一种借助设备自重辅助驱动的水处理装置及其方法

专利名称：一种借助设备自重辅助驱动的水处理装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种用于供水处理的装置及其方法，尤其是小型分散式或家庭用水处理方面 的装置及其方法。
背景技术：
目前全球每6人中就有1人不能获得安全饮用水，发展中国家80%的发病及死亡与水有 关。中国社科院2007年环境绿皮书指出，目前全国有8亿农民饮水安全受到威胁，有3.2 亿人用水不安全，占农村人口的34%。同时国外亦有很多地区具有相似的环境情况，如东南 亚地区、非洲、南美洲地区，受饮用水问题困扰的农村居民人数总量超过国内，所以寻找操 作简单、运行可靠、性能稳定、成本低廉的水处理技术和方法是国内外普遍关注的问题。
目前，在水处理设备领域，已经有许多基于电能、机械能、化学能等转换的水处理装置， 这些装置广泛应用于城镇居民饮用水、污水的处理。这些水处理装置总体的特点是处理效率 高、工艺操作复杂、能量消耗大、建设费用高。在给水与饮用水处理技术的研究热点方面， 针对不同的情况，主要的研究技术集中于传统技术和新技术的工艺与优化改造，有前途的技 术包括新型水处理功能材料合成、膜技术、电化学技术、缓释控施技术等。针对城市饮用 水的深度处理，特别是分散于家庭中的自来水水质提升处理，这些技术及其组合工艺已经发 挥了巨大作用。由于来水水质较优，处理负荷小，这些技术产品已经日臻完善。但是针对农 村地区分散式用水情况，对水处理工艺的微型化及在此基础上的改进优化研究开展的较少， 很多技术和产品是对成熟的城市应用产品的简单移植，基本上是不被当地用水条件所融合 的。
水处理设备构型对水处理过程的效率和方便程度具有重要影响。饮用水处理设备的设计 原则是需要解决水质提升和通过处理器的水动力两个基本问题，前者的严格运转是稳定长效 的主导因素，后者是分散式水处理设备的成本和使用方便程度的决定部分。水处理器构型是 国内外研究和开发的重点，通过对国内外、技术论文及专利文献的检索，对水动力的解决主 要是利用有压水或能量转换的方式来实现的，对于无任何外在动力输入的情况，是通过设置 相对位于高位的原水蓄水容器来实现的，很明显，这样的设置在设施规模、使用便利程度上 是不优的。而在广大农村地区，经常无稳定的压力水源，有些地区甚至没有稳定的电力供应， 这个因素是决定用水解决方案的一个重要问题。
在广大的农村地区，由于水质问题多样、居住分散、经济水平较低，现有的饮用水处理 装置很难广泛推广，所以农村饮用水分散式处理领域急需操作方便、运行可靠、性能稳定、 适用面广的水处理装置和方法。
发明的内容
本发明的目的在于提供一种借助设备自重为驱动力，来辅助实现水通过饮用水质处理单
元实现处理功能的水处理装置和方法，且在大部分情况下可以不依靠能量转换的方式来提供
水动能。可应用于高氟水、高砷水、污染水等多种水质处理的情况。
为实现这一目的，本发明依据物体在水中会因为自重而排开一部分水体，进而产生在物 体外侧底部形成大于外界大气压的总压强的原理，利用此压强差，借助一定的装置来实现水 的流动，而在实际应用中，漂浮在水面上的底部进水的物体，需要借助其本身或固定其上其
它物体产生的浮力才能防止其最终沉入水底；不然，在沉入水底的情况下，进入物体中间的 水的取用是比较困难的。
本发明的一种水处理装置，至少包括一个净水蓄水容器，和一个用于通过处理原水向净
水蓄水容器中注入处理过水的饮用水质处理单元，所述的水处理装置的特征在于还包括至
少一个固定或联接于净水蓄水容器的器壁的外侧或内侧的辅助漂浮部件，用于提供净水蓄水
容器不沉没于水中所需之浮力；所述的净水蓄水容器的底部有至少一个进水口；所述的饮用 水质处理单元具有至少一个进水口和一个出水口，且当该饮用水质处理单元设置于净水蓄水 容器内腔时，其进水口与净水蓄水容器的底部进水口连接；当其设置于净水蓄水容器外侧时， 其出水口与净水蓄水容器的底部进水口直接连接或通过管路连接。在这种情况下，由于液体 的连续，可以传导由于设备自重下沉排水而产生的内外水体的压力差。
本发明的水处理装置，其特征是所述的辅助漂浮部件采用长期完全浸泡在水中时吸水 后密度也小于待处理的液态水的密度的材料制造。有些材料，在水中长期浸泡，会吸收水分， 导致密度变化，但是只要保证长期吸水后的密度仍小于待处理的液态水的密度，体积足够大， 仍可以提供本发明的水处理装置漂浮不沉没，不会造成处理过的水与原水的混合。常见的情 况下，所述的辅助漂浮部件采用泡沫塑料制造。便于集约生产的情况下，所述的辅助漂浮部 件为与净水蓄水容器器壁联接或部分融合的空心容器型辅助漂浮部件，我们可以通过一体化 成型，将辅助漂浮部件与净水蓄水容器器壁一次成型，所说的空心容器型只要保证在工作时 水不易大量进入空心容器即可，而空心容器的排水量应该大于装置中包括净水蓄水容器的部 分不沉没于水中所需之浮力。
本发明的水处理装置，在净水蓄水容器的底部固定或联接有配重。有时，只利用净水蓄 水容器、辅助漂浮部件、饮用水质处理单元等所产生的驱动力还较小，这时可以利用增加配 重的方法来加强驱动力。配重可以选用密度大、价廉及较洁净的材料制造。
本发明的水处理装置中，所述的饮用水质处理单元固定或联接于所述的净水蓄水容器的 底部外侧，或安置于净水蓄水容器的内侧底部。
本发明的水处理装置在实现了一种提供水能的新方式后，就可以将这种解决方法引入到 多种可结合的水处理技术中，即结合多种不同的水处理工艺，来实现对不同水质情况，不同 使用方式的适应，而对能结合的饮用水质处理单元设备重要地是需要其能在水里正常工作， 并能较好地利用本发明所揭示的水能提供方式。在这种情况下，由于水深较浅，机械强度上 的要求比较低，需要有所调整的是饮用水质处理单元设备在水中的电路连接部分需要一些防 水绝缘处理。而常见的饮用水处理方法，如过滤技术、消毒技术、电化学技术、催化技术、 生物技术等，可以以合适的形式单独或组合应用于本发明的水处理装置。作为对本发明原理 和特点的最佳适应，可结合的饮用水质处理单元应具有以下特点
a、该饮用水质处理单元中处理水流经的空间，是一个除了在进水口和出水口处以外，
不与外界大气相连通的空间，且包围这个空间的结构体可以沉浸于水中工作，而如果有配套 电源或控制单元，则配套电源或控制单元可以延伸至水体外工作。
b、该饮用水质处理单元沉浸于水中工作时不需要外排废液。由于本发明的水处理装置 利用了静水压力来作为辅助工作动力的原理特点， 一些在工作过程中随时产生废液，或由于 洗脱再生周期(此再生周期用能够生产出符合要求的净水的数量来衡量)很短而频繁产生废 液的饮用水处理工艺，如电渗析技术、电吸附技术、膜分离技术等， 一般情况下，所产生废 液的排出需要有专门设置的管路及动力系统，虽能将此类水处理技术结合入本发明的水处理 装置，但其解决方案较为繁琐，不具优势。这里的废液是指由水处理过程产生的水质明显劣 于待处理原水的水液，例如污染物浓縮液、再生洗脱液等，这些水液一般情况下不适于直接 排入待处理的原水。
本发明的水处理装置中，所述的饮用水质处理单元包含或唯一包含一过滤器，该过滤器 中添充有利用机械截留或物理吸附或非生物参与的化学反应或生物作用中的一种或多种作 用来实现水相有害物去除或有益成份添加的滤料。所述的滤料包含颗粒活性炭、活性氧化铝、 麦饭石、沸石、石英砂、骨炭、锰砂、纤维滤料、离子交换树脂中一种或数种组合。
本发明的水处理装置中，所述的饮用水质处理单元包含或唯一包含紫外饮水消毒器、消 毒药剂添加装置、电絮凝水处理器、电催化水处理装置中的一种。
本发明的水处理装置中，所述的固定是指设置止动结构或构件，或采用粘接方式，或一 体化成型的方式，来防止被固定件与固定基础间的相对运动；所述的联接是指被联接件通过 固定于可调节或不可调节的结构或构件上，然后此结构或构件再固定于固定基础上。
利用本发明的水处理装置的水处理方法，其特征是至少包括下列步骤，首先，提供需 要净化的水体；然后，将本装置中包括净水蓄水容器的部分，底部向下，借助设备重力和水 浮力的平衡来放置于需要净化的水体的水面；如本装置还包括其它未与此部分固定在一起的 部分，则将需要沉浸于水中工作的部分沉浸于水中；经过一定时间，取用通过饮用水质处理 单元进入净水蓄水容器内的处理后的水体。 一般，所述的需要净化的水体为储存于水缸、水 箱、水柜这三类储水容器之一中的水，或蓄积于池塘或河道中的水。
本发明水处理装置，可通过调节辅助漂浮部件的结构、数量、位置来灵活改变通过饮用 水质处理单元的水流条件。如图6中，a的情况下，辅助漂浮部件601 (泡沫塑料)环绕沿 净水储存容器器壁粘接一圈，在净水储存容器外壁向上的方向，辅助漂浮部件601的体积逐 渐增加，相应的工作时通过饮用水质处理单元的水流速率会越来越减小；b的情况下，除在 净水储存容器上口处的主要辅助漂浮部件外，如图在净水储存容器外侧粘贴有两个小块状泡 沫塑料602，当设备下沉到约1/3处时，受到设于外壁的小辅助漂浮部件602的作用，相应 的通过水质转换转换单元的水流速率将转变为一个较小的数值；也可以如c的情况，在净水 储存容器内壁设置两个小块状辅助漂浮部件603，在平静的水体中，其效果与b的情况相似。
本发明与现有技术相比，具有如下优点及有益效果
1、 本装置置于需处理的水相中，可以利用自身重量驱动外部水通过饮用水质处理单元， 实现装置功能，且在大部分情况下可以不依靠能量转换的方式来提供水动能。
2、 本装置净水蓄水容器与辅助漂浮部件共同作用可以将容器内的净水量控制在一定范
围，当容器内净水被部分或全部取用后，下部可恢复补充进来；而当水量达到时，通过饮用 水质处理单元的水量基本为零，这样可以极大延长饮用水质处理单元的有效寿命。
3、 本装置可以实现分质用水，用户做饭、喝水就用净水蓄水容器内处理过的水，洗菜、 洗碗、洗漱、绿化就用净水蓄水容器外侧未处理的水，处理过的水会及时自动补充恢复，处 理过的水与未处理的水仅一壁之隔，对用户的用水习惯影响极小。
4、 本装置可通过组合具有不同功能的饮用水质处理单元，对高氟水、高砷水、污染水 等不同水质进行处理，也可用于饮用水的微量元素补给及矿化水处理，具有很高的灵活性和 适应性，可广泛应用于分散饮用水处理，特别是广大农村饮用水的安全保障。


图1本发明的工作状态及一个实施例的示意。
图2 —种过滤柱。
图3装置的一般细节图示说明。
图4软管过滤柱及其安装。
图5本发明中净水蓄水容器上口的实用构型。
图6本发明中的辅助漂浮部件的变化示意。
图7净水储存容器与饮用水质处理单元分离的形式。
图8结合电絮凝过程的本发明装置的工作状态示意。
图9实施例4的净水蓄水容器外观。
附图标图号说明
1、净水蓄水容器2、辅助漂浮部件3、饮用水质处理单元4、净化后的水体5、 需要净化的水体201、容器壁202、底部203、塑料盖303、被固定件304、螺栓401、 进水口 402、柱壁 403、出水连接头404、通气孔眼405、塑料板 406、软管 407、 进水口 409、出水连接头410、净水蓄水容器501、净水蓄水容器上口 502、辅助漂浮 部件503、 ]fc存未处理水的容器601、辅助漂浮部件602、小块状辅助漂浮部件603、 小块状辅助漂浮部件701、饮用水质处理单元702、配重801、电絮凝反应器802、过 滤柱803、控制和电源电路
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下各实施例中，除另有指明外， 所说的泡沫塑料最好是采用EVA (乙烯-乙酸乙烯共聚物)泡沫塑料，而其粘接则使用EVA热 熔胶；所说的螺栓连接或螺栓固定是指如图3b所示，用螺栓304结合两个带孔的被固定件 303;管路、进出水口之间的连接则采用相应部件上的内螺纹和外螺纹旋接(图3c)，或通过 插接紧箍的方式来实现(图3d)。在其它附图中，由于此部分结构较小，未清晰反映。
实施例1
参阅图1，此图表示本发明的水处理装置和方法的一个优选实施例示意图，并能说明本
发明构思的工作状态、基本原理和基本装置结构。木发明实施例的水处理装置包含容积约12 升的上口 口径略大于底部的圆形净水蓄水容器l(由市售的轻便塑料水桶改制，重量约250g)、 辅助漂浮部件2 (由泡沫塑料圈粘接固定在净水蓄水容器1上口制得，总体积约1500cm'), 以及固定在净水蓄水容器1底部的，并与之相连通的饮用水质处理单元3 (此例中为图2所 示的直径200mm，高150iran的短圆柱形聚乙烯容器过滤器，其具有聚乙烯塑料盖203、容器 壁201及带有如图所示具有许多开孔的底部202，这些开孔作为进水口。在组装时，在底部 202的内侧铺设一层塑料纱网，然后在容器内填满水处理功能材料，盖上盖子，并用热熔胶 牢固密封聚乙烯塑料盖203和容器壁201间的缝隙，不使漏水。然后用热熔胶将此饮用水质 处理单元3牢固且密封粘接于净水蓄水容器1底部外侧的中心，使净水蓄水容器1和圆柱形 水质处理单元3的轴线重合，底部202向外。冷却后，用电钻从净水蓄水容器1的上口向下 操作，在净水蓄水容器1底部和圆柱形水质处理单元3的塑料盖203重叠的部位，以约2ram 钻头均匀打眼约20个，深度为钻透这两层，以利于处理后的水的流入)。
此为在实验室的手工制作时的结合方法，在批量生产时，可利用在联结件上设置配套螺 纹或螺栓连接方式使装置易于安装拆卸，从而代替上面所述的热熔胶粘接方式。
在需净化的水体5为高氟水时，图2的过滤柱填满粒径3-5mm的活性氧化铝除氟剂；对 于高砷水的情况，可采用粒径2-4rran包覆铁氧化物的石英砂(制备法参阅文献袁涛，罗启 芳.运用涂铁砂粒进行分散式饮水除砷的效果.环境科学，2001， 22(3)， 25-29.)填充满。
以下为利用所述的水处理装置的水处理方法的实施例解。需要净化的水体5贮满于口径 约80cm的缸中。在工作时，本发明的水处理装置放置于需要净化的水体5，利用装置自重排 水所产生的需要净化的水体5与净化后的水体4之间的水压差，使需要净化的水缓慢通过饮 用水质处理单元3进入净水蓄水容器1，而得到净化。随着净水蓄水容器1中的水量增加， 本发明的水处理装置不断下沉，当需要净化的水体5的上部水平面淹没辅助漂浮部件2的大 部分时，由下部进入净水蓄水容器1的水流由于缺少压力而逐渐停止，即维持内部一定的水 量。当净化后的水体4被取用时，本装置上浮，由下部进入净水蓄水容器l的水流启动。由 于在实际情况下，净化水用量远远小于可使用未净化水的量，在洗菜、洗碗、洗漱、绿化时， 用户可以取用水体5，从而实现分质用水，极显著降低饮用水质处理单元3的工作负荷，延 长其使用寿命和更换维护周期。
实施例2
对于华北农村地区常见的浊度不高但硝酸根超标井水进行处理时，参照实施例1，将图 2所示过滤柱中的填充功能材料换为饮水用硝酸根选择性树脂(淄博昊孚合成树脂有限公司 提供)，其它相同。作为使用一定时期后的功能材料的简单再生，可采用以下方法将本发 明的水处理装置置于与装置下部形状相似、口径略大于装置底部的容器中，在装置的净水蓄 水容器l中加入5%食盐水5升，其会通过净水蓄水容器1底部进水口缓慢通过过滤柱，进入 盆中；2小时后放去水处理装置及盆中的溶液，再于装置的净水蓄水容器中加入清水3升，1 小时后放去；再加入清水3升重复清洗一次即完成。
实施例3
对于农村地区广泛采用的微污染浅井水，参照实施例1,将过滤柱中的填充功能材料换
为粒径3-5mm的颗粒活性炭，其它相同，其出水水质及口感有明显改善。 实施例4
参照实施例3，亦可将填充颗粒活性炭的过滤柱放置于净水蓄水容器1内腔底部，这时 我们可采用如图9所示的净水蓄水容器，其下部的直径和高度正好能放入图2所示的过滤柱， 且在底部开有20个直径3ram的进水孔。将过滤柱插入后，用热熔胶密封两者的接缝，然后 在塑料盖203上钻20个直径3mm的出水孔。
实施例5
另一种本发明装置中过滤柱的形式。如图4a所示，过滤柱的柱壁402采用可变形的软 管，如聚乙烯膜软管，并包括塑料材质的进水口 401和出水连接头403,其上都带有可用于 连接其它组件的螺口；进水口 401和出水连接头403同柱壁402的接合采用热熔合的方式密 封连接。软管内可添加滤料。在近似圆底净水蓄水容器底部应用时，可如图4b所示，其具 有较大的有效柱长。
为了方便过滤柱中水压力的传递，盘起来的软管406过滤柱夹持于两张如图4 c所示的 低圆锥薄形塑料板405之间，此板的直径与净水蓄水容器410的底部相当，板上带有多个通 气孔眼404，而软管过滤柱的出水连接头409亦可从此眼中伸出，便于与净水蓄水容器410 底部的进水口连接，进水口 407自然放置，但不要为其它物体堵塞。然后用细尼龙绳通过两 塑料板405上一些方便的通气孔眼404将夹板与软管捆绑固定。最后如图4d所示，连接出 水连接头409与净水蓄水容器410底部的进水口，并用热熔胶将净水蓄水容器410的底部和 与其接触的塑料板405牢固粘接。
此为在手工制作时的结合方法，在批量生产时，可利用在联结件上设置辅助螺栓连接结 构而使装置易于安装拆卸，从而代替上面所述的热熔胶粘接或捆绑固定。
实施例6
对于实施例3中的水质，以及塘坝水，如果微生物指标超标较严重，可采用如下改进方 法。参照实施例5，过滤柱中填充颗粒活性炭，且在在过滤柱进水口的内侧放置用四层纱布 包裹的5克释放期在30-40天的饮水用长效缓释消毒剂(如北京健之素医药科技有限责任公 司生产的健之素牌长效缓释消毒剂)。
实施例7
对于部分缺硒地区的一种通过饮用水补硒的方法。用粒径2 3mm的含洒40-50%硒铁合金 颗粒20g，混入堆积体积约1.5升的粒径2-5mm石英砂中，形成缓释硒滤料。参照实施例1， 将过滤柱中的填充功能材料换为缓释硒滤料，其它相同。
实施例8
如在进行含铁超标饮用水处理时，参照实施例5，将过滤柱中的填充功能材料换为粒径 3-5mm的锰砂颗粒。 实施例9
一种对本发明装置中净水蓄水容器上口形状的改进，在一些情况下更为实用。如图5所 示，对于贮存未处理水的容器503 (如水缸、大型塑料桶等)为圆形上口，净水蓄水容器上 口 501和辅助漂浮部件502具有所示的以部分椭圆形结合一直边的形式。这样的设计可以方 便未处理水的直接取用，例如用水瓢舀取。 实施例10
本发明水处理装置亦可采用净水储存容器与饮用水质处理单元701相分离的形式。如图 7，用一长度约为水质处理单元701的出水口到外水面高度的1. 3倍的硅胶管连通饮用水质 处理单元701的出水口和净水储存容器底部的进水口，使用硅胶管是由于其壁面弹性较大， 能防止其在工作时移动打折堵塞内通道，以及外水压使其变形而妨碍管内水流流通。
在工作时，配重702 (可采用加入50%鹅卵石的总重约3.5kg的圆板状混凝土块，其直 径略小于净水储存容器底部直径，且在净水储存容器底部进水口相应位置有一圆洞，便于管 路连接。配重在容器底部的固定在实验室是采用将混凝土预注凝结于图3 a所示的塑料圆盘 中，然后将其用热熔胶固定于净水储存容器底部；在批量生产时可在净水储存容器底部成型 四个螺孔，而在配重上预留相应的眼位，用螺栓固定配重。)提供储存容器内外压力差，推 动水流通过饮用水质处理单元701实现功能。例如结合紫外杀菌的水处理器。此时饮用水质 处理单元701是紫外杀菌器，选择或制备可沉浸于水中工作的过流式紫外线杀菌器(为了制 作简便，在实验室中选用JUP-01型潜水式紫外线杀菌器，浙江省，舟山市，浙江森森实业 有限公司生产，此型号带有微型潜水泵的功能，为适合体现本发明装置功能，要求生产商改 造将潜水泵工作电路断开不工作，只紫外杀菌部分可工作，这样它就相当于一只可沉浸于水 中工作的过流式紫外线杀菌器)。为使紫外杀菌器能够自动停止或开启工作，可在其电源电 路中设置继电器，继电器的控制端电路串入小型浮球式液位开关，此开关设置于净水储存容 器内壁，液位控制高度的选择采用以下方法如图7的装置运行净化工作，在其下沉至停止 时，净水水面对应的高度即为选择的液位控制高度。另外，在工作时，注意不要使待处理的 水相的深度小于配重702下部到辅助漂浮部件上沿的高度。
实施例11
对于有些色度和浊度较高的水，仅采用简单的过滤技术很难得到较优质的饮用水，此时 可在饮用水质处理单元中设置电絮凝过程。参照中国发明专利(名称电絮凝方法和设备，
发明者贾香芹 申请人:贾香芹