CN105399200A - 一种细分子化溶氧曝气装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细分子化溶氧曝气装置，包括：支座、与所述支座固定安装的壳体、设置在所述壳体中的中心轴、变螺距螺旋叶片组件和连接在所述壳体两端的中心轴两端的气液混合输入管和溶气细化流体输出管，所述变螺距螺旋叶片组件安装在中心轴上，中心轴的两端分别安装有一个导流锥。本发明利用机械切割和水力剪切作用使气泡破碎细化，实现气体超饱和溶解且保持在水中不易释放出来，同时还可将流过该装置的各种悬浮物和溶解于水中的大分子有机物切割细化。细分子化溶氧曝气装置能够直接用于好氧生物处理进行污废水处理和受污染水体净化，还可用于水产养殖增氧、富氧水制备、饮料加气等液体溶气领域，以及化工生产过程中的细化混合领域。

Description

一种细分子化溶氧曝气装置

技术领域

本发明属于细分子化领域，涉及一种细分子化溶氧曝气装置。

背景技术

天然水体具有一定的自净能力，其中微生物的氧化分解是水体自净的主要途径。如果水体中溶解氧含量较低，好氧微生物将受到抑制，而厌氧微生物处于活跃状态。当进入水体中污染物总量超过水体自净能力时，水体中溶解氧会被好氧微生物降解消耗殆尽，导致水体呈现厌氧状态，剩余污染物在厌氧微生物的作用下被分解为氨气、甲烷、二氧化碳、硫化氢等对水生生物具有毒害性的气体，最终致使水体的自净能力丧失，并伴随着水体发黑变臭等现象的发生，对周围环境带来极大的影响。如何向水体高效增氧是修复水体的关键所在。

在污废水的好氧生化处理过程中，曝气是处理***中的一个重要工艺环节，目的是为了保持反应池中溶解氧的含量，保证好氧微生物分解污染物所需的溶解氧，并使反应内微生物、污染物、溶解氧三者充分混合与接触，为微生物降解污染物提供最适宜的条件。传统的溶氧方式大多采用鼓风曝气或机械曝气，鼓风曝气大多采用淹没式的多孔扩散头或空气喷嘴产生气泡，气泡直径较大，在水体中的上升速度快、停留时间短，氧利用率较低，动力消耗较大。机械曝气也需要通过消耗大量电能来实现充氧曝气，能耗普遍较高。而曝气是污废水好氧生化处理***中运行费用最高的工艺环节，曝气充氧的电耗一般约占全厂总能耗的50％以上，导致***运行费用较高，这也是许多已建污水处理厂难以维持正常运行的原因。因此，提高溶氧效率是促进污水处理厂正常运行的重要保障。

水体中污染物与环境基质和污染物之间的交互作用对其可生化性(也称生物可降解性，即被微生物降解的难易程度)有很大影响。有机物和环境中溶解态或颗粒态天然有机质结合，导致其自由溶解形态大量减小，水体中污染物之间的相互作用使之结合形成大分子集团或极性很强的分子，污染物与微生物的接触面积大大减小，难以进入生物体的细胞膜被微生物所吸收，从而导致污染物的可生化性降低。此时即使提高水体中的溶解氧浓度，对污染物的去除效果也很难达到要求。因此在实现水体较高溶解氧浓度的同时，如何对水体中污染物进行切割细化，对提高污染物生化处理效果具有非常积极的作用。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种能够对气液混合流体进行切割细化，提高溶解氧含量的细分子化溶氧曝气装置，该装置结构简单、体积小、不易堵塞、操作方便、能耗较低，大大提高水体中溶解氧含量的同时，实现对水体中大分子团污染物的切割细化，有效增加生物作用接触面积，提高污染物生物降解速率。

技术方案：本发明的细分子化溶氧曝气装置，包括：支座、与所述支座固定安装的壳体、设置在所述壳体中的中心轴、变螺距螺旋叶片组件和连接在所述壳体两端的中心轴两端的气液混合输入管和溶气细化流体输出管，所述变螺距螺旋叶片组件安装在中心轴上，中心轴的两端分别安装有一个导流锥。

本发明中，所述的壳体带有一个进口和一个出口，进出口沿变螺距螺旋叶片组件的轴向方向布置在所述壳体的两端，所述进口与气液混合输入管连接，所述出口与溶气细化流体输出管连接。

进一步的，本发明装置中，所述的变距螺旋叶片组件由沿中心轴的轴向依次排列连接的基本叶片单元组成，从气液进口端至出口端的各基本叶片单元内边缘的连接轨迹满足以下等径变螺距螺旋线方程：

$X=\frac{D}{2}\cos t$

$Y=\frac{D}{2}\sin t$

Z＝b·t^m

式中：D——中心轴直径；

t——变螺距螺旋叶片组件上任一点的扭转角度(弧度)；

m——变距螺旋系数，0<m<1；

b——其值为其中：L为变螺距螺旋叶片组件的长度。

进一步的，本发明装置中，中心轴的表面设置有叶片安装凹槽，两端设置有用以安装导流锥的外螺纹。

进一步的，本发明装置中，变螺距螺旋叶片组件，由基本叶片单元按顺序逐一安装在表面铣有凹槽的中心轴上，叠加后锁紧固定。

进一步的，本发明装置中，基本叶片单元的轴向投影为“一”字型或“十”字型，叶片的厚度为0.1～1mm。

进一步的，本发明装置中，导流锥带有与中心轴两端外螺纹相配合的内螺纹。

本发明中，所述中心轴表面铣有上述等径变螺距螺旋线方程形状的一凹槽，随后将基本叶片单元叠加旋转，组装固定成上述变螺距螺旋叶片组件，中心轴的两端车削有外螺纹，通过带有与外螺纹配合的导流锥(自带内螺纹)组合固定，导流锥可用于均匀分布气液混合流体，同时也有利于减小阻力损失。

组成变螺距螺旋叶片组件的基本叶片单元为“一”字型或“十”字型，叶片厚度为0.1～1mm，叶片厚度越小，对气液混合物的切割细化效果越好，产生的气泡直径较小，溶氧效率也越高，基本叶片单元的数量根据叶片的厚度和变螺距螺旋叶片组件的长度而定。

装置中的壳体与变螺距螺旋叶片组件固定并紧密配合，壳体、中心轴、变螺距螺旋叶片组件通过支撑支座、导流锥、螺栓、螺母相互连接固定。

对于细分子化溶氧曝气装置，气体输入通过气体分布器实现，气体分布器为圆柱形，垂直***气液混合流体输入管内，背向水流处开有出气孔，出气孔的中心位于气液混合流体输入管的轴线上。水流经过气体分布器时发生绕流运动，在分布器出气孔处产生漩涡，从出气孔释放的气体在漩涡区水力剪切的作用下迅速得到充分分散。

高溶解氧环境条件下，普通铸铁极易遭受化学腐蚀，所以细分子化溶氧曝气装置的材质宜采用不锈钢材质，以防止高溶解氧对装置的腐蚀作用。

本发明利用机械切割和水力剪切作用使气泡破碎细化，实现气体超饱和溶解且保持在水中不易释放出来，同时还可将流过该装置的各种悬浮物和溶解于水中的大分子有机物切割细化。细分子化溶氧曝气装置能够直接用于好氧生物处理进行污废水处理和受污染水体净化，还可用于水产养殖增氧、富氧水制备、饮料加气等液体溶气领域，以及化工生产过程中的细化混合领域。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、传统曝气装置产生的气泡直径大小通常为毫米级，而本发明细分子化溶氧曝气装置中产生的气泡直径可达微米或纳米级，气液比表面积较大，可有效强化氧的传质效率，能将氧(或气体)在常温、常压条件下超饱和溶于水中，溶解氧浓度远超饱和浓度。气泡直径越小，在水中停留时间越长，能使氧气保持在水中不易释放出来。

2、传统曝气装置一般只存在曝气充氧和气液混合作用，对混合液细化切割作用较弱。本发明细分子化溶氧曝气装置通过构建立体切割数学方程，能将流过该装置的气、水分子团及各种悬浮物和溶解于水中的大分子有机物集团切割细化，从而大大增加物质相互作用的接触面积；在污废水处理中，微生物、污染物、溶解氧可实现充分的混合接触，进而强化好氧微生物的活性，提高对污染物的去除能力。

3、虽然近年来出现一些新型微纳米曝气装置，但是存在结构复杂难以加工，流路较窄容易堵塞等问题。而本发明细分子化溶氧曝气装置结构简单、体积小、不易堵塞、操作方便、维护和使用成本较低，具有良好的经济效益。

4、细分子化溶氧曝气装置能够直接用于好氧生物处理进行污废水处理和受污染水体净化(修复)，还可用于富氧水制备、饮料加气等液体溶气领域，以及化工生产过程中的细化混合等领域。

附图说明

图1是本发明细分子化溶氧曝气装置的结构示意图；

图2是本发明细分子化溶氧曝气装置变螺距螺旋叶片组件的结构示意图；

图3是本发明细分子化溶氧曝气装置中组成变螺距螺旋叶片组件的基本叶片单元的结构示意图；

图4是本发明细分子化溶氧曝气装置中的变螺距螺旋叶片组件的支座的结构示意图；

图5是本发明细分子化溶氧曝气装置的应用***图。

图中有：1-壳体，2-变螺距螺旋叶片组件，3-中心轴，4-基本叶片单元，5-支座，6-导流锥，7-法兰盘，8-氧气瓶，9-气体减压阀，10-进气管，11-流量调节阀，12-气体分布器，13-气液混合输入管，14-溶气细化流体输出管，15-控制阀门，16-水箱。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明细分子化溶氧曝气装置主要包括壳体1、变螺距螺旋叶片组件2(由基本叶片单元4组成)、中心轴3、支座5以及导流锥6。

壳体1为圆柱形圆筒，在其两端装有支座5，支座5与中心轴3相连接，可将变螺距螺旋叶片组件2与壳体1固定连接为一体。在壳体1的两端，通过法兰盘7将进口端与气液混合输入管13连接，出口端与溶气细化流体输出管14相连接。

图2为变螺距螺旋叶片组件的结构示意图，基本叶片单元4(如图3所示)由薄不锈钢片冲裁形成，在中心轴3的表面通过加工中心按变螺距螺旋曲线方程铣出一凹槽，并将两端各车削出一段外螺纹。将冲裁出的基本叶片单元4按顺序逐一在表面铣有凹槽的中心轴上叠加起来，再通过带有内螺纹的导流锥6将基本叶片单元4锁紧固定，即可得到变螺距螺旋叶片组件2。

$X=\frac{D}{2}\cos t$

$Y=\frac{D}{2}\sin t$

Z＝b·t^m

式中：D——中心轴直径；

t——变螺距螺旋叶片组件上任一点的扭转角度(弧度)；

m——变距螺旋系数，0<m<1；

b——其值为其中：L为变螺距螺旋叶片组件的长度。

如图4所示，在变螺距螺旋叶片组件2的支座内部结构中，支座5辐条与基本叶片单元4中叶片的形状相似，但支座辐条截面为梯形不同于基本叶片单元4截面为矩形的叶片，目的是为了减小气液混合流体在刚进入装置时产生的阻力损失，有利于降低装置的能耗。

图5是本发明细分子化溶氧曝气装置的一种应用***图，主要是将氧气通过切割细化成微纳米气泡溶于水中，提高水体中溶解氧含量，并保持溶解氧长时间不易释放出来。氧气瓶8通过气体减压阀9，经进气管10及流量调节阀11与气体分布器12和气液混合输入管13连接。细分子化溶氧曝气装置的进口与气液混合输入管13连接，细分子化溶氧曝气装置的出口与溶气细化流体输出管14相连接，气液混合输入管13和溶气细化流体输出管14上均装有控制阀门15。进气管10优选硅胶管，流量调节阀11可调节气体的进气量，进而控制溶解氧含量。

细分子化溶氧曝气装置工作时，打开控制阀15和氧气瓶减压阀9及流量调节阀11。水经过液体输入管通过气体分布器12与氧气进行初步混合后一起经气液混合输入管13进入细分子化曝气溶氧装置。气液两相流在变螺距螺旋叶片组件的作用下，能够加速进入装置形成螺旋流，同时螺旋叶片能够实现对气泡的机械切割作用，使气泡直径变小。而且装置内可产生径向和轴向的压力梯度，扩大传递界面，产生湍流及涡流等复杂流动状态，使得气泡在水力剪切作用下进一步破碎细化，导致气体能够超饱和溶解，溶解氧含量可达到标准状态下溶解量含量的1.5～5倍，并能保持水体中溶解氧在相当一段时间内维持在较高水平，经过切割细化的溶氧水经过溶气细化流体输出管14进入水箱16使用。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种细分子化溶氧曝气装置，其特征在于，该装置包括：支座(5)、与所述支座(5)固定安装的壳体(1)、设置在所述壳体(1)中的中心轴(3)、变螺距螺旋叶片组件(2)和连接在所述壳体(1)两端的中心轴(3)两端的气液混合输入管(13)和溶气细化流体输出管(14)，所述变螺距螺旋叶片组件(2)安装在中心轴(3)上，中心轴(3)的两端分别安装有一个导流锥(6)。

2.按照权利要求1所述的细分子化溶氧曝气装置，其特征在于，所述变螺距螺旋叶片组件由沿中心轴(3)的轴向依次排列连接的基本叶片单元(4)组成，从气液进口端至出口端的各基本叶片单元(4)内边缘的连接轨迹满足以下等径变螺距螺旋曲线方程：

$X=\frac{D}{2}\cos t$

$Y=\frac{D}{2}\sin t$

Z＝b·t^m

式中：D——中心轴直径；

t——变螺距螺旋叶片组件上任一点的扭转角度(弧度)；

m——变距螺旋系数，0<m<1；

b——其值为其中：L为变螺距螺旋叶片组件的长度。

3.按照权利要求2所述的细分子化溶氧曝气装置，其特征在于，所述中心轴(3)的表面设置有叶片安装凹槽，两端设置有用以安装导流锥(6)的外螺纹。

4.按照权利要求1、2或3所述的细分子化溶氧曝气装置，其特征在于，所述的变螺距螺旋叶片组件，由基本叶片单元(4)按顺序逐一安装在表面铣有凹槽的中心轴(3)上，叠加后锁紧固定。

5.按照权利要求1、2或3所述的细分子化溶氧曝气装置，其特征在于，所述基本叶片单元(4)的轴向投影为“一”字型或“十”字型，叶片的厚度为0.1～1mm。

6.按照权利要求1、2或3所述的细分子化溶氧曝气装置，其特征在于，所述导流锥(6)带有与中心轴(3)两端外螺纹相配合的内螺纹。