濁水微粒加速沉降分離裝置和方法
2023-12-01 13:40:06 1
專利名稱：濁水微粒加速沉降分離裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種混濁原水中微粒沉降分離裝置與方法，尤其涉及一種利用物理加速方式分離原水中微粒和清水的裝置與方法，以顯著降低原水的高濁度微粒，以利於後續傳統自來水處理的淨水流程。
背景技術：
自來水供應是一個現代化社會的重要指標，不但攸關民眾健康、工業發展與商業繁榮的基本需求，進一步與民眾日常飲食需求與身體衛生息息相關，提供質量穩定、安全無憂、供應無缺的自來水是政府執政中極為重要的民生建設。傳統自來水處理是基於良好原水水質與穩定自來水淨化設施，才得以提供十到百萬噸符合飲用水標準的自來水。但是由於地震颱風天災、坡地過度開發、水土保持不良等環境威脅情形下，在暴雨情況下，從山區傾流而下的地表徑流含有大量微小砂粒，導致自來水水源的原水濁度過高，影響後續自來水淨水過程，進一步導致近年來各地缺水危機。
原水中的濁度主要來自於地表徑流衝刷沿岸沙土與揚起水庫淤積沉泥，由於其微粒的顆粒微細(小於20微米，10-6m)，不易沉澱，進一步增加自來水處理的困難度。傳統自來水淨水方式包括慢濾與快濾系統，現今由於土地取得困難與需水量激增，需要廣大土地、出水量低的慢濾方式已逐漸降低，取而代之的是出水量大、水質穩定的快濾法。自來水快濾處理方式包括加藥混凝、攪拌膠凝、重力沉澱、砂層快濾與加氯消毒等。自來水快濾法的最大剋星為水中濁度、溶解性物質與臭異味等，其中超量微粒多半以添加化學混凝劑，使其產生絮凝物，在隨後的沉澱池沉降，以免阻塞快濾的砂濾池，以提升自來水水質與製造符合飲用水標準的自來水。然而化學混凝劑會產出大量汙泥，也會使絮凝物密度降低，無法順利沉降。快濾池如果因經常阻塞，需要提高過濾池的反衝洗頻率，才得以恢復其過濾功能，但增高反衝洗頻率也會影響自來水水質。在暴雨後，往往原水濁度飆升到數萬濁度單位(nephelometric turbidity units，NTU)，在傳統自來水淨化程序中，無法在短時間內以加藥混凝、沉降處理此高濁度原水，且極易阻塞過濾池，導致自來水處理系統全面癱瘓，嚴重地影響傳統自來水廠的正常淨水功能，並導致長時間區域性停水。自來水是民生基本物質，缺乏自來水的供應往往導致民眾衛生與民生經濟急劇惡化，衍生的社會問題進一步難以平息。因此在暴雨徑流造成原水混濁情形下，降低高濁度原水成為自來水緊急狀況處理的重要課題。
造成水中濁度急劇增高的主要原因是水中過多的懸浮微粒，由於水流動過程中，懸浮微粒與水流持續混合與攪拌，導致懸浮微粒無法沉降。按照前述的慢濾系統，當濁水靜置時，大型微粒因為其沉澱速度較高，所以率先沉澱；其次為中型微粒；最後小型微粒才能在長時間靜置狀況下，穩定沉澱。但是上述情形均必須在絕對靜置狀況下才可實現，但因為自來水的需求逐年提升，也無法在有限土地中尋求廣大面積，設置靜置處理設備處理高濁度原水，更何況靜置處理方法對於高濁度原水的有效性，仍然頗受質疑。
常規技術中，也曾使用離心法於處理高濁度原水，然而離心法可能耗用大量電能，離心旋轉導致水流混合狀況，使得濁度去除處理效果仍然極為有限。因此，現階段自來水廠最常使用以處理高濁度原水的常規技術還是以添加大量混凝劑，加速絮凝物的形成，增加沉澱池的底部抽水速度，以提升絮凝物沉降率，最後取出沉澱池上方較為清澈的處理水，再進行過濾處理的方式，但其缺點為絮凝物體積增大，致使絮凝物密度下降，導致沉降性不佳。此外化學膠凝劑產生大量化學汙泥，也有可能造成後續環境汙染問題。
一般而言，自來水可處理的原水濁度需低於500NTU，但由於缺水期間民生需求急切，自來水廠在緊急狀況下，仍須處理高達5,000NTU的原水，以達到既定自來水出水量的要求。但是過高濁度原水的衝擊，輕者除造成自來水水質降低外，嚴重時將阻塞過濾池，甚至導致自來水廠全面癱瘓，無法供應自來水。
因此一種能克服上述常規技術缺點，如耗用大量電能、絮凝物沉降性不佳、化學膠凝劑產生大量化學性汙泥等，而可以減輕高濁度原水對於自來水淨水廠的衝擊的裝置和/或方法是大家所企盼的。
發明內容
本發明的主要目的在於提供一種無須添加任何化學混凝劑的濁水微粒加速沉降分離裝置與方法。本發明的其它目的還包括提供一種無處理濁度上限的限制、無須添加任何化學混凝劑、使用最少電力與經濟成本、可連續處理入流濁水與出流淨水，且無需特殊維護的濁水微粒加速沉降分離裝置與方法。
本發明，在一實施例中，涉及一種在不擾動層流情況下的濁水微粒加速沉降分離裝置。所述裝置主要包括一外殼、一中空圓錐形水流加速器與一微粒濃縮器。外殼包括一中空圓柱形體，在其周壁不同的高度，設有複數個淨水集水管，並在其底端設置有至少一排泥口；一密閉頂板，包含一開口於其中央，所述密閉頂板設置於接近所述中空圓柱形體的頂端內側；和一底板，包含一開口於其中央，所述底板設置於所述中空圓柱形體的底端。中空圓錐形水流加速器，設置於所述外殼之中，所述中空圓錐形水流加速器包括一具有較大直徑的入水口和一具有較小直徑的出水口，和一位於所述入水口與出水口之間，直徑逐漸縮小的漸縮段，所述入水口的外緣與所述外殼密閉頂板的所述開口接合。微粒濃縮器，設置於所述外殼底板的所述開口中，並位於所述中空圓錐形水流加速器的所述出水口的下方，所述微粒濃縮器包括一承接口，所述承接口的外緣與所述外殼的所述底板的所述開口接合。
本發明，在另一實施例中，涉及一種在不擾動層流情況下使用的濁水微粒加速沉降分離方法。所述方法包括下列步驟(a)提供一外殼，所述外殼包括一中空圓柱形體，在其周壁的不同的高度，設有複數個淨水集水管，並在其底端設置有至少一排泥口；一密閉頂板，包含一開口於其中央，所述密閉頂板設置於接近所述中空圓柱形體的頂端內側；和一底板，包含一開口於其中央，所述底板設置於所述中空圓柱形體的底端；(b)提供一中空圓錐形水流加速器，設置於所述外殼之中，所述中空圓錐形水流加速器包括一具有較大直徑的入水口和一具有較小直徑的出水口，和一位於所述入水口與出水口之間，直徑逐漸縮小的漸縮段，所述入水口的外緣與所述外殼密閉頂板的所述開口接合；(c)提供一微粒濃縮器，設置於所述外殼底板的所述開口中，並位於所述中空圓錐形水流加速器的所述出水口的下方，所述微粒濃縮器包括一承接口，所述承接口的外緣與所述外殼的所述底板的所述開口接合；(d)定義所述中空圓錐形水流加速器的所述出水口到所述微粒濃縮器的所述承接口為一微粒與淨水層流分離區；(e)導引濁水自所述中空圓錐形水流加速器的所述入水口進入；(f)自所述微粒濃縮器的承接口承接由所述中空圓錐形水流加速器的所述出水口加速流出的濃縮濁水，並收集經所述微粒與淨水層流分離區分離的垂直向下沉降微粒；(g)自所述中空圓柱形體的所述複數個不同高度淨水集水管收集經所述微粒與淨水層流分離區，而朝水平方向與所述微粒分離的淨水；和(h)自所述中空圓柱形體的所述至少一排泥口收集淤積於所述中空圓柱形體底端邊緣的淤泥。
本發明是控制水流在不擾動水體的層流情形下(雷諾數小於1,000狀況)，將水流與懸浮其中的微粒以圓錐型水流加速器由上而下提高速度，水中微粒因而產生垂直下降的慣性加速狀態，同時將具有相對於微粒具有較高移動性的聚合水分子團，以水平方向緩慢移動，使微粒與清水進行物理性分離，達到水質濁度淨化效果。本發明的裝置和方法可做為自來水原水高濁度狀況下之前處理設備，使後續傳統自來水處理流程發揮其既有的功能。
本發明中主要理論基礎包括(1)層流的雷諾數限制，控制水流中不擾動的線性水流狀況；(2)微粒與水分子團的移動度與擴散係數，控制垂直沉降微粒與水平流出清水的分離狀況；(3)粒子的重力終端沉降速度，控制不同粒徑微粒垂直慣性沉降等。現分別敘述如下1.層流的雷諾數限制物體在流體中運動，可能產生的主要作用力有兩種，其一為物體加速度或減速度造成的慣性力，另一作用力為流體介質粘滯性造成的摩擦力。慣性力與粘滯力的比值，即為雷諾數(Reynolds Number，Re)的基本定義。雷諾數的定義如下Re＝慣性力/粘滯力＝ρvd/μ(公式1)上式中，ρ為流體密度；v為流體流速；d為物體的粒徑或流體流經管徑；μ為流體在不同溫度下的粘滯度。
當流體經過物體時，以粘滯力為主情況下，流體流動的狀況稱為層流(laminar flow)或線流(streamline flow)。層流流經物體的上、下遊相當長距離內，都是呈現流線狀況，因為流體由於粘滯力主導，幾乎呈現不擾動狀態。當物體在流體中移動的慣性力逐漸大於粘滯力時，流線狀況逐漸消失，隨之而起的是湍流(Turbulence)。湍流流經物體的下遊處，幾乎呈現快速紊亂的混合現象。層流轉換為湍流過程中，雷諾數會逐漸增加，此範圍稱為過渡期(Intermediate)，因為在此範圍內，流體的內涵物、溫度、粘滯度均可能導致層流與湍流隨時轉變的現象。層流、過渡期與湍流的雷諾數範圍如表一所示(參考資料Fluid Mechanics，Ch.6，Ed.Frank M.White，McGraw-Hill Inc.1979)。
表一
本發明為了避免微粒在流動過程中，受到湍流的幹擾，因此本發明設計的微粒與清水分離技術，需在流體流線不受幹擾狀況下進行。在任何微粒與清水分離過程與位置，均需保持層流狀況，才可發揮最大處理效果。因此本發明的裝置和方法設計水流流場內雷諾數需在1,000以下，一方面避免湍流的產生，另一方面防止已沉降的微粒再度揚起。
2.微粒的移動度與擴散係數微粒與清水分離主要原理為兩者顯著不同的移動度(mobility，M)。在層流範圍內，移動度的定義為M=Cc3d]]>(公式2)上式中，M為粒子移動度；Cc為康寧漢修正係數，用來修正微小粒子穿梭於流體分子間的係數；μ為水的粘滯度，d為粒子粒徑。由上式得知，微粒越大，其移動度越小，也代表越大的微粒在層流情形下不易移動。因此在線性層流範圍中，微粒如在層流流線中運動，不容易移出既有流線。
擴散係數是描述粒子在流體中移動的重要參數，擴散係數是物質的濃度差異，產生高濃度往低濃度擴散的情形。粒子越小，越容易在流體介質中移動，意味著小粒子的高擴散係數，表示粒子可在流體中自由移動。粒子在流體介質的移動過程中，流體介質的摩擦力、粘滯力和阻力，均可變動其粒子運動的方向與速度。此外，在一般環境流體中，流動速度極快，多數屬於混合性極高的湍流(Turbulent flow)現象，進一步增加水中粒子懸浮流動的機率，使得高濁度原水中懸浮微粒無法自行沉降。粒子的擴散係數可用下式表示D＝MkT(公式3)上式中，D為粒子擴散係數，k為波茲曼常數(Boltzmann constant)，T為絕對溫度。移動度越高，顯示單位力量產生的速度較大，即粒子的擴散速度也較快(參考資料Aerosol Science and Technology，Ch.9，2nded.Parker C.Reist，McGraw-Hill Inc.1993)。
對於水分子而言，雖然單一水分子大小尺寸僅約2埃(10-10m)，但是環境中水分子無法以單一水分子運動，多數以聚合分子團移動，實際的聚合水分子團的尺寸與流體的流速、水溫、粘滯度、水溶性物質、離子強度有關。在室溫下，每個聚合水分子團約包含100個水分子。假設聚合水分子團為球形，其直徑約為5倍的單一水分子真實尺寸，即0.001μm，在25℃下聚合水分子團的擴散係數為4.56×10-5cm2/sec(參考資料Diffuision，Mass transfer in fluid systems，Ch.5，Ed.E.L.Cussler，CCambridge University Press，1984)，遠較1μm固體粒子的擴散係數(4.56×10-9cm2/sec)高出10,000倍。所以可利用聚合水分子團與微粒的擴散性的顯著差別，在層流流況下，通過垂直方向的微粒重力沉降與水平方向聚合水分子團移出方式，進行微粒與清水的分離處理。
3.粒子的重力終端沉降速度根據原水濁度的微粒粒徑分布調查結果，原水中微粒粒徑可高達200μm(微米，10-6m)，但也有小到0.1μm。在層流情形下，粒子受到重力影響，會與流體阻力達到平衡狀態，造成粒子重力引致的終端沉降速度(Terminal Settling Velocity，VT)。大型粒子的VT較高，短時間即可自行沉降，但是微小粒子VT緩慢，如不通過特殊設計的物理或化學方法，不易在短時間排除。
由表二中，可得知不同粒徑粒子，在攝氏20度的終端沉降速度和沉降一米所需時間。10μm與100μm的VT差別高達100倍，10μm粒子沉降一米需要3.4小時，而100μm僅需2.1分鐘，由此可知，如僅用重力沉降方式去除水中濁度微粒，粒徑越小的粒子需要更多靜置時間，才可實現去除水中微粒的目的。
因此，本發明首先控制水流在不擾動的層流(Laminar flow)狀況，使流體產生流線線性現象，水中微粒粒子隨著流線運動，不易交互幹擾與碰撞。通過水流加速設計與粒子重力沉降的終端沉降速度，水中微粒隨著線性水流向下沉降，猶如在垂直下降電梯中在水平方向緩慢釋出乘客。配合聚合水分子團的高度擴散性，使清水往水平方向緩慢移動，繞經垂直下降的不同粒徑粒子，而不幹擾其原有慣性沉降運動。如此，在不添加任何化學藥劑情形下，可用物理方式分離原水中微粒與佔有絕大多數的清水，達到去除微粒的目的。
表二
請參看圖1，其為微粒垂直重力沉降與水分子水平移動示意圖。微粒與清水分離情形可由微粒與清水的相對運動情形加以描述。聚合水分子團水平側向(D2)移出時，可能經過垂直沉降不同粒徑的微粒(P)附近，但因為微粒表面停滯層(T)的保護，水分子團不易直接碰撞微粒(P)，反而繞其周圍而行。由於不同粒徑的移動度與終端沉降速度不同，在垂直方向(D1)加速沉降的微粒(P)不易受側向水流影響，而沿著原有垂直方向沉降。聚合水分子團在水平側向(D2)移動時，如流經垂直向下沉降的微粒(P)，水的流線會依循微粒(P)表面的停滯層(T)邊緣通過，而不幹擾到垂直沉降的微粒(P)。
經由上述關於本發明利用(1)層流的雷諾數限制，控制水流中不擾動的線性水流狀況；(2)微粒與水分子團的移動度與擴散係數，控制垂直沉降微粒與水平流出清水的分離狀況；(3)粒子的重力終端沉降速度，控制不同粒徑微粒垂直慣性沉降等的理論說明後，所屬領域的技術人員，可很清楚的得知本發明確實可達到本發明如前述的許多目的與功效。
圖1為微粒垂直重力沉降與水分子水平移動示意圖。
圖2為本發明一優選實施例的剖面示意圖。
圖3為本發明上述優選實施例的局部放大示意圖。
具體實施例方式
請參看圖2與圖3，是本發明的一實施例，其為一種濁水微粒加速沉降分離裝置和一種在不擾動層流情況下使用的濁水微粒加速沉降分離方法。其中裝置包括一外殼(20)、一中空圓錐形水流加速器(10)、一微粒濃縮器(30)和一篩，例如200號篩(50)。外殼(20)包括一中空圓柱形體(25)，在周壁的不同的高度，設有複數個淨水集水管，例如高、中、低三組淨水集水管(24a，24b，24c)並於其底端設置有至少一排泥口(26)，中空圓柱形體(25)的內部直徑為15釐米，高度為105釐米，需為可承受1.5米水深壓力的容器，其材質為厚1釐米的堅固、內部平滑的壓克力、不鏽鋼、或PVC材料，並適合進行長時間高濁度原水的連續處理。各淨水集水管(24a，24b，24c)並設置有水量調節器。
外殼(20)另外具有一密閉頂板(22)，包含一開口(22a)於其中，密閉頂板(22)設置於接近中空圓柱形體(25)的頂端內側；和一底板(28)，包含一開口(28a)於其中，底板(28)設置於中空圓柱形體(25)的底端。
中空圓錐形水流加速器(10)設置於外殼(20)之中，其優選為一個高度為70釐米、塑料材質的圓錐管，包括一上部具較大直徑的入水口(12)和一下部具較小直徑的出水口(14)，其中入水口(12)的直徑為10釐米，出水口(14)的直徑為5釐米，兩者中間包括一直徑逐漸縮小的漸縮段(16)，出水口(14)邊緣外切角小於20度，以減少加速水流流出時的擾流現象，入水口(12)的外緣與外殼密閉頂板(22)的開口(22a)緣接合。另外，入水口(12)以螺旋密合方式與隔水橡膠作為汙濁原水與加速沉降器的分隔裝置，分開汙濁入流原水與處理後的出流淨水。圓錐形水流加速器(10)的主要作用為增加水流流速，通過流速增加，提升濁水微粒的垂直向下的慣性沉降速度。
微粒濃縮器(30)設置於外殼底板(28)的開口(28a)中，並位於中空圓錐形水流加速器(10)的出水口(14)的下方，微粒濃縮器(30)包括一承接口(32)和一流量控制閥(60)，用以控制微粒濃縮器(30)排出的汙水排出量。微粒濃縮器(30)的承接口(32)，其外緣與外殼底板(28)的開口(28a)緣接合，並具有大於中空圓錐形水流加速器(10)的出水口(14)直徑的直徑，且承接口(32)邊緣外切角小於20度。微粒濃縮器(30)的承接口(32)承接垂直降下的濁水微粒和少量載流水，並濃縮為高濁度汙水，由於未使用任何化學物質，濃縮後的汙濁水可在簡易處理後排出自來水淨水廠。
中空圓錐形水流加速器(10)的出水口(14)到微粒濃縮器(30)的承接口(32)間界定一微粒與淨水層流分離區(40)，其長度大約為20釐米(分離區長度勿超過30釐米)。200號篩(50)設置於中空圓錐形水流加速器(10)的入水口(12)上，用於流速調節與穩定流況，並可避免上方入流水擾動現象，影響到加速器(10)內的層流流況。
如圖2和圖3所示，利用上述裝置達到在不擾動層流情況下使用的濁水微粒加速沉降分離方法在於首先導引入流濁水(W)自中空圓錐形水流加速器(10)的入水口(12)進入上述裝置，並利用圓錐型水流加速器(10)截面積由大到小的改變，使入流濁水(W)加速通過下方的微粒與清水分離區(40)(本發明促使微粒(P)在層流中加速的目的，在於儘速通過特定長度的微粒與清水分離區(40)，減少微粒(P)逃逸出分離區(40)的機會)，而水中微粒(P)也隨之加速，產生垂直向下的慣性，致使清水(CW)以其高移動特性，朝向水平方向飄移出分離區(40)，微粒(P)則因垂直慣性沉降到正下方的微粒濃縮器(30)。本方法同時在中空圓柱形體(25)底部設置一排泥口(26)，收集淤積於中空圓柱形體(25)底端邊緣的淤泥。
隨後，自微粒濃縮器(30)的承接口(32)承接由中空圓錐形水流加速器(10)的出水口(14)加速流出，並經微粒與淨水層流分離區(40)分離的微粒(P)。另一方面則自中空圓柱形體(25)不同高度的等複數個淨水集水管(24a，24b，24c)收集水平方向緩慢移出分離區(40)而與微粒(P)分離的淨水(CW)。
其中，圓錐型水流加速器(10)中，入水口(12)到漸縮段(16)間，形成一穩流區(17)，其作用為使水流均勻，形成穩定層流流線，儘量減少內部水流的擾動，使懸浮微粒(P)穩定向下線性沉降。圓錐型水流加速器(10)的漸縮段(16)中形成一收縮加速區(18)，其目的在於使水流加速，水中微粒(P)也隨之加速，產生垂直向下的慣性沉降特性。圓錐型水流加速器(10)的漸縮段(16)到出水口(14)間，形成一加速穩流區(19)。水流加速器(10)內流線自內徑10釐米的穩流區(17)收縮到內徑5釐米的加速穩流區(19)，流體加速過程也需避免流體擾動，仍須保持層流流況。加速穩流區(19)的作用為使微粒(P)在雷諾數低於1,000的層流流況中，順著穩定快速、但不擾動流線情形下，向下加速沉降。
此外，分離區(40)為本發明分離微粒(P)與清水(CW)的重點，在快速無擾流狀態下，微粒(P)依其原有垂直向下方向加速沉降，沉降進入微粒濃縮器(30)，濃縮後加以排出；而聚合水分子團依其高擴散度，往水平方向移動，脫離此區(40)後，清水向上移動以三種不同高度排出。本區長度需依據微粒(P)的密度、粒徑分布與水流特性加以設計。
如前述，在清水(CW)水平方向向外緩慢移動過程中，不得擾動分離區(40)的水流流況，以免造成湍流，致使清水(CW)飄移出分離區(40)，微粒(P)則因垂直慣性沉降到正下方的微粒濃縮器(30)。藉此，垂直沉降的微粒(P)與水平移出的清水(CW)同步進行物理性分離，達到降低微粒(P)的淨水目的。
由於通過微粒與淨水層流分離區(40)的入流濁水(W)，需保持在層流狀態，因此本方法需控制流經微粒與淨水層流分離區(40)的汙水的雷諾數低於1000。控制雷諾數低於1000的方法在於經由(公式1)的計算決定達到雷諾數設計(例如Re＝500)值所需的流速範圍，通過控制設置於微粒濃縮器(30)中的流量控制閥(60)所允許通過的流量和淨水收集管(24a，24b，24c)與底部排泥管的水量調節器所允許通過的流量，以控制控制流經微粒與淨水層流分離區(40)的流速，進而控制雷諾數。
上述過程中，由於可能有較小的微粒(P)隨著清水流出，清水向上流動過程中，高位淨水收集管(24a)位置較高，收集濁度較為乾淨的水質，而中、低淨水收集管(24b，24c)的水質因高程較低，水質也較差。視原水濁度需求，可選擇不同高度的流出清水，做後續淨水處理。各淨水收集管(24a，24b，24c)水流量是以水量調節器加以控制，水流量需依實際微粒分離狀況加以調整，清水向上移動的過程中形成清水向上移動區(21)在分離區(40)往外水平移動的清水，受上方不同高度的清水收集管(24a，24b，24c)影響，清水(CW)向上沿圓錐型加速管(10)外側流動。雖然圓錐型加速管(10)外側面積逐漸縮小，但由於清水逐步由低、中淨水收集管(24b，24c)移出，清水向上流速可保持近似等速狀況。清水向上流速分布狀況，由位於分離器四側的高、中、低淨水收集管(24a，24b，24c)的水量調節器加以控制。
為達到優選效果，本方法可進一步包括調整流量控制閥(60)，以控制微粒濃縮器(30)排出包括微粒(P)的汙水排出量，使得汙水排出量約佔整體入流水量的25％左右，和經由控制微粒濃縮器(30)中的流量控制閥(60)和淨水收集管(24a，24b，24c)與底部排泥管的水量調節器所允許通過的流量，以控制流經微粒與淨水層流分離區(40)的汙水(W)的停留時間在60秒以下、控制中空圓錐形水流加速器(10)的出水口(14)處的水流速度約為1釐米/秒和控制三組淨水集水管(24a，24b，24c)收集的淨水佔導引的入流濁水(W)的70％左右，底部排泥管的排水量約為5％左右。
由前述可知，本發明方法的主要設計基礎包括(1)目標原水中濁度、微粒粒徑分布與密度的調查；(2)圓錐水流加速器幾何形狀與層流流況限制；(3)分離區特性、長度與微粒、清水分離狀況；(4)不同高度清水收集管的出流量分配比率；(5)微粒濃縮器的設計與出流率。分別敘述如下1.目標原水水中濁度、微粒粒徑分布與密度的調查濁水中的微粒粒徑為雨水衝刷沉積淤泥或土層後的結果，因地點、時間、降雨量與強度而有顯著不同，即使在相同原水取水口，也可能在不同時段、季節、降雨情形，產生截然不同的微粒粒徑、密度分布狀況。通過微粒粒徑(dp)百分比分布、微粒密度(ρp)、水的粘滯度(μ)調查，可計算粒徑的終端沉降速度(VT)，進而設計去除微粒的粒徑所需參數與可能的去除濁度效率。
2.圓錐水流加速器的幾何形狀與層流流況限制利用幾何漸縮形狀，設計上大下小的對稱型圓錐型水流加速器，提高水流流速，但必須保持水流流況在層流範圍(Laminarflow，雷諾數需低於1,000)。圓錐型水流加速器中，水中微粒依循層流中的流線，進行直線運動，再通過重力產生的慣性終端沉降速度，使微粒保持在垂直方向持續沉降。猶如運動選手在100米衝刺後，無法立即停止，而持續原有運動方向慣性前進。因此，設計水中微粒經由幾何漸縮水流加速器提高流速，並保持層流流況，加速通過微粒清水分離區，進行聚合水分子團與微粒的分離作用。
3.分離區特性、長度與微粒、清水分離狀況微粒粒徑越大，由於其質量慣性的緣故，較不易在受力方向產生位移，所以其移動度越低。通過微粒的低移動度與聚合水分子團的高擴散性，當微粒在離開圓錐型水流加速器後，微粒在垂直方向加速沉降過程中，導引聚合水分子團進行水平側向緩慢流出。分離區長度越長，可移出的清水量越高，但微粒側向流出情形也越高；分離區長度越短，導致清水側向流速越大，造成湍流機率也隨之提升，反而降低微粒去除效率。適當的分離長度有助於在既定微粒去除效率下，獲得最大的清水流出量。濃縮的濁水則沉降到下方中央微粒濃縮器，加以收集後排出。
4.微粒濃縮器的設計與出流率微粒濃縮器位於中央分離區正下方，負責收集慣性垂直向下沉降的微粒。微粒濃縮器的出流量須保持在整體入流流量的25％左右，即在分離區約可導引出75％的清水，出水水質仍須視原水微粒的粒徑分布情形而定。微粒濃縮器的出流水微粒濃度因為濃縮作用而大幅提高，但因本發明並未使用任何化學藥劑，因此在適當處理此汙水狀況下，應可排出到附近水體，以避免潛在的二次環境汙染情形。
5.不同高度清水收集管的出流量分配比率分離區的清水導引裝置設於分離區外四周的不同高層的清水收集管，引導分離區流出的清水，向上流動，清水向上的流速可由主要粒徑粒子的終端沉降速度加以設計。清水收集管收集高度越高者，水質越為澄清。清水收集管的高度與相對水流流量分配狀況，需依據水中微粒粒徑分布狀況加以控制。
本發明的特點為利用原水中微粒的重力沉降慣性與聚合水分子團的高度擴散性，分離水中微粒與清水，達到去除濁度的目的。由於微粒密度是產生重力沉降的關鍵，因此本方法不應使用任何化學混凝劑。如使用化學混凝劑，雖然增大絮凝物體積，但是密度卻明顯降低，進一步不利本發明中微粒沉降與清水分離的設計原理。本發明的應用重點為(1)可處理無濁度上限的自來水原水；(2)無須添加任何化學混凝劑；(3)使用最少電力和維護；(4)無間斷式的連續淨水處理等。
依據濁水加速沉降分離法的設計原理，高濁度的原水自圓錐型水流加速器上方以重力方式自然流入，原水經過穩定流速的200號篩後，進入直徑10釐米的圓錐型加速器，利用上大下小逐漸收縮的圓型出水管增加水流流速，原水中微粒也隨之加速。加速器出口處為5釐米的圓形管，流況也需為雷諾數低於1,000的層流流況。
在層流狀態下，微粒以加速後的線性速度，儘速通過特性長度的微粒與清水分離區。在分離區微粒直線加速沉降期間，引導具有較高擴散性的聚合水分子團，順著水平方向移出此分離區，清水向上流到側方不同高度的淨水收集管，加以收集潔淨程度不等的處理清水，達到降低濁度、水質淨化的目的。
淨水收集管所得的處理淨水，仍須由傳統自來水快濾方式加以處理。對於垂直沉降的濃縮濁度汙水，則由微粒濃縮器排出。由於本發明未使用任何化學物質，此高濁度汙水在適當方式處理後，可直接排放附近水體，並避免環境遭受化學藥劑的二次汙染。
本發明的所需基本資料包括入流高濁度原水的濁度(NTU)、懸浮微粒重量濃度(Suspended Solid，SS)、微粒粒徑分布狀況、密度、操作水溫等資料。依據濁水加速沉降分離法設計的要點，需考慮層流限制(Laminar Flow Limitation)、微粒垂直沉降(ParticleVertical Deposition)與清水水平分離(Water Horizontal Separation)三項原則。水流流況的情形為必須嚴格符合層流範圍，不可擾動水流，讓微粒保持線性流動；需促使微粒在垂直方向因水流加速與重力慣性向下產生的沉降；使高度擴散的聚合水分子團在水平方向穩定移出，由不同高度的清水收集管加以收集。依據原水微粒基本資料與上述三項原則，設計圓錐型水流加速裝置的幾何形狀與尺寸、微粒分離區長度、微粒濃縮器尺寸、清水收集管取水高度與流量控制等要求。
本發明的重點包括圓錐型水流加速器的幾何設計、微粒與清水分離區特定長度、微粒濃縮器與不同高度的淨水收集系統等。主要發明特性敘述如下1.圓錐水流加速器的幾何設計為圓錐形狀，使得水流加速比最高可達25倍，加速倍數越高，分離效果越佳，但相對淨水出水量也降低，初步設計以加速四倍最為理想，但加速後水流流況仍須保持在層流範圍，建議設計的雷諾數為500。
2.分離器中水流流況是由入流水的高程、淨水管各高程出水控制閥與微粒濃縮器出水閥加以控制，並需達到分離器內層流流況的要求，並不得擾動分離器內的水流。
3.微粒與清水分離機制是依據聚合水分子團在水平方向擴散度高於微粒在垂直方向的慣性沉降速度。此設計需確實掌握微粒的密度與微粒粒徑分布，用以設計微粒與清水分離區的特定長度與各出水閥的出水流率，才可達到最佳微粒與清水的分離效果。
4.微粒濃縮器微粒濃縮器是以一個上方承接口較大的漸縮管，承接垂直降下的微粒和少量載流水，濃縮為高濁度汙水。微粒濃縮器上方承接口的內徑需大於加速器加速端出口內徑，濃縮濁度後的汙水流量是以後方水量調節器加以控制，水量約為整體入流水量的四分之一。
5.淨水收集管分為高、中、低三道淨水管與最底端的排泥管，此四部分共收集入流水水量的四分之三；而微粒濃縮器則需維持四分之一的總水流量。由於本發明未使用任何化學物質進行混凝化學作用，因此濃縮後的高濁度汙水在適當處理後，可直接排入附近水體。
分離高濁度原水中微粒調查設計過程，需分為下列階段1.高濁度原水特性調查需分析原水中微粒濁度與SS重量濃度關連性、微粒粒徑分布、微粒密度、水溫等基本資料，評估微粒在不同粒徑的沉降性，作為設計分離設計的參考。
2.圓錐型加速器的幾何形狀決定入流流量與流速，評估層流設計雷諾數與流速。
3.分離器設計分離器的設計重點在於分離區長度、上方水流加速器出口與下方微粒濃縮器接收口的相對位置。
4.入流流量與出流流量的控制經由入流流量的計算，決定不同高層清水收集管的流出率與微粒濃縮器的流出率。
5.操作試驗以單元操作試驗，評估初步設計的濁度分離效果，以評估各項操作參數下的有效去除微粒粒徑與相關去除效率。
6.放大規模測試由於單一設計所得的清水處理量有限，必須進行放大試驗，以提升高濁度原水處理量，供應目標自來水廠的既定處理水量。由於本發明每座分離器的高度僅約一米，放大規模過程中可設計多組並聯處理，配合多層結構體，放大規模於現有自來水水廠範圍，以減少用地面積需求的限制。
初步的處理結果顯示，本發明可處理水中濁度高達上萬NTU的混濁原水，粒子粒徑越大，去除效率越佳，可顯著地處理微粒粒徑低到1μm的微粒。如經由串連與組合本發明裝置，可以符合自來水淨水流程的入流水濁度要求。本發明的特點是無須使用任何化學物質，僅以單純物理微粒加速沉降與清水擴散性原理，分離高濁度原水。未來可放大使用多組設備於不同高層，以節省土地使用和處理大量需水狀況，並可直接設計於現有自來水廠進水端，做為暴雨、高濁度情形時的自來水緊急預處理系統。
綜上所述，容易了解本發明的濁水微粒加速沉降分離裝置和方法，解決常規技術的缺點如耗用大量電能、沉降性不佳、化學膠凝劑產生大量化學汙泥等缺點，確實遠優於現有技術而深具產業利用價值和進步性，且在同類產品或方法中均未見有類似的產品或方法，所以已符合發明專利的申請重要條件，於是依法提出申請。
權利要求
1.一種濁水微粒加速沉降分離裝置，包括一外殼，包括一中空圓柱形體，在其周壁不同的高度，設有複數個淨水集水管，並於其底端設置有至少一排泥口；一密閉頂板，包含一開口於其中，所述密閉頂板設置於接近所述中空圓柱形體的頂端內側；和一底板，包含一開口於其中，所述底板設置於所述中空圓柱形體的底端；一中空圓錐形水流加速器，設置於所述外殼之中，所述中空圓錐形水流加速器包括一具有較大直徑的入水口和一具有較小直徑的出水口，和一位於所述入水口與出水口之間，直徑逐漸縮小的漸縮段，所述入水口的外緣與所述外殼密閉頂板的所述開口接合；和一微粒濃縮器，設置於所述外殼底板的所述開口中，並位於所述中空圓錐形水流加速器的所述出水口的下方，所述微粒濃縮器包括一承接口，所述承接口的外緣與所述外殼的所述底板的所述開口接合。
2.如權利要求1所述的濁水微粒加速沉降分離裝置，進一步包括一篩，設置於所述中空圓錐形水流加速器的所述入水口上。
3.如權利要求1或2所述的濁水微粒加速沉降分離裝置，其中所述微粒濃縮器包括一流量控制閥，用以控制所述微粒濃縮器排出的汙水排出量。
4.如權利要求1或2所述的濁水微粒加速沉降分離裝置，其中所述中空圓柱形體的內部直徑約為15釐米，高度約為105釐米，且可承受1.5米水深壓力。
5.如權利要求4所述的濁水微粒加速沉降分離裝置，其中所述中空圓錐形水流加速器的所述入水口直徑約為10釐米，所述中空圓錐形水流加速器的所述出水口直徑約為5釐米，所述出水口邊緣外切角小於20度。
6.如權利要求5所述的濁水微粒加速沉降分離裝置，其中所述中空圓錐形水流加速器的所述出水口到所述微粒濃縮器的所述承接口的長度大約為20釐米。
7.如權利要求1或2所述的濁水微粒加速沉降分離裝置，其中所述微粒濃縮器的承接口具有大於所述中空圓錐形水流加速器的所述出水口直徑的直徑，且所述承接口邊緣外切角小於20度。
8.如權利要求1或2所述的濁水微粒加速沉降分離裝置，其中所述外殼的所述中空圓柱形體設置有高位、中位、低位三組淨水集水管，每一所述三組淨水集水管設有一水量調節器。
9.一種在不擾動層流情況下使用的濁水微粒加速沉降分離方法，包括下列步驟(a)提供一外殼，所述外殼包括一中空圓柱形體，在其周壁不同的高度，設有複數個淨水集水管，並於其底端設置有至少一排泥口；一密閉頂板，包含一開口於其中，所述密閉頂板設置於接近所述中空圓柱形體的頂端內側；和一底板，包含一開口於其中，所述底板設置於所述中空圓柱形體的底端；(b)提供一中空圓錐形水流加速器，設置於所述外殼之中，所述中空圓錐形水流加速器包括一具有較大直徑的入水口和一具有較小直徑的出水口，和一位於所述入水口與出水口之間，直徑逐漸縮小的漸縮段，所述入水口的外緣與所述外殼密閉頂板的所述開口接合；(c)提供一微粒濃縮器，設置於所述外殼底板的所述開口中，並位於所述中空圓錐形水流加速器的所述出水口的下方，所述微粒濃縮器包括一承接口，所述承接口的外緣與所述外殼的所述底板的所述開口接合；(d)定義所述中空圓錐形水流加速器的所述出水口到所述微粒濃縮器的所述承接口為一微粒與淨水層流分離區；(e)導引濁水自所述中空圓錐形水流加速器的所述入水口進入；(f)自所述微粒濃縮器的承接口承接由所述中空圓錐形水流加速器的所述出水口加速流出的濃縮濁水，並收集經所述微粒與淨水層流分離區分離的垂直向下沉降的微粒；(g)自所述中空圓柱形體的所述複數個不同高度淨水集水管收集經所述微粒與淨水層流分離區，而朝水平方向與所述微粒分離的淨水；和(h)自所述中空圓柱形體的所述至少一排泥口收集淤積於所述中空圓柱形體底端邊緣的淤泥。
10.如權利要求9所述的方法，進一步包括提供一篩，設置於所述中空圓錐形水流加速器的所述入水口之上，以調節所述被導引濁水的流速，避免擾動現象。
11.如權利要求9或10所述的方法，進一步包括設置一流量控制閥，於所述微粒濃縮器中，以控制所述微粒濃縮器排出包括所述微粒的汙水排出量。
12.如權利要求9或10所述的方法，進一步包括設置一水量調節器於每一所述淨水集水管中。
13.如權利要求9或10所述的方法，其中所述中空圓柱形體的內部直徑約為15釐米，高度約為105釐米，且可承受1.5米水深壓力。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述中空圓錐形水流加速器的所述入水口直徑約為10釐米，所述中空圓錐形水流加速器的所述出水口直徑約為5釐米，所述出水口邊緣外切角小於20度。
15.如權利要求14所述的方法，進一步包括控制所述微粒與淨水層流分離區的長度大約為20釐米。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述微粒濃縮器的承接口具有大於所述中空圓錐形水流加速器的所述出水口直徑的直徑，且所述承接口邊緣外切角小於20度。
17.如權利要求11所述的方法，進一步包括調整所述微粒濃縮器的流量控制閥和所述淨水集水管的水量調節器，以控制流經所述微粒與淨水層流分離區的汙水的雷諾數低於1000。
18.如權利要求11所述的方法，進一步包括調整所述微粒濃縮器的流量控制閥和所述淨水集水管的水量調節器，以控制流經所述微粒與淨水層流分離區的汙水的時間在60秒以下。
19.如權利要求11所述的方法，進一步包括調整所述微粒濃縮器的流量控制閥和所述淨水集水管的水量調節器，以控制所述中空圓錐形水流加速器的所述出水口處的水流速度約為1釐米/秒。
20.如權利要求11所述的方法，進一步包括調整所述微粒濃縮器的流量控制閥和所述淨水集水管的水量調節器，以控制所述複數個淨水集水管收集的淨水佔所述被導引的濁水的75％左右。
全文摘要
本發明為一種應用在高濁度原水之前處理的濁水微粒加速沉降分離裝置與方法，其依據層流流況限制、微粒加速垂直沉降與清水水平移出原理，在層流(雷諾數須低於1,000)狀況下，使水中微粒產生垂直向下、慣性加速現象，同時將清水以水平方向慢速移出，便可將微粒與清水作物理性分離，最後以不同高度淨水管收集清水，濃縮後的高濁度汙水在適當處理後，排放到附近水體，因此本發明可顯著降低水中濁度，提高後續自來水的淨水速率。
文檔編號B01D21/00GK101085689SQ200610087449
公開日2007年12月12日 申請日期2006年6月8日 優先權日2006年6月8日
發明者劉希平 申請人:劉希平