专利名称：浊水微粒加速沉降分离装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种混浊原水中微粒沉降分离装置与方法，尤其涉及一种利用物理加速方式分离原水中微粒和清水的装置与方法，以显著降低原水的高浊度微粒，以利于后续传统自来水处理的净水流程。
背景技术：
自来水供应是一个现代化社会的重要指标，不但攸关民众健康、工业发展与商业繁荣的基本需求，进一步与民众日常饮食需求与身体卫生息息相关，提供质量稳定、安全无忧、供应无缺的自来水是政府执政中极为重要的民生建设。传统自来水处理是基于良好原水水质与稳定自来水净化设施，才得以提供十到百万吨符合饮用水标准的自来水。但是由于地震台风天灾、坡地过度开发、水土保持不良等环境威胁情形下，在暴雨情况下，从山区倾流而下的地表径流含有大量微小砂粒，导致自来水水源的原水浊度过高，影响后续自来水净水过程，进一步导致近年来各地缺水危机。
原水中的浊度主要来自于地表径流冲刷沿岸沙土与扬起水库淤积沉泥，由于其微粒的颗粒微细(小于20微米，10-6m)，不易沉淀，进一步增加自来水处理的困难度。传统自来水净水方式包括慢滤与快滤系统，现今由于土地取得困难与需水量激增，需要广大土地、出水量低的慢滤方式已逐渐降低，取而代之的是出水量大、水质稳定的快滤法。自来水快滤处理方式包括加药混凝、搅拌胶凝、重力沉淀、砂层快滤与加氯消毒等。自来水快滤法的最大克星为水中浊度、溶解性物质与臭异味等，其中超量微粒多半以添加化学混凝剂，使其产生絮凝物，在随后的沉淀池沉降，以免阻塞快滤的砂滤池，以提升自来水水质与制造符合饮用水标准的自来水。然而化学混凝剂会产出大量污泥，也会使絮凝物密度降低，无法顺利沉降。快滤池如果因经常阻塞，需要提高过滤池的反冲洗频率，才得以恢复其过滤功能，但增高反冲洗频率也会影响自来水水质。在暴雨后，往往原水浊度飙升到数万浊度单位(nephelometric turbidity units，NTU)，在传统自来水净化程序中，无法在短时间内以加药混凝、沉降处理此高浊度原水，且极易阻塞过滤池，导致自来水处理系统全面瘫痪，严重地影响传统自来水厂的正常净水功能，并导致长时间区域性停水。自来水是民生基本物质，缺乏自来水的供应往往导致民众卫生与民生经济急剧恶化，衍生的社会问题进一步难以平息。因此在暴雨径流造成原水混浊情形下，降低高浊度原水成为自来水紧急状况处理的重要课题。
造成水中浊度急剧增高的主要原因是水中过多的悬浮微粒，由于水流动过程中，悬浮微粒与水流持续混合与搅拌，导致悬浮微粒无法沉降。按照前述的慢滤系统，当浊水静置时，大型微粒因为其沉淀速度较高，所以率先沉淀；其次为中型微粒；最后小型微粒才能在长时间静置状况下，稳定沉淀。但是上述情形均必须在绝对静置状况下才可实现，但因为自来水的需求逐年提升，也无法在有限土地中寻求广大面积，设置静置处理设备处理高浊度原水，更何况静置处理方法对于高浊度原水的有效性，仍然颇受质疑。
常规技术中，也曾使用离心法于处理高浊度原水，然而离心法可能耗用大量电能，离心旋转导致水流混合状况，使得浊度去除处理效果仍然极为有限。因此，现阶段自来水厂最常使用以处理高浊度原水的常规技术还是以添加大量混凝剂，加速絮凝物的形成，增加沉淀池的底部抽水速度，以提升絮凝物沉降率，最后取出沉淀池上方较为清澈的处理水，再进行过滤处理的方式，但其缺点为絮凝物体积增大，致使絮凝物密度下降，导致沉降性不佳。此外化学胶凝剂产生大量化学污泥，也有可能造成后续环境污染问题。
一般而言，自来水可处理的原水浊度需低于500NTU，但由于缺水期间民生需求急切，自来水厂在紧急状况下，仍须处理高达5,000NTU的原水，以达到既定自来水出水量的要求。但是过高浊度原水的冲击，轻者除造成自来水水质降低外，严重时将阻塞过滤池，甚至导致自来水厂全面瘫痪，无法供应自来水。
因此一种能克服上述常规技术缺点，如耗用大量电能、絮凝物沉降性不佳、化学胶凝剂产生大量化学性污泥等，而可以减轻高浊度原水对于自来水净水厂的冲击的装置和/或方法是大家所企盼的。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种无须添加任何化学混凝剂的浊水微粒加速沉降分离装置与方法。本发明的其它目的还包括提供一种无处理浊度上限的限制、无须添加任何化学混凝剂、使用最少电力与经济成本、可连续处理入流浊水与出流净水，且无需特殊维护的浊水微粒加速沉降分离装置与方法。
本发明，在一实施例中，涉及一种在不扰动层流情况下的浊水微粒加速沉降分离装置。所述装置主要包括一外壳、一中空圆锥形水流加速器与一微粒浓缩器。外壳包括一中空圆柱形体，在其周壁不同的高度，设有复数个净水集水管，并在其底端设置有至少一排泥口；一密闭顶板，包含一开口于其中央，所述密闭顶板设置于接近所述中空圆柱形体的顶端内侧；和一底板，包含一开口于其中央，所述底板设置于所述中空圆柱形体的底端。中空圆锥形水流加速器，设置于所述外壳之中，所述中空圆锥形水流加速器包括一具有较大直径的入水口和一具有较小直径的出水口，和一位于所述入水口与出水口之间，直径逐渐缩小的渐缩段，所述入水口的外缘与所述外壳密闭顶板的所述开口接合。微粒浓缩器，设置于所述外壳底板的所述开口中，并位于所述中空圆锥形水流加速器的所述出水口的下方，所述微粒浓缩器包括一承接口，所述承接口的外缘与所述外壳的所述底板的所述开口接合。
本发明，在另一实施例中，涉及一种在不扰动层流情况下使用的浊水微粒加速沉降分离方法。所述方法包括下列步骤(a)提供一外壳，所述外壳包括一中空圆柱形体，在其周壁的不同的高度，设有复数个净水集水管，并在其底端设置有至少一排泥口；一密闭顶板，包含一开口于其中央，所述密闭顶板设置于接近所述中空圆柱形体的顶端内侧；和一底板，包含一开口于其中央，所述底板设置于所述中空圆柱形体的底端；(b)提供一中空圆锥形水流加速器，设置于所述外壳之中，所述中空圆锥形水流加速器包括一具有较大直径的入水口和一具有较小直径的出水口，和一位于所述入水口与出水口之间，直径逐渐缩小的渐缩段，所述入水口的外缘与所述外壳密闭顶板的所述开口接合；(c)提供一微粒浓缩器，设置于所述外壳底板的所述开口中，并位于所述中空圆锥形水流加速器的所述出水口的下方，所述微粒浓缩器包括一承接口，所述承接口的外缘与所述外壳的所述底板的所述开口接合；(d)定义所述中空圆锥形水流加速器的所述出水口到所述微粒浓缩器的所述承接口为一微粒与净水层流分离区；(e)导引浊水自所述中空圆锥形水流加速器的所述入水口进入；(f)自所述微粒浓缩器的承接口承接由所述中空圆锥形水流加速器的所述出水口加速流出的浓缩浊水，并收集经所述微粒与净水层流分离区分离的垂直向下沉降微粒；(g)自所述中空圆柱形体的所述复数个不同高度净水集水管收集经所述微粒与净水层流分离区，而朝水平方向与所述微粒分离的净水；和(h)自所述中空圆柱形体的所述至少一排泥口收集淤积于所述中空圆柱形体底端边缘的淤泥。
本发明是控制水流在不扰动水体的层流情形下(雷诺数小于1,000状况)，将水流与悬浮其中的微粒以圆锥型水流加速器由上而下提高速度，水中微粒因而产生垂直下降的惯性加速状态，同时将具有相对于微粒具有较高移动性的聚合水分子团，以水平方向缓慢移动，使微粒与清水进行物理性分离，达到水质浊度净化效果。本发明的装置和方法可做为自来水原水高浊度状况下之前处理设备，使后续传统自来水处理流程发挥其既有的功能。
本发明中主要理论基础包括(1)层流的雷诺数限制，控制水流中不扰动的线性水流状况；(2)微粒与水分子团的移动度与扩散系数，控制垂直沉降微粒与水平流出清水的分离状况；(3)粒子的重力终端沉降速度，控制不同粒径微粒垂直惯性沉降等。现分别叙述如下1.层流的雷诺数限制物体在流体中运动，可能产生的主要作用力有两种，其一为物体加速度或减速度造成的惯性力，另一作用力为流体介质粘滞性造成的摩擦力。惯性力与粘滞力的比值，即为雷诺数(Reynolds Number，Re)的基本定义。雷诺数的定义如下Re＝惯性力/粘滞力＝ρvd/μ(公式1)上式中，ρ为流体密度；v为流体流速；d为物体的粒径或流体流经管径；μ为流体在不同温度下的粘滞度。
当流体经过物体时，以粘滞力为主情况下，流体流动的状况称为层流(laminar flow)或线流(streamline flow)。层流流经物体的上、下游相当长距离内，都是呈现流线状况，因为流体由于粘滞力主导，几乎呈现不扰动状态。当物体在流体中移动的惯性力逐渐大于粘滞力时，流线状况逐渐消失，随之而起的是湍流(Turbulence)。湍流流经物体的下游处，几乎呈现快速紊乱的混合现象。层流转换为湍流过程中，雷诺数会逐渐增加，此范围称为过渡期(Intermediate)，因为在此范围内，流体的内涵物、温度、粘滞度均可能导致层流与湍流随时转变的现象。层流、过渡期与湍流的雷诺数范围如表一所示(参考资料Fluid Mechanics，Ch.6，Ed.Frank M.White，McGraw-Hill Inc.1979)。
表一
本发明为了避免微粒在流动过程中，受到湍流的干扰，因此本发明设计的微粒与清水分离技术，需在流体流线不受干扰状况下进行。在任何微粒与清水分离过程与位置，均需保持层流状况，才可发挥最大处理效果。因此本发明的装置和方法设计水流流场内雷诺数需在1,000以下，一方面避免湍流的产生，另一方面防止已沉降的微粒再度扬起。
2.微粒的移动度与扩散系数微粒与清水分离主要原理为两者显著不同的移动度(mobility，M)。在层流范围内，移动度的定义为M=Cc3×π×μ×d]]>(公式2)上式中，M为粒子移动度；Cc为康宁汉修正系数，用来修正微小粒子穿梭于流体分子间的系数；μ为水的粘滞度，d为粒子粒径。由上式得知，微粒越大，其移动度越小，也代表越大的微粒在层流情形下不易移动。因此在线性层流范围中，微粒如在层流流线中运动，不容易移出既有流线。
扩散系数是描述粒子在流体中移动的重要参数，扩散系数是物质的浓度差异，产生高浓度往低浓度扩散的情形。粒子越小，越容易在流体介质中移动，意味着小粒子的高扩散系数，表示粒子可在流体中自由移动。粒子在流体介质的移动过程中，流体介质的摩擦力、粘滞力和阻力，均可变动其粒子运动的方向与速度。此外，在一般环境流体中，流动速度极快，多数属于混合性极高的湍流(Turbulent flow)现象，进一步增加水中粒子悬浮流动的机率，使得高浊度原水中悬浮微粒无法自行沉降。粒子的扩散系数可用下式表示D＝MkT(公式3)上式中，D为粒子扩散系数，k为波兹曼常数(Boltzmann constant)，T为绝对温度。移动度越高，显示单位力量产生的速度较大，即粒子的扩散速度也较快(参考资料Aerosol Science and Technology，Ch.9，2nded.Parker C.Reist，McGraw-Hill Inc.1993)。
对于水分子而言，虽然单一水分子大小尺寸仅约2埃(10-10m)，但是环境中水分子无法以单一水分子运动，多数以聚合分子团移动，实际的聚合水分子团的尺寸与流体的流速、水温、粘滞度、水溶性物质、离子强度有关。在室温下，每个聚合水分子团约包含100个水分子。假设聚合水分子团为球形，其直径约为5倍的单一水分子真实尺寸，即0.001μm，在25℃下聚合水分子团的扩散系数为4.56×10-5cm2/sec(参考资料Diffuision，Mass transfer in fluid systems，Ch.5，Ed.E.L.Cussler，CCambridge University Press，1984)，远较1μm固体粒子的扩散系数(4.56×10-9cm2/sec)高出10,000倍。所以可利用聚合水分子团与微粒的扩散性的显著差别，在层流流况下，通过垂直方向的微粒重力沉降与水平方向聚合水分子团移出方式，进行微粒与清水的分离处理。
3.粒子的重力终端沉降速度根据原水浊度的微粒粒径分布调查结果，原水中微粒粒径可高达200μm(微米，10-6m)，但也有小到0.1μm。在层流情形下，粒子受到重力影响，会与流体阻力达到平衡状态，造成粒子重力引致的终端沉降速度(Terminal Settling Velocity，VT)。大型粒子的VT较高，短时间即可自行沉降，但是微小粒子VT缓慢，如不通过特殊设计的物理或化学方法，不易在短时间排除。
由表二中，可得知不同粒径粒子，在摄氏20度的终端沉降速度和沉降一米所需时间。10μm与100μm的VT差别高达100倍，10μm粒子沉降一米需要3.4小时，而100μm仅需2.1分钟，由此可知，如仅用重力沉降方式去除水中浊度微粒，粒径越小的粒子需要更多静置时间，才可实现去除水中微粒的目的。
因此，本发明首先控制水流在不扰动的层流(Laminar flow)状况，使流体产生流线线性现象，水中微粒粒子随着流线运动，不易交互干扰与碰撞。通过水流加速设计与粒子重力沉降的终端沉降速度，水中微粒随着线性水流向下沉降，犹如在垂直下降电梯中在水平方向缓慢释出乘客。配合聚合水分子团的高度扩散性，使清水往水平方向缓慢移动，绕经垂直下降的不同粒径粒子，而不干扰其原有惯性沉降运动。如此，在不添加任何化学药剂情形下，可用物理方式分离原水中微粒与占有绝大多数的清水，达到去除微粒的目的。
表二
请参看图1，其为微粒垂直重力沉降与水分子水平移动示意图。微粒与清水分离情形可由微粒与清水的相对运动情形加以描述。聚合水分子团水平侧向(D2)移出时，可能经过垂直沉降不同粒径的微粒(P)附近，但因为微粒表面停滞层(T)的保护，水分子团不易直接碰撞微粒(P)，反而绕其周围而行。由于不同粒径的移动度与终端沉降速度不同，在垂直方向(D1)加速沉降的微粒(P)不易受侧向水流影响，而沿着原有垂直方向沉降。聚合水分子团在水平侧向(D2)移动时，如流经垂直向下沉降的微粒(P)，水的流线会依循微粒(P)表面的停滞层(T)边缘通过，而不干扰到垂直沉降的微粒(P)。
经由上述关于本发明利用(1)层流的雷诺数限制，控制水流中不扰动的线性水流状况；(2)微粒与水分子团的移动度与扩散系数，控制垂直沉降微粒与水平流出清水的分离状况；(3)粒子的重力终端沉降速度，控制不同粒径微粒垂直惯性沉降等的理论说明后，所属领域的技术人员，可很清楚的得知本发明确实可达到本发明如前述的许多目的与功效。
图1为微粒垂直重力沉降与水分子水平移动示意图。
图2为本发明一优选实施例的剖面示意图。
图3为本发明上述优选实施例的局部放大示意图。
具体实施例方式
请参看图2与图3，是本发明的一实施例，其为一种浊水微粒加速沉降分离装置和一种在不扰动层流情况下使用的浊水微粒加速沉降分离方法。其中装置包括一外壳(20)、一中空圆锥形水流加速器(10)、一微粒浓缩器(30)和一筛，例如200号筛(50)。外壳(20)包括一中空圆柱形体(25)，在周壁的不同的高度，设有复数个净水集水管，例如高、中、低三组净水集水管(24a，24b，24c)并于其底端设置有至少一排泥口(26)，中空圆柱形体(25)的内部直径为15厘米，高度为105厘米，需为可承受1.5米水深压力的容器，其材质为厚1厘米的坚固、内部平滑的压克力、不锈钢、或PVC材料，并适合进行长时间高浊度原水的连续处理。各净水集水管(24a，24b，24c)并设置有水量调节器。
外壳(20)另外具有一密闭顶板(22)，包含一开口(22a)于其中，密闭顶板(22)设置于接近中空圆柱形体(25)的顶端内侧；和一底板(28)，包含一开口(28a)于其中，底板(28)设置于中空圆柱形体(25)的底端。
中空圆锥形水流加速器(10)设置于外壳(20)之中，其优选为一个高度为70厘米、塑料材质的圆锥管，包括一上部具较大直径的入水口(12)和一下部具较小直径的出水口(14)，其中入水口(12)的直径为10厘米，出水口(14)的直径为5厘米，两者中间包括一直径逐渐缩小的渐缩段(16)，出水口(14)边缘外切角小于20度，以减少加速水流流出时的扰流现象，入水口(12)的外缘与外壳密闭顶板(22)的开口(22a)缘接合。另外，入水口(12)以螺旋密合方式与隔水橡胶作为污浊原水与加速沉降器的分隔装置，分开污浊入流原水与处理后的出流净水。圆锥形水流加速器(10)的主要作用为增加水流流速，通过流速增加，提升浊水微粒的垂直向下的惯性沉降速度。
微粒浓缩器(30)设置于外壳底板(28)的开口(28a)中，并位于中空圆锥形水流加速器(10)的出水口(14)的下方，微粒浓缩器(30)包括一承接口(32)和一流量控制阀(60)，用以控制微粒浓缩器(30)排出的污水排出量。微粒浓缩器(30)的承接口(32)，其外缘与外壳底板(28)的开口(28a)缘接合，并具有大于中空圆锥形水流加速器(10)的出水口(14)直径的直径，且承接口(32)边缘外切角小于20度。微粒浓缩器(30)的承接口(32)承接垂直降下的浊水微粒和少量载流水，并浓缩为高浊度污水，由于未使用任何化学物质，浓缩后的污浊水可在简易处理后排出自来水净水厂。
中空圆锥形水流加速器(10)的出水口(14)到微粒浓缩器(30)的承接口(32)间界定一微粒与净水层流分离区(40)，其长度大约为20厘米(分离区长度勿超过30厘米)。200号筛(50)设置于中空圆锥形水流加速器(10)的入水口(12)上，用于流速调节与稳定流况，并可避免上方入流水扰动现象，影响到加速器(10)内的层流流况。
如图2和图3所示，利用上述装置达到在不扰动层流情况下使用的浊水微粒加速沉降分离方法在于首先导引入流浊水(W)自中空圆锥形水流加速器(10)的入水口(12)进入上述装置，并利用圆锥型水流加速器(10)截面积由大到小的改变，使入流浊水(W)加速通过下方的微粒与清水分离区(40)(本发明促使微粒(P)在层流中加速的目的，在于尽速通过特定长度的微粒与清水分离区(40)，减少微粒(P)逃逸出分离区(40)的机会)，而水中微粒(P)也随之加速，产生垂直向下的惯性，致使清水(CW)以其高移动特性，朝向水平方向飘移出分离区(40)，微粒(P)则因垂直惯性沉降到正下方的微粒浓缩器(30)。本方法同时在中空圆柱形体(25)底部设置一排泥口(26)，收集淤积于中空圆柱形体(25)底端边缘的淤泥。
随后，自微粒浓缩器(30)的承接口(32)承接由中空圆锥形水流加速器(10)的出水口(14)加速流出，并经微粒与净水层流分离区(40)分离的微粒(P)。另一方面则自中空圆柱形体(25)不同高度的等复数个净水集水管(24a，24b，24c)收集水平方向缓慢移出分离区(40)而与微粒(P)分离的净水(CW)。
其中，圆锥型水流加速器(10)中，入水口(12)到渐缩段(16)间，形成一稳流区(17)，其作用为使水流均匀，形成稳定层流流线，尽量减少内部水流的扰动，使悬浮微粒(P)稳定向下线性沉降。圆锥型水流加速器(10)的渐缩段(16)中形成一收缩加速区(18)，其目的在于使水流加速，水中微粒(P)也随之加速，产生垂直向下的惯性沉降特性。圆锥型水流加速器(10)的渐缩段(16)到出水口(14)间，形成一加速稳流区(19)。水流加速器(10)内流线自内径10厘米的稳流区(17)收缩到内径5厘米的加速稳流区(19)，流体加速过程也需避免流体扰动，仍须保持层流流况。加速稳流区(19)的作用为使微粒(P)在雷诺数低于1,000的层流流况中，顺着稳定快速、但不扰动流线情形下，向下加速沉降。
此外，分离区(40)为本发明分离微粒(P)与清水(CW)的重点，在快速无扰流状态下，微粒(P)依其原有垂直向下方向加速沉降，沉降进入微粒浓缩器(30)，浓缩后加以排出；而聚合水分子团依其高扩散度，往水平方向移动，脱离此区(40)后，清水向上移动以三种不同高度排出。本区长度需依据微粒(P)的密度、粒径分布与水流特性加以设计。
如前述，在清水(CW)水平方向向外缓慢移动过程中，不得扰动分离区(40)的水流流况，以免造成湍流，致使清水(CW)飘移出分离区(40)，微粒(P)则因垂直惯性沉降到正下方的微粒浓缩器(30)。藉此，垂直沉降的微粒(P)与水平移出的清水(CW)同步进行物理性分离，达到降低微粒(P)的净水目的。
由于通过微粒与净水层流分离区(40)的入流浊水(W)，需保持在层流状态，因此本方法需控制流经微粒与净水层流分离区(40)的污水的雷诺数低于1000。控制雷诺数低于1000的方法在于经由(公式1)的计算决定达到雷诺数设计(例如Re＝500)值所需的流速范围，通过控制设置于微粒浓缩器(30)中的流量控制阀(60)所允许通过的流量和净水收集管(24a，24b，24c)与底部排泥管的水量调节器所允许通过的流量，以控制控制流经微粒与净水层流分离区(40)的流速，进而控制雷诺数。
上述过程中，由于可能有较小的微粒(P)随着清水流出，清水向上流动过程中，高位净水收集管(24a)位置较高，收集浊度较为干净的水质，而中、低净水收集管(24b，24c)的水质因高程较低，水质也较差。视原水浊度需求，可选择不同高度的流出清水，做后续净水处理。各净水收集管(24a，24b，24c)水流量是以水量调节器加以控制，水流量需依实际微粒分离状况加以调整，清水向上移动的过程中形成清水向上移动区(21)在分离区(40)往外水平移动的清水，受上方不同高度的清水收集管(24a，24b，24c)影响，清水(CW)向上沿圆锥型加速管(10)外侧流动。虽然圆锥型加速管(10)外侧面积逐渐缩小，但由于清水逐步由低、中净水收集管(24b，24c)移出，清水向上流速可保持近似等速状况。清水向上流速分布状况，由位于分离器四侧的高、中、低净水收集管(24a，24b，24c)的水量调节器加以控制。
为达到优选效果，本方法可进一步包括调整流量控制阀(60)，以控制微粒浓缩器(30)排出包括微粒(P)的污水排出量，使得污水排出量约占整体入流水量的25％左右，和经由控制微粒浓缩器(30)中的流量控制阀(60)和净水收集管(24a，24b，24c)与底部排泥管的水量调节器所允许通过的流量，以控制流经微粒与净水层流分离区(40)的污水(W)的停留时间在60秒以下、控制中空圆锥形水流加速器(10)的出水口(14)处的水流速度约为1厘米/秒和控制三组净水集水管(24a，24b，24c)收集的净水占导引的入流浊水(W)的70％左右，底部排泥管的排水量约为5％左右。
由前述可知，本发明方法的主要设计基础包括(1)目标原水中浊度、微粒粒径分布与密度的调查；(2)圆锥水流加速器几何形状与层流流况限制；(3)分离区特性、长度与微粒、清水分离状况；(4)不同高度清水收集管的出流量分配比率；(5)微粒浓缩器的设计与出流率。分别叙述如下1.目标原水水中浊度、微粒粒径分布与密度的调查浊水中的微粒粒径为雨水冲刷沉积淤泥或土层后的结果，因地点、时间、降雨量与强度而有显著不同，即使在相同原水取水口，也可能在不同时段、季节、降雨情形，产生截然不同的微粒粒径、密度分布状况。通过微粒粒径(dp)百分比分布、微粒密度(ρp)、水的粘滞度(μ)调查，可计算粒径的终端沉降速度(VT)，进而设计去除微粒的粒径所需参数与可能的去除浊度效率。
2.圆锥水流加速器的几何形状与层流流况限制利用几何渐缩形状，设计上大下小的对称型圆锥型水流加速器，提高水流流速，但必须保持水流流况在层流范围(Laminarflow，雷诺数需低于1,000)。圆锥型水流加速器中，水中微粒依循层流中的流线，进行直线运动，再通过重力产生的惯性终端沉降速度，使微粒保持在垂直方向持续沉降。犹如运动选手在100米冲刺后，无法立即停止，而持续原有运动方向惯性前进。因此，设计水中微粒经由几何渐缩水流加速器提高流速，并保持层流流况，加速通过微粒清水分离区，进行聚合水分子团与微粒的分离作用。
3.分离区特性、长度与微粒、清水分离状况微粒粒径越大，由于其质量惯性的缘故，较不易在受力方向产生位移，所以其移动度越低。通过微粒的低移动度与聚合水分子团的高扩散性，当微粒在离开圆锥型水流加速器后，微粒在垂直方向加速沉降过程中，导引聚合水分子团进行水平侧向缓慢流出。分离区长度越长，可移出的清水量越高，但微粒侧向流出情形也越高；分离区长度越短，导致清水侧向流速越大，造成湍流机率也随之提升，反而降低微粒去除效率。适当的分离长度有助于在既定微粒去除效率下，获得最大的清水流出量。浓缩的浊水则沉降到下方中央微粒浓缩器，加以收集后排出。
4.微粒浓缩器的设计与出流率微粒浓缩器位于中央分离区正下方，负责收集惯性垂直向下沉降的微粒。微粒浓缩器的出流量须保持在整体入流流量的25％左右，即在分离区约可导引出75％的清水，出水水质仍须视原水微粒的粒径分布情形而定。微粒浓缩器的出流水微粒浓度因为浓缩作用而大幅提高，但因本发明并未使用任何化学药剂，因此在适当处理此污水状况下，应可排出到附近水体，以避免潜在的二次环境污染情形。
5.不同高度清水收集管的出流量分配比率分离区的清水导引装置设于分离区外四周的不同高层的清水收集管，引导分离区流出的清水，向上流动，清水向上的流速可由主要粒径粒子的终端沉降速度加以设计。清水收集管收集高度越高者，水质越为澄清。清水收集管的高度与相对水流流量分配状况，需依据水中微粒粒径分布状况加以控制。
本发明的特点为利用原水中微粒的重力沉降惯性与聚合水分子团的高度扩散性，分离水中微粒与清水，达到去除浊度的目的。由于微粒密度是产生重力沉降的关键，因此本方法不应使用任何化学混凝剂。如使用化学混凝剂，虽然增大絮凝物体积，但是密度却明显降低，进一步不利本发明中微粒沉降与清水分离的设计原理。本发明的应用重点为(1)可处理无浊度上限的自来水原水；(2)无须添加任何化学混凝剂；(3)使用最少电力和维护；(4)无间断式的连续净水处理等。
依据浊水加速沉降分离法的设计原理，高浊度的原水自圆锥型水流加速器上方以重力方式自然流入，原水经过稳定流速的200号筛后，进入直径10厘米的圆锥型加速器，利用上大下小逐渐收缩的圆型出水管增加水流流速，原水中微粒也随之加速。加速器出口处为5厘米的圆形管，流况也需为雷诺数低于1,000的层流流况。
在层流状态下，微粒以加速后的线性速度，尽速通过特性长度的微粒与清水分离区。在分离区微粒直线加速沉降期间，引导具有较高扩散性的聚合水分子团，顺着水平方向移出此分离区，清水向上流到侧方不同高度的净水收集管，加以收集洁净程度不等的处理清水，达到降低浊度、水质净化的目的。
净水收集管所得的处理净水，仍须由传统自来水快滤方式加以处理。对于垂直沉降的浓缩浊度污水，则由微粒浓缩器排出。由于本发明未使用任何化学物质，此高浊度污水在适当方式处理后，可直接排放附近水体，并避免环境遭受化学药剂的二次污染。
本发明的所需基本资料包括入流高浊度原水的浊度(NTU)、悬浮微粒重量浓度(Suspended Solid，SS)、微粒粒径分布状况、密度、操作水温等资料。依据浊水加速沉降分离法设计的要点，需考虑层流限制(Laminar Flow Limitation)、微粒垂直沉降(ParticleVertical Deposition)与清水水平分离(Water Horizontal Separation)三项原则。水流流况的情形为必须严格符合层流范围，不可扰动水流，让微粒保持线性流动；需促使微粒在垂直方向因水流加速与重力惯性向下产生的沉降；使高度扩散的聚合水分子团在水平方向稳定移出，由不同高度的清水收集管加以收集。依据原水微粒基本资料与上述三项原则，设计圆锥型水流加速装置的几何形状与尺寸、微粒分离区长度、微粒浓缩器尺寸、清水收集管取水高度与流量控制等要求。
本发明的重点包括圆锥型水流加速器的几何设计、微粒与清水分离区特定长度、微粒浓缩器与不同高度的净水收集系统等。主要发明特性叙述如下1.圆锥水流加速器的几何设计为圆锥形状，使得水流加速比最高可达25倍，加速倍数越高，分离效果越佳，但相对净水出水量也降低，初步设计以加速四倍最为理想，但加速后水流流况仍须保持在层流范围，建议设计的雷诺数为500。
2.分离器中水流流况是由入流水的高程、净水管各高程出水控制阀与微粒浓缩器出水阀加以控制，并需达到分离器内层流流况的要求，并不得扰动分离器内的水流。
3.微粒与清水分离机制是依据聚合水分子团在水平方向扩散度高于微粒在垂直方向的惯性沉降速度。此设计需确实掌握微粒的密度与微粒粒径分布，用以设计微粒与清水分离区的特定长度与各出水阀的出水流率，才可达到最佳微粒与清水的分离效果。
4.微粒浓缩器微粒浓缩器是以一个上方承接口较大的渐缩管，承接垂直降下的微粒和少量载流水，浓缩为高浊度污水。微粒浓缩器上方承接口的内径需大于加速器加速端出口内径，浓缩浊度后的污水流量是以后方水量调节器加以控制，水量约为整体入流水量的四分之一。
5.净水收集管分为高、中、低三道净水管与最底端的排泥管，此四部分共收集入流水水量的四分之三；而微粒浓缩器则需维持四分之一的总水流量。由于本发明未使用任何化学物质进行混凝化学作用，因此浓缩后的高浊度污水在适当处理后，可直接排入附近水体。
分离高浊度原水中微粒调查设计过程，需分为下列阶段1.高浊度原水特性调查需分析原水中微粒浊度与SS重量浓度关连性、微粒粒径分布、微粒密度、水温等基本资料，评估微粒在不同粒径的沉降性，作为设计分离设计的参考。
2.圆锥型加速器的几何形状决定入流流量与流速，评估层流设计雷诺数与流速。
3.分离器设计分离器的设计重点在于分离区长度、上方水流加速器出口与下方微粒浓缩器接收口的相对位置。
4.入流流量与出流流量的控制经由入流流量的计算，决定不同高层清水收集管的流出率与微粒浓缩器的流出率。
5.操作试验以单元操作试验，评估初步设计的浊度分离效果，以评估各项操作参数下的有效去除微粒粒径与相关去除效率。
6.放大规模测试由于单一设计所得的清水处理量有限，必须进行放大试验，以提升高浊度原水处理量，供应目标自来水厂的既定处理水量。由于本发明每座分离器的高度仅约一米，放大规模过程中可设计多组并联处理，配合多层结构体，放大规模于现有自来水水厂范围，以减少用地面积需求的限制。
初步的处理结果显示，本发明可处理水中浊度高达上万NTU的混浊原水，粒子粒径越大，去除效率越佳，可显著地处理微粒粒径低到1μm的微粒。如经由串连与组合本发明装置，可以符合自来水净水流程的入流水浊度要求。本发明的特点是无须使用任何化学物质，仅以单纯物理微粒加速沉降与清水扩散性原理，分离高浊度原水。未来可放大使用多组设备于不同高层，以节省土地使用和处理大量需水状况，并可直接设计于现有自来水厂进水端，做为暴雨、高浊度情形时的自来水紧急预处理系统。
综上所述，容易了解本发明的浊水微粒加速沉降分离装置和方法，解决常规技术的缺点如耗用大量电能、沉降性不佳、化学胶凝剂产生大量化学污泥等缺点，确实远优于现有技术而深具产业利用价值和进步性，且在同类产品或方法中均未见有类似的产品或方法，所以已符合发明专利的申请重要条件，于是依法提出申请。
权利要求
1.一种浊水微粒加速沉降分离装置，包括一外壳，包括一中空圆柱形体，在其周壁不同的高度，设有复数个净水集水管，并于其底端设置有至少一排泥口；一密闭顶板，包含一开口于其中，所述密闭顶板设置于接近所述中空圆柱形体的顶端内侧；和一底板，包含一开口于其中，所述底板设置于所述中空圆柱形体的底端；一中空圆锥形水流加速器，设置于所述外壳之中，所述中空圆锥形水流加速器包括一具有较大直径的入水口和一具有较小直径的出水口，和一位于所述入水口与出水口之间，直径逐渐缩小的渐缩段，所述入水口的外缘与所述外壳密闭顶板的所述开口接合；和一微粒浓缩器，设置于所述外壳底板的所述开口中，并位于所述中空圆锥形水流加速器的所述出水口的下方，所述微粒浓缩器包括一承接口，所述承接口的外缘与所述外壳的所述底板的所述开口接合。
2.如权利要求1所述的浊水微粒加速沉降分离装置，进一步包括一筛，设置于所述中空圆锥形水流加速器的所述入水口上。
3.如权利要求1或2所述的浊水微粒加速沉降分离装置，其中所述微粒浓缩器包括一流量控制阀，用以控制所述微粒浓缩器排出的污水排出量。
4.如权利要求1或2所述的浊水微粒加速沉降分离装置，其中所述中空圆柱形体的内部直径约为15厘米，高度约为105厘米，且可承受1.5米水深压力。
5.如权利要求4所述的浊水微粒加速沉降分离装置，其中所述中空圆锥形水流加速器的所述入水口直径约为10厘米，所述中空圆锥形水流加速器的所述出水口直径约为5厘米，所述出水口边缘外切角小于20度。
6.如权利要求5所述的浊水微粒加速沉降分离装置，其中所述中空圆锥形水流加速器的所述出水口到所述微粒浓缩器的所述承接口的长度大约为20厘米。
7.如权利要求1或2所述的浊水微粒加速沉降分离装置，其中所述微粒浓缩器的承接口具有大于所述中空圆锥形水流加速器的所述出水口直径的直径，且所述承接口边缘外切角小于20度。
8.如权利要求1或2所述的浊水微粒加速沉降分离装置，其中所述外壳的所述中空圆柱形体设置有高位、中位、低位三组净水集水管，每一所述三组净水集水管设有一水量调节器。
9.一种在不扰动层流情况下使用的浊水微粒加速沉降分离方法，包括下列步骤(a)提供一外壳，所述外壳包括一中空圆柱形体，在其周壁不同的高度，设有复数个净水集水管，并于其底端设置有至少一排泥口；一密闭顶板，包含一开口于其中，所述密闭顶板设置于接近所述中空圆柱形体的顶端内侧；和一底板，包含一开口于其中，所述底板设置于所述中空圆柱形体的底端；(b)提供一中空圆锥形水流加速器，设置于所述外壳之中，所述中空圆锥形水流加速器包括一具有较大直径的入水口和一具有较小直径的出水口，和一位于所述入水口与出水口之间，直径逐渐缩小的渐缩段，所述入水口的外缘与所述外壳密闭顶板的所述开口接合；(c)提供一微粒浓缩器，设置于所述外壳底板的所述开口中，并位于所述中空圆锥形水流加速器的所述出水口的下方，所述微粒浓缩器包括一承接口，所述承接口的外缘与所述外壳的所述底板的所述开口接合；(d)定义所述中空圆锥形水流加速器的所述出水口到所述微粒浓缩器的所述承接口为一微粒与净水层流分离区；(e)导引浊水自所述中空圆锥形水流加速器的所述入水口进入；(f)自所述微粒浓缩器的承接口承接由所述中空圆锥形水流加速器的所述出水口加速流出的浓缩浊水，并收集经所述微粒与净水层流分离区分离的垂直向下沉降的微粒；(g)自所述中空圆柱形体的所述复数个不同高度净水集水管收集经所述微粒与净水层流分离区，而朝水平方向与所述微粒分离的净水；和(h)自所述中空圆柱形体的所述至少一排泥口收集淤积于所述中空圆柱形体底端边缘的淤泥。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括提供一筛，设置于所述中空圆锥形水流加速器的所述入水口之上，以调节所述被导引浊水的流速，避免扰动现象。
11.如权利要求9或10所述的方法，进一步包括设置一流量控制阀，于所述微粒浓缩器中，以控制所述微粒浓缩器排出包括所述微粒的污水排出量。
12.如权利要求9或10所述的方法，进一步包括设置一水量调节器于每一所述净水集水管中。
13.如权利要求9或10所述的方法，其中所述中空圆柱形体的内部直径约为15厘米，高度约为105厘米，且可承受1.5米水深压力。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述中空圆锥形水流加速器的所述入水口直径约为10厘米，所述中空圆锥形水流加速器的所述出水口直径约为5厘米，所述出水口边缘外切角小于20度。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括控制所述微粒与净水层流分离区的长度大约为20厘米。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述微粒浓缩器的承接口具有大于所述中空圆锥形水流加速器的所述出水口直径的直径，且所述承接口边缘外切角小于20度。
17.如权利要求11所述的方法，进一步包括调整所述微粒浓缩器的流量控制阀和所述净水集水管的水量调节器，以控制流经所述微粒与净水层流分离区的污水的雷诺数低于1000。
18.如权利要求11所述的方法，进一步包括调整所述微粒浓缩器的流量控制阀和所述净水集水管的水量调节器，以控制流经所述微粒与净水层流分离区的污水的时间在60秒以下。
19.如权利要求11所述的方法，进一步包括调整所述微粒浓缩器的流量控制阀和所述净水集水管的水量调节器，以控制所述中空圆锥形水流加速器的所述出水口处的水流速度约为1厘米/秒。
20.如权利要求11所述的方法，进一步包括调整所述微粒浓缩器的流量控制阀和所述净水集水管的水量调节器，以控制所述复数个净水集水管收集的净水占所述被导引的浊水的75％左右。
全文摘要
本发明为一种应用在高浊度原水之前处理的浊水微粒加速沉降分离装置与方法，其依据层流流况限制、微粒加速垂直沉降与清水水平移出原理，在层流(雷诺数须低于1,000)状况下，使水中微粒产生垂直向下、惯性加速现象，同时将清水以水平方向慢速移出，便可将微粒与清水作物理性分离，最后以不同高度净水管收集清水，浓缩后的高浊度污水在适当处理后，排放到附近水体，因此本发明可显著降低水中浊度，提高后续自来水的净水速率。
文档编号B01D21/00GK101085689SQ200610087449
公开日2007年12月12日 申请日期2006年6月8日 优先权日2006年6月8日
发明者刘希平 申请人:刘希平