虚拟池底及分离方法、及基于虚拟池底的双旋流分离器与流程

1.本发明涉及一种虚拟池底及分离方法、及基于虚拟池底的双旋流分离器，属于污水处理和环境保护技术领域。


背景技术：

2.由于国内受到城市大规模建设和管网不完善等因素影响，污水的含砂量普遍偏高，若大量砂粒进入后续各处理单元，将给污水厂的正常运行带来诸多隐患。 目前普遍采用的除砂池包括：平流式沉砂池、曝气沉砂池、旋流式沉砂池(德国的钟氏及美国的比氏)等。平流式沉砂池，曝气沉砂池以及其它传统沉砂池已逐渐被体积更有优势的旋流式沉砂池所代替。然而，旋流式沉砂池虽然是近年来引进的技术，但在实际应用中普遍发现其去除粒子效率和厂家所宣称的指标有着明显的差距，由此经常造成污水处理设备的损坏以至污水处理厂无法正常运行。去粒子设备达不到实际应用要求除厂家有意识的误导外，其主要原因是去粒子设备本身性能的问题，各种不同型式的沉砂池对入流流速的控制都有非常严格的要求，它对处理的稳定性和效果有着直接和重要的影响，而在实际运行中一般污水处理厂的污水入流量总会存在一定不可控的波动。然而，即使满足所要求的运行条件，去粒子效果也往往达不到实际的需求。寻求更加节能降碳，稳定高效，小巧可靠和更符合国情的新除砂技术及设备一直是行业不断追求的目标。
3.专利号为2021108473380的专利公开了一种无动力旋流爪固液分离器，虽然它的去粒子效率和其它性能都非常优秀，但由于结构偏于复杂，不易清理，所以更适合用于雨水径流的处理，而不是特别适合污水的处理因为污水中含有大量的有机物。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供一种虚拟池底及分离方法、及基于虚拟池底的双旋流分离器，其具体技术方案如下：一种虚拟池底，其特征在于：是由至少一个基本单元结构为旋流网格板拼接组成的虚拟池底，所述旋流网格板设有若干穿孔，所述旋流网格板铺设在实际池底上方能将水体分成上下水域两部分。
5.本发明虚拟池底将水体分成上下水域两部分，能从多方面促进水中悬浮粒子的沉淀。首先，当上水域中的水流过它的上表面时会在它的贯穿孔中产生旋流，从而加速在面板附近的粒子通过贯穿孔进入下部水域。其次，面板能起到消弱上层水体对下部水体的扰动，有利于进入下部水域的悬浮粒子继续沉淀。同时，它将极大的减少粒子沉落到池底后被重新冲走的可能性。
6.实际上，旋流网格板采用平面或非平面结构均可，板上设置的穿孔的上下孔口径不必相同，它的大小，厚度和开孔大小没有特殊的要求，将由具体应用而定。穿孔的形状和走向也需根据情况选取，在同一或不同贯穿孔面板上的穿孔形状和走向可以不同。可用任何不易受水腐蚀的材料制作, 几何形状可任选. 虽然这些参数将影响虚拟池底的功能和
效果，但基本原理相同，所以虚拟池底技术包括所有以分离水域流体流动状况并同时能让粒子通过为目的而所使用的带有贯穿孔的面板。
7.所述的带有若干贯穿孔的面板结构可为一平面或非平面板， 板上布有规则或非规则排列的贯穿孔，上下孔口径不必相同，它的大小，厚度和开孔大小没有特殊的要求，将由具体应用而定。穿孔的形状和走向也需根据情况选取，在同一或不同贯穿孔面板上的穿孔形状和走向可以不同。可用任何不易受水腐蚀的材料制作, 几何形状可任选一种虚拟池底分离方法，包括以下步骤：步骤1：构建虚拟池底：在沉淀池或任何固液分离器的水体中铺设一层高于实际池底的权利要求1所述的旋流网格板组成的虚拟池底，所形成的虚拟池底与实际池底呈水平或一定夹角设置，并覆盖全部或部分水域；由于水流过它的表面时会在它的贯穿孔中产生旋流，所以称带有若干贯穿孔的面板在虚拟池底技术应用中为旋流网格板。它把水体分成上下两层，能有效的消弱上层水体对下部水体和沉淀物的影响并同时能让水中的悬浮颗粒自由通过。铺设的方法可为悬挂，底部支撑或其它方式；步骤2：引入待处理水体：向沉淀池虚拟池底上层水域引入待处理水体，由于虚拟池底的存在，上层水域的水流主要为水平方向，流动所形成的强扰动能量难以穿过虚拟池底，下层水域的水体受上层水流的影响不大，有利于水中悬浮粒子的沉淀；步骤3：颗粒沉淀：待处理水体在旋流网格板上表面流动时，待处理水体在旋流网格板贯穿开设的若干个穿孔中产生垂直旋流，待处理水体中的悬浮颗粒在垂直旋流的作用下更容易通过旋流网格板形成的虚拟池底，沉淀到虚拟池底下方的沉淀物收集仓。
8.基于虚拟池底的双旋流固液分离器，包括壳体、锥形分流器和旋流网格板，其中：所述壳体的底部设有沉淀物存储腔，所述锥形分流器为倒锥形并设于壳体内，且所述锥形分流器的锥面上开设有通道口；所述壳体内壁与锥形分流器外壁之间的空间为下旋流沉淀子腔，所述锥形分流器内部空间为上旋流沉淀子腔；所述旋流网格板设有若干个通孔和中心孔并位于锥形分流器的底部，所述锥形分流器的下端通过该中心孔与沉淀物存储腔连通。
9.进一步的，还包括设在壳体外壁上的进水机构，所述进水机构包括进水口、进水渠道和漂浮物收集池，所述进水渠道为螺旋状，其一端与所述进水口连通，另一端为出水口并与下旋流沉淀子腔连通；所述漂浮物收集池位于进水渠道出水口的上方并与进水口连通。
10.进一步的，所述漂浮物收集池设有垂直挡板和两个水平挡板，所述垂直挡板和两个水平挡板均设在漂浮物收集池底部表面，两个所述水平挡板朝向漂浮物收集池内部形成渐窄的开口，所述水平挡板的高度与漂浮物收集池侧壁的高度相等，所述垂直挡板的高度小于水平挡板的高度。
11.进一步的，所述壳体还设置有进水口和出水口，所述出水口设在锥形分流器上方，所述壳体底部还设有支架。
12.进一步的，还包括设在锥形分流器上端的弧形导流板，所述导流板上端朝向壳体内部倾斜设置，所述导流板的下端与壳体内壁之间留有间隙。
13.进一步的，所述锥形分流器为包含至少一个同心设置的倒锥筒，且各倒锥筒均开设有通道口。
14.进一步的，所述沉淀物存储腔设置有沉淀物出口。
15.本发明的工作原理：首先，通过在壳体内锥形和圆形筒体交接部设置旋流网格板，构建形成虚拟池底结构。由于旋流网格板构建形成的虚拟池底的存在，极大的消弱上层水体对下部水体的扰动，使得沉淀物存储腔中的水变得平静，以致进入沉淀物存储腔中的悬浮颗粒难以返回到旋流网格板上方的上部水域。壳体内壁与锥形分流器外壁之间的空间为下旋流沉淀子腔，锥形分流器内部空间为上旋流沉淀子腔，锥形分流器使得水体在分离器中进行二次旋流循环，相当于待处理的水体一次通过两个具有同样尺寸的传统旋流沉砂池，以增加处理空间和时间，从而进一步增加去悬浮物沉淀的效率。
16.本发明的有益效果：1、本发明设计的旋流网格板的应用解决了沉淀池面临的粒子落在池底后被水流重新带走的问题，提高分离器去粒子效率，特别是去除微小颗粒的能力；2、本发明锥形分流器的设计和应用，使得本发明更好的利用双旋流固液分离器的空间，促成水流的第二循环，相当于待处理的水体一次通过两个具有同样尺寸的传统旋流沉砂池，加大去粒子效率；3、本发明占地面积小，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、易维护的优点。
附图说明
17.图1是本发明的整体结构示意图i；图2是本发明的整体结构示意图ii；图3是本发明的俯视图；图4是图3的a-a剖视图；图5是本发明的爆炸示意图i；图6是本发明的爆炸示意图ii；图7是本发明的内部结构示意图；图8是本发明的旋流网格板结构示意图；图9是本发明的锥形分流器的结构示意图；图10是水流过旋流网格板表面时在穿孔产生旋流的数值模拟图；图11是本发明的导流板的结构示意图；图12是本发明的整体结构示意图iii；图13是本发明的虚拟池底应用示意图。
18.图中：1—壳体，2—进水渠道，3—粒子沉淀腔，4—旋流网格板，5—锥形分流器，6—导流板，7—沉淀物存储腔，8—通孔，9—中心孔，10—支架，11—通道口，12—下旋流沉淀子腔，13—上旋流沉淀子腔，14—进水口，15—漂浮物收集池，16—垂直挡板，17—水平挡板，18—壳体入水口，19—出水口，20—沉淀物出口。
具体实施方式
19.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以
示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
20.如图1至图7所示，本发明的一种基于虚拟池底的双旋流固液分离器，包括壳体1及附着在壳体1侧面上的进水机构。壳体1为下锥上圆的空心筒体，壳体1的内侧底部紧贴壳体1内壁一体连接有沉淀物存储腔 7，存储腔 7以上的筒体内部空间为粒子沉淀腔3，存储腔 7上端设有虚拟池底技术所使用的旋流网格板4、锥形分流器5和导流板6。虚拟池底是指在沉淀池水表面下一定深度处安装一层沿平行于水面的旋流网格板4，在某些情况下也可用网格栅代替旋流网格板4作为沉淀池虚拟池底。旋流网格板4为带有一系列通孔8的圆形平板，其外围尺寸与壳体1内径尺寸相同。在它的中部开有一用于清理沉积物中心孔9。图8是在测试中所使用的其中的一种结构示意图。壳体1底部设有多个用于支撑上端的旋流网格板4的支架10，以保证捕捉的悬浮颗粒顺利落到沉淀物存储腔7内。锥形分流器5侧面设有一通道口11（如图9所示）以便位于锥形分流器5外侧的水能顺畅流入它的内侧。导流板6用以确保流入锥形分流器5内侧的水在流出固液分流器之前能不断的在分离器内部进行绕行以增加污水处理的行程和时间。
21.基于虚拟池底基本原理将旋流网格板4用于双旋流固液分离器，是利用水流过它的上表面时在旋流网格板4上的每个通孔中8所产生的垂直旋流（如图10所示）把接近虚拟池底的悬浮颗粒加速带进虚拟池底以下水域。旋流网格板4把沉淀池或固液分离器分成上下两个不同的水域，从水动力学的角度来看，虚拟池底下部区域的水流要比上部区域的水流平稳得多。换句话说，沉淀池或固液分离器的上下区域相对独立，互相影响很小，但对水中的沉淀粒子而言，虚拟池底似乎并不存在，它们可自由通过，这样就解决了传统沉淀池或固液分离器所面临的当沉淀粒子落到实际池底后有可能会被强流重新带走的问题，从而影响粒子的实际沉淀机率。本发明提出一全新的增强去除污水中悬浮粒子的技术；通过在粒子去除设备水体中铺架旋流网格板4构建一层虚拟池底。所使用的旋流网格板4的厚度和形状，旋流网格板4上通孔8开口的尺寸和形状，通孔8的角度以及它们的排列分布都将由具体应用而定。虽然这些参数将影响虚拟池底的功能和效果，但基本原理相同，所以虚拟池底包括所有用于分离水域流体流动状况并同时能让粒子通过的通孔板。
22.利用虚拟池底技术所研发的双旋流固液分离器的基本工作原理是：首先，通过在双旋流固液分离器的粒子沉淀腔3和沉淀物存储腔7之间安装一个虚拟池底结构，即旋流网格板4，来增加粒子进入沉淀物存储腔7的机率，同时，由于虚拟池底的存在，使得沉淀物存储腔7中的水变得平静，以致进入的悬浮颗粒难以返回到上部水域，从而极大的增加了悬浮物沉淀的效率。其次，锥形分流器5把粒子沉淀腔3分成两部分，即下旋流沉淀子腔12和上旋流沉淀子腔13，这样使得有限的空间得以充分的利用，迫使水在分离器中进行二次旋流循环，相当于待处理的水体一次通过两个具有同样尺寸的传统旋流沉砂池，以增加处理空间和时间，从而进一步增加去悬浮物沉淀的效率。
23.实施例1如图1至图7所示，本实施例中，进水渠道2包括进水口14，漂浮物收集池15，用于水位降低时阻止漂浮物外流的垂直挡板16以及用于减少漂浮物外流的两个成一定角度的水平挡板17。这样当入水从进水口14进入双旋流固液分离器的进水渠道2后，比水轻的漂浮物和油脂将被水流推进到位于下游终端的漂浮物的收集池15中，在收集池15的入口处有一垂直挡板16用于水位降低时阻止漂浮物外流。与此同时，垂直挡板16还连接有两个成一定角
度的水平挡板17，两水平挡板17之间的距离在漂浮物收集池15开口处为最大，随着向漂浮物收集池15内部推进而逐渐变窄以减少漂浮物外流的可能性。漂浮物被去除后的水经进水渠道2的下部终端以切线的方向从壳体1的壳体入水口18进入双旋流固液分离器中由旋流网格板4和锥形分流器5所形成的下旋流沉淀子腔12内。与此同时，如需要可在进水渠道2的进水口14不远处安装一些挡板用水流能量破碎水中的有机物，并使无机粒子与有机物尽可能多的分离。
24.为了使进入上旋流沉淀子腔13的水能在其中绕行至少一周，在锥形分流器5的上部出水口前处安装一导流板6，用以迫使水流沿锥形分流器5的内侧环绕运行并阻挡水直接从出口流出。导流板6的结构如图11所示，它安装在一与壳体1的内径大小一样的圆圈支架上，导流板6（图11）也可直接安装于锥形分流器5或壳体1的内侧上以及其它的地方。导流板6向壳体1中心倾斜，它的长度和高度由具体情况而定。导流板6底部与壳体1的内壁之间留有空间以便能让沉淀在导流板6背面上的粒子滑入锥形分流器5的内侧面上以至最终流入沉淀物存储腔7内。水在完成围绕固液分离器至少两周后从出水口19排出，由于进水口和出水口的方向成180度，其连接的进水管和出水管这将在应用中更便于安装和减少安装费用。分离器的内部结构可用任何耐污水腐蚀的材料制作。
25.实施例2以实施例1为基础，对无需去除入水中漂浮物质的应用情况，附着在壳体1上的进水渠道2可以省略，如图12所示。入水将由进水口14以切线的方向被直接输送到下旋流沉淀子腔12内进行处理，其所有处理过程与实施例1相同。由于锥形分流器5的约束，进入下旋流沉淀子腔12中的水将以切线的方向在固液分离器中做水平环绕，水中可沉淀的悬浮颗粒将通过虚拟池底的旋流网格板4进入下面的沉淀物存储腔7内，虚拟池底的旋流网格板4的存在使进入沉淀物存储腔7内的粒子重新返回旋流网格板4上部水域的可能性不大。与此同时，沿旋流网格板4上部表面流行的水能起到自动清理虚拟池底所用的旋流网格板4的作用。当入水完成绕下旋流沉淀子腔12一周后将从锥形分流器5 侧面通道口 11以切线的方向流入它的内侧，锥形分流器5的侧面倾斜角度不小于45
°
，锥形分流器5 侧面通道口11的一边沿呈外向弯曲一直连接到壳体1的内侧，这将迫使所有在下旋流沉淀子腔12完成旋绕一周后的水进入上旋流沉淀子腔13做进一步的处理。锥形分流器5侧面通道口11的另一边沿呈内向弯曲，它可让水更容易通过。如想增加去除轻微粒子的效率，可考虑在锥形分流器5 的内侧面上安装像专利号为2021108473380所述的旋流爪产生器或添加数个同心锥形分流器5。
26.本发明从以下几个方面来促进悬浮颗粒的沉淀：首先，虚拟池底技术的使用解决了传统沉淀池或固液分离器所面临的当沉淀粒子落到实际池底后有可能会被强流重新带走的问题。从而极大的增加了悬浮物沉淀的效率。其次，锥形分流器5把粒子沉淀腔3分成两部分，即下旋流沉淀子腔12和上旋流沉淀子腔13，这样使得有限的空间得以充分的利用，迫使水在分离器中进行二次旋流循环，相当于待处理的水体一次通过两个具有同样尺寸的传统旋流沉砂池，以增加处理空间和时间，从而进一步增加去除悬浮物沉淀的效率。
27.本发明提出的虚拟池底基本原理以及双旋流固液分离器可作为一种高效沉砂池或固液分离器用于城乡污水的一级处理，以及雨水径流、合流制溢流污水、采矿和采油等污水的处理，对使用区域没有特殊要求，可安装在地面下或地面上。使用时只要把进水口14和
污水供应管相连接，出水口19和排放管相连接即可运行。当双旋流固液分离器安装地面下时，可在双旋流固液分离器中心孔的正上方地面开孔以便吸除沉淀物或从沉淀物存储腔7的底部沉淀物出口20用螺杆传输器或以其它方式把所收集到的沉淀物传送到地面上。在进水渠道2漂浮物收集池15的正上方地面需开孔以吸除漂浮物。如选择从底部清理沉淀物，双旋流固液分离器的顶部可被封盖以减少气味污染。
28.上述实施例所涉及的是应用虚拟池底技术于圆筒型设备的设计构架，当然在相同原理下，虚拟池底技术可用于其它形状的沉淀池，如长方型和椭圆型等，如图13所示。
29.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。