本發明涉及水的物理處理技術，尤其是涉及水處理沉淀裝置。
背景技術：
水處理顆粒物物理沉淀工程是水處理中最基本最常用的方法之一，它是根據水中懸浮顆粒和水本身的密度差異，利用重力作用達到固液分離的過程。這種方法是最為簡單和常用的物理處理技術，也是水處理技術中一道必不可少的工序。利用這種技術所建立的沉淀構筑物，在水處理工藝中被稱為沉砂池或沉淀池。沉淀池在水處理中廣為使用。它的型式很多，按池內水流方向可分為平流式、豎流式和輻流式三種。根據經典的沉淀理論，考慮到顆粒沉淀過程中的諸多因素，傳統的沉砂池或是沉淀池，能夠通過重力作用達到固液分離的目的，但是由于形式及構造的限制，難以實現短距離，長行程的沉淀過程；同時考慮占地等原因，無法為固液分離提供較長的沉淀時間，難有高效的固液分離效率，與理想沉淀效果存在較大差距，尤其對于需要增加絮凝作用的水處理工程，沒有高效的沉淀過程，很難達到良好的水處理效果。
技術實現要素：
針對傳統沉淀池形式及結構所存在的弊端，本發明提供了一種水力控制虹吸式全自動旋流沉淀裝置，通過水力流動實現自控控制，不需要外力介入。典型的旋轉式進水方式，縮短固液分離距離，增加沉淀時間，更接近淺池理論，同等條件下，更利于流體中固液分離，分離效率提高的同時，通過虹吸裝置可以推動旋流沉淀裝置內導向螺旋片旋轉，使得固液速度錯位，加速固體沉入旋流沉淀裝置底部，通過水位控制，實現水力自動排泥過程，可以有效解決以上問題。
本發明涉及的水力控制虹吸式全自動旋流沉淀裝置包括頂部的虹吸裝置、中部的旋流沉淀裝置和底部的水力控制裝置。
虹吸裝置包括虹吸儲水槽、出水槽、出水管、可調式堰板、虹吸空氣倒U型管、延時電磁控制閥、漸擴式半圓形虹吸罩和虹吸下降管，出水槽焊接于虹吸儲水槽的外側，之間有可調式堰板間隔，經沉淀后水體由虹吸儲水槽越過可調式堰板至出水槽，順著出水槽下部出水管流出；漸擴式半圓形虹吸罩位于虹吸儲水槽的中部，虹吸下降管之上，虹吸下降管垂直穿過旋流沉淀裝置直至底部存水箱中；漸擴式半圓形虹吸罩頂部開孔連接虹吸空氣倒U型管，兩者之間設置有延時電磁控制閥，漸擴式半圓形虹吸罩與旋流沉淀裝置的圓筒體直接相連。
旋流沉淀裝置包括進水管、封閉底板、倒圓錐體、圓筒體、導向螺旋片、鐘罩形喇叭口、轉動葉輪、傳動軸和排泥管，原水通過旋流沉淀裝置底部進水管進入倒圓錐體，導向螺旋片安裝于旋流沉淀裝置內部，固定于中間部位的傳動軸上，傳動軸下部安裝有單向的轉動葉輪，虹吸下降管出口位于轉動葉輪上方，當虹吸開啟后，虹吸下降管水流可以推動轉動葉輪轉動，轉動葉輪帶動導向螺旋片旋轉輔助固液分離。旋流沉淀裝置通過支架垂直固定于底部的水力控制裝置之上。
水力控制裝置包括底部存水箱、浮球控制排泥閥、排泥放空管、溢流管、泄水管、浮球式泄水控制瓣、進出水控制閥，底部存水箱由錐形和圓筒形結構組合而成，錐形與圓筒形連接處有開孔，開孔內側安裝有浮球式泄水控制瓣，外側連接有泄水管，泄水管與外部聯通；進水管與排泥管分別橫穿底部存水箱的圓筒形結構，進水管由進水控制閥控制，排泥管設置有浮球控制排泥閥，位于底部存水箱內，獨特設計有利于底部存水箱內水位控制浮球控制排泥閥啟閉，底部存水箱頂部設置有溢流管，溢流管與外部聯通，當水力控制裝置中的浮球控制排泥閥發生故障時，溢流管可防止水位上升淹沒破壞水力控制裝置的情況發生；溢流管、排泥放空管以及排泥管道通過管件連接在排泥放空管上。
本發明所述的水力控制旋流沉淀裝置應用時，流體通過進水管進入旋流沉淀裝置，旋流沉淀裝置采用不銹鋼結構，與進水管一體式連接，保證管道進水方向和通暢，進水流量由進水管控制閥門調節控制，流體沿著固定式導向螺旋片盤旋上升，該導向螺旋片焊接于旋流沉淀裝置中心固定的傳動軸上，導向螺旋片外邊緣與旋流沉淀裝置外側壁留有100mm空隙，傳動軸通過旋流沉淀裝置中心部位上部和下部設置的轉動軸承實現轉動。隨著待固液分離原水由旋流沉淀裝置底部進水管旋轉而上，在上升過程中，流體中的固體顆粒物質通過重力作用以及撞擊作用速度降低，固液開始分離；部分會在重力作用下，與流體產生反向運動，慢慢淤積于旋流沉淀裝置底部；流體則通過旋流作用后直接從頂部出水口排出，水流動路線短，且旋流沉淀裝置內部只有一個方向向上的導向螺旋片，水流過程沿徑向、軸向速度梯度小，水剪應力小，所以具有較低的水力壓降和較低的能耗。
旋流沉淀裝置進水負荷一般控制在1～4m3/(m2﹒h)，適用范圍大，由于旋流沉淀裝置內部剪應力小、能耗低，即便是提高進水負荷，水在旋轉上升過程中也不易發生湍動，抗負荷能力較強，等比例放大或是串聯使用仍能保證固液分離效率，有利于擴大應用。
旋流沉淀裝置的圓筒體與下部的倒圓錐體采用焊接的形式連接，保證結構的一體性，下部的倒圓錐體上部直徑與圓筒體直徑相等，倒圓錐體下部開口直徑為圓筒體直徑的1/2，導向螺旋片隨著下部的倒錐體盤旋上升，形成底部半徑小，上部半徑大的錐形螺旋結構，此舉有利于原水盤旋上升過程中，增加水力停留時間，特殊的流體路徑設計，可以防止短流或翻泥現象的發生，更有利于提高固液分離效率，具有較好的靈活操作彈性和穩定性。
圓筒體內固液分離后液體不斷地進入頂部的虹吸儲水槽中，虹吸儲水槽焊接于圓筒體的正中心位置，高度一般控制在0.5～1.0m，圓筒體與虹吸儲水槽相接處側邊隆起一定坡度，坡度一般控制在i＝0.1～0.5之間，可阻擋部分固體進入虹吸儲水槽內，虹吸儲水槽直徑為倒圓錐體底部直徑的2倍。
虹吸裝置設計為可調節式堰板出水，以保證出水量的穩定。隨著虹吸儲水槽內水位的升高，達到可調式堰板設定的出水水位，沉淀后水體通過出水槽流出；可調式堰板為不銹鋼材質，圓形布置，通過固定錨栓錨固，可以上下移動錨固螺栓高度實現可調式堰板高度調節，控制出水流量以及出水槽內的虹吸水位高度，可調式堰板高度根據進水水質和虹吸周期設定。
虹吸儲水槽為敞開式布置，內設計有螺栓固定的三腳架，固定由虹吸空氣倒U型管、延時電磁控制閥、漸擴式半圓形虹吸罩、漸擴口、虹吸下降管及漸擴式半圓形虹吸罩組成的虹吸裝置，漸擴式半圓形虹吸罩為半球形設置，半球直徑為虹吸下降管直徑的2倍，底部拼接有漸擴口，擴口處水平夾角為75°，該尺寸可以很好的控制空氣的儲量，有利于漸擴式半圓形虹吸罩內液體水位控制，漸擴口的設置能夠保證虹吸過程中有足夠的水量通過，實現自動虹吸的目的。
虹吸下降管位于漸擴式半圓形虹吸罩中部，直穿導向螺旋片中心的傳動軸，直至底部的轉動葉輪處，與轉動葉輪頂部保持一定的距離，控制距離為虹吸管管徑的2倍。虹吸下降管與傳動軸按照套管布置，虹吸下降管外壁距離傳動軸內壁為50mm。
特殊的盤旋式上升設計，可以實現固液走向分離，互不干擾；水力控制裝置內設置有單向的轉動葉輪，直徑為虹吸儲水槽直徑的1.5倍，虹吸下降水流可以推動轉動葉輪轉動，進而帶動導向螺旋片單向旋轉，促進固體顆粒下沉，進一步提高固液分離效率。轉動葉輪上部設置有鐘罩形喇叭口，鐘罩形喇叭口直徑為轉動葉輪直徑的1.5倍，鐘罩形布置，角度為30°～45°，保證下降水流推力效果，固定于旋流沉淀裝置底部中心位置，完全罩在轉動葉輪的上部，虹吸下降管的出口處距離轉動葉輪頂部不小于50mm。
旋流沉淀裝置下部為封閉式結構，通過焊接的方式連接，中心位置設置有密閉軸承，傳動軸從軸承中穿過，固液分離后固體淤積于旋流沉淀裝置下部，倒圓錐體的底部位置分別設置有進水管道和排泥管道，通過焊接的方式連成整體。
虹吸下降管出水進入水力控制裝置中的錐形敞開式底部存水箱中，倒錐體與水平夾角為30°～45°，底部存水箱直徑與圓筒體直徑相等，高度控制為圓筒體高度的1.5倍，為拼接式結構，進水管及排泥管分別穿過底部存水箱，開孔處封閉，防止漏水，在底部存水箱頂部設置有溢流管，溢流管管徑與進水管管徑一致；底部存水箱底部為排泥放空管，排泥放空管管徑為進水管管徑的2倍；排泥管道、溢流管以及排泥放空管匯集于同一合流管與外部聯通。
進水管穿過底部存水箱的一側，在底部存水箱的側壁上開有直徑為進水管直徑1/2的泄水孔，通過泄水管與外部聯通，泄水孔上設置有浮球式泄水控制瓣，浮球式泄水控制瓣的開閉由底部存水箱內水位變化控制。
進水管及排泥放空管上均設置有管道控制閥門，排泥管道上設置有浮球控制排泥閥，該閥門的開閉由底部存水箱內水位變化控制。
自動排泥方式采用水力控制，利用虹吸過程蓄積至底部存水箱的流體水位控制浮球控制排泥閥的啟閉，當虹吸裝置頂部水流虹吸后至底部存水箱，達到設定水位后引起浮球控制排泥閥的開啟，實現排泥，同時泄水管上的浮球式控制瓣打開，底部存水箱開始泄水，泄水導致水位降低，浮球控制排泥閥關閉，排泥結束。此過程的反復循環，實現自動虹吸排泥，達到水力控制自動運行的目的。
隨著原水不斷地通過旋流沉淀裝置，虹吸儲水槽中的水位不斷地升高，使得漸擴式半圓形虹吸罩內的液面達到一定高度，漸擴式半圓形虹吸罩內空氣被壓縮，液面穩定；隨著不斷地運行，虹吸裝置頂部延時電磁控制閥打開，延遲5s后關閉，此段時間內擠壓在漸擴式半圓形虹吸罩內被壓縮空氣會通過虹吸空氣倒U型管迅速排出，液體會迅速充滿虹吸下降管和漸擴式半圓形虹吸罩，形成虹吸；虹吸下降水流推動底部的轉動葉輪旋轉，帶動導向螺旋片開始慢慢逆時針旋轉，旋轉使導向螺旋片與固體顆粒相對速度發生改變，增加固液分離速度；同時虹吸水流蓄積在底部存水箱中，底部存水箱中水位不斷升高，當達到浮球控制排泥閥的控制水位后，浮球控制排泥閥打開，積存在旋流沉淀裝置底部處的淤泥會在水流重力作用下排出；排泥過程中，虹吸儲水槽中水位會下降，水位下降至漸擴式半圓形虹吸罩最下端的漸擴口處，空氣進入漸擴式半圓形虹吸罩，虹吸被破壞，虹吸過程結束；虹吸過程中，底部存水箱水位上升過程也使得浮球式泄水控制瓣打開，排泥的同時底部存水箱也開始進行泄水，直至浮球式泄水控制瓣閉合，水位降低也使得浮球控制排泥閥關閉，排泥結束；恢復到最初狀態，隨著原水不斷進入旋流沉淀裝置，整個過程反復自動周期性循環進行，過程簡單，通過水力完成自動控制，高效可靠。
本發明水力控制虹吸式全自動旋流沉淀裝置充分利用水力控制虹吸和排泥過程，能夠實現零能耗高效的固液分離，抗沖擊負荷能力強，適應高負荷運行，可以實現自動化，操作管理方便，構造簡單，全自動運行，固液分離效率高，豎向布置節省用地，故障率低，使用方便。
附圖說明
圖1為水力控制虹吸式全自動旋流沉淀裝置結構示意圖。
圖中標記說明：
1、出水槽 2、可調式堰板
3、虹吸空氣倒U型管 4、延時電磁控制閥
5、漸擴式半圓形虹吸罩 6、虹吸下降管
7、漸擴口 8、出水管
9、虹吸儲水槽 10、圓筒體
11、導向螺旋片 12、倒圓錐體
13、傳動軸 14、進水管
15、進水管控制閥門 16、浮球式泄水控制瓣
17、泄水管 18、底部存水箱
19、轉動葉輪 20、鐘罩形喇叭口
21、封閉底板 22、浮球控制排泥閥
23、溢流管 24、排泥放空管
25、放空控制閥
具體實施方式
結合附圖對本發明的技術方案作進一步描述。圖1顯示了本發明的基本結構。
如附圖所示，原水經過進水管14進入旋流沉淀裝置的倒錐體12內，流量由進水管控制閥門15調節控制，流體通過固定式導向螺旋片11盤旋上升，此時流體中的固體顆粒物質通過重力作用以及撞擊作用速度降低，落到導向螺旋片11上，大部分會在重力作用下，與流體產生反向運動，慢慢淤積于旋流沉淀裝置的底部，中心開孔固定式封閉底板21之上，剩余少部分會與流體達到速度平衡，暫時停留在導向螺旋片11上；流體通過11不斷上升進入旋流沉淀裝置的圓筒體10中，此時流體固液分離進入穩定階段，經緩沖，最終上升至虹吸儲水槽9中，隨著液面的不斷升高，漸擴式半圓形虹吸罩5內的液面逐漸升高，漸擴式半圓形虹吸罩內空氣被壓縮，當達到一定程度后，液面穩定；此時虹吸儲水槽9內液面繼續升高，當液面到達可調式堰板2控制水位后，液體通過出水槽1經出水管8完成連續出水；流體流動過程中，固液分離后的固體顆粒物不斷地匯集至旋流沉淀裝置的封閉底板21處，隨著不斷地運行，水位的上升，虹吸裝置的延時電磁控制閥4打開，延遲5s后關閉，此段時間內擠壓在漸擴式半圓形虹吸罩5內被壓縮空氣會通過虹吸空氣倒U型管3排出，液體會迅速充滿虹吸下降管6和漸擴式半圓形虹吸罩5，形成虹吸，虹吸產生的水流通過虹吸下降管6迅速排至底部存水箱18中，水流下降過程中產生的推力推動轉動葉輪19，轉動葉輪19帶動中心固定的傳動軸13，中心固定的傳動軸13帶動導向螺旋片11開始逆時針旋轉，旋轉使導向螺旋片11與固體顆粒相對速度發生改變，引起部分停留在固定式導向螺旋片11上的固體顆粒物質下沉，最終沉至封閉底板21處；與此同時，從虹吸下降管6流出的水流，蓄積在底部存水箱18中，使得18中的水位不斷升高，當達到浮球控制排泥閥22的控制水位后，22打開，積存在旋流沉淀裝置的封閉底板21處的淤泥會在水流重力作用下，通過排泥管排出，排泥量通過浮球控制排泥閥22的開度控制；排泥過程中，虹吸儲水槽9中水位會下降，水位下降至漸擴式半圓形虹吸罩5最下端漸擴口7處，空氣進入漸擴式半圓形虹吸罩5，虹吸被破壞，虹吸過程結束；虹吸過程中，底部存水箱18水位上升過程也使得浮球式泄水控制瓣16打開，排泥的同時底部存水箱18也開始進行泄水，由于泄水管17管徑小于虹吸下降管6的管徑，所以泄水過程相對較慢，這樣就實現了排泥的時間控制，由于時間控制延時電磁控制閥4關閉，虹吸結束，進而底部存水箱18補水過程停止，所以18中的水位會隨著不斷地泄水持續下降，直至浮球式泄水控制瓣16閉合，水位降低也使得浮球控制排泥閥22關閉，排泥結束；隨著流體不斷通過進水管14進入旋流沉淀裝置，旋流沉淀裝置繼續完成固液分離、虹吸和水力控制排泥的過程，進入下一個沉淀排泥沉淀周期，周而復始運行。