专利名称：用于间歇式流动供水的慢砂过滤器及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种新颖的间歇式慢砂过滤器及一种使用该间歇式过滤器的方法。更具体地说，本发明涉及这样一种新颖的慢砂过滤器，该过滤器即使在进行间歇式工作时，也能够保证其效率，并且可以在不影响该间歇式过滤器正常工作的条件下进行周期性清洁。
本发明的背景技术众所周知，慢砂过滤器可以有效地去除细菌，寄生虫，贾第虫孢囊，隐孢子虫属卵囊及病毒。虽然细菌，寄生虫和病毒可以通过进行消毒而杀死或者失去活性，但是休眠的孢囊及卵囊却对消毒作用有很强的抵抗力，除非所投入的消毒剂的浓度非常大。慢砂过滤器可以用来供应用于直接消费的净水，也可以用于供给需要进行进一步处理的水，比如需要通过逆渗透或者超过滤工艺来进行进一步处理的水，但是这两种工艺在刚开始工作时均需利用到非常纯净的水。
在现有技术中，公知的慢砂过滤器需要连续地供水，并且希望使用连续的流动水。这样一种现有的慢砂过滤器在授权给Pyper的美国专利No.5032261中进行了描述。该慢砂过滤器包括一个部分填充有砂的容器。该慢砂过滤器带有一进水口和一出水口。含有氧气的水以约为0.08米/小时或者略高于此的速度连续地流经所述砂层，利用砂层来对水流进行过滤。另外，当所述砂层被浸泡在含氧水流中数天后，在砂层的上表面上会形成一有益的初始嗜氧性裸露可见生物层。该生物层被称为菌类去污层，该菌类去污层由各种有机物形成，比如藻类、浮游生物、硅藻、原生动物及细菌。该菌类去污层能够俘获，部分吸收并破坏连续流经该过滤器的生水中所含有的有机物质。这些有机物质聚集在菌类去污层上并形成简单的无机盐。与此同时，生水中的惰性悬浮颗粒被砂层机械地去除。
但是，在间歇式供水的地方，比如在乡村农舍中，这种慢砂过滤器并不适用。在所述情况下，现有慢砂过滤器中的水将发生积滞(缺少氧气)并且会由于缺少氧气而使得菌类去污层死亡。这个缺点限制了现有慢砂过滤器的应用。
1988年8月23日授权给Hulbert等的美国专利No.4765892中公开了一种慢砂过滤系统，其中敞口式滤槽内具有一砂层，及能够有效增强过滤作用的量的沸石。通过菌类去污层的生长而覆盖所述沸石，该菌类去污层由一活性生物层组成，该活性生物选自于藻类、浮游生物、硅藻、原生动物、轮虫及细菌。
从而，在1987年由位于荷兰海牙的International ReferenceCentre for Community Water Supply and Sanitation所主办的技术论文第24期第31页中，由Visscher等在“Slow Sand Filtrationfor Community Water Supply”中指出，由于“已经明确地示出在过滤器重新开始工作后的四至五小时内将发生令人难以接受的细菌污染物渗漏现象”，所以对慢砂过滤器进行间歇式操作是不允许的。同样，在1974年由位于日内瓦的世界健康组织出版，由Huisman在“Slow SandFiltration”第32页中指出，慢砂过滤器必须以尽可能恒定的过滤速率进行工作。从而，对现有技术的理解是慢砂过滤器不应该被间歇式操作。利用间歇式操作，并不是指为了进行维护而将慢砂过滤器的工作状态临时性中断，比如像Hulbert的美国专利No.4765892中所描述的那样，而是说在没有水流流经该过滤器的周期内，该慢砂过滤器仍保持工作状态，并且菌类去污层保持存活。与本发明相反，Hulbert所述的过滤器是在维护过程中进行清洁的，所以除非该过滤器再次开始工作，所述菌类去污层将不能够保持活性。
对于由Hulbert所描述的慢砂过滤器来说，过滤材料上方水的深度处于60厘米至2.44米范围内，由于缺少氧气，所以在间歇式工作周期中随着水流的停止菌类去污层也将立即开始死亡，并且在一夜工夫将会全部死亡。这些可以通过对菌类去污层的氧气需求量进行理论计算而得以证明。
本发明的概述本发明涉及这样一种慢砂过滤设备，该设备包括一个具有一上部和一下部的容器；一个位于该容器上部中的进水口，该进水口与一水供应源相连通；一种至少填充所述容器下部的过滤材料，该过滤材料的上表面低于所述进水口；一位于所述过滤材料上表面上的菌类去污层；一个位于所述容器下部中并低于所述过滤材料上表面的出水口；及一个位于所述上部中的水位保持装置，该水位保持装置用于将所述容器上部中的水控制在一位于所述过滤材料上表面上方的受控液位处(maintenance level)，该受控液位在下述两种水位之间寻求平衡，即(1)一足够深的受控水位，以便从进水口落入所述容器中水面上的水不会明显扰动所述菌类去污层；和(2)一足够浅的受控水位，以便来自该水位上方空气中的氧气可以透过水进行扩散并到达所述菌类去污层，从而使得即使在没有水通过所述进水口的情况下，所述菌类去污层也能够保持在存活状态。
所述慢砂过滤设备还可以包括一位于受控水位上方的扩散器，在从进水口流入的水到达所述受控水位及底层过滤材料的上表面上之前，流经该扩散器。
所述水位保持装置可以包括一导管，该导管与出水口相连通并且向上延伸到所述受控水位处。该水位保持装置可以将水位保持在过滤材料上表面上方约1厘米至8厘米之间，或者保持在过滤材料上表面上方约1厘米至5厘米之间。所述过滤材料可以是石英砂。所述慢砂过滤设备还可以包括一连接到所述进水口上的进水管道，和用于将水可控制地送入该进水管道的进水控制装置。
所述慢砂过滤设备还可以包括一第一水位检测器，用于对容器中的高水位进行检测；一第二水位检测器，用于对容器中的低水位进行检测；及一控制器，该控制器被连接成能够从第一和第二容器水位检测器中接收信号，并且能够向所述进水控制装置提供信号，以便将受控水位保持在所需的受控水位范围内。
所述慢砂过滤设备还可以包括一较高水位检测器，该检测器用于向所述控制器提供一信号来指示容器中过高的水位。
所述扩散器可以包括多个离散的小孔，用于使得积聚在该扩散器上方的水通过该扩散器而向下渗漏到容器中的水面上。
所述慢砂过滤设备还可以包括一个与所述出水口相连通的蓄水容器，用于检测该蓄水容器中高、低水位的第一和第二蓄水容器水位检测器，及一流量控制装置，用于对从容器的出水口流入该蓄水容器中的水流进行控制。该慢砂过滤设备还可以包括一与该设备中的进水口相连通的生水蓄水池，及一个控制装置，用于对从该生水蓄水池流入所述慢砂过滤设备中的水流进行控制。
所述慢砂过滤设备还可以包括这样一个机构，该机构能够对过滤材料的上表面进行清理。该清理机构可以是可手动操作的机械式搅拌器。该机械式搅拌器可以包括一与过滤材料的上表面相接触的搅拌叶片，和一个可旋转的轴及手柄，用于对该搅拌器进行手动旋转。所述搅拌叶片可以包括刮板、刮齿、刮片、刮叉、L形刮刀及T形刮刀中的任何一种。该机械式搅拌器可以在一位于所述容器上部中的水扩散器中绕枢轴旋转。
本发明还涉及一种操作慢砂过滤器的方法，其中该过滤器包括一容器，部分填充在该容器中的过滤材料，一位于该过滤材料上方的进水口和一位于该过滤材料中的出水口，该方法包括下述步骤将所述容器中的水位在过滤材料上表面的上方保持在这样的一水位上，即该水位在下述两种水位之间寻求平衡，即(1)一足够深的受控水位，以便从进水口下落到容器中水面上的水不会明显扰动所述菌类去污层；和(2)一足够浅的水位，以便来自该水位上方空气中的氧气可以透过水进行扩散并到达所述菌类去污层，从而使得即使在没有水流通过进水口的情况下所述菌类去污层也能够保持在存活状态。
对附图的简要描述在附图中示出了本发明的若干个特定实施例，但是均不能够以任何方式将其解释为是对本发明精神与范围的限定附
图1是根据本发明的一手动操作间歇式慢砂过滤器的垂直剖视图，其中该过滤器处于备用状态。
附图2是附图1中所示设备的顶部的垂直剖视图，其中该过滤器处于工作状态。
附图3是根据本发明的一自动操作间歇式慢砂过滤器的垂直剖视图。
附图4是用于附图3所示设备中的扩散器板夹持件的细节图。
附图5是用于附图3所示设备中的扩散器板平面图；附图6是附图5中所示扩散器板的侧剖视图。
附图7是附图3中所示设备的液流示意图，其中结合有一生水蓄水池和一饮用水蓄水容器。
附图8是用于附图3中所示设备的控制系统示意图，其中结合有一生水蓄水池和一饮用水蓄水容器。
附图9是根据本发明的自动间歇式慢砂过滤器第二实施例的正视图。
附图10是附图9中所示自动间歇式慢砂过滤器的侧视图。
附图11是附图9中所示自动间歇式慢砂过滤器的前剖视图。
附图12是附图10中所示自动间歇式慢砂过滤器的侧剖视图，其中带有就地清理设备(clean in place apparatus)。
附图13是用于附图12所示设备中的扩散器平面图。
附图14是附图13中所示扩散器的侧剖视图。
附图15是用于附图12所示设备底部的下排水装置的俯视图。
附图16是根据本发明的扩散器及就地清理设备的侧剖视图。
附图17示出了搅拌叶片第一结构的侧视图，其中该搅拌叶片应用于附图16所示的就地清理设备中。
附图18至22分别示出了应用于就地清理设备的不同可选择搅拌叶片的实施例。
对本发明中若干特定实施例的详细描述对于环境工程师来说，都会知道对于未被设计成进行间歇式操作的慢砂过滤器来说，在进行间歇式操作时无法令人满意的进行过滤操作(参见由位于荷兰海牙的International Reference Centre forCommunity Water Supply and Sanitation主办的第24期技术论文中，由Visscher，Paramasivan，Raman及Heinjnen所撰写的“SlowSand Filtration for Community Water Supply”；及1991年由Task Committee on Slow Sand Filtration of the EnvironmentalEngineering Division of the American Society of CivilEngineers所作的报告，“Slow Sand Filtration”)。据报道，慢砂过滤器性能的降低与砂表面上方的水中所溶解氧气量的降低相一致(参见1980年Indian Journal of Environmental Health第22期第2册第136至150页中由Paramasivan，Joshi，Dhage及Taijne所撰写的“Effect of Intermittent Operation of Slow Sand Filterson Filtered Water Quality”)。这些结论均是通过对实际的连续操作式慢砂过滤器进行观测而得出的，其中这些过滤器用于对天然的供应水进行处理。
本发明已经发现，通过在砂层(或者其他过滤材料)上表面上方保持静态水位(1)高于一最低深度，以使得生物有机水处理层(称作菌类去污层)不会干燥或者由所灌注入的水而扰动，从而贯穿所述菌类去污层并且使得未经处理的生水穿过该菌类去污层；并且(2)低于一最高深度，以使得来自空气中的氧气可以到达所述菌类去污层，从而该菌类去污层不会被缺乏氧气的积滞水所杀死。
可以使得即使是在间歇式操作的条件下，所述菌类去污层也能够保持在存活状态，并且即使进行间歇式供水时，也可以保持该慢砂过滤器的效率。该静态水位，或者说受控水位被定义为当该过滤器没有工作时，也就是说，当没有向其供水时，所述慢砂过滤器中的水位。
在本发明中的间歇式慢砂过滤器中，菌类去污层通常会存活至少一个星期，并且可以在这种情况下，即从水流流经该过滤器的周期至下一个周期之间没有水流发生的情况下，至少能够存活一个星期。当一个房舍远离村庄时将会发生这种情况。总之，在没有水流的周期被延长的情况下，所述菌类去污层不会因为缺乏氧气而被杀死，但却会因为缺乏养分而死亡。通过在没有水流流经所述慢砂过滤器的时间段内为菌类去污层提供超过48小时的生命，本发明明显优越于现有技术。
由于在本技术领域中先前均认为，在没有水流动的慢砂过滤器中菌类去污层会快速死去，所以这是一个令人惊奇的发现。
慢砂过滤器的正常连续操作会导致生物层(菌类去污层)的厚度随时间而增加。这又将导致水流量相应减少。因而，在连续式系统中，必须时不时地停止该慢砂过滤器，并通过刮去所述生物层的一部分来物理性减少该菌类去污层的厚度。从而，由于本发明中慢砂过滤器的间歇式工作能够真正地改善水的流量，所以又可以提供第二个优点，其中所述水流量的改善是由于所述生物层(菌类去污层)的略微不足和尺寸减小而造成的。
在所述间歇式慢砂过滤器的一实施例中利用了一升高了的导管来蓄水，用以在该慢砂过滤器容器中形成恒定的受控水位。所述容器包括一进水口和一出水口，并且部分填充有砂或者其他过滤材料。一个引自所述慢砂过滤器出水口的导管向上升高，在朝一蓄水池下降之前达到砂层上方的所需水位处。即使水流是间歇式的，在所述导管及容器中的逆流水也会达到砂层上表面上方的所需水位处。所述菌类去污层自动并且自然地形成于过滤材料的上表面上。最好，在这样一种手动操作式慢砂过滤器中，即利用细石英砂作为过滤介质并且处于室温下(约为21℃)的过滤器中，水位被保持在所述过滤介质上表面上方约1厘米之上，并且位于该过滤介质上表面上方约8厘米之下。
根据本发明，在所述间歇式慢砂过滤器的另一实施例中，水位被自动保持，当没有使用时，在一被部分填充的容器内处于一所需的最低受控液位处，否则将保持在砂层(或者其他过滤材料)上表面上方的所需液位范围内。通过一能够感测所述慢砂过滤器中最低和最高水位的系统来提供自动化控制。水的供应可以在一阀的控制作用下利用一泵或者利用重力作用下的流动来进行。在没有从该慢砂过滤器中取用水的时间内，水位在一定范围内，比如在前述用于手动操作式慢砂过滤器的范围内，保持在一所需的受控液位处。
从一自动间歇式慢砂过滤器中流出的水最好被送入一蓄水容器中。也可以利用一由上部和下部限位检测器所形成的组合装置及一个位于出水管道上的阀门来将该蓄水容器中的水位控制在所需范围内，其中所述出水导管自容器引向所述蓄水容器。
根据本发明，所述间歇操作式慢砂过滤器的结构及工作方式已经得以认真地改进，用以消除伴随连续操作式慢砂过滤器在不工作时所产生的问题。所述间歇操作式过滤器已经在现场和试验室条件下利用天然的供应水进行了多方面测试(参见B.Buzunis于1995年在卡尔加里大学(University of Calgary)所做的M.Eng.论文，其题目为“Intermittently Operated Slow Sand FiltrationA New WaterTreatment Process”)。一项利用天然的水供应源对一间歇操作式慢砂过滤器所进行的探索研究已经表明，即使该过滤器被间歇式操作，只要砂层表面处的溶解氧气浓度能够被保持在一足够高的水平，那么该慢砂过滤器的性能就永远不会被削弱。相比而言，正如前面所指出的那样，由Paramasivan等所进行的研究表明，当大型的连续操作式慢砂过滤器被停机相同的时间周期时其将会失效。
在砂层表面处所溶解的氧气被活性菌类去污层所消耗的速率，与该砂层表面处微生物、有机物质及无机物质(统称为生物层或者菌类去污层)的聚集度呈函数关系，但是与这种聚集是如何实现的毫无关系(也就是说，与过滤器的工作方式，连续式或者是间歇式没有关系)。从而，在砂层上方具有较深的水的连续操作式过滤器，当其不工作时，如果显示出与具有相同深度的水的间歇操作式过滤器当其暂停或者中断时所消耗的所溶解氧气量相等，那么就可以认为这两种过滤器具有相同的生物层，并且非工作状态和/或暂停状态的持续时间也相同。从而，从一完全停止的连续操作式过滤器和从一暂停的间歇操作式过滤器所得到的结果将是类似的。从而，由Paramasivan等在连续操作式慢砂过滤器上所进行的研究可以应用于间歇操作式慢砂过滤器。
参照附图1和2，在此示出了一个根据本发明的手动操作式慢砂过滤器，用于间歇式供水。该装置比如可以在个人家庭居所中独立地间歇使用。该慢砂过滤器包括一水密的容器12，该容器12具有一上部14和一下部16。该容器12被承载在一基座或者支撑台13上。尽管家庭使用时容器12可以具有约40厘米的直径，但是该容器12最好约为1米至1.2米高并且具有变化的横截面。该容器12可以由诸如PVC这样的塑料制成，或者由混凝土或者其他适于盛装饮用水的材料制成。所述容器12的上部14由一盖子18所覆盖，该盖子18最好能够完全罩盖住容器12的敞口顶部，以防止灰尘或者其他碎屑进入该容器12中。
容器12的敞口顶部形成了一个进水口，其允许将水倾注入该容器12的敞口顶部中。容器12的下部16填充有40厘米或者更厚的细洁净石英砂20，或者其他适于用于慢砂过滤器的过滤材料(比如，在Piper的美国专利No.5032261中所描述的材料)。在容器12的下部16底部形成一出水口22。该出水口22的下端部包括由卵石24所形成的下排水层，其位于砂层20之下，和一个经穿孔的排水导管26，该导管26位于所述卵石24中并且穿经容器12下部16上的一个孔延伸出来，并且终止于用作喷口28的上端部处。如同在此所描述的所有导管一样，排水导管26是一个直径约为12毫米的穿孔PVC导管，并且沿该穿孔的导管26的底部具有中心距为25毫米的3毫米直径小孔。位于卵石24中的排水导管26其一端部由一12毫米直径的PVC端帽27进行密封。所述卵石24最好是洁净的19毫米石英砾，或者类似物。所述导管26的穿孔端部被包埋在卵石24中，并且在该穿孔导管26的隆起部上方具有约5厘米厚的卵石。
在容器12中的水位30必须被保持在位于砂层20上表面21上方的最低和最高液位之间，最好是处于砂层20的上表面上方1厘米至8厘米的范围内。这可以通过在容器12上进行恰当地标记而得以实现。容器中的水处于常温(也就是说没有被加热)，比如21℃，和常压(大气压)下。所述低水位，也就是说1厘米，被选定为足够深以防止菌类去污层21干燥，因为这样将会杀死菌类，或者由于水下落到容器12中水面30上所产生的紊流而导致所述菌类去污层21被扰动。
所述高水位30被选定成能够使得其足够浅以防止积滞现象，也就是说在没有新鲜生水送入的时间段内来自水面30上方空气中的氧气无法被传送到所述菌类去污层21。在此所使用的词语“积滞”是用于说明这样一种情况，即位于砂层20上表面上的菌类去污层21上方的水太深，以致于水中失去氧气并且菌类发生死亡。由于所述菌类去污层21会消耗水中的氧气并且如果该菌类去污层21上方的水太深，那么水面30上方的氧气将无法到达所述菌类去污层21，从而该层21将死亡。实际中的高水位30应认为由过滤介质的类型及周围环境的温度所决定，并且易于由试验来进行确定。由本发明人所提出的1厘米至8厘米的范围对21℃下的细石英砂而言是有益的。通常，最高水位30越低越好(但必须高于1厘米)。因而水的波动范围优选为1厘米至5厘米。
通过将所述导管26从出水口向上延伸到由喷口28所示的所需液位处，水位可以得以保持。即使当该慢砂过滤器处于未工作状态时，也就是说当没有再向该过滤器中补充生水时，该水位30也能够保持在最低液位处。这就是公知的备用状态。附图2图示出了过滤器12的上部14处于初始工作状态下的剖面正视图。在工作过程中，当生水被首先导入时，水位将开始升高，如附图2中所示那样，并且随着经过滤后的水穿过砂层20、卵石24而向下流入导管26上的穿孔中，水位将逐步降低到附图1中所示出的所需液位30处。经过滤后的水可以被收集在水桶或者其他适用于盛装饮用水的蓄水容器32中，或者被泵送到如后面附图中所示的饮用水蓄水容器中。在这种条件下，砂层的顶层21上会自然地形成一菌类去污层。
当在工作过程中将水添加到容器12的顶部中时，除非非常小心地添加，否则将会扰动脆弱的菌类去污层21。为了防止对敏感的菌类去污层21的扰动，最好包括一扩散器34，并利用任何诸如附图4中所示出的适当装置来将该扩散器34在砂层20的菌类去污层21的上方固定到容器12的侧壁上。该扩散器34必须能够均匀地对生水进行扩散，并且以比向过滤器中所供送生水的速度大的速度对生水进行配送。该扩散器34在附图5和6中被详细示出，并且穿孔有间隔约为1厘米的2毫米直径小孔，并且其位于砂层20上的菌类去污层21上方约10厘米处，并且至少要高于附图1中所示出的所需水位30。在工作过程中进入容器12的水在刚开始时会聚集在扩散器34上，并且在不会扰动所述菌类去污层21的条件下逐步渗漏到其上。
在工作过程中，容器12通常由水灌注到位于最高和最低液位之间的所需液位30处，并且菌类去污层21处于存活状态。为了使得所述过滤器以最简单的方式工作，可以将盖子18去除并且将生水倾注到容器12的顶部中。接着，经过滤后的水将开始流入饮用水蓄水容器32中。该经过滤后的水将从所述过滤器中持续流出直至所述菌类去污层21上方的水位30低于排水导管喷口28的底部时为止。在工作过程中，活性菌类去污层21的厚度会随时间而增大。当菌类去污层21的厚度增大到这样一程度时，即使得流经该过滤器的水流速度被降低到低于可接受的水平时，就需要进行维护。维护工艺通常是去除所述菌类去污层21，并且与其一起还去除掉1厘米或者2厘米厚的砂层。在进行清理后，预计该手动操作式过滤器在一天后将会恢复工作。
用于间歇式供送生水的自动操作式慢砂过滤器在附图3至8中被示出。该自动装置被用于比如在没有户主参与的条件下将经过滤后的饮用水一直可靠地并时常间断地供送到家用水龙头中。如附图3中所示的所述自动式慢砂过滤器包括一水密的圆柱形容器42，该容器42具有与附图1中所示出的容器12相似的构造和尺寸的一上部44和一下部46，并具有一相类似的盖子48。一生水进水导管49穿经容器42的上部44中的侧壁并形成一朝下的生水进水口。容器42的下部46中填充有40厘米或者更厚(比如61厘米)的过滤材料50，比如类似于附图1中所示过滤材料20的石英砂。
在容器42的下部46中形成有一出水层52。位于容器42底部处的该出水层52包括一由卵石形成的下排水层54，后者位于过滤砂层50的下方，和一与卵石层54协同工作的穿孔导管56。该导管56具有一端帽57。导管56位于卵石层54中并且经由容器42的下部46中的一穿孔延伸出来。卵石层54与砂层50最好由一地质隔膜(geomembrane)53分隔开。导管56通向一饮用水蓄水容器(在附图7和8中示出)。最好，该导管56被包埋在至少20厘米的卵石层54中。流经生水进水口49的流速必须大于流经过滤砂层50的最大流速，用以保持水位位于砂层51上表面的上方，并从而保持菌类去污层51保持存活状态。
水位55必须位于所述菌类去污层51的上方1厘米至8厘米之间，并且最好位于1厘米至5厘米之间。位于1厘米和5厘米处的传感器可用于确保水位55处于这些范围之内。
当在工作过程中经由进水口49向容器42中加入生水时，除非将水小心地加入，否则将扰动和穿透菌类去污层51。为了防止该菌类去污层51发生紊流扰动，并且确保所有生水均受迫流经该菌类去污层51而不是绕过该菌类去污层，最好包括一扩散器64，在附图5和6中具体示出了该扩散器64。扩散器64被以与附图1中扩散器34相同的方式进行穿孔，从而带有均匀分布的小孔65。该扩散器64如附图4中所示那样由螺栓66，螺母67及垫圈68在砂层50上的菌类去污层51及水位55上方固定到容器42上。最好，该扩散器64被定位在砂层50上所述层51的上方约8厘米处，并且位于最低水位55(也可以称为受控水位ML)的上方5毫米处，并且还必须能够以比流经进水管道49向过滤器容器42供送的生水速度大的速度对水进行分配。在工作过程中，注入容器42中的生水穿经该扩散器64上的小孔65而到达水位55的上表面上，并且在不会扰动砂层上菌类去污层51的条件下，或者在不会在该菌类去污层中产生所不希望产生的穿孔的条件下逐步向下渗漏到该菌类去污层51上。
在容器42的上部44中，有一个穿过容器42的侧壁延伸的排气导管70，该排气导管装配有一排水管71和排气管72。导管70与管道49处于相同高度处。带有排水管71的导管70起紧急排水管的作用，并且必须具有与进水管道49相同的送水能力。排气管72允许气体从容器42中逸散出来，并且必须具有足够的能力以使得在向容器42中灌注生水的同时将该过滤器上部中的气体排出，并且当从该过滤器中将水排出时又能够使得气体进入到该过滤器的上部中。该过滤器上部44中的空气应该保持在大气压力下。
现在参照附图7和8，其中分别示出了液流和控制系统的示意图，并且经由导管56从慢砂过滤器的容器42流入饮用水蓄水容器62的水流速度由一适用装置进行控制，比如一球阀74和一电磁阀76。导管56由在管子接头78处相连接的三根长度为12毫米的PVC导管形成，并且所述电磁阀76位于所述导管的中部。导管56的后段被导入饮用水蓄水容器62中。该饮用水蓄水容器62被制成能够盛装一足够通常使用的水供应源。从该饮用水蓄水容器62流出的水流可以通过球阀81并经由排水管道80，或者通过出水管道83上的配水系统82(以虚线框示出)进行配送。该配水系统82由管道83上的球阀84与所述饮用水蓄水容器62隔离开，并且为用户提供所需利用的饮用水，或者将水返送回生水蓄水池88中。管道83中水的配送是由泵86来驱动的，该泵86固定于两个管子接头85之间的管道83中。当需要利用净水来冲洗过滤器的容器42时，从泵86中泵送出的水可以在管道87上电磁阀89的控制下沿管道87返送回生水蓄水池88中，或者沿管道83通向管道90和91，在该管道90和91处可以通过手动操作通常安装在家中的阀(比如水龙头)92来利用这些饮用水。
利用进水管道49上的泵93可以将水从生水蓄水池88供送到慢砂过滤器容器42中。如果生水蓄水池88高于该容器42，那么可以利用重力作用，并且所述送水泵86可以被一电磁阀来替代。该送水泵86，或者电磁阀构成了一个进水控制装置，用于可控制地将水供送到生水进水管道49中。排水管71(参见附图3)可以直接将水返送回生水蓄水池88中或者作为废水排放掉。
对容器42中及饮用水蓄水容器62中水位的控制通过利用刚刚所描述的水流控制装置及容器42和饮用水蓄水容器62中的水位检测器来完成。正如附图8中所示那样，容器42中的水位检测器用于检测下述水位(1)受控液位55(ML)(参见附图3)，其处于砂层50上菌类去污层51的上方25毫米处(仍参见附图3)；(2)一高水位报警液位(SHLA)，其位于所述砂层50上层51的上方18厘米处(用于防止溢流)；(3)一送水泵停机液位(SFP)，其位于所述层51的上方15厘米处；及(4)一送水泵起动液位(STFP)，其位于所述砂层50上层51的上方50毫米处。这些液位及前述简称均在附图8中予以示出。为了使得所述菌类去污层即使在没有水流存在的条件下也能够保持在存活状态，水位55必须在非工作期间内保持在所述受控液位ML的可接受的范围内。该受控液位ML根据前述用于手动操作式慢砂过滤器的菌类去污层控制标准来进行选择。通常，水位30(参见附图1)或者水位55(参见附图3)应该处于所述砂层20或50上表面的上方1厘米至8厘米深度之间，并且优选为处于1厘米至5厘米深度之间。
正如在附图8中所能够看到的那样，饮用水蓄水容器62中的水位由检测器进行检测，这些检测器用于检测下述液位(1)一高水位报警液位(RHLA)，其与所述蓄水容器62的上表面96的距离为2.5厘米；(2)一蓄水容器水流停止液位(SRF)，其与所述蓄水容器62的上表面96的距离为7.5厘米；(3)一蓄水容器水流起动液位(STRF)，其与所述蓄水容器62的上表面96的距离为20.0厘米；及(4)配送泵断电液位(DPC)，其与所述蓄水容器62的底部98的距离为5.0厘米，并位于出水管道80和83之上。具有前述简称的所述检测器在附图8中的适当液位处示意性示出。
当通常经由水龙头92(参见附图7)来从管道90或91中利用饮用水时，水必须被从所述饮用水蓄水容器62中泵送过来，并且这些水还必须得以及时补充。因而下文中将对用于饮用水蓄水容器62的水灌注循环进行描述。当需要从管道90和91中取用水时，配送泵86将自动起动，从而迫使饮用水沿管道83从所述蓄水容器62流向管道90和91中之一(根据需要也可以是其他类似于管道90和91的管道)。从而饮用水蓄水容器62中的水位将会下降。当所述饮用水蓄水容器62中的水降低到由STRF检测器进行检测的液位处时，电磁阀89开启并且生水送水泵93起动。由送水泵93向慢砂过滤器容器42供送的生水速度大于经由出水管道56所排出的水的速度，从而使得容器42中的水位55(参见附图3)升高。当容器42中的水位升高并被SFP检测器检测到时，所述送水泵93停机，从而中断经由管道49流向容器42中的水流。容器42中的水将持续向下渗透穿经所述砂层50并流入管道56中，并且随后进入饮用水蓄水容器62中直至在容器42中达到STFP检测器的位置处。随后，送水泵93将再次起动。随后该循环将根据需要而进行重复，来对所述饮用水蓄水容器62进行灌注。
当由于经由管道56从容器42进行供水而使得饮用水蓄水容器62中的水达到由SRF进行检测的液位处时，所述送水泵93将停机，但是电磁阀76仍然保持开启状态。这将使得更多的饮用水经由管道56从容器42中排出。
在从蓄水容器62供送出的饮用水未被利用的期间内，最好将容器42中的水排出直至所述受控液位ML(最好处于所述菌类去污层的上方1厘米至5厘米之间)，这是因为该范围是保持所述菌类去污层处于活性状态的优选液位。此目的可以通过下述工艺来实现，这些工艺构成了饮用水蓄水容器灌注循环的一部分。经由管道56通过从容器42中排出经过滤后的水而使得饮用水蓄水容器62中的水位向由RHLA进行检测的液位处升高，并且当达到该液位时，电磁阀89将开启，用以将饮用水蓄水容器62中的饮用水排入到生水蓄水容器88中。当饮用水蓄水容器62中的水位下降到由SRF进行检测的液位处时，电磁阀89将关闭。随后过滤后的水经由管道56持续地从容器42中排入到蓄水容器62中，并且根据需要对这些步骤进行重复直至容器42中的水位达到ML，在该液位处电磁阀76将被关闭。这样就完成了饮用水蓄水容器62的灌注循环。该工艺可以根据需要而进行重复。
当从饮用水蓄水容器62中供出的水经24小时而未被利用时，最好对该饮用水蓄水容器62中的水进行更新(即更新循环)。将电磁阀89开启，从而使得饮用水从蓄水容器62中排入到生水蓄水池88中直至该饮用水蓄水容器62中的水位下降到由STRF进行检测的液位处，在该位置处阀89将被关闭。随后新鲜的饮用水将经由管道56排入到蓄水容器62中。
如果容器42中的水升高到了由SHLA进行检测的液位处，那么该容器42中的水位就过高了，从而必须利用后续的饮用水蓄水容器较高液位降低循环(high level reduction cycle)来降低液位。接着，生水送水泵93将停机，直至容器42中的水位降低到液位ML，并且阀89开启，直至饮用水蓄水容器62中的液位低于由STRF进行检测的液位。随后容器42中的水位将被保持在ML处，并且随后通过对阀76进行激发来开始对所述饮用水蓄水容器62的灌注循环。
如果饮用水蓄水容器62中的水位下降到了由DPC进行检测的液位处，那么该饮用水蓄水容器62中的水位就必须升高。这可以简单地通过中断由配送泵86向管道90和91的供水而实现，直至该饮用水蓄水容器62中的液位升高到由STRF进行检测的液位处为止。
前述工艺的运算方法被编入一微控制器100中，该微控制器100被连接成能够从各个检测器SHLA，SFP，STFP，ML，RHLA，SRF，STRF及DPC中接收信号(参见附图8)，并且对泵86和93及各个电磁阀76和89进行控制。该控制器100可以是一个可编程的逻辑控制器(PLC)，比如由A1len Bradley公司提供的No.1747-L20C/F12-DC SNK8-RLY型逻辑控制器，并根据所附软件进行编程，比如Schedule A。可选择地，其也可以是一个以相同方式进行编程的CPU(比如，Microchip公司生产的PIC16C55/57VLSI型控制器)。所述软件可以执行在此处所描述的工艺控制步骤，并且可以很容易地由任何熟练的程序员根据本说明书中所述的内容进行编程。控制器100可以向泵86和93及阀76和89提供信号，用以控制它们的工作状态并且将水位保持在所需液位上。
接下来我们将对如附图9至22中所示的本发明第二实施例进行描述。附图9是根据本发明的自动间歇式操作慢砂过滤器第二实施例的正视图，其具有就地清洗的特征。正如附图9中所示那样，该慢砂过滤器由一个向下呈锥形倾斜的容器102构成，该容器102又带有一个位于其顶部处的盖子104。该向下呈锥形倾斜的形状有益于进行运输，这是因为大量的容器可以套叠在一起来节省空间。在容器102的顶部圆周上形成有一搁架133。在容器102的外周装配有一竖直导管105。该竖直导管105内部具有一排水阀106，一控制阀位置108，一过滤器出水口110，一防虹吸阀112及一闷头连接件114，其中所述闷头连接件114位于竖直导管105的底部，但位于基座144的上方。下面将对这些附件的应用进行说明。
附图10是先前在附图9中所示自动式慢砂过滤器第二实施例的侧视图。所述竖直导管105经由闷头连接件114而连接在容器102的底部上。一控制阀109连接在所述控制阀位置108处(参见附图9)。在该阀顶部，所述导管105还在此处连接有一经处理水的喷管116，所述导管105在其顶部带有一个校准阀115(calibration valve)。导管105的顶部又经由防虹吸孔113与容器102的顶部相连通。
附图11示出了先前在附图9和10中所示间歇操作式慢砂过滤器第二实施例的前剖视图。在所述容器102的内部具有以叠置结构设置的一顶部砂层120，一位于该砂层120下方的第二砂层122，一位于该砂层122下方的第三砂层124及一卵石底层126。形成所述顶部砂层120、第二砂层122、及第三砂层124的砂的等级及筛分尺寸在质量上与直径上均不相同，用以为所述自动间歇操作式慢砂过滤器提供所需的过滤器流速及特征。静态水位118，如先前所说明的这样进行设定，以便在两种要求之间寻求平衡，即必须足够浅，用以使得氧气可以从该水位118的上表面上向下渗透到位于砂层120上部的菌类去污层119上，并且与此同时，又必须足够深，用以使得由导入到容器102顶部中的新鲜生水所造成的紊流不会扰动或者穿透所述菌类去污层。为了得到令人满意的工作状态，水位118必须处于顶部砂层120上表面的上方约1厘米至8厘米之间，优选为处于1厘米至5厘米之间。
附图12图示出了所述自动间歇操作式慢砂过滤器第二实施例的侧剖视图，其中该过滤器带有一就地清理式设备。正如附图12中所能够看到的那样，容器102在位于所述砂层120上表面上方的顶部区域中包含有一可手动操作的机械式搅拌器128，该搅拌器128穿经扩散槽130的中心部。该扩散槽130的边沿座放在搁架133上，该搁架环绕所述容器102顶部区域处的圆周而形成。所述竖直导管105，如同先前结合附图9和10所进行的讨论那样，经由闷头连接件114连接在容器102的底部处。该导管105内部如先前所述那样装配有一控制阀109，一经处理后的水的喷管116，一校准阀115及一防虹吸阀112。该防虹吸阀112非常重要，这是因为它能够防止生水在容器102的顶部区域发生虹吸现象从而进入到经处理后的饮用水喷管116中。
附图13示出了一扩散槽130的平视图。该扩散槽130环绕其圆周具有一槽沿131，该槽沿131适于座放在容器102的圆周搁架133上，如附图12中所示那样。该扩散槽130具有一系列穿孔134(排水孔)，这些穿孔134以网格状图案成形在所述扩散槽130的底部上。槽130底部上所穿孔的尺寸及数目被设计成能够确保在该槽130下方的水118中形成可以被忽略的紊流(参见附图11)，并且与此同时允许具有适当的流速以便不会出现回流现象。
一机械式搅拌器闷头132位于所述扩散槽130基座的中心处。该闷头132被设计成可容纳所述机械式搅拌器128的竖直芯柱，并允许该机械式搅拌器128相对于扩散槽130进行转动。附图14图示出了附图13中扩散槽的侧剖视图。环绕所述顶部圆周的槽沿131及位于所述底部中心位置处的机械式搅拌器闷头132被图示出来。
附图15是附图11中所示设备中由卵石所组成的底层126中所用下排水装置的俯视图。该下排水装置136由一中部成十字形的导管接头140构成，该接头140在间隔90°的位置处连接有四条径向延伸的穿孔导管138。该穿孔导管138中的三个在其自由端部均带有帽体142。第四根穿孔导管138(在附图15中为底部导管)的自由端部与所述闷头连接件114相连通，这些均可以在附图9，10及12中看出。下排水装置136被包埋于卵石层126中(参见附图11)，并且位于紧邻容器102底部144的上方位置处。该下排水装置136能够将经过滤后的水，即向下渗透过叠置的砂层120、122及124的水，收集在该下排水装置136中，并穿经闷头连接件114而被泵送出来。在导管138中穿孔的尺寸及数目被设计成能够确保经过滤后的水可以轻易地进入到所述装置136中，并且易于穿过闷头连接件114而排出，但不会造成任何经过滤后的水发生回流的现象。与此同时，所述穿孔又必须足够小，以使得卵石及砂不会进入到所述装置136的内部从而造成堵塞。
附图16图示出了结合有一机械式搅拌器128的扩散槽130的侧剖细节图。该扩散槽130、边沿131及闷头132的构造已经在先前进行了说明。正如附图16中所示那样，机械式搅拌器128由一个位于其底部处的水平搅拌叶片148，一个从该搅拌叶片148的中心部向上穿经槽130中闷头132而延伸的竖直轴150，及一个连接在该竖直轴150上端部的手动式水平卷绕手柄152构成。所述竖直轴150旋转性地安装在机械式搅拌器闷头132中。从而，水平搅拌叶片148可以在手动卷绕手柄152的作用下沿顺时针或者逆时针方向转动。一高度调节销146穿入所述轴150中并且座放在机械式搅拌器闷头132的顶部，用以将搅拌叶片148保持在所需的高度上。通过这种方式，机械式搅拌器128及搅拌叶片148通常可以被夹持的高度位于顶部砂层120上表面及菌类去污层119上方的一位置处(参见附图11)。但是，当所述顶部砂层120的上表面及菌类去污层119需要进行清理时，可以将该高度调节销146从轴150上取下。这将使得所述搅拌叶片148下降，以到达顶部砂层120的上表面上。随后，通过使得手动卷绕手柄152沿水平的顺时针或者逆时针方向进行转动，可以由该操作者使得搅拌叶片148进行旋转，从而刮除顶部砂层120顶层中的一小部分。对随时间而形成的菌类去污层119的厚度及被阻滞的水流速度进行周期性检修是必要的，以便使得流经所述间歇式慢砂过滤器中所述层119及砂层120、122及124的流速被保持在可接受的水平上。
附图17至22图示出了搅拌叶片148的不同结构实施例。附图17详细图示出了附图12和16中所示搅拌叶片148的结构。搅拌叶片148具有一安装在其底部表面上的橡胶刮板154。该橡胶刮板154在结构上类似于擦窗用挤压刮板，并且具有足够的刚度，用以刮除所述顶部砂层120的顶层，但是又具有足够的柔性，用以提供一定程度的屈服性。
附图18图示出了这样一个搅拌叶片148，该叶片148具有一系列间隔开的竖直刮齿156，这些竖直刮齿从叶片148上以一梳子形图案垂直向下突出。该结构能够在所述砂层120的上表面上进行梳理动作，而不是清理刮除动作。在需要保留所述顶部砂层120的部分顶层及所述菌类去污层119的情况下，这种梳理动作正是所希望的。
附图19图示出了搅拌叶片148的这样一种结构，即沿其底部区域设置有一系列刮片158。由于这些刮片158在刮除砂层120顶层的大部分时，还允许有一定量的水流经这些刮片158之间，所以在某些情况下这种刮片158是优选的。这些刮片158的水平角度可以进行调节，以改变相邻刮片158之间的开口尺寸。
附图20、21及22分别图示出了搅拌叶片148的三种不同可选择结构。在附图20所示的结构中具有一系列沿其底部分布的刮叉160。在附图21所示的结构中具有一系列沿搅拌器148底部分布的L形刮刀162。而在附图22所示的结构中具有一系列沿其底部设置的T形刮刀164。各种结构的刮刀160、162及164的水平角度均可以进行调整，以改变所述刮板之间的开口尺寸。这些可选择的刮板结构中的任何一个均可以被选用，用以提供特定情况下所需的刮除类型。
对就地清理式搅拌叶片进行安装的方法当安装所述就地清理式搅拌叶片148时，必须遵从下述规程。
(1)通过提升经处理水的蓄水容器62中的上浮子开关(或者关闭容器42或102中进水口上的球阀)来中断对容器102进行灌装的水流。
(2)断开过滤器42或102内部的管接头，并去除所述机械式浮子装置，SHLA、SFP、STFP及ML。
(3)去除扩散槽64或者130。
(4)准备一装配用的新扩散槽。将机械式搅拌叶片148固定到心轴150的底部上。将管子上的公螺纹旋入T形接头上的母螺纹中。并以相同方式对手柄152的顶部进行固定。
(5)将所述的新扩散槽130与搅拌叶片148及轴150一起安置到合适位置上。尽可能地向上抽拉心轴150，并在其底部位置处将调节销146穿入轴150中。从而将机械式搅拌器148夹持在顶部砂层120的上方。
(6)将机械式浮子装置重新安装到过滤器的顶部。接上并拧紧所述管接头。
(7)将经处理水的蓄水容器中的上浮子开关重新设定到工作状态。(开启容器102中进水口上的球阀。该阀必须被设定在能够减少过量的水流进入过滤器102的位置上。)对就地清理式搅拌叶片进行操作的方法(1)当使用所述就地清理式搅拌器128时，必须参照附图9，10及12来对所述阀进行定位。所推荐的是当蓄水槽62中的水位处于满量程并且过滤器102处于备用状态时必须执行的工艺。
(2)该工艺开始于将经处理后的水的蓄水容器62中的阀76关闭。
(3)校准阀115和防虹吸阀113也应该被关闭。
(4)将控制阀109上的软管连接到压力槽62的出水口上。随后将压力槽62的阀缓慢开启。控制阀109用于对流入过滤器102中的流量进行控制。该回流工艺的速度必须不能太快。过高的流速将会扰动底部砂层122和124，并且使得它们发生混合。
(5)将销146从机械式摇臂装置的心轴10上取下。将搅拌叶片148降低到顶部砂层120的上表面上。并将销146插入到轴150的上部孔中。
(6)在所述水位从底部缓慢升高的同时，沿任一方向转动所述机械式摇臂。这种机械式搅拌作用将使得过滤器表面120顶部的微粒形成悬浮液。
(7)利用位于砂表面位置处的排水阀116来将顶部砂层120表面上的几桶水排干。
(8)该工艺持续进行，直至大部分悬浮微粒被去除。
(9)随后按下述顺序依次对阀进行关闭排水阀116，位于压力槽上的阀26，控制阀109。
(10)随后以下述顺序依次打开下述阀位于容器102进水口上的球阀，位于经处理水的蓄水容器62上的阀81，及校准阀115。
(11)将校准阀115设定为4升/分钟。这可以通过在一校准桶中对水进行收集而实现。所述阀115被设定为在一分钟时间内能够收集到4升的水，或者也可以利用一等效速率。
(12)接着容器102必须被恢复到其初始状态。该就地清理工艺根据需要可以进行重复，用以保持容器过滤器102的最优性能。
测试工艺及结果利用三台在1997年5月装配并安装到位的间歇式操作慢砂过滤器作为样机。这些过滤器被构造成当它们处于暂停状态时该过滤器中砂层表面上方的水深分别为5厘米(推荐)，30厘米及100厘米。这些过滤器每天至少工作一次，直至1997年9月。假定对具有较高静态水深的过滤器进行操作时将表现出类似于由Paramasivan等所发现的特征，而对具有较浅水深的过滤器进行操作时将表现出类似于由Buzunis等所发现的特征。每次对所述过滤器的测试均需要大约四个小时的工艺时间。
需要进行处理的水(人工污染的天然水代用品)利用已经发展了超过三年的技术来在实验室中取得。这些水被盛装在一较大的水池中，并喂养有热带鱼和生水植物，并且周期性地掺入定量的微量狗粪。利用这种人工制造的污水是因为它具有稳定的生物特性并且易于定量制取。
在所有情况下，所述过滤器样机每次工作时在砂层顶部上所有蓄积的水均需要被更换。在添加新水之前立即对砂层上方水中的溶解氧气浓度进行监测。发现对于待记录的溶解氧气量造成明显影响，各个过滤器需要花费大量的时间来在砂层表面上聚集起足够多的有机物质。最终才确定出这是因为用于测定所溶解氧气浓度的技术不够灵敏。虽然所利用的技术能够准确地测定出所溶解氧气的浓度，但是该技术却无法明显地用于对紧位于砂层上方的水中的所溶解氧气浓度进行测试。直至所述测试已经进行了若干个月后才得出所述结论。这种对所溶解氧气的直接测试需要微型的专用设备。除非考虑本课题的目的，否则所得到的结论是不具有说服力的。然而，我们仍然能够令人确信地证明我们能够在间歇式操作的基础上对所述慢砂过滤器样机进行操作，并且仍然能够保持所述菌类去污层处于存活状态。
慢砂过滤器的结构-扩散器板的详细结构所述的三种慢砂过滤器样机均由下述组件构造而成-过滤器容器-过滤器盖子-扩散器板-导管收集器-不会被排出的洁净19毫米石英砾-洁净的石英砂(类似于专用于连续式慢砂过滤器的石英砂)-砂/卵石隔离膜-生水供应进水口-排气管-排水管所述的三种过滤器样机的高度均接近1000毫米，并且具有向下呈锥形倾斜的变化横截面。(相比而言，用于单个家庭的过滤器的直径可为400毫米)。所述过滤器容器可以由PVC，混凝土或者任何适于盛装可以利用的饮用水的其他材料制成。
所述过滤器盖子要足够大，以便能够完全罩盖住所述过滤器的顶部，从而防止灰尘及其他碎屑偶然落入过滤器容器中。
在保持水位处于受控液位处的同时，需要利用扩散器板来以这种方式将所供送的生水均匀地喷射到所述过滤器中的水面上，即所产生的紊流最小并且不会扰动所述砂层的上表面及所述菌类去污层。所述扩散器板具有这种结构，即其能够以比向过滤器容器供送的生水流速大的速度对水进行均布。
处于所述三种样机底部的过滤器下排水装置由一石英卵石层形成，所述石英卵石层中包埋有一穿孔的PVC导管收集器。
在各个样机中的导管收集器均由穿过所述过滤器容器侧壁的穿孔12毫米PVC导管形成。该PVC导管中的小孔直径为3毫米，并且位于该导管的下侧面上。在所有情况下，导管收集器均被包埋在大约100毫米高的19毫米清洁石英卵石层中。
在所述样机中的过滤砂层均由类似于通常用于连续式慢砂过滤器的清洁石英砂组成。该砂层约610毫米厚。作为一个性能指标，穿过砂层的最大水流流速必须小于流入该过滤器中的生水的最小流速。
所述三种样机中的砂层与卵石层均由一地质隔膜隔离开。
经由一生水供应源供送到各个过滤器中的水被供送到扩散器板顶部处的表面上。作为一个性能指标，生水供应源位于该扩散器板上方约150毫米处。流经所述生水进水口的流速必须小于流经该扩散器板的流速，但必须大于流经所述过滤砂层的水流速度。
在各个样机中的排气管及紧急排水管均远远地设置在过滤容器的上方，与所述生水进水口处于同一高度。为了获得令人满意的操作，所述紧急排水管必须具有与生水供应源相同的送水能力。而所述排气管必须具有足够的能力使得过滤器中的空气在由水对该过滤器进行灌装的过程中逸散出去，并且允许在排出该过滤器中的水的过程中空气又会进入该过滤器中。(所述过滤器上部处的空气区域必须一直保持在大气压力下)。
所述慢砂过滤器与所述生水供应源，饮用水蓄水容器及饮用水配送系统之间的关系在附图7中进行了示意性表示。水被从所述生水供应源泵送到过滤器中。如果所述生水蓄水池高于所述过滤器，送水泵可以被一电磁阀所替代。
水经由一导管系统从慢砂过滤器中排入到饮用水蓄水容器中，其中所述导管系统包括一球阀、电磁阀及另外的一个管接头。在紧急状况下，水可以通过所述紧急排水管从过滤器中排入所述生水供应源中，或者是作为废水排放掉。所述样机的饮用水蓄水容器被制成能够盛装一足够日常使用的水供应源。饮用水经由一配送系统泵而被供送到饮用水配送系统中。
在所述样机中，所述配送系统，包括所述泵，由一球阀和一管接头与所述蓄水容器隔离开。另外一个管接头紧邻所述泵位于其下游处。在所述导管系统中，一T形接头位于该管接头的下游。该T形接头的一出水口可以根据需要来向所述饮用水配送系统中供送饮用水。其另一出水口由一电磁阀控制，当需要对所述过滤器进行冲洗时该电磁阀开启。当该阀处于开启状态时，水将从所述饮用水蓄水容器中返送回所述生水蓄水池中。
正如本技术领域中那些熟练技术人员在前面所描述内容的启示下所能够明白的那样，在实际中，在不脱离本发明的精神与范围的条件下可以进行多种变型和改进。因此，本发明的范围应该依照由后附权利要求所限定的内容来进行解释。
权利要求
1.一种慢砂过滤设备，其包括一容器，该容器具有一上部和一下部；一位于该容器上部中的进水口，该进水口与一水供应源相连通；一种过滤材料，该过滤材料至少填充所述容器的下部，并且该过滤材料的上表面低于所述进水口；一菌类去污层，其位于所述过滤材料的上表面上；一位于所述容器下部中的出水口，该出水口低于所述过滤材料的上表面；一位于所述上部中的水位保持装置，用于将所述容器上部中的水保持在过滤材料上表面上方的这样一受控液位处，该受控液位在下述两种水位之间寻求平衡，即(1)一足够深的受控水位，以便从进水口下落到所述容器中水面上的水不会明显扰动所述菌类去污层，和(2)一足够浅的受控水位，以便来自该水位上方空气中的氧气可以透过水进行扩散并且到达所述菌类去污层，从而即使在没有水流通过所述进水口的情况下，所述菌类去污层也可以保持在存活状态。
2.如权利要求1所述的慢砂过滤设备，还包括一扩散器，该扩散器位于所述受控水位的上方，从进水口流入的水在到达所述受控水位的上表面及底层过滤材料之前先流经该扩散器。
3.如权利要求2所述的慢砂过滤设备，其特征在于，所述水位保持装置包括一导管，该导管连接在所述出水口上并且向上延伸到所述受控水位处。
4.如权利要求1所述的慢砂过滤设备，其特征在于，所述水位保持设备将水位保持在所述过滤材料上表面的上方约1厘米至8厘米之间。
5.如权利要求2所述的慢砂过滤设备，其特征在于，所述水位保持装置将水位保持在所述过滤材料上表面的上方约1厘米至5厘米之间。
6.如权利要求4所述的慢砂过滤设备，其特征在于，所述过滤材料为石英砂。
7.如权利要求1所述的慢砂过滤设备，还包括一连接在所述进水口上的进水导管和用于可控制地向该进水导管供送水的进水控制装置。
8.如权利要求7所述的慢砂过滤设备，还包括一第一水位检测器，用于对所述容器中的高水位进行检测；一第二水位检测器，用于对所述容器中的低水位进行检测；一控制器，该控制器被连接成能够从所述第一和第二容器水位检测器中接收信号，并且能够向所述进水控制装置提供信号，以便将所述受控水位保持在所需的受控水位范围内。
9.如权利要求2所述的慢砂过滤设备，其特征在于，所述扩散器包括多个离散的小孔，以使得在该扩散器上所聚集的水可以经过该扩散器向下渗漏到容器中的水面上。
10.如权利要求8所述的慢砂过滤设备，其特征在于，所述受控水位处于所述过滤材料上表面上方的1厘米至8厘米之间。
11.如权利要求10所述的慢砂过滤设备，还包括一较高水位检测器，该检测器被连接成能够向所述控制器提供信号，来指示容器中的水位处于过高状态。
12.如权利要求1所述的慢砂过滤设备，还包括一与所述出水口相连通的蓄水容器；第一和第二蓄水容器水位检测器，用于对该蓄水容器中的高、低水位进行检测；及一流量控制装置，用于控制从所述容器的出水口流入所述蓄水容器中的水流量。
13.如权利要求12所述的慢砂过滤设备，还包括一生水蓄水池，该生水蓄水池与该设备的进水口相连通，和一控制装置，用于控制从该生水蓄水池流入慢砂过滤设备中的水流量。
14.如权利要求13所述的慢砂过滤设备，还包括一进水控制装置，用于控制流入所述进水口的水流量；一位于该过滤器中的第一水位检测器，用于对所述容器中的高水位进行检测；一位于该过滤器中的第二水位检测器，用于对所述容器中的低水位进行检测；及一控制器，该控制器被连接成能够从所述第一和第二水位检测器接收信号，并且能够向所述进水控制装置提供信号，以使得水位保持在所述受控水位范围内。
15.如权利要求14所述的慢砂过滤设备，其特征在于，所述水位被保持在一位于所述过滤材料上表面上方1厘米至5厘米之间的液位处。
16.如权利要求15所述的慢砂过滤设备，其特征在于，所述过滤材料是石英砂。
17.如权利要求1所述的慢砂过滤设备，还包括一能够对所述过滤材料的上表面进行清理的机构。
18.如权利要求17所述的慢砂过滤设备，其特征在于，所述清理机构是一个可手动操作的机械式搅拌器。
19.如权利要求18所述的慢砂过滤设备，其特征在于，所述机械式搅拌器包括一个搅拌叶片，该叶片与所述过滤材料的上表面相接触，和一个可转动的轴和手柄，用于使得所述搅拌器能被手动旋转。
20.如权利要求19所述的慢砂过滤设备，其特征在于，所述搅拌叶片包括刮板、刮齿、刮片、刮叉、L形刮刀及T形刮刀中的任何一种。
21.如权利要求20所述的慢砂过滤设备，其特征在于，所述机械式搅拌器可以在一水扩散器中绕枢轴转动，所述水扩散器位于所述容器的上部。
22.一种对慢砂过滤器进行操作的方法，该过滤器包括一容器，部分填充在该容器中的过滤材料，一位于该过滤材料上方的进水口及一位于该过滤材料中的出水口，该方法包括下述步骤将水位保持在位于所述过滤材料上表面上方的这样一液位上，该液位在下述两种水位之间寻求平衡，即(1)一足够深的受控水位，以便从进水口下落到所述容器中水面上的水不会明显扰动所述菌类去污层，和(2)一足够浅的受控水位，以便来自该水位上方空气中的氧气可以透过水进行扩散并且到达所述菌类去污层，从而即使在没有水流通过所述进水口的情况下，所述菌类去污层也可以保持在存活状态。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述水位被保持在所述过滤材料上表面的上方1厘米至8厘米之间。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述水位被保持在所述过滤材料上表面的上方1厘米至5厘米之间。
全文摘要
本发明涉及一种新颖的间歇式慢砂过滤器及一种利用该间歇式过滤器的方法。更具体地说,本发明涉及这样一种新颖的慢砂过滤器,即该过滤器即使在进行间歇式工作时也能够保持其效率,并且可以在不会影响该间歇式过滤器正常工作的条件下进行周期性清洁。该慢砂过滤器设备包括:一具有一上部和一下部的容器;一位于该容器上部中的进水口,该进水口与供水源相连;一种至少填充所述容器下部的过滤材料,该过滤材料的上表面低于进水口;一位于该过滤材料上表面上的菌类去污层;一位于所述容器下部中的出水口,该出水口低于所述过滤材料的上表面;及一位于所述容器上部中的水位保持装置,用于将容器上部中的水保持在所述过滤材料上表面上方的一受控液位上,该受控液位在下述两种水位之间寻求平衡,即(1)一足够深的受控水位,以便从进水口下落到所述容器中水面上的水不会明显扰动所述菌类去污层,和(2)一足够浅的受控水位,以便来自该水位上方空气中的氧气可以透过水进行扩散并且到达所述菌类去污层,从而即使在没有水流通过所述进水口的情况下,所述菌类去污层也可以保持在存活状态。
文档编号B01D24/38GK1326375SQ99813399
公开日2001年12月12日 申请日期1999年10月4日 优先权日1998年10月9日
发明者戴维·H·曼茨 申请人:国际技术大学公司