CN108751451B - 一种用于提高水体溶解氧含量的自移动曝气装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于提高水体溶解氧含量的自移动曝气装置，包括浮体以及依托于所述浮体固定的生物催化反应曝气装置，所述生物催化反应曝气装置包括过氧化氢储罐、生物催化反应容器以及膜组件，其中，所述生物催化反应容器中部固定有过氧化氢酶催化床，且所述生物催化反应容器上部设有连通过氧化氢储罐的滴滤喷头，生物催化反应容器下部设有连通膜组件的管道，所述膜组件设于浮体下方。本发明相对于传动的移动曝气方式具有能耗低、无污染且氧利用率高、曝气效果好的优点。

Description

一种用于提高水体溶解氧含量的自移动曝气装置
技术领域
本发明涉及一种水体净化处理装置，尤其涉及一种用于提高水体溶解氧含量的自移动曝气装置。
背景技术
我国城市河道约80％已受不同程度污染，表面漂浮垃圾污染严重，景观效果差，造成严重的城市生态环境问题。国家环保局污染控制司对城市河段进行了调查统计，约87％的河段受不同程度的污染，其中11％重度污染，16％严重污染，15％中度污染，33％轻度污染，仅23％的城市河段水质较好。基于污染现状，国务院于2015年发布了《水污染防治行动计划》(简称“水十条”)，其中对黑臭水体问题提出明确要求，到2020年，我国地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10％以内；到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除，城市水体污染治理形势紧迫。污水中的有机物在水体微生物的作用下氧化分解需要消耗水中的溶解氧，有机物的分解产物如氨，氧化成亚硝酸盐和硝酸盐也要消耗溶解氧，水底的淤泥分解也需要从水中吸取氧，水生植物夜间的呼吸也需要消耗溶解氧。因此，国内外的实际运行经验表明，在水体中进行充氧不但能有效地消减水体黑臭，能在较短时间内降低水体有机物含量，提高水体DO浓度，增强水体的自净作用，改善水生态。
目前广泛应用于水净化处理中的曝气方式有固定曝气和移动曝气，固定曝气机以曝气器为中心，依靠氧分子的浓度差进行扩散，具有充氧速度缓慢的缺点，且会造成中心处的DO值过高，而远处DO值偏低的现象，虽然这样会使氧的传质推动力增大，但中心点过高的DO值却严重阻碍了大气复氧的传质速度，从而降低了曝气器的充氧速率；而移动式曝气机是以曝气器的移动路线上的各点为中心，即相当于有多个固定曝气机同时运转，显著缩短了氧分子传递的距离和消耗的时间，同时含氧水随曝气机的移动而迁移，也不存在大气复氧困难的问题。目前的移动式曝气机如射流曝气机，依托于浮体且自身重量较重，能耗较高，且受能耗的限制，无法增加曝气机其他的耗能的功能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种用于提高水体溶解氧含量的自移动曝气装置，具有能耗低、无污染且水体溶解氧含量提升明显的优点。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种用于提高水体溶解氧含量的自移动曝气装置，包括浮体以及依托于所述浮体固定的生物催化反应曝气装置，所述生物催化反应曝气装置包括过氧化氢储罐、生物催化反应容器以及膜组件，其中，所述生物催化反应容器中部固定有过氧化氢酶催化床，且所述生物催化反应容器上部设有连通过氧化氢储罐的滴滤喷头，生物催化反应容器下部设有连通膜组件的管道，所述膜组件设于浮体下方。
作为本发明对上述方案的优选，所述生物催化反应容器还设有压力指示器。
作为本发明对上述方案的优选，所述膜组件为中空纤维微滤膜组件或中空纤维超滤膜组件。
作为本发明对上述方案的优选，所述过氧化氢储罐及生物催化反应容器通过支架设于浮体上方。
作为本发明对上述方案的优选，所述过氧化氢酶催化床为过氧化氢酶经琼脂水凝胶包埋固定。
作为本发明对上述方案的优选，还包括一对对称固定在浮体侧面的射流曝气器，所述射流曝气器包括电机、泵、空滤器、进水口、混气室和扩散管，所述泵由电机驱动，并将水体从进水口泵入混气室，所述空滤器通过管道连通混气室，所述扩散管前端连通混气室，且扩散管末端指向浮体后方。
本发明的有益效果在于：该种自移动曝气装置利用过氧化氢生物酶催化产生纯氧，在生物反应催化容器内生成高浓度富氧水，在自生压力驱动下，利用膜组件的膜剪切力产生微米级微泡，从而提高溶解氧的转移率，减少曝气船的能耗的同时，提高氧的传质系数，有效增加水体DO和ORP值，强化有机物的氧化分解能力。且本发明采用过氧化氢酶进行催化具有极高的催化效率，1mol过氧化氢酶每分钟可以催化105mol的H2O2分解，是一般化学催化效率的1010倍，从而能够大大提高了水体的溶解氧含量。
因此，本发明相对于传动的移动曝气方式具有能耗低、无污染且氧利用率高、曝气效果好的优点。
附图说明
图1为实施例1中的一种用于提高水体溶解氧含量的自移动曝气装置的结构示意图；
图2为本发明中生物催化反应曝气装置的结构原理图；
图3为本发明中射流曝气器的结构示意图。
其中，1—浮体，2—过氧化氢储罐，3—生物催化反应容器，4—膜组件，5—过氧化氢酶催化床，6—滴滤喷头，7—压力指示器，8—支架，9—射流曝气器，10—太阳能电池板，11—蓄电池，91—电机，92—泵，93—空滤器，94—进水口，95—混气室，96—扩散管。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的附图标记表示相同或具有相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示的一种用于提高水体溶解氧含量的自移动曝气装置，包括浮体1以及依托于所述浮体1固定的生物催化反应曝气装置，所述生物催化反应曝气装置包括过氧化氢储罐2、生物催化反应容器3以及膜组件4，其中，所述生物催化反应容器3中部固定有过氧化氢酶催化床5，且所述生物催化反应容器3上部设有连通过氧化氢储罐2的滴滤喷头6，生物催化反应容器3下部设有连通膜组件4的管道，所述膜组件4设于浮体1下方。
在本实例中，所述生物催化反应容器3还设有压力指示器7，通过所述压力指示器7能够调整滴滤喷头6的速率，避免生物催化反应容器3内压力失控。
在本实例中，所述膜组件4为中空纤维超滤膜组件，其滤孔孔径在0.1～1微米之间，可以产生微米级纯氧气泡进行曝气，能够有效提高水中溶解氧含量。
在本实例中，所述过氧化氢储罐2及生物催化反应容器3通过支架8设于浮体1上方。
在本实例中，所述过氧化氢酶催化床5为过氧化氢酶经琼脂水凝胶包埋固定。
在本实例中，还包括一对对称固定在浮体1侧面的射流曝气器9，所述射流曝气器包括电机91、泵92、空滤器93、进水口94、混气室95和扩散管96，所述泵92由电机91驱动，并将水体从进水口94泵入混气室95，所述空滤器93通过管道连通混气室95，所述扩散管96前端连通混气室95，且扩散管96末端指向浮体1后方。
本实例中所述的自移动曝气装置利用过氧化氢生物酶催化产生纯氧，在生物反应催化容器3内生成高浓度富氧水，在自生压力驱动下，利用膜组件4的膜剪切力产生微米级微泡，从而提高溶解氧的转移率，减少曝气船的能耗的同时，提高氧的传质系数，有效增加水体DO和ORP值，强化有机物的氧化分解能力。且本发明采用过氧化氢酶进行催化具有极高的催化效率，1mol过氧化氢酶每分钟可以催化105mol的H2O2分解，是一般化学催化效率的1010倍，从而能够大大提高了水体的溶解氧含量。
本实例中还采用射流曝气器9与生物催化反应曝气装置相耦合的方式进行曝气，在这一过程中，利用射流曝气器9水氧混合液的射速快，反冲力强的特点，将这种曝气过程中的反冲力作为船体驱动力，既达到曝气功能的同时，又能借力驱动船体，节约能耗的同时，简化船体组成，减少制造成本；再者，上述耦合曝气的方式，在太阳能丰富的白天，应用射流曝气器9和生物催化反应曝气装置同时开启，且利用太阳能电池板10和蓄电池11向射流曝气器9提供电能，大大提高了曝气的效率，节省了装置的能耗；夜晚，单独采用生物催化反应曝气装置曝气。两种曝气方式的结合，解决了太阳能不足时，传统的移动曝气的能量不足问题，实现全天侯工作。
实施例2
一种用于提高水体溶解氧含量的自移动曝气装置，包括浮体以及依托于所述浮体固定的生物催化反应曝气装置，如图2所示，所述生物催化反应曝气装置包括过氧化氢储罐2、生物催化反应容器3以及膜组件4，其中，所述生物催化反应容器3中部固定有过氧化氢酶催化床5，且所述生物催化反应容器3上部设有连通过氧化氢储罐2的滴滤喷头6，生物催化反应容器3下部设有连通膜组件4的管道，所述膜组件4设于浮体下方。
在本实例中，所述生物催化反应容器3还设有压力指示器7。
在本实例中，所述的膜组件4采用中空纤维超滤膜，孔径为0.01微米以下，其能够产生纳米级纯氧气泡，其溶氧转移率更高。
在本实例中，所述过氧化氢储罐2及生物催化反应容器3通过支架设于浮体上方。
在本实例中，所述过氧化氢酶催化床5为过氧化氢酶经琼脂水凝胶包埋固定。
为了验证本发明所述的生物催化反应曝气装置的氧利用率，对1500L储有地表水的容器(水深1m)进行曝气实验，实验装置包括本发明中的过氧化氢储罐、生物催化反应容器和膜组件，且膜组件固定于容器底部，且所述生物催化反应容器和膜组件之间的管道串联有计量监控装置，所述计量监控装置用于测量氧气流量和密度等参数。并由下式计算氧利用率：
Figure BDA0001674946010000061
式中，U——氧利用率(％/m水深)；
ΔQ2——曝气后达到的溶解氧，本例为8.6mg/L；
Δt——曝气持续时间，本例为10min；
Figure BDA0001674946010000071
——容器中水的体积，本例为1500L；
Figure BDA0001674946010000072
——曝气所用的氧气流量，以0.5L过氧化氧催化产氧为例，修正后值为150L/h；
γ——氧气密度，本例为1.377g/L。
计算得出：氧利用率＝37.5％/m(水深)。即当水深1.5米时，氧利用率为55.7％；当水深2米时，氧利用率可高达70％。因此，本发明所述的生物催化反应曝气装置采用的纯氧微曝气方式的氧利用率远远高于传统的机械曝空气，也显著高于机械曝纯氧。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。

Claims (5)

1.一种用于提高水体溶解氧含量的自移动曝气装置，其特征在于，包括浮体以及依托于所述浮体固定的生物催化反应曝气装置，所述生物催化反应曝气装置包括过氧化氢储罐、生物催化反应容器以及膜组件，其中，所述生物催化反应容器中部固定有过氧化氢酶催化床，且所述生物催化反应容器上部设有连通过氧化氢储罐的滴滤喷头，生物催化反应容器下部设有连通膜组件的管道，所述膜组件设于浮体下方；还包括一对对称固定在浮体侧面的射流曝气器，所述射流曝气器包括电机、泵、空滤器、进水口、混气室和扩散管，所述泵由电机驱动，并将水体从进水口泵入混气室，所述空滤器通过管道连通混气室，所述扩散管前端连通混气室，且扩散管末端指向浮体后方。
2.根据权利要求1所述的一种用于提高水体溶解氧含量的自移动曝气装置，其特征在于，所述生物催化反应容器还设有压力指示器。
3.根据权利要求1所述的一种用于提高水体溶解氧含量的自移动曝气装置，其特征在于，所述膜组件为中空纤维微滤膜组件或中空纤维超滤膜组件。
4.根据权利要求1所述的一种用于提高水体溶解氧含量的自移动曝气装置，其特征在于，所述过氧化氢储罐及生物催化反应容器通过支架设于浮体上方。
5.根据权利要求1所述的一种用于提高水体溶解氧含量的自移动曝气装置，其特征在于，所述过氧化氢酶催化床为过氧化氢酶经琼脂水凝胶包埋固定。
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