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CN1089017C - 从液体中分离不溶性颗粒的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于处理含有不溶性悬浮颗粒的液体以从液体中分离这些颗粒的净化器。它包括一澄清槽、一开口于澄清槽底部的进料管道以及一将压力空气喷射到加入进料管道的至少部分液体中将液体用所说的气体饱和从而当饱和液体在澄清槽中降压时产生气泡的喷射器。

Description

   从液体中分离不溶性颗粒的方法和设备
本发明涉及对含有不溶性悬浮颗粒的液体进行处理从液体中分离这些颗粒的方法。
本发明还涉及下文中称为“净化器”、用于实施本方法的设备。
下文中，几乎仅引用废水作为能够由本发明的方法进行处理的含不溶性颗粒的液体的实例。但必须理解，本发明并不仅限于废水处理，它实际上能够用于处理其它任何种类的液体以从液体中除去同样的悬浮固体颗粒。其它液体可以是石油、油品、化学品等。
在许多工业、尤其在纸浆和纸张工业中，通常的作法是对这些工厂中产生的废水进行处理以在废水排放和/或循环利用之前将可能悬浮的不溶性颗粒分离出去。
通常，这一处理过程是在一个或多个称为“净化器”或“溶解空气-飘浮单元”中进行。如标记为“现有技术”的图1所示，已知的净化器包括待处理液体经进料管道3加入其中的澄清槽1。流经管道3的部分液体经管线4得自槽1，这部分液体在被泵5重新注入进料管道之前被压力空气或其它任何压力气体饱和。另一方面，离开澄清槽1的部分净化后的液体经管线4′得自澄清槽1的出口，这部分液体在被注入经进料管道3所加入的液体并与该液体混合之前被空气饱和。两种情形下，被空气饱和的液体一旦进入管道3就经历一降压过程，在澄清槽中产生几微米大小的气泡。这些微气泡粘附在液体中的悬浮颗粒上并形成飘浮“絮凝物”，由此形成一层飘浮污泥7，可采用刮除器9将飘浮污泥层7从澄清槽中机械刮除。剩余物即“净化后的”液体经多个位于延伸到接近澄清槽底部的管子中的液体出口排出澄清槽。
为提高净化器的效率，通常的作法是在澄清槽中平行安装多块向上倾斜的板或挡板13以将澄清槽分成多个顶端在飘浮污泥层7以下很短距离而下端接近或直接开口于液体出口11的向上倾斜通道。将加入澄清槽的液体分成多个隔离通道增强了净化器的表面分离并降低净化器的流量与表面积比(亦称为“溢流率”)，由此有利于颗粒的分离。
就此而言，能够理解的是，在由一对板(即一块“上方”板和一块“下方板”，二者伸展相同的倾斜角)所形成的各通道中，被微小气泡浮升起的小颗粒有时间向上移动到上方板，之后当它们聚结成较大颗粒时沿该上方板向上“滑动”。与此同时，液体可能缓慢地向下移动到出口11。各通道中的这种逆流运动由图1中标有字母“A”的一个通道中的代表颗粒的点及箭头示例说明。
为提高净化器的效率，通常的作法还有向加入澄清槽的液体中加进聚合物添加剂以使颗粒聚结成较大颗粒由此改善颗粒的飘浮性。
现有净化器在使用中极为有效并用于处理含有直至1％或更多悬浮颗粒的废水，每平方米每小时能除去约10到80kg颗粒。
然而，现有的净化器仍存在着缺点。
首先，由于其“水平式”的结构，它们需要相当大的空间而使它们不便于和难于在现有厂房中安装。
其次，在废水进入澄清槽之前，无论喷射到废水中的空气数量和空气压力如何，由于废水只要在澄清槽一端进入澄清槽就迅速而突然地降压，因而难于控制和调节槽中微小气泡的生成，由此导致大多数气泡在澄清槽的进料端生成并向上运动但却未必粘附在颗粒上，从而降低了净化器的效率。
1973年8月28日公布的授予KURITA WATER INDUSTRIESLTD。的美国专利第3,754,656号公开了一种用于废水处理的净化器，它包括一内有伸展一定角度并形成多个平行通道的多块垂直分开设置的板的澄清槽。各通道在接近顶端处设有一待处理废水的进口，在接近下端处设有一经处理后的水的出口。根据该发明一个非常重要的方面，各通道必须设有各自的废水进口并且必须防止下方通道中由废水中分离出的浮渣流入上方通道，这通过对各通道设置一独立浮渣飘浮通道得以实现。
本发明的第一个目的是提供用于处理含有不溶性悬浮颗粒的液体以从液体中分离这些颗粒的净化器。由于本净化器的形状和结构，尽管事实上本净化器中的水流速与已知净化器中的水流速相同或更低，它的占地面积为相同生产能力的任何已知净化器的占地面积的50％或更少。
本发明的第二个目的是提供对同样数量的注入空气而言能够维持多得多的所要求尺寸的微小气泡以增加颗粒与空气泡之间接触可能性的净化器。
本发明的第三个目的是提供上述类型的净化器，使得对相同数量的聚合物添加剂而言，能够收集并除去比采用已知的净化器通常所能够收集的多得多的颗粒。
根据本发明，这些目的由用于处理含有不溶性悬浮颗粒的液体以从液体中分离这些颗粒的净化器所实现，这一类型的净化器包括：
-一高度给定、具有顶部、底部及侧壁的澄清槽；
-一将待处理液体加入澄清槽的进料装置；
-将压力空气喷射到加入进料管道的一些液体中以将液体用该气体饱和从而当饱和液体在澄清槽中降压时产生气泡的喷射装置，由此产生的气泡粘附在液体中的悬浮颗粒上并使颗粒上升，在澄清槽顶部形成一层飘浮污泥；
-在澄清槽顶部、当污泥层形成时将污泥层刮除的刮除装置；
-在澄清槽中伸展一定角度的多块板，这些板形成一组向上倾斜通道，各通道具有一开口顶端和一下端；以及
-安装在各通道下端的液体出口，在澄清槽中经处理后的液体在此收集并排出澄清槽。
根据本发明，本净化器的特征在于：
-进料装置包括一位于澄清槽底部的进料管道；
-进料管道位于多块板的下方以便加入澄清槽中的液体与多块板中的下方板相接触，之后液体沿澄清槽的侧壁向上运动；以及
-所有通道的开口顶端离开澄清槽的侧壁一段短距离，开口顶端与澄清槽相通使得沿澄清槽侧壁向上运动的液体能够通过开口顶端进入通道。
有利地，可将一过滤装置与液体出口集成安装以对排出澄清槽的液体进行过滤。
本发明还提供一种处理含有不溶性悬浮颗粒的液体以从液体中分离这些颗粒的方法，该方法比已知方法更为有效，它包括以下基本步骤：
-设置一高度给定、具有顶部、底部、侧壁及多块在槽中伸展一定角度的内板的澄清槽，多块内板形成一组向上倾斜通道，各通道具有一开口顶端和一下端；
-将压力气体喷射到待处理的一些液体中将液体用气体饱和；
-将被气体饱和的液体加入澄清槽，如此加入的液体经过降压而产生气泡，气泡粘附在液体中的悬浮颗粒上并使颗粒上升，在澄清槽顶部形成一层飘浮污泥；
-当污泥层在澄清槽顶部形成时将污泥层刮除；以及
-在各通道下端收集并除去在澄清槽中经处理后的液体。
本方法的特征在于：
-液体通过位于澄清槽底部的进料管道加入；
-进料管道位于多块板的下方以便加入澄清槽中的液体与多块板中的下方板相接触，之后液体沿澄清槽的侧壁向上运动；以及
-所有通道的开口顶端离开澄清槽的侧壁一段短距离，开口顶端与澄清槽相通，使得沿澄清槽侧壁向上运动的液体能够通过开口顶端进入通道。
有利地，加料步骤通过一位于内板下方的喷嘴来进行，以对待处理的液体进行受控降压并使待处理的液体可能碰到邻近澄清槽底部的下层板上。
另外有利的是本方法可能包括以下辅助步骤：
-根据待处理的液体选定处理过程的最优溢流率；以及
-选定澄清槽中的内板数以获得选定的最优溢流率。
“溢流率”意指流量(以m3/h表示)与全部分离表面积(以m2表示)的比值。分离表面积越大(即内板数越多)，溢流率将越低。
参考附图，通过以下的非限定性总体描述将能更好地理解本发明及其优点，其中：
标有“现有技术”的图1为当前工业上所能获得的结构最紧凑的净化器之一的剖面示意图；
图2为根据本发明的净化器的基本结构的剖面示意图；
图3为根据本发明的第一个优选实施方案的净化器的剖面示意图；
图4为根据本发明的第二个优选实施方案的纵向剖面示意图；
图5为图4所示的净化器沿V-V线的横断面图。
如图2所示，根据本发明的净化器包括与图1所示的已知净化器相同的基本结构元件。
由此，与已知的净化器相同，它包括：
-待处理液体经进料管道103加入其中的澄清槽101；
-与管道103相连并通往泵105的支路管线(未示出)，支路液体在返回进料管道之前，压力空气在泵105中喷射到支路液体中，或者如图所示，与净化水出口相连并通往泵105的支路管线104′，其目的与上述的支路管线完全相同；
-在澄清槽中伸展一定角度并形成一组向上倾斜通道的多块板113；
-位于通道下端的液体出口111；以及
-将飘浮在澄清槽顶部的污泥107排出的刮除器109。
已知净化器与根据本发明的净化器的之间最重要的差别在于：
-澄清槽101在竖直方向而不是沿水平方向伸展；
-由于澄清槽这种“方向性”的结果，进料管道103位于澄清槽101的底部而不是位于槽的侧边；
-多块板113沿澄清槽高度方向平行设置，一块在另一块上方而不是沿澄清槽的长度方向平行设置；
-澄清槽顶部的刮除器109与进料管道103位置相对而不是设在进料通道附近；并且
-进料管道103开口于其中的澄清槽101的底部115、或换句话说进料管道的出口本身向上向外倾斜形成一个喷嘴。
这些结构上的差异使得根据本发明的净化器远优于同样生产能力的任何已知的净化器。原因如下：
首先，澄清槽101的垂直取向显著降低了澄清槽的占地表面积。这具有极大优势。
其次，废水(或待处理的液体)是在水柱最高的澄清槽101的底部加入的。此外，澄清槽的底部115的形状形成一种“喷嘴”。这两方面特点使得能够更好地控制微小气泡的产生及其大小。更确切地说，相比于已知净化器，由于在澄清槽底部加入废水以及澄清槽底部(或进料管道的出口)的形状所造成的背压使得对同样数量的注入空气能够更好地控制所要求尺寸的微小气泡的产生，由此能够降低通常要求加入用于改进絮凝机制的聚合物添加剂的用量及相关费用。
再次，微小气泡在澄清槽底部产生并向上沿澄清槽的整个高度运动这一事实显著提高了微小气泡的浓度并促进气泡的分布从而增加了气泡与液体中的不溶性悬浮颗粒相接触并粘附在颗粒使颗粒上升的可能性。
第四，所注入的液体和微小气泡流向紧挨在进料管道103上方的净化器下方板113并打到下方板113上这一事实也增加了气泡和/或不溶性颗粒之间相互粘附并飘浮上升的“机会”。
第五，同样由于微小气泡在澄清槽底部产生并且本澄清槽与已知净化器的澄清槽相比具有显著降低的表面积这一事实，极大地促进了净化器顶部污泥层的飘浮及刮除过程，这是由于因澄清槽的尺寸减小使污染层扩展到澄清槽顶部的全部表面并变得更厚。而且，与大多数现有的净化器相反，在污泥层下方不存在横向液流或流动，而横向液流会干扰污泥的飘浮。
第六，能够通过增加澄清槽的高度和澄清槽中的板数在不改变占地面积的前提下增加净化器的流量。
最后，微小气泡以及气泡粘附于其上的固体颗粒向上运动通过澄清槽侧壁与板113上缘所形成的限制通道这一事实十分关键，这是由于这些微小气泡和颗粒形成一种垂直的“C”型帘幕，它实际上作为液体过滤器：液体在板的上缘转而向下运动到液体出口111。
所有这些结构上的特点使得根据本发明的净化器比当前工业上所应用的已知的净化器的安装和使用要容易的多而且要有效的多。
按照工业观点，如图2所示的根据本发明的净化器可以采用多种实用形式。
图3为根据本发明的第一个优选实施方案的净化器的示意图。
本净化器包括一垂直澄清槽201，其中依次堆叠设有多个漏斗结构212、212′、212″……。如图示，各漏斗结构的形状相同并在澄清槽中同心设置。它们具有大小相同、优选等于90°的顶角并且其断面形状优选与澄清槽201的断面形状相似。由此，若澄清槽的水平断面为圆形，漏斗结构的水平断面也将为圆形；若澄清槽的水平断面为方形，漏斗结构的水平断面也将为方形。
进料管道203开口于澄清槽201的底部215。澄清槽底部215的水平断面形状和顶角与位于其上方的漏斗结构212的断面形状和顶角相似。泵205将压力空气或任何其它压力气体喷射到经管线204由管道203分流而来的部分液体中。所得到的液体被送回通往澄清槽201的进料管道中。
漏斗结构212、212′、212″……的壁与上述的板或挡板的作用相当并形成相应的一组倾斜通道。各通道的上端离开澄清槽201的侧壁很短距离，各通道的下端位于漏斗结构的顶角处。
设置有收集管217、217′、217″……对在处理过程中可能上升并在漏斗结构中降落的重颗粒进行收集。如图示，各收集管217自相应漏斗结构212的顶角向下伸出。这些收集管优选同轴安装并通向同一个由阀关闭的出口219。
另设有液体出口211、211′、211″，在澄清槽中经处理后的液体经液体出口收集并排出澄清槽，这些液体出口分别装设在漏斗结构的顶角处(即由这些漏斗结构所形成的倾斜通道的下端)并位于收集管以上。各液体出口211优选开口于与澄清槽201邻接的贮罐219中并设有流动控制设备如控制阀或活动套管221。活动套管211能够向上或向下运动来调节澄清槽中的液体高度并选择性地通过仅调节出口上方的水柱高度来控制流经各出口211进入贮罐的液体流出量。这使得能够对相应通道中的流量进行调节。
当然，在澄清槽201顶部还设有刮除装置209，将所形成的污泥层刮除。这类刮除装置可以是任何类型。
应用中，将一种气体喷射到加入澄清槽201的部分液体中。也可向该液体中加入聚合物添加剂(即絮凝剂)。混合物经进料管道203加入到澄清槽的底部。
当混合物进入澄清槽时，溶解于其中的压缩气体释放出来产生微小气泡。由于澄清槽底部215的喷嘴形状，气体释放过程受到极好的控制。由此产生的微小气泡粘附在液体中所含有的不溶性颗粒上并使颗粒上升到邻近的最下方的漏斗结构212的底表面。颗粒沿着该底表面滑动，然后就象“C”型帘幕一样运动直至颗粒到达表面上。
当混合物沿澄清槽的侧壁运动时，混合物机会均等地分离并进入由堆叠放置的漏斗结构212、212′、212″……所形成的各个通道，如图3中的箭头所示。
当液体向下朝各漏斗结构的顶角流动时，液体中仍然含有的颗粒在紧邻其上设置的漏斗结构的相邻底表面发生进一步的分离。之后，颗粒沿该底表面滑动直至它们到达漏斗结构的外缘。对顶部漏斗结构212″而言，颗粒直接上升到澄清槽的表面。
液体向下流动到各漏斗结构的底部并通过液体出口211、211′、211″……收集下来。
开口于漏斗结构底部的收集管217、217′、217″……使得残余的较致密的颗粒能够淌下并收集在从最下方的漏斗结构212底部伸出的收集管217中。
将在澄清槽2表面所形成的极为稳定的一层污泥刮除，这一点人所共知。为提高污泥层的干固体含量，可在刮除装置209下方安装一空气扩散器223，以在污泥层下方持续注入空气或被空气饱和的液体。
图4和图5为根据本发明的第二个优选实施方案的净化器的示意图。
该净化器包括一细长的澄清槽301，其中有多块沿澄清槽的整个长度延伸并依次堆叠放置的细长导板312、312′、312″……。当沿横断面视图观察时(见图5)，这些导板形状相同并在澄清槽中同心设置。它们具有相同的顶角。
多个进料管道303开口于澄清槽301的底部315，紧挨着最下方的导板312。各管道303的出口304形如喷嘴以控制进入澄清槽的微小气泡的形成和产生。当然，设有泵(未示出)，在液体经管道303进入澄清槽之前将气体、优选空气喷射到部分液体中。
与前述的实施方案相同，导板312、312′、312″……的板壁与上述的板或挡板的作用相当，它们一起形成相应的一组倾斜通道，各通道各自对称(见图5)并共有各下端，其中直管形式地通向公共出口310的公共液体出口311、311′、311″……延伸到公共下端。
如图5所示，可在进料管道303附近设置辅助倾斜挡板321以便在注入的液体开始在澄清槽301的两侧沿通道上端向上运动之前将液体分离成各个液流。
在澄清槽301顶部设有一已知结构的刮除装置309，将所形成的污泥层刮除。
第二个优选实施方案的工作方式基本上与第一个优选实施方案相同。
在一家纸浆和纸张工厂中采用如图3所示的净化器进行的实验结果表明，在净化器占用相同的占地表面积时，能够处理的废水量显著增加。更确切地说，与图1所示的紧凑式净化器13-14m3/m2/h的处理速度相比，采用图3所示的净化器单位占地表面积的处理速度为约22m3/m2/h。固体负荷为约150kg/m2/h，而图1的净化器的固体负荷为70kg/m2/h。测试是在相同的化学添加剂消耗下对来自同一家纸浆和纸张脱墨工厂的废水进行的。
因此，与任何现有的占地(台地)面积相同的净化器相比，根据本发明的净化器将以待处理流量和悬浮颗粒脱除量表示的废水处理能力提高至少50％。
而且，与已知的净化器相比，在保持净化器中相同或更低的废水流速下，本发明在对设备的占地面积没有任何影响下提供了提高表面分离或流量的可能性。
当然，在不背离后附权利要求书中所限定的本发明的范围的情况下，可对上述的净化器进行多种改动。

Claims (14)

1.一种用于处理含有不溶性悬浮颗粒的液体以从液体中分离这些颗粒的净化器，该净化器包括：
-一高度给定、具有顶部、底部及侧壁的澄清槽(101、201、301)；
-将待处理液体加入上述澄清槽的进料管道(103、203、303)；
-将压力气体喷射到加入进料管道的至少部分液体中将所说的液体用上述气体饱和从而当饱和液体在澄清槽中降压时产生气泡的喷射装置(105、205)，由此产生的气泡粘附在液体中的悬浮颗粒上并使颗粒上升，在澄清槽顶部形成一层飘浮污泥；
-在澄清层顶部、当污泥层形成时将污泥层刮除的刮除装置(109、209、309)；
-在澄清槽中伸展一定角度的多块板(113、212、312)，所说的多块板形成一组向上倾斜通道，各通道具有一开口顶端和一下端，以及
-安装在各通道下端的液体出口(111、211、311)，在澄清槽中经处理后的液体在此收集并排出澄清槽，
该净化器的特征在于：
-进料装置包括一位于澄清槽底部的进料管道(103、203、303)；
-所说的进料管道(103、203、303)位于多块板(113、212、312)的下方以便加入澄清槽中的液体与上述多块板的下方板相接触，之后液体沿澄清槽的侧壁向上运动；以及
-所有通道的开口顶端离开澄清槽的侧壁一段短距离，开口顶端与上述澄清槽相通，使得沿澄清槽侧壁向上运动的液体能够通过所说的开口顶端进入通道。
2.如权利要求1的净化器，其特征在于，多块板安装并连接形成多个在澄清槽内依次堆叠放置的向上开口导板(212、312)，每对叠合导板形成一个上述通道。
3.如权利要求2的净化器，其特征在于，所说的澄清槽的水平断面形状给定并且所说的导板(212)与在澄清槽中同心设置的漏斗结构(图3)的形状相似，所说的漏斗结构的水平断面与澄清槽的水平断面的形状相似，所说的各漏斗结构具有相同的顶角。
4.如权利要求3的净化器，其特征在于，澄清槽(201)的底部(215)的水平断面形状和顶角与位于其上方的漏斗结构(212)的水平断面形状和顶角相似，进料管道(203)开口于所说的底部的顶角处，这样，所说的底部就形成一个喷嘴。
5.如权利要求4的净化器，其特征在于，它进一步包括自各漏斗结构(212)的顶角向下延伸到相应液体出口之下的收集管(217)以收集在处理过程中可能在上述漏斗结构中沉降的重颗粒。
6.如权利要求5的净化器，其特征在于，所说的给定的水平断面是方形的。
7.如权利要求5的净化器，其特征在于，所说的给定的水平断面是圆形的。
8.如权利要求1到7的任一权利要求的净化器，其特征在于，各液体出口开口于与澄清槽邻接的贮罐(219)中并设有对由上述的液体出口进入贮罐的液体的流出量进行调节的装置(221)，由此调节相应通道中的流量。
9.如权利要求1到7的任一权利要求的净化器，其特征在于，它进一步包括位于澄清槽顶部的刮除装置(209)下方的空气扩散器(223)，以在污泥层下方注入空气或被空气饱和的液体由此增加所说的污泥层的干固体含量。
10.如权利要求1到7的任一权利要求的净化器，其特征在于，它进一步包括与液体出口(111、211、311)集成安装的过滤装置，以对从澄清槽中所收集的液体进行过滤。
11.一种对含有不溶性悬浮颗粒的液体进行处理以从液体中分离这些颗粒的方法，该方法包括以下步骤：
-设置一高度给定、具有顶部、底部、侧壁及多块在槽中伸展一定角度的内板(113、212、312)的澄清槽(101、201、301)，所说的多块内板形成一组向上倾斜通道，各通道具有一开口顶端和一下端；
-将压力气体喷射到待处理的部分液体中以将所说的液体用所说的气体饱和；
-将上述被气体饱和的液体加入澄清槽，如此加入的液体经过降压而产生气泡，气泡粘附在液体中的悬浮颗粒上并使颗粒上升在澄清槽顶部形成一层飘浮污泥；
-当污泥层在澄清槽顶部形成时将污泥层刮除；以及
-在各通道下端收集并除去在澄清槽中经处理后的液体，
该方法的特征在于：
-液体通过位于澄清槽底部的进料管道(103、203、303)加入；
-所说的进料管道(103、203、303)位于多块板(113、212、312)的下方，以便加入澄清槽中的液体与多块板(113、212、312)中的下方板相接触并沿澄清槽的侧壁向上运动；以及
-所有通道的开口端离开澄清槽的侧壁一段短距离，开口端与澄清槽相通，使得沿澄清槽侧壁向上运动的液体能够通过上述开口顶端进入通道。
12.如权利要求11的方法，其特征在于，加料步骤通过一位于上述的位置较低的板下方的喷嘴(215)来进行，以对待处理的液体进行受控降压并使待处理的液体可能碰到邻近澄清槽底部的位置较低的板上。
13.如权利要求11或12的方法，其特征在于，它包括以下辅助步骤：
-根据待处理的液体选定处理过程的最优溢流率；以及
-选定澄清槽中的上述板(113、212、312)的数量以获得选定的最优溢流率。
14.如权利要求11或12的方法，其特征在于，它包括以下辅助步骤：
-通过增加澄清槽的高度和上述板(113、212、312)的数量在不改变澄清槽(101、201、301)占地表面积的条件下增加流量。
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