專利名稱：用于間歇式流動供水的慢砂過濾器及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新穎的間歇式慢砂過濾器及一種使用該間歇式過濾器的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及這樣一種新穎的慢砂過濾器，該過濾器即使在進(jìn)行間歇式工作時(shí)，也能夠保證其效率，并且可以在不影響該間歇式過濾器正常工作的條件下進(jìn)行周期性清潔。
本發(fā)明的背景技術(shù)眾所周知，慢砂過濾器可以有效地去除細(xì)菌，寄生蟲，賈第蟲孢囊，隱孢子蟲屬卵囊及病毒。雖然細(xì)菌，寄生蟲和病毒可以通過進(jìn)行消毒而殺死或者失去活性，但是休眠的孢囊及卵囊卻對消毒作用有很強(qiáng)的抵抗力，除非所投入的消毒劑的濃度非常大。慢砂過濾器可以用來供應(yīng)用于直接消費(fèi)的凈水，也可以用于供給需要進(jìn)行進(jìn)一步處理的水，比如需要通過逆滲透或者超過濾工藝來進(jìn)行進(jìn)一步處理的水，但是這兩種工藝在剛開始工作時(shí)均需利用到非常純凈的水。
在現(xiàn)有技術(shù)中，公知的慢砂過濾器需要連續(xù)地供水，并且希望使用連續(xù)的流動水。這樣一種現(xiàn)有的慢砂過濾器在授權(quán)給Pyper的美國專利No.5032261中進(jìn)行了描述。該慢砂過濾器包括一個部分填充有砂的容器。該慢砂過濾器帶有一進(jìn)水口和一出水口。含有氧氣的水以約為0.08米/小時(shí)或者略高于此的速度連續(xù)地流經(jīng)所述砂層，利用砂層來對水流進(jìn)行過濾。另外，當(dāng)所述砂層被浸泡在含氧水流中數(shù)天后，在砂層的上表面上會形成一有益的初始嗜氧性裸露可見生物層。該生物層被稱為菌類去污層，該菌類去污層由各種有機(jī)物形成，比如藻類、浮游生物、硅藻、原生動物及細(xì)菌。該菌類去污層能夠俘獲，部分吸收并破壞連續(xù)流經(jīng)該過濾器的生水中所含有的有機(jī)物質(zhì)。這些有機(jī)物質(zhì)聚集在菌類去污層上并形成簡單的無機(jī)鹽。與此同時(shí)，生水中的惰性懸浮顆粒被砂層機(jī)械地去除。
但是，在間歇式供水的地方，比如在鄉(xiāng)村農(nóng)舍中，這種慢砂過濾器并不適用。在所述情況下，現(xiàn)有慢砂過濾器中的水將發(fā)生積滯(缺少氧氣)并且會由于缺少氧氣而使得菌類去污層死亡。這個缺點(diǎn)限制了現(xiàn)有慢砂過濾器的應(yīng)用。
1988年8月23日授權(quán)給Hulbert等的美國專利No.4765892中公開了一種慢砂過濾系統(tǒng)，其中敞口式濾槽內(nèi)具有一砂層，及能夠有效增強(qiáng)過濾作用的量的沸石。通過菌類去污層的生長而覆蓋所述沸石，該菌類去污層由一活性生物層組成，該活性生物選自于藻類、浮游生物、硅藻、原生動物、輪蟲及細(xì)菌。
從而，在1987年由位于荷蘭海牙的International ReferenceCentre for Community Water Supply and Sanitation所主辦的技術(shù)論文第24期第31頁中，由Visscher等在“Slow Sand Filtrationfor Community Water Supply”中指出，由于“已經(jīng)明確地示出在過濾器重新開始工作后的四至五小時(shí)內(nèi)將發(fā)生令人難以接受的細(xì)菌污染物滲漏現(xiàn)象”，所以對慢砂過濾器進(jìn)行間歇式操作是不允許的。同樣，在1974年由位于日內(nèi)瓦的世界健康組織出版，由Huisman在“Slow SandFiltration”第32頁中指出，慢砂過濾器必須以盡可能恒定的過濾速率進(jìn)行工作。從而，對現(xiàn)有技術(shù)的理解是慢砂過濾器不應(yīng)該被間歇式操作。利用間歇式操作，并不是指為了進(jìn)行維護(hù)而將慢砂過濾器的工作狀態(tài)臨時(shí)性中斷，比如像Hulbert的美國專利No.4765892中所描述的那樣，而是說在沒有水流流經(jīng)該過濾器的周期內(nèi)，該慢砂過濾器仍保持工作狀態(tài)，并且菌類去污層保持存活。與本發(fā)明相反，Hulbert所述的過濾器是在維護(hù)過程中進(jìn)行清潔的，所以除非該過濾器再次開始工作，所述菌類去污層將不能夠保持活性。
對于由Hulbert所描述的慢砂過濾器來說，過濾材料上方水的深度處于60厘米至2.44米范圍內(nèi)，由于缺少氧氣，所以在間歇式工作周期中隨著水流的停止菌類去污層也將立即開始死亡，并且在一夜工夫?qū)克劳?。這些可以通過對菌類去污層的氧氣需求量進(jìn)行理論計(jì)算而得以證明。
本發(fā)明的概述本發(fā)明涉及這樣一種慢砂過濾設(shè)備，該設(shè)備包括一個具有一上部和一下部的容器；一個位于該容器上部中的進(jìn)水口，該進(jìn)水口與一水供應(yīng)源相連通；一種至少填充所述容器下部的過濾材料，該過濾材料的上表面低于所述進(jìn)水口；一位于所述過濾材料上表面上的菌類去污層；一個位于所述容器下部中并低于所述過濾材料上表面的出水口；及一個位于所述上部中的水位保持裝置，該水位保持裝置用于將所述容器上部中的水控制在一位于所述過濾材料上表面上方的受控液位處(maintenance level)，該受控液位在下述兩種水位之間尋求平衡，即(1)一足夠深的受控水位，以便從進(jìn)水口落入所述容器中水面上的水不會明顯擾動所述菌類去污層；和(2)一足夠淺的受控水位，以便來自該水位上方空氣中的氧氣可以透過水進(jìn)行擴(kuò)散并到達(dá)所述菌類去污層，從而使得即使在沒有水通過所述進(jìn)水口的情況下，所述菌類去污層也能夠保持在存活狀態(tài)。
所述慢砂過濾設(shè)備還可以包括一位于受控水位上方的擴(kuò)散器，在從進(jìn)水口流入的水到達(dá)所述受控水位及底層過濾材料的上表面上之前，流經(jīng)該擴(kuò)散器。
所述水位保持裝置可以包括一導(dǎo)管，該導(dǎo)管與出水口相連通并且向上延伸到所述受控水位處。該水位保持裝置可以將水位保持在過濾材料上表面上方約1厘米至8厘米之間，或者保持在過濾材料上表面上方約1厘米至5厘米之間。所述過濾材料可以是石英砂。所述慢砂過濾設(shè)備還可以包括一連接到所述進(jìn)水口上的進(jìn)水管道，和用于將水可控制地送入該進(jìn)水管道的進(jìn)水控制裝置。
所述慢砂過濾設(shè)備還可以包括一第一水位檢測器，用于對容器中的高水位進(jìn)行檢測；一第二水位檢測器，用于對容器中的低水位進(jìn)行檢測；及一控制器，該控制器被連接成能夠從第一和第二容器水位檢測器中接收信號，并且能夠向所述進(jìn)水控制裝置提供信號，以便將受控水位保持在所需的受控水位范圍內(nèi)。
所述慢砂過濾設(shè)備還可以包括一較高水位檢測器，該檢測器用于向所述控制器提供一信號來指示容器中過高的水位。
所述擴(kuò)散器可以包括多個離散的小孔，用于使得積聚在該擴(kuò)散器上方的水通過該擴(kuò)散器而向下滲漏到容器中的水面上。
所述慢砂過濾設(shè)備還可以包括一個與所述出水口相連通的蓄水容器，用于檢測該蓄水容器中高、低水位的第一和第二蓄水容器水位檢測器，及一流量控制裝置，用于對從容器的出水口流入該蓄水容器中的水流進(jìn)行控制。該慢砂過濾設(shè)備還可以包括一與該設(shè)備中的進(jìn)水口相連通的生水蓄水池，及一個控制裝置，用于對從該生水蓄水池流入所述慢砂過濾設(shè)備中的水流進(jìn)行控制。
所述慢砂過濾設(shè)備還可以包括這樣一個機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)能夠?qū)^濾材料的上表面進(jìn)行清理。該清理機(jī)構(gòu)可以是可手動操作的機(jī)械式攪拌器。該機(jī)械式攪拌器可以包括一與過濾材料的上表面相接觸的攪拌葉片，和一個可旋轉(zhuǎn)的軸及手柄，用于對該攪拌器進(jìn)行手動旋轉(zhuǎn)。所述攪拌葉片可以包括刮板、刮齒、刮片、刮叉、L形刮刀及T形刮刀中的任何一種。該機(jī)械式攪拌器可以在一位于所述容器上部中的水?dāng)U散器中繞樞軸旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明還涉及一種操作慢砂過濾器的方法，其中該過濾器包括一容器，部分填充在該容器中的過濾材料，一位于該過濾材料上方的進(jìn)水口和一位于該過濾材料中的出水口，該方法包括下述步驟將所述容器中的水位在過濾材料上表面的上方保持在這樣的一水位上，即該水位在下述兩種水位之間尋求平衡，即(1)一足夠深的受控水位，以便從進(jìn)水口下落到容器中水面上的水不會明顯擾動所述菌類去污層；和(2)一足夠淺的水位，以便來自該水位上方空氣中的氧氣可以透過水進(jìn)行擴(kuò)散并到達(dá)所述菌類去污層，從而使得即使在沒有水流通過進(jìn)水口的情況下所述菌類去污層也能夠保持在存活狀態(tài)。
對附圖的簡要描述在附圖中示出了本發(fā)明的若干個特定實(shí)施例，但是均不能夠以任何方式將其解釋為是對本發(fā)明精神與范圍的限定附

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一手動操作間歇式慢砂過濾器的垂直剖視圖，其中該過濾器處于備用狀態(tài)。
附圖2是附圖1中所示設(shè)備的頂部的垂直剖視圖，其中該過濾器處于工作狀態(tài)。
附圖3是根據(jù)本發(fā)明的一自動操作間歇式慢砂過濾器的垂直剖視圖。
附圖4是用于附圖3所示設(shè)備中的擴(kuò)散器板夾持件的細(xì)節(jié)圖。
附圖5是用于附圖3所示設(shè)備中的擴(kuò)散器板平面圖；附圖6是附圖5中所示擴(kuò)散器板的側(cè)剖視圖。
附圖7是附圖3中所示設(shè)備的液流示意圖，其中結(jié)合有一生水蓄水池和一飲用水蓄水容器。
附圖8是用于附圖3中所示設(shè)備的控制系統(tǒng)示意圖，其中結(jié)合有一生水蓄水池和一飲用水蓄水容器。
附圖9是根據(jù)本發(fā)明的自動間歇式慢砂過濾器第二實(shí)施例的正視圖。
附圖10是附圖9中所示自動間歇式慢砂過濾器的側(cè)視圖。
附圖11是附圖9中所示自動間歇式慢砂過濾器的前剖視圖。
附圖12是附圖10中所示自動間歇式慢砂過濾器的側(cè)剖視圖，其中帶有就地清理設(shè)備(clean in place apparatus)。
附圖13是用于附圖12所示設(shè)備中的擴(kuò)散器平面圖。
附圖14是附圖13中所示擴(kuò)散器的側(cè)剖視圖。
附圖15是用于附圖12所示設(shè)備底部的下排水裝置的俯視圖。
附圖16是根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)散器及就地清理設(shè)備的側(cè)剖視圖。
附圖17示出了攪拌葉片第一結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，其中該攪拌葉片應(yīng)用于附圖16所示的就地清理設(shè)備中。
附圖18至22分別示出了應(yīng)用于就地清理設(shè)備的不同可選擇攪拌葉片的實(shí)施例。
對本發(fā)明中若干特定實(shí)施例的詳細(xì)描述對于環(huán)境工程師來說，都會知道對于未被設(shè)計(jì)成進(jìn)行間歇式操作的慢砂過濾器來說，在進(jìn)行間歇式操作時(shí)無法令人滿意的進(jìn)行過濾操作(參見由位于荷蘭海牙的International Reference Centre forCommunity Water Supply and Sanitation主辦的第24期技術(shù)論文中，由Visscher，Paramasivan，Raman及Heinjnen所撰寫的“SlowSand Filtration for Community Water Supply”；及1991年由Task Committee on Slow Sand Filtration of the EnvironmentalEngineering Division of the American Society of CivilEngineers所作的報(bào)告，“Slow Sand Filtration”)。據(jù)報(bào)道，慢砂過濾器性能的降低與砂表面上方的水中所溶解氧氣量的降低相一致(參見1980年Indian Journal of Environmental Health第22期第2冊第136至150頁中由Paramasivan，Joshi，Dhage及Taijne所撰寫的“Effect of Intermittent Operation of Slow Sand Filterson Filtered Water Quality”)。這些結(jié)論均是通過對實(shí)際的連續(xù)操作式慢砂過濾器進(jìn)行觀測而得出的，其中這些過濾器用于對天然的供應(yīng)水進(jìn)行處理。
本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過在砂層(或者其他過濾材料)上表面上方保持靜態(tài)水位(1)高于一最低深度，以使得生物有機(jī)水處理層(稱作菌類去污層)不會干燥或者由所灌注入的水而擾動，從而貫穿所述菌類去污層并且使得未經(jīng)處理的生水穿過該菌類去污層；并且(2)低于一最高深度，以使得來自空氣中的氧氣可以到達(dá)所述菌類去污層，從而該菌類去污層不會被缺乏氧氣的積滯水所殺死。
可以使得即使是在間歇式操作的條件下，所述菌類去污層也能夠保持在存活狀態(tài)，并且即使進(jìn)行間歇式供水時(shí)，也可以保持該慢砂過濾器的效率。該靜態(tài)水位，或者說受控水位被定義為當(dāng)該過濾器沒有工作時(shí)，也就是說，當(dāng)沒有向其供水時(shí)，所述慢砂過濾器中的水位。
在本發(fā)明中的間歇式慢砂過濾器中，菌類去污層通常會存活至少一個星期，并且可以在這種情況下，即從水流流經(jīng)該過濾器的周期至下一個周期之間沒有水流發(fā)生的情況下，至少能夠存活一個星期。當(dāng)一個房舍遠(yuǎn)離村莊時(shí)將會發(fā)生這種情況?？傊跊]有水流的周期被延長的情況下，所述菌類去污層不會因?yàn)槿狈ρ鯕舛粴⑺溃珔s會因?yàn)槿狈︷B(yǎng)分而死亡。通過在沒有水流流經(jīng)所述慢砂過濾器的時(shí)間段內(nèi)為菌類去污層提供超過48小時(shí)的生命，本發(fā)明明顯優(yōu)越于現(xiàn)有技術(shù)。
由于在本技術(shù)領(lǐng)域中先前均認(rèn)為，在沒有水流動的慢砂過濾器中菌類去污層會快速死去，所以這是一個令人驚奇的發(fā)現(xiàn)。
慢砂過濾器的正常連續(xù)操作會導(dǎo)致生物層(菌類去污層)的厚度隨時(shí)間而增加。這又將導(dǎo)致水流量相應(yīng)減少。因而，在連續(xù)式系統(tǒng)中，必須時(shí)不時(shí)地停止該慢砂過濾器，并通過刮去所述生物層的一部分來物理性減少該菌類去污層的厚度。從而，由于本發(fā)明中慢砂過濾器的間歇式工作能夠真正地改善水的流量，所以又可以提供第二個優(yōu)點(diǎn)，其中所述水流量的改善是由于所述生物層(菌類去污層)的略微不足和尺寸減小而造成的。
在所述間歇式慢砂過濾器的一實(shí)施例中利用了一升高了的導(dǎo)管來蓄水，用以在該慢砂過濾器容器中形成恒定的受控水位。所述容器包括一進(jìn)水口和一出水口，并且部分填充有砂或者其他過濾材料。一個引自所述慢砂過濾器出水口的導(dǎo)管向上升高，在朝一蓄水池下降之前達(dá)到砂層上方的所需水位處。即使水流是間歇式的，在所述導(dǎo)管及容器中的逆流水也會達(dá)到砂層上表面上方的所需水位處。所述菌類去污層自動并且自然地形成于過濾材料的上表面上。最好，在這樣一種手動操作式慢砂過濾器中，即利用細(xì)石英砂作為過濾介質(zhì)并且處于室溫下(約為21℃)的過濾器中，水位被保持在所述過濾介質(zhì)上表面上方約1厘米之上，并且位于該過濾介質(zhì)上表面上方約8厘米之下。
根據(jù)本發(fā)明，在所述間歇式慢砂過濾器的另一實(shí)施例中，水位被自動保持，當(dāng)沒有使用時(shí)，在一被部分填充的容器內(nèi)處于一所需的最低受控液位處，否則將保持在砂層(或者其他過濾材料)上表面上方的所需液位范圍內(nèi)。通過一能夠感測所述慢砂過濾器中最低和最高水位的系統(tǒng)來提供自動化控制。水的供應(yīng)可以在一閥的控制作用下利用一泵或者利用重力作用下的流動來進(jìn)行。在沒有從該慢砂過濾器中取用水的時(shí)間內(nèi)，水位在一定范圍內(nèi)，比如在前述用于手動操作式慢砂過濾器的范圍內(nèi)，保持在一所需的受控液位處。
從一自動間歇式慢砂過濾器中流出的水最好被送入一蓄水容器中。也可以利用一由上部和下部限位檢測器所形成的組合裝置及一個位于出水管道上的閥門來將該蓄水容器中的水位控制在所需范圍內(nèi)，其中所述出水導(dǎo)管自容器引向所述蓄水容器。
根據(jù)本發(fā)明，所述間歇操作式慢砂過濾器的結(jié)構(gòu)及工作方式已經(jīng)得以認(rèn)真地改進(jìn)，用以消除伴隨連續(xù)操作式慢砂過濾器在不工作時(shí)所產(chǎn)生的問題。所述間歇操作式過濾器已經(jīng)在現(xiàn)場和試驗(yàn)室條件下利用天然的供應(yīng)水進(jìn)行了多方面測試(參見B.Buzunis于1995年在卡爾加里大學(xué)(University of Calgary)所做的M.Eng.論文，其題目為“Intermittently Operated Slow Sand FiltrationA New WaterTreatment Process”)。一項(xiàng)利用天然的水供應(yīng)源對一間歇操作式慢砂過濾器所進(jìn)行的探索研究已經(jīng)表明，即使該過濾器被間歇式操作，只要砂層表面處的溶解氧氣濃度能夠被保持在一足夠高的水平，那么該慢砂過濾器的性能就永遠(yuǎn)不會被削弱。相比而言，正如前面所指出的那樣，由Paramasivan等所進(jìn)行的研究表明，當(dāng)大型的連續(xù)操作式慢砂過濾器被停機(jī)相同的時(shí)間周期時(shí)其將會失效。
在砂層表面處所溶解的氧氣被活性菌類去污層所消耗的速率，與該砂層表面處微生物、有機(jī)物質(zhì)及無機(jī)物質(zhì)(統(tǒng)稱為生物層或者菌類去污層)的聚集度呈函數(shù)關(guān)系，但是與這種聚集是如何實(shí)現(xiàn)的毫無關(guān)系(也就是說，與過濾器的工作方式，連續(xù)式或者是間歇式?jīng)]有關(guān)系)。從而，在砂層上方具有較深的水的連續(xù)操作式過濾器，當(dāng)其不工作時(shí)，如果顯示出與具有相同深度的水的間歇操作式過濾器當(dāng)其暫?；蛘咧袛鄷r(shí)所消耗的所溶解氧氣量相等，那么就可以認(rèn)為這兩種過濾器具有相同的生物層，并且非工作狀態(tài)和/或暫停狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間也相同。從而，從一完全停止的連續(xù)操作式過濾器和從一暫停的間歇操作式過濾器所得到的結(jié)果將是類似的。從而，由Paramasivan等在連續(xù)操作式慢砂過濾器上所進(jìn)行的研究可以應(yīng)用于間歇操作式慢砂過濾器。
參照附圖1和2，在此示出了一個根據(jù)本發(fā)明的手動操作式慢砂過濾器，用于間歇式供水。該裝置比如可以在個人家庭居所中獨(dú)立地間歇使用。該慢砂過濾器包括一水密的容器12，該容器12具有一上部14和一下部16。該容器12被承載在一基座或者支撐臺13上。盡管家庭使用時(shí)容器12可以具有約40厘米的直徑，但是該容器12最好約為1米至1.2米高并且具有變化的橫截面。該容器12可以由諸如PVC這樣的塑料制成，或者由混凝土或者其他適于盛裝飲用水的材料制成。所述容器12的上部14由一蓋子18所覆蓋，該蓋子18最好能夠完全罩蓋住容器12的敞口頂部，以防止灰塵或者其他碎屑進(jìn)入該容器12中。
容器12的敞口頂部形成了一個進(jìn)水口，其允許將水傾注入該容器12的敞口頂部中。容器12的下部16填充有40厘米或者更厚的細(xì)潔凈石英砂20，或者其他適于用于慢砂過濾器的過濾材料(比如，在Piper的美國專利No.5032261中所描述的材料)。在容器12的下部16底部形成一出水口22。該出水口22的下端部包括由卵石24所形成的下排水層，其位于砂層20之下，和一個經(jīng)穿孔的排水導(dǎo)管26，該導(dǎo)管26位于所述卵石24中并且穿經(jīng)容器12下部16上的一個孔延伸出來，并且終止于用作噴口28的上端部處。如同在此所描述的所有導(dǎo)管一樣，排水導(dǎo)管26是一個直徑約為12毫米的穿孔PVC導(dǎo)管，并且沿該穿孔的導(dǎo)管26的底部具有中心距為25毫米的3毫米直徑小孔。位于卵石24中的排水導(dǎo)管26其一端部由一12毫米直徑的PVC端帽27進(jìn)行密封。所述卵石24最好是潔凈的19毫米石英礫，或者類似物。所述導(dǎo)管26的穿孔端部被包埋在卵石24中，并且在該穿孔導(dǎo)管26的隆起部上方具有約5厘米厚的卵石。
在容器12中的水位30必須被保持在位于砂層20上表面21上方的最低和最高液位之間，最好是處于砂層20的上表面上方1厘米至8厘米的范圍內(nèi)。這可以通過在容器12上進(jìn)行恰當(dāng)?shù)貥?biāo)記而得以實(shí)現(xiàn)。容器中的水處于常溫(也就是說沒有被加熱)，比如21℃，和常壓(大氣壓)下。所述低水位，也就是說1厘米，被選定為足夠深以防止菌類去污層21干燥，因?yàn)檫@樣將會殺死菌類，或者由于水下落到容器12中水面30上所產(chǎn)生的紊流而導(dǎo)致所述菌類去污層21被擾動。
所述高水位30被選定成能夠使得其足夠淺以防止積滯現(xiàn)象，也就是說在沒有新鮮生水送入的時(shí)間段內(nèi)來自水面30上方空氣中的氧氣無法被傳送到所述菌類去污層21。在此所使用的詞語“積滯”是用于說明這樣一種情況，即位于砂層20上表面上的菌類去污層21上方的水太深，以致于水中失去氧氣并且菌類發(fā)生死亡。由于所述菌類去污層21會消耗水中的氧氣并且如果該菌類去污層21上方的水太深，那么水面30上方的氧氣將無法到達(dá)所述菌類去污層21，從而該層21將死亡。實(shí)際中的高水位30應(yīng)認(rèn)為由過濾介質(zhì)的類型及周圍環(huán)境的溫度所決定，并且易于由試驗(yàn)來進(jìn)行確定。由本發(fā)明人所提出的1厘米至8厘米的范圍對21℃下的細(xì)石英砂而言是有益的。通常，最高水位30越低越好(但必須高于1厘米)。因而水的波動范圍優(yōu)選為1厘米至5厘米。
通過將所述導(dǎo)管26從出水口向上延伸到由噴口28所示的所需液位處，水位可以得以保持。即使當(dāng)該慢砂過濾器處于未工作狀態(tài)時(shí)，也就是說當(dāng)沒有再向該過濾器中補(bǔ)充生水時(shí)，該水位30也能夠保持在最低液位處。這就是公知的備用狀態(tài)。附圖2圖示出了過濾器12的上部14處于初始工作狀態(tài)下的剖面正視圖。在工作過程中，當(dāng)生水被首先導(dǎo)入時(shí)，水位將開始升高，如附圖2中所示那樣，并且隨著經(jīng)過濾后的水穿過砂層20、卵石24而向下流入導(dǎo)管26上的穿孔中，水位將逐步降低到附圖1中所示出的所需液位30處。經(jīng)過濾后的水可以被收集在水桶或者其他適用于盛裝飲用水的蓄水容器32中，或者被泵送到如后面附圖中所示的飲用水蓄水容器中。在這種條件下，砂層的頂層21上會自然地形成一菌類去污層。
當(dāng)在工作過程中將水添加到容器12的頂部中時(shí)，除非非常小心地添加，否則將會擾動脆弱的菌類去污層21。為了防止對敏感的菌類去污層21的擾動，最好包括一擴(kuò)散器34，并利用任何諸如附圖4中所示出的適當(dāng)裝置來將該擴(kuò)散器34在砂層20的菌類去污層21的上方固定到容器12的側(cè)壁上。該擴(kuò)散器34必須能夠均勻地對生水進(jìn)行擴(kuò)散，并且以比向過濾器中所供送生水的速度大的速度對生水進(jìn)行配送。該擴(kuò)散器34在附圖5和6中被詳細(xì)示出，并且穿孔有間隔約為1厘米的2毫米直徑小孔，并且其位于砂層20上的菌類去污層21上方約10厘米處，并且至少要高于附圖1中所示出的所需水位30。在工作過程中進(jìn)入容器12的水在剛開始時(shí)會聚集在擴(kuò)散器34上，并且在不會擾動所述菌類去污層21的條件下逐步滲漏到其上。
在工作過程中，容器12通常由水灌注到位于最高和最低液位之間的所需液位30處，并且菌類去污層21處于存活狀態(tài)。為了使得所述過濾器以最簡單的方式工作，可以將蓋子18去除并且將生水傾注到容器12的頂部中。接著，經(jīng)過濾后的水將開始流入飲用水蓄水容器32中。該經(jīng)過濾后的水將從所述過濾器中持續(xù)流出直至所述菌類去污層21上方的水位30低于排水導(dǎo)管噴口28的底部時(shí)為止。在工作過程中，活性菌類去污層21的厚度會隨時(shí)間而增大。當(dāng)菌類去污層21的厚度增大到這樣一程度時(shí)，即使得流經(jīng)該過濾器的水流速度被降低到低于可接受的水平時(shí)，就需要進(jìn)行維護(hù)。維護(hù)工藝通常是去除所述菌類去污層21，并且與其一起還去除掉1厘米或者2厘米厚的砂層。在進(jìn)行清理后，預(yù)計(jì)該手動操作式過濾器在一天后將會恢復(fù)工作。
用于間歇式供送生水的自動操作式慢砂過濾器在附圖3至8中被示出。該自動裝置被用于比如在沒有戶主參與的條件下將經(jīng)過濾后的飲用水一直可靠地并時(shí)常間斷地供送到家用水龍頭中。如附圖3中所示的所述自動式慢砂過濾器包括一水密的圓柱形容器42，該容器42具有與附圖1中所示出的容器12相似的構(gòu)造和尺寸的一上部44和一下部46，并具有一相類似的蓋子48。一生水進(jìn)水導(dǎo)管49穿經(jīng)容器42的上部44中的側(cè)壁并形成一朝下的生水進(jìn)水口。容器42的下部46中填充有40厘米或者更厚(比如61厘米)的過濾材料50，比如類似于附圖1中所示過濾材料20的石英砂。
在容器42的下部46中形成有一出水層52。位于容器42底部處的該出水層52包括一由卵石形成的下排水層54，后者位于過濾砂層50的下方，和一與卵石層54協(xié)同工作的穿孔導(dǎo)管56。該導(dǎo)管56具有一端帽57。導(dǎo)管56位于卵石層54中并且經(jīng)由容器42的下部46中的一穿孔延伸出來。卵石層54與砂層50最好由一地質(zhì)隔膜(geomembrane)53分隔開。導(dǎo)管56通向一飲用水蓄水容器(在附圖7和8中示出)。最好，該導(dǎo)管56被包埋在至少20厘米的卵石層54中。流經(jīng)生水進(jìn)水口49的流速必須大于流經(jīng)過濾砂層50的最大流速，用以保持水位位于砂層51上表面的上方，并從而保持菌類去污層51保持存活狀態(tài)。
水位55必須位于所述菌類去污層51的上方1厘米至8厘米之間，并且最好位于1厘米至5厘米之間。位于1厘米和5厘米處的傳感器可用于確保水位55處于這些范圍之內(nèi)。
當(dāng)在工作過程中經(jīng)由進(jìn)水口49向容器42中加入生水時(shí)，除非將水小心地加入，否則將擾動和穿透菌類去污層51。為了防止該菌類去污層51發(fā)生紊流擾動，并且確保所有生水均受迫流經(jīng)該菌類去污層51而不是繞過該菌類去污層，最好包括一擴(kuò)散器64，在附圖5和6中具體示出了該擴(kuò)散器64。擴(kuò)散器64被以與附圖1中擴(kuò)散器34相同的方式進(jìn)行穿孔，從而帶有均勻分布的小孔65。該擴(kuò)散器64如附圖4中所示那樣由螺栓66，螺母67及墊圈68在砂層50上的菌類去污層51及水位55上方固定到容器42上。最好，該擴(kuò)散器64被定位在砂層50上所述層51的上方約8厘米處，并且位于最低水位55(也可以稱為受控水位ML)的上方5毫米處，并且還必須能夠以比流經(jīng)進(jìn)水管道49向過濾器容器42供送的生水速度大的速度對水進(jìn)行分配。在工作過程中，注入容器42中的生水穿經(jīng)該擴(kuò)散器64上的小孔65而到達(dá)水位55的上表面上，并且在不會擾動砂層上菌類去污層51的條件下，或者在不會在該菌類去污層中產(chǎn)生所不希望產(chǎn)生的穿孔的條件下逐步向下滲漏到該菌類去污層51上。
在容器42的上部44中，有一個穿過容器42的側(cè)壁延伸的排氣導(dǎo)管70，該排氣導(dǎo)管裝配有一排水管71和排氣管72。導(dǎo)管70與管道49處于相同高度處。帶有排水管71的導(dǎo)管70起緊急排水管的作用，并且必須具有與進(jìn)水管道49相同的送水能力。排氣管72允許氣體從容器42中逸散出來，并且必須具有足夠的能力以使得在向容器42中灌注生水的同時(shí)將該過濾器上部中的氣體排出，并且當(dāng)從該過濾器中將水排出時(shí)又能夠使得氣體進(jìn)入到該過濾器的上部中。該過濾器上部44中的空氣應(yīng)該保持在大氣壓力下。
現(xiàn)在參照附圖7和8，其中分別示出了液流和控制系統(tǒng)的示意圖，并且經(jīng)由導(dǎo)管56從慢砂過濾器的容器42流入飲用水蓄水容器62的水流速度由一適用裝置進(jìn)行控制，比如一球閥74和一電磁閥76。導(dǎo)管56由在管子接頭78處相連接的三根長度為12毫米的PVC導(dǎo)管形成，并且所述電磁閥76位于所述導(dǎo)管的中部。導(dǎo)管56的后段被導(dǎo)入飲用水蓄水容器62中。該飲用水蓄水容器62被制成能夠盛裝一足夠通常使用的水供應(yīng)源。從該飲用水蓄水容器62流出的水流可以通過球閥81并經(jīng)由排水管道80，或者通過出水管道83上的配水系統(tǒng)82(以虛線框示出)進(jìn)行配送。該配水系統(tǒng)82由管道83上的球閥84與所述飲用水蓄水容器62隔離開，并且為用戶提供所需利用的飲用水，或者將水返送回生水蓄水池88中。管道83中水的配送是由泵86來驅(qū)動的，該泵86固定于兩個管子接頭85之間的管道83中。當(dāng)需要利用凈水來沖洗過濾器的容器42時(shí)，從泵86中泵送出的水可以在管道87上電磁閥89的控制下沿管道87返送回生水蓄水池88中，或者沿管道83通向管道90和91，在該管道90和91處可以通過手動操作通常安裝在家中的閥(比如水龍頭)92來利用這些飲用水。
利用進(jìn)水管道49上的泵93可以將水從生水蓄水池88供送到慢砂過濾器容器42中。如果生水蓄水池88高于該容器42，那么可以利用重力作用，并且所述送水泵86可以被一電磁閥來替代。該送水泵86，或者電磁閥構(gòu)成了一個進(jìn)水控制裝置，用于可控制地將水供送到生水進(jìn)水管道49中。排水管71(參見附圖3)可以直接將水返送回生水蓄水池88中或者作為廢水排放掉。
對容器42中及飲用水蓄水容器62中水位的控制通過利用剛剛所描述的水流控制裝置及容器42和飲用水蓄水容器62中的水位檢測器來完成。正如附圖8中所示那樣，容器42中的水位檢測器用于檢測下述水位(1)受控液位55(ML)(參見附圖3)，其處于砂層50上菌類去污層51的上方25毫米處(仍參見附圖3)；(2)一高水位報(bào)警液位(SHLA)，其位于所述砂層50上層51的上方18厘米處(用于防止溢流)；(3)一送水泵停機(jī)液位(SFP)，其位于所述層51的上方15厘米處；及(4)一送水泵起動液位(STFP)，其位于所述砂層50上層51的上方50毫米處。這些液位及前述簡稱均在附圖8中予以示出。為了使得所述菌類去污層即使在沒有水流存在的條件下也能夠保持在存活狀態(tài)，水位55必須在非工作期間內(nèi)保持在所述受控液位ML的可接受的范圍內(nèi)。該受控液位ML根據(jù)前述用于手動操作式慢砂過濾器的菌類去污層控制標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行選擇。通常，水位30(參見附圖1)或者水位55(參見附圖3)應(yīng)該處于所述砂層20或50上表面的上方1厘米至8厘米深度之間，并且優(yōu)選為處于1厘米至5厘米深度之間。
正如在附圖8中所能夠看到的那樣，飲用水蓄水容器62中的水位由檢測器進(jìn)行檢測，這些檢測器用于檢測下述液位(1)一高水位報(bào)警液位(RHLA)，其與所述蓄水容器62的上表面96的距離為2.5厘米；(2)一蓄水容器水流停止液位(SRF)，其與所述蓄水容器62的上表面96的距離為7.5厘米；(3)一蓄水容器水流起動液位(STRF)，其與所述蓄水容器62的上表面96的距離為20.0厘米；及(4)配送泵斷電液位(DPC)，其與所述蓄水容器62的底部98的距離為5.0厘米，并位于出水管道80和83之上。具有前述簡稱的所述檢測器在附圖8中的適當(dāng)液位處示意性示出。
當(dāng)通常經(jīng)由水龍頭92(參見附圖7)來從管道90或91中利用飲用水時(shí)，水必須被從所述飲用水蓄水容器62中泵送過來，并且這些水還必須得以及時(shí)補(bǔ)充。因而下文中將對用于飲用水蓄水容器62的水灌注循環(huán)進(jìn)行描述。當(dāng)需要從管道90和91中取用水時(shí)，配送泵86將自動起動，從而迫使飲用水沿管道83從所述蓄水容器62流向管道90和91中之一(根據(jù)需要也可以是其他類似于管道90和91的管道)。從而飲用水蓄水容器62中的水位將會下降。當(dāng)所述飲用水蓄水容器62中的水降低到由STRF檢測器進(jìn)行檢測的液位處時(shí)，電磁閥89開啟并且生水送水泵93起動。由送水泵93向慢砂過濾器容器42供送的生水速度大于經(jīng)由出水管道56所排出的水的速度，從而使得容器42中的水位55(參見附圖3)升高。當(dāng)容器42中的水位升高并被SFP檢測器檢測到時(shí)，所述送水泵93停機(jī)，從而中斷經(jīng)由管道49流向容器42中的水流。容器42中的水將持續(xù)向下滲透穿經(jīng)所述砂層50并流入管道56中，并且隨后進(jìn)入飲用水蓄水容器62中直至在容器42中達(dá)到STFP檢測器的位置處。隨后，送水泵93將再次起動。隨后該循環(huán)將根據(jù)需要而進(jìn)行重復(fù)，來對所述飲用水蓄水容器62進(jìn)行灌注。
當(dāng)由于經(jīng)由管道56從容器42進(jìn)行供水而使得飲用水蓄水容器62中的水達(dá)到由SRF進(jìn)行檢測的液位處時(shí)，所述送水泵93將停機(jī)，但是電磁閥76仍然保持開啟狀態(tài)。這將使得更多的飲用水經(jīng)由管道56從容器42中排出。
在從蓄水容器62供送出的飲用水未被利用的期間內(nèi)，最好將容器42中的水排出直至所述受控液位ML(最好處于所述菌類去污層的上方1厘米至5厘米之間)，這是因?yàn)樵摲秶潜３炙鼍惾ノ蹖犹幱诨钚誀顟B(tài)的優(yōu)選液位。此目的可以通過下述工藝來實(shí)現(xiàn)，這些工藝構(gòu)成了飲用水蓄水容器灌注循環(huán)的一部分。經(jīng)由管道56通過從容器42中排出經(jīng)過濾后的水而使得飲用水蓄水容器62中的水位向由RHLA進(jìn)行檢測的液位處升高，并且當(dāng)達(dá)到該液位時(shí)，電磁閥89將開啟，用以將飲用水蓄水容器62中的飲用水排入到生水蓄水容器88中。當(dāng)飲用水蓄水容器62中的水位下降到由SRF進(jìn)行檢測的液位處時(shí)，電磁閥89將關(guān)閉。隨后過濾后的水經(jīng)由管道56持續(xù)地從容器42中排入到蓄水容器62中，并且根據(jù)需要對這些步驟進(jìn)行重復(fù)直至容器42中的水位達(dá)到ML，在該液位處電磁閥76將被關(guān)閉。這樣就完成了飲用水蓄水容器62的灌注循環(huán)。該工藝可以根據(jù)需要而進(jìn)行重復(fù)。
當(dāng)從飲用水蓄水容器62中供出的水經(jīng)24小時(shí)而未被利用時(shí)，最好對該飲用水蓄水容器62中的水進(jìn)行更新(即更新循環(huán))。將電磁閥89開啟，從而使得飲用水從蓄水容器62中排入到生水蓄水池88中直至該飲用水蓄水容器62中的水位下降到由STRF進(jìn)行檢測的液位處，在該位置處閥89將被關(guān)閉。隨后新鮮的飲用水將經(jīng)由管道56排入到蓄水容器62中。
如果容器42中的水升高到了由SHLA進(jìn)行檢測的液位處，那么該容器42中的水位就過高了，從而必須利用后續(xù)的飲用水蓄水容器較高液位降低循環(huán)(high level reduction cycle)來降低液位。接著，生水送水泵93將停機(jī)，直至容器42中的水位降低到液位ML，并且閥89開啟，直至飲用水蓄水容器62中的液位低于由STRF進(jìn)行檢測的液位。隨后容器42中的水位將被保持在ML處，并且隨后通過對閥76進(jìn)行激發(fā)來開始對所述飲用水蓄水容器62的灌注循環(huán)。
如果飲用水蓄水容器62中的水位下降到了由DPC進(jìn)行檢測的液位處，那么該飲用水蓄水容器62中的水位就必須升高。這可以簡單地通過中斷由配送泵86向管道90和91的供水而實(shí)現(xiàn)，直至該飲用水蓄水容器62中的液位升高到由STRF進(jìn)行檢測的液位處為止。
前述工藝的運(yùn)算方法被編入一微控制器100中，該微控制器100被連接成能夠從各個檢測器SHLA，SFP，STFP，ML，RHLA，SRF，STRF及DPC中接收信號(參見附圖8)，并且對泵86和93及各個電磁閥76和89進(jìn)行控制。該控制器100可以是一個可編程的邏輯控制器(PLC)，比如由A1len Bradley公司提供的No.1747-L20C/F12-DC SNK8-RLY型邏輯控制器，并根據(jù)所附軟件進(jìn)行編程，比如Schedule A?？蛇x擇地，其也可以是一個以相同方式進(jìn)行編程的CPU(比如，Microchip公司生產(chǎn)的PIC16C55/57VLSI型控制器)。所述軟件可以執(zhí)行在此處所描述的工藝控制步驟，并且可以很容易地由任何熟練的程序員根據(jù)本說明書中所述的內(nèi)容進(jìn)行編程。控制器100可以向泵86和93及閥76和89提供信號，用以控制它們的工作狀態(tài)并且將水位保持在所需液位上。
接下來我們將對如附圖9至22中所示的本發(fā)明第二實(shí)施例進(jìn)行描述。附圖9是根據(jù)本發(fā)明的自動間歇式操作慢砂過濾器第二實(shí)施例的正視圖，其具有就地清洗的特征。正如附圖9中所示那樣，該慢砂過濾器由一個向下呈錐形傾斜的容器102構(gòu)成，該容器102又帶有一個位于其頂部處的蓋子104。該向下呈錐形傾斜的形狀有益于進(jìn)行運(yùn)輸，這是因?yàn)榇罅康娜萜骺梢蕴庄B在一起來節(jié)省空間。在容器102的頂部圓周上形成有一擱架133。在容器102的外周裝配有一豎直導(dǎo)管105。該豎直導(dǎo)管105內(nèi)部具有一排水閥106，一控制閥位置108，一過濾器出水口110，一防虹吸閥112及一悶頭連接件114，其中所述悶頭連接件114位于豎直導(dǎo)管105的底部，但位于基座144的上方。下面將對這些附件的應(yīng)用進(jìn)行說明。
附圖10是先前在附圖9中所示自動式慢砂過濾器第二實(shí)施例的側(cè)視圖。所述豎直導(dǎo)管105經(jīng)由悶頭連接件114而連接在容器102的底部上。一控制閥109連接在所述控制閥位置108處(參見附圖9)。在該閥頂部，所述導(dǎo)管105還在此處連接有一經(jīng)處理水的噴管116，所述導(dǎo)管105在其頂部帶有一個校準(zhǔn)閥115(calibration valve)。導(dǎo)管105的頂部又經(jīng)由防虹吸孔113與容器102的頂部相連通。
附圖11示出了先前在附圖9和10中所示間歇操作式慢砂過濾器第二實(shí)施例的前剖視圖。在所述容器102的內(nèi)部具有以疊置結(jié)構(gòu)設(shè)置的一頂部砂層120，一位于該砂層120下方的第二砂層122，一位于該砂層122下方的第三砂層124及一卵石底層126。形成所述頂部砂層120、第二砂層122、及第三砂層124的砂的等級及篩分尺寸在質(zhì)量上與直徑上均不相同，用以為所述自動間歇操作式慢砂過濾器提供所需的過濾器流速及特征。靜態(tài)水位118，如先前所說明的這樣進(jìn)行設(shè)定，以便在兩種要求之間尋求平衡，即必須足夠淺，用以使得氧氣可以從該水位118的上表面上向下滲透到位于砂層120上部的菌類去污層119上，并且與此同時(shí)，又必須足夠深，用以使得由導(dǎo)入到容器102頂部中的新鮮生水所造成的紊流不會擾動或者穿透所述菌類去污層。為了得到令人滿意的工作狀態(tài)，水位118必須處于頂部砂層120上表面的上方約1厘米至8厘米之間，優(yōu)選為處于1厘米至5厘米之間。
附圖12圖示出了所述自動間歇操作式慢砂過濾器第二實(shí)施例的側(cè)剖視圖，其中該過濾器帶有一就地清理式設(shè)備。正如附圖12中所能夠看到的那樣，容器102在位于所述砂層120上表面上方的頂部區(qū)域中包含有一可手動操作的機(jī)械式攪拌器128，該攪拌器128穿經(jīng)擴(kuò)散槽130的中心部。該擴(kuò)散槽130的邊沿座放在擱架133上，該擱架環(huán)繞所述容器102頂部區(qū)域處的圓周而形成。所述豎直導(dǎo)管105，如同先前結(jié)合附圖9和10所進(jìn)行的討論那樣，經(jīng)由悶頭連接件114連接在容器102的底部處。該導(dǎo)管105內(nèi)部如先前所述那樣裝配有一控制閥109，一經(jīng)處理后的水的噴管116，一校準(zhǔn)閥115及一防虹吸閥112。該防虹吸閥112非常重要，這是因?yàn)樗軌蚍乐股谌萜?02的頂部區(qū)域發(fā)生虹吸現(xiàn)象從而進(jìn)入到經(jīng)處理后的飲用水噴管116中。
附圖13示出了一擴(kuò)散槽130的平視圖。該擴(kuò)散槽130環(huán)繞其圓周具有一槽沿131，該槽沿131適于座放在容器102的圓周擱架133上，如附圖12中所示那樣。該擴(kuò)散槽130具有一系列穿孔134(排水孔)，這些穿孔134以網(wǎng)格狀圖案成形在所述擴(kuò)散槽130的底部上。槽130底部上所穿孔的尺寸及數(shù)目被設(shè)計(jì)成能夠確保在該槽130下方的水118中形成可以被忽略的紊流(參見附圖11)，并且與此同時(shí)允許具有適當(dāng)?shù)牧魉僖员悴粫霈F(xiàn)回流現(xiàn)象。
一機(jī)械式攪拌器悶頭132位于所述擴(kuò)散槽130基座的中心處。該悶頭132被設(shè)計(jì)成可容納所述機(jī)械式攪拌器128的豎直芯柱，并允許該機(jī)械式攪拌器128相對于擴(kuò)散槽130進(jìn)行轉(zhuǎn)動。附圖14圖示出了附圖13中擴(kuò)散槽的側(cè)剖視圖。環(huán)繞所述頂部圓周的槽沿131及位于所述底部中心位置處的機(jī)械式攪拌器悶頭132被圖示出來。
附圖15是附圖11中所示設(shè)備中由卵石所組成的底層126中所用下排水裝置的俯視圖。該下排水裝置136由一中部成十字形的導(dǎo)管接頭140構(gòu)成，該接頭140在間隔90°的位置處連接有四條徑向延伸的穿孔導(dǎo)管138。該穿孔導(dǎo)管138中的三個在其自由端部均帶有帽體142。第四根穿孔導(dǎo)管138(在附圖15中為底部導(dǎo)管)的自由端部與所述悶頭連接件114相連通，這些均可以在附圖9，10及12中看出。下排水裝置136被包埋于卵石層126中(參見附圖11)，并且位于緊鄰容器102底部144的上方位置處。該下排水裝置136能夠?qū)⒔?jīng)過濾后的水，即向下滲透過疊置的砂層120、122及124的水，收集在該下排水裝置136中，并穿經(jīng)悶頭連接件114而被泵送出來。在導(dǎo)管138中穿孔的尺寸及數(shù)目被設(shè)計(jì)成能夠確保經(jīng)過濾后的水可以輕易地進(jìn)入到所述裝置136中，并且易于穿過悶頭連接件114而排出，但不會造成任何經(jīng)過濾后的水發(fā)生回流的現(xiàn)象。與此同時(shí)，所述穿孔又必須足夠小，以使得卵石及砂不會進(jìn)入到所述裝置136的內(nèi)部從而造成堵塞。
附圖16圖示出了結(jié)合有一機(jī)械式攪拌器128的擴(kuò)散槽130的側(cè)剖細(xì)節(jié)圖。該擴(kuò)散槽130、邊沿131及悶頭132的構(gòu)造已經(jīng)在先前進(jìn)行了說明。正如附圖16中所示那樣，機(jī)械式攪拌器128由一個位于其底部處的水平攪拌葉片148，一個從該攪拌葉片148的中心部向上穿經(jīng)槽130中悶頭132而延伸的豎直軸150，及一個連接在該豎直軸150上端部的手動式水平卷繞手柄152構(gòu)成。所述豎直軸150旋轉(zhuǎn)性地安裝在機(jī)械式攪拌器悶頭132中。從而，水平攪拌葉片148可以在手動卷繞手柄152的作用下沿順時(shí)針或者逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。一高度調(diào)節(jié)銷146穿入所述軸150中并且座放在機(jī)械式攪拌器悶頭132的頂部，用以將攪拌葉片148保持在所需的高度上。通過這種方式，機(jī)械式攪拌器128及攪拌葉片148通常可以被夾持的高度位于頂部砂層120上表面及菌類去污層119上方的一位置處(參見附圖11)。但是，當(dāng)所述頂部砂層120的上表面及菌類去污層119需要進(jìn)行清理時(shí)，可以將該高度調(diào)節(jié)銷146從軸150上取下。這將使得所述攪拌葉片148下降，以到達(dá)頂部砂層120的上表面上。隨后，通過使得手動卷繞手柄152沿水平的順時(shí)針或者逆時(shí)針方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動，可以由該操作者使得攪拌葉片148進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而刮除頂部砂層120頂層中的一小部分。對隨時(shí)間而形成的菌類去污層119的厚度及被阻滯的水流速度進(jìn)行周期性檢修是必要的，以便使得流經(jīng)所述間歇式慢砂過濾器中所述層119及砂層120、122及124的流速被保持在可接受的水平上。
附圖17至22圖示出了攪拌葉片148的不同結(jié)構(gòu)實(shí)施例。附圖17詳細(xì)圖示出了附圖12和16中所示攪拌葉片148的結(jié)構(gòu)。攪拌葉片148具有一安裝在其底部表面上的橡膠刮板154。該橡膠刮板154在結(jié)構(gòu)上類似于擦窗用擠壓刮板，并且具有足夠的剛度，用以刮除所述頂部砂層120的頂層，但是又具有足夠的柔性，用以提供一定程度的屈服性。
附圖18圖示出了這樣一個攪拌葉片148，該葉片148具有一系列間隔開的豎直刮齒156，這些豎直刮齒從葉片148上以一梳子形圖案垂直向下突出。該結(jié)構(gòu)能夠在所述砂層120的上表面上進(jìn)行梳理動作，而不是清理刮除動作。在需要保留所述頂部砂層120的部分頂層及所述菌類去污層119的情況下，這種梳理動作正是所希望的。
附圖19圖示出了攪拌葉片148的這樣一種結(jié)構(gòu)，即沿其底部區(qū)域設(shè)置有一系列刮片158。由于這些刮片158在刮除砂層120頂層的大部分時(shí)，還允許有一定量的水流經(jīng)這些刮片158之間，所以在某些情況下這種刮片158是優(yōu)選的。這些刮片158的水平角度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，以改變相鄰刮片158之間的開口尺寸。
附圖20、21及22分別圖示出了攪拌葉片148的三種不同可選擇結(jié)構(gòu)。在附圖20所示的結(jié)構(gòu)中具有一系列沿其底部分布的刮叉160。在附圖21所示的結(jié)構(gòu)中具有一系列沿?cái)嚢杵?48底部分布的L形刮刀162。而在附圖22所示的結(jié)構(gòu)中具有一系列沿其底部設(shè)置的T形刮刀164。各種結(jié)構(gòu)的刮刀160、162及164的水平角度均可以進(jìn)行調(diào)整，以改變所述刮板之間的開口尺寸。這些可選擇的刮板結(jié)構(gòu)中的任何一個均可以被選用，用以提供特定情況下所需的刮除類型。
對就地清理式攪拌葉片進(jìn)行安裝的方法當(dāng)安裝所述就地清理式攪拌葉片148時(shí)，必須遵從下述規(guī)程。
(1)通過提升經(jīng)處理水的蓄水容器62中的上浮子開關(guān)(或者關(guān)閉容器42或102中進(jìn)水口上的球閥)來中斷對容器102進(jìn)行灌裝的水流。
(2)斷開過濾器42或102內(nèi)部的管接頭，并去除所述機(jī)械式浮子裝置，SHLA、SFP、STFP及ML。
(3)去除擴(kuò)散槽64或者130。
(4)準(zhǔn)備一裝配用的新擴(kuò)散槽。將機(jī)械式攪拌葉片148固定到心軸150的底部上。將管子上的公螺紋旋入T形接頭上的母螺紋中。并以相同方式對手柄152的頂部進(jìn)行固定。
(5)將所述的新擴(kuò)散槽130與攪拌葉片148及軸150一起安置到合適位置上。盡可能地向上抽拉心軸150，并在其底部位置處將調(diào)節(jié)銷146穿入軸150中。從而將機(jī)械式攪拌器148夾持在頂部砂層120的上方。
(6)將機(jī)械式浮子裝置重新安裝到過濾器的頂部。接上并擰緊所述管接頭。
(7)將經(jīng)處理水的蓄水容器中的上浮子開關(guān)重新設(shè)定到工作狀態(tài)。(開啟容器102中進(jìn)水口上的球閥。該閥必須被設(shè)定在能夠減少過量的水流進(jìn)入過濾器102的位置上。)對就地清理式攪拌葉片進(jìn)行操作的方法(1)當(dāng)使用所述就地清理式攪拌器128時(shí)，必須參照附圖9，10及12來對所述閥進(jìn)行定位。所推薦的是當(dāng)蓄水槽62中的水位處于滿量程并且過濾器102處于備用狀態(tài)時(shí)必須執(zhí)行的工藝。
(2)該工藝開始于將經(jīng)處理后的水的蓄水容器62中的閥76關(guān)閉。
(3)校準(zhǔn)閥115和防虹吸閥113也應(yīng)該被關(guān)閉。
(4)將控制閥109上的軟管連接到壓力槽62的出水口上。隨后將壓力槽62的閥緩慢開啟?？刂崎y109用于對流入過濾器102中的流量進(jìn)行控制。該回流工藝的速度必須不能太快。過高的流速將會擾動底部砂層122和124，并且使得它們發(fā)生混合。
(5)將銷146從機(jī)械式搖臂裝置的心軸10上取下。將攪拌葉片148降低到頂部砂層120的上表面上。并將銷146插入到軸150的上部孔中。
(6)在所述水位從底部緩慢升高的同時(shí)，沿任一方向轉(zhuǎn)動所述機(jī)械式搖臂。這種機(jī)械式攪拌作用將使得過濾器表面120頂部的微粒形成懸浮液。
(7)利用位于砂表面位置處的排水閥116來將頂部砂層120表面上的幾桶水排干。
(8)該工藝持續(xù)進(jìn)行，直至大部分懸浮微粒被去除。
(9)隨后按下述順序依次對閥進(jìn)行關(guān)閉排水閥116，位于壓力槽上的閥26，控制閥109。
(10)隨后以下述順序依次打開下述閥位于容器102進(jìn)水口上的球閥，位于經(jīng)處理水的蓄水容器62上的閥81，及校準(zhǔn)閥115。
(11)將校準(zhǔn)閥115設(shè)定為4升/分鐘。這可以通過在一校準(zhǔn)桶中對水進(jìn)行收集而實(shí)現(xiàn)。所述閥115被設(shè)定為在一分鐘時(shí)間內(nèi)能夠收集到4升的水，或者也可以利用一等效速率。
(12)接著容器102必須被恢復(fù)到其初始狀態(tài)。該就地清理工藝根據(jù)需要可以進(jìn)行重復(fù)，用以保持容器過濾器102的最優(yōu)性能。
測試工藝及結(jié)果利用三臺在1997年5月裝配并安裝到位的間歇式操作慢砂過濾器作為樣機(jī)。這些過濾器被構(gòu)造成當(dāng)它們處于暫停狀態(tài)時(shí)該過濾器中砂層表面上方的水深分別為5厘米(推薦)，30厘米及100厘米。這些過濾器每天至少工作一次，直至1997年9月。假定對具有較高靜態(tài)水深的過濾器進(jìn)行操作時(shí)將表現(xiàn)出類似于由Paramasivan等所發(fā)現(xiàn)的特征，而對具有較淺水深的過濾器進(jìn)行操作時(shí)將表現(xiàn)出類似于由Buzunis等所發(fā)現(xiàn)的特征。每次對所述過濾器的測試均需要大約四個小時(shí)的工藝時(shí)間。
需要進(jìn)行處理的水(人工污染的天然水代用品)利用已經(jīng)發(fā)展了超過三年的技術(shù)來在實(shí)驗(yàn)室中取得。這些水被盛裝在一較大的水池中，并喂養(yǎng)有熱帶魚和生水植物，并且周期性地?fù)饺攵康奈⒘抗芳S。利用這種人工制造的污水是因?yàn)樗哂蟹€(wěn)定的生物特性并且易于定量制取。
在所有情況下，所述過濾器樣機(jī)每次工作時(shí)在砂層頂部上所有蓄積的水均需要被更換。在添加新水之前立即對砂層上方水中的溶解氧氣濃度進(jìn)行監(jiān)測。發(fā)現(xiàn)對于待記錄的溶解氧氣量造成明顯影響，各個過濾器需要花費(fèi)大量的時(shí)間來在砂層表面上聚集起足夠多的有機(jī)物質(zhì)。最終才確定出這是因?yàn)橛糜跍y定所溶解氧氣濃度的技術(shù)不夠靈敏。雖然所利用的技術(shù)能夠準(zhǔn)確地測定出所溶解氧氣的濃度，但是該技術(shù)卻無法明顯地用于對緊位于砂層上方的水中的所溶解氧氣濃度進(jìn)行測試。直至所述測試已經(jīng)進(jìn)行了若干個月后才得出所述結(jié)論。這種對所溶解氧氣的直接測試需要微型的專用設(shè)備。除非考慮本課題的目的，否則所得到的結(jié)論是不具有說服力的。然而，我們?nèi)匀荒軌蛄钊舜_信地證明我們能夠在間歇式操作的基礎(chǔ)上對所述慢砂過濾器樣機(jī)進(jìn)行操作，并且仍然能夠保持所述菌類去污層處于存活狀態(tài)。
慢砂過濾器的結(jié)構(gòu)-擴(kuò)散器板的詳細(xì)結(jié)構(gòu)所述的三種慢砂過濾器樣機(jī)均由下述組件構(gòu)造而成-過濾器容器-過濾器蓋子-擴(kuò)散器板-導(dǎo)管收集器-不會被排出的潔凈19毫米石英礫-潔凈的石英砂(類似于專用于連續(xù)式慢砂過濾器的石英砂)-砂/卵石隔離膜-生水供應(yīng)進(jìn)水口-排氣管-排水管所述的三種過濾器樣機(jī)的高度均接近1000毫米，并且具有向下呈錐形傾斜的變化橫截面。(相比而言，用于單個家庭的過濾器的直徑可為400毫米)。所述過濾器容器可以由PVC，混凝土或者任何適于盛裝可以利用的飲用水的其他材料制成。
所述過濾器蓋子要足夠大，以便能夠完全罩蓋住所述過濾器的頂部，從而防止灰塵及其他碎屑偶然落入過濾器容器中。
在保持水位處于受控液位處的同時(shí)，需要利用擴(kuò)散器板來以這種方式將所供送的生水均勻地噴射到所述過濾器中的水面上，即所產(chǎn)生的紊流最小并且不會擾動所述砂層的上表面及所述菌類去污層。所述擴(kuò)散器板具有這種結(jié)構(gòu)，即其能夠以比向過濾器容器供送的生水流速大的速度對水進(jìn)行均布。
處于所述三種樣機(jī)底部的過濾器下排水裝置由一石英卵石層形成，所述石英卵石層中包埋有一穿孔的PVC導(dǎo)管收集器。
在各個樣機(jī)中的導(dǎo)管收集器均由穿過所述過濾器容器側(cè)壁的穿孔12毫米PVC導(dǎo)管形成。該P(yáng)VC導(dǎo)管中的小孔直徑為3毫米，并且位于該導(dǎo)管的下側(cè)面上。在所有情況下，導(dǎo)管收集器均被包埋在大約100毫米高的19毫米清潔石英卵石層中。
在所述樣機(jī)中的過濾砂層均由類似于通常用于連續(xù)式慢砂過濾器的清潔石英砂組成。該砂層約610毫米厚。作為一個性能指標(biāo)，穿過砂層的最大水流流速必須小于流入該過濾器中的生水的最小流速。
所述三種樣機(jī)中的砂層與卵石層均由一地質(zhì)隔膜隔離開。
經(jīng)由一生水供應(yīng)源供送到各個過濾器中的水被供送到擴(kuò)散器板頂部處的表面上。作為一個性能指標(biāo)，生水供應(yīng)源位于該擴(kuò)散器板上方約150毫米處。流經(jīng)所述生水進(jìn)水口的流速必須小于流經(jīng)該擴(kuò)散器板的流速，但必須大于流經(jīng)所述過濾砂層的水流速度。
在各個樣機(jī)中的排氣管及緊急排水管均遠(yuǎn)遠(yuǎn)地設(shè)置在過濾容器的上方，與所述生水進(jìn)水口處于同一高度。為了獲得令人滿意的操作，所述緊急排水管必須具有與生水供應(yīng)源相同的送水能力。而所述排氣管必須具有足夠的能力使得過濾器中的空氣在由水對該過濾器進(jìn)行灌裝的過程中逸散出去，并且允許在排出該過濾器中的水的過程中空氣又會進(jìn)入該過濾器中。(所述過濾器上部處的空氣區(qū)域必須一直保持在大氣壓力下)。
所述慢砂過濾器與所述生水供應(yīng)源，飲用水蓄水容器及飲用水配送系統(tǒng)之間的關(guān)系在附圖7中進(jìn)行了示意性表示。水被從所述生水供應(yīng)源泵送到過濾器中。如果所述生水蓄水池高于所述過濾器，送水泵可以被一電磁閥所替代。
水經(jīng)由一導(dǎo)管系統(tǒng)從慢砂過濾器中排入到飲用水蓄水容器中，其中所述導(dǎo)管系統(tǒng)包括一球閥、電磁閥及另外的一個管接頭。在緊急狀況下，水可以通過所述緊急排水管從過濾器中排入所述生水供應(yīng)源中，或者是作為廢水排放掉。所述樣機(jī)的飲用水蓄水容器被制成能夠盛裝一足夠日常使用的水供應(yīng)源。飲用水經(jīng)由一配送系統(tǒng)泵而被供送到飲用水配送系統(tǒng)中。
在所述樣機(jī)中，所述配送系統(tǒng)，包括所述泵，由一球閥和一管接頭與所述蓄水容器隔離開。另外一個管接頭緊鄰所述泵位于其下游處。在所述導(dǎo)管系統(tǒng)中，一T形接頭位于該管接頭的下游。該T形接頭的一出水口可以根據(jù)需要來向所述飲用水配送系統(tǒng)中供送飲用水。其另一出水口由一電磁閥控制，當(dāng)需要對所述過濾器進(jìn)行沖洗時(shí)該電磁閥開啟。當(dāng)該閥處于開啟狀態(tài)時(shí)，水將從所述飲用水蓄水容器中返送回所述生水蓄水池中。
正如本技術(shù)領(lǐng)域中那些熟練技術(shù)人員在前面所描述內(nèi)容的啟示下所能夠明白的那樣，在實(shí)際中，在不脫離本發(fā)明的精神與范圍的條件下可以進(jìn)行多種變型和改進(jìn)。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)該依照由后附權(quán)利要求所限定的內(nèi)容來進(jìn)行解釋。
權(quán)利要求
1.一種慢砂過濾設(shè)備，其包括一容器，該容器具有一上部和一下部；一位于該容器上部中的進(jìn)水口，該進(jìn)水口與一水供應(yīng)源相連通；一種過濾材料，該過濾材料至少填充所述容器的下部，并且該過濾材料的上表面低于所述進(jìn)水口；一菌類去污層，其位于所述過濾材料的上表面上；一位于所述容器下部中的出水口，該出水口低于所述過濾材料的上表面；一位于所述上部中的水位保持裝置，用于將所述容器上部中的水保持在過濾材料上表面上方的這樣一受控液位處，該受控液位在下述兩種水位之間尋求平衡，即(1)一足夠深的受控水位，以便從進(jìn)水口下落到所述容器中水面上的水不會明顯擾動所述菌類去污層，和(2)一足夠淺的受控水位，以便來自該水位上方空氣中的氧氣可以透過水進(jìn)行擴(kuò)散并且到達(dá)所述菌類去污層，從而即使在沒有水流通過所述進(jìn)水口的情況下，所述菌類去污層也可以保持在存活狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的慢砂過濾設(shè)備，還包括一擴(kuò)散器，該擴(kuò)散器位于所述受控水位的上方，從進(jìn)水口流入的水在到達(dá)所述受控水位的上表面及底層過濾材料之前先流經(jīng)該擴(kuò)散器。
3.如權(quán)利要求2所述的慢砂過濾設(shè)備，其特征在于，所述水位保持裝置包括一導(dǎo)管，該導(dǎo)管連接在所述出水口上并且向上延伸到所述受控水位處。
4.如權(quán)利要求1所述的慢砂過濾設(shè)備，其特征在于，所述水位保持設(shè)備將水位保持在所述過濾材料上表面的上方約1厘米至8厘米之間。
5.如權(quán)利要求2所述的慢砂過濾設(shè)備，其特征在于，所述水位保持裝置將水位保持在所述過濾材料上表面的上方約1厘米至5厘米之間。
6.如權(quán)利要求4所述的慢砂過濾設(shè)備，其特征在于，所述過濾材料為石英砂。
7.如權(quán)利要求1所述的慢砂過濾設(shè)備，還包括一連接在所述進(jìn)水口上的進(jìn)水導(dǎo)管和用于可控制地向該進(jìn)水導(dǎo)管供送水的進(jìn)水控制裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的慢砂過濾設(shè)備，還包括一第一水位檢測器，用于對所述容器中的高水位進(jìn)行檢測；一第二水位檢測器，用于對所述容器中的低水位進(jìn)行檢測；一控制器，該控制器被連接成能夠從所述第一和第二容器水位檢測器中接收信號，并且能夠向所述進(jìn)水控制裝置提供信號，以便將所述受控水位保持在所需的受控水位范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求2所述的慢砂過濾設(shè)備，其特征在于，所述擴(kuò)散器包括多個離散的小孔，以使得在該擴(kuò)散器上所聚集的水可以經(jīng)過該擴(kuò)散器向下滲漏到容器中的水面上。
10.如權(quán)利要求8所述的慢砂過濾設(shè)備，其特征在于，所述受控水位處于所述過濾材料上表面上方的1厘米至8厘米之間。
11.如權(quán)利要求10所述的慢砂過濾設(shè)備，還包括一較高水位檢測器，該檢測器被連接成能夠向所述控制器提供信號，來指示容器中的水位處于過高狀態(tài)。
12.如權(quán)利要求1所述的慢砂過濾設(shè)備，還包括一與所述出水口相連通的蓄水容器；第一和第二蓄水容器水位檢測器，用于對該蓄水容器中的高、低水位進(jìn)行檢測；及一流量控制裝置，用于控制從所述容器的出水口流入所述蓄水容器中的水流量。
13.如權(quán)利要求12所述的慢砂過濾設(shè)備，還包括一生水蓄水池，該生水蓄水池與該設(shè)備的進(jìn)水口相連通，和一控制裝置，用于控制從該生水蓄水池流入慢砂過濾設(shè)備中的水流量。
14.如權(quán)利要求13所述的慢砂過濾設(shè)備，還包括一進(jìn)水控制裝置，用于控制流入所述進(jìn)水口的水流量；一位于該過濾器中的第一水位檢測器，用于對所述容器中的高水位進(jìn)行檢測；一位于該過濾器中的第二水位檢測器，用于對所述容器中的低水位進(jìn)行檢測；及一控制器，該控制器被連接成能夠從所述第一和第二水位檢測器接收信號，并且能夠向所述進(jìn)水控制裝置提供信號，以使得水位保持在所述受控水位范圍內(nèi)。
15.如權(quán)利要求14所述的慢砂過濾設(shè)備，其特征在于，所述水位被保持在一位于所述過濾材料上表面上方1厘米至5厘米之間的液位處。
16.如權(quán)利要求15所述的慢砂過濾設(shè)備，其特征在于，所述過濾材料是石英砂。
17.如權(quán)利要求1所述的慢砂過濾設(shè)備，還包括一能夠?qū)λ鲞^濾材料的上表面進(jìn)行清理的機(jī)構(gòu)。
18.如權(quán)利要求17所述的慢砂過濾設(shè)備，其特征在于，所述清理機(jī)構(gòu)是一個可手動操作的機(jī)械式攪拌器。
19.如權(quán)利要求18所述的慢砂過濾設(shè)備，其特征在于，所述機(jī)械式攪拌器包括一個攪拌葉片，該葉片與所述過濾材料的上表面相接觸，和一個可轉(zhuǎn)動的軸和手柄，用于使得所述攪拌器能被手動旋轉(zhuǎn)。
20.如權(quán)利要求19所述的慢砂過濾設(shè)備，其特征在于，所述攪拌葉片包括刮板、刮齒、刮片、刮叉、L形刮刀及T形刮刀中的任何一種。
21.如權(quán)利要求20所述的慢砂過濾設(shè)備，其特征在于，所述機(jī)械式攪拌器可以在一水?dāng)U散器中繞樞軸轉(zhuǎn)動，所述水?dāng)U散器位于所述容器的上部。
22.一種對慢砂過濾器進(jìn)行操作的方法，該過濾器包括一容器，部分填充在該容器中的過濾材料，一位于該過濾材料上方的進(jìn)水口及一位于該過濾材料中的出水口，該方法包括下述步驟將水位保持在位于所述過濾材料上表面上方的這樣一液位上，該液位在下述兩種水位之間尋求平衡，即(1)一足夠深的受控水位，以便從進(jìn)水口下落到所述容器中水面上的水不會明顯擾動所述菌類去污層，和(2)一足夠淺的受控水位，以便來自該水位上方空氣中的氧氣可以透過水進(jìn)行擴(kuò)散并且到達(dá)所述菌類去污層，從而即使在沒有水流通過所述進(jìn)水口的情況下，所述菌類去污層也可以保持在存活狀態(tài)。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述水位被保持在所述過濾材料上表面的上方1厘米至8厘米之間。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述水位被保持在所述過濾材料上表面的上方1厘米至5厘米之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新穎的間歇式慢砂過濾器及一種利用該間歇式過濾器的方法。更具體地說,本發(fā)明涉及這樣一種新穎的慢砂過濾器,即該過濾器即使在進(jìn)行間歇式工作時(shí)也能夠保持其效率,并且可以在不會影響該間歇式過濾器正常工作的條件下進(jìn)行周期性清潔。該慢砂過濾器設(shè)備包括:一具有一上部和一下部的容器;一位于該容器上部中的進(jìn)水口,該進(jìn)水口與供水源相連;一種至少填充所述容器下部的過濾材料,該過濾材料的上表面低于進(jìn)水口;一位于該過濾材料上表面上的菌類去污層;一位于所述容器下部中的出水口,該出水口低于所述過濾材料的上表面;及一位于所述容器上部中的水位保持裝置,用于將容器上部中的水保持在所述過濾材料上表面上方的一受控液位上,該受控液位在下述兩種水位之間尋求平衡,即(1)一足夠深的受控水位,以便從進(jìn)水口下落到所述容器中水面上的水不會明顯擾動所述菌類去污層,和(2)一足夠淺的受控水位,以便來自該水位上方空氣中的氧氣可以透過水進(jìn)行擴(kuò)散并且到達(dá)所述菌類去污層,從而即使在沒有水流通過所述進(jìn)水口的情況下,所述菌類去污層也可以保持在存活狀態(tài)。
文檔編號B01D24/38GK1326375SQ99813399
公開日2001年12月12日 申請日期1999年10月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月9日
發(fā)明者戴維·H·曼茨 申請人:國際技術(shù)大學(xué)公司