多功能高速澄清器 一、技术领域
本发明属于化工水处理机械技术领域，涉及沉砂池、沉淀池、澄清池、气浮池。
二、背景技术
沉砂池、沉淀池、澄清池、气浮池是工业废水、生活污水处理的基本设施。
在沉砂池方面有很多专利，比如：“旋流曝气除砂装置(ZL96206538.2)”、“旋流式沉砂池(ZL01110202.0)”、“一体化旋流除砂装置(ZL01220262.2)”、“一种旋流沉砂装置(ZL02220513.6)”、“新型旋流沉砂器(ZL02264340.0)”、“旋流式沉砂池除砂机叶轮(200320120549.1)”。这些专利有个共同点，就是没有改变沉砂池只能分离250微米以上颗粒的不良状况。
在沉淀池方面则没有显著的进步，平流斜板沉淀池、辐射流沉淀池一直是主导型式。
在澄清池与气浮池联合方面有专利“多功能气浮澄清池及其处理工艺(ZL01128850.7)”。
沉淀池的水处理速率很低，占地面积很大，收集污泥需要配备大型的刮泥机。
澄清池的混合反应时间长达10分钟，接触絮凝循环量达到3~4倍的进口流量，水处理速率也很低，使机械搅拌澄清池叶轮的能耗比较大。
气浮沉淀池常发生曝气头堵塞，水留池时间过长。有的池可深达3m，需要配备风压达到30kPa以上的鼓风机，能耗过大。
海洋油田、船舶等场地对体积小、经济、高效的固-液分离设备有很迫切的需求。
三、发明内容
发明的目的：
1、加快固-液分离速率，显著降低可分离颗粒粒径，缩小设备尺寸。
2、加快药液混合速率。
3、消除撇出浮渣时残余物外溢，提高轻相分离率。
4、降低气浮能耗和解决曝气头堵塞的问题。
技术方案
本发明的技术方案是一种多功能高速澄清器，用于水处理。
该装置含有一个筒形仓3、一套传动装置1、一套搅拌器、浓缩泥斗9。
筒形仓3内壁为近似轴对称形。传动装置1由电机、轴承箱、传动轴、联轴器、变频器或变速箱或带轮组成。搅拌器同轴于筒形仓3。传动轴延伸至仓内中部位置，传动轴上固定有搅拌器。浓缩泥斗9在下部与筒形仓3连接。
该多功能高速澄清器的特征在于：
在筒形仓3下部正交或偏心连接至少一个进浆管11，在筒形仓3上部连接一个夹套形溢流槽2，筒形仓3有多孔与溢流槽2连通。
所述的搅拌器是一种针轮4。它由金属或非金属线材呈辐射状均匀密集排列分层组合固定在轮毂上，且针苗末端自由无约束。针轮4至少有一件。
浓缩泥斗9由两个反锥、法兰、至少一个排泥口10组成。还可选择多种其它型式，或者做成单一锥斗状、或者做成分隔多斗状，还可做成两分层结构，分别纳入水动力分离器7外、内卸下来的泥浆。这时，外泥斗内粗颗粒比较多，有机物比较少，利于分类处置。
浓缩泥斗9和筒形仓3之间隔有一个开孔屏蔽板8。屏蔽板8上与针轮4同轴或近似同轴地座有一个助旋锥台12。屏蔽板8的开孔区落在助旋锥以外，连通浓缩泥斗9。孔口尺寸在5~200mm。或者在旋转方向上孔壁有坡口。
在装置下部助旋锥台12与筒形仓3之间有一个与针轮4同轴或近似同轴的开孔的内壁为锥形的水动力分离器7，上部通过高于进浆管11口的园环固定在筒形仓3内壁，下部伸及屏蔽板8，锥口向下敞开，孔口大小在2~50mm。
隔开进浆区域地园环上开孔连通至少一根沉降导料管6，管伸至屏蔽板8附近。
在水动力分离器7之上有与针轮4同轴或近似同轴的主分离锥筒5，锥口向下敞开，下锥口与水动力分离器7连接，上锥口口面外连接一园环。园环外缘悬空，起辅助成锥作用。
或者有一个以上的桩或耳片顶在水动力分离器7或主分离锥筒5与筒形仓3之间。
该澄清器或者在筒形仓3上部溢流孔以下有一个三次沉降锥13，锥下口接筒形仓3壁，上部有园环封闭锥口与筒形仓3的间隙。
该澄清器或者在针轮4的上部中央区安置有可升降抽吸式或虹吸式或自流式撇出器15。用来撇出浮渣等轻相。
该澄清器或者在助旋锥台12上部一定区域开有小孔，孔径0.1~10mm。孔区隔开后接输入管道，穿过屏蔽板8。用来输入絮凝剂等药剂。或者选择在水动力分离器7或主分离锥筒5的局部壁面一处或多处开小孔向内分散药剂，孔径0.1~10mm。相应于小孔区设有分隔仓并连通输入管。
该澄清器或者在分隔园环以上主分离锥筒5与筒形仓3之间区域内环形布置有曝气装置17。曝气装置17支在分隔园环上，曝气表面大致与转子同轴。用来分离胶质颗粒物，加速轻相同步分离，以及增加水中溶解氧。
所述的曝气装置17包含多个环周大致均匀布置的曝气头或者一个整体曝气头。曝气头表面宜向心倾斜。或者还有与曝气头表面相当的插片格栅或锥面，用来削弱或整流因安置曝气头次生的湍流。
有益效果
1、复合功能的转子
针轮4针苗密度大，启旋能力强。其针苗末端自由，在轮毂一端为铰支座约束，故而在环向能够随受力摆动和变形，在轴向也可以有适当的转动和变形。针轮4在转动中能够自我调整动平衡。动平衡等级高到可适应3000r/min以上高速旋转，具有很大的调节空间。叶轮搅拌器只能适应100r/min以内的转动。
针苗与液体分散系的接触为微分接触，机械能转化为液体动能的效率高。能耗可以保持非常经济的水平。
针轮4旋转形成自下而上的轴流式强制涡旋场。针苗截面尺寸相对于旋流场的尺寸足够小，针苗背面湍流的尺寸足够小，湍流趋于均匀化，故可借助涡旋场的离心力实现固-液分离。而叶轮搅拌器形成的湍流尺寸大，内外、上下的颗粒返混均很严重。
2、颗粒沉降机理多元耦合强化固-液分离性能
普通沉砂池为单一的重力沉降。旋流沉砂池以离心沉降为主，因锥面向上，离心沉降和重力沉降有些矛盾。本发明则采用了多元耦合沉降机理。
首先，多功能高速澄清器以离心分离为主、水动力分离次之，重力沉降和惯性分离为辅。其次，它采用分步三级沉降模式。
第一步，浆液偏心进入下部筒形仓3，环周布浆后，形成微弱旋流并减速，产生惯性沉降。穿过水动力分离器7孔之前，浆液穿孔湍流的速度矢量与惯性方向大角度相交，一些大颗粒向边缘运动，开始重力沉降。细颗粒则涡载穿孔。水动力分离器7内壁有线速度较大的旋流。它与孔中涡流交融后，一些细颗粒得到离心作用，或者滞留，或者聚集，有机会从穿孔涡流中向外析出运动。在这种离心力屏障下，有众多的细颗粒也在这个区域得到分离，加入到大颗粒的重力沉降过程，大量的颗粒沉降在这一区域发生。
第二步，细颗粒进入水动力分离器7内，受针轮4旋转的影响，颗粒逐渐得到比较大的离心力，再运动到达锥形边壁。受到壁面上离心力的分力作用，颗粒沿壁加速下滑。这个区域主要是离心沉降作用。
第三步，浆液升过针轮4和主分离锥筒5，进入完全的自由涡旋区。细颗粒继续进行离心运动，到达三次沉降锥13内壁，然后加速下滑到分隔园环，累积后从沉降导料管6沉入浓缩泥斗9。
针轮4在数十转的转速下，在上述三步固-液分离作用下，就可以分离出数微米的颗粒。而传统的沉砂池、旋流沉砂池都处于仅仅能分离250微米以上的颗粒的水平。
直径φ250的针轮4转子在高速(3000r/min)旋转下取得了分离2~7微米的蓝藻和水的效果，两者的相差只有5kg/m3。
3、大大加快了沉降速率。
传统的斜板沉淀池就注重缩短颗粒的沉降路经。
本发明水动力分离器7和主分离锥筒5锥面上分解出的离心力加快颗粒沉降是显而易见的。比增大沉降力更重要更能加快分离速率的是缩短颗粒完成离心分离的必要路径。颗粒自下进入水动力分离器7的半径远远大于上部主分离锥筒5的最小半径。只要针轮4形成的离心作用足以抵制颗粒向心动量，颗粒一进入离心区域就能离心运动而得到沉降。
这是所有沉砂池、沉淀池、澄清池都不及的。
沉淀池的表面负荷小于4m3/m2·h，旋流沉砂池的表面负荷小于30m3/m2·h。多功能高速澄清器的表面负荷可以达到1000m3/m2·h。
4、泥浆浓缩得到加强
与沉砂池相比，本发明利用了新的泥浆浓缩压力。
在浓缩泥斗9之间有屏蔽板8削弱旋流对泥浆的扰动。通过助旋锥台12与水动力分离器7的壁面形成了显著大于重力的颗粒固结力，加上二者形成的楔形区域，可以使浓缩泥斗9内的含固率显著提高。
5、浮渣自旋聚集定点撇出，残余物不外溢
传统沉淀池用滑动刮板清除浮渣或轻相物料。悬空的刮板和驱动结构十分笨重。
本发明因旋流离心形成的表凹液面曲率大，浮渣在中央汇集，区域小而作业厚度大。定位撇出。撇出残余物依然停留在中央。保障了排出水的纯净度。同时，从分离比水轻的蓝藻看，本发明显著强化了轻相有机物的分离。
6、加快了接触絮凝和提高了混凝效率
絮凝剂通过多孔锥台面分布，在一定的半径上射出，与旋流交混，传质界面表面积增大，界面更新加快，絮凝剂均匀有层次向外向上推进。
若是从水动力分离器7或主分离锥筒5局部侧壁分散输入絮凝剂，由于水平旋流的转移，界面更新更快，胶质颗粒向外运动，接触混凝的几率显著提高。混凝作用也完成很快。
这样就不需要胶质颗粒循环来接触絮凝剂。
7、提高了气浮效率且降低了鼓风机风压
现有的气浮技术中，曝气头外气泡汇合增大严重降低气浮效率，不得不增大池深。气浮池表面常伴生大量的泡沫。
在本发明澄清器内，旋流在曝气头上部横断剖切来自曝气头溢出的气柱，形成尺寸大小与曝气头微孔相当的气泡。同时，又及时地水平转移气泡。消除了气泡汇聚的可能，使破碎的气泡大小可以达到数微米的水平，实现了微小气泡的批量、持续生产。
旋流带动微气泡环周多次旋转，循着螺旋向心的路径运行，气泡运行路径可以达到成十到百倍的增长。
旋流没有死角，气泡的分布面积和均匀度优于一切潜水曝气器，故不需要循环回流。
在上部中央聚集的浮选物仍然处于旋转状态。气从浮选物中析出时因承受离心压力而不具备泡沫过度滋生膨胀的条件。
曝气头高位安置，埋藏深度可降低至30cm以下。鼓风机风压需求降低至3kPa左右。相比传统曝气池的鼓风机风压需要30kPa以上，风机能耗大幅度降低。
曝气头安置在三次沉降区，能够沉淀的颗粒量本来就少。曝气头面倾斜，加上旋流的清理作用，坡面上很难形成堵塞气孔的沉积。所以，曝气头堵塞的问题不存在了。
8、社会意义
与生活污水、工业废水处理工艺流程，特别是重金属处理工艺流程的庞大复合系统相比，多功能高速澄清器是一个沉淀、澄清、气浮、撇出、混凝多功能耦合高速连续作业的轻便设备。可简化传统沉砂池、沉淀池、澄清池和气浮池停车、放空、刮泥、吸泥、输送、浓缩的工序。一种设备并联完成多个设施的工艺。为企业和一些海洋石油、船舶行业提供了一种最经济、高效、可船载的水处理工艺方案。
四、附图说明
图1是本发明撇渣澄清器结构图；
图2是本发明混凝澄清器结构图；
图3是本发明气浮澄清器结构图。
图中序号对应构件如下：
1-传动装置；2-溢流槽；3-筒形仓；4-针轮；5-主分离锥筒；6-沉降导料管；7-水动力分离器；8-屏蔽板；9-浓缩泥斗；10-排泥口；11-进浆管；12-助旋锥台；13-三次沉降锥；14-排气口；15-撇出器；16-加药口；17-曝气装置。
五、具体实施方式
参见图1，它是根据本发明技术方案设计的一种撇渣沉淀器。它含有一个直园筒形仓3、一套传动装置1、一套针轮4、浓缩泥斗9、屏蔽板8、进浆水动力分离器7、主分离锥筒5、三次沉降锥13、撇出器15。
筒形仓3为园筒，上下端有法兰，下部偏心连接一个进浆管11，上部连有溢流槽2，浓缩泥斗9在上部隔屏蔽板8与筒形仓3连接。屏蔽板8中央上部座有一个助旋锥台12。园环与水动力分离器7隔开进浆区域，园环上还连接几根沉降导料管6。有几个桩顶在水动力分离器7或主分离锥筒5与筒形仓3之间。
针轮4由U字形线材呈辐射状均匀密集排列分层组合固定在轮毂上而成。
传动装置1经有排气口14的盖板与筒形仓3上法兰连接。也可用桁架固定，口面敞开。
浓缩泥斗9由两个反锥、法兰、至少一个排泥口10组成。
参见图2，装置下部助旋锥台12上部可以开小孔，隔板分隔后连接输入管，接加药口16。就成为一种澄清器
参见图3，装置上部可以安置微孔曝气装置17。曝气面倾斜。就成为一种气浮沉淀器。