一种多重叠嵌式重力过滤净水方法
【技术领域】
:
[0001 ] 一种由多个桶叠嵌而成的多级重力过滤净水方法，属于水处理领域。
技术背景:
[0002]介质过滤(以下简称“过滤”)是水处理中最典型、最普遍的水处理工艺。慢滤一般是指滤速很小(彡0.3米/小时)的过滤方式，国内外已经有很多的研究和应用，证明了慢滤特别是生物慢滤有比一般过滤更好的净水效果。但传统的生物慢滤也有以下明显的局限性和不足:
[0003](I)适应原水范围比较窄:进水浊度不能太高，一般不宜高于30NTU (短时50NTU)，难以适应农村雨季变浊等原水；
[0004](2)出水浊度的微生物指标不能保证达标，特别大肝菌群和长期使用的情况下的菌落总数；
[0005](3)水质波动较大，不达标时段比较长:每2飞个月需要刮取表层滤料清洗然后覆回，每次生物滤膜的形成需要15?20天时间，因此每2飞个月，水质就有15?20天不合格，相当于水质不达标率的时段达到1(Γ30% ；
[0006](4)过滤速度慢:家用净水器很难使其产水速度直接满足用水速度；
[0007](5)出水容易带出滤料:采用传统的承托层方式，不仅增加滤料的体积和重量，而且出水仍难免会带出滤料。
[0008]为解决第(5)个问题，我公司研制出了一种“上导下流”式集水装置(专利申请号201220302555.8)，它将过滤经过过滤后的水在过滤仓底部收集起来后，先导向上流一段距离，经过一个节流口后向下流排出，通过调速节流口的大小来调速过滤速度。专利200420118302也采用了将水流向上导出的出水装置。由于滤料的比重一般比水大，采用这种集水装置后，只要集水装置向上导的流速不太大，就可以采用单一均质滤料，取消了承托层，慢滤设备体积可以缩小，重量可以减轻，而且不会再出现出水带滤料，不需要配置保安过滤。
[0009]专利2237629.1,2294879.1提出了两种双筒并立、串联运行的生物慢滤净水器，它利用滤料比重大于I的特性，设计出不用承托层、避免出水带出滤料的慢滤净水器。但这种净水器的外部结构比较复杂。
[0010]专利200920085342.2和专利200420118302提出了一种带了蓄水仓的家用慢滤净水器，解决了过滤速度慢与用水速度快之间的矛盾。专利200420118302还在其慢滤净水器的出水管路上配置紫外线杀菌器，使出水的微生物指标达标；该专利还提出了一种嵌套式结构，使其结构与专利200920085342.2的结构更加小巧、紧凑。但它的原水仓顶部高程较大地高于清水蓄水仓高程，使外桶必须与原水桶之间密封联接，为了维护不得不在清水蓄水仓中部用法兰结构，并在顶部通过原水仓开通气孔，整体结构非常复杂，成本较高，不适用于家用净水器；取水口高于蓄水仓底部，使较多的蓄水仓不能实际发挥作用，也牺牲了过滤面积和产水量。
[0011]专利201210118720.4和201110050623.6提出一种多层上下叠加的慢滤结构，它的各个慢滤池并联供水、并联过滤运行，它大大缩小了慢滤池的占地面积，提高了产水量而不是提高出水水质，但结构也非常复杂，并没有增加原水的适应范围，检修也不太方便，适合大型慢滤净水设备。
[0012]为拓展生物慢滤对原水浊度的适应性，东南大学吕锡武教授等人在“粗滤慢滤组合型乡村净水工艺研究”一文中提出一种粗滤加生物慢滤的净水工艺。专利201120053252.2中也采用这种净水工艺。从有关实验数据来看，其所谓粗滤，实际上也是一种滤速与慢滤速度基本相当的过滤，其处理原水的浊度范围提高到100NTU以上，也以在一定程度上克服定期维护造成的水质波动问题。但他们采用的滤层厚度达I米以上，增加了净水器的体积、重量和投资。
[0013]专利201120132570.8提出了一种多级过滤器，它将一个整体的过滤截面划分成多个高低不同的、串联运行的过滤截面，可以提高水质处理处理效果，但没有提高空间上的利用效率，同时每层过滤的表面扰动很大，适用于处理水量非常小的设备；专利201020530636.4提出了一种立式双室过滤器，它将两个过滤器上下叠放串联运行，但它将两个过滤器之间焊接在一起，下部过滤器只能通过人孔进入进行检修，并且没有设置蓄水仓，适于大型净水器。
【发明内容】
:
[0014]本发明提出一种多重叠嵌式重力过滤净水方法，它包括外桶、N (N ^ 2)个开口截面基本相同但高度不同的过滤锥桶，各过滤锥桶按桶深依次倒置叠嵌在外桶上，各过滤锥桶内底部分别布置有颗粒滤料或/和其它过滤元件(也可以在一个过滤桶中布置几种过滤单元)，原水在重力作用下依次经过各级过滤，其主要特征是:各过滤锥桶的顶部高程与外桶的顶部高程基本相同；各过滤锥桶上部蓄水仓的顶部高程与外桶的顶部高程基本相同。
[0015]设正常过滤情况下第i级过滤桶的蓄水高程为故、过滤阻力为Pi，则经过前面i级过滤后的第i+Ι蓄水仓的水位Hi+1应为:
[0016]Hi+1=H0- Σ Pi
[0017]或者:Pi=Hw-Hi
[0018]即在以一定滤速连续过滤的情况下，每级蓄水仓内的水位高程会越来越低。根据过滤理论，过滤速度与过滤压差成正比例关系，每级过滤特性不同，其过滤速度与过滤压差的关系也不同；当过滤压差低于某个压力值时(开启压力PicO时，过滤停止。因此，在正常过滤的情况下，各级过滤会在过滤速度与压差之间建立平衡关系，各级过滤的蓄水仓起到压差和流速调节作用。
[0019]对小型净水器，出水一般是间歇式的；当出水停止时，清水桶(最后一级过滤桶与外桶之间的蓄水桶)的水位Hn+1会越来越高，由此，使第N级过滤的压力差越来越小，相应的滤速越来越慢，最终停止；由此逐级传导到第一级过滤，使各级过滤均停止下来。最终停止时，第一级原水仓与清水桶之间的水位差等于各级过滤的开启压力差之和，即:
[0020]Δ H= Σ Pi0
[0021]对颗粒过滤，P0=O ;如果每级过滤均采用颗粒过滤，则水流停止时，Λ H=0，即每级过滤的原水仓和清水仓的水位均相同，并且与进水水位(第一级原水仓水位)相同。本发明的过滤方法的各原水仓的顶部高程基本相同，因此，运行时只需要控制好进水水位，不用担心各级过滤差别以及取水等导致的出水外溢问题。
[0022]如果某级过滤的开启压力P°>0，则Λ Η=Ρ°>0。但重力过滤情况下，一般所能用的过滤元件都是低压的，相应的ρ°也很小。另一方面，进水水位控制会产生一定的压差，蓄水需要一定的安全裕量，实际设计时，允许各级过滤桶顶部高程有一定差别，但差别与桶深相比都比较小，因此可以认为各级过滤桶的顶部高程和各级蓄水仓的顶部高程都基本相同。
[0023]另一方面，过滤设计时，为了保障出水质量，一般后一级过滤的精度会比前一级高，相应的过滤阻力会更大，即:
[0024]Pi 彡 Ph
[0025]按本发明叠嵌的各级过滤桶的底部高程越来越低，相当于每级过滤的最大压差越来越大，这有利于在过滤精度梯次配置的情况下形成等速过滤。
[0026]多级浅池颗粒过滤的过滤效果与等厚度单级深池颗粒过滤效果相当，对有机物的祛除效果会更好:一般颗粒过滤时，除浊过滤负荷的80%由其表层20厘米的滤层承担，因此，N级浅池过滤的过滤效果S、可以用由计算:
[0027]Sl=80%
[0028]S2=S1+ (1-Sl) *80 % =96 %
[0029]S3=S2+(1-S2) *80 % =99.2 %
[0030]S4=S3+(1-S3)*80% =99.84%
[0031]类推。可见，对同样的原水，除浊效果与等厚以的单级深池颗粒过滤效果相当。但对有机物、重金属的祛除，慢滤的效果主要在表层的捕获和吸附，多层浅池慢滤的处理效果会好于一级深池慢滤。
[0032]总之，采用本发明的多级叠嵌式重力过滤方法，有以下明显的优点:
[0033](I)与一级深池慢滤相比，多级浅池慢滤可以适应更宽泛的原水，可以处理一般雨季高浊水。一般一级慢滤只适应30NTU的原水(短时50NTU)，其前一级浅池慢滤应可以将150NTU(=30/(l-80% ))转变成30NTU的水；更前一级浅池慢滤应可以将750NTU(=150/(1-80%))转变成150NTU的水，类推。因此，多级慢滤可以处理浑浊度高得多的原水，包括雨季高浊水。实验数据基本上证实上上述分析。
[0034](2)由于每级过滤的最大压差越来越大，因此，可以配置精度越来越高的过滤单元