²b²H₀ ²/μ²(∑f)²

                              ＝3m₀ ²b²H₀ ²/μ²(∑f)²

                              ＝3m₀ ²b²2gh₀H₀ ²/μ²(∑f)²2gh₀

                              ＝3m₀ ²2gh₀H₀ ²/q²

                              ＝3m₀ ²2gh₀H₀ ²/m₀ ²2gH₀ ³

                              ＝3h₀/H₀

要求设计平衡点dh_x/dH＞1，增大dh_x/dH值，有利于增加浮船式穿孔集水槽的稳定性，这样要求增加h₀，减小H₀，增加h₀孔口流速增大，为保证沉淀效果不受影响，在孔口下相应增加一整流板如附图8所示，整流板在停止集水时可起阻止污水溅入集水槽的作用，为保证整流板不积水，整流板低点设置泄水小孔。取h₀＝0.15M，H₀＝0.25M，则由

∑f＝Q/μ(2gh₀)^0.5＝0.1088M²＝1088CM²

孔口出流自由跌水高度取0.08M，Δ＝0.23M，

则：L-P＝0.33M，由(3)式L+h_x-H-p＝Δ：h_x-H＝-0.10  (6)

又由(4)式：h_x＝m₀ ²b²H³/μ²(∑f)²＝9.692H³         (7)

取m₀＝0.42，μ＝0.62，

则b＝Q/m₀H₀(2gH₀)^0.5＝0.11574/0.42*0.25*(2*9.81*0.25)^0.5＝0.498，取b＝0.5M由(6)，(7)作函数曲线如附图7。当H＝0.185M时曲线斜率等于1，此时h_x＝0.062M，对于(6)，当h_x＝0.062时，H＝0.162，ΔH＝0.023M，堰板工作高度P＞ΔH＝0.023M，为保证停止集水时集水槽上浮高度，取P＝0.10M，此时，停止集水时集水槽上浮高度为0.20M，由此得L＝0.43M，集水槽下沉时，堰板提升高度S＞L-Δ-P＝0.20M，

由于S＝0.20M时，充水活门处于进水状态，集水槽不能在h_x＝0时取得平衡，可取S＝0.20M，即比正常运行时高0.10M。选用集水孔孔径25MM，单孔面积f＝Л*2.5²*/4＝4.91CM²，集水孔总数n＝1088/4.91＝222个，集水孔间距为40/222＝0.180M。集水槽保护高度应在控制堰板最高点保证集水槽不沉没，由h_x-H＝-0.10(直线1)，h_x＝9.692(H-0.10)³(曲线2)得H＝0.421，(由于此时实际集水孔为淹没出流，实际孔上水头比计算小，用此式计算能满足要求)所以，保护高度应大于0.421-0.25＝0.171，取保护高度为0.20M。集水槽宽应保证一定的过水断面，当集水槽宽0.2M时，过水面积为0.2*0.35＝0.07M²，槽内流速为0.827M/S。集水槽设计重量约为0.2*0.23*40＝1.84T。则集水槽断面如图8所示。

根据需要，也可以设计多边形的复式截面槽体，如附图9所示；当用于间歇式活性污泥处理工艺时，槽体沿水平方向伸展成十字形，如附图10所示；当用于三槽式氧化沟的端部出水时，槽体沿水平方向伸展成分叉的多支渠结构，如附图11所示。

实施例二：参见附图12所示，一种浮船式穿孔集水槽，其基本结构与实施例一类同，其中，槽体与出水管间的水位调节结构采用升降式堰板调节结构，上升时堰板挡水高度增加，下降时堰板挡水高度降低。

Claims (10)

1.一种浮船式穿孔集水槽，包括带有集水孔[5]的槽体[1]和出水管[3]，出水管[3]与槽体[1]通连，其特征在于：集水孔[5]分布于槽体[1]侧部，在槽体[1]和出水管[3]连通处设有水位调节结构，在槽体[1]下部设有可控制开闭的充水活门[4]；还包括有可驱动水位调节结构及充水活门[4]的控制装置，控制装置使得集水槽具有三种状态，起始状态时，充水活门[4]打开，水位调节结构位于高位，集水槽进水下沉，工作状态时，充水活门[4]关闭，水位调节结构位于排水位，通过集水孔[5]以均匀速度排水，结束状态时，充水活门[4]关闭，水位调节结构位于低位，集水槽浮起。

2.如权利要求1所述的浮船式穿孔集水槽，其特征在于：所述水位调节结构为转动式堰板[6]调节结构，转轴位于槽体[1]底部。

3.如权利要求1所述的浮船式穿孔集水槽，其特征在于：所述水位调节结构为升降式堰板调节结构，上升时堰板[6]挡水高度增加，下降时堰板[6]挡水高度降低。

4.如权利要求1所述的浮船式穿孔集水槽，其特征在于：所述充水活门[4]为转动式活门，转轴位于活门上部。

5.如权利要求1所述的浮船式穿孔集水槽，其特征在于：所述充水活门[4]为升降式活门，上升时打开活门，下降时关闭活门。

6.如权利要求1所述的浮船式穿孔集水槽，其特征在于：所述槽体[1]的横截面为矩形。

7.如权利要求1所述的浮船式穿孔集水槽，其特征在于：所述槽体[1]的横截面为多边形的复式截面。

8.如权利要求6或7所述的浮船式穿孔集水槽，其特征在于：所述槽体[1]沿水平方向伸展成十字形。

9.如权利要求6或7所述的浮船式穿孔集水槽，其特征在于：所述槽体[1]沿水平方向伸展成分叉的多支渠结构。

10.如权利要求1所述的浮船式穿孔集水槽，其特征在于：在池体[2]的壁上固定有控制槽体[1]运动方向的导向支架[7]，在最低出水水位处设置有限位支撑支架。

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