CN101565230B - 一种微米气泡的发生装置及其专用旋流器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微米气泡的发生装置及其专用旋流器。旋流器包括一个中空的通腔体，由圆柱型腔体和位于其上的圆台型腔体组成；圆台型腔体的高、上底面内直径、下底面内直径和圆柱型腔体的高的比例为1∶(0.2-0.4)∶(0.8-1.1)∶(0.28-2.2)；圆柱型空腔体侧面设有至少一对通孔；圆柱型空腔体下底面设有通孔(23)，圆台型空腔体上底面设有通孔(24)。本发明提供的微米气泡发生装置，由所述的旋流器(2)和水泵(3)通过管路连接而成。本发明装置产生的微米气泡的粒径小于50微米，溶解氧浓度可达超饱和状态，显著提高充氧能力和氧转移效率，在污水处理、河道湖泊污染治理及水产养殖中有良好的应用前景。

Description

一种微米气泡的发生装置及其专用旋流器

技术领域

本发明涉及一种微米气泡的发生装置及其专用旋流器。

背景技术

曝气是污水好氧生化处理系统及河道湖泊污染控制的一个重要工艺环节，其主要作用是向反应器内充氧，保证微生物生化作用所需的溶解氧，并保持反应器内微生物、底物、溶解氧，即泥、水、气三者的充分混合，为微生物降解有机物提供有利的反应条件。传统的曝气方法分为鼓风曝气和机械曝气。鼓风曝气系统包括鼓风机、空气输送管路和扩散装置，大多采用淹没式的多孔扩散头或空气喷嘴产生气泡，将氧气传递进污水。机械曝气一般利用装在曝气池内的机械叶轮转动，剧烈搅动池内污水，使空气中的氧溶入水中(高廷耀，顾国维，水污染控制工程(下册)，北京：高等教育出版社，1999)。

曝气也是污水好氧生化处理系统中运转费用最高的工艺环节，曝气充氧电耗一般占总动力消耗的60％～70％。目前的好氧曝气方法普遍存在效率低、能耗高的问题。城市污水在曝气池中的处理时间一般需6～8h，空压机供氧量的利用率只有百分之几，大部分被白白浪费掉了，这就使曝气池设备的体积及基建投资庞大，运行费用高。很多城市或工厂的污水处理难以实施，许多已建污水厂难以维持正常运转，其主要原因之一在于高的能耗。因而，高效节能型曝气技术的研究已成为当前污水生物处理技术领域最重要课题之一。

要实现曝气设备的高效低耗，就必须提高氧转移速率和氧利用速率。目前，国内外研究较多的是采用纯氧曝气(凌晖，王诚信等，纯氧曝气在污水处理和河流复氧中的应用，中国给水排水，1999，15(8)：49-51)、无泡曝气(韩振为，苏晓叶等，无泡曝气膜生物反应器在废水处理中的研究和应用，水处理技术，2007，33(7)：6-10)和射流曝气(陈福泰，胡德智等，射流曝气器研究进展，环境污染治理技术与设备，2002，3(2)：76-80)等曝气技术，但都存在能量损失大、成本较高等问题，很难大规模地投入工业应用。

在水产养殖领域，鱼池中的含氧量是一项重要指标。水产养殖中常用的增氧方式有叶轮增氧(肖新棉，苏有源，转鼓式正、反螺旋水、气混合增氧机研究，设施渔业与工厂化养鱼，2004，3：33-34)、化学增氧(田从学，多孔性过氧化钙在水产养殖中的应用研究，攀枝花学院学报，2002，19(6)：80-86)和曝气增氧(蒋宏斌，孙国华，水底雾化曝气增氧，渔业节能，2007，2：79-80)等，但普遍存在充氧效率低、设备复杂等问题，亟待一种简便、低耗的充氧方式的出现。

微米气泡的直径一般在50μm以下，这种微小气泡与通常的气泡相比具有许多独特的优势，主要表现为：非常大的比表面积、缓慢的上升速度以及较高的内部压力和溶解速度。微米气泡在水中的存在和发展方式与通常的气泡有很大的差异。通常的气泡从水中上升到气液界面破碎，气体逸出损失。新型微米气泡系统产生的微米气泡在水溶液中稳定性很强，已有的报道指出，微米气泡在水溶液中上升时，逐步缩小成纳米级最后消减湮灭溶入水中，从而可以大大提高气体在水中的溶解度(高桥正好.機能水の研究とその利用食品工業におけゐマイクロバブルやナノバブルの可能性，食品工業，2002特集，26-34)。因此，利用微米气泡可以大大的提高气泡向液体的传质速度。

现有的微米气泡产生装置多为微孔曝气装置，分为板式、盘式和管式，在应用中主要存在对材料强度要求高、加工困难、微孔易堵塞等缺点(吴敏，姚念民，关于微孔曝气器比较与选择的探讨，工程与技术，2002，5：16-18)。

发明内容

本发明提供了一种微米气泡的发生装置及其专用旋流器。

本发明提供的旋流器，包括一个中空的通腔体，该通腔体由圆柱型空腔体和位于其上的圆台型空腔体组成；所述圆柱型空腔体与圆台型空腔体仅通过侧壁相连，所述圆柱型空腔体的底面内直径等于所述圆台型空腔体的下底面内直径；

所述圆台型空腔体的高度、圆台型空腔体的上底面内直径、圆台型空腔体的下底面内直径和所述圆柱型空腔体的高度的比例关系为1∶(0.2-0.4)∶(0.8-1.1)∶(0.28-2.2)；

所述圆柱型空腔体的侧面设有通孔至少一对，每对通孔的中心连线都与所述通腔体的轴线垂直相交，每对通孔均完全相同；所有通孔对的截面积之和为圆柱型空腔体底面积的1/8-1/18；

所述圆柱型空腔体的下底面设有通孔23，所述圆台型空腔体的上底面设有通孔24，所述通孔23和通孔24的圆心连线在所述通腔体的轴线上；通孔23的截面积为所述圆柱型空腔体底面积的1/3600-1/64；通孔24的截面积S₀与所有通孔对和通孔23的截面积之和S₁满足S₀/S₁＝0.77-1.1。

所述圆台型空腔体的高度具体可为70mm-150mm，上底面的内直径具体可为14mm-60mm，下底面的内直径具体可为56mm-165mm；所述圆柱型空腔体的高度具体可为20mm-330mm。

所述通孔对具体可为圆形，所述通孔对上均连接有管道，管道的轴线与所述圆柱型空腔体的高垂直，管道的内直径等于通孔的内直径。

所述通孔23、通孔24具体均可为圆形；所述通孔23上还连接有管道，管道的轴线与所述圆柱型空腔体的底面垂直，管道的内直径等于通孔23的内直径。

上述旋流器可由塑料、有机玻璃、铝合金等材料制成。

本发明还提供了一种微米气泡发生装置，包括所述旋流器和水泵3，所述水泵3与所述旋流器的通孔对连通。

所述装置还可包括用于测量通入所述通孔对的液体流量的液体流量计。

所述装置还包括用于测量通入所述通孔23的气体流量的气体流量计。

本发明还提供了一种利用所述装置产生微米气泡的方法，是通过所述装置的水泵3由通孔对向所述圆台状空腔体中泵入液体，由所述装置的通孔23通入气体，形成微米气泡；所述液体的流量为每分钟45-65倍通腔体容积，所述气体的流量为每分钟3-26倍通腔体容积。

所述液体为水；所述微米气泡的直径为50微米以下。

所述旋流器、所述装置和所述方法均可应用于水处理或水产养殖中。

本发明提供的旋流器2的具体结构如图1，图1中，A为旋流器的纵剖图，B为旋流器的仰视图。旋流器主体为一个中空的通腔体，该通腔体由圆柱型空腔体和位于其上的圆台型空腔体组成，圆台型空腔体的截面直径沿液体流动方向减小。为保证涡流中心与通腔体的中轴线重合，液体入口(通孔21和通孔22)在圆柱型空腔体上对称分布。两个液体入口内径相同，以控制过水流量相同。液体入口的截面积之和为圆柱型空腔体底面积的1/8-1/18，以使液流不会影响涡心。圆柱型空腔体的下底面设有气体入口(通孔23)，圆台型空腔体的上底面设有出口(通孔24)，气体入口和出口的圆心连线在通腔体的轴线上。气体入口的截面积为圆柱型空腔体底面积的1/3600-1/64，出口的截面积S₀与液体入口和气体入口的截面积之和S₁满足S₀/S₁＝0.77-1.1，以保证气液混合物顺畅排出。

本发明的旋流器是利用涡流中心负压实现气体自吸，并通过旋流压差剪切气泡使气泡粒径减小至微米尺度。所述旋流器正常工作时，由两偏心液体入口形成快速旋转涡流，涡心负压区由气体入口与大气相通，气体快速吸入旋流器，在旋流器内形成气液混合物，由于涡流的离心作用，密度较大的水向偏离涡心方向运动，密度较小的气体向涡心方向运动，最终在旋流器中轴线形成气体通路，随旋流器截面不断减小，中心气体受涡流剪切力迅速增大，气体被剪切成大量气泡。旋流器产生的气泡粒径与气体所受剪切力和流体性质有关。实际操作中，气体所受剪切力通过控制旋流器结构来实现。旋流器内气体通路周围的压强急剧变化，对气体有比外围更强的剪切作用，可以通过减小旋流器锥度使压强急剧变化区域得到充分利用，但是考虑到压强急剧变化区域能量损失较大；增加旋流器上下底面之间的高度可以增长剪切力对气体的作用时间，但是在能够产生微米气泡的前提下要尽量减少能耗。所以圆台型空腔体的高度、圆台型空腔体的上底面内直径、圆台型空腔体的下底面内直径和圆柱型空腔体的高度的比例关系采用1∶(0.2-0.4)∶(0.8-1.1)∶(0.28-2.2)。

本发明所提供的微米气泡发生装置具体结构见图2。反应器1中的液体经管路40抽入水泵3中，再由管路41排出，管路41上连接液体流量计以监控液体流量，调节液体流量至一定值，管路41分为41a和41b两路，分别流入旋流器液体入口21和液体入口22；液体由液体入口21和液体入口22对称流入旋流器2，在旋流器2内腔形成涡流，涡心负压区通过气体入口23与大气相连通，空气在压差作用下被吸入旋流器2内，在气体入口23外可连接气体流量计，测量并控制气体流量，调节气体流量至一定值，气液混合物在旋流器2内高速旋转，密度较大的液体向偏离涡心方向运动，密度较小的气体向涡心运动，最终在旋流器2中轴线上形成气体通路，随着旋流器2的截面积减小，涡流的剪切力增大，中心气体被剪切为大量气泡，同时旋流器2截面积减小使中心气体所受压力增大，气泡被压缩或破碎成更小的气泡，进而从旋流器出口24排出；气液混合物经管路42流回反应器1中。至此，空气中的氧气被带入反应器1中并溶解，排出的气液混合物中含有大量微米气泡(粒径小于50微米)，同时还会存在少量的毫米级气泡。大气泡上升过程的搅拌作用使反应器内液体混合均匀。很好地满足了曝气设备充氧和搅拌的要求。对于水来说，该装置产生的气泡的大小为10-60微米。

本发明装置综合了无泡曝气和射流技术的优点，克服了无泡曝气膜容易污染和射流技术动力效率低的缺点，其主要优点有：

(1)微米气泡大大提高了氧气的传质效率，混合搅拌作用强，无曝气死区，系统可承受更高的有机负荷；

(2)可以使用普通的水泵，设备成本及能耗低，解决了国外微米气泡装置必须使用特殊加压泵的设备成本及能耗高的问题；

(3)污泥活性好，基质的降解常数较高，污泥产量低；

(4)结构简单，对材料和加工工艺没有特殊要求。只需要常规加工，大大节省了装置成本，提高了经济性。易放大，操作费用低廉，维修管理方便。

本发明提供一种新型的微米气泡发生装置。本发明的装置没有微孔结构，避免了现有微孔曝气装置能量损失大、易堵塞等问题，可以大大的降低成本，适于工业化应用；对材料和加工技术均没有特殊要求；同时实现气体自吸而入，不需使用鼓风机，从而简化污水处理系统并减少能耗；可以放置于水池外。本发明可应用于污水的好氧生物处理领域，也可用于水产养殖厂的供氧和河道湖泊人工曝气复氧。利用本发明的装置对污染的河流进行充氧，可加速水体复氧过程，提高水体中好氧微生物的活性，从而改善河流和湖泊的水质。

以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。

附图说明

图1为旋流器结构图。

图2为微米气泡发生装置示意图。

图3为本发明装置产生的微米气泡的显微照相照片。

图4为本发明装置产生的微米气泡的粒径分布。

图5为不同气液流量条件下反应器中水的饱和溶解氧浓度随时间的变化。

图6为不同起始温度和气液流量条件下反应器中水的饱和溶解氧浓度随时间的变化。

具体实施方式

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

实施例1、利用所述装置产生的微米气泡的粒径

一、微米气泡发生装置

1、旋流器

旋流器的结构如图1所示。

上述旋流器由塑料制成。

旋流器中，圆台型空腔体的高为75mm、上底面直径为16mm、下底面直径为60mm，圆柱型空腔体的高为25mm；旋流器的内腔容积约为170mL；通孔21和22的内直径为10mm；通孔23的内直径为6mm；通孔24的内直径为16mm。

在通孔21和22上均连接管道，管道的内直径为10mm。在通孔23上连接管道，管道的内直径为6mm。

2、微米气泡发生装置

微米气泡发生装置的结构见图2。

采用浙江新界泵业有限公司的1WZB-35A漩涡式自吸电泵。

将旋流器2和水泵3通过管路41连通，管路41在末端分成41a和41b两路，分别与通孔21和22连通。

得到微米气泡发生装置。

二、产生微米气泡

将微米气泡发生装置中的水泵3通过管路40与一个容器连接，该容器作为反应器1；将微米气泡发生装置中的旋流器2的通孔24通过管路42与反应器1连接，见图2。在管路41上连接液体流量计，在通孔23外连接气体流量计。

将15L去离子水置于反应器1中，启动水泵3，调节液体流量和气体流量，具体如下：

实验一：气体全开，Q_L＝45，Q_g＝20；

实验二：Q_L＝45，Q_g＝10；

实验三：Q_L＝45，Q_g＝3；

实验四：气体全开，Q_L＝65，Q_g＝26；

实验五：Q_L＝65，Q_g＝10；

实验六：Q_L＝65，Q_g＝3；

其中，Q_L代表液体流量；Q_g代表气体流量。Q_L和Q_g的单位均为：倍通腔体容积/分钟。

各组实验的反应时间均为10min，反应器中液体呈乳白色(产生大量微米气泡)，从反应器中快速取样于石英比色皿中，密封后置于显微镜下观察拍照。所用仪器为尼康E600显微镜，配有Real-time Spot CCD显微数字照相机。图像分析选用Image-Pro Plus软件(Media Cybernetics Company，USA)。

图3为液体流量为65，气体流量为3时放大40倍所照的一张气泡照片。

处理300个气泡，得到不同气液流量下气泡的粒径分布，见图4。图4中，以300个气泡为100％，纵坐标为百分率(％)，横坐标为气泡的粒径(μm)。通过计算得出气泡的平均直径，见表1。

                表1  气泡粒径的测量结果

注：气体全开时，液体流量为45的条件下气体流量为20，液体流量为65的条件下，气体流量为26。

由结果可见，所产生的气泡粒径范围为5-85微米，其中94％的气泡为粒径小于50微米的微米气泡；在液体流量为45倍通腔体容积/分钟以上时，所产生的微米气泡的平均粒径小于40微米。由于气泡的粒径较小，单位体积溶液中气泡的数量和表面积非常大，从而可以大大提高气体的传质效率。

实施例2、微米气泡发生装置的氧传质性能的测定

采用水处理领域关于氧传质性能的一般测定方法对本发明装置进行了测定。氧传质性能的指标包括总传质系数、充氧能力和氧转移效率。

总传质系数K_La按如下公式进行计算：

$\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dt}}=K_{L}a(C^{*}-C)$

式中，C为测得的溶解氧浓度，C*为饱和溶解氧浓度，t为反应时间。

充氧能力R＝K_La×C^*

氧转移效率E_A＝R₀/S

式中，R₀为转移的氧量，等于充氧能力R乘以反应器的体积V，R₀＝R×V

S为总供氧量，S＝0.21×1.43×Gs，0.21为氧在空气中所占的分数，1.43为氧的容量(单位为kg/m³)，Gs为供气量(单位为m³/min)。

一、微米气泡发生装置

同实施例1的步骤一。

在反应器上连接溶氧仪。

二、不同液体流量和气体流量条件下产生微米气泡

反应器1注水至15L，称取70mg CoCl₂和0.9g Na₂SO₃加入水中，去除溶解氧；待溶氧仪读数为零后开启水泵，调节液体流量和气体流量，具体如下：

试验一：Q_L＝30，Q_g＝9；

试验二：Q_L＝45，Q_g＝20；

试验三：Q_L＝45，Q_g＝10；

试验四：Q_L＝65，Q_g＝26；

试验五：Q_L＝65，Q_g＝16；

试验六：Q_L＝65，Q_g＝10；

试验七：Q_L＝65，Q_g＝6；

试验八：Q_L＝65，Q_g＝3；

其中，Q_L代表液体流量；Q_g代表气体流量。Q_L和Q_g的单位均为：倍通腔体容积/分钟。

设备开始正常运行后开始计时，每分钟记录一次溶氧仪读数和温度计读数，待溶氧仪读数稳定后停泵。

图5为不同气液流量条件下反应器中水的饱和溶解氧浓度随时间的变化。

由图可见，随着通气时间的延长，溶解氧浓度逐渐增加直至达到稳定状态。采用本发明装置，溶解氧浓度可以达到超饱和状态。在上述8种气液流量的条件下，反应器中的饱和溶解氧浓度(DO)的结果见表2。

根据步骤二的结果，通过计算，可以得出所述设备在不同气液流量条件下的氧气总传质系数、充氧能力和氧转移效率，见表2。

             表2  不同气液流量下装置的传质性能

由此表可以看出，液体流量越大，进入反应器的空气量越多，传质系数和充氧能力也就越大。但充氧效率随进气量的减小而增大。这是因为气体的流量越小，产生气泡的粒径越小，因此充氧效率也就越高。

实施例3、温度对装置的传质性能的影响

一、微米气泡发生装置

同实施例1的步骤一。

在反应器中插入温度计。

二、不同其实温度条件下产生微米气泡

反应器1注水至15L，称取70mg CoCl₂和0.9g Na₂SO₃加入水中，去除溶解氧；待溶氧仪读数为零后开启水泵，调节反应器中水的温度、液体流量和气体流量，具体如下：

试验一：Q_L＝65，Q_g＝26，T₀＝22.5℃；

试验二：Q_L＝65，Q_g＝26，T₀＝30.1℃；

试验三：Q_L＝45，Q_g＝20，T₀＝22.5℃；

试验四：Q_L＝45，Q_g＝20，T₀＝30.8℃；

试验五：Q_L＝30，Q_g＝9， T₀＝22.5℃；

试验六：Q_L＝30，Q_g＝9， T₀＝30.8℃；

其中，Q_L代表液体流量；Q_g代表气体流量；T₀代表初始温度。Q_L和Q_g的单位均为：倍通腔体容积/分钟。

设备开始正常运行后开始计时，每分钟记录一次溶氧仪读数和温度计读数，待溶氧仪读数稳定后停泵。

图6为不同起始温度和气液流量条件下反应器中水的饱和溶解氧浓度随时间的变化。

通过计算，可以得出所述设备在不同气液流量条件下的总传质系数，结果如表3所示。

               表3  温度对传质性能的影响

实验中发现，温度对本微米气泡曝气装置的传质性能有显著的促进作用。

在传统曝气装置中，随着温度的升高，水中的饱和溶氧值会下降，但是温度升高会使溶氧速度增快，两方面的因素基本相互抵消，使温度对传统曝气的影响可以忽略。而对于微米曝气装置，由于微米气泡改变了传质机理，温度成为微米气泡发生装置的主要影响因素之一。初始温度为30℃时总传质系数比初始温度为20℃时的总传质系数高15-28％。

由此可见，提高温度可以明显提高微米气泡发生装置的传质能力，这一性质有利于本发明应用于污水生物处理领域。在污水生物处理中，热量由水泵传递给反应系统，使系统温度升高，可以促进微米气泡发生装置的传质能力，从而更好的为反应系统供氧。

Claims (10)

1.一种旋流器，包括一个中空的通腔体，该通腔体由圆柱型空腔体和位于其上的圆台型空腔体组成；所述圆柱型空腔体与圆台型空腔体仅通过侧壁相连，所述圆柱型空腔体的底面内直径等于所述圆台型空腔体的下底面内直径；

所述圆台型空腔体的高度、圆台型空腔体的上底面内直径、圆台型空腔体的下底面内直径和所述圆柱型空腔体的高度的比例关系为1∶(0.2-0.4)∶(0.8-1.1)∶(0.28-2.2)；

所述圆柱型空腔体的侧面设有通孔至少一对，每对通孔的中心连线都与所述通腔体的轴线垂直相交，每对通孔均完全相同；所有通孔对的截面积之和为圆柱型空腔体底面积的1/8-1/18；

所述圆柱型空腔体的下底面设有第一通孔，所述圆台型空腔体的上底面设有第二通孔，所述第一通孔和第二通孔的圆心连线在所述通腔体的轴线上；第一通孔的截面积为所述圆柱型空腔体底面积的1/3600-1/64；第二通孔的截面积S₀与所有通孔对和第一通孔的截面积之和S₁满足S₀/S₁＝0.77-1.1。

2.根据权利要求1所述的旋流器，其特征在于：所述圆台型空腔体的高度为70mm-150mm，上底面的内直径为14mm-60mm，下底面的内直径为56mm-165mm；所述圆柱型空腔体的高度为20mm-330mm。

3.根据权利要求1或2所述的旋流器，其特征在于：所述通孔对为圆形，所述通孔对上均连接有管道，管道的轴线与所述圆柱型空腔体的高垂直，管道的内直径等于通孔的内直径。

4.根据权利要求1或2所述的旋流器，其特征在于：所述第一通孔、第二通孔均为圆形，所述第一通孔上还连接有管道，管道的轴线与所述圆柱型空腔体的底面垂直，管道的内直径等于第一通孔的内直径。

5.一种微米气泡发生装置，包括权利要求1-4中任一所述的旋流器和水泵(3)，所述水泵(3)与所述旋流器的通孔对连通。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述装置还包括用于测量通入所述通孔对的液体流量的液体流量计。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于：所述装置还包括用于测量通入所述第一通孔的气体流量的气体流量计。

8.一种利用权利要求5至7中任一所述的装置产生微米气泡的方法，是通过所述装置的水泵(3)由通孔对向所述圆台状空腔体中泵入液体，由所述装置的第一通孔通入气体，形成微米气泡；所述液体的流量为每分钟45-65倍通腔体容积，所述气体的流量为每分钟3-26倍通腔体容积。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述液体为水；所述微米气泡的直径为50微米以下。

10.权利要求1-4中任一所述的旋流器、权利要求5-7中任一所述的装置或权利要求8或9中任一所述方法在水处理或水产养殖中的应用。

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