一种无动力旋流爪固液分离器及分离方法与流程

1.本发明涉及一种无动力旋流爪固液分离器及分离方法，属于雨污水处理和环境保护技术领域。


背景技术：

2.城市雨季雨水径流，特别是大雨或爆雨初期形成的地表径流，以及合流制溢流污水具有瞬时水量大、固体悬浮物含量高、污染负荷大等特点。如果不加处理直接排入城市水体，会对其造成严重的污染。快速去除固体悬浮物能够在很大程度上消减进入城市水体的污染负荷，发达国家对雨水径流以及合流制溢流污水研究较早，目前广泛使用的方法是用无动力旋流分离技术去除雨水径流以及合流制溢流污水中的悬浮粒子，这种技术具有结构简单、占地面积小、使用寿命长、维护管理方便等优势，对去除较大尺寸的悬浮粒子效果较好，正在得到越来越多的应用。然而几乎所有目前使用的无动力旋流分离器都存在一共同的问题：在大入流的情况下小尺寸粒子的去除效果不理想。国内这方面的研究应用还比较少，没有属于自己的成熟技术和设备。随着我国对初期雨水径流以及合流制溢流污水污染的逐渐重视，以及现阶段海绵城市的大规模开展和实施，固液旋流分离技术将会成为热点关注领域。
3.与此同时，在城乡污水处理领域，污水除砂一直是一普遍难题，如除砂效果不好，一方面会导致后续一系列设备的磨损加剧，另一方面也会致使大量砂子在初沉池、曝气池、储泥池、污泥消化池等工艺单元内沉积，甚至堵塞管道，对生产造成严重影响。由于受到城市大规模建设和管网不完善等因素影响，国内污水的含砂量普遍偏高，这就更加突出了污水除砂的重要性。常用污水除砂方法是使用各种不同的沉砂池，如重力沉砂池、爆气沉砂池、斜板或斜管沉砂池、旋流沉砂池等，研究结果显示，沉砂池只能有效去除尺寸大于0.2mm的砂粒，且占地面积大，还需消耗大量的能源。
4.因此，如何大规模从各种雨污水中有效的去除较小和较轻粒子一直是有待解决的难题。研究发现：1、去除小于0.25mm尺寸的颗粒是污水处理的关键，因为在径流和其它污水中，小颗粒所含带的重金属量占总负载量的80％以上；2、超过一半的沉积物尺寸大于0.3mm，但仅占总磷和总氮量的15％以下；3、一半的重金属附着于尺寸在0.06至0.20mm之间的粒子上。由于发现较小的颗粒会对环境造成更多的污染，有效去除水中的细颗粒物至关重要。
5.而目前各种固液旋流分离器不能有效去除轻小悬浮粒子的主要原因是，悬浮粒子始终和入水中的主流在分离器中一起运行。基于此，本发明提供一种无动力旋流爪固液分离器及分离方法，利用主流流过并行槽阵上方槽口时在并行槽内所产生的旋流，把入流中的悬浮粒子从急速的入流中抓到相对安静的槽底，以减小主流的干扰和缩短悬浮粒子与槽底的距离，从而促进悬浮粒子(特别是易受干扰的轻小粒子)的沉淀。


技术实现要素：

6.发明目的：针对现有技术所存在的问题，本发明提供一种无动力旋流爪固液分离器及分离方法，能够有效去除污水中各种尺寸的悬浮粒子，同时能明显提高在大入流量情况下捕获轻小颗粒的能力，无能源消耗，无二次污染风险，高效经济易维护。
7.技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种无动力旋流爪固液分离器，包括外壳及外壳上的进出水装置，所述外壳呈上筒下锥结构，其上筒体内设有旋流爪产生器，且下锥体为沉淀物储存腔，所述旋流爪产生器包括多个叠摞在一起的锥体并行槽阵，所述锥体并行槽阵包括上锥下筒结构的壳体，所述壳体顶部设有开口，所述壳体设有多个并行排列的并行槽壁，所述并行槽壁沿壳体的上锥面延伸。
8.进一步的，所述进出水装置包括出水管及依次连通的进水管、直角弯管、垂直水管，所述垂直水管的管壁上开设有圆孔，通过轴向排布的圆孔连通各个锥体并行槽阵之间的处理腔，以实现入水主流的分流作用；所述出水管与外壳的上筒体连通，所述外壳上设有用以分离进出水的分隔板。
9.进一步的，针对需要首先去除入水中大尺寸悬浮物质的情况，所述进出水装置还包括进水池、出水池、过滤网，所述进水池、出水池并列布置于外壳的外筒面上，所述进水池通过过滤网与各处理腔连通，所述直角弯管、垂直水管布置于进水池内，所述出水管通过出水池与各处理腔连通。
10.进一步的，所述进出水装置还包括蜂窝板，所述进水池依次通过过滤网、蜂窝板与各处理腔连通。通过过滤网的入流进一步通过蜂窝网板流入各处理腔内，蜂窝网板的作用是整流，迫使水流更均匀的沿水平方向行进，从而能更有效的在并行槽内产生旋流，并使所产生的旋流更有规律，以增强捕捉悬浮粒子的效率。
11.进一步的，所述锥体并行槽阵包括最上层、第二层、第三层至最底层，其中最上层锥体并行槽阵的顶部开口比第二层的大，第二层锥体并行槽阵的顶部开口比第三层的大，第三层至最底层锥体并行槽阵的顶部开口尺寸一致，且第三层至最底层锥体并行槽阵的顶部开口处设有内筒，相邻内筒之间依次对接形成连通沉淀物储存腔的内道，以保证沉淀物储存腔与主流入水基本隔离。
12.进一步的，所述并行槽壁的尾端连接有颗粒传送通道，所述颗粒传送通道沿壳体的外筒面延伸，且相邻锥体并行槽阵上的颗粒传送通道上下对接形成连通沉淀物储存腔的沉淀通道，从而把每层捕获的固体颗粒在不受任何水流干扰的情况下传送到沉淀物储存腔内。
13.进一步的，所述颗粒传送通道与并行槽壁之间的并行槽为一一对应关系，所述颗粒传送通道的侧壁上设有通道入口，所述并行槽尾部一分为二，其中一半并行槽的槽底与通道入口连通，其另一半并行槽的槽底设有用于将颗粒导向通道入口的挡边。
14.进一步的，所述分离器还包括自动清洗装置，所述自动清洗装置包括连通高压水源的喷水管，所述并行槽壁的上侧边设有用于插接喷水管的管道，所述并行槽壁上设有多个连通管道的清洗口，所述喷水管上设有与清洗口对应的喷水口。
15.此外，还有基于该无动力旋流爪固液分离器的分离方法，包括：首先通过进出水装置对入水主流进行分流，然后利用分流流过锥体并行槽阵上方槽口时在并行槽内所产生的旋流，把入流中的悬浮粒子从急速的入流中抓到相对安静的槽底，最后落在并行槽底或并
行槽壁上的沉淀物将沿陡峭的槽底斜面滑到与主流分离的沉淀物储存腔内。
16.进一步的，所述分离方法还包括：最后落在并行槽底或并行槽壁上的沉淀物将沿陡峭的槽底斜面滑入颗粒传送通道内，并沿颗粒传送通道落到沉淀物储存腔内。
17.有益效果：本发明提供的一种无动力旋流爪固液分离器及分离方法，相对于现有技术，具有以下优点：
18.1、该旋流爪固液分离器能够有效去除污水中各种尺寸的悬浮粒子，同时能明显提高在大入流量情况下捕获轻小颗粒的能力；
19.2、需处理的入水在环绕锥体并行槽阵一周后从出水管流走，由于液体在整个流动过程中不需做大角度的急转弯，所以整个系统的水阻力小，水头损失低，且对于进出水管口的高度和它们之间的相对高度没有特殊的要求；
20.3、不需外部动力，无能源消耗，没有运动部件，入流和捕获的颗粒分离，无二次污染风险，具有运行可靠、清理方便、易维护等特点，可处理全部入流，易增加处理容量，在更经济的占地面积内获得更高的处理效率。
附图说明
21.图1为本发明实施例一的整体结构示意图；
22.图2为本发明实施例一的外壳结构示意图；
23.图3为本发明实施例二的整体结构示意图；
24.图4为本发明实施例二的外壳结构示意图；
25.图5为本发明实施例一中旋流爪产生器的结构示意图；
26.图6为本发明实施例一中最上层锥体并行槽阵的结构示意图；
27.图7为本发明实施例一中第二层锥体并行槽阵的结构示意图；
28.图8为本发明实施例一中第三层至最底层锥体并行槽阵的结构示意图；
29.图9为本发明实施例一中进出水装置的结构示意图；
30.图10为本发明实施例一中另一种锥体并行槽阵的结构示意图；
31.图11为本发明实施例一中不同形状并行槽壁的结构示意图；
32.图12为本发明实施例一中颗粒传送通道的结构示意图；
33.图13为本发明实施例一的垂直剖面结构示意图；
34.图14为本发明实施例一中并行槽壁与自动清洗装置的配合结构示意图；
35.图15为本发明中水流成90度通过并行槽时在并行槽所产生旋流的数值模拟图；
36.图16为本发明实施例三的整体结构示意图；
37.图中的附图标记包括：1、外壳，2、支架，3、旋流爪产生器，4、绕流挡板，5、取样管，6、取样口，7、直角弯管，8、垂直水管，9、进水管，10、出水管，11、锥体并行槽阵，12、蜂窝板，13、过滤网，14、进水挡板，15、并行槽壁，16、颗粒传送通道，17、圆形挡板，18、沉淀物储存腔，19、内道，20、旋流，21、通道入口，22、分隔板，23、圆形开口，24、进水池，25、出水池，26、喷水管，27、清洗口，28、处理腔，29、进水开口，30、挡边。
具体实施方式
38.下面将结合附图对本发明的优选实施方式进行描述，更加清楚、完整地阐述本发
明的技术方案。
39.如图1
‑
2所示为一种无动力旋流爪固液分离器，包括外壳1及外壳上的进出水装置，所述外壳1呈上筒下锥结构，其上筒体内设有旋流爪产生器3，且下锥体(斜度不应小于45度)为沉淀物储存腔18，所述旋流爪产生器3包括多个叠摞在一起的锥体并行槽阵11，所述锥体并行槽阵11包括上锥下筒结构的壳体，所述壳体顶部设有圆形开口23，所述壳体锥面(斜度不应小于45度)上设有多个并行排列的并行槽壁15，所述并行槽壁15沿壳体的上锥面延伸。所述外壳1底部设有多个用于支撑旋流爪产生器3的支架2，以保证捕捉的悬浮粒子顺利落到沉淀物储存腔18内。
40.该旋流爪固液分离器的基本原理是利用主流流过并行槽阵上方槽口时在并行槽内所产生的旋流把主流中悬浮粒子带走，从而极大降低主流扰动力对已捕获悬浮粒子的干扰。当入流量增加时，虽然流体在分离器内的滞留时间被缩短，但由于主流所产生的旋流强度将有所增加，悬浮粒子被带走的几率相对增大。对比实验结果显示，旋流爪固液分离器去粒子效率受入水流量的影响比其它同类设备小很多，并且在大入流量的情况下仍具有明显去除轻小悬浮粒子的优势。
41.本实施例中，所述进出水装置包括并列设置的出水管10、进水管9，进水管9通过直角弯管7与垂直水管8连通，垂直水管8在不同高度开有圆孔，圆孔的分布和孔径由具体应用而定，通过轴向排布的圆孔连通各个锥体并行槽阵11之间的处理腔28。所述出水管10与上筒体顶部连通，且外壳1上设有用以分离进出水的分隔板22。
42.进一步的，所述锥体并行槽阵11的侧边设有进水开口29，这样垂直水管8可沿进水开口29一直延伸到旋流爪产生器3的底部，垂直水管8的底部可做成锥型，使得水管底部开口小于垂直水管的管径。如图9所示，为了不让进水流入沉淀物储存腔，可在垂直水管底部(即最底层锥体并行槽阵的进水开口下方)设置进水挡板14。
43.这样当入水从进水管进入旋流爪固液分离器后，通过直角弯管流进垂直水管，由于垂直水管在不同高度分布有孔洞，并且垂直管底部开口可根据情况连接一直径逐渐变小的尾管，从而当入水从垂直水管流出后，水的流量将较为均匀的分布于不同的水深，换句话说，流进不同层的锥体并行槽阵的水量基本相同，使得入流得到高效分流。
44.如图3
‑
4所示，对需要首先去除入水中大尺寸的悬浮物质的应用情况，需添加进水池24和出水池25到外壳1上，所述进水池24、出水池25并列布置于外壳1的外筒面上，进水池24依次通过过滤网13、蜂窝板12与各处理腔28连通，直角弯管7、垂直水管8布置于进水池24内，出水管10通过出水池25与各处理腔28连通。
45.其中过滤网将阻止水中大尺寸的悬浮物进入各处理腔28内，且通过过滤网的入流进一步通过蜂窝网板进行整流，迫使水流更均匀的沿水平方向行进，从而能更有效的在并行槽内产生旋流，并使所产生的旋流更有规律，以增强捕捉悬浮粒子的效率。
46.进一步的，进水池的底部高度不应高于旋流爪产生器底部的高度，出水池的尺寸不应大于进水池；过滤网的宽度和长度应能覆盖整个进水通道，而它的网格孔径应由具体应用而定，一般不应小于3mm；蜂窝板的开口总面积应比进水管的截面至少大20％，其宽度和长度应能覆盖整个进水通道，厚度应不小于10cm，单个蜂窝开口的形状不限。
47.由于锥体并行槽阵是由表面光滑的锥体和多个并行排列的并行槽壁构成的，根据安装位置不同，锥体并行槽阵的结构会有稍微不同，但它们的工作原理相同，所有锥体并行
槽阵的锥体底部开口尺寸都一样。如图6
‑
8所示，最上层锥体并行槽阵的圆形开口比第二层的大，第二层锥体并行槽阵的圆形开口比第三层的大(其高度高于第一层但矮于第三层锥体并行槽阵)，第三层至最底层锥体并行槽阵的圆形开口大小一致，且第三层至最底层锥体并行槽阵的圆形开口处设有内筒，相邻内筒之间依次对接形成连通沉淀物储存腔的内道19。也就是从第三层开始，每一层锥体并行槽阵的结构基本一样。
48.如图13所示，沉淀物储存腔与主流基本隔离，除了少量水能顺着颗粒传送通道进入沉淀物储存腔外，没有其它通道可走，所以收集到的沉淀物将始终保持在沉淀物储存腔直到被清除，从而防止二次污染发生。此外，可在外壳内底部安装一绕流挡板4，用于防止沉淀物储存腔内任何可能产生的绕流。
49.进一步的，并行槽壁根据不同的情况可有不同的排列方式：它的走向可以如图6
‑
8所示沿着锥体径线延伸，也可以如图10所示与锥体径线成一定角度延伸；并行槽壁可与壳体锥面垂直布置，也可以一小角度倾斜于壳体锥面；并行槽壁的高度不小于两并行槽壁间的净距离，由于并行槽壁间的净距离从上到下不一样，因此同一并行槽壁的高度从上到下也可不同。在一些特殊的应用情况下，并行槽壁可做成零高度，即锥体表面不再有并行槽，它将演变成一锥体斜面。
50.如图11所示，并行槽壁可以有不同的形状设计，其截面可以是：a
‑
b、平顶和平底，c、平底和三角型顶，d、平顶且底部右下角凹进，e、顶为三角型且底部右下角凹进。
51.如图5所示，所述并行槽壁15的尾端连接有颗粒传送通道16，所述颗粒传送通道16沿壳体的外筒面竖直延伸，且相邻锥体并行槽阵11上的颗粒传送通道16上下对接形成连通沉淀物储存腔18的沉淀通道，从而把每层捕获的固体颗粒在不受任何水流干扰的情况下传送到沉淀物储存腔内。
52.设备运行时，首先对入水主流进行分流，然后利用分流流过锥体并行槽阵上方槽口时在并行槽内所产生的旋流，把入流中的悬浮粒子从急速的入流中抓到相对安静的槽底，最后落在并行槽底或并行槽壁上的沉淀物将沿陡峭的槽底斜面滑入颗粒传送通道内，并沿颗粒传送通道落到与主流分离的沉淀物储存腔内，而入水在环绕锥体并行槽阵一周后从出水管流走。
53.如图12所示，所述颗粒传送通道16与并行槽壁15之间的并行槽为一一对应关系，所述颗粒传送通道16的侧壁上设有通道入口21，所述并行槽尾部一分为二，其中一半槽底与通道入口21连通，而另一半槽底设有用于将颗粒导向通道入口21的挡边30。
54.也就是为了减少水流入颗粒传送通道的机率，颗粒传送通道只和并行槽的半边槽尾相接，从并行槽另半边滑下的颗粒将被挡板引进颗粒传送通道内，且通道入口的高度应比并行槽壁高度低。
55.进一步的，所述最上层锥体并行槽阵的颗粒传送通道16顶部设有圆形挡板17，其目的是防止水流入颗粒传送通道和迫使进水环绕最上层锥体并行槽阵运行。
56.进一步的，所述沉淀物储存腔18的底部设有取样口6和取样管5，两者是为做实验时取样用的，不是底流排污口。而在实际应用时，也可用来排泄所收集的沉淀物。另一种清理所收集沉淀物的方法是从旋流爪固液分离器顶部开孔，通过内道19吸走底部沉淀物。此设备平常不需要做特殊的维护管理。
57.当用旋流爪固液分离器处理某些粘性污水时，一些积物可能附着在并行槽内，需
要经常清洗以便保持旋流爪固液分离器的工作效率，由此提供一种自动清洗装置。如图14所示，所述自动清洗装置包括连通高压水源的喷水管26，所述并行槽壁15的上侧边开设有用于插接喷水管26的管道，所述并行槽壁15上开设有多个连通管道的清洗口27，所述喷水管26上开设有与清洗口27对应的喷水口。
58.进一步的，所有插入管道内的喷水管26上端口相互连通，并和高压水源相连，而喷水管26的下端封闭。需要清洗时，打开连接的高压水，高压水将从并行槽壁15上的清洗口27射出以清除槽中的积物。
59.如图15所示，入水在锥体并行槽阵之间环绕时，由于水流的运动动力和运行方向，当它以和并行槽延伸方向成90度(或接近90度)通过并行槽上方槽口时，会在并行槽内产生旋流20。基于此，本发明从以下几个方面来促进悬浮粒子的沉淀：首先，把分流后的入流限制在锥体并行槽阵之间的处理腔内，可在很大程度上增加悬浮粒子被旋流抓获的机率；其次，它不仅能把主流中的悬浮粒子从急速主流中带到相对安静的槽底部位以减小主流的干扰，而且它还缩短了悬浮粒子和槽底间的距离；最后，极大的增加了可促进颗粒沉淀的斜板接触面积，落在并行槽底或并行槽壁上的沉淀物将沿陡峭的槽底斜面滑到尾端的颗粒传送通道内，因为每层颗粒传送通道连接起来后将形成一几乎封闭的长通道，进入的沉淀物将一直被传送到底部的沉淀物储存腔。
60.本发明提出的旋流爪固液分离设备可作为一高效固液分离器或沉淀池用于处理雨水径流、合流制溢流污水、城乡污水、采矿和采油等污水，对使用区域没有特殊要求，可安装在地面下或地面上。
61.使用时只要把进水管和雨污水供应管相连接，出水管和排放管相连接即可运行。当旋流爪固液分离器安装地面下时，需在旋流爪产生器中心孔的正上方地面开孔以便吸除沉淀物。对于带有进出水池的旋流爪固液分离器，在进水池的正上方地面也需开孔以吸除大尺寸物质。
62.在旋流爪产生器的直径确定的情况下，可以根据处理流量和效率的要求决定所需的锥体并行槽阵的叠摞数量。由于旋流爪产生器是由多个锥体并行槽阵垂直叠摞而成的，通过增加锥体并行槽阵的叠加数量，而无需加大分离器的直径，旋流爪固液分离器的处理容量即可得到提升，因而能在更经济的占地面积内获得更高的处理效率。
63.上述实施例所涉及的是基于圆筒型设备的设计构架，当然在相同原理下，该设备也可变形成椭圆型(如图16所示)或其他多边形结构的同类设备。
64.因此，上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。