ВОДООЧИСТНАЯ СТАНЦИЯ-ГИДРОАВТОМАТ НА БАЗЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЕЛЬТА-ФИЛЬТРОВАНИЯ Российский патент 2023 года по МПК C02F1/00 B01D24/48 

Изобретение относится к области водоснабжения и водоотведения, предлагается в качестве автоматической станции улучшения качества воды и других жидкостей в ресурсосберегающих режимах дельта-фильтрования, например, для реагентного и безреагентного осветления, обесцвечивания, обезжелезивания и комплексной очистки воды на водопроводах всех типов и любой производительности.

Известна водоочистная станция-гидроавтомат на базе технологии дельта-фильтрования, включающая напорный фильтр с зернистой загрузкой, под которой размещены обратный фильтр и водораспределительная система, воздушной трубкой с вантузом и нормально закрытым обратным клапаном, камерой реакций, центральной трубой с воронкой и автоматическим неравноплечим запорным клапаном с уплотнителем и фиксатором, трубой исходной воды с узлом ввода химреагентов и соосным с центральной трубой соплом, водоотвод с нормально закрытым обратным клапаном и устройством для обеззараживания фильтрата (их функции выполняет в этом аналоге резервуар с переливным порогом), бак фильтрата с водообменным отверстием и воздухообменной трубкой с вентилем (RU 2033841 С1 6 B01D 24/48, 30.04.95).

Суть технологии дельта-фильтрования состоит «в упорядочении раскладки окатанных зерен песчаной загрузки в завершении промывки фильтра, придании этим фактом главенствующей роли в фильтровальном извлечении примесных микро- и наночастиц из воды особой форме пор вокруг точек взаимного контакта зерен песка и частиц в образующейся среде нанопористых отложений, где микро- и наночастицы фиксируются приумноженными силами адгезии и аутогезии» (ж-л «Водоснабжение: и канализация», 2009, №6, с. 90); а упорядочение раскладки зерен ведется структурированием загрузки путем «принудительного ускорения осаждения псевдоожиженной массы песка интенсивным нисходящим потоком воды, в результате которого фракции оказываются распределенными в толще песка в инвертированной или близко к ней последовательности» (монография Ю.А. Ищенко. Явление и технология дельта-фильтрования природных и сточных вод. ВГСХА, 1997, с. 209, верхний абзац; рис. 56: сверху крупные - слой а; ниже помельче - слой б).

Технический недостаток известной станции: перед поступлением воды из станции в систему водоснабжения предварительно, после промывки загрузки, заполняется фильтратом бак, на что требуется много времени, и длительные потери энергии (напора) между фильтром и баком - во время подачи воды в систему водоснабжения.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и решаемой задаче является водоочистная станция-гидроавтомат на базе технологии дельта-фильтрования, включающая напорный фильтр с зернистой загрузкой, под которой размещены обратный фильтр и водораспределительная система, воздушной трубкой с вантузом и нормально закрытым обратным клапаном, камерой реакций, центральной трубой с воронкой и автоматическим неравноплечим запорным клапаном с уплотнителем и фиксатором, трубой исходной воды с узлом ввода химреагентов и соосным с центральной трубой заглубленным в нее соплом, водоотвод с нормально закрытым обратным клапаном и устройством для обеззараживания фильтрата, бак фильтрата с водообменным отверстием, воздухообменной трубкой с вантузом и вентилем, взаимосвязанными элементами автоматизации процесса усиления структурирования загрузки: клапаном с приводом и таймером продолжительности закрытого состояния, датчиком начала структурирования фильтрующей загрузки с сигнальной линией к приводу (RU 2568720 С2 6 B01D 24/48, 20.11.2015).

Технический недостаток прототипа: перед поступлением воды из станции в систему водоснабжения предварительно, после промывки загрузки, заполняется фильтратом бак, на что требуется много времени - около часа (в зависимости от производительности фильтра и объема бака - исходя из крупности зерен загрузки, определяющей по нормативам параметры ее промывки: интенсивность и продолжительность), в течение которого потребители воду не получают, если не предусмотреть дополнительные технические решения по созданию и использованию запаса чистой воды; длительные потери энергии (напора) между фильтром и баком во время подачи воды через бак в систему водоснабжения; предусмотренный в аналоге рост вакуума в баке в периоде промывки загрузки требует затрат энергии; снижение интенсивности промывки загрузки по мере увеличения вакуума в баке и, как следствие, уменьшение расширения загрузки, что снижает степень ее структурирования; элементы автоматизации процесса усиления структурирования загрузки в виде электрических устройств (привод, таймер, датчик, сигнальная линия) снижают надежность станции ввиду повышенной влажности условий работы.

Техническая задача (в последовательности недостатков): исключение подачи фильтрата через бак, задерживающей подачу чистой воды в систему водоснабжения, что исключит задержки подачи чистой воды после промывок загрузки; исключение потерь напора между фильтром и баком от расхода воды в систему водоснабжения, что снизит затраты энергии; исключение образования вакуума в баке до запрограммированного начала его формирования, что также снизит затраты энергии; усиление структурирования загрузки, что увеличит период фильтрования; повышение надежности работы станции.

Согласно изобретению в водоочистной станции-гидроавтомате на базе технологии дельта-фильтрования, включающей напорный фильтр с зернистой загрузкой, под которой размещены обратный фильтр и водораспределительная система, воздушной трубкой с вантузом и нормально закрытым обратным клапаном, камерой реакций, центральной трубой с воронкой и автоматическим неравноплечим запорным клапаном с уплотнителем и фиксатором, трубой исходной воды с узлом ввода химреагентов и соосным с центральной трубой заглубленным в нее соплом, водоотвод с нормально закрытым обратным клапаном и устройством для обеззараживания фильтрата, бак фильтрата с водообменным отверстием, воздухообменной трубкой с вантузом и вентилем, взаимосвязанными элементами автоматизации процесса усиления структурирования загрузки: клапаном с приводом в виде совокупности элементов станции, участвующих в режиме промывки загрузки, а также фильтрат в баке, и таймером продолжительности закрытого состояния, датчиком начала структурирования фильтрующей загрузки с сигнальной линией к приводу, водоотвод подсоединен к водораспределительной системе, элементы автоматизации процесса усиления структурирования загрузки взаимосвязаны механически: при этом клапан прикреплен к вертикальному стержню, который пропущен вниз через таймер с времязадающей подвижной на стержне шайбой, фиксатором и пружиной, далее стержень пропущен через проходное отверстие в бак в качестве механической сигнальной линии с массивным на нижнем конце стержня продолговатым по вертикали датчиком восприятия переменной выталкивающей силы Архимеда от привода, клапан содержит упор полного открытия, привод в виде совокупности элементов станции, участвующих в режиме промывки загрузки, включает напорный фильтр с зернистой загрузкой, воздушной трубкой с вантузом и нормально закрытым обратным клапаном, камерой реакций, центральной трубой с воронкой и автоматическим неравноплечим запорным клапаном с уплотнителем и фиксатором, трубой исходной воды с соосным с центральной трубой заглубленным в нее соплом, бак фильтрата с водообменным отверстием, воздухообменной трубкой с вантузом и вентилем.

На схеме показана водоочистная станция-гидроавтомат на базе технологии дельта-фильтрования, общий вид.

Водоочистная станция-гидроавтомат на базе технологии дельта-фильтрования включает напорный фильтр с зернистой загрузкой 1, под которой размещены обратный фильтр 2 (например, известные гравийный, колпачковый, щелевой, из пористых плит) и водораспределительная система 3, воздушной трубкой 4 с вантузом 5 и нормально закрытым обратным клапаном 6, камерой реакций 7, центральной трубой 8 с воронкой 9 и автоматическим неравноплечим запорным клапаном 10 с уплотнителем 11 и фиксатором 12 (например, магнитным; клапан может управляться рукояткой оператора на случай опорожнения станции для профилактики), трубой исходной воды 13 с узлом ввода химреагентов 14 и соосным с центральной трубой заглубленным в нее соплом 15, водоотвод 16 с нормально закрытым обратным клапаном 17 (предназначен для предупреждения обратного тока воды в станцию, и он же создает необходимый для наполнения бака 19 подпор, равный разности геодезических отметок напора на оси клапана 17 при прямом токе воды и выходного воздушного отверстия вантуза 22, что определяет взаимное расположение фильтра и бака 19 по высоте - от подземного до расположенного над фильтром, и что несущественно для заполненных водой напорных систем водоснабжения с закрытым клапаном 17 до нагнетания воды через него) и устройством для обеззараживания фильтрата 18, бак фильтрата 19 с водообменным отверстием 20, воздухообменной трубкой 21 с вантузом 22 и вентилем 23, взаимосвязанные элементы автоматизации процесса усиления структурирования загрузки 1: клапан 24, с приводом 34 в виде совокупности элементов станции, участвующих в режиме промывки загрузки 1, а также фильтрат - он же привод 34 в баке 19, и таймер продолжительности закрытого состояния 26, датчик начала структурирования фильтрующей загрузки 27 с сигнальной линией 28, водоотвод 16, подсоединенный к водораспределительной системе 3, клапан 24, прикрепленный к вертикальному стержню 29, который пропущен вниз через таймер 26 с времязадающей подвижной на стержне шайбой 30, фиксатором 31 и пружиной 32, далее пропущенный через проходное отверстие (с герметизацией, например, сальником, мембраной, гофром и пр.) в бак 19 в качестве механической сигнальной линии 28 (шток) с массивным на нижнем конце стержня продолговатым (например, цилиндрическим, пирамидальным и пр.) по вертикали датчиком 27 восприятия переменной выталкивающей силы Архимеда 33 от привода 34, клапан 24 оснащен упором полного открытия 25, привод 34 в виде совокупности элементов станции, участвующих в режиме промывки загрузки, включает напорный фильтр с зернистой загрузкой 1, воздушной трубкой 4 с вантузом 5 и нормально закрытым обратным клапаном 6, камерой реакций 7, центральной трубой 8 с воронкой 9 и автоматическим неравноплечим запорным клапаном 10 с уплотнителем 11 и фиксатором 12, трубой исходной воды 13 с соосным с центральной трубой заглубленным в нее соплом 15, бак фильтрата 19 с водообменным отверстием 20, воздухообменной трубкой 21 с вантузом 22 и вентилем 23.

В исходном положении зернистая загрузка 1 расположена в плотном состоянии на обратном фильтре 2, препятствующем просыпанию зерен загрузки 1 в водораспределительную систему 3. Запорный клапан 10 находится в горизонтальном закрытом положении и зафиксирован фиксатором 12. Вентиль 23 на воздухообменной трубке 21 прецизионно отрегулирован на впуск в бак 19 через вантуз 22 воздуха с расходом, равным промывному расходу воды в начале промывки загрузки 1, обеспечивающего расширение загрузки 1 для ее «кипения» в псевдоожиженном состоянии. Обратные клапаны 6 и 17 находятся в нормально закрытом состоянии. Полости элементов 1, 2, 3, 5, 7, 8, 9, 13, 14, 15, 19, 16, 21, 22 и 23 заполнены воздухом. Узел ввода химреагентов 14 выключен, под действием массы датчика 27 на нижнем конце линии 28, являющейся продолжением стержня 29, клапан 24 закрыт и пружина 32 сжата шайбой 30, зафиксированной на стержне 29 фиксатором 31. Клапан 10 отрегулирован фиксатором 12 на конкретное давление воды в трубе 8 для автоматического начала промывки загрузки 1 его открытием.

Водоочистная станция-гидроавтомат на базе технологии дельта-фильтрования работает в трех автоматически последовательно повторяющихся периодах:

- фильтрование с подачей фильтрата по водоотводу 16 через обратный клапан 17 в устройство для обеззараживания фильтрата 18 и далее очищенной воды в систему водоснабжения, с одновременным заполнением фильтратом бака 19;

- промывка загрузки 1 фильтратом из бака 19 и формирование вакуума в нем в завершении промывки;

- структурирование загрузки 1 нисходящим потоком воды в ней из камеры 7 под действием вакуума в баке 19.

Исходная вода подводится на станцию непрерывно по трубе 13, проходит с напором через узел подачи химреагентов 14 (обязательно включенным при пуске станции в эксплуатацию - так как загрузка 1 еще не структурирована, в последующем - выключенным или включенным в зависимости от загрязненности исходной воды) и нагнетается вертикальной струей из сопла 15 в трубу 8.

В периоде фильтрования струя из сопла 15 перемешивает воду в трубе 8 и вытесняет ее через воронку 9 в камеру реакций 7. При этом из камеры 7 удаляются воздух и газовые продукты реакций через вантуз 5 и открывшийся под давлением воздуха клапан 6. После заполнения камеры 7 водой закрывается вантуз 5 его внутренним поплавковым клапаном, обратный клапан 6 возвращается в нормально закрытое состояние. Вода из камеры 7 фильтруется через загрузку 1, очищаясь в ней от примесей, поступает через обратный фильтр 2 в водораспределительную систему 3 и под остаточным напором фильтрат нагнетается по водоотводу 16 через обратный клапан 17 в устройство для обеззараживания воды 18, и далее очищенная вода подается в систему водоснабжения.

Одновременно под действием этого остаточного напора фильтрат поступает в бак 19. Когда датчик 27 оказывается подтопленным до отметки то действующая на него сила Архимеда 33 с помощью сжатой изначально пружины 32 выталкивает его вверх и посредством линии 28 и стержня 29 клапан 24 переходит в открытое состояние, которое обеспечивает медленное вытеснение воздуха из бака 19 по трубке 21 через вантуз 22 и вентиль 23, тем самым, медленное заполнение бака 19 фильтратом (до завершения периода фильтрования), а также закрытие вантуза 22 всплывшим в нем поплавковым клапаном. В процессе фильтрования в загрузке 1 накапливаются отложения, гидравлическое сопротивление ее растет, напор воды в камере реакций 7 увеличивается. При определенном заданном фиксатором 12 максимуме давления в камере 7, следовательно, и в трубе 8, под действием этого давления открывается запорный клапан 10, станция переходит на промывку загрузки 1.

Промывка загрузки 1 идет обратным током фильтрата, засасываемого из бака 19 и замещаемого воздухом через открывшийся вантуз 22, открытые вентиль 23 и клапан 24. Фильтрат интенсивно поступает через загрузку 1 в камеру 7 вследствие отсасывания воды из камеры 7 в промежуток труб 13 и 8 струей из сопла 15 и благодаря закрытому клапану 6 при сбросе промывной воды в канализацию по трубе 8 через клапан 10. При этом восходящий поток фильтрата в загрузке 1 разрыхляет ее в псевдоожиженное состояние, и она турбулентно «кипит». Зерна загрузки 1 отмываются от грязи, которая далее сбрасывается с потоком промывной воды в канализацию. К завершению опорожнения бака 19 оголяется датчик 27. С понижением уровня фильтрата в пределах высоты датчика 27 на него действует все меньшая выталкивающая сила Архимеда 33, он опускается под действием своей массы. Посредством линии 28 и стержня 29 датчик 27, увлекая их за собой вниз, закрывает клапан 24. С этого момента начинается разрежение воздуха (возникает вакуум с давлением ниже атмосферного) в баке 19 над оставшимся слоем фильтрата в нем. Вакуум в баке 19 присасывает клапан 24 к верхнему отверстию воздухообменной трубки 21, что предотвращает недопустимые возможные вибрации его. Продолжающийся отсос фильтрата из бака 19 на промывку загрузки 1 скоротечно создает критический вакуум (КВ) в баке 19, требуемый для начала последующего структурирования загрузки 1. В момент КВ через запорный клапан 10 и центральную трубу 8 в зазор эжекции воды прорывается снизу воздух. Он врывается в камеру 7, давление в ней резко возрастает до близкого к атмосферному, и этим моментом завершается период промывки с участием элементов 1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 15, 19, 20, 21, 22, 23; мгновенно начинается период ее структурирования.

Период структурирования зернистой загрузки 1 с засасыванием воды из нее баком 19 наступает автоматически под действием KB в баке 19. В результате в псевдоожиженной загрузке 1 моментально возникает мощный нисходящий ток воды. Он увлекает зерна загрузки 1 в быстрое принудительное осаждение, при котором мелкие зерна интенсивно засасываются водой вниз среди крупных зерен большей инерционности. Осажденная таким способом загрузка 1 оказывается принудительно гидравлически структурированной с увеличивающейся крупностью зерен (пор) в верхнем направлении.

Задавая таймером 26 степень сжатия пружины 32 фиксированием шайбой 30 с помощью фиксатора 31 на стержне 29 при закрытом клапане 24, можно программировать начало и продолжительность осаждения мелких фракций загрузки 1 относительно более крупных, следовательно, управлять степенью гидравлического структурирования загрузки 1. Чем больше самых крупных зерен окажется у поверхности загрузки 1, тем выше эффект структурирования. При отсосе фильтрата из бака 19 для формирования в нем КВ действует закономерность; чем слабее изначально сжата пружина 32, тем на меньшую высоту оголится датчик 27 для закрытия клапана 24, тем меньше к моменту КВ отсосано фильтрата из бака 19, тем короче период структурирования (иначе: чем сильнее изначально сжата пружина 32, тем на большую высоту оголится датчик 27 для закрытия клапана 24, тем больше к моменту KB отсосано фильтрата из бака 19, тем продолжительнее период структурирования). При этом начало структурирования определяется одной и той же глубиной вакуума в баке 19, задаваемой фиксатором 12 клапана 10.

Далее описанные периоды фильтрования, промывки и структурирования загрузки 1 автоматически последовательно повторяются.

Таким образом, в водоочистной станции-гидроавтомате на базе технологии дельта-фильтрования благодаря признаку «водоотвод 16 подсоединен к водораспределительной системе 3» исключены задержки подачи станцией чистой воды в систему водоснабжения после промывок загрузки 1 (продолжительностью ~1,22 ч при оптимальной типовой скорости фильтрования 5 м/ч после каждой промывки загрузки 1, причем на станции любой производительности) и снижены затраты энергии на подачу фильтрата из водораспределительной системы 3 до клапана 17 (за счет устранения этой подачи по трубе между баком и напорным фильтром с зернистой загрузкой 1, тем самым и затрат энергии на внезапные расширение и сужение потоков на входе и выходе бака прототипа при фильтровании - в сумме ~0,5 м, причем также независимо от производительности станции, - это существенные ~8÷6% от нормативных максимальных общих потерь напора на станции до 6÷8 м); а благодаря признаку «элементы автоматизации процесса усиления структурирования загрузки взаимосвязаны механически: при этом клапан прикреплен к вертикальному стержню, который пропущен вниз через таймер с времязадающей подвижной на стержне шайбой, фиксатором и пружиной, далее стержень пропущен через проходное отверстие в бак в качестве механической сигнальной линии с массивным на нижнем конце стержня продолговатым по вертикали датчиком восприятия переменной выталкивающей силы Архимеда от привода, клапан содержит упор полного открытия, привод в виде совокупности элементов станции, участвующих в режиме промывки загрузки, включает напорный фильтр с зернистой загрузкой, воздушной трубкой с вантузом и нормально закрытым обратным Клапаном, камерой реакций, центральной трубой с воронкой и автоматическим неравноплечим запорным клапаном с уплотнителем и фиксатором, трубой исходной воды с соосным с центральной трубой заглубленным в нее соплом, бак фильтрата с водообменным отверстием, воздухообменной трубкой с вантузом и вентилем» снижены затраты энергии на промывку загрузки 1 фильтратом из бака 19 исключением возникновения преждевременного вакуума в баке 19 (до 5 м, необходимого для последующего структурирования загрузки 1), увеличен период фильтрования (до 20%, то есть в 1,2 раза, причем с повышением качества первого фильтрата и снижением вероятности проскока в фильтрат неизбежно срывающихся частиц отложений в загрузке 1, уменьшением в фильтрате концентрации остаточных технологических реагентов - это относится, в частности, к полиакриламиду, ПГМГ-ГХ, сернокислому алюминию) усилением структурирования загрузки 1 (осуществленное, в отличии от прототипа, строгое завершение структурирования в момент открытия клапана 24 подавшимся вверх датчиком 27 обеспечило максимальную продолжительность структурирования, то есть без каких-либо случайных сокращений, что вызывает не только надлежащее структурирование, но и максимальное уплотнение структурированной загрузки 1 с эффектом увеличения количества точек контактов на каждом зерне от соседних зерен, согласно теории дельта-фильтрования с 10 до максимальных 12, что соответственно увеличивает грязеемкость загрузки 1 и продолжительность периода фильтрования в 1,2 раза) и повышена надежность работы станции оснащением ее исключительно элементами, обеспечившими гидроавтоматическое действие устройству (электрические элементы полностью исключены - как ненадежные в повышенной влажности условиях) С названием на этом основании Водоочистная станция-гидроавтомат на базе технологии дельта-фильтрования.

Изобретение относится к водоснабжению и водоотведению. Станция включает напорный фильтр с зернистой загрузкой, воздушной трубкой с вантузом и нормально закрытым обратным клапаном, камерой реакций, центральной трубой с воронкой и автоматическим неравноплечим запорным клапаном с уплотнителем и фиксатором, трубой исходной воды с узлом ввода химреагентов и соосным с центральной трубой заглубленным в нее соплом, водоотвод с нормально закрытым обратным клапаном и устройством для обеззараживания фильтрата, бак фильтрата с водообменным отверстием, воздухообменной трубкой с вантузом и вентилем. Под загрузкой размещены обратный фильтр и водораспределительная система. Водоотвод подсоединен к водораспределительной системе. Элементы автоматизации процесса структурирования загрузки взаимосвязаны механически. Клапан прикреплен к вертикальному стержню, который пропущен вниз через таймер с времязадающей подвижной на стержне шайбой, фиксатором и пружиной. Стержень пропущен через проходное отверстие в бак в качестве механической сигнальной линии с датчиком восприятия переменной выталкивающей силы Архимеда от привода на нижнем конце стержня. Клапан содержит упор полного открытия. Привод включает напорный фильтр с зернистой загрузкой, воздушной трубкой с вантузом и нормально закрытым обратным клапаном, камерой реакций, центральной трубой с воронкой и автоматическим неравноплечим запорным клапаном с уплотнителем и фиксатором, трубой исходной воды с соосным с центральной трубой заглубленным в нее соплом, бак фильтрата с водообменным отверстием, воздухообменной трубкой с вантузом и вентилем. Технический результат: исключение задержки подачи воды в систему водоснабжения, снижение затрат энергии, увеличение периода фильтрования, повышение надежности работы станции. 1 ил.

Водоочистная станция-гидроавтомат на базе технологии дельта-фильтрования, включающая напорный фильтр с зернистой загрузкой, под которой размещены обратный фильтр и водораспределительная система, воздушной трубкой с вантузом и нормально закрытым обратным клапаном, камерой реакций, центральной трубой с воронкой и автоматическим неравноплечим запорным клапаном с уплотнителем и фиксатором, трубой исходной воды с узлом ввода химреагентов и соосным с центральной трубой заглубленным в нее соплом, водоотвод с нормально закрытым обратным клапаном и устройством для обеззараживания фильтрата, бак фильтрата с водообменным отверстием, воздухообменной трубкой с вантузом и вентилем, взаимосвязанными элементами автоматизации процесса усиления структурирования загрузки: клапаном с приводом в виде совокупности элементов станции, участвующих в режиме промывки загрузки, а также фильтрат в баке, и таймером продолжительности закрытого состояния, датчиком начала структурирования фильтрующей загрузки с сигнальной линией к приводу, отличающаяся тем, что водоотвод подсоединен к водораспределительной системе, элементы автоматизации процесса усиления структурирования загрузки взаимосвязаны механически: при этом клапан прикреплен к вертикальному стержню, который пропущен вниз через таймер с времязадающей подвижной на стержне шайбой, фиксатором и пружиной, далее стержень пропущен через проходное отверстие в бак в качестве механической сигнальной линии с массивным на нижнем конце стержня продолговатым по вертикали датчиком восприятия переменной выталкивающей силы Архимеда от привода, клапан содержит упор полного открытия, привод в виде совокупности элементов станции, участвующих в режиме промывки загрузки, включает напорный фильтр с зернистой загрузкой, воздушной трубкой с вантузом и нормально закрытым обратным клапаном, камерой реакций, центральной трубой с воронкой и автоматическим неравноплечим запорным клапаном с уплотнителем и фиксатором, трубой исходной воды с соосным с центральной трубой заглубленным в нее соплом, бак фильтрата с водообменным отверстием, воздухообменной трубкой с вантузом и вентилем.