CN100544829C - 一种分体式射流曝气器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

分体式射流曝气器，包括：吸入口、水喷嘴、混合管、扩散管、尾管，还包括：布水器，其与尾管连接，所连接的是具有扩散角度的管段，其内部设置具有偏转混合液和减少局部阻力的作用的圆锥体。优化上述的分体式射流曝气器的方法，采用CFD商用软件数值仿真对所述射流曝气器的结构进行优化设计。应用上述的分体式射流曝气器的方法，将污水-活性污泥混合液送入水喷嘴，在射流的行程中形成一定的真空，形成气、液、固三相混合液，进入扩散管中形成具有一定压力的射流从布水器斜向喷出，对水体起到充氧和搅动的作用。比传统的射流曝气器动力效率和氧利用率更高，吸气量更大，气泡质量更高，搅动更为均匀，更节能。

Description

一种分体式射流曝气器及其使用方法

技术领域

本发明属于水处理领域，涉及曝气装置。

背景技术

射流曝气(自吸式)应用于小型废水与工业废水处理工程，与微孔曝气器相比，具有投资省，无需设置风机和空气净化，搅动效果好，氧利用率高，不易堵塞，检修维护方便，噪声小，安装方便等优点。

但是该类型射流曝气器设计相对复杂，设计不当容易造成吸气量小，气泡质量差，动力效率低，影响水处理成本，这成了该类型射流曝气器的工程推广应用的主要“瓶颈”。同时自该类型射流曝气器基本结构提出之后，对于新型射流曝气器，特别是出流方式及出流部件的研究，和射流曝气器结构参数优化设计研究，近几年没有引起足够的重视，有关这方面设备的研究和应用都比较少。最为常见的是尾管直接排放，这种出流方式形式简单，但能量利用不合理，气泡利用不充分，并最终影响到曝气成本；也有在尾管后加穿孔管，目的是希望将吸入的空气迅速溶解于水，提高射流曝气的充氧能力，但加穿孔管会增大流动阻力，影响射流器的吸气性能，同时也容易出现堵塞情况；还有L型两相流管和蛇型盘管，这两种属于曲折管道，它的好处在于比直管造成更多的紊动机会，以利增加氧的溶解和吸收，但却增加了流动阻力，减少进气量，因此不常用。

由此可见，发展新结构射流曝气器，在一定能量输入的情况下，平衡吸气性能和搅动性能的矛盾，并采用先进的设计方法进行各个部件的结构参数优化设计，有利于进一步挖掘和提升该类型射流曝气器的工作性能，以此降低水处理设备的运行成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新结构的射流曝气器，比传统的射流曝气器动力效率和氧利用率更高，吸气量更大，气泡质量更高，搅动更为均匀，更节能。

为实现以上目标，本发明的技术方案是：一种分体式射流曝气器，包括：吸入口、水喷嘴、混合管、扩散管、尾管，还包括：布水器，其与尾管连接，所连接的是具有扩散角度的管段，其内部设置具有偏转混合液和减少局部阻力的作用的圆锥体。

进一步，其排放口的形状是近似圆形孔；具体的，可以是中间是矩形，两边是半圆。

所述排放口的形状是中间是矩形，两边是半圆。

一种优化上述的分体式射流曝气器的方法，采用CFD商用软件数值仿真对所述射流曝气器的结构进行优化设计。

一种应用上述的分体式射流曝气器的方法，使用水泵将污水-活性污泥混合液送入水喷嘴，依靠水喷嘴内部截面的收缩使得混合液加速喷出，在射流的行程中形成一定的真空，于是空气通过吸入口被吸入，空气、污水与活性污泥在混合管中相互剪切混合，形成气、液、固三相混合液，进入扩散管中速度减小，压力增加，形成具有一定压力的射流从布水器斜向喷出，对水体起到充氧和搅动的作用。

本发明有如下特点：

1.布水器可以平衡吸气性能和搅动性能的矛盾，促使三相混合液斜向均匀出流，增大了射流器的搅动范围，并使输入能量传递给更广大水体，以此达到合理利用输入能量和节能的目的，避免了尾管，穿孔管等排放形式的弊病。

2.斜向出流在射流器上部和下部产生两个旋向不同的涡，特别是下部水体得到较好的搅动，可以减少曝气死区。

3.布水器内部圆锥的设计不仅导致斜向出流，也有效降低了出流排放的局部阻力，不致影响吸气性能。

4.布水器出口近似圆形孔的排放口有助于进一步剪切气泡，提高气泡质量，最终提高氧的利用率。

5.分体式射流曝气器拥有优秀的结构参数，并拥有翔实的各个工况下运行的操作参数及其合理的安装布置设计方案。

采用CFD商用软件数值仿真进行本射流曝气器的优化设计，这种设计技术的优势在于：①设计费用成本低，计算周期短，因此可以计算尽可能多的参数，筛选出较优的结构参数用于试验检验，确定射流器结构尺寸，大大减少试验工作量。这是传统设计选择参数时所覆盖不到的。②数值模拟涉及的是场概念，有别于传统设计的粗放模式，不仅可以反映真实工况内部的流动特性，还可以得到射流过程吸入流量和参数之间的关系，提供设计依据。③可以显示射流曝气器内部流场，和捕捉内部流场参数作为理论参考，而试验测试由于流道的复杂性显得十分困难。

附图说明

图1是本发明分体式射流曝气器一种实施例示意图(图中标号：1.吸入口 2.水喷嘴 3.混合管 4.扩散管 5.尾管 6.布水器)；

图2是图1所示实施例布水器示意图；

图3是射流器计算模型示意图；

图4是射流器内部速度矢量图；

图5是射流器内部速度云图；

图6是反应器内部速度矢量图(尾管直接排放)；

图7是反应器内部速度云图(尾管直接排放)。

具体实施方式

布水器的研究是一个创新点，布水器的名称是研究者根据其功用概括而称之。它的主要作用是平衡吸气性能和搅动性能的矛盾，促使三相混合液斜向均匀出流，增大了射流曝气器的搅动范围，并使输入能量传递给更广大水体，以此达到合理利用输入能量和节能的目的。

具体工作情况：布水器6加装在尾管5后部，通过法兰连接，便于拆分与维修。工作的时候，当气液泡沫流通过尾管5进入布水器6，由于内部设计加装了一定角度的圆锥体10，故混合液的流动将发生偏转，并以一定的速度从布水器的排放口排出，这样的斜向喷射有助于将能量合理的传递给较大的反应水体，并最终达到节能的目的。同时气泡在排放口得到了二次剪切，有效防止了气泡的并聚，提高了气泡的质量和氧利用率。在污水的反应器中，由于存在优异的搅动效果和气泡质量，因此可以有效提高污水处理的有机负荷，减少水力停留时间，节能和降低处理成本，这一点已经在现场生产性试验测试中得到证实。

布水器的结构：布水器的结构具体请参阅图2。主要特征是：与尾管5采用法兰连接，连接的管段是具有一定扩散角度的管段，之后连接一个形如蘑菇的部件，内部设计加装了一定角度的圆锥体10，主要起到偏转混合液和减少局部阻力的作用。排放口11的形状是近似圆形孔，具体的，可以是为中间为矩形，两边是半圆，目的是二次剪切气泡。

对本曝气器结构参数的说明：

射流曝气器目前在污水处理工程中应用时主要问题是吸气量小，动力效率低，导致处理成本高。但射流曝气处理工艺有机负荷(容积负荷)高、水力停留时间短几乎是工程界不争的事实。而其中导致射流曝气器工作性能低的因素之一就是结构参数设计不合理，故本发明的另一个主要特点就是通过理论数值仿真和试验研究，优化了分体式射流曝气器的结构参数，使得其工作性能优秀。这个优秀的工作性能已被同济大学环境保护产品质量监督检验中心鉴定证实。

下面结合附图和实施流程，对本发明作进一步描述。

通过图1作实施例工作流程介绍：

使用水泵将污水-活性污泥混合液送入水喷嘴2，依靠水喷嘴2内部截面的收缩使得混合液加速喷出，在射流的行程中形成一定的真空，于是空气通过吸入口1被吸入，空气、污水与活性污泥在混合管3(国内也称喉管)中相互剪切混合，形成气、液、固(活性污泥)三相混合液，进入扩散管4中速度减小，压力增加，形成具有一定压力的射流从布水器6斜向喷出，对水体起到充氧和搅动的作用。

本项发明经过清水和污水大量反复的生产性现场测试研究，结果表明分体式射流器具有以下优点：

1)吸气量大，在喷射压力为1.6kg，工作水深为7m这个运行条件下，一般可以稳定在900～1100l/min。

2)动力效率达1.98kgO₂/Kwh，氧利用率达56.4％。(同济大学环境保护产品质量监督检验中心鉴定提供的工作性能数据)

3)氧总转移系数大，氧溶解效率高，根据清水吸气试验溶氧仪测试显示，溶氧在11mg/l以上。

4)搅动性能好，布水器能有效增大搅动范围，将输入能量有效分布于较大范围的水体中，减少流动死区，较小的动力即可实现均匀搅动与混合，有利于系统节能。

5)不易堵塞，维修方便，便于管理，吸入气体无需净化，工作噪声小。

6)污水处理应用时具有充水比、污泥负荷和容积负荷比常规曝气方式高，反应速度快，水力停留时间短，对水质波动的适应性好，处理效果稳定，出水效果好，特别是氨氮去除和硝化效果好等特点。

附本算例简要说明：根据本射流曝气器的具体结构，射流器二维单相不可压计算模型见图3，涵盖所关心的主要参数，选择了k-ε湍流模型，计算域进口采用均匀来流，出口给定压力条件，出流速度由网格迭代得到。网格随射流器尺寸的变化，其数量也变化，X向基本上隔5mm打一个网格，Z向网格为40个，采用钢管条件(壁厚8mm)。图4，5是其中一个算例的计算结果。

附本算例简要说明：图6～7为二维不可压单相模型(尾管直接排放和布水器排放)，通过数值仿真预测比较两种出流形式的内部流动特性。算例中选择k-ε湍流模型，计算域为4m×1.2m，底部两边是45°斜面，高0.3m，底边0.3m，底部中心有一个三角锥，底边0.6m，高0.3m。尾管上部入口为计算进口域，均匀来流，进口以外的同一水平部分是出口，出口给定压力条件，网格为164×40(X向×Z向)，尾管内部网格局部加密。计算结果表明，在一定能量输入的条件下，斜向喷射的搅动范围要比尾管直接排放大，能量也能更为有效合理地传递给反应器中的水体，因此布水器排放比尾管直接排放有优势，同时通过现场试验证实了本射流器的使用效果。

现场生产性测试(60t/h)验证分体式射流曝气器清水使用效果，得到优秀的结构参数。测试地点：上海同壹水泵厂，清水池规模：6m×6m×12m(长×宽×水深)。

现场污水中试测试，验证分体式射流曝气器污水处理的使用效果(包括好氧和脱氮除磷试验)，测试地点：上海东区水质净化厂，中试反应器规模：8m×2.2m(高×直径)，日处理规模：20～80m³/d，从该厂沉沙池格栅后取水。

进行多因素敏感性分析，得出影响本射流曝气器的工作性能的结构和运行参数的主次关系，为工程应用制定优化设计方案提供参数。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种分体式射流曝气器，包括：吸入口、水喷嘴、混合管、扩散管、尾管，吸入口、水喷嘴、混合管、扩散管、尾管依次采用法兰互相连接，其特征在于：还包括：布水器，其与尾管连接，所连接的是具有扩散角度的管段，其内部设置圆锥体。

2、根据权利要求1所述的分体式射流曝气器，其特征在于：所述的布水器具有排放口，其排放口的形状是中间是矩形，两边是半圆。

3、一种优化权利要求1至2中任一所述的分体式射流曝气器的方法，其特征在于：采用CFD商用软件数值仿真对所述射流曝气器的结构进行优化设计。

4、一种应用权利要求1至2中任一所述的分体式射流曝气器的方法，其特征在于：使用水泵将污水-活性污泥混合液送入水喷嘴，依靠水喷嘴内部截面的收缩使得混合液加速喷出，在射流的行程中形成一定的真空，于是空气通过吸入口被吸入，空气、污水与活性污泥在混合管中相互剪切混合，形成气、液、固三相混合液，进入扩散管中速度减小，压力增加，形成具有一定压力的射流从布水器斜向喷出，对水体起到充氧和搅动的作用。

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