本发明涉及污水处理设备，特别涉及一种用于水处理的变速多流态澄清器。
背景技术：
2015年4月16日，国务院正式印发《水污染防治行动计划》，明确提出“到2020年，地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10％以内，到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除”的控制性目标。黑臭水体中含有大量的悬浮颗粒物和总磷，使河流水体浑浊，富营养化，发黑发臭，滋生蚊蝇，呈现令人感官不适的状态，严重的会引发环境卫生问题。目前全国295座地级及以上城市中，仅有77座城市未发现黑臭水体，其余218座城市中，共排查出黑臭水体1861个，黑臭水体已经成为制约我国社会经济发展，影响我国城市形象和生态安全的重大环境问题。对于近期污水不具备接入市政污水管网条件的，提出就地处理要求。传统污水二级处理工艺停留时间长，工艺路线复杂，构筑物众多，投资巨大，难以满足黑臭水体治理要求。
黑臭水体中的悬浮颗粒物、总磷可以通过混凝沉淀工艺去除，使浊度显著降低，包含了混凝反应，载体强化絮凝，悬浮泥床精细捕集，重力沉降，污泥浓缩等过程：(1)混凝反应过程，药液和污水再次混合，在压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、沉淀和网捕等混凝反应机理作用下，迅速形成矾花，并不断增长形成较大絮团，在重力和离心力作用下沉淀至污泥浓缩区；(2)载体强化絮凝过程，通过使用不断循环的介质颗粒和各种化学药剂强化絮体吸附从而改善水中悬浮物沉降性能的物化处理过程；(3)悬浮泥床精细过滤，絮体在达到受力平衡状态下形成质密的床层对微小颗粒物进行吸附、捕集、过滤，形成清晰的泥水界面(4)重力沉降过程，污水中的颗粒及胶体颗粒在药剂的作用下逐渐形成絮团，在动态下絮团逐渐增大，当增大到一定程度时，在下旋力和重力的作用下迅速下沉，下沉的速度远远大于静态的下沉速度；(5)污泥浓缩过程，污泥颗粒进入污泥浓缩区，在离心力及水静压的作用下使污泥快速压缩沉淀，含水率一般均小于96％。
现有的一体式澄清器表面负荷较低，技术缺点主要有以下三个方面：
原水与药剂混合效果不好。因为进水后的导流区通常只有配水功能且为层流，停留时间短，搅拌强度低，无法实现原水与药剂的快速混合搅拌；
絮体捕集床分布不均。床层区流态为紊流甚至形成旋流，床层不稳定，横向分布不均匀，影响对小颗粒捕集效率；
药剂消耗量大，缺乏混凝晶核，絮体增长速度慢，难以形成大量具有良好沉降性能的絮体。
技术实现要素：
为了解决或者缓解现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种变速多流态澄清器。
在根据本发明的变速多流态澄清器中，该变速多流态澄清器的内腔自下而上设置有絮凝反应区、絮凝沉淀分离区、层状沉淀分离区和压缩沉淀分离区；其中所述絮凝反应区处于反应套筒内，所述反应套筒布置在所述澄清器的水平方向上的中心位置，所述反应套筒包括外反应筒和内反应筒，所述内反应筒为竖直布置的上下两端开放的筒体，所述外反应筒为下端开口、上端封闭的套在所述内反应筒的筒体，其中所述内反应筒的上端高于所述外反应筒的下端；所述外反应筒的上端高于内反应筒的上端；用于供应待处理的原水和药剂的输送管的出口位于所述内反应筒内；所述絮凝沉淀分离区位于所述外反应筒的外壁与所述澄清器侧壁之间的区域，所述絮凝沉淀分离区的水平截面面积大于所述反应套筒的出水口的水平截面面积；在所述絮凝沉淀分离区的上方为用于吸附和捕集絮体的层状沉淀分离区，所述层状沉淀分离区设置有整流栅板；所述压缩沉淀分离区布置在所述层状沉淀分离区的上方。
优选地，在根据本公开内容的澄清器中，在絮凝反应区、絮凝沉淀分离区、层状沉淀分离区和压缩沉淀分离区设置成使得在澄清器内的流体流态为：在所述絮凝反应区内的流体流态为剧烈紊流，在所述絮凝沉淀分离区内的流体流速由高变低，在所述层状沉淀分离区内的流体流速进一步降低呈现稳定的低速层流态，在所述压缩沉淀分离区内的流体流速降至最低。
优选地，在根据本公开内容的澄清器中，在所述絮凝沉淀分离区内设置有用于将流体从紊流调整成层流的第一整流栅板，该澄清器还包括位于层状沉淀分离区的第二整流栅板。
优选地，在根据本公开内容的澄清器中，所述反应套筒设置为使原水中的颗粒和药剂形成具有预定环流强度的点涡流动，并为回流提供水力条件的装置。
优选地，在根据本公开内容的澄清器中，在所述内反应筒下端的下方可以设置有自回流与污泥浓缩区，该自回流与污泥浓缩区内的液体流向布置成使得与药剂混合后的原水中的一部分回流至所述絮凝反应区。进一步优选地，在所述自回流与污泥浓缩区内，设有位于所述内反应筒下方的导流体。
优选地，在根据本公开内容的澄清器中，还可以设置用于层状沉淀分离区内的成熟絮体回流至所述反应套筒内的强制回流管路；所述强制回流管路将层状沉淀分离区与所述内反应筒连通。
进一步优选地，在根据本公开内容的澄清器中，还可以包括位于所述压缩沉淀分离区上方的用于捕集流体中存在的尚未形成絮体的微小颗颗粒物的填料层。
优选地，在根据本公开内容的澄清器中，所述澄清器内还包括位于底部的集泥斗和排泥管。
可选地，所述澄清器还包括用于将原水和药剂快速混合的混合器。
通过利用根据本公开内容的澄清器，可以获得的有益效果至少在于：
在本公开内容中的变速多流态设计能够满足原水与药剂快速混合，混凝反应，絮体熟化，床层稳定与均匀分布，泥水分离等过程对不同水力条件参数的要求，使各个过程均处于最优水力条件状态下，快速高效地去除原水中的胶体、颗粒状、部分溶解状态污染物、絮体及细菌菌体。
在本公开内容中的双路回流设计能够提供大量混凝晶核作为颗粒物与药剂结合形成新絮体的载体，并延长絮体停留时间，使澄清器内形成了大量的沉降性能良好的絮体，节约了药剂和能耗。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出了根据本发明中的一个优选实施方式的变速多流态澄清器的立视示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
根据本发明的一个方面，提出了一种变速多流态澄清器(下文中简称为“澄清器”)，该变速多流态澄清器的内腔自下而上设置有絮凝反应区、絮凝沉淀分离区、层状沉淀分离区和压缩沉淀分离区。
其中位于澄清器的下部的絮凝反应区处于反应套筒内，该反应套筒布置在澄清器的水平方向上的中心位置。优选地，反应套筒以及澄清器的水平截面形状均为圆形；反应套筒为快速反应套筒。
反应套筒包括外反应筒和内反应筒。内反应筒为竖直布置的上下两端开放的筒体，所述外反应筒为下端开口、上端封闭的套在所述内反应筒的筒体。
优选地，内反应筒的下端低于外反应筒的下端，所述的内反应筒的上端高于所述外反应筒的下端；所述外反应筒的上端高于内反应筒的上端。可选地，内反应筒的下端也可以与外反应筒的下端等高。
用于供应待处理的原水和药剂的输送管的出口布置在内反应筒内，使得进入反应套筒内的原水和药剂形成高速紊流。
絮凝沉淀分离区位于外反应筒的外壁与澄清器侧壁之间的区域，絮凝沉淀分离区的水平截面面积大于所述反应套筒的出水口的水平截面面积。在絮凝沉淀分离区内的流速由高变低，以有利于絮体熟化增长。
在絮凝沉淀分离区的上方为用于吸附和捕集絮体的层状沉淀分离区，层状沉淀分离区设置有水平布置的整流栅板。优选地，整流栅板由质密材质构成。
压缩沉淀分离区布置在所述絮凝沉淀分离区的上方。
在根据本公开内容的澄清器中，在絮凝反应区、絮凝沉淀分离区、层状沉淀分离区和压缩沉淀分离区设置成使得在澄清器内的流体流态为：在所述絮凝反应区内的流体流态为剧烈紊流，在所述絮凝沉淀分离区内的流体流速由高变低，在所述层状沉淀分离区内的流体流速进一步降低呈现稳定的低速层流态，在所述压缩沉淀分离区内的流体流速降至最低。
优选地，在根据本公开内容的澄清器中，在絮凝沉淀分离区内设置有用于将流体从紊流调整成层流的第一整流栅板和位于层状沉淀分离区第二整流栅板。
优选地，在根据本公开内容的澄清器中，所述反应套筒设置为使原水中的颗粒和药剂形成具有预定环流强度的点涡流动，并为回流提供水力条件的装置。
在一个优选实施方式中，在根据本公开内容的澄清器中，在内反应筒下端的下方可以设置有自回流与污泥浓缩区，该自回流与污泥浓缩区内的液体流向布置成使得与药剂混合后的原水中的一部分回流至所述絮凝反应区。进一步优选地，在自回流与污泥浓缩区内，设有位于所述内反应筒下方的导流体。
优选地，在根据本公开内容的澄清器中，还可以设置用于层状沉淀分离区内的成熟絮体回流至所述反应套筒内的回流管路；所述回流管路将层状沉淀分离区与所述内反应筒连通。
进一步优选地，在根据本公开内容的澄清器中，还可以包括位于所述压缩沉淀分离区上方的用于捕集流体中存在的尚未形成絮体的微小颗颗粒物的填料层。优选地，在根据本公开内容的澄清器中，所述澄清器内还包括位于底部的集泥斗和排泥管。
优选地，所述澄清器还包括用于将原水和药剂快速混合的混合器。
在本发明的一个优选实施方式中，根据本发明的澄清器为圆柱形的罐体构造，澄清器中的外反应筒和内反应筒的水平截面都是圆形的。原水和药剂经由上述的混合器由罐体底部水流切线射流进入，也即进入澄清器的内反应筒中。通过精细的水动力学参数设计，适当控制澄清器的主罐体内的水力流态，在主罐体内从下至上形成了由一定环流强度的点涡流动至稳定层流的流态改变过程，各部位恰当的水流速度能够使胶体颗粒之间有最多最充分的碰撞次数，为胶体颗粒之间的凝聚、吸附，泥水分离创造了最佳流速环境。
附加的，可以通过水力流态及罐体截面尺寸控制，在澄清器内形成离散沉淀、絮凝沉淀、层状沉淀、和压缩沉淀。
在本公开内容中，优选地采用三级过滤技术。这种过滤方式的动力消耗因所采取的工艺不同而有极大的区别。在本发明中为了尽可能的减少水力阻力损失和动力消耗，抛弃了传统的填料过滤、微孔过滤、纤维过滤和反渗透膜过滤。
在本发明的优选实施方式中，通过对于各个部件和构造的巧妙设计，准确设定了澄清器内部的水动力学条件，使得混凝形成的絮团，在澄清器罐体内的层状沉淀分离区和压缩沉淀分离区形成悬浮泥层。该悬浮泥层由絮体组成，致密度高，过滤效率远远高于常规的砂粒层过滤；由于是处于悬浮状态的絮体泥层作滤层，其过滤的水头(阻力)损失非常小，所以动力消耗远远低于常规的砂层过滤、微孔过滤或反渗透膜过滤。所有经过混凝的出水都必须通过此悬浮泥层的过滤，才能升流到罐体上部的清水汇集区。通过在罐体结构设计，保持了恰当的流速环境，使悬浮泥层能够形成并逐渐变得致密，巧妙的运用水力差，不仅控制悬浮泥层厚度，不至于因流速太小而下沉至絮凝沉淀分离区或因流速过大而被冲散并能实现泥层的自我更新，使老化泥层不能及时脱落排除，从而影响处理效果。
实施例1
在下文中参照附图1说明根据本发明一个优选地的实施方式，应当理解的是，根据本公开内容的教导，本领域技术人员可以需要减少或者增加该实施方式中的元件和结构。
如图1所示，在该优选实施方式中，澄清器内包括有絮凝反应区16、自回流与污泥浓缩区2、絮凝沉淀分离区15、层状沉淀分离区6和压缩沉淀分离区8以及填料层9和清水区11。进水管13和快速混合器14以及强制回流管路4与快速反应套筒17相连接。具体而言，进水管、加药管路以及强制回流管路都接通至反应套筒中的内反应筒19。
层状沉淀分离区6下部设置有第一流态调节板5，该流态调节板也可以是整流栅板，上部设置有第二流态调节板7，类似的，该第二流态调节板也可以是整流栅板。在反应套筒下方设置有导流体3，例如该导流体可以是导流锥。
填料层9、反冲洗管18及排水口10位于澄清器上部。集泥斗1和排泥管12位于澄清器底部。
原水由进水管13经过混合器14加入诸如高分子混凝剂等的药剂后进入反应套筒中的絮凝反应区16。在一定的流速下以水力停留时间和GT值等指标作为控制指标在反应套筒中进行充分碰撞和凝聚吸附，充分发挥混凝作用，并在水力作用下与自强制回流管4、自回流与污泥浓缩区2回流补充的混凝晶核，形成“内”、“外”循环与混凝剂的原水进行接触絮凝后形成矾花，通过控制水流流速在絮凝沉淀分离区15内的流速由高变低，使絮体熟化增长，矾花在碰撞并聚集变大，形成絮凝沉淀；絮凝沉淀分离区15的上层是层状沉淀分离区6，在此区域内流速进一步降低，悬浮物浓度进一步增大，悬浮物之间开始分层，在第一流态调节板5和第一流态调节板7的作用下将层状沉淀区6调整为适合床层垂直向稳定存在、水平向均匀分布的层流态。在此区域，大块絮体受力达到平衡，对微小颗粒物进行吸附、捕集、精细化过滤，形成清晰的泥水界面。强制回流管4的作用是将成熟絮体回流至反应套筒，为原水中颗粒物和药剂的结合提供充足的混凝晶核，并控制污泥层厚度。
在压缩沉淀分离区8，流速降至最低，絮体所受重力大于升力，向下沉降，清水继续升流，实现泥水分离，此区域悬浮物浓度高，开始有明显的水、泥界面分层。分离区上层为填料区9，多孔结构的填料层能够对水流中尚未形成絮体的微小颗粒物进行再次捕集，反洗管18将定期对填料层进行反冲洗，防止堵塞发生。最上部为清水区11，水通过溢流进入出水口10排出。浓缩污泥经集泥斗1收集后，由排泥管12排出。
在根据本发明的澄清器中，特别是如上述具体实施方式所示，采用了变速多流态设计：原水在絮凝反应区16、絮凝沉淀分离区15、层状沉淀分离区6和压缩沉淀分离区8的上升流速逐步由高到低，流态由剧烈紊流到稳定层流。
此外，澄清器中采用了双路回流设计，具有“内”“外”两路回流。原水一部分经水力自回流与污泥浓缩区2回流至反应套筒，形成一路回流；层状沉淀分离区6中的絮体经强制回流管路4回流至反应套筒，形成另一路回流。在反应套筒中实现了快速反应：使原水中的颗粒与药剂在一定环流强度的点涡流动状态下快速混合形成絮体的装置，同时为双路内外回流的形成创造水力条件。在水力自回流与污泥浓缩区设置导流体；同时设置整流栅板来调整流态，将紊流调整为层流。
在本发明中还采用了第一流态调节板5和第二流态调节板7来将流态由紊流调整为层流。
本发明中的变速多流态设计满足了快速混合，混凝反应，絮体熟化，床层稳定与均匀分布，泥水分离等过程对不同水力条件参数的要求，使各个过程均处于最优水力条件状态下。
本发明中的双路回流设计能够提供大量混凝晶核作为颗粒物与药剂结合形成新絮体的载体，并延长絮体停留时间，使澄清器内形成了大量的沉降性能良好的絮体，节约了药剂和能耗。
通过利用根据本发明的设备和操作方法，能够应用化学一级强化加三级过滤技术高效、快速的捕捉污水中胶体颗粒状、部分溶解状态污染物、絮体及细菌菌体，并快速分离。以一体化设备的形式快速去除黑臭水体中悬浮颗粒物及总磷的问题，达到消灭黑臭问题。
对于强化一级处理，要达到节约药剂的同时又能提高处理效果，其中比较关键的因素有：药剂混合效率、混凝反应效果和泥水分离状态。本发明正是分别从这三个方面着手：充分理解各处理单元的技术发展前沿，深刻了解当前市场上相关一体化设备；根据相关设计规范中有关各控制参数的范围，选择合适的混合装置；确定澄清器内部结构以保证各部位恰当的流动状态，使得胶体颗粒之间有最多的碰撞次数，从而为凝聚吸附及泥水分离创造有利的水力学条件。
混合是物化法水处理的一个关键工序，混合效果的好坏，直接关系到后续絮凝、沉淀、过滤甚至消毒的效果。同时混合效果的好坏对混凝剂的投量以及后续水质处理效果影响很大，投量过小胶体脱稳效果不好，投量过大则会产生“胶体保护”，影响脱稳的效果，从而造成处理效果差，处理成本高的现象。有关实验表明，混凝剂与原水混合后，水解、缩聚反应会产生大量的中间产物羟基络离子，这非常有利于胶体的中和稳定，但其反应过程仅在1s内就完成了，常规混合方式难以达到此要求。在本发明中以射流混合为基础，通过无数次试验，通过利用根据本发明的设备，能够创造性的使混合梯度大于1000S-1，混合时间小于1秒。
通过微涡流凝聚和立体接触絮凝，充分利用混凝空间、混凝能量与絮体活性，大幅度提高了混凝反应效率，反应时间短、出水质量优、适应变化能力强等优点。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。