ОСВЕТЛИТЕЛЬ ВОДЫ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ПЕРВОГО ФИЛЬТРАТА Российский патент 1998 года по МПК C02F1/52 C02F1/24 B01D35/12 B01D36/00 

Изобретение относится к устройству и способу осветления воды, в которых удаление взвешенных частиц осуществляют с помощью флокулирующего агента и флотации с использованием потока поднимающихся микроскопических пузырьков воздуха. В частности, изобретение касается усовершенствованных устройства для осветления и способа общего типа с использованием флотации в сочетании с фильтрацией через слой песка или тому подобное на дне флотационного резервуара [3, 4].

Осветление воды, т. е. удаление загрязняющих примесей в виде частиц, взвешенных в воде, используют при очистке сточных вод от производственных процессов, в частности в бумажной и целлюлозной отраслях промышленности, при очистке питьевой воды городского водоснабжения и при очистке бытовых сточных вод. Вода может быть осветлена путем осаждения или флотации частиц. Известные способы осаждения и устройства для их осуществления эффективны, но даже при максимальной эффективности ограничены сравнительно низкой скоростью осаждения, составляющей примерно 0,5 галлона в минуту на квадратный фут (20 л/мин/м²). Поэтому для обработки больших объемов поступающей неочищенной воды оборудование для осаждения должно иметь большие размеры, что приведет к увеличению затрат и используемого пространства.

Метод флотации основан на растворении нескольких процентов (по объему) воздуха в воде под давлением и затем освобождении воздуха в виде микроскопических пузырьков, которые прикрепляются к частицам и несут их вверх к поверхности, где они образуют плавающий шлам. Прежде чем вводить пузырьки воздуха, частицы обычно коагулируют и флокулируют, используя традиционные вещества, такие как квасцы и полимеры. Технология флотации теоретически способна обеспечивать скорость осветления, составляющую 7,5 галлонов в минуту на квадратный фут площади флотации (300 л/мин/м²). На практике скорости до сих пор были меньше указанной теоретической величины, но значительно превышали скорости седиментационной технологии.

Данный заявитель является владельцем нескольких патентов США на устройства и способы, пригодные для осветления воды [1-4, патент США N 4184967]. В осветлителе [1] , продаваемом под торговым названием "SPC" и "Supracell", флотацию производят в круглом резервуаре. Неочищенную воду подают в резервуар через центральную трубу, гидравлическое соединение и впускную трубу с множеством выпускных отверстий; погруженных в резервуар, которую (впускную трубу) вращают вокруг резервуара. Входной поток ориентирован в направлении, противоположном направлению вращения впускной трубу, и имеет такую скорость относительно скорости вращения, что неочищенная вода, входя в резервуар, имеет нулевую результирующую скорость. Узел для впуска потока неочищенной воды и пеносниматель для удаления всплывшего шлама установлены на тележке, которая вращается вокруг резервуара. Предпочтительно используют пеносниматель такого типа, который описан в принадлежащем данному заявителю патенте США N 4184967. Скорость вращения устанавливают таким образом, чтобы флотированные частицы достигали поверхности воды, находящейся в резервуаре, за время одного оборота. Высокая степень осветления может быть обеспечена каждым оборотом тележки при использовании сравнительно мелкого резервуара, например глубиною 16-18 дюймов (примерно 40-45 см).

Известен более поздний осветлитель данного заявителя [2], продаваемый под торговыми названиями "SAP" и "Sandfloat", в котором использована основная идея изобретения согласно патенту [1], заключающая в работе на принципе нулевой результирующей скорости, но с добавлением второй, фильтрационной стадии с группой клинообразных песочных слоев, покрывающих дно флотационного резервуара. Вода, осветленная способом флотации, течет через нижележащие слои песка в камеру сбора осветленной воды. Всасывающее устройство, установленное на тележке, периодически промывают каждую секцию фильтра обратным током воды в сочетании с потоком воды обратной промывки, вводимой через камеру сбора. Во время осветления, когда образуются хлопья, к открытому нижнему концу камеры флокуляции подводят через трубопровод с множеством выпускных отверстий аэрированную воду под давлением. Пузырьки воздуха несут флокулированные частицы вверх, в результате чего образуется слой всплывшего шлама. Скорость осветления сравнима с той, что обеспечивает осветлитель "Supracell" [1].

Известен осветлитель, продаваемый под торговыми названиями "SASF" и "Sandfloat-Sedifloat" [3] . В нем не используют принцип нулевой результирующей скорости, но используют песочный слой для двухстадийного осветления. В этом устройстве неочищенная вода поступает в центральную цилиндрическую камеру, которая действует как гидравлический флокулятор, и затем течет через разделительную перегородку в окружающий камеру круглый флотационный резервуар. Через неподвижный коллектор добавляют аэрированную воду. Устройство содержит вращающиеся элементы, такие как пеносниматель для удаления всплывшего шлама и отсасывающий колпак для очистки фильтрационных слоев. Пеносниматель является устройством такого же общего типа, какой используют в описанных выше устройствах Supracell и Saudfloat. Это устройство SASF согласно патенту [3] обеспечивает двухстадийное осветление, будучи более компактным и менее дорогим, чем осветлитель SAF.

Хотя осветлитель SASF оказался эффективным, компактным и сравнительно недорогим, но он не удовлетворяет некоторым требованиям, заключающимся в том, что первая фильтратная вода, т.е. осветленная вода, которую получают после осуществления обратной промывки песочного слоя или части его, должна быть отделена от осветленной воды, полученной без помутнения от недавней обратной промывки. Другая проблема состоит в том, что в осветлениях SAF и SASF используют отсасывающий колпак, который покрывает участки песочного слоя и служит для отсасывания накопленных загрязняющих примесей и шлама. В конструкции SAF используют воду обратной промывки, направляемую через выпускные отверстия для осветленной воды, а конструкция SASF основана только на действии всасывающего насоса, оказываемом на слой песка посредством колпака. В результате конструкции SASF не обеспечивает сильного перемешивания песочного слоя, способствующего полной очистке. Кроме того, оба устройства SAF и SASF во время обратной промывки удаляют некоторую часть фильтрующей среды вместе с загрязняющими примесями и шламом. В устройстве SAF циклонный сепаратор улавливает песок. Потери среды несколько ограничивают полноту очистки и общий КПД по крайней мере осветлителя SASF.

В осветлителе SASF все части песочного слоя отдают осветленную воду в нижележащий приемный колодец. Из этого колодца воду отводят к выпускному отверстию для осветленной воды. Наличие этого приемного колодца означает, что первую фильтратную воду смешивают с осветленной водой и что имеющееся пространство для контрольного гидравлического флокулятора ограничено (530 л, или 140 галлонов - обычная емкость флокуляционного резервуара осветлителя SASF диаметром пять футов, т. е. примерно время 1,5 м. Этот объем дает в результате сравнительно короткое время удерживания (3,8 мин при расходе 140 л/мин), что ограничивает полноту флокуляции и, следовательно, эффективность осветления. В устройстве SAF для сбора вымытого шлама используют снабженную прорезями трубу, которую располагают в воде под колпаком и соединяют с отсасывающим насосом. Воду для обратной промывки подают через камеры под секциями песочного слоя. Радиальные трубы с прорезями используют также в осветлителе SPC, но не применяют их для обратной промывки фильтра. Их вращают в флотационном резервуаре, чтобы собрать осветленную воду, а фильтра второй стадии в осветлителе SPC нет, и потому отсутствует обратная промывка.

Эффективность всех этих известных осветлителей ограничена также эффективностью создания микроскопических пузырьков воздуха, имеющих оптимальный размер для флокуляции. В идеале, пузырьки должны иметь диаметр 40-80 мкм, чтобы обеспечить скорость подъема 30 см/мин. Кроме того, их должно быть как можно больше, и, будучи образованы, они должны как можно меньше сливаться друг с другом.

Простым способом создания большего количества пузырьков является растворение большего количества воздуха в воде. Но слишком высокая насыщенность растворенным воздухом воды, подвергаемой декомпрессии (стравливанию давления), создает пузырьки, которые слишком велики и поднимаются со скоростью, нарушающей оптимальный процесс флотации.

Известно также, что растворенный воздух не очень просто высвободить путем декомпрессии воды. Некоторая часть воздуха будет оставаться растворенной. Для высвобождения всего или большей части растворенного воздуха необходимо оказывать на воду под давлением сильное сдвигающее действие. В соответствии с принадлежащим данному заявителю патентом [4] вода под давлением с растворенным в ней воздухом поступает в флотационный резервуар по вертикальной трубе, снабженной центральным стержнем с круглой пластиной на конце, которая расположена на некотором расстоянии от торца трубы для создания кольцевого выпускного отверстия. Сдвигающее действие на воду под давлением, когда она ударяет в пластину и отклоняется вбок, высвобождает пузырьки воздуха более эффективно. Однако величина этого кольцевого выпускного отверстия сравнительно велика (обычно 3-5 мм). Кроме того, его изменяют, чтобы уравнять потоки к нескольким выходным отверстиям, а не оптимизировать размер создаваемых пузырьков. Выпускное отверстие делают достаточно большим, чтобы оно не забивалось частицами загрязняющих примесей, находящимися в воде. Уже было описано по крайней мере одно устройство, в котором используют небольшие диски и очень маленькие отверстия, но эти отверстия легко засоряются при достаточно большом расходе в промышленном осветлителе. На сегодняшний день нет известного декомпрессионного клапана для воды под давлением, который мог бы эффективно высвобождать большую часть растворенного воздуха в виде пузырьков оптимального размера для процесса флотации без сколько-нибудь существенного его засорения.

Таким образом, основной целью изобретения является создание двухступенчатого осветлителя и способа работы, при котором первую фильтратную воду изолируют от другой осветленной воды, полученной из осветлителя.

Другой основной целью является создание декомпрессионного клапана для воды под давлением и способа выпуска воды под давлением с растворенным в ней воздухом, которые бы надежно обеспечивали создание микроскопических пузырьков воздуха оптимального для флотации размера и с высокой степенью эффективности.

Следующей основной целью изобретения является создание декомпрессионного клапана, который бы существенно уменьшал количество используемой аэрированной воды под давлением и, следовательно, энергии, потребляемой при аэрировании воды.

Другой основной целью изобретения является создание компактного двухступенчатого осветителя, имеющего более высокую производительность, могущего работать при большей потере напора и более эффективного, чем сравниваемые известные осветители, и способа работы на нем.

Дополнительной целью является создание двухступенчатого осветлителя и способа с повышенной скоростью флотации и с улучшенными обратной промывкой фильтра и удерживанием сред.

Еще одной целью является обеспечение всех указанных выше преимуществ, а также создание гидравлического флокулятора увеличенной емкости и обеспечение связанного с этим увеличения времени удерживания.

И еще одной целью является обеспечение всех указанных преимуществ при подходящей стоимости изготовления.

Двухступенчатый флотационно-фильтрационный осветлитель имеет флотационный резервуар, образованный наружной и внутренней вертикальными, по существу, цилиндрическими стенками. Между ними проходит днище флотационного резервуара, которое расположено выше днища осветлителя и образует вместе с внутренней стенкой, часть центрального резервуара - гидравлического флокулятора. Вблизи верха гидравлического флокулятора в флокулированную неочищенную воду вводят микроскопические пузырьки воздуха. Обработанная таким образом неочищенная вода течет через верхний край внутренней стенки в окружающий ее флотационный резервуар.

Основной признак изобретения заключается в том, что большая часть флотационного резервуара разделена радиальными перегородками на несколько вертикально проходящих отсеков, которые изолированы друг от друга. В предпочтительном варианте каждый отсек занимает радиальный сектор резервуара и проходит от дна резервуара до места вблизи верхнего края его, в результате чего остается кольцевая зона, где обработанную воду подают во все отсеки и где на поверхности воды собирается всплывший шлам. Каждый отсек имеет на дне слой фильтрующей среды, такой как песок, а предпочтительно сдвоенный фильтр, образованный слоем мелкого песка и вышележащим слоем зернистого антрацита или активированного древесного угля. Каждый отсек имеет также трубу с прорезью и соединенные с ней ответвленные трубы с прорезями, проходящие через слой песка вблизи днища каждого отсека. Через прорези проходит осветленная вода, но не проходят фильтрующие среды.

В флотационном резервуаре установлено множество неподвижно закрепленных наклонных дефлекторов, предпочтительно в форме множества каналов. Дефлекторы, расположенные выше фильтрующих сред, предпочтительно имеются в каждом отсеке. Во время обратной промывки фильтрующих сред потоками воды и сжатого воздуха из разветвленных труб с прорезями каналы позволяют восходящему потоку воды нести частицы обратно в флокулятор, но в сочетании с конструкцией фильтра, состоящей из двух сред, и высокими стенками отсеков они, по существу исключают потерю сред. Поскольку каналы наклонены и поднимающиеся хлопья в отсеке должны проходить по каналам, чтобы достичь поверхности, длина пути подъема по каналам увеличивается и, следовательно, увеличиваются продолжительность и эффективность процесса осветления без соответствующего увеличения размеров флотационного резервуара.

Разветвленные трубопроводы с прорезями в каждом отсеке соединены с двумя по существу параллельными замкнутыми кольцевыми трубопроводами, которые окружают осветлитель вблизи его нижнего конца. Между каждым разветвленным трубопроводом и кольцами встроены два клапана с пневматическим приводом. Посредством клапанов, приводимых в согласованное действие со всеми другими такими клапанами, управляют потоками жидкостей в ответлитель и из него, изолируя потоки в кольцах друг от друга. Одно (нижнее) кольцо собирает только осветленную воду и подает ее к общему выпускному отверстию для осветленной воды. Другое (верхнее) кольцо собирает только первую фильтратную воду из отсека или отсеков, в которых только что осуществили обратную промывку фильтров. Оно подает первый фильтрат по трубопроводу в резервуар для хранения первого фильтрата, до тех пор пока не уменьшится мутность. Этот резервуар для хранения служит также в качестве источника воды для обратной промывки фильтров. Трубопровод и связанный с ним насос направляют накопленную первую фильтратную воду под давлением во второе, верхнее, кольцо. Соответственно, открыв и закрыв клапаны для отключения отсеков, в которых не производят обратной промывки фильтров, направляют воду для обратной промывки по верхнему кольцу в выбранный(ые) отсек(и). Внешний насос направляет осветленную воду в герметически закрытый резервуар, расположенный ниже, чем флотационный резервуар, для обеспечения большой потери напора, что способствует проведению процесса осветления с большой скоростью пропускания воды.

Воздушный компрессор и водяной насос, питающие трубу для растворения воздуха, создают поток воды под давлением с растворенным в ней воздухом. По трубопроводу эту воду под давлением направляют к впускному распределительному кольцу, расположенному в гидравлическом флокуляторе вблизи его верхнего конца. К этому кольцу присоединяют по крайней мере один, а предпочтительно несколько декомпрессионных клапанов для выпуска воды с сильным сдвигом. Это обеспечивает высвобождение всего растворенного воздуха в виде струи микроскопических пузырьков. Поскольку клапаны расположены у верхней части флокулятора, пузырьки имеют мало шансов слиться друг с другом, прежде чем они перейдут в флотационный резервуар.

Декомпрессионные клапаны содержат верхнюю и нижнюю части корпуса, скрепленные друг с другом с обеспечением кольцевого промежутка между ними, который предпочтительно устанавливают посредством шайбы или шайб на комплекте болтов, проходящих в осевом направлении между частями корпуса и скрепляющих их друг с другом. Этот промежуток можно регулировать посредством прокладок. В предпочтительном варианте в нижней части корпуса установлено кольцо из высокопрочного и коррозионно-стойкого сплава. Один край кольца находится в указанном промежутке, причем кольцо центрировано относительно частей корпуса. В верхней части корпуса установлен поршень, который может свободно скользить в осевом направлении между первым положением, определяющим минимальное раскрытие щели, и вторым положением, при котором раскрытие щели намного больше. Воду под давлением подают в нижнюю часть корпуса, где она течет через кольцо и выходит из клапана через кольцевой промежуток, пройдя через узкую кольцевую щель, образованную кольцом и поршнем, находящимся в первом крайнем положении. Эта щель имеет равномерную ширину, предпочтительно находящуюся в диапазоне 0,2-0,5 мм при измерении в осевом направлении.

Давление жидкости быстро перемещает поршень во второе крайнее положение, при котором щель раскрыта достаточно широко, чтобы проходящий через клапан поток воды вымывал уловленные частицы. В одном из вариантов поршень имеет осевой канал, по которому вода под давлением проходит к задней стороне поршня. Поскольку кольцо имеет меньший внутренний диаметр, чем наружный диаметр поршня, то получающаяся в результате этого разница в площадях, подвергаемых действию давления воды, приводит к созданию силы, которая передвигает поршень в первое крайнее положение. Вращающийся элемент управления, предпочтительно приводимый в действие периодически посредством механической связи с вращающейся тележкой, периодически открывает спускное отверстие в клапане и сбрасывает это давление, в результате чего поршень перемещается во второе крайнее положение. При продолжении вращения каретки вращающийся элемент управления закрывает спускное отверстие, заставляя клапан вернуться в рабочее положение. В другом варианте поршень выполняют сплошным и используют трехходовой клапан, посредством которого сообщают область позади поршня либо с источником сжатого воздуха под высоким давлением, либо с областью низкого давления, например с атмосферой. Разница в давлении заставляет поршень передвигаться в соответствующее крайнее положение.

На фиг. 1 показан двухступенчатый осветитель, выполненный в соответствии с изобретением, вид в перспективе; на фиг. 2 - один из декомпрессионных клапанов для воды под давлением, выполненных в соответствии с изобретением и показанных на фиг. 1, вертикальный разрез; на фиг. 3 - альтернативный пневматический вариант декомпрессионного клапана в соответствии с изобретением; на фиг. 4 - многоканальное экструдированное изделие, которое срезают под углом для образования одного из линейных рядов наклонных каналов с отклоняющими перегородками на верхнем конце каждого флотационного отсека, вид в перспективе.

На фиг. 1 показан двухступенчатый осветитель 10 в соответствии с изобретением. Он является усовершенствованием ответлителя типа SASF [3]. Он имеет наружный резервуар 12, окружающий внутренний резервуар 14, служащий в качестве гидравлического флокулятора. Наружный резервуар - это флотационный резервуар, в котором поднимающиеся пузырьки воздуха флотируют флокулированные частицы, осветляя неочищенную воду. Для удаления плавающего слоя шлама (пены) вращают установленный на резервуаре 12 многолопастной пеносниматель 16. Пеносниматель направляет шлам в конический сборник 18, откуда шлам поступает в выпускной трубопровод 20. Двигатель 22 вращает пеносниматель. Двигатель 24 приводит во вращение колесо 26, которое перемещает тележку 28 на резервуаре в круговом направлении, катясь по борту 30 на верхнем конце резервуара 12. Тележка 28 поддерживает пеносниматель 16 и колпак 32 для обратной промывки. Привод 34 колпака 32 поднимает и опускает его в соответствии с перемещением тележки в круговом направлении резервуара. При необходимости промывки отсека колпак опускают, чтобы закрыть отсек и направить воду обратной промывки и загрязняющие примеси в флокуляционный резервуар 14. Вращающийся контактор 36 подводит электрическую энергию к двигателям и приводу.

Флотационный резервуар 12 образован посредством наружной стенки 38, внутренней стенки 40 и кольцевого днища 42, соединяющего стенки 38 и 40. Внутренняя стенка 40 заканчивается у днища 42, с которым она составляет одно целое, а наружная стенка проходит дальше вниз своей нижней частью 38а и доходит до круглого, до существу, плоского днища 44 осветлителя. Днища 42 и 44, внутренняя стенка 40 и нижняя часть 38а наружной стенки образуют внутренний резервуар 14. Этот резервуар имеет увеличенный объем по сравнению с гидравлическим флокулятором упомянутого выше осветлителя типа SASF. В осветлителе SASF область ниже днища 42 использовали в качестве сборника для осветленной воды. Существенным преимуществом изобретения является то, что это пространство для чистой воды не нужно и потому имеется возможность увеличить емкость флокулятора. В качестве иллюстрирующего, а не ограничительного примера, можно сказать, что для осветлителя диаметром пять футов (примерно 1,5 м) емкость внутреннего резервуара 14 в соответствии с изобретением составляет примерно 1936 л (512 галлонов) по сравнению с 530 л (140 галлонами) для сравниваемого осветлителя SASF. При одной и той же скорости подачи неочищенной воды, например 140 л/мин (32 галлона в минуту), изобретение обеспечивает время удерживания 13,8 мин в противоположность 3,8 мин для сравниваемого устройства SASF. При скорости подачи 227 л/мин (60 галлонов в минуту) обеспечиваемое изобретением время удерживания, составляющее 8,5 мин, все еще больше чем вдвое превышает время удерживания в осветлителе SASF.

Этот увеличенный объем флокулятора позволяет также использовать многосопловый распределительный кольцевой трубопровод 46 для неочищенной воды. Этот кольцевой трубопровод получает неочищенную воду от основного ввода 48. Флокулирующий агент, такой как квасцы, добавляют в неочищенную воду через трубопровод 50. Посредством клапана 48а во впускной линии регулируют расход воды на входе. Группа впрыскивающих сопел (патрубков) 46а, каждое из которых присоединено к кольцевому трубопроводу, проходит сквозь часть 38a наружной стенки и заканчивается загнутыми под углом суживающимися концевыми частями 46b. Сопла предпочтительно распределены с равным угловым промежутком между ними, и для наружного резервуара 12 диаметром пять футов (1,5 м) их число равно восьми. Концевые части 46b расположены горизонтально и загнуты под углом в одном и том же направлении для создания завихренного потока 52 в резервуаре 14. Это завихрение улучшает смешивание флокулирующего химического вещества с неочищенной водой, что способствует образованию хлопьев в резервуаре 14, прежде чем неочищенная вода перельется через верхний край 14а в флотационный резервуар 12, Как показано, распределительный кольцевой трубопровод 46 для неочищенной воды предпочтительно окружает наружную стенку 38 в месте, находящемся чуть выше днища 44 осветлителя.

Основным признаком изобретения является то, что в флотационном резервуаре закреплен ряд радиально направленных вертикальных разделительных перегородок 53, которые разделяют весь, кроме крайней верхней части, резервуар на такое же число (как показано, одиннадцать) отсеков 54. Перегородки сплошные и проходят в вертикальном направлении от днища 42 до места вблизи верхнего края 14а внутреннего резервуара. Эта конструкция позволяет аэрированной и флокулированной воде распределяться равномерно в верней части резервуара 12, но в других отношениях осветление путем флотации в каждом отсеке происходит независимо от процесса осветления в других отсеках.

Каждый отсек 54 достаточно высок, чтобы вмещать слой 56 фильтрующей среды на дне и проходить выше этого слоя по крайней мере на расстояние, достаточное для вмещения взрыхленного при обратной промывке слоя (толщина слоя обычно увеличивается на 20-30%). В качестве иллюстративного примера можно сказать, что для осветления диаметром пять футов (1,5 м) с фильтрующим слоем толщиной примерно 61 см высота отсеков составляет примерно 132 см (52 дюйма). Эта высота также позволяет вместить набор дефлекторов 58, каждый из которых установлен у верхнего конца каждого отсека.

В показанном предпочтительном варианте дефлекторы 58 образованы из множества каналов 58а, отклоненных от вертикали. Каждый канал препятствует направленному прямо вверх перемещению фильтрующих сред, позволяя при этом потоку воды обратной промывки проходить через него и нести накопленные частицы из фильтрующей среды в флокуляционный резервуар 14 для повторной обработки. Каналы также замедляют процесс флотации, заставляя поднимающиеся хлопья, как описано в патенте [4], проходить более длинный путь, чем при прямом вертикальном подъеме. Чем меньше угол наклона (измеренный от горизонтали), тем больше длина пути. Этот эффект ограничивается пространственными ограничениями и склонностью ила собираться в каналах и мешать процессу флотации, когда угол наклона (к горизонтали) очень мал или слишком малы каналы. Размеры каналов и наклон изменяют в зависимости от применения и связанных с ним рабочих параметров.

Предпочтительно каналы 58a выполняют в виде линейной системы 58b, экструдированной из пластика как одно целое, как показано на фиг. 4. Каждая линейная система проходит по отсеку 54 в направлении поперек радиального направления. Система может быть склеена торец к торцу с аналогичной системой или системами, чтобы она пересекла весь отсек. Аналогичным образом, соседние в радиальном направлении боковые стенки системы могут быть склеены друг с другом. Соседние в радиальном направлении системы 58b чередуют так, чтобы наклон каналов был в противоположных направлениях. Для обеспечения возможности расположения систем с противоположным наклоном меняют на противоположный наклон линий 58d, 58d, показанных на чертеже. В предпочтительном варианте внутренние перегородки 58f разнесены так, чтобы получить канал с по существу одинаковой площадью поперечного сечения. Например (для иллюстрации, а не ограничения), каналы могут иметь поперечное сечение 1 кв. дюйм (6,45 см²) и угол наклона к горизонтали 60^o. Типичная высота дефлекторов 58 по вертикали составляет 6-8 дюймов (примерно 15-20 см). Дефлекторы 58 проходят по всему отсеку.

В изобретении предпочтительно используют фильтр с двумя средами, образованный слоем 56а песка или равноценного мелкозернистого фильтрующего материала и вышележащим слоем 56b более крупнозернистого материала, предпочтительно антрацита. В предпочтительном варианте песок имеет средний диаметр 0,35 м, а антрацит - 0,8-1,0 мм. Каждый слой предпочтительно имеет толщину около 30 см. Когда используют дефлекторы 58, то при взрыхлении (флюидизации) указанных слоев во время обратной промывки даже при расходе 20-25 галлонов в минуту на квадратный фут (примерно 800-1000 л/мин/м²) с сопутствующим кратковременным интенсивным перемешиванием фильтра потоком сжатого воздуха потеря сред незначительна.

Другим основным признаком изобретения является система 60 двух кольцевых сборных трубопроводов с ответвлениями для сбора осветленной воды и первой фильтратной воды и подвода воды обратной промывки к выбранному отсеку или отсекам с обеспечением при этом изоляции между осветленной водой и первой фильтратной водой. Трубопровод 62 для осветленной воды окружает наружный резервуар 12 вблизи его днища 42. Трубопровод 64 для первой фильтратной воды также окружает наружный резервуар 12 и, как показано, проходит предпочтительно параллельно кольцевому трубопроводу 62 на небольшом от него расстоянии. Каждое кольцо 62, 64 представляет собой замкнутый контур, обеспечивающий общий путь потока от всех отсеков 54 и обратно. Осветленная вода, накопленная в кольце 62, течет к основному выпускному отверстию 66 и через регулирующий клапан 66а попадает в резервуар 67, расположенный ниже осветвителя для обеспечения большой потери напора. Резервуар 67 предпочтительно устанавливают на 10 футов (примерно 3 м) ниже флотационного резервуара. Эта потеря напора и использование насосов для создания давления для обратной промывки обеспечивают сравнительно высокую производительность осветлителя. Клапаны 48а и 66а, действующие совместно или в режиме, когда один установлен на постоянный расход, а другой - на переменный, регулируют уровень воды в флотационном резервуаре 14 в ответ на сигнал от известного датчика уровня воды.

Мутная первая фильтратная вода течет в кольце 64 к резервуару 68 для хранения первого фильтрата, расположенному снаружи резервуара 12, по трубопроводу 70. Для использования при обратной промывке фильтра воду из резервуара 68 отводят по трубопроводу 72, в который встроен насос 74. Объем воды, отводимой при максимальной мутности из промытого отсека в резервуар 68, достаточен для подачи достаточного количества воды для промывки другого отсека 54. Кроме того, через линию 69 и насос 69a может быть подана осветленная вода из резервуара 67 в резервуар 68 для поддержания в нем заданного уровня воды, достаточного для обратной промывки.

Оба кольца 62 и 64 соединены через систему автоматических клапанов 76 с пневматическим приводом с несколькими разветвленными трубопроводами 78 с прорезями, расположенными в нижней части каждого отсека 54 в слое 56а песка вблизи днища 42. В показанном предпочтительном варианте каждый разветвленный трубопровод 78 имеет основную трубу 78a, ответвленные трубы 78b, 78c и 78d меньшего диаметра, отходящие горизонтально под прямым углом к основной трубе 78а в направлении (но немного не доходя до них) к перегородкам 53, образующих отсек. Трубы имеют удлиненные прорези, выполненные на их нижней стороне для приема осветленной воды, прошедшей сквозь фильтрующие среды, но без пропускания песка. Прорези проходят сквозь стенки труб и обычно имеют длину 2-6 дюймов (примерно 5-15 см) и ширину 0,2-1 мм в зависимости от крупности песка. Каждая основная труба 78а проходит сквозь часть 38a наружной стенки и соединена посредством короткого тройника 80 с обоими кольцами 62 и 64. К каждому отводу тройника с противоположных от трубы 78a сторон прикреплен один из клапанов 76, в результате чего открытие одного из этой пары клапанов 76 и одновременное закрытие другого клапана обеспечивает направление потока воды из разветвленного трубопровода 78 либо в кольцо 62, либо в кольцо 64, не допуская при этом сколь-нибудь существенного перепуска воды между этими кольцами.

При нормальной работе без обратной промывки отсеков все "верхние" клапаны 76 вблизи кольца 64 закрыты, а все нижние клапаны 76 открыты, так что собранная осветленная вода течет из разветвленных трубопроводов 78 в кольцо 62 и далее к выпускному отверстию 66. Во время обратной промывки отсека верхний клапан 76, связанный с этим отсеком, открывают, а нижний клапан 76, связанный с кольцом 62, закрывают. Другие верхние клапаны 76 оставляют закрытыми, а другие нижние клапаны 76 - открытыми. Совместное приведение в действие насоса 74 и привода 34 отсасывающего колпака обеспечивает создание потока воды из резервуара 68 для хранения в промываемый отсек. Разветвленные трубопроводы в нижней части фильтра 56 распределяют воду, обеспечивая эффективную флюидизацию всего фильтра. Расход воды обратной промывки для осветлителя диаметром пять футов (1,5 м) предпочтительно составляет 20-25 галлонов в минуту на квадратный фут (примерно 800-1000 л/мин •м²). После завершения обратной промывки клапаны оставляют в том же самом состоянии. При этом первая фильтратная вода из только что промытого отсека идет в резервуар 68 для хранения, в то время как из других отсеков продолжают отбирать осветленную воду через кольцо 62. Сдвоенные кольца, система автоматических клапанов, сообщающихся с разветвленными трубопроводами и разделение флотационного резервуара и фильтра на отсеки, которые в значительной степени оперативно изолированы, обеспечивают изоляцию первого фильтрата от осветленной воды.

Часть осветленной воды отводят в трубу 82 для растворения воздуха по трубопроводу 84 и через насос 86 для получения воды под давлением. Воздушный компрессор 88 подает сжатый воздух в трубу 82 для растворения его в воде под давлением. Полученную в трубе 82 воду под давлением с растворенным в ней воздухом направляют по трубопроводу 90 в осветлитель 10. Точнее, воду под давлением добавляют в флокуляционный резервуар 14 у его верхнего конца, используя распределительное кольцо 92, которое питает систему декомпрессионных клапанов 94. Расположение клапанов вблизи верхнего конца флокулятора обеспечивает аэрирование непосредственно обработанной воды и уменьшает возможность слияния микроскопических пузырьков воздуха в обработанной воде.

Еще один основной признак изобретения заключается в конструкции и способе работы декомпрессионных клапанов 94, служащих для образования микроскопических пузырьков воздуха оптимального для процесса флотации размера с эффективным использованием при этом имеющегося растворенного в воде воздуха. На фиг. 2 показан предпочтительный вариант клапана 94, механически приводимого в действие для самоочищения. Клапан содержит корпус, выполненный из двух основных частей: нижней части 96 и верней части 98. Посредством трех болтов 100, каждый из которых снабжен шайбой 102, расположенной между частями 96 и 98 корпуса, скрепляют части корпуса друг с другом с обеспечением кольцевого промежутка 104, проходящего по боковой стороне клапана. Промежуток 104 непрерывен, кроме мест для шайб и болтов. Во время приведения клапана в действие в осевом направлении, показанном стрелкой 106, размеры промежутка не изменяются. Нижняя часть 96 корпуса имеет впускное отверстие 108, используя которое навинчивают клапаны на вертикальные выпускные патрубки распределительного кольца 92. Из выпускного отверстия вода под давлением поступает через центральный канал 110 в узкую кольцевую щель 112 непосредственно перед промежутком 104. В предпочтительном варианте эта щель образована посредством кольца 114 и поршня 116, установленного в центральном цилиндрическом отверстии 118 в верхней части 98 корпуса. Кольцо изготавливают из любого из множества износостойких высоколегированных сплавов. Его запрессовывают с возможностью замены.

Как было установлено, ширина щели 112 в осевом направлении очень важна для эффективного образования микроскопических пузырьков воздуха. При обычной работе ширину щели предпочтительно назначают в диапазоне 0,2-0,5 мм (примерно 0,01-0,03 дюйма). Такая ширина обеспечивает динамическое трение, которое в сочетании со сдвигом, имеющим место при резкой смене направления потока с осевого на боковое, приводит к образованию микроскопических пузырьков воздуха идеального для флотации размера (от 40 до 80 мкм). При этом также происходит очень эффективное высвобождение, по существу, всего растворенного воздуха, в результате чего образуется большой объем пузырьков, точное значение ширины щели зависит от рабочих параметров, таких как расход, процент рециркулируемой осветленной воды, перепад давления в щели, число используемых клапанов и концентрация частиц в воде. Указанная эффективность в образовании большого объема пузырьков идеального размера оказывает существенное полезное влияние на энергию, необходимую для получения аэрированной воды под давлением в трубе 82.

Основная проблема, возникающая при использовании такой узкой щели, состоит в том, что несомые водой частицы застревают в щели, что приводит к быстрому засорению клапана. Изобретение решает эту проблему благодаря использованию поршня, способного перемещаться в осевом направлении между показанным на чертеже первым крайним положением, в котором он расположен близко от кольца 114, в результате чего получают требуемую узкую щель, и вторым крайним положением (показанным пунктирно), в котором поршень оказывается смещенным на некоторое расстояние от кольца 114. При этом втором крайнем положении ширина щели достаточно велика для обеспечения стремительного и большого потока воды под давлением, вызывающего застрявшие частицы и очищающего клапан. Это происходит быстро, после чего поршень возвращают в первое крайнее положение. Обычное значение ширины щели во время упомянутой очистки составляет 0,2 дюйма (примерно 5 мм). Когда поршень отведен во второе крайнее положение, ширину щели ограничивает только расстояние между наружной кромкой кольца 114 и внутренним диаметром отверстия 118, и не расстояние между кольцом и поршнем. Продолжительность и сила очищающего потока не должны быть большими, чтобы не разрушить хлопья.

В показанном на фиг. 2 варианте в центре верхней части 98 корпуса установлен с возможностью вращения на болте 122 управляющий диск 120. Стопорные элементы 124 закрепляют диск на корпусе 98. Тарельчатая пружина 126 прижимает диск 120 к корпусу 98, создавая скользящее торцовое уплотнение между этими элементами. Для обеспечения надежного уплотнения несмотря на скольжение относительно друг друга корпуса 98 и диска 120 предпочтительно используют кольцевое уплотнение 128 круглого сечения или эквивалентной уплотнительный элемент. Другое уплотнение 130 герметизирует проход для жидкости вокруг болта 122. В диске 120 закреплены одним концом четыре проходящих в радиальном направлении стержня 132. Их свободные концы расположены с возможностью сцепления с тележкой 28, которая поворачивает каждый стержень на 90^o, когда сама поворачивается на аналогичное угловое расстояние.

Поршень 116 содержит проходящий в осевом направлении канал 116a, заканчивающийся небольшим отверстием 116b, обращенным в сторону канала 110. При обычной работе проходы 116а, 116b позволяют воде под давлением течь из канала 110 в отверстие 118, где она действует на заднюю торцовую поверхность 116c поршня и на небольшую кольцевую поверхность 116d в канале 116a. Поскольку высокое давление воды в канале 110 походит только до внутреннего диаметра кольца 114, то площадь торцовой поверхности 116e поршня, на которую действует вода под давлением, меньше, чем площадь поверхностей 116c и 116d, на которые действует давление воды. Эта разница в площадях поверхностей, подвергаемых воздействию по существу одинакового давления, создает результирующую гидравлическую силу, которая заставляет поршень переместиться в первое крайнее положение. Как показано, поршень уплотняют и направляют по его цилиндрической боковой стороне посредством кольцевого уплотнения 134 круглого сечения и кромочного уплотнительного элемента 136. Эти уплотнения предотвращают течение вокруг поршня воды, пропускаемой через щель 112.

В торцовой стенке 98a верхней части 98 корпуса выполнено спускное отверстие 138. В диске 120 выполнен спускной канал 140. При вращении диска 120, когда вход 140a в канал 140 совмещается с отверстием 138 на наружной поверхности стенки 98a, объем 118a отверстия для поршня, находящийся за поршнем 116, сообщается с областью более низкого давления, т.е. с атмосферой. Вода под давлением вытекает через проходы 138,140, вызывая падение гидравлического давления на поверхности 116c и 116d до уровня, позволяющего давлению воды, действующему на поверхность 116e, передвинуть поршень во второе крайнее положение. При дальнейшем повороте диска 120 он закрывает отверстие 138, поскольку его сплошная часть перекрывает выход упомянутого отверстия на наружной поверхности торцовой стенки 98а. Отверстие 138 и канал 140 совмещаются на короткое время (обычно на долю секунды), но это оказывается достаточным, чтобы передвинуть поршень во второе крайнее положение на аналогичный период времени, который достаточен для раскрытия щели 112 в клапане 94. При наличии одного канала 140 в диске и четырех стержней 132 клапан очищается один раз за каждые четыре оборота тележки 28 относительно осветлителя. Дополнительные проходы 140 или 138 или иные число или конструкция стержней 132 могут дать большее или меньшее число очисток в одном и том же цикле или циклах работы.

На фиг. 3 показан альтернативный вариант клапана 94', причем одинаковые части обозначены одними и теми же номерами позиций, но со штрихом. Конструкция и принципы работы клапана 94' такие же, как у клапана 94 за исключением того, что поршень 116' выполнен сплошным, и его перемещают в требуемые положения, используя пневматический, а не механический привод. Из источника 120' сжатый воздух направляют к задней поверхности 116c' поршня 116' через трехходовой клапан 144 канал 146 в торцовой стенке 98a'. Давление воздуха достаточно для того, чтобы передвинуть поршень в первое крайнее положение против действия противоположно направленной силы, создаваемой водой под давлением, действующей на поверхность 116c'. Для очистки клапана 94' его приводят в действие так, чтобы перекрыть сжатый воздух и сообщить отверстие 118' с атмосферой. Это вызывает падение давления, действующего на поверхность 116c' через уплотнительный элемент 136' , что заставляет поршень переместиться во второе крайнее положение. Вместо сжатого воздуха может быть использована вода под давлением. Например, по линии 117 можно отводить часть потока аэрированной воды под давлением от впускного отверстия 108' к клапану 144.

Осветлители в соответствии с изобретением не только могут обрабатывать большие расходы, чем известные осветлители SASF сравнимого размера, но и более эффективны. При подаче в осветлитель 10 неочищенной воды, имеющей 400 частей на миллион загрязняющих примесей, осветленная вода, выходящая из устройства, имела согласно измерениям 11,2 частей на миллион загрязняющих примесей. Эта эффективность выше, чем даже при использовании менее компактных устройств, таких как осветвитель SPC.

Выше был описан усовершенствованный двухступенчатый осветлитель, который изолирует поток фильтрата после обратной промывки фильтра от установившегося потока осветленной воды. Был описан также новый декомпрессионный клапан для воды под давлением с растворенным в ней воздухом, который образует пузырьки воздуха оптимального для флотации размера без засорения клапана. Осветлитель имеет увеличенную производительность и повышенную эффективность. Он также снижает потери сред до незначительного уровня и обеспечивает возможность полной очистки фильтрующего слоя с частыми интервалами.

Изобретение было описано по отношению к предпочтительным вариантам его осуществления, но возможны различные изменения и дополнения, очевидные для специалистов в данной области техники из следующего ниже подробного описания и прилагаемых чертежей. Например, было описано несколько параллельных замкнутых кольцевых трубопроводов с системой клапанов для сбора и разделения потоков из осветлителя, но могут быть использованы и разные другие устройства для регулирования и разделения потоков. Кольца, например, могут быть С-образными или могут быть заменены системой трубопроводов, берущих начало от каждого отсека, хотя это и сопровождается некоторым увеличением стоимости. Аналогичным образом, разветвленные трубопроводы с прорезями могут быть заменены самыми разнообразными системами или функционально эквивалентными конструкциями, такими как отсеки малой высоты с отверстиями для жидкости с одной или нескольких сторон. Деление флотационного резервуара на отсеки также может быть осуществлено механически разными путями. Декомпрессионные клапаны тоже могут быть самыми разнообразными. Поршень может быть подпружинен с использованием при этом гидравлического давления для перемещения подвижного элемента против действия упругой силы. Промежуток (зазор) может быть образован с помощью конструкций иных, чем комбинации кольцо-поршень или прокладка-дистанционная шайба, например с помощью впускной трубы, выступающей над полоской поверхностью. Для периодического раскрытия узкой щели с целью ее очистки может быть придумано механическое или электромеханическое (например, поршень с соленоидным приводом) устройство непосредственного действия. Дефлекторы 58 тоже могут быть самого разного вида. Они могут быть расположены выше отсеков или могут быть выполнены в виде наборов концентрических изогнутых пластин, установленных с наклоном для перекрытия друг друга. Указанные и другие изменения и дополнения должны находиться в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.

Использование: очистка воды от взвешенных частиц. Сущность изобретения: осветлитель воды с изоляцией первого фильтрата содержит в качестве первой ступени очистки флотационный резервуар и в качестве второй ступени слои фильтрующей среды, размещенные в отдельных отсеках, образованных радиальными перегородками, установленными в резервуаре, разветвленные трубопроводы с прорезями, расположенные в каждом отсеке, клапаны для управления потоком осветленной воды, кольцевые трубопроводы для сообщения отсеков с резервуаром для хранения первого фильтрата и дефлекторы для замедления процесса флотации. 12 з.п. ф-лы,4 ил.

1. Осветлитель, содержащий вход для неочищенной воды с загрязняющими примесями в виде частиц, флотационный резервуар, где загрязняющие примеси флокулируют посредством химического вещества, добавляемого к входящей воде, и флотируют посредством микроскопических пузырьков воздуха к поверхности воды в флотационном резервуаре, где они образуют плавающий слой шлама, слой фильтрующей среды, расположенный в нижней части флотационного резервуара, для фильтрации воды до ее подачи на выход для осветленной воды и средство для удаления всплывшего шлама из резервуара и направления его к выходу для шлама, отличающийся тем, что содержит средство для разделения по крайней мере нижней части флотационного резервуара и фильтрующей среды на множество проходящих в вертикальном направлении отсеков, средство, расположенное в каждом отсеке, выполненное с возможностью гидравлического сообщения с фильтрующей средой в соответственном отсеке, первое средство, соединенное со всеми отсеками, выполненное с возможностью отвода осветленной и профильтрованной воды из первых выбранных отсеков через упомянутое средство гидравлического сообщения, средство для хранения первого фильтрата, второе средство, соединенное со всеми отсеками и средством для хранения первого фильтрата, для направления первой фильтратной воды в фильтрующую среду и из нее в по крайней мере втором выбранном одном из отсеков через упомянутое средство гидравлического сообщения, средство для обратной промывки фильтрующей среды в по крайней мере одном из отсеков первой фильтратной водой, текущей в упомянутый по крайней мере один отсек из упомянутого второго средства, и клапанное средство для каждого отсека, присоединенное между упомянутыми первым и вторым средствами с возможностью изоляции первой фильтратной воды от осветленной воды, причем клапанное средство выполнено с возможностью избирательного соединения средства с фильтрующей средой в упомянутом выбранном одном из отсеков в соответствии с обратной промывкой. 2. Осветлитель по п.1, отличающийся тем, что средство обратной промывки включает резервуар для хранения первой фильтратной воды и что второе средство отвода выполнено с возможностью направления отведенной первой фильтратной воды в резервуар для хранения первой фильтратной воды и из него. 3. Осветлитель по п.1, отличающийся тем, что каждое из первого и второго средства отвода содержит кольцевой трубопровод, окружающий упомянутый резервуар, и множество средств сбора осветленной воды, расположенных в фильтрующей среде в каждом отсеке, и что упомянутое клапанное средство выполнено с возможностью избирательного соединения каждого из средств сбора с выбранным одним из первого и второго кольцевых трубопроводов. 4. Осветлитель по п.3, отличающийся тем, что каждое средство сбора содержит разветвленную систему труб с выполненными в них отверстиями для приема осветленной воды. 5. Осветлитель по п.4, отличающийся тем, что упомянутые отверстия представляют собой удлиненные узкие прорези. 6. Осветлитель по п.3, отличающийся тем, что каждое из упомянутых клапанных средств содержит пару клапанов, присоединенных между каждым средством сбора и первым и вторым кольцевыми трубопроводами. 7. Осветлитель по п.1, отличающийся тем, что содержит днище, по существу цилиндрическую наружную боковую стенку, по существу цилиндрическую внутреннюю боковую стенку и кольцевое днище флотационного резервуара, проходящее между упомянутыми внутренней и наружной стенками и расположенное на некотором расстоянии выше днища осветлителя, причем наружная стенка проходит ниже внутренней стенки, образуя вместе с упомянутой внутренней стенкой, днищем осветлителя и днищем флотационного резервуара гидравлический флокуляционный резервуар. 8. Осветлитель по п. 7, отличающийся тем, что дополнительно содержит средство распределения неочищенной воды, включающее кольцевой трубопровод, окружающий упомянутую наружную стенку и принимающий неочищенную воду от входа для неочищенной воды, и множество вторичных впускных сопел, каждое из которых проходит от кольцевого трубопровода в флокуляционный резервуар, причем сопла загнуты под углом в одном и том же направлении. 9. Осветлитель по п.2, отличающийся тем, что средство обратной промывки включает трубопроводное средство обратной промывки, соединяющее резервуар для хранения первого фильтра с вторым средством отвода, и насос, встроенный в трубопроводное средство обратной промывки. 10. Осветлитель по п.9, отличающийся тем, что средство обратной промывки содержит средство для удерживания фильтрующей среды в отсеках. 11. Осветлитель по п. 10, отличающийся тем, что средство удерживания включает образующие отсеки вертикальные стенки, выполненные достаточно высокими, чтобы отсеки вмещали увеличенный объем фильтрующей среды во время обратной промывки. 12. Осветлитель по п.11, отличающийся тем, что средство удерживания дополнительно содержит множество наклонных дефлекторов, расположенных в каждом отсеке над фильтрующей средой, причем размеры дефлекторов и их ориентация выбирается с возможностью замедления флотации флокулированных загрязняющих примесей и предотвращения перемещения сквозь них фильтрующей среды. 13. Осветлитель по п.12, отличающийся тем, что дефлекторы выполнены в виде системы наклонных каналов.