CN106115950A

CN106115950A - 一种超饱和溶解氧曝气装置

Info

Publication number: CN106115950A
Application number: CN201610709952.XA
Authority: CN
Inventors: 郑晓宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2016-11-16

Abstract

本发明提供一种超饱和溶解氧曝气装置，其主要特征是，在水流进入锥形接触室之前，加装文丘里气液混合器和螺旋管混合器。文丘里可快速引入氧气，为达到气、液流量平衡，在锥形接触室顶部增加联通管。通过检测联通管内的液位的变化，液位计可实时对接触室气体空腔的大小做出反应，并将信号发送到控制器。来调节氧气流量，从而控制气、液流量比，实现精确曝气。其优点是，通过液位计，动态调节氧气流量，实现自动精确纯氧曝气。可快速、高效生成超饱和溶解氧水流，与周围水体形成大的溶解氧梯度，氧能够快速向周围扩散，通常扩散半径可达2 km以上，使水体迅速充氧。采用超饱和溶解氧曝气，可实现设备小型化，减少装置占地面积，节省设备投入成本。

Description

一种超饱和溶解氧曝气装置

技术领域

本发明涉及一种用于污水处理、环境水体修复以及水产养殖增氧用的超饱和溶解氧曝气装置，属于环保设备领域。

背景技术

曝气在污水处理、尤其是生化处理过程中，是最核心的工艺之一。曝气复氧同时也是修复城市黑臭河道、富营养化湖泊、水库、河口海岸等多种水体的前提。我国水产养殖面积广阔，有数百万公顷的水面，水产养殖的溶解氧需求相当大。为增加水产养殖产量，保证品质，需要高效的曝气充氧技术。常见的曝气装置采用空气曝气，如机械曝气和鼓风曝气装置等。无论是机械曝气还是鼓风曝气，氧溶解效率较低，通常只有15-25%左右。这是由于空气中氧气含量只有约21%，在20℃清水中氧的饱和溶解度只有9.1 mg/L。采用纯氧曝气，根据亨利定律，由于氧气分压增大，溶解氧浓度增加，水中饱和溶解浓增加，在室温下可达43.3 mg/L。如果在曝气装置内继续增加氧气分压，如2个气压时，饱和溶解氧浓度可达86.6mg/L。由于纯氧制备费用较贵，如果采用普通的微孔曝气装置，会造成部分氧气从水体逃逸到大气中，造成浪费，降低纯氧曝气效率。原发明的下流式气泡接触曝气装置（美国专利号US3804255），也称为Speece 锥形增氧装置，采用氧气作为气源，可以几乎100%利用纯氧。其原理是：通过水泵将水流从上到下注入一倒圆锥形接触室，倒锥形接触室顶部有一纯氧进气管，氧气与高速水流混合形成大量气泡并随水流向下流动。在气液混合物向下流动过程中，由于接触室横截面积逐渐扩大，水流速度不断降低，当水流下降速度小于气泡上升速度时，氧气气泡不再向下流动，这样氧气便能被“束缚”在锥体内部。该装置增加了氧气和水流的接触时间，理论上氧气利用效率可达100%。但是该装置有如下缺陷：

（1）该曝气装置的水流流量和氧气流量必须维持一定的平衡状态，否则会造成氧气气泡在接触室顶部积累或出水不能达到饱和溶解氧浓度。在实际运行中，水流和气流随时间会发生波动，两者很难达到平衡。例如：当氧气流量大于水体所需饱和溶解氧量时，上升气泡将逐渐累积在锥形接触室顶部，形成气体空腔，减少水体和气泡接触强度和时间，甚者挤压接触室内水位，将气泡“挤”出反应器。如果氧气流量小于水流所能溶解的氧气量，则出水溶解氧浓度低于饱和浓度，曝气效率降低。因此有必要对氧气流量和水流量进行精确控制，使二者保持动态平衡；

（2）该装置虽能保证了氧气在反应器之内的停留时间，但水流的停留时间有限。根据气体在液体扩散双膜传质理论，氧气溶解取决于液膜内的传质速度。由于从上到下圆锥形水流速度不断减小，逐渐从湍流转变为层流，气、液之间扰动不足，这样不利于气液之间的快速传质。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术中存在的不足，提供一种超饱和溶解氧曝气装置。增加前置气液混合装置，提高氧气在水流中传质效果，同时提供一种精确控制该曝气装置的气体流量和水体流量平衡的方法。

本发明的目的是这样实现的，包括进水管、水泵、氧气管、进气控制阀、文丘里气液混合器、螺旋管混合器、倒锥形接触室、接触室气体空腔、顶部联通管、液位计、排空阀门、控制器、出水管，其特征是，进水管与水泵连接，水泵经出水管连接文丘里气液混合器，文丘里气液混合器中部连接氧气管，在氧气管进入文丘里气液混合器之间是进气控制阀，文丘里气液混合器的出口与螺旋管混合器进口相连，螺旋管混合器的出口朝下与倒锥形接触室的顶部进口连接。在倒锥形接触室的顶部侧面设有联通管。在顶部联通管垂直段内安装液位计。在顶部联通管的水平管连接排空阀门。底部直径出口连接出水管。经出水管，水流排入环境水体。控制器通过信号线，一端与液位计相连，另一端与进气控制阀连接。在水流进入锥形接触室之前，增加的前置就是加装文丘里气液混合器和螺旋管混合器。

文丘里可快速引入氧气，在高速水流下，在水流中形成大量微气泡，这些微气泡水流混合物再进入螺旋管，通过螺旋管内高速流动产生的离心力和剪切力使得水流与气泡充分接触混合，实现氧的高效溶解。为达到气、液流量平衡，在锥形接触室顶部增加联通管。由于过剩的氧气将在锥形接触室顶部形成空腔，影响液位高低。通过检测联通管内的液位的变化，判断是否有空腔，即氧气流量过量，来调节氧气流量，从而控制气、液流量比，实现精确曝气。

本发明的有益效果是，通过液位计，动态调节氧气流量，实现自动精确纯氧曝气。可快速、高效生成超饱和溶解氧水流，通常浓度大于43mg/L，远远超过室温下水体饱和溶解氧浓度9mg/L。含超高溶解氧浓度的水流，与周围水体形成大的溶解氧梯度，氧能够快速向周围扩散，通常扩散半径可达2 km以上（具体取决于温度、水深等相关因素），使水体迅速充氧。

采用超饱和溶解氧曝气，可实现设备小型化，减少装置占地面积，节省设备投入成本。在废水处理过程中，采用空气曝气，需安装大功率的鼓风机、大型水泵或大管径曝气管道，设备投入大。如采用本发明的纯氧曝气装置，在注入相同质量溶解氧的条件下，相关设备大小只有采用空气曝气技术的1/4，节省占地和设备投入。

本发明技术非常适合大、中型污染水体修复。本发明生成的水流富含超饱和溶解氧，与污染水体底部水流混合时，不产生气泡，不会出现底部水流被气泡携带上升的现象，也不会出现水体底部污泥卷起的现象，不搅动水体底泥，不干扰水体正常流动，实现了治水与治泥结合。通过高浓度溶解氧曝气，对缺氧水域高效率地提供氧气,可在底泥表面形成氧化膜，有效抑制水中例如铁、汞等重金属污染物和氮、磷营养盐的溶解释放，能够大面积改善底泥，保证水质的安全与稳定。

本发明的曝气装置对水生生态更为安全。在湖泊、水库、深水河流等水体下层滞水层曝气修复过程中，由于底部水压较高，如水深10m相当于1个大气压，若采用空气曝气，空气中的氮气会大量溶解到底部水体。过高的溶解氮，将对水生生物尤其是鱼类产生毒性。如果采用本法明的纯氧曝气，则可避免这一问题。

适用于水产养殖业增氧，提高产量。在夏季高温天气，当水温大于35℃时，水体饱和溶解氧浓度不到6.9mg/L，非常不利于高密度水产渔业养殖。采用普通空气曝气，虽然温度升高有利于提升氧气扩散系数，但由于高温下饱和浓度过低，浓度梯度较小，如果养殖密度过大或水质不良的情况下，水体存在严重缺氧的风险。如采用本发明的超饱和纯氧曝气，在35℃高温下，仍可以充入高达32.8 mg/L溶解氧富氧水流，满足渔业养殖生产需求。

本发明还可用于煤矿、采油开采等行业等排放酸性废水治理。据统计，目前全国煤矿矿井每年排放就达42亿立方米，其中相当一部分废水为pH值小于6的矿井水。酸性废水通常含亚铁离子（Fe²⁺）和硫化氢(H₂S)等污染物，若未经处理直接外排，会对环境产生重大危害。处理酸性废水的重要工艺就是曝气，将水中的亚铁离子（Fe²⁺）氧化成三价铁离子（Fe³⁺）并形成Fe(OH)₃沉淀去除，或将溶于矿井水的硫化物氧化成单质硫沉淀去除。利用本发明装置产生的高浓度溶解氧，可提高亚铁离子（Fe²⁺）和硫化物的转化效率，提高去除率，显著提高酸性废水的净化效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是图1中的液位计控制放大示意图。

具体实施说明

下面结合附图对本发明做进一步说明，

1进水管，2 水泵，3 氧气管，4 进气控制阀，5 文丘里气液混合器，6 螺旋管混合器，7倒锥形接触室，8 接触室气体空腔，9 联通管，10 液位计，11 排空阀门，12 控制器，13 出水管

由图1可知，进水管1与水泵连接2。水泵经出水管连接文丘里气液混合器5。文丘里气液混合器中部连接氧气管3。在氧气管进入文丘里气液混合器之间是进气控制阀4。文丘里气液混合器5的出口与螺旋管混合器6进口相连。螺旋管混合器6的出口朝下与倒锥形接触室7的顶部进口连接。在倒锥形接触室7的顶部侧面设有联通管9。在顶部联通管9垂直段内安装液位计10。在顶部联通管9的水平管连接排空阀门11。倒锥形接触室7的底部出口连接出水管13。经出水管13，水流排入环境水体。控制器12通过信号线，一端与液位计10相连，另一端与进气控制阀4连接。

由图2可知，在倒锥形接触室的顶部侧面设有联通管9，在顶部联通管9垂直段内安装液位计10。当氧气过量时，倒锥形接触室7内的上升气泡将在顶部合并出气体空腔8。在顶部联通管9的水平管连接排空阀门11。

本发明的工作流程是，水流通过水泵，从进水管进入本发明的曝气装置。氧气经由氧气管在文丘里气液混合器与高速流动的水流充分混合。进入反应器的氧气量由进气控制阀调节。在氧气和水流通过文丘里气液混合器瞬时混合后，进入螺旋管混合器。在螺旋管高速流动下，产生的离心力和剪切力使得水流与气泡充分接触，实现氧气的快速溶解。高速流动的气液混合物然后向下进入倒锥形接触室。倒锥形接触室，由于横截面由顶部到底部逐渐增大，水流速度将不断降低。当倒锥形接触室底部水流下降速度小于气泡上升速度时，氧气气泡便被“束缚”在锥体内部，实现氧气的100%被利用。

当氧气气体流量大于水流溶解氧所需流量的，在气泡上升过程中，压力减小，气泡合并，在倒锥形接触室顶部将形成接触室气体空腔。如果该氧气空腔过大，将减少氧气气泡在倒锥形接触室接触时间，甚至导致气泡从底部逃出曝气装置。如果没有空腔，氧气流量不足，出水水流可能达不到饱和溶解氧浓度。在倒锥形接触室的顶部侧面连接顶部联通管，内安装液位计。液位计可以采用电容式、压力式、超声波等多种类型的液位计。液位计可实时对接触室气体空腔的大小做出反应，并将信号发送到控制器。通过控制器，调节进气控制阀的大小，从而增加或减少氧气流量，达到气液流量动态平衡。控制步骤如下，当氧气流量过大，氧气泡会在倒锥形接触室逐渐合并积累，接触室气体空腔增大，液位降低，触发液位计。液位计发送信号到控制器，控制器命令进气控制阀减小或关闭氧气流量。当进入装置的氧气流量小于水流所需饱和溶解氧流量时，接触室气体空腔内的氧气将逐渐被水流溶解，液位将逐渐升高，当达到一定液位时，液位计将恢复初始状态，再发出信号给控制器，控制器给进气控制阀门信号，增加或开启氧气流量，重新达到平衡。

在顶部联通管配套一个排空阀门，用于装置初始运行时，排出倒锥形接触室内的空气。

经过充氧的超饱和富氧水流，通过倒锥形接触室底部的出水管排出装置，进入水体。在水体中，富氧水流与周围水流混合，溶解氧快速扩散，实现水体快速充氧。

Claims

1.一种超饱和溶解氧曝气装置，包括进水管、水泵、氧气管、进气控制阀、文丘里气液混合器、螺旋管混合器、倒锥形接触室、顶部联通管、液位计、排空阀门、控制器、出水管，其特征是，进水管与水泵连接，水泵经出水管连接文丘里气液混合器，文丘里气液混合器中部连接氧气管，在氧气管进入文丘里气液混合器之间是进气控制阀，文丘里气液混合器的出口与螺旋管混合器进口相连，螺旋管混合器的出口朝下与倒锥形接触室的顶部进口连接，在倒锥形接触室的顶部侧面为顶部联通管，在顶部联通管垂直段内安装液位计，在顶部联通管的水平管连接排空阀门，底部直径出口连接出水管，经出水管，水流排入环境水体，控制器通过信号线，一端与液位计相连，另一端与进气控制阀连接；在水流进入锥形接触室之前，增加的前置是加装文丘里气液混合器和螺旋管混合器。