多功能过滤与反冲洗实验装置 【技术领域】
本发明涉及一种多功能过滤与反冲洗实验装置，属给水排水工程的教学、生产及科研技术领域。
背景技术
过滤是水处理或污水深度处理的重要工艺。滤池的许多设计参数或生产运行参数(如最佳滤速、最佳过滤周期、反冲洗强度、反冲洗历时等等)，目前还不能从理论上完全确定，而须靠实验研究解决。因此，过滤实验是教学上、生产上和科研上重要实验之一。
已有的过滤实验装置多半功能不全，例如，只能做沉淀池出水的定速过滤，而不能做变速过滤，或不能做向原水投药的接触过滤；在反冲洗方面只能做水反冲洗实验，而不能做气、水反冲洗或顶多是带滤头的气、水反冲洗实验。从而使过滤的实验研究受到很大限制。
【发明内容】
本发明的目的是，克服传统过滤实验和反冲洗实验存在的上述缺点，设计制造出一种多功能过滤实验装置，可进行各种定速或变速的过滤实验、各种反冲洗实验等。在教学上能让学生了解到各种过滤方式和反冲洗方式的机理，在科研及生产上能根据各种不同水质和环境条件，通过实验取得所需的设计或生产运行的数据。
本发明的技术方案是，本发明多功能过滤与反冲洗实验装置由原水箱、清水箱、滤柱、水泵、旋流式网格絮凝箱、定量投药箱、气液雾化闪速混合射流器、水样采集器、无滤头气泡爆裂扰动泥膜器等组成。所述装置中采用气液雾化闪速混合射流器投放混凝剂；采用滤柱过水断面上的多口水样采集器来采集过滤水各层面的水质情况；采用无滤头的气泡爆裂扰动泥膜器，提高反冲洗的效果。
本过滤实验装置的构造简图如附图1示。原水箱中装有一搅拌器进行搅拌，以保证在实验过程中原水的浊度均匀不变。启动水泵，打开阀(21)、(22)、(23)、(24、)、(25)、(26)、(29)，其余阀关闭。原水经气液雾化闪速混合射流器(5)与投药箱(9)流下的混凝剂混合后进入絮凝箱(10)，形成矾花，流入滤柱(6)进行定速过滤，滤后水经阀(26)流回清水箱，完成整个过滤过程。
本发明装置中滤柱滤料的设置如图7所示：滤柱内径为Φ100mm，充填卵石承托层400mm。自下而上各层的卵石粒径大小依次是：Φ16～32mm，厚100mm；Φ8～16mm，厚100mm；Φ4～8mm，厚100mm；Φ2～4mm，厚100mm。承托层上的滤料层仍采用过去通用的砂滤料，即d10＝0.55mm，d80＝1.1mm，k80＝2.0mm。采用过去通用的承托层和砂滤层进行实验，以便实验结果可用于旧滤池的改造。
本发明装置中设置了用于投药用的气液雾化闪速混合射流器，气雾闪速混合射流投药器结构如图2所示。气液雾化闪速混合射流器的工作原理：利用水流经一渐缩管出口喉管的环形空间形成射流，该处压力可降为负压，在环形空间钻一小孔，空气从小孔吸入与射流混合形成气雾，同时再向环形空间引入混凝剂，混凝剂又立即与气雾混合。其优点是：(a)气雾与刚刚水解的混凝剂带有高正电荷羟基配合物及聚合物[AL13(OH)32]7+闪速混合，可极大地提高对原水膠体脱稳的效果。
为了获得滤层不同层面的水质状况，本发明装置中设置了多个水样采集器。水样采集器在滤柱中的设置如图3所示。其中整个过水断面上多口水用采集器安装在滤层面下5cm位置，在本实验装置中，由4根长25mm，内径6mm的取样管，其取样口均匀分布在半径为32mm的圆周上及一块中央取样盘构成，取样盘的中心开孔直径为5mm，水样从各取样管末端开口及取样盘中心口进入水样采集器，自行混合后，由滤柱侧面取样总管流出，这样采集到的水样可以代表整个滤柱过水断面上的平均水样。至于滤柱表面150mm以下及其它过水断面上的水样，由于断面上的水质已较均匀，只在滤中心引出取样即可。
本发明装置中设置了无滤头气泡爆裂扰动泥膜器，无滤头气泡爆裂扰动泥膜器设置如图5和图6所示。无滤头气泡爆裂扰动泥膜器的原理：当过滤阶段结束，准备进行反冲洗时，在滤层表面保留50mm厚的清水层。进入滤池的压缩空气管的末端封口上钻一直径为6mm的小孔，其上蒙以孔径为1mm的纱网。当压缩空气流量较小时，从该小孔流出的空气，形成一个一个小气泡，其直径约为6mm，气泡中的空气压力等于气泡外界的水压力，即P1＝Pa+γH，式中H为压缩空气管末端在滤柱清水区中的水深，如附图1中A示。在实验时可看到，当空气流量较小，空气泡进入砂滤层时，不能将整个滤层中的各个沙粒都在水中悬浮起来，而只是当空气泡从沙粒的间隙中穿过时将沙粒向两旁或向上挤开一下，气泡通过后，该沙粒又恢复原位。在气泡上升的过程中，由于沙的粒径逐渐减小，加上截流的污泥越来越多，因此空气泡的体积不能自由膨大，这就导致气泡中的空气压力比外界水压力大。当气泡露出泥膜表面时，气泡可以自由膨胀。由于气泡中空气压力大于外界压力，于是气泡发生爆裂，这样就将周围泥膜打碎，残留在滤层表面50mm厚的水层立即变为浑水。随后，停止进气，开始用水反冲洗。由于泥膜已破，从而可节省反冲洗用水量。
本发明对旋流式絮凝池(箱)进行了改造设计，在该絮凝池中加网格以提高絮凝效果。考虑到为缩短滤柱地过滤周期，让水流中全部矾花都进入滤柱，所以本发明实验装置中在絮凝箱之后不设沉淀箱。
本发明多功能过滤与反冲洗实验装置可以进行下列实验：(1)絮凝箱出水(水中已有矾花)的定速过滤实验；(2)絮凝箱出水(水中已有矾花)的变速过滤实验；(3)向原水投药的定速接触过滤实验；(4)向原水投药的变速接触过滤实验；(5)向原水投药的接触过滤的最佳投药量实验；(6)用水反冲洗实验；(7)无滤头的小阻力系统的气扰动水反冲洗实验；(8)无滤头的大阻力系统的气扰动水反冲洗实验；(9)无滤头的小阻力系统气扰动后气、水同时反冲洗实验；(10)无滤头的大阻力系统气扰动后气、水同时反冲洗实验。
本发明与已有的过滤实验装置技术相比的有益效果是，它为过滤和反冲洗提供了广阔的研究平台，从而显示出本装置独特的优良性能。例如气液雾化闪速混合射流器能节省多少的混凝剂，微絮凝接触过滤的最佳投药量为多少、变速过滤比定速过滤能增多多少的过滤水量等等问题都可利用本装置进行实验研究。这些研究结果有着巨大的经济效益。此外，气、水反冲洗时，不用目前通用的滤板和滤头，而以承托层和压缩空气管末端的小孔取代，对于旧滤池的改造可节省巨大投资。
本发明适用于学校给水排水实验室教学之用，也适用于科研单位或设计单位由实验确定各种过滤和反冲洗的参数之用，可以供水厂或深度处理的污水厂确定生产运行参数之用。
【附图说明】
图1为过滤和反冲洗实验装置工艺流程图
图2为气雾闪速混合射流投药器示意图
图3为水样采集器放置位置示意图
图4为水样采集器放大样俯视图
图5为无滤头气泡爆裂扰动泥膜器放置位置示意图
图6为无滤头气泡爆裂扰动泥膜器俯视图
图7为反冲洗滤柱结构示意图
图中图号为：(1)原水箱；(2)清水箱(滤后水箱)；(3)水泵；(4)水流量计；(5)气液雾化闪速混合射流器；(6)滤柱；(7)变速过滤溢流管；(8)反冲洗溢流管；(9)定量投药箱；(10)网络絮凝箱；(11)空气压缩机；(12)气流量计；(13)压缩空气管；(14)水槽；(15)放空管；(16)反冲洗管；(21)--(34)阀门；
(61)取样口；(62)水样采集器；(63)无滤头气泡爆裂扰动泥膜器；(64)法兰；(65)滤层；(66)接空压机；(67)清水区；(68)水位；(69)细砂层；
(101)喷嘴；(102)气液混合室；(103)进气口；(104)混凝剂投药管；(105)空气和混凝剂；(106)待处理的水；(107)加了混凝剂的出水。
【具体实施方式】
本发明实施例多功能过滤与反冲洗实验装置如图1所示。该装置由原水箱(1)、清水箱(2)、滤柱(6)、水泵(3)、网络絮凝箱(10)、定量投药箱(9)、气液雾化闪速混合射流器(5)、水样采集器(62)、无滤头气泡爆裂扰动泥膜器(63)及阀门(21-34)等组成。
本发明实施例装置中滤柱(6)如图7所示，滤柱(6)内径为Φ100mm，充填卵石承托层400mm，自下而上各层的卵石粒径大小依次是：Φ16～32mm，厚100mm；Φ8～16mm，厚100mm；Φ4～8mm，厚100mm；Φ2～4mm，厚100mm。承托层上的滤料层仍采用过去通用的砂滤料，即d10＝0.55mm，d80＝1.1mm，k80＝2.0mm。采用过去通用的承托层和砂滤层进行实验，以便实验结果可用于旧滤池的改造。在承托层上方过滤层700mm，其间在不同的滤柱层面上设置了9个水样采集器(1`，2`，3`，…)，收集滤柱各个层面的水质信息数据。
本发明实施例装置中采用气雾闪速混合射流投药器进行投放混凝剂，确保混凝剂均匀，达到混凝效果。
本发明实施例装置的滤柱下部采用无滤头气泡爆裂扰动泥膜器结构，以大大减少反冲洗的用水量。
依据本发明实施例的装置，可进行下述实验，各种实验流程步骤如下：
(a)絮凝箱出水(水中已有矾花)的定速过滤实验：启动水泵，打开阀(21)、(22)、(23)、(24)、(25)、(26)、(29)，其余阀关闭。原水经气液雾化闪速混合射流器(5)与投药箱流下的混凝剂混合后进入絮凝箱(10)，形成矾花，流入滤柱(6)进行定速过滤。滤后水经阀(26)流回清水箱。
(b)絮凝箱出水(水中已有矾花)的变速过滤实验：加大水泵流量，增开阀(27)，[其余阀门开闭及操作同(a)]，进行变速过滤，超过滤柱滤速的水量由变速过滤溢流管流走。
(c)向原水投药的定速接触过滤实验：关闭阀(24)、(25)、(27)，打开阀(21)、(22)、(23)、(26)、(28)、(29)，原水经气液雾化闪速混合射流器(5)与混凝剂混合后进入滤柱进行微絮凝接触过滤，滤后水经阀(26)流回清水箱。
(d)向原水投药的变速接触过滤实验：加大水泵流量，打开阀(27)，[其余阀门开闭及操作同(c)]，进行微絮凝变速接触过滤实验。
(e)向原水投药的接触过滤的最佳投药量实验：阀门开闭及操作同(c)，调节阀(23)的开启度，变更混凝剂投量，测定滤层厚度15cm处的滤后水水质，以确定滤后水水质最佳时的投药量。
(f)用水反冲洗实验：打开阀(29)、(30)、(31)、(32)，关闭其余阀门，启动水泵，进行用滤后水反冲洗。污水经反冲洗溢流管流走。
(g)无滤头的小阻力系统的气扰动水反冲洗实验：打开阀(33)，关闭其余阀门，开动空气压缩机，用无滤头的气泡爆裂扰动滤层表面泥膜，随后，阀门开闭及操作同(f)。
(h)无滤头的大阻力系统的气扰动水反冲洗实验：关闭阀(33)，打开阀(34)，其余阀门开闭及操作同(g)。
(i)无滤头的小阻力系统气扰动后气、水同时反冲洗实验：关闭阀(34)，打开阀(33)，用无滤头的气泡爆裂扰动滤层表面泥膜，随后开动水泵，打开阀(21)、(29)、(31)、(32)，用滤前水进行气、水同时反冲洗，然后，关闭阀(21)、(33)，打开阀(30)，用滤后水对滤层进行漂洗。
(j)无滤头的大阻力系统气扰动后气、水同时反冲洗实验：关闭阀(33)，打开阀(34)，其余阀门开闭及操作同(i)。