CN110342607B - 一种基于空化现象的曲型自净水装置及净水方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于空化现象的曲型自净水装置及净水方法。装置中污水储存箱通过带有水泵的管道串联一条或多条自然净水管道后连接中间储水器入口，中间储水器上连接有排水管道和回流管道，中间储水器通过回流管道连接污水储存箱构成循环回路；每条自然净水管道均包括折线形主管道与椭圆形辅管；椭圆形辅管设置于两节子管道的交接弯折位置，且由直管段和圆弧管段连接而成，其中直管段入口与交接弯折位置的上游子管道同轴相接，圆弧管段出口与交接弯折位置的下游子管道连接，且两者水流方向相逆。本发明仅依靠管道特殊结构设计产生压降诱发空化，利用空化进行净水，能够应用于现有的污水处理***中，减少污染物量，同时节约生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理领域，特别涉及一种基于空化现象的自净水装置及净水方法。
背景技术
在我国的社会经济发展中，水污染处理已经成为工业生产的必要环节。寻找更加节能环保的净水方式，对于提高污水处理的经济性与环境友好性有重要的意义。
如今，食品加工产业的原料广泛，产品种类众多，废水的水质差距较大，但废水共性的特点是容易携带大量的病原体微生物。针对这种状况，目前常用的净水方法有：利用吸附原理的活性炭法、利用物理过滤原理的反渗透法、利用化学反应原理的过滤沉降法等。除以上方法外，还有基于液体的空化现象净水的方法。
液体空化现象是指，在液体流动过程中，由于压力下降导致气泡产生、发展和溃灭的现象。形成空化的原因有很多，例如超声波的照射，高速流体的冲击，瞬间的压力变化和速度变化等。在实际生活中，空化现象可以促进化学反应的进行，粉碎液体内的悬浮物，利用气泡溃陷时产生的高温高压进行污水处理，也是对空化现象的一种高效应用。
目前的市场上利用空化现象的废水处理方法大体有三种，即射流水力空化处理，旋流水力空化处理，以及多孔板水力空化处理。其原理大致相同，均利用了液流装置中的局部低压，使得液体中产生微小气泡，当环境的压强等于或低于饱和蒸汽压强的时候，气泡产生；当环境压强上升至大于饱和蒸汽压强的时候，气泡破裂，产生空化，并利用这个过程进行污水处理。
在公开号为CN106379959A，CN106630370A的两项中国专利中，均公开了利用空化现象对污水进行处理的整体装置。上述的两项专利为了实现空化，均需要大量的输入功与复杂的空化发生装置。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供了一种基于空化现象的曲型自然净水装置及净水方法，能够在污水流动的过程中，依靠管道的特性进行初步的自然净水工作，其核心时无需额外输入能量的空化发生装置，它可以节约了一定程度的泵功，并且有潜力对利用空化原理进行净水的装置进一步地改造，提高效率。
本发明具体采用的技术方案如下：
一种基于空化现象的曲型自净水装置，其包括污水储存箱、水泵、自然净水管道、中间储水器、回流管道；污水储存箱通过带有水泵的管道串联一条或多条自然净水管道后连接中间储水器入口，中间储水器上连接有排水管道和回流管道，中间储水器通过回流管道连接污水储存箱构成循环回路；每条所述的自然净水管道均包括折线形主管道与椭圆形辅管；其中折线形主管道由多节子管道以折线形式连接而成；所述的椭圆形辅管设置于两节子管道的交接弯折位置，且由直管段和圆弧管段连接而成，其中直管段入口与交接弯折位置的上游子管道同轴相接，直管段出口与圆弧管段相切连接，圆弧管段出口与交接弯折位置的下游子管道连接，且圆弧管段与下游子管道的水流方向相逆。
作为优选，所述的圆弧管段出口与交接弯折位置的下游子管道之间的夹角为40～50°。
作为优选，每条所述的自然净水管道中，折线形主管道具有多个交接弯折位置，每个交接弯折位置上均设有椭圆形辅管。
作为优选，所述的自然净水管道有多条，不同的自然净水管道以横向放置的形式布置于不同高度处，相邻两条自然净水管道之间通过竖直管道串联。
作为优选，所述的中间储水器中设有水质检测装置，所述的回流管道上装有数控阀门，数控阀门与水质检测装置构成反馈控制，当中间储水器中的水质未达标时打开数控阀门使中间储水器内的水回流继续进行净化，当水质达标时关闭数控阀门使中间储水器中的水通过排水管道排放。
作为优选，所述污水储存箱出口的管道上设有控制出水的控制阀门；所述污水储存箱出口和/或进口的管道上设有检测管道内水压的压力表。
作为优选，所述的直管段长度为所述下游子管道长度的1/3。
作为优选，所述的自然净水管道以可拆卸形式串联安装。
本发明的另一目在于提供一种利用上述任一方案所述曲型自净水装置的净水方法，其步骤如下：
将存储于污水储存箱中的污水通过水泵依次泵入串联的自然净水管道中，污水在每次流经交接弯折位置时分为两路，其中一路继续沿折线形主管道行进，另一路进入椭圆形辅管的直管段，并经由圆弧管段180°转向导流后重新与折线形主管道逆流交汇，并在交汇处产生压力降使流体发生局部汽化产生气泡，气泡在交汇处下游受到回升的压力而破碎，发生局部的空化现象，产生瞬时的高温高压，对污水中的微生物进行灭除；
当污水逐级流经所有自然净水管道后，进入中间储水器中，然后根据净化情况选择通过排水管道排出，或者通过回流管道将污水循环回污水储存箱中重新进行污水净化。
作为优选，在中间储水器中通过水质检测装置对污水水质进行实时检测，若尚未达标则打开回流管道上的阀门，通过回流管道将污水循环回污水储存箱中重新进行污水净化，否则打开排水管道上的阀门将污水排出。
本发明利用管道的自身结构引发空化现象，不需要其它的发生装置，利用水泵将污水引入净水装置，污水流经自然净水管道后，由于管道流道形状特殊，在管道内产生局部大压降，诱发空化现象，达到净水的目的。本发明除了水泵做功之外无需额外的输入功，相比与其它装置结构更简单，能达到自然空化/自然净水的效果。
附图说明
图1是基于空化现象的曲型自净水装置的结构示意图。
图2是曲型自净水装置中自然净水管道的结构示意图。
图3是空化单元的结构示意图。
图4是Fluent模拟的单节横向自然净水管道的压力云图(a)与速度云图(b)。
图5是气含率随辅管出口长度Y和距上壁面距离X的变化曲线。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
参照附图1，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种基于空化现象的曲型自净水装置，其主要部件包括污水储存箱1、水泵4、自然净水管道5、中间储水器7、回流管道9。污水储存箱1用于存储待处理的污水，其形式不一定是箱体，任何具有能够存储功能的设备均可。污水储存箱1的出水口通过带有水泵4的管道串联一条或多条自然净水管道5后连接中间储水器7入口。自然净水管道5的具体数目可以根据需要进行调整，在本实施例中共设计了3条串联的自然净水管道5。中间储水器7上设有排水口和回流口，分别连接有排水管道8和回流管道9。排水管道8的作用是直接将中间储水器7中的污水进行外排，而回流管道9的作用是将污水重新输入各自然净水管道5中进行净化，因此中间储水器7通过回流管道9连接污水储存箱1构成循环回路。为了便于开关控制，污水储存箱1出口的管道上设有控制出水的控制阀门2，可通过关闭该阀门以及水泵4关闭整个装置的运行。另外，排水管道8和回流管道9也可以分别设有阀门，以便于进行出水、回流的切换，当然除了阀门之外也可以采用其他的切换方式。另外，污水储存箱1出口和进口的管道上设有检测管道内水压的压力表3，用于检测水管的压力，方便对污水的流量进行控制。
在本实施例中，为了节省整体的占地空间，自然净水管道5均以横向形式放置，但由于自然净水管道5是折线形延伸的，因此其横向形式是指折线形主管道10入口开始的第单数段子管道均呈水平放置。将不同的自然净水管道5以横向放置的形式布置于不同高度处，相邻两条自然净水管道5之间通过竖直管道6串联，形成如图1所示的状态。
区别于目前常见的射流水力空化污水处理装置，旋流水力空化污水处理装置，以及多孔板水力空化污水处理装置均需额外的空化发生装置，本阀门的净水装置仅利用异形流道的结构产生空化现象，即通过自然净水管道5在运输污水的同时，利用水流本身的流速作为动力产生空化进而实现污水处理，而无需额外空化动力。下面详细介绍自然净水管道5的具体结构。
如图2所示，每条自然净水管道5均包括折线形主管道10与椭圆形辅管11，其中折线形主管道10由多节子管道以折线形式连接而成，两节子管道的连接位置称为交接弯折位置12。为了便于描述，每个交接弯折位置12的两节子管道中，沿着水流方向，将位于上游的称为上游子管道，位于下游的称为子管道。椭圆形辅管11设置于两节子管道的交接弯折位置12，且每条椭圆形辅管11均由直管段和圆弧管段连接而成。其中直管段入口与交接弯折位置12的上游子管道同轴相接，即两者的管道轴线重合，水流能够从上游子管道直接延伸性地流向直管段，直管段出口与圆弧管段相连，且直管段与圆弧管段相切。圆弧管段呈180°的半圆形，能够使水流被完全转向，圆弧管段出口与交接弯折位置12的下游子管道连接，且圆弧管段与下游子管道的水流方向相逆。下游子管道中的水流与圆弧管段中的水流在交汇处发生逆向的汇合，以便于产生空化现象。在自然净水管道5中，每条自然净水管道5中，折线形主管道10具有多个交接弯折位置12，每个交接弯折位置12上均可以设置上述椭圆形辅管11。每个椭圆形辅管11与折线形主管道10构成一个空化单元，如图3所示。当然，一条自然净水管道5上可以根据需要设置一个或多个椭圆形辅管11，进而形成相应数量的空化单元，在本实施例中每条自然净水管道5上具有4个空化单元，每条自然净水管道5中，折线形主管道10具有多个交接弯折位置12。
本发明中自然净水管道5上的每个空化单元的除污工作原理为：污水流经空化单元的管道时，折线形主管道10与椭圆形辅管11的出***汇处产生一段逆流的水流，该段逆流引起了巨大的压力降，在这个过程中，污水的压强在一定区域内小于饱和蒸汽压强，气泡产生。在污水向前流动的过程中，气泡受到水压的挤压而破裂，产生瞬间的高温和高速的射流，以此为基础能够进行污水的处理。
污水在管内的详细流动的过程如下：
1)污水从管道入口侧进入空化单元的异形流道，在流动过程中进入流道的分叉口，并分为两部分，其中一部分流体从椭圆形辅管11流过，另一部分沿着折线形主管道10流动。
(2)两股水流经过各自的路径后在主管道与辅管连接处汇合，由于管道的特殊的结构，流经椭圆形辅管的部分流体的流动方向将与流经主管道的流体流动方向产生一定角度偏离，形成一个可以看做逆流的水流交汇形式。
(3)由于逆流的产生，管道连接处产生较大的压力降，使得局部压力下降到饱和压力以下，部分流体汽化，产生气泡。
(4)气泡在向前流动的过程中，由于水压的恢复、上升而快速破裂，即发生了空化现象，与此同时产生瞬间的高温以及瞬间高压。
(5)利用空化产生的瞬间高温高压，可以对污水中的有机微生物进行灭除，达到净水的效果。
其中，圆弧管段出口与交接弯折位置12的下游子管道之间的夹角大小可以改变空化程度。为了使得空化面积达到一个相对最大值，选择圆弧管段出口与下游子管道之间的夹角为40到50°。为了验证本发明的可行性，对该结构管道采用了Fluent数值模拟，每个空化单元中直管段长度设置为下游子管道长度的1/3。通模拟绘制出了如图4所示的单节净水管道的压力与速度云图。由图4可知，在直管与辅管的交界处产生了巨大的压降和速度变化，为空化制造了前提条件。以气含率作为空化强度的判断指标，气含率越大，空化产生的气体越多，空化效率越高，净水效果越好，另外，本实施例也绘制了如图5所示的气含率随辅管出口长度和距上壁面距离变化的图像。由图可知，在接近壁面的一定长度区域内，管道内气含率高，空化强度强，具有良好的净水效果。
在该装置中，由于单次空化处理后不一定能够达标排放，因此可能需要通过回流进行多次处理。污水经过所有自然净水管道5完成第一次净水，第一次净水后的污水进入中间储水器7储存，若第一次净水效果不良，则从回流管道9将污水回流至污水储存箱1中，直至处理后的污水达标，达标的污水可以从出水管道8排放。
在净化处理过程中，具体的循环次数可以根据需要进行调整，例如通过多轮实验设定一个最佳值，但这种方式对水质波动适应性步枪。因此在另一实施例中，通过反馈控制来进行自动调节。具体做法为：在中间储水器7中设有水质检测装置，回流管道9上装有数控阀门，数控阀门与水质检测装置均连接至自动控制设备中，构成反馈控制。当水质检测装置检测到的中间储水器7中的水质未达标时，打开数控阀门使中间储水器7内的水回流继续进行净化，当水质检测装置检测到的水质达标时，关闭数控阀门使中间储水器7中的水通过排水管道8排放。当然，排水管道8上也可以安装数控阀门，自动进行排水。
另外，在另一实施例中，为了便于更换，自然净水管道5以可拆卸形式串联安装，当损坏时可以直接将其拆卸更换新的自然净水管道5。
下面，基于上述任一实施例中的曲型自净水装置，提供一种基于空化现象的无动力净水方法，其步骤如下：
将存储于污水储存箱1中的污水通过水泵4依次泵入串联的自然净水管道5中，污水在每次流经交接弯折位置12时分为两路，其中一路继续沿折线形主管道10行进，另一路进入椭圆形辅管11的直管段，并经由圆弧管段180°转向导流后重新与折线形主管道10逆流交汇，并在交汇处产生压力降使流体发生局部汽化产生气泡，气泡在交汇处下游受到回升的压力而破碎，发生局部的空化现象，产生瞬时的高温高压，对污水中的微生物进行灭除；
当污水逐级流经所有自然净水管道5后，进入中间储水器7中，然后根据净化情况选择通过排水管道8排出，或者通过回流管道9将污水循环回污水储存箱1中重新进行污水净化。
同样的，在上述净化过程中，优选在中间储水器7中通过水质检测装置对污水水质进行实时检测，若尚未达标则打开回流管道9上的阀门，通过回流管道9将污水循环回污水储存箱1中重新进行污水净化，否则打开排水管道8上的阀门将污水排出。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案、有益效果和可行性进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种利用基于空化现象的曲型自净水装置的净水方法，其特征在于：步骤如下：
将存储于污水储存箱（1）中的污水通过水泵（4）依次泵入串联的自然净水管道（5）中，污水在每次流经交接弯折位置（12）时分为两路，其中一路继续沿折线形主管道（10）行进，另一路进入椭圆形辅管（11）的直管段，并经由圆弧管段180°转向导流后重新与折线形主管道（10）逆流交汇，并在交汇处产生压力降使流体发生局部汽化产生气泡，气泡在交汇处下游受到回升的压力而破碎，发生局部的空化现象，产生瞬时的高温高压，对污水中的微生物进行灭除；
当污水逐级流经所有自然净水管道（5）后，进入中间储水器（7）中，然后根据净化情况选择通过排水管道（8）排出，或者通过回流管道（9）将污水循环回污水储存箱（1）中重新进行污水净化；
所述基于空化现象的曲型自净水装置包括污水储存箱（1）、水泵（4）、自然净水管道（5）、中间储水器（7）、回流管道（9）；污水储存箱（1）通过带有水泵（4）的管道串联一条或多条自然净水管道（5）后连接中间储水器（7）入口，中间储水器（7）上连接有排水管道（8）和回流管道（9），中间储水器（7）通过回流管道（9）连接污水储存箱（1）构成循环回路；
每条所述的自然净水管道（5）均包括折线形主管道（10）与椭圆形辅管（11）；其中折线形主管道（10）由多节子管道以折线形式连接而成；所述的椭圆形辅管（11）设置于两节子管道的交接弯折位置（12），且由直管段和圆弧管段连接而成，其中直管段入口与交接弯折位置（12）的上游子管道同轴相接，直管段出口与圆弧管段相切连接，圆弧管段出口与交接弯折位置（12）的下游子管道连接，且圆弧管段与下游子管道的水流方向相逆。
2.如权利要求1所述的基于空化现象的曲型自净水装置的净水方法，其特征在于：所述的圆弧管段出口与交接弯折位置（12）的下游子管道之间的夹角为40~50°。
3.如权利要求1所述的基于空化现象的曲型自净水装置的净水方法，其特征在于：每条所述的自然净水管道（5）中，折线形主管道（10）具有多个交接弯折位置（12），每个交接弯折位置（12）上均设有椭圆形辅管（11）。
4.如权利要求1所述的基于空化现象的曲型自净水装置的净水方法，其特征在于：所述的自然净水管道（5）有多条，不同的自然净水管道（5）以横向放置的形式布置于不同高度处，相邻两条自然净水管道（5）之间通过竖直管道（6）串联。
5.如权利要求1所述的基于空化现象的曲型自净水装置的净水方法，其特征在于：所述的中间储水器（7）中设有水质检测装置，所述的回流管道（9）上装有数控阀门，数控阀门与水质检测装置构成反馈控制，当中间储水器（7）中的水质未达标时打开数控阀门使中间储水器（7）内的水回流继续进行净化，当水质达标时关闭数控阀门使中间储水器（7）中的水通过排水管道（8）排放。
6.如权利要求1所述的基于空化现象的曲型自净水装置的净水方法，其特征在于：所述污水储存箱（1）出口的管道上设有控制出水的控制阀门（2）；所述污水储存箱（1）出口和/或进口的管道上设有检测管道内水压的压力表（3）。
7.如权利要求1所述的基于空化现象的曲型自净水装置的净水方法，其特征在于：所述的直管段长度为所述下游子管道长度的1/3。
8.如权利要求1所述的基于空化现象的曲型自净水装置的净水方法，其特征在于：所述的自然净水管道（5）以可拆卸形式串联安装。
9.如权利要求1所述的基于空化现象的曲型自净水装置的净水方法，其特征在于：在中间储水器（7）中通过水质检测装置对污水水质进行实时检测，若尚未达标则打开回流管道（9）上的阀门，通过回流管道（9）将污水循环回污水储存箱（1）中重新进行污水净化，否则打开排水管道（8）上的阀门将污水排出。
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Also Published As
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