устройство для обработки воды и способ очистки фильтрующего слоя устройства для обработки воды

Формула изобретения

1. Способ для очистки фильтрующего слоя устройства для обработки воды, включающего трубу для подачи неочищенной воды, одну или множество смесительных форсунок для потоков неочищенной воды, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи неочищенной воды и имеет на другом своем конце выпуск для неочищенной воды, из которого нагнетается смешанный поток неочищенной воды и воздуха, фильтровальный резервуар, заключающий в себе фильтрующий слой, размещенный ниже смесительной форсунки или форсунок для потоков неочищенной воды, на заданном расстоянии между поверхностью фильтрующего слоя и выпуском для неочищенной воды смесительной форсунки или форсунок для потоков неочищенной воды, указанный фильтрующий слой, отличающийся от гравийного слоя, состоит из верхнего слоя и нижнего слоя, и указанный верхний слой, включающий фильтрующий материал, который имеет меньший удельный вес и больший диаметр частиц, чем фильтрующий материал указанного нижнего слоя, труба для выведения профильтрованной воды, предусмотренная в фильтровальном резервуаре для отбора воды, профильтрованной через фильтрующий слой, труба для противоточной подачи промывочной воды, размещенная в фильтровальном резервуаре для подведения противоточной промывочной воды к фильтрующему слою, множество форсунок для очистки верхнего слоя, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи промывочной воды для очистки верхнего слоя и имеет на другом своем конце выпуск для промывочной воды, из которого выпускается промывочная вода, причем указанные форсунки для очистки верхнего слоя размещены с заданным интервалом над верхним слоем фильтрующего слоя таким образом, что выпуски для промывочной воды располагаются вблизи поверхности верхнего слоя, и в фильтровальном резервуаре над фильтрующим слоем предусмотрен сливной выпускной патрубок, отличающийся тем, что фильтрующий слой очищается путем отдельного проведения процесса частичной очистки, в котором главным образом очищается верхний слой для удаления железа, которое захвачено верхним слоем, и процесса полной очистки, в котором очищаются как верхний слой, так и нижний слой для удаления железа, которое захвачено верхним слоем, и марганца, который захвачен нижним слоем, в котором названный процесс частичной очистки включает:

(a) стадию прерывания операции фильтрования прекращением подачи неочищенной воды, в то же время продолжая операцию фильтрования для снижения уровня воды в фильтровальном резервуаре до заранее заданного уровня;

(b) стадию очистки верхнего слоя созданием противотока промывочной воды для течения из трубы для противоточной подачи промывочной воды при скорости очистки верхнего слоя для взмучивания фильтрующего материала верхнего слоя с помощью направленного вверх противотока, в то же время подавая промывочную воду из выпусков для промывочной воды форсунок для очистки верхнего слоя для перемешивания и очистки фильтрующего материала верхнего слоя, включающего фильтрующий материал, который захватил железо;

(c) стадию осаждения по завершении перемешивания и очистки фильтрующего материала верхнего слоя и тем самым обеспечения возможности седиментации перемешанного фильтрующего материала, в то же время продолжая подачу направленного вверх противотока со скоростью очистки верхнего слоя; и

(d) стадию стока мутной воды для дренирования мутной воды, содержащей вещества, отделенные от фильтрующего материала верхнего слоя, через сливной выпуск при непрерывной подаче направленного вверх противотока со скоростью очистки верхнего слоя, и названный процесс полной очистки включает:

(a) стадию прерывания операции фильтрования прекращением подачи неочищенной воды, в то же время продолжая операцию фильтрования для снижения уровня воды в фильтровальном резервуаре до заранее заданного уровня;

(b) стадию очистки созданием противотока промывочной воды для течения из трубы для противоточной подачи промывочной воды при скорости полной очистки слоя, которая является более высокой, чем скорость очистки верхнего слоя, для перемешивания фильтрующего материала как верхнего слоя, так и нижнего слоя, в то же время нагнетая промывочную воду из выпусков для промывочной воды форсунок для очистки верхнего слоя для очистки фильтрующего материала верхнего слоя, включающего фильтрующий материал, который захватил железо, и фильтрующего материала и фильтрующего материала нижнего слоя, который захватил марганец;

(c) стадию осаждения по завершении очистки фильтрующего материала верхнего слоя и нижнего слоя, и тем самым обеспечения возможности осаждения фильтрующего материала верхнего слоя и нижнего слоя, в то же время продолжая подачу направленного вверх противотока со скоростью очистки верхнего слоя; и

(d) стадию стока мутной воды для дренирования мутной воды, содержащей вещества, отделенные от фильтрующего материала верхнего слоя и нижнего слоя, через переливной выпуск при непрерывной подаче направленного вверх противотока со скоростью очистки верхнего слоя;

указанный процесс полной очистки проводят с меньшей частотой, чем указанный процесс частичной очистки.

2. Способ по п.1, в котором названный процесс частичной очистки далее включает, после понижения уровня воды в фильтровальном резервуаре до уровня нижней части верхнего слоя в стадии прерывания операции фильтрования, стадию подачи струй потока воды из части форсунок для очистки верхнего слоя, направленных к центральной нижней части верхнего слоя для формирования каналов в верхнем слое.

3. Способ по п.1 для очистки фильтрующего слоя устройства для обработки воды, далее включающего фильтровальный резервуар последующей стадии, размещенный ниже по потоку относительно трубы для выведения профильтрованной воды, если смотреть в направлении выведения профильтрованной воды, и заключающий в себе фильтрующий слой последующей стадии, включающий фильтрующий материал, который представляет собой такой же материал, как фильтрующий материал нижнего слоя, названный фильтровальный резервуар последующей стадии, включающий выпускной патрубок или выпускные патрубки для профильтрованной воды, сообщающиеся с выводной трубой для профильтрованной воды и открывающиеся в верхнюю часть фильтровального резервуара последующей стадии, труба для выведения профильтрованной воды для отбора воды, профильтрованной через последующий фильтрующий слой, труба для противоточной подачи промывочной воды для подведения противоточной промывочной воды к последующему фильтрующему слою, множество форсунок для очистки последующего фильтрующего слоя, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи промывочной воды для очистки последующего фильтрующего слоя и имеет на другом своем конце выпуск для промывочной воды, из которого нагнетается промывочная вода, причем названные форсунки для очистки последующего фильтрующего слоя расположены с заданным интервалом выше последующего фильтрующего слоя таким образом, что выпуски для промывочной воды размещены вблизи поверхности последующего фильтрующего слоя, и в последующем фильтровальном резервуаре предусмотрен переливной выпуск над последующим фильтрующим слоем, в котором указанный процесс частичной очистки включает:

(a) стадию прерывания операции фильтрования прекращением подачи неочищенной воды, в то же время продолжая операцию фильтрования для снижения уровня воды в фильтровальном резервуаре и последующем фильтровальном резервуаре до заранее заданного уровня;

(b) стадию очистки верхнего слоя созданием противотока промывочной воды для течения из трубы для противоточной подачи промывочной воды при скорости очистки верхнего слоя для взмучивания фильтрующего материала верхнего слоя с помощью направленного вверх противотока, в то же время нагнетая промывочную воду из выпусков для промывочной воды форсунок для очистки верхнего слоя для перемешивания и очистки фильтрующего материала верхнего слоя;

(c) стадию осаждения по завершении перемешивания и очистки фильтрующего материала верхнего слоя и тем самым обеспечения возможности седиментации перемешанного фильтрующего материала, в то же время продолжая подачу направленного вверх противотока со скоростью очистки верхнего слоя; и

(d) стадию стока мутной воды для дренирования мутной воды, содержащей материалы, отделенные от фильтрующего материала верхнего слоя, через переливной выпуск при непрерывной подаче направленного вверх противотока со скоростью очистки верхнего слоя, и

указанный процесс полной очистки включает:

(a) стадию прерывания операции фильтрования прекращением подачи неочищенной воды, в то же время продолжая операцию фильтрования для снижения уровня воды в фильтровальном резервуаре и последующем фильтровальном резервуаре до заранее заданного уровня;

(b) стадию очистки созданием противотока промывочной воды для течения из соответствующих труб для противоточной подачи промывочной воды фильтровального резервуара и последующего фильтровального резервуара при скорости полной очистки слоя, которая является более высокой, чем скорость очистки верхнего слоя, для перемешивания фильтрующего материала верхнего слоя, нижнего слоя и последующего фильтрующего слоя, в то же время нагнетая промывочную воду из соответствующих выпусков для промывочной воды форсунок для очистки верхнего слоя и форсунок для очистки последующего фильтрующего слоя, для очистки фильтрующего материала верхнего слоя, нижнего слоя и последующего фильтрующего слоя;

(c) стадию осаждения по завершении очистки фильтрующего материала верхнего слоя, нижнего слоя и последующего фильтрующего слоя, и тем самым обеспечения возможности осаждения фильтрующего материала верхнего слоя, нижнего слоя и последующего фильтрующего слоя, в то же время продолжая подачу направленного вверх противотока со скоростью очистки верхнего слоя; и

(d) стадию стока мутной воды для дренирования мутной воды, содержащей вещества, отделенные от фильтрующего материала верхнего слоя, нижнего слоя и последующего фильтрующего слоя, через соответствующий переливной выпуск фильтровального резервуара и последующего фильтровального резервуара, при непрерывной подаче направленного вверх противотока со скоростью очистки верхнего слоя.

4. Способ по п.1, далее включающий стадию измерения величины сопротивления фильтровального резервуара во время нормальной операции фильтрования и автоматического начала процесса частичной очистки, когда величина сопротивления превысит заранее заданное значение.

5. Способ по п.1, далее включающий стадию измерения величины сопротивления фильтровального резервуара во время нормальной операции фильтрования и автоматического начала процесса частичной очистки, когда величина сопротивления превысит заданное значение, и, когда время, прошедшее от завершения процесса частичной очистки до момента времени, в который величина сопротивления фильтровального резервуара достигает заданного значения, становится меньше, чем заданный период времени, автоматического начала процесса полной очистки.

6. Устройство для обработки воды для проведения способа по любому из пп.1-3, содержащее трубу для подачи неочищенной воды, одну или множество смесительных форсунок для потока неочищенной воды, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи неочищенной воды и имеет на другом своем конце выпуск для неочищенной воды, из которого подается смешанный поток неочищенной воды и воздуха, фильтровальный резервуар, заключающий в себе фильтрующий слой, размещенный ниже смесительной форсунки или форсунок для потока неочищенной воды, с заданным расстоянием между поверхностью фильтрующего слоя и выпуском для неочищенной воды смесительной форсунки или форсунок для потока неочищенной воды, трубу для выведения профильтрованной воды, предусмотренную в фильтровальном резервуаре для отбора воды, профильтрованной через фильтрующий слой, трубу для противоточной подачи промывочной воды, размещенную в фильтровальном резервуаре для подачи противоточной промывочной воды к фильтрующему слою, множество форсунок для очистки фильтрующего слоя, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи промывочной воды для очистки фильтрующего слоя и имеет на другом своем конце выпуск для промывочной воды, из которого подается промывочная вода, и в фильтровальном резервуаре над фильтрующим слоем предусмотрен переливной выпуск,

отличающееся тем, что

указанный фильтровальный резервуар является, по существу, круглым в виде сверху, и указанные форсунки для очистки фильтрующего слоя размещены с заданным интервалом выше фильтрующего слоя, с выпусками для промывочной воды, расположенными вблизи поверхности фильтрующего слоя таким образом, что вихревой поток или неупорядоченный поток создается в воде над поверхностью фильтрующего слоя промывочной водой, подаваемой из выпусков для промывочной воды форсунок для очистки фильтрующего слоя.

7. Устройство для обработки воды по п.6, в котором форсунки для очистки фильтрующего слоя открыты в фильтровальный резервуар наискось с направлением вниз от кромки фильтровального резервуара под заданным углом относительно радиального направления фильтровального резервуара в плоскости, параллельной поверхности фильтрующего слоя, и каждая из форсунок для очистки фильтрующего слоя имеет трубу для подачи воздуха, которая на одном своем конце сообщается с источником подачи воздуха и на другом своем конце открыт в форсунку для очистки фильтрующего слоя в месте выше по потоку относительно выпуска для промывочной воды.

8. Устройство для обработки воды по п.7, в котором часть форсунок для очистки фильтрующего слоя расположена с заданным интервалом над фильтрующим слоем, с выпусками для промывочной воды, размещенными вблизи поверхности фильтрующего слоя и направленными к центральной нижней части фильтрующего слоя таким образом, чтобы подавать струи водяного потока с образованием каналов в фильтрующем слое.

9. Устройство для обработки воды по п.6, далее включающее средство для подачи к фильтрующему слою дополнительного растворенного кислорода.

10. Устройство для обработки воды по любому из пп.6-9, включающее трубу для подачи неочищенной воды, одну или множество смесительных форсунок для потоков неочищенной воды, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи неочищенной воды и имеет на другом своем конце выпуск для неочищенной воды, из которого подается смешанный поток неочищенной воды и воздуха, фильтровальный резервуар, заключающий в себе фильтрующий слой, размещенный ниже смесительной форсунки или форсунок для потоков неочищенной воды, с заданным расстоянием между поверхностью фильтрующего слоя и выпуском для неочищенной воды смесительной форсунки или форсунок для потоков неочищенной воды, указанный фильтрующий слой, состоящий из верхнего слоя и нижнего слоя, и указанный верхний слой, включающий фильтрующий материал, который имеет меньший удельный вес и частицы большего диаметра, чем фильтрующий материал указанного нижнего слоя, труба для выведения профильтрованной воды, предусмотренная в фильтровальном резервуаре для отбора воды, профильтрованной через фильтрующий слой, труба для противоточной подачи промывочной воды, размещенная в фильтровальном резервуаре для подведения противоточной промывочной воды к фильтрующему слою, множество форсунок для очистки верхнего слоя, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи промывочной воды для очистки верхнего слоя и имеет на другом своем конце выпуск для промывочной воды, из которого нагнетается промывочная вода, и переливной выпуск, предусмотренный в фильтровальном резервуаре над фильтрующим слоем.

11. Устройство для обработки воды по п.10, далее включающее фильтровальный резервуар последующей стадии, размещенный ниже по потоку относительно трубы для выведения профильтрованной воды, если смотреть в направлении выведения профильтрованной воды, и заключающий в себе фильтрующий слой последующей стадии, включающий фильтрующий материал, который представляет собой такой же материал, как фильтрующий материал нижнего слоя, указанный фильтровальный резервуар последующей стадии, включающий выпускной патрубок или выпускные патрубки для профильтрованной воды, сообщающиеся с выводной трубой для профильтрованной воды и открытые в верхнюю часть фильтровального резервуара последующей стадии, труба для выведения профильтрованной воды для отбора воды, профильтрованной через последующий фильтрующий слой, труба для противоточной подачи промывочной воды для подведения противоточной промывочной воды к последующему фильтрующему слою, множество форсунок для очистки последующего фильтрующего слоя, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи промывочной воды для очистки последующего фильтрующего слоя и имеет на другом своем конце выпуск для промывочной воды, из которого подается промывочная вода, причем указанные форсунки для очистки последующего фильтрующего слоя расположены с заданным интервалом выше последующего фильтрующего слоя таким образом, что выпуски для промывочной воды размещены вблизи поверхности последующего фильтрующего слоя, и в последующем фильтровальном резервуаре предусмотрен переливной выпуск над последующим фильтрующим слоем.

12. Устройство для обработки воды по п.10, в котором труба для выведения профильтрованной воды и труба для противоточной подачи промывочной воды соответственно состоят из множества водосборных и распределительных труб, расположенных параллельно в донной части фильтровального резервуара, и каждая из водосборных и распределительных труб состоит из наружного цилиндрического сетчатого фильтра и внутренней перфорированной трубы, указанная перфорированная труба, имеющая водосборные и распределительные отверстия, сформированные в осевом направлении внутренней перфорированной трубы на обеих своих сторонах.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству для обработки воды, и, более конкретно, к устройству для обработки воды, которая может окислять железо, марганец и другие вещества, растворенные в воде, такой как грунтовая вода, для превращения таковых в вещества, которые нерастворимы в воде, с помощью простого и компактного устройства и без употребления химического реагента, такого как окислитель или коагулянт. Изобретение относится также к способу очистки фильтрующего слоя такого устройства для обработки воды.

Уровень техники

Грунтовую воду используют в качестве неочищенной воды для водопроводной воды и также употребляют в отраслях промышленности, которые нуждаются в большом количестве воды, таких как пищевая промышленность, производство безалкогольных напитков, напитков, красителей, а также в общественных банях. В этих отраслях промышленности компоненты железа и марганца, содержащиеся в грунтовой воде, создают существенную проблему. В то время как железо и марганец представляют собой вещества, которые необходимы для организма человека, уровень содержания этих веществ, превышающий определенное количество, придает воде металлический привкус и окрашивает воду в ржавый или черный цвет, тем самым делая воду непригодной для питья и создавая разнообразные затруднения в этих отраслях промышленности. Далее, в строительной индустрии при проведении работ нулевого цикла является обязательным удаление грунтовой воды из места закладки фундамента перед началом строительных работ нулевого цикла. Если в грунтовой воде содержится большое количество железа и марганца, железо и марганец должны быть удалены из грунтовой воды перед тем, как грунтовая вода будет сброшена в канализацию, поскольку законодательством запрещено сбрасывать такую грунтовую воду в канализацию без какой-либо обработки.

В устройстве для удаления железа или марганца, наиболее широко распространенном в настоящее время, к неочищенной воде добавляют окислитель, например, такой, как гипохлорит натрия, или флокулянт, например, такой, как полихлорид алюминия (РАС), для окисления железа или марганца, которые растворены в неочищенной воде, и тем самым превращения их в оксид железа или оксид марганца, который нерастворим в воде, и оксид железа или оксид марганца отфильтровывают путем фильтрования неочищенной воды через песчаный фильтр.

Однако в традиционном устройстве для обработки воды, требующем добавления окислителя или флокулянта, в устройстве расходуется относительно большое количество окислителя или флокулянта, и поэтому стоимость такого окислителя или флокулянта оказывается огромной.

Далее, поскольку хлорноватистая кислота, которую используют в качестве окислителя, остается в воде после обработки для окисления железа и марганца, образуется тригалогенметан, который является канцерогенным, и для удаления тригалогенметана воду нужно дополнительно фильтровать через слой активированного угля, что еще больше повышает стоимость водообработки. Если из экономических соображений отказаться от употребления такого слоя активированного угля, воду после фильтрования необходимо непрерывно анализировать для предотвращения образования тригалогенметана, обусловленного добавлением избыточного количества окислителя, и, если необходимо, количество добавляемого окислителя должно быть скорректировано. Этот способ требует больших расходов на обслуживание в дополнение к стоимости приобретаемого окислителя.

Далее, общеупотребительное устройство для обработки воды в общем представляет собой сложную и крупногабаритную систему, включающую аэротенк, флокуляционный резервуар, осадительный резервуар, колонну с песчаным фильтром, колонну для удаления железа и марганца и цистерну для химического реагента, и монтаж этой системы требует большой производственной площади. Невозможно разместить такое крупномасштабное устройство в месте с ограниченным пространством, таком как город.

Более того, фильтрующий песок, который употребляется в этом устройстве для обработки воды, требующем добавления окислителя, забивается накапливающимися загрязнениями, и поэтому время от времени его необходимо заменять. Использованный песок, подлежащий утилизации, должен быть обработан как промышленные отходы, поскольку он содержит химический реагент, и места, где он может быть утилизирован, предельно строго регламентированы законами и постановлениями.

Для устранения недостатков прототипного устройства для обработки воды, использующей химический реагент, и представления устройства для обработки воды, которая может окислять железо, марганец и прочие элементы, растворенные в воде, такой как грунтовая вода, чтобы сделать их нерастворимыми в воде с помощью простого и компактного устройства и без употребления химического реагента, такого как окислитель или коагулянт. Японская выложенная патентная заявка № 2002-126768 раскрывает устройство для обработки воды, в котором неочищенную воду нагнетают через форсунки, в которые через отверстие для подвода воздуха или воздушный впускной патрубок подается воздух. Нагнетаемый поток воды, включающий множество воздушных пузырьков, вдувается через выпуск для нагнетания неочищенной воды и сталкивается с поверхностью воды над фильтрующим слоем, расположенным ниже выпуска для нагнетания неочищенной воды, тем самым обеспечивая интенсивную аэрацию воды как над фильтрующим слоем, так и на поверхности фильтрующего слоя. Благодаря такой аэрации растворенные вещества, такие как железо и марганец, содержащиеся в воде, окисляются и тем самым превращаются в нерастворимые вещества, которые образуют хлопья или осадок, и осаждаются на поверхностях частиц фильтрующего материала, такого как фильтрующий песок, который составляет фильтрующий слой. Соответственно этому, растворенные вещества, такие как железо и марганец, в неочищенной воде могут быть преобразованы в нерастворимые вещества и отфильтрованы с помощью простого и компактного устройства.

В прототипных устройствах для обработки воды, включая таковую, представленную в вышеописанной публикации, железо, которое делается нерастворимым и осаждается в форме пленки на фильтрующем материале, проявляет склонность к чрезмерному удалению в нижней части фильтрующего слоя и к недостаточному удалению в верхней части фильтрующего слоя, когда фильтрующий слой очищают с помощью промывочной воды. Что касается удаления железа и марганца, железо переходит в состояние пленки вследствие окисления в верхней части фильтрующего слоя, тогда как марганец осаждается на поверхности частиц фильтрующего слоя в результате деятельности микроорганизма в нижней части фильтрующего слоя, как будет описано позже. Если в случае, где концентрация железа в неочищенной воде является существенно более высокой, чем концентрация марганца, фильтрующий слой в целом очищают большим количеством промывочной воды для удаления железа, захваченного в верхней части фильтрующего слоя, микроорганизм, живущий в нижней части фильтрующего слоя и улавливающий марганец, будет вымыт прочь, и в результате этого улавливание марганца в последующей операции обработки воды будет заблокировано.

С другой стороны, для устройства для обработки воды будет преимущественным увеличение скорости фильтрования в единицу времени, поскольку при таком действии будут сокращены размер устройства и необходимая для такового производственная площадь. В частности, площадь для размещения устройства для обработки воды ограничена ввиду того, что ограничено место, в котором может быть сооружено такое устройство. В ситуации, где крупномасштабное устройство для обработки воды не может быть размещено, необходимое количество неочищенной воды должно быть профильтровано с помощью маленького устройства, размещенного на малой площади, и в этом случае требуется повышение скорости фильтрования в устройстве.

Важным фактором, необходимым для повышения скорости фильтрования в устройстве для обработки воды, является эффективность очистки фильтрующего слоя устройства для обработки воды.

В устройстве для обработки воды по мере продолжения операции фильтрования фильтрующий слой, в особенности его поверхностная часть, с течением времени покрывается хлопьями оксидов, таких как оксид железа и другие вещества, и эффективность фильтрования фильтрующего слоя снижается. В этом случае операцию фильтрования на время прекращают, и должна быть проведена очистка фильтрующего слоя. Соответственно этому, пока эффективно не проведена очистка фильтрующего слоя, повышение скорости фильтрования не может быть достигнуто.

В устройстве для обработки воды, описанном в вышеназванной публикации, труба для подачи неочищенной воды совершает возвратно-поступательное движение в плоскости, параллельной поверхности фильтрующего слоя, и заблокированный фильтрующий слой выводится из заблокированного состояния с помощью нагнетаемого водяного потока, содержащего множество воздушных пузырьков, который нагнетается из трубы для подачи неочищенной воды для восстановления эффективности фильтрования. Далее, в этом устройстве для обработки воды основание фильтрующего слоя, сделанное из перфорированного листа, предусмотрено в донной части фильтрующего слоя, изготовленного из одиночного слоя, содержащего фильтрующий песок, и труба для противоточной подачи промывочной воды для противоточной очистки фильтрующего слоя с помощью противотока промывочной воды размещена ниже основания фильтрующего слоя. Когда верхняя часть фильтрующего слоя, в особенности его верхняя поверхность, покрывается хлопьями оксидов и прочих веществ, подачу неочищенной воды в фильтровальный резервуар временно прекращают и создают противоток промывочной воды, протекающий вверх от основания фильтрующего слоя через весь фильтрующий слой для удаления веществ, покрывающих верхнюю часть фильтрующего слоя, и вымывания наружу железа и марганца, захваченных фильтрующим слоем, через переливной выпуск.

Скорость фильтрования в этом устройстве для обработки воды составляет от 60 м/день до 130 м/день. В случае, где необходимо повысить скорость фильтрования в операции фильтрования, очистку фильтрующего слоя также нужно проводить чаще, и нагрузка на выполняющий обработку микроорганизм в нижней части фильтрующего слоя также повышается. Поэтому эффективность очистки фильтрующего слоя с помощью этого устройства для обработки воды ограничена вышеописанной скоростью фильтрования, и более высокая скорость фильтрования не может быть достигнута.

Прототипное устройство для обработки воды, включающее таковое, описанное в вышеприведенной публикации, должно потреблять от около 10% до 15% полученной воды (профильтрованной воды) для вышеописанной операции очистки, вследствие чего эффективность обработки воды существенно снижается.

Вышеописанное прототипное устройство для обработки воды имеет механизм для возвратно-поступательного движения трубы подачи неочищенной воды в плоскости, параллельной поверхности фильтрующего слоя, для очистки поверхности фильтрующего слоя. Поскольку этот механизм должен возвратно-поступательно перемещать трубу подачи неочищенной воды с помощью электрического мотора, для очистки поверхности фильтрующего слоя требуется большая мощность и сложный механизм для возвратно-поступательного движения трубы подачи неочищенной воды. Далее, это устройство для обработки воды требует больших трудозатрат и расходов на обслуживание устройства, включая ремонт изношенных направляющих для возвратно-поступательного движения трубы подачи неочищенной воды и изношенного шланга, подводящего неочищенную воду в трубу подачи неочищенной воды. Более того, для перемещения трубы подачи неочищенной воды, в которой на одной линии размещены очистительные форсунки, фильтровальный резервуар должен иметь прямоугольную форму, что ведет к укрупнению устройства. Таким образом, затруднительно обеспечить компактную конструкцию устройства даже в случае необходимости сооружения устройства на ограниченной площади.

Далее, в прототипном устройстве для обработки воды, в котором очистка фильтрующего слоя выполняется путем возвратно-поступательного движения очистительных форсунок, поверхность фильтрующего слоя в местах, иных, нежели участки, где проходят очистительные форсунки, остается неочищенной, и тем самым затрачивается большее время на полную очистку всей поверхности фильтрующего слоя, что в результате усложняет достижение высокой скорости очистки фильтрующего слоя.

Поэтому задача изобретения состоит в представлении нового способа очистки устройства для обработки воды, способного фильтровать воду с более высокой скоростью, чем прототипное устройство для обработки воды, и устройство для обработки воды, которое обеспечивает возможность применения такого способа.

Еще одна задача изобретения заключается в представлении устройства для обработки воды, которая имеет улучшенную эффективность фильтрования благодаря сокращению соотношения количества промывочной воды к количеству полученной воды (профильтрованной воды) и которая не требует больших энергозатрат и может быть изготовлена с простой, компактной конструкцией, и способа очистки этого устройства для обработки воды.

Сущность изобретения

Исследования и эксперименты, проведенные авторами настоящего изобретения для достижения вышеназванных задач изобретения, имели результатом обнаружение обстоятельства, которое привело к настоящему изобретению, что, ввиду того факта, что основная часть железа, захваченного устройством для обработки воды, сосредотачивается в верхней части фильтрующего слоя, тогда как большая часть марганца оседает в нижней части фильтрующего слоя, и что концентрации железа и марганца в неочищенной воде не являются равными, но концентрация железа обычно является гораздо более высокой, чем концентрация марганца, эффективность очистки для удаления железа из верхней части фильтрующего слоя может быть заметно увеличена путем очистки фильтрующего слоя таким образом, что в воде над поверхностью фильтрующего слоя формируется вихревой поток или неупорядоченное течение. Авторы изобретения также нашли, что эффективность очистки может быть заметно повышена путем удаления железа в процессе частичной очистки и удаления марганца в процессе полной очистки, благодаря чему может быть достигнута высокая скорость фильтрования, которая не достигается в прототипном устройстве для обработки воды, и может быть существенно сэкономлено количество промывочной воды.

Для достижения вышеописанных задач изобретения, в первом аспекте изобретения представлен способ очистки фильтрующего слоя устройства для обработки воды, включающей трубу для подачи неочищенной воды, одну или множество смесительных форсунок для потоков неочищенной воды, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи неочищенной воды и имеет на другом своем конце выпуск для неочищенной воды, из которого выпускается смешанный поток неочищенной воды и воздуха, фильтровальный резервуар, заключающий в себе фильтрующий слой, размещенный ниже смесительной форсунки или форсунок для потока неочищенной воды, на заданном расстоянии между поверхностью фильтрующего слоя и выпуском для неочищенной воды смесительной форсунки или форсунок для потоков неочищенной воды, труба для выведения профильтрованной воды, предусмотренная в фильтровальном резервуаре для отбора воды, профильтрованной через фильтрующий слой, труба противоточной подачи промывочной воды, размещенная в фильтровальном резервуаре для подведения противоточной промывочной воды к фильтрующему слою, множество форсунок для очистки фильтрующего слоя, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи промывочной воды для очистки фильтрующего слоя и имеет на другом своем конце выпуск для промывочной воды, из которого выпускается промывочная вода, причем указанные форсунки для очистки фильтрующего слоя размещены с заранее заданным интервалом выше фильтрующего слоя таким образом, что выпуски для промывочной воды располагаются вблизи поверхности фильтрующего слоя, и в фильтровальном резервуаре над фильтрующим слоем предусмотрен переливной выпуск, отличающийся тем, что фильтрующий слой очищается путем формирования вихревого потока или неупорядоченного течения в воде выше поверхности фильтрующего слоя с помощью промывочной воды, нагнетаемой из выпусков для промывочной воды форсунок для очистки фильтрующего слоя.

Согласно изобретению, поскольку фильтрующий слой очищается путем формирования вихревого потока или неупорядоченного потока

в воде над поверхностью фильтрующего слоя с помощью промывочной воды, нагнетаемой из выпусков для промывочной воды форсунок для очистки фильтрующего слоя, фильтрующий материал фильтрующего слоя интенсивно взмучивается этим вихревым потоком или неупорядоченным течением. Поэтому, когда генерируется этот вихревой поток или неупорядоченное течение, фильтрующий материал фильтрующего слоя перемешивается и очищается непрерывно, благодаря чему эффективность очистки в единицу времени значительно улучшается, и может быть достигнута высокая скорость фильтрования по сравнению с прототипным устройством для обработки воды типа очистительных форсунок с возвратно-поступательным движением, с помощью которых фильтрующий материал перемешивается, только когда очистительные форсунки проходят над фильтрующим материалом. Далее, поскольку этот способ не требует больших энергозатрат и применения сложного механизма, как в прототипном устройстве для обработки воды типа очистительных форсунок с возвратно-поступательным движением, стоимость изготовления устройства может быть снижена, и фильтровальный резервуар может быть сделан с круглой конструкцией, если рассматривать в горизонтальной проекции, и поэтому может быть получено устройство для обработки воды с простой, компактной конструкцией, которая может быть легкой в обслуживании.

Во втором аспекте изобретения представлен способ, как определенный в первом аспекте, далее включающий стадию подачи струй потока воды из части форсунок для очистки фильтрующего слоя в направлении центральной нижней части фильтрующего слоя для формирования каналов в фильтрующем слое.

Согласно этому аспекту, при нагнетании струй водяного потока из части форсунок для очистки фильтрующего слоя в направлении центральной нижней части фильтрующего слоя для формирования каналов в фильтрующем слое, фильтрующий материал центральной нижней части фильтрующего слоя, который не может полностью перемешиваться вихревым потоком или неупорядоченным течением, может быть разрыхлен путем формирования каналов, нагнетаемым потоком, и становится более легкоподвижным и перемешиваемым.

В третьем аспекте изобретения представлен способ, как определенный в первом или втором аспекте, для очистки фильтрующего слоя устройства для обработки воды, включающей трубу для подачи неочищенной воды, одну или множество смесительных форсунок для потоков неочищенной воды, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи неочищенной воды и имеет на другом своем конце выпуск для неочищенной воды, из которого нагнетается смешанный поток неочищенной воды и воздуха, фильтровальный резервуар, заключающий в себе фильтрующий слой, размещенный ниже смесительной форсунки или форсунок для потоков неочищенной воды, с заданным расстоянием между поверхностью фильтрующего слоя и выпуском для неочищенной воды смесительной форсунки или форсунок для потоков неочищенной воды, названный фильтрующий слой, состоящий из верхнего слоя и нижнего слоя, и названный верхний слой, включающий фильтрующий материал, который имеет меньший удельный вес и больший диаметр частиц, чем фильтрующий материал названного нижнего слоя, труба для выведения профильтрованной воды, предусмотренная в фильтровальном резервуаре для отбора воды, профильтрованной через фильтрующий слой, труба для противоточной подачи промывочной воды, размещенная в фильтровальном резервуаре для подведения противоточной промывочной воды к фильтрующему слою, множество форсунок для очистки верхнего слоя, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи промывочной воды для очистки верхнего слоя и имеет на другом своем конце выпуск для промывочной воды, из которого нагнетается промывочная вода, причем указанные форсунки для очистки верхнего слоя размещены с заранее заданным интервалом над верхним слоем фильтрующего слоя таким образом, что выпуски для промывочной воды располагаются вблизи поверхности верхнего слоя, и в фильтровальном резервуаре над фильтрующим слоем предусмотрен переливной выпуск, отличающийся тем, что фильтрующий слой очищается путем отдельного проведения процесса частичной очистки, в котором главным образом очищается верхний слой, и процесса полной очистки, в котором очищаются как верхний слой, так и нижний слой, в котором указанный процесс частичной очистки включает:

(a) стадию прерывания операции фильтрования прекращением подачи неочищенной воды, в то же время продолжая операцию фильтрования для снижения уровня воды в фильтровальном резервуаре до заранее заданного уровня;

(b) стадию очистки верхнего слоя созданием противотока промывочной воды для течения из трубы для противоточной подачи промывочной воды при скорости очистки верхнего слоя для взмучивания фильтрующего материала верхнего слоя с помощью направленного вверх противотока, в то же время нагнетая промывочную воду из выпусков для промывочной воды форсунок для очистки верхнего слоя для перемешивания и очистки фильтрующего материала верхнего слоя;

(c) стадию осаждения по завершении перемешивания и очистки фильтрующего материала верхнего слоя и тем самым обеспечения возможности седиментации перемешанного фильтрующего материала, в то же время продолжая подачу направленного вверх противотока со скоростью очистки верхнего слоя; и

(d) стадию стока мутной воды для дренирования мутной воды, содержащей вещества, отделенные от фильтрующего материала верхнего слоя, через переливной выпуск при непрерывной подаче направленного вверх противотока со скоростью очистки верхнего слоя, и

указанный процесс полной очистки включает:

(a) стадию прерывания операции фильтрования прекращением подачи неочищенной воды, в то же время продолжая операцию фильтрования для снижения уровня воды в фильтровальном резервуаре до заранее заданного уровня;

(b) стадию очистки созданием противотока промывочной воды для течения из трубы для противоточной подачи промывочной воды при скорости полной очистки слоя, которая является более высокой, чем скорость очистки верхнего слоя, для перемешивания фильтрующего материала как верхнего слоя, так и нижнего слоя, в то же время нагнетая промывочную воду из выпусков для промывочной воды форсунок для очистки верхнего слоя для очистки фильтрующего материала верхнего слоя и нижнего слоя;

(c) стадию осаждения по завершении очистки фильтрующего материала верхнего слоя и нижнего слоя и тем самым обеспечения возможности седиментации фильтрующего материала верхнего слоя и нижнего слоя, в то же время продолжая подачу направленного вверх противотока со скоростью очистки верхнего слоя; и

(d) стадию стока мутной воды для дренирования мутной воды, содержащей вещества, отделенные от фильтрующего материала верхнего слоя и нижнего слоя, через переливной выпуск при непрерывной подаче направленного вверх противотока со скоростью очистки верхнего слоя.

Согласно этому аспекту, фильтрующий слой состоит из верхнего слоя и нижнего слоя, и способ первого аспекта проводится в верхнем слое, который содержит фильтрующий материал, имеющий меньший удельный вес и частицы большего диаметра, чем нижний слой. Железо, которое имеет высокую концентрацию и захватывается в верхнем слое, может быть удалено путем частого проведения процесса частичной очистки верхнего слоя, который представляет собой комбинацию очистки с помощью форсунок для очистки верхнего слоя и очистки с помощью направленного вверх потока с относительно умеренной скоростью, в то время как марганец, который имеет низкую концентрацию и поглощается в нижнем слое, может быть удален вместе с железом при проведении процесса полной очистки с помощью направленного вверх потока при высокой скорости, с частотой, меньшей, чем частота проведения процесса частичной очистки. Соответственно этому, железо, которое имеет высокую концентрацию и склонно накапливаться в большом количестве в верхнем слое, может быть эффективно удалено с помощью часто проводимого процесса частичной очистки, тогда как марганец, который имеет низкую концентрацию и склонен накапливаться в небольшом количестве в нижнем слое, может быть эффективно удален с помощью менее часто проводимого процесса полной очистки. Таким образом, активность микроорганизма в нижнем слое скорее всего не нарушается при частой очистке, и может быть достигнут наивысший эффект очистки всего фильтрующего слоя в целом, и может быть достигнута необходимая высокая скорость фильтрования. Согласно изобретению, по сравнению со скоростью фильтрования от 60 м/день до 120 м/день в устройстве для обработки воды из вышеприведенной публикации, может быть достигнута заметно более высокая скорость фильтрования 400 м/день. Далее, нет необходимости часто проводить процесс полной очистки, который требует расходования большого количества противоточной промывочной воды для удаления железа, и в результате этого количество воды, используемой для очистки, может быть в целом сэкономлено. В прототипном устройстве, использующем окислитель или флокулянт, от около 10% до 15% профильтрованной воды использовались для очистки, тогда как в устройстве согласно настоящему изобретению количество промывочной воды может быть сокращено примерно до 3-5% полученной воды.

Далее, согласно изобретению, поскольку верхний слой, который очищается более часто, состоит из фильтрующего материала, который имеет относительно низкий удельный вес и частицы с относительно большим диаметром, фильтрующий материал перемешивается и взмучивается вверх во время очистки верхнего слоя, благодаря чему усиливается очищающее действие, и количество промывочной воды, используемой для очистки, может быть сведено к минимуму. С другой стороны, поскольку нижний слой состоит из фильтрующего материала, который имеет относительно более высокий удельный вес и частицы с относительно меньшим диаметром (тонкая фракция), он имеет высокую способность поглощать вещества из неочищенной воды и может точно захватывать вещества, которые не могут быть поглощены верхним слоем. В процессе полной очистки оба фильтрующих материала как верхнего слоя, так и нижнего слоя, перемешиваются и смешиваются вместе, но, поскольку фильтрующий материал нижнего слоя имеет более высокий удельный вес, чем фильтрующий материал верхнего слоя, фильтрующий материал нижнего слоя проявляет более высокую скорость седиментации, чем фильтрующий материал верхнего слоя, и оседает в виде нижнего слоя до того, как осядет фильтрующий материал верхнего слоя, и затем фильтрующий материал верхнего слоя осаждается на фильтрующий материал нижнего слоя. Таким образом, восстанавливается исходное состояние верхнего слоя и нижнего слоя. Путем комбинирования фильтрующего материала верхнего слоя, который имеет высокую очистительную способность, и фильтрующего материала нижнего слоя, который имеет высокую производительность очистки микроорганизмом, железо, марганец и другие вещества (загрязняющие примеси), содержащиеся в неочищенной воде, могут быть эффективно захвачены, в то время как может быть достигнута наивысшая эффективность очистки. Более того, поскольку верхний слой состоит из фильтрующего материала, имеющего частицы с относительно большим диаметром, сопротивление потоку воды является относительно малым, и тем самым может быть достигнута высокая скорость фильтрования.

В четвертом аспекте изобретения представлен способ, как определенный в третьем аспекте, в котором указанный процесс частичной очистки далее включает, после снижения уровня воды в фильтровальном резервуаре до уровня нижней части верхнего слоя в стадии прерывания операции фильтрования, стадию нагнетания струй водяного потока из части форсунок для очистки верхнего слоя, направленных к центральной нижней части верхнего слоя, с образованием каналов в верхнем слое.

Согласно этому аспекту, после понижения уровня воды в фильтровальном резервуаре до уровня нижней части верхнего слоя в стадии прерывания операции фильтрования, путем нагнетания струй водяного потока из части форсунок для очистки верхнего слоя, направленных к центральной нижней части верхнего слоя, для образования каналов в верхнем слое, центральная часть верхнего слоя, которая не может быть в достаточной мере перемешана вихревым потоком или неупорядоченным течением, может быть разрыхлена каналами, образованными нагнетаемым потоком, и становится легкоподвижной, благодаря чему эта часть будет в достаточной степени перемешана и очищена при последующем перемешивании, которое представляет собой комбинацию вихревого потока или неупорядоченного течения и направленного вверх противотока.

В пятом аспекте изобретения представлен способ, как определенный в третьем или четвертом аспекте, для очистки фильтрующего слоя устройства для обработки воды, далее включающий фильтровальный резервуар последующей стадии, размещенный ниже по потоку относительно трубы для выведения профильтрованной воды, если смотреть в направлении выведения профильтрованной воды, и заключающий в себе фильтрующий слой последующей стадии, включающий фильтрующий материал, который представляет собой такой же материал, как фильтрующий материал нижнего слоя, указанный фильтровальный резервуар последующей стадии, включающий выпуск или выпускные патрубки для профильтрованной воды, сообщающиеся с выводной трубой для профильтрованной воды, и открытые в верхнюю часть фильтровального резервуара последующей стадии, труба для выведения профильтрованной воды для отвода воды, профильтрованной через последующий фильтрующий слой, труба для противоточной подачи промывочной воды для подведения противоточной промывочной воды к последующему фильтрующему слою, множество форсунок для очистки последующего фильтрующего слоя, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи промывочной воды для очистки последующего фильтрующего слоя и имеет на другом своем конце выпуск для промывочной воды, из которого нагнетается промывочная вода, причем названные форсунки для очистки последующего фильтрующего слоя расположены с заданным интервалом выше последующего фильтрующего слоя таким образом, что выпуски для промывочной воды размещены вблизи поверхности последующего фильтрующего слоя, и в последующем фильтровальном резервуаре предусмотрен переливной выпуск над последующим фильтрующим слоем, в котором указанный процесс частичной очистки включает:

(a) стадию прерывания операции фильтрования прекращением подачи неочищенной воды, в то же время продолжая операцию фильтрования для снижения уровня воды в фильтровальном резервуаре и последующем фильтровальном резервуаре до заранее заданного уровня;

(b) стадию очистки верхнего слоя созданием противотока промывочной воды для течения из трубы для противоточной подачи промывочной воды при скорости очистки верхнего слоя для взмучивания фильтрующего материала верхнего слоя с помощью направленного вверх противотока, в то же время с нагнетанием промывочной воды из выпусков для промывочной воды форсунок для очистки верхнего слоя для перемешивания и очистки фильтрующего материала верхнего слоя;

(c) стадию осаждения по завершении перемешивания и очистки фильтрующего материала верхнего слоя и тем самым обеспечения возможности седиментации перемешанного фильтрующего материала, в то же время продолжая подачу направленного вверх противотока со скоростью очистки верхнего слоя; и

(d) стадию стока мутной воды для дренирования мутной воды, содержащей материалы, отделенные от фильтрующего материала верхнего слоя, через переливной выпуск при непрерывной подаче направленного вверх противотока со скоростью очистки верхнего слоя, и

указанный процесс полной очистки включает:

(a) стадию прерывания операции фильтрования прекращением подачи неочищенной воды, в то же время продолжая операцию фильтрования для снижения уровня воды в фильтровальном резервуаре и последующем фильтровальном резервуаре до заранее заданного уровня:

(b) стадию очистки созданием противотока промывочной воды для течения из соответствующих труб для противоточной подачи промывочной воды фильтровального резервуара и последующего фильтровального резервуара при скорости полной очистки слоя, которая является более высокой, чем скорость очистки верхнего слоя, для перемешивания фильтрующего материала верхнего слоя, нижнего слоя и последующего фильтрующего слоя, в то же время нагнетая промывочную воду из соответствующих выпусков для промывочной воды форсунок для очистки верхнего слоя и форсунок для очистки последующего фильтрующего слоя, для очистки фильтрующего материала верхнего слоя, нижнего слоя и последующего фильтрующего слоя;

(c) стадию осаждения по завершении очистки фильтрующего материала верхнего слоя, нижнего слоя и последующего фильтрующего слоя и тем самым обеспечения возможности седиментации фильтрующего материала верхнего слоя, нижнего слоя и последующего фильтрующего слоя, в то же время продолжая подачу направленного вверх противотока со скоростью очистки верхнего слоя; и

(d) стадию стока мутной воды для дренирования мутной воды, содержащей вещества, отделенные от фильтрующего материала верхнего слоя, нижнего слоя и последующего фильтрующего слоя, через соответствующий переливной выпуск фильтровального резервуара и последующего фильтровального резервуара, при непрерывной подаче направленного вверх противотока со скоростью очистки верхнего слоя.

Согласно этому аспекту, в случае, где концентрация марганца настолько высока, что фильтрующий материал нижнего слоя не может поглотить марганец в достаточной степени, создается противоток воды из трубы для противоточной подачи промывочной воды фильтровального резервуара и трубы для противоточной подачи промывочной воды фильтровального резервуара последующей стадии при скорости полной очистки, которая является более высокой, чем скорость очистки верхнего слоя, для перемешивания фильтрующих материалов верхнего слоя, нижнего слоя и фильтрующего слоя в фильтровальном резервуаре последующей стадии, в то же время нагнетая промывочную воду из выпусков для промывочной воды форсунок для очистки верхнего слоя и форсунок для очистки фильтрующего слоя последующей стадии, для очистки фильтрующих материалов верхнего слоя, нижнего слоя и фильтрующего слоя в фильтровальном резервуаре последующей стадии. С помощью этой операции марганец с высокой концентрацией в неочищенной воде может быть удален в достаточной степени.

В шестом аспекте изобретения представлен способ, как определенный в любом из аспектов от третьего до пятого, далее включающий стадию измерения величины сопротивления фильтровального резервуара во время нормальной операции фильтрования, и автоматического начала процесса частичной очистки, когда величина сопротивления превысит заданное значение.

Согласно этому аспекту, путем измерения величины сопротивления фильтровального резервуара во время нормальной операции фильтрования и автоматического начала процесса частичной очистки, когда величина сопротивления превысит заданное значение, когда блокирование фильтрующего материала в верхнем слое доходит до степени, при которой необходима очистка, частичная очистка может быть начата автоматически, благодаря чему процесс частичной очистки может быть проведен более эффективно, чем в случае, где процесс частичной очистки проводится согласно установленному графику.

В седьмом аспекте изобретения представлен способ, как определенный в любом из аспектов от третьего до пятого, далее включающий стадию измерения величины сопротивления фильтровального резервуара во время нормальной операции фильтрования, и автоматического начала процесса частичной очистки, когда величина сопротивления достигнет заданного значения, и, когда время, прошедшее от завершения процесса частичной очистки до момента времени, в который величина сопротивления фильтровального резервуара достигает заданного значения, становится меньше, чем заданный период времени, автоматического начала процесса полной очистки.

Согласно этому аспекту, путем измерения величины сопротивления фильтровального резервуара во время нормальной операции фильтрования и автоматического начала процесса частичной очистки, когда величина сопротивления достигает заданного значения и когда время, прошедшее от завершения процесса частичной очистки до момента времени, в который величина сопротивления фильтровального резервуара достигает заданного значения, становится меньше, чем заданный период времени, автоматического начала процесса полной очистки, процесс полной очистки может быть начат автоматически, и фильтрующий слой может всегда поддерживаться в желательном состоянии только путем измерения величины сопротивления фильтровального резервуара.

В восьмом аспекте изобретения представлено устройство для обработки воды, включающее трубу для подачи неочищенной воды, одну или множество смесительных форсунок для потоков неочищенной воды, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи неочищенной воды и имеет на другом своем конце выпуск для неочищенной воды, из которого нагнетается смешанный поток неочищенной воды и воздуха, фильтровальный резервуар, заключающий в себе фильтрующий слой, размещенный ниже смесительной форсунки или форсунок для потоков неочищенной воды, на заданном расстоянии между поверхностью фильтрующего слоя и выпуском для неочищенной воды смесительной форсунки или форсунок для потоков неочищенной воды, труба для выведения профильтрованной воды, предусмотренная в фильтровальном резервуаре для отбора воды, профильтрованной через фильтрующий слой, труба для противоточной подачи промывочной воды, размещенная в фильтровальном резервуаре для подачи противоточной промывочной воды к фильтрующему слою, множество форсунок для очистки фильтрующего слоя, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи промывочной воды для очистки фильтрующего слоя и имеет на другом своем конце выпуск для промывочной воды, из которого нагнетается промывочная вода, и в фильтровальном резервуаре над фильтрующим слоем предусмотрен переливной выпуск, отличающаяся тем, что

указанный фильтровальный резервуар является по существу круглым в виде сверху, и указанные форсунки для очистки фильтрующего слоя размещены с заданным интервалом выше фильтрующего слоя, с выпусками для промывочной воды, расположенными вблизи поверхности фильтрующего слоя таким образом, что вихревой поток или неупорядоченное течение создается в воде над поверхностью фильтрующего слоя промывочной водой, нагнетаемой из выпусков для промывочной воды форсунок для очистки фильтрующего слоя.

Согласно этому аспекту, может быть представлено устройство для обработки воды, которая может обеспечить преимущественное исполнение способа первого аспекта.

В девятом аспекте изобретения представлено устройство для обработки воды, как определенное в восьмом аспекте, в котором форсунки для очистки фильтрующего слоя открыты в фильтровальный резервуар наискось с направлением вниз от внутренней поверхности фильтровального резервуара под заданным углом относительно радиального направления фильтровального резервуара в плоскости, параллельной поверхности фильтрующего слоя, и каждая из форсунок для очистки фильтрующего слоя имеет трубу для подачи воздуха, которая на одном своем конце сообщается с источником подачи воздуха и на другом своем конце открыта в форсунку для очистки фильтрующего слоя в месте выше по потоку относительно выпуска для промывочной воды.

Согласно этому аспекту, желательный вихревой поток или неупорядоченное течение могут быть эффективно сформированы с помощью простого устройства.

В десятом аспекте изобретения представлено устройство для обработки воды, как определенное в восьмом или девятом аспекте, в котором часть форсунок для очистки фильтрующего слоя расположена с заданным интервалом над фильтрующим слоем, с выпусками для промывочной воды, размещенными вблизи поверхности фильтрующего слоя и направленными к центральной нижней части фильтрующего слоя таким образом, чтобы нагнетать струи водяного потока с образованием каналов в фильтрующем слое.

Согласно этому аспекту, способ второго аспекта может быть эффективно реализован с помощью простого устройства.

В одиннадцатом аспекте изобретения представлено устройство для обработки воды, как определенное в любом из аспектов от восьмого до десятого, далее включающее средство для подачи к фильтрующему слою дополнительного растворенного кислорода.

Согласно этому аспекту, когда неочищенная вода содержит аммиачный азот с высокой концентрацией, путем подведения дополнительного растворенного кислорода к фильтрующему слою аммиачный азот может быть окислен этим дополнительным растворенным кислородом и тем самым удален из неочищенной воды.

В двенадцатом аспекте изобретения представлено устройство для обработки воды, как определенное в любом из аспектов от восьмого до одиннадцатого, включающее трубу для подачи неочищенной воды, одну или множество смесительных форсунок для потоков неочищенной воды, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи неочищенной воды и имеет на другом своем конце выпуск для неочищенной воды, из которого нагнетается смешанный поток неочищенной воды и воздуха, фильтровальный резервуар, заключающий в себе фильтрующий слой, размещенный ниже смесительной форсунки или смесительных форсунок для потоков неочищенной воды, с заданным расстоянием между поверхностью фильтрующего слоя и выпуском для неочищенной воды смесительной форсунки или смесительных форсунок для потоков неочищенной воды, названный фильтрующий слой, состоящий из верхнего слоя и нижнего слоя, и названный верхний слой, включающий фильтрующий материал, который имеет меньший удельный вес и частицы большего диаметра, чем фильтрующий материал названного нижнего слоя, труба для выведения профильтрованной воды, предусмотренная в фильтровальном резервуаре для отбора воды, профильтрованной через фильтрующий слой, труба для противоточной подачи промывочной воды, размещенная в фильтровальном резервуаре для подведения противоточной промывочной воды к фильтрующему слою, множество форсунок для очистки верхнего слоя, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи промывочной воды для очистки верхнего слоя и имеет на другом своем конце выпуск для промывочной воды, из которого нагнетается промывочная вода, и переливной выпуск, предусмотренный в фильтровальном резервуаре над фильтрующим слоем.

Согласно этому аспекту, может быть представлено устройство для обработки воды, которое может обеспечить преимущественное исполнение способа третьего аспекта.

В тринадцатом аспекте изобретения представлено устройство для обработки воды, как определенная в двенадцатом аспекте, далее включающая фильтровальный резервуар последующей стадии, размещенный ниже по потоку относительно трубы для выведения профильтрованной воды, если смотреть в направлении выведения профильтрованной воды, и заключающий в себе фильтрующий слой последующей стадии, включающий фильтрующий материал, который представляет собой такой же материал, как фильтрующий материал нижнего слоя, названный фильтровальный резервуар последующей стадии, включающий выпуск или выпускные патрубки для профильтрованной воды, сообщающиеся с выводной трубой для профильтрованной воды, и открытые в верхнюю часть фильтровального резервуара последующей стадии, труба для выведения профильтрованной воды для отвода воды профильтрованной через последующий фильтрующий слой, труба для противоточной подачи промывочной воды для подведения противоточной промывочной воды к последующему фильтрующему слою, множество форсунок для очистки последующего фильтрующего слоя, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой для подачи промывочной воды для очистки последующего фильтрующего слоя и имеет на другом своем конце выпуск для промывочной воды, из которого нагнетается промывочная вода, причем названные форсунки для очистки последующего фильтрующего слоя расположены с заданным интервалом выше последующего фильтрующего слоя таким образом, что выпуски для промывочной воды размещены вблизи поверхности последующего фильтрующего слоя, и в последующем фильтровальном резервуаре предусмотрен переливной выпуск над последующим фильтрующим слоем.

Согласно этому аспекту, может быть представлено устройство для обработки воды, которая может обеспечить преимущественное исполнение способа пятого аспекта.

В четырнадцатом аспекте изобретения представлено устройство для обработки воды, как определенное в любом из аспектов от восьмого до тринадцатого, в котором труба для выведения профильтрованной воды и труба для противоточной подачи промывочной воды соответственно состоят из множества водосборных и распределительных труб, расположенных параллельно в донной части фильтровального резервуара, и каждая из водосборных и распределительных труб состоит из наружного цилиндрического сетчатого фильтра и внутренней перфорированной трубы, названной перфорированной трубой, имеющей водосборные и распределительные отверстия, сформированные в осевом направлении внутренней перфорированной трубы на обеих сторонах таковой.

Согласно этому аспекту, благодаря размещению в донной части фильтровального резервуара водосборных и распределительных труб, каждая из которых состоит из цилиндрического сетчатого фильтра и внутренней перфорированной трубы, даже в случае, где концентрация марганца в неочищенной воде является высокой, марганец осаждается только на поверхности цилиндрического сетчатого фильтра водосборных и распределительных труб, и поэтому только цилиндрический сетчатый фильтр может быть извлечен из фильтровального резервуара и очищен для удаления осажденного марганца, благодаря чему очистка донной части фильтровального резервуара может быть выполнена в результате лишь простой производственной операции.

Краткое описание чертежей

В сопроводительных чертежах,

Фиг.1 представляет схематическую диаграмму, показывающую вариант осуществления устройства для обработки воды согласно изобретению;

Фиг.2 представляет схематическую диаграмму, показывающую еще один вариант осуществления устройства для обработки воды согласно изобретению;

Фиг.3 представляет горизонтальную проекцию, показывающую расположение форсунок для очистки верхнего слоя;

фиг.4 представляет вид горизонтальной проекции, показывающий расположение водосборных и распределительных труб в несущем гравийном слое;

Фиг.5 представляет вид горизонтальной проекции, показывающий еще один вариант осуществления устройства для обработки воды;

Фиг.6 представляет вид вертикального сечения, показывающий работу в варианте осуществления из Фиг.5;

Фиг.7 представляет схематическую диаграмму, показывающую еще один вариант осуществления устройства для обработки воды;

Фиг.8А и 8В представляют виды, показывающие пример водосборных и распределительных труб, используемых в устройстве для обработки воды из Фиг.7, в которых Фиг.8А представляет вид сбоку, и Фиг.8В представляет вид сверху;

Фиг.9 представляет схематическую диаграмму, показывающую еще один вариант осуществления устройства для обработки воды;

Фиг.10 представляет схематическую диаграмму, показывающую еще один вариант осуществления устройства для обработки воды; и

Фиг.11 представляет график, показывающий зависимость между временем и величиной сопротивления (значение разности давлений) р фильтровального резервуара в случае, где процесс частичной очистки выполняется каждый раз, когда истекает установленный период времени.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Предпочтительные варианты осуществления изобретения теперь будут описаны с привлечением сопроводительных чертежей.

Настоящее изобретение может быть применено не только к устройству для обработки воды, включающей два фильтрующих слоя, верхний слой и нижний слой, но также к устройству для обработки воды, включающей одиночный фильтрующий слой. В нижеследующем описании будет изложен предпочтительный вариант осуществления устройства для обработки воды, имеющий два фильтрующих слоя, верхний слой и нижний слой.

Фиг.1 представляет диаграмму, схематически показывающую вариант исполнения устройства для обработки воды согласно изобретению. Фиг.2 представляет диаграмму, схематически показывающую еще один вариант осуществления устройства для обработки воды. Фиг.3 представляет горизонтальную проекцию, показывающую расположение форсунок для очистки верхнего слоя, используемых в вариантах осуществления из Фиг.1 и 2.

В Фиг.1 устройство 1 для обработки воды включает в качестве основных конструкционных компонентов фильтровальный резервуар 5, заключающий в себе фильтрующий слой 4, состоящий из верхнего слоя 2 и нижнего слоя 3, трубу 6 для подачи неочищенной воды, смесительные форсунки 7 для потока неочищенной воды, трубу 8 для подачи промывочной воды для очистки верхнего слоя, форсунки 9 для очистки верхнего слоя, трубы 10 для введения воздуха, переливной выпуск 11 для понижения уровня воды, переливной выпуск, включающий желоб или канал 12, и водосборную и распределительную трубу 13, которая используется одновременно в качестве трубы для выведения профильтрованной воды и трубы для противоточной подачи промывочной воды.

Труба 6 для подачи неочищенной воды, сделанная из стали, для подведения неочищенной воды, такой как грунтовая вода, фильтруемая в фильтровальном резервуаре 5, соединена с насосом для подачи воды (не показан), и этот насос для подачи воды снабжается неочищенной водой из источника неочищенной воды через водяную цистерну (не показана), которая устанавливается, если необходимо, и подает неочищенную воду в трубу 6 для подачи неочищенной воды с заданной скоростью течения.

Труба 6 для подачи неочищенной воды проведена над верхом фильтровального резервуара 5 в плоскости, параллельной поверхности фильтрующего слоя 4.

Одна или множество (две в иллюстрированном варианте осуществления) смесительных форсунок 7 для подачи неочищенной воды размещены в виде ряда вертикальных ответвлений от трубы 6 для подачи неочищенной воды. Концевая выше по потоку часть 7а каждой форсунки 7 врезана в трубу 6 для подачи неочищенной воды для сообщения с трубой 6 для подачи неочищенной воды, и концевая ниже по потоку часть 7b составляет выпуск для неочищенной воды, из которого нагнетается неочищенная вода. Предпочтительный внутренний диаметр смесительной форсунки 7 для подачи неочищенной воды варьирует, например, в диапазоне от около 3 мм до 6 мм.

В смесительных форсунках 7 для подачи неочищенной воды предусмотрено такое же количество (два в иллюстрированном варианте осуществления) труб 15 для подведения воздуха. Концевая выше по потоку часть каждой из труб 15 для подведения воздуха выступает наклонно вверх из смесительной форсунки 7 для подачи неочищенной воды для сообщения с трубой 21 для подачи воздуха, и концевая ниже по потоку часть трубы 15 для подведения воздуха открыта в смесительную форсунку 7 для подачи неочищенной воды в части выше по потоку относительно выпуска 7b для неочищенной воды. Предпочтительный внутренний диаметр трубы 15 для подведения воздуха варьирует, например, в диапазоне от около 1 мм до 10 мм.

В фильтровальном резервуаре 5 верхний слой 2 фильтрующего слоя 4 расположен ниже смесительных форсунок 7 для подачи неочищенной воды на предварительно заданном расстоянии между поверхностью верхнего слоя 2 и выпусками 7b для неочищенной воды форсунок 7. Необходимое условие состоит в том, что фильтрующий материал, составляющий верхний слой 2 фильтрующего слоя 4, должен иметь удельный вес, который является меньшим, чем удельный вес фильтрующего материала, составляющего нижний слой 3, и имеет частицы с диаметром, который является большим, чем диаметр частиц фильтрующего материала, составляющего нижний слой 3. Было найдено, что в качестве фильтрующего материала верхнего слоя, удовлетворяющего этим условиям, предпочтительным материалом является, например, цеолит, и в особенности предпочтителен цеолит, имеющий диаметр частиц около 1,2 мм. В качестве фильтрующего материала нижнего слоя, отвечающего этим условиям, предпочтителен фильтрующий песок, имеющий частицы с диаметром около 0,6 мм. Фильтрующий слой 4 выполняет функцию фильтрования неочищенной воды с поглощением хлопьевидных оксидов и прочих веществ в неочищенной воде, подводимой из форсунок 7 в виде нагнетаемых потоков, и также исполняет функцию окисления и поглощения железа и поглощения марганца в результате деятельности микроорганизма, такого как железобактерии, живущие в фильтрующем слое. Более конкретно, железо главным образом адсорбируется в форме пленки на фильтрующем материале в поверхностной части верхнего слоя 2 в результате автокаталитической реакции оксигидроксида железа (главным образом в части на глубине около 200 мм от поверхности фильтрующего слоя), тогда как марганец в основном адсорбируется на поверхности частиц фильтрующего песка в результате деятельности микроорганизма в нижнем слое 3 (главным образом в части на глубине от около 500 до 800 мм от поверхности фильтрующего слоя).

Фильтрующий слой 4 опирается на гравийный слой 17. Гравийный слой 17 предпочтительно изготовлен из слоя гальки малого диаметра, слоя гальки среднего диаметра и слоя гальки крупного диаметра, в таком порядке сверху вниз, но это не ограничивается таковой структурой.

В центральной части гравийного слоя 17 в фильтровальном резервуаре 5 расположена в параллельном направлении водосборная и распределительная труба 13. В настоящем варианте осуществления водосборная и распределительная труба 13 используется одновременно в качестве выводящего профильтрованную воду трубы для выведения воды, профильтрованной через фильтрующий слой 4, и трубы для противоточной подачи промывочной воды для подведения противоточной промывочной воды к фильтрующему слою 4. Как показано в Фиг.4, многочисленные трубные ответвления 14 соединены с водосборной и распределительной трубой 13 в виде ответвлений от трубы 13, находящихся в сообщении с трубой 13 и протяженных параллельно трубе 13. Конструкция выводящей профильтрованную воду трубы и трубы для противоточной подачи промывочной воды этим не ограничивается, но выводящая профильтрованную воду труба и труба для противоточной подачи промывочной воды могут быть исполнены отдельно друг от друга.

Многочисленные форсунки 9 для очистки верхнего слоя расположены над поверхностью верхнего слоя 2 в фильтровальном резервуаре 5 с заданным интервалом между соответствующими форсунками 9 по направлению окружности. Каждая из форсунок 9 для очистки верхнего слоя на одном своем конце сообщается с трубой 8 для подачи промывочной воды для очистки верхнего слоя и на другом своем конце имеет выпуск 9а для промывочной воды, из которого нагнетается промывочная вода. Каждый выпуск 9а для промывочной воды размещено вблизи поверхности верхнего слоя 2 над верхним слоем 2. В качестве форсунок 9 для очистки верхнего слоя возможно применение форсунок, употребляемых в прототипном устройстве для обработки воды, которые выставлены вертикально относительно поверхности верхнего слоя 2, но предпочтительно использовать форсунки, которые обращены, как показано на Фиг.3, в фильтровальный резервуар наклонно вниз от внутренней поверхности фильтровального резервуара под заданным углом относительно радиального направления фильтровального резервуара в плоскости, параллельной поверхности верхнего слоя 2. Каждая из форсунок 9 для очистки верхнего слоя имеет патрубок 10 для подведения воздуха, который на одном своем конце сообщается с трубой 20 для подачи воздуха, и другим концом такового открыт в форсунку 9 для очистки верхнего слоя в месте выше по потоку относительно выпуска 9а для промывочной воды. Верхний конец патрубка 10 для подведения воздуха может сообщаться с атмосферой вместо соединения с трубой 20 для подведения воздуха.

В вышеописанном варианте осуществления форсунки 9 для очистки верхнего слоя открыты в одном и том же направлении в фильтровальный резервуар 5 и поэтому создают вихревой поток, протекающий в одном и том же направлении. Изобретение этим не ограничивается, но направление отверстий части форсунок для очистки верхнего слоя может быть сделано отличным от направления отверстий других форсунок для очистки верхнего слоя так, что будет формироваться неупорядоченное течение. Далее, расположение форсунок для очистки верхнего слоя не ограничивается одиночным ярусом, как показано в вышеописанном варианте осуществления, но форсунки для очистки верхнего слоя могут быть размещены в несколько ярусов в вертикальном направлении, и струи потока могут нагнетаться из форсунок для очистки верхнего слоя на нижнем ярусе во внутреннюю часть верхнего слоя. Для нагнетания струй потока из форсунок 9 может быть использован насос вместо патрубка 10 для подведения воздуха, чтобы создавать давление в воде и подавать эту воду под давлением в форсунки 9.

В части фильтровального резервуара 5 над поверхностью верхнего слоя 2 расположен переливной выпуск 11, такой как сливной желоб или канал, для понижения уровня воды, обрабатываемой в фильтрующем слое 4. В части фильтровального резервуара 5 над переливным выпуском 11 размещен переливной выпуск 12, такой как сливной желоб или канал 12, для выведения избыточной воды во время противоточной очистки. Для дренирования избыточной воды во время противоточной очистки может быть использован не только желоб или канал, но и сливное приспособление иной формы.

Теперь будет описано действие устройства для обработки воды из Фиг.1.

Во время фильтрования неочищенной воды неочищенная вода подается от насоса для неочищенной воды в смесительные форсунки 7 для потока неочищенной воды через трубу 6 для подачи неочищенной воды, в то время как высота слоя воды над поверхностью верхнего слоя 2 поддерживается на предварительно заданном уровне. Неочищенная вода превращается в поток нагнетаемой воды путем регулирования скорости течения водяного потока, протекающего через форсунки 7, при величине, например, от 1,5 л в минуту до 3 л в минуту, тогда как воздух засасывается в форсунки 7 через трубы 15 для подведения воздуха при скорости течения, например, от 0,5 л в минуту до 1 л в минуту. При такой конструкции нагнетаемый поток превращает воздух во множество мелких воздушных пузырьков, и смешанный поток нагнетаемой неочищенной воды, содержащий множество воздушных пузырьков, нагнетается из выпусков 7b форсунок 7 на поверхность воды над верхним слоем 2, тем самым обеспечивая интенсивную аэрацию на поверхности воды и также в воде. Благодаря этой аэрации растворимые вещества, такие как железо, окисляются и становятся нерастворимыми и образуют хлопья или осадок. Среди растворимых веществ железо главным образом поглощается на поверхности частиц фильтрующего материала, такого как цеолит, который формирует верхний слой 2, тогда как марганец в основном оседает на поверхности частиц фильтрующего материала, такого как фильтрующий песок, который формирует нижний слой 3, в результате деятельности микроорганизма. Неочищенная вода, которая тем самым профильтровывается через фильтрующий слой 4 и избавляется от нерастворимых веществ и прочих посторонних примесей, выводится водосборной и распределительной трубой 13, которая действует как труба для выведения профильтрованной воды.

По мере продолжения вышеописанной операции фильтрования хлопья оксидов и других посторонних примесей с течением времени накапливаются в поверхностной части верхнего слоя 1, и поверхностная часть верхнего слоя 2 покрывается хлопьями и другими посторонними примесями, которые забивают промежутки между частицами фильтрующего материала и тем самым снижают фильтрующее действие фильтрующего слоя 4. По мере того как поверхностная часть верхнего слоя 2 постепенно забивается, уровень воды в слое воды над поверхностью верхнего слоя 2 постепенно повышается. Когда уровень воды достигает предварительно заданного значения, выбирают один из процесса частичной очистки или процесса полной очистки, описанных ниже, и проводят выбранный процесс очистки.

Процесс частичной очистки

(1) Стадию прерывания операции фильтрования проводят путем прекращения подачи неочищенной воды, в то же время продолжая операцию фильтрования, пока уровень воды не понизится до близости с поверхностью верхнего слоя 2 или до предварительно заданной высоты относительно верхнего слоя 2, или уровень воды понижают дренированием воды через переливной выпуск 11. Если во время противоточной очистки промывочная вода из выпусков 9а для промывочной воды форсунок 9 для очистки верхнего слоя и противоточная промывочная вода, подводимая из трубы 13 для противоточной подачи промывочной воды, переливается и стекает из переливного выпуска 12, есть вероятность, что фильтрующий материал верхнего слоя 2 также может вытекать через переливной выпуск 12. Для предотвращения такого вытекания фильтрующего материала необходимо понизить уровень воды ниже поверхности верхнего слоя 2 до такого низкого уровня, насколько это возможно, перед началом противоточной очистки.

(2) Во время противоточной очистки стадию очистки верхнего слоя проводят путем создания потока воды для противоточной очистки из водосборной и распределительной трубы 13, которая действует как труба для противоточной подачи промывочной воды со скоростью очистки верхнего слоя (например, 5-30 м/час), для взмучивания фильтрующего материала верхнего слоя 2 направленным вверх противоточным потоком, в то же время при нагнетании промывочной воды из выпусков 9а для промывочной воды форсунок 9 для очистки верхнего слоя, для очистки фильтрующего материала верхнего слоя 2. В это время закрывают вентиль 11а, открываемый и закрываемый для понижения уровня воды на переливном выпуске 11. При подведении противоточной промывочной воды со скоростью очистки верхнего слоя, которая является относительно низкой скоростью, фильтрующий материал верхнего слоя становится легкоподвижным и перемешиваемым, и тем самым может быть усилена очистка фильтрующего материала струями воды, нагнетаемой из форсунок 9 для очистки верхнего слоя. Стадию очистки верхнего слоя завершают до того, как уровень воды достигнет высоты переливного выпуска 12.

(3) После завершения перемешивания и очистки фильтрующего материала верхнего слоя 2 проводят стадию осаждения для седиментации фильтрующего материала верхнего слоя 2, который был перемешан.

(4) Стадию дренирования мутной воды проводят путем слива мутной воды, содержащей железо, захваченное главным образом в верхнем слое 2, из переливного выпуска 12, создавая поток противоточной промывочной воды из водосборной и распределительной трубы 13 со скоростью очистки верхнего слоя, и очистки фильтрующего материала верхнего слоя 2 и нижнего слоя 3 направленным вверх противоточным течением воды.

Процесс полной очистки

(1) Стадию прерывания операции фильтрования проводят путем прекращения подачи неочищенной воды, в то же время продолжая операцию фильтрования, пока уровень воды не понизится до близости с поверхностью верхнего слоя 2 или до предварительно заданной высоты относительно верхнего слоя 2, или уровень воды понижают дренированием воды через переливной выпуск 11.

(2) Стадию очистки проводят созданием противоточного течения промывочной воды из водосборной и распределительной трубы 13 со скоростью полной очистки слоя (например, от 30 до 60 м/час), которая является более высокой, чем скорость очистки верхнего слоя, для перемешивания фильтрующего материала как верхнего слоя 2, так и нижнего слоя 3, в то же время нагнетая промывочную воду из выпусков 9а для промывочной воды форсунок 9 для очистки фильтрующего материала верхнего слоя 2 и нижнего слоя 3.

(3) Стадию осаждения проводят по завершении очистки фильтрующего материала верхнего слоя 2 и нижнего слоя 3 и тем самым обеспечивают возможность седиментации фильтрующего материала верхнего слоя 2 и нижнего слоя 3, в то же время продолжая подачу направленного вверх противоточного потока со скоростью очистки верхнего слоя.

(4) Стадию дренирования мутной воды проводят путем слива мутной воды, содержащей вещества, отделенные от фильтрующего материала верхнего слоя 2 и нижнего слоя 3, из переливного выпуска 12, при продолжении подачи направленного вверх противоточного потока со скоростью очистки верхнего слоя.

Для определения, какой из процесса частичной очистки и процесса полной очистки следует выбрать, частоту проведения процесса частичной очистки и частоту проведения полной очистки определяют в соответствии с соотношением концентрации железа и концентрации марганца и со скоростью фильтрования, и процесс частичной очистки, и процесс полной очистки проводят согласно соответственной частоте, определенной таким образом.

Фиг.2 представляет диаграмму, схематически показывающую еще один вариант исполнения устройства для обработки воды, сделанный согласно изобретению. В варианте осуществления по Фиг.2 такие же конструкционные детали, как таковые, использованные в варианте исполнения из Фиг.1, обозначены такими же кодовыми номерами, и описание таковых будет опущено.

В варианте осуществления из Фиг.2 насос 18 соединен с водосборной и распределительной трубой 13 для откачивания и выведения профильтрованной воды. В верхней части фильтровального резервуара 5 предусмотрен водомер 100 уровня воды для измерения уровня воды над поверхностью верхнего слоя 2.

Насос 18 управляется следующим образом. Во-первых, количество воды, обрабатываемое этим насосом в единицу времени, настраивают на значение, которое является несколько более высоким, чем количество подводимой неочищенной воды. По мере продолжения операции фильтрования уровень воды водяного слоя над верхним слоем 2 постепенно понижается. Этот уровень воды измеряется водомером 100 уровня воды и, когда уровень воды понижается до заранее заданного значения, работа насоса 18 на время прекращается, пока уровень воды не повысится до заданной высоты. По достижении уровня воды этого значения насос 18 включается опять, и вышеописанная операция периодически повторяется.

Наоборот, количество воды, обрабатываемой насосом 18 в единицу времени, может быть отрегулировано на значение, которое является в некоторой степени меньшим, чем количество подводимой неочищенной воды. Когда уровень воды повышается до предварительно заданной высоты, подача неочищенной воды временно прекращается, пока уровень воды не понизится до заданной высоты. При понижении уровня воды до этой высоты подача неочищенной воды возобновляется, и эта операция периодически повторяется.

Еще один вариант осуществления устройства для обработки воды и способа очистки будет описан с привлечением Фиг.5 и 6. Фиг.5 представляет горизонтальную проекцию этого варианта осуществления и Фиг.6 представляет частичный вид в разрезе, схематически показывающий работу центрированных форсунок для формирования каналов. В варианте осуществления из Фиг.5 и 6 такие же конструкционные компоненты, как таковые в варианте исполнения из Фиг.1 и 2, обозначены такими же кодовыми номерами, и описание таковых будет опущено.

В этом варианте осуществления, как показано в Фиг.5, форсунки для очистки верхнего слоя включают форсунки 9 для формирования вихревого течения и центрированные форсунки 29 для формирования каналов. Форсунки 9 для формирования вихревого течения, которые составляют часть форсунок для очистки верхнего слоя, исполняют такую же функцию, как форсунки 9 для очистки верхнего слоя в вариантах осуществления, показанных в Фиг.1 и 2. В этом варианте осуществления множество (четыре в иллюстрированном примере) центрированных форсунок 29 для формирования каналов, которые составляют другую часть форсунок для очистки верхнего слоя, размещены на равном расстоянии по направлению окружности фильтровального резервуара 5 между форсунками 9 для формирования вихревого течения. Каждая из центрированных форсунок 29 для формирования каналов на одном своем конце сообщается с трубой 8 для подачи промывочной воды для очистки верхнего слоя и на другом своем конце имеет выпуск 29а для промывочной воды, из которого нагнетается промывочная вода. Выпуск 29а для промывочной воды расположено вблизи поверхности верхнего слоя 2. Выпуск 29а для промывочной воды каждой центрированной форсунки 29 для формирования каналов открыто, как показано в Фиг.6, в таком направлении, что водяной поток, нагнетаемый из выпуска 29а для промывочной воды, будет достигать центральной нижней части верхнего слоя 2.

В этом варианте осуществления, когда очищают верхний слой, уровень воды в фильтровальном резервуаре 5 понижают до нижней части верхнего слоя 2 и затем, одновременно с началом или перед таковым работы форсунок 9 для формирования вихревого течения, начинают действие центрированных форсунок 20 для формирования каналов, чтобы образовать каналы в верхнем слое 2 путем нагнетания водяной струи в сторону центральной нижней части верхнего слоя 2.

Затем создают направленное вверх противоточное течение воды со скоростью частичной очистки, чтобы разрыхлить фильтрующий материал верхнего слоя 2, и взмученный фильтрующий материал перемешивают с помощью вихревого течения, созданного форсунками 9 для формирования вихревого течения. Работа центрированных форсунок 29 для формирования каналов может быть остановлена после начала направленного вверх противоточного течения воды и во время действия форсунок 9 для формирования вихревого течения. Путем формирования каналов в центральной части верхнего слоя 2 фильтрующий материал центральной части верхнего слоя 2 взмучивается и становится легкоподвижным, благодаря чему он может быть в достаточной мере перемешан вихревым потоком, созданным форсунками 9 для формирования вихревого течения.

Согласно этому варианту осуществления, поскольку форсунки для очистки верхнего слоя включают центрированные форсунки 29 для формирования каналов и форсунки 9 для формирования вихревого течения, надлежащим комбинированием времени работы этих двух типов форсунок и времени начала и скорости направленного вверх противоточного течения воды может быть достигнута максимальная эффективность очистки за кратчайшее время и при минимальном количестве воды.

Тип форсунок для очистки верхнего слоя не является в особенности ограниченным вышеописанными двумя типами, но, если необходимо, может быть предусмотрен другой тип форсунки, такой как третья форсунка для формирования канала в промежуточной части между периферической частью и центральной частью верхнего слоя 2.

В еще одном варианте осуществления изобретения измеряют величину сопротивления фильтровального резервуара 5 во время нормальной операции фильтрования, и, когда эта величина сопротивления превышает заранее заданное значение, начинают процесс частичной очистки. Для измерения величины сопротивления может быть измерен перепад давлений в фильтровальном резервуаре 5 с помощью прибора для измерения перепада давления, или, альтернативно, когда уровень воды, измеряемый водомером уровня воды, достигает заранее заданного значения, этот уровень воды может рассматриваться как показатель заданной величины сопротивления. При такой компоновке, когда блокирование верхнего слоя фильтрующего материала происходит до такой степени, что необходима очистка, автоматически начинается процесс частичной очистки и, соответственно этому, процесс частичной очистки может быть выполнен более эффективно, чем в случае, где процесс частичной очистки производится согласно заданному графику.

В качестве еще одного пути очистки, процесс частичной очистки выполняется, когда величина сопротивления фильтровального резервуара 5 достигает заранее заданного значения (он может быть проведен автоматически, или может быть отмерен заранее заданный интервал времени от одного момента времени до другого момента), и, когда время, истекшее с момента окончания процесса частичной очистки до момента времени, в который величина сопротивления фильтровального резервуара достигает заданного значения, становится меньшим, чем заданный период времени, автоматически начинается процесс полной очистки.

Фиг.11 представляет график, который показывает зависимость между временем и величиной сопротивления (значение разности давлений) р фильтровального резервуара, в котором горизонтальная ось показывает время, и вертикальная ось показывает величину сопротивления. Кривая показывает изменение величины сопротивления р в случае, где процесс частичной очистки производится через постоянный интервал времени Т. В Фиг.11, если в каждом процессе частичной очистки отсчитывается время, необходимое для того, чтобы величина сопротивления р достигла заранее заданного значения "b", то это время изменяется следующим образом: допустим, что начальная величина сопротивления в начале операции фильтрования равна «а», величина сопротивления при первоначальном процессе частичной очистки Р1 представляет собой заранее заданное значение "b", и время, прошедшее до достижения заданной величины сопротивления, представляет собой "t1", то величина сопротивления падает до значения «с» в первоначальном процессе Р1 частичной очистки. Однако, поскольку величина сопротивления не снижается до первоначального значения «а», время "t2", которое проходит до достижения величиной сопротивления заранее заданного значения "b" в следующей операции фильтрования, является более коротким, чем "t1". Величина сопротивления снижается до значения «е» во втором процессе Р2 частичной очистки, но эта величина сопротивления является более высокой, чем «с». Время "t3", которое протекает до достижения величиной сопротивления заранее заданного значения "b", в следующей операции фильтрования, является более коротким, чем "t2".

Поэтому при выполнении процесса частичной очистки каждый раз, когда величина сопротивления достигает заранее заданного значения "b", измеряют время t1, t2 и t3, затраченное на достижение величиной сопротивления р заранее заданного значения "b" после каждого процесса частичной очистки во время нормальной операции фильтрования, и автоматически начинается процесс полной очистки, когда время t3, истекшее до достижения величиной сопротивления заранее заданного значения "b" после второго процесса частичной очистки и перед последним процессом частичной очистки, становится более коротким, чем заранее заданный период времени Та, процесс полной очистки может быть эффективно проведен для поддержания фильтрующего слоя всегда в желательном состоянии простым способом, только лишь путем измерения заранее заданного значения "b".

Фиг.7 показывает еще один вариант осуществления устройства для обработки воды согласно изобретению для исполнения способа соответственно изобретению. Этот способ очистки представляет собой таковой, в котором можно эффективно удалять марганец в неочищенной воде, даже в случае, где концентрация марганца в неочищенной воде настолько высока, что оказывается затруднительным удаление марганца в достаточной мере с помощью устройства, показанного в Фиг.1 или 2. В устройстве из Фиг.7 такие же конструкционные компоненты, как таковые в Фиг.1, обозначены такими же кодовыми номерами, и описание таковых будет опущено.

В этом устройстве 60 для обработки воды на стороне ниже по потоку относительно водосборной и распределительной трубы 13 устройства из Фиг.1 размещен фильтровальный резервуар 35 последующей стадии, который заключает в себе последующий фильтрующий слой 33, состоящий из такого же фильтрующего материала, как фильтрующий материал нижнего слоя 3. Фильтровальный резервуар 35 последующей стадии включает выпуск или патрубки 27 для профильтрованной воды, соединенные с водосборной и распределительной трубой 13, действующей как труба для выведения профильтрованной воды, и открытые в верхнюю часть фильтровального резервуара 35 последующей стадии над фильтрующим слоем 33 последующей стадии, водосборная и распределительная труба 43, действующая как выводящая профильтрованную воду труба для отбора воды, профильтрованной через последующий фильтрующий слой 33, и как труба для противоточной подачи промывочной воды для подведения противоточной промывочной воды к последующему фильтрующему слою 33, множество форсунок 19 для очистки последующего фильтрующего слоя, каждая из которых на одном своем конце сообщается с трубой 28 для подачи промывочной воды для очистки последующего фильтрующего слоя и на другом своем конце имеет выпуск 19а для промывочной воды, из которого нагнетается промывочная вода, причем форсунки 19 для очистки последующего фильтрующего слоя расположены с заранее заданным интервалом над последующим фильтрующим слоем 33 таким образом, что выпуски 19а для промывочной воды расположены вблизи поверхности последующего фильтрующего слоя 33, и переливной выпуск 12, состоящий из сливного желоба или канала и т.д., размещен в последующем фильтровальном резервуаре 35 над последующим фильтрующим слоем 33. Поскольку конструкции выпусков 27 для промывочной воды и форсунок 19 для очистки последующего фильтрующего слоя являются такими же, как для смесительных форсунок 7 для потока неочищенной воды и форсунок 9 для очистки верхнего слоя, описание таковых будет опущено. Труба 8 для подачи промывочной воды для очистки верхнего фильтрующего слоя и труба 28 для подачи промывочной воды для очистки последующего фильтрующего слоя ответвляются от общей трубы 34 для подачи промывочной воды, и в трубе 28 для подачи промывочной воды для очистки последующего фильтрующего слоя расположен открывающий и закрывающий вентиль 36. Водосборная и распределительная трубы 13 и 43 соединены с трубой 47 для противоточной подачи промывочной воды, и в трубе 47 для противоточной подачи промывочной воды расположены открывающие и закрывающие вентили 48 и 55. Труба 49 для подачи профильтрованной воды соединена с водосборной и распределительной трубой 43, и в трубе 49 для подачи профильтрованной воды установлен открывающий и закрывающий вентиль 50. Водосборная и распределительная труба 13 и выпуски 27 для профильтрованной воды соединены друг с другом трубой 54 для подачи профильтрованной воды, и в трубе 54 для подачи профильтрованной воды размещен водоподающий насос 52 для подведения профильтрованной воды к последующему фильтрующему слою 33.

В этом устройстве 60 несущий гравийный слой 17, использованный в устройстве из Фиг.1, не употребляется, но водосборные и распределительные трубы 13 и 43 расположены в донной части нижнего слоя 3 фильтрующего слоя 4 и последующего фильтрующего слоя 33.

Предпочтительный пример водосборной и распределительной трубы 13, надлежащим образом используемой для фильтровального резервуара, в котором несущий гравийный слой не употребляется, показан в виде с частичным разрезом в Фиг.8А и в горизонтальной проекции в Фиг.8 В. Иллюстрированный пример показывает водосборную и распределительную трубу 13, но водосборная и распределительная труба 33 имеет такую же конструкцию. В этом примере многочисленные водосборные и распределительные трубы 13 размещены параллельно в горизонтальном направлении в донной части фильтровального резервуара 5. Каждая из труб 13 состоит из цилиндрического сетчатого фильтра 70, который составляет наружный цилиндр, и внутренней перфорированной трубы 72, расположенной в центре цилиндрического сетчатого фильтра 70. Внутренняя перфорированная труба 72 имеет водосборные и распределительные отверстия 74, сформированные в осевом направлении внутренней перфорированной трубы на обеих сторонах таковой. В качестве цилиндрического сетчатого фильтра 70 применяется цилиндрический сетчатый фильтр известной конструкции, в котором спиральная проволока намотана вокруг несущих стержней, размещенных с заранее заданными промежутками в направлении окружности. В Фиг.8А цилиндрический сетчатый фильтр 70 показан с удаленной частью такового.

Внутренняя перфорированная труба 72 соединена с цилиндрическим сетчатым фильтром 70 с помощью фланцевого элемента 80 и сообщается с водосборной и распределительной трубой 76 с помощью фланцевого элемента 80.

В устройстве 1 из Фиг.1, в случае, где концентрация марганца в неочищенной воде является очень высокой, марганец накапливается и формирует пленку в несущем гравийном слое 17 и тем самым блокирует несущий гравийный слой и водосборная, и распределительная труба. В этом случае галька в несущем гравийном слое 17 и водосборная, и распределительная труба не могут быть очищены в процессе полной очистки, и поэтому несущий гравийный слой 17 и водосборная, и распределительная труба должны быть полностью извлечены из фильтровального резервуара 5 для очистки, каковая требует больших трудозатрат. В устройстве 60 на Фиг.7, ввиду того, что несущий гравийный слой не употребляется, и водосборные, и распределительные трубы 13 и 43, состоящие из цилиндрических сетчатых фильтров 70 и внутренних перфорированных труб 72, размещены в нижнем слое 3 фильтрующего слоя 4 и последующего фильтрующего слоя 33, марганец накапливается в части вокруг цилиндрических сетчатых фильтров 70, даже если концентрация марганца является очень высокой. В этом случае только цилиндрические сетчатые фильтры 70 могут быть сняты с внутренних перфорированных труб 72 и извлечены из фильтровального резервуара для очистки, и это может быть преимущественно сделано в относительно простой производственной операции.

Водосборные и распределительные трубы 13 могут быть использованы не только в устройстве 60, но также в устройстве 1 на Фиг.1. В этом случае в устройстве 1 из Фиг.1 несущий гравийный слой 17 не применяется, но водосборные и распределительные трубы 13 размещаются в донной части нижнего слоя 3.

Теперь будет описана работа этого устройства 60 для обработки воды.

Процесс частичной очистки

(1) Проводят стадию прерывания операции фильтрования, в которой прекращают подачу неочищенной воды, и продолжают операцию фильтрования, пока уровень воды не упадет до уровня вблизи поверхности верхнего слоя или до предварительно заданной высоты относительно верхнего слоя, или, альтернативно, уровень воды понизится до переливного выпуска 11 для понижения уровня воды. В это время вентили 48 и 55 на трубе 47 для противоточной подачи промывочной воды закрыты, и вентили 53 и 50 на трубах 54 и 49 для подачи профильтрованной воды открыты.

(2) Проводят стадию очистки верхнего слоя. В состоянии, в котором вентиль 48 открыт, в то время как вентиль 55 на трубе 47 для противоточной подачи промывочной воды остается закрытым, и вентили 53 и 50 на трубах 54 и 49 для подачи профильтрованной воды и вентиль 36 на трубе 28 для подачи промывочной воды для очистки последующего фильтрующего слоя закрыты, противоточную промывочную воду подают из водосборных и распределительных труб при скорости очистки верхнего слоя (например, от 5 м/час до 30 м/час), тем самым взмучивая фильтрующий материал верхнего слоя 2, и промывочную воду нагнетают из выпусков 9а для промывочной воды форсунок 9 для очистки верхнего слоя, для перемешивания и очистки фильтрующего материала верхнего слоя 2. В это время вентиль 11а, открываемый и закрываемый для понижения уровня воды на переливном выпуске 11, закрыт. Эту стадию очистки верхнего слоя завершают до того, как уровень воды достигнет высоты переливного выпуска 12.

(3) После завершения перемешивания и очистки фильтрующего материала верхнего слоя проводят стадию осаждения для седиментации перемешанного фильтрующего материала верхнего слоя 2 до исходного состояния.

(4) Стадию дренирования мутной воды проводят путем слива мутной воды, содержащей компоненты железа, захваченные главным образом в верхнем слое, через переливной выпуск 12, в ходе очистки фильтрующих материалов верхнего слоя 2 и нижнего слоя 3 с помощью потока противоточной промывочной воды из водосборных и распределительных труб 13 со скоростью очистки верхнего слоя.

Процесс полной очистки

(1) Проводят стадию прерывания операции фильтрования, в которой прекращают подачу неочищенной воды, и продолжают операцию фильтрования, пока уровень воды не упадет до уровня вблизи поверхности верхнего слоя и последующего фильтрующего слоя, или до предварительно заданных высот относительно верхнего слоя и последующего фильтрующего слоя, или, альтернативно, уровень воды понизится до переливного выпуска 11 для понижения уровня воды в фильтровальном резервуаре 5 и последующем фильтровальном резервуаре 35.

(2) Проводят стадию очистки. В состоянии, в котором вентиль 53 на трубе 54 для подачи профильтрованной воды и вентиль 50 на трубе 49 для подачи профильтрованной воды закрыты, в то время как вентили 48 и 55 на трубе 47 для противоточной подачи промывочной воды, и вентиль 36 на трубе 28 для подачи промывочной воды для очистки последующего фильтрующего слоя открыты, противоточную промывочную воду подают из водосборных и распределительных труб 13 и 43 при скорости полной очистки (например, от 30 м/час до 60 м/час), которая является более высокой, чем скорость очистки верхнего слоя, для перемешивания фильтрующего материала верхнего слоя 2, нижнего слоя 3 и фильтрующего материала последующего фильтрующего слоя 33 направленным вверх потоком с высокой скоростью, нагнетаемым из выпусков 9а для промывочной воды форсунок 9 для очистки верхнего слоя, и выпусков 19а для промывочной воды форсунок 19 для очистки последующего фильтрующего слоя, для перемешивания и очистки верхнего слоя, нижнего слоя и последующего фильтрующего слоя.

(3) После завершения перемешивания и очистки фильтрующего материала верхнего слоя, нижнего слоя и последующего фильтрующего слоя проводят стадию осаждения для седиментации перемешанного фильтрующего материала верхнего слоя, нижнего слоя и последующего фильтрующего слоя до исходного состояния.

(4) Стадию дренирования мутной воды проводят путем слива мутной воды, содержащей вещества, захваченные в верхнем слое, нижнем слое и последующем фильтрующем слое, через переливной выпуск 12, в ходе очистки фильтрующих материалов верхнего слоя, нижнего слоя и последующего фильтрующего слоя с помощью потока противоточной промывочной воды со скоростью очистки верхнего слоя.

Для определения, какой из процесса частичной очистки и процесса полной очистки следует выбрать, частоту проведения процесса частичной очистки и частоту проведения полной очистки определяют в соответствии с соотношением концентрации железа и концентрации марганца и со скоростью фильтрования, и процесс частичной очистки, и процесс полной очистки проводят согласно соответственной частоте, определенной таким образом.

Фиг.9 и 10 представляют диаграммы, схематически показывающие другие варианты осуществления изобретения.

В случае, где в неочищенной воде содержится аммиачный азот с высокой концентрацией, требуется большое количество растворенного кислорода для поглощения и тем самым удаления аммиачного азота. Было найдено, что имеет место ситуация, где затруднительно уловить и удалить аммиачный азот в достаточной мере в фильтрующем слое с помощью только аэрации, обеспечиваемой смешанным нагнетаемым потоком неочищенной воды из смесительных форсунок для потока неочищенной воды.

Для преодоления этой ситуации, в случае, где неочищенная вода содержит аммиачный азот с высокой концентрацией, предпочтительна дополнительная подача растворенного кислорода в фильтрующий слой для усиления аэрации, обусловленной смесительными форсунками для потока неочищенной воды.

Существуют разнообразные способы дополнительного подведения растворенного кислорода к фильтрующему слою. Эффективным путем является введение в фильтрующий слой мелких воздушных пузырьков, имеющих диаметр в несколько сотен микрометров (мкм) или менее.

Фиг.9 показывает пример такого способа. Устройство 90 для подачи растворенного кислорода включает трубу 92 для всасывания обработанной воды, которая всасывает часть обработанной воды, и устройство 93 для формирования мелких воздушных пузырьков, которое засасывает обработанную воду из этой трубы 92 и подает смешанный поток обработанной воды и мелких воздушных пузырьков из трубы 91 для подачи смешанного потока к фильтрующему слою. В качестве устройства 93 для формирования мелких воздушных пузырьков может быть использовано известное устройство. В качестве трубы 92 для всасывания обработанной воды и трубы 91 для подачи смешанного потока может быть применена труба, имеющая такую же конструкцию, как водосборные и распределительные трубы 13. Когда воздушный пузырек имеет большой диаметр, воздушный пузырек проявляет склонность к задержке в фильтрующем слое и формированию замкнутого воздушного пространства, и такое замкнутое воздушное пространство нежелательно ввиду того, что оно сокращает площадь обработки воды в фильтрующем слое и тем самым снижает эффективность фильтрования. Поскольку мелкие воздушные пузырьки, используемые в настоящем варианте осуществления изобретения, имеют низкую плавучесть и поэтому проявляют очень низкую скорость всплывания, эти воздушные пузырьки выносятся обработанной водой, имеющей повышенную скорость течения, и эти воздушные пузырьки достигают нижнего слоя фильтрующего слоя, в то же время доставляя растворенный кислород к фильтрующему слою, и выделяются из водосборной и распределительной трубы 13 без образования замкнутого воздушного пространства в фильтрующем слое. По этой причине в настоящем изобретении, которое рассчитано на высокоскоростную обработку воды, введение мелких воздушных пузырьков является предпочтительным способом дополнительной подачи растворенного кислорода. Количество подаваемых мелких воздушных пузырьков может быть определено в соответствии с требуемым количеством дополнительного растворенного кислорода, которое зависит от состояния неочищенной воды, такого как концентрация аммиачного азота.

Фиг.10 показывает еще один пример достижения такой же цели, как в Фиг.9. Устройство 95 для подачи растворенного кислорода включает трубу 96 для всасывания обработанной воды, которая соединена с водосборной и распределительной трубой 13 в виде ответвления от трубы 13, чтобы всасывать часть обработанной воды и устройство 98 генерации мелких воздушных пузырьков, которое всасывает обработанную воду из этой трубы 96 и подает смешанный поток обработанной воды и мелких воздушных пузырьков из трубы 97 для подачи смешанного потока к фильтрующему слою. Конструкции трубы 96 для всасывания обработанной воды и трубы 97 для подачи смешанного потока являются такими же, как таковые в устройстве, показанном в Фиг.9.