CN102015551A

CN102015551A - 含有螺旋结构的生物膜反应器和使用所述生物膜反应器的水处理装置

Info

Publication number: CN102015551A
Application number: CN2009801148997A
Authority: CN
Inventors: 黄皙焕; 林俊泽; 李承烨; 赵庆进
Original assignee: Academy Industry Foundation of POSTECH
Current assignee: Academy Industry Foundation of POSTECH
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2029-04-15
Also published as: WO2009134023A2; KR20090113729A; CN102015551B; JP5433683B2; WO2009134023A3; JP2011519309A; EP2272804A2; US20110163028A1; EP2272804A4; KR101088105B1

Abstract

本发明提供一种包含螺旋结构的生物膜反应器和使用所述生物膜反应器的水处理设施。本发明的生物膜反应器包含用于供应水的进口管、用于供应空气的空气供应管、以及用于将经过所述反应器的水和空气排出的出口管，其中所述反应器在其中具有螺旋结构，用于形成从所述空气供应管到所述出口管的螺旋泡沫流动通道，使得通过引起所述空气供应管所供应的泡沫流动并通过增加所述泡沫的停留时间而提高传氧速率。所述生物膜反应器的优点在于，微生物附着到所述螺旋结构而在所述螺旋结构上形成生物膜，从而实现了微生物悬浮生长和微生物附着生长两种条件，以及在不使用能量进行搅拌的条件下能够有效提高水中溶解氧的浓度，并能够有效地提高和保持微生物的浓度。

Description

含有螺旋结构的生物膜反应器和使用所述生物膜反应器的水处理装置

技术领域

本发明涉及包含螺旋结构的生物膜反应器和使用所述生物膜反应器的水处理设施。更具体地，本发明涉及一种生物膜反应器，在所述生物膜反应器中提供了螺旋结构，使得水中泡沫的流动受所述螺旋结构的引导，使得泡沫的停留时间延长，从而与在物理、化学和生物学过程中使用的常规反应器相比，增加了氧气传递效率；且其中微生物附着在所述螺旋结构上，使得微生物在处于已经形成了悬浮生长和附着生长的微生物生长环境的状态下的一种反应系统中进行集中和培养，由此提高了生物学反应系统的效率。

背景技术

溶解氧(DO)是指示溶解在水中的氧气的浓度的标记，是物理、化学和生物学过程的一个主要操作条件。特别地，在生物学过程中，溶解氧(DO)是影响好氧微生物生长状况和活性的重要因素[Unit Operation and Unit Process in Environmental Engineering(在环境工程中的单元操作和单元过程)，第二版，Reynolds/Richards]，并且，即使在物理和化学过程中，在特定的相关工业领域中有效地溶解氧气也是非常重要的。然而，由于氧气是一种低溶解度气体，所以有效提高溶解氧的浓度是非常困难的，因此，有效提高反应器中溶解氧的浓度的方法引起了极大关注。上述方法的典型实例可包括通过在反应器中安装各种类型的叶轮来提高充气效率的方法[Bioprocess Engineering Basic Concepts(生物工程基本概念)，第二版，Michael L.Shuler/Fikret Kargi]、通过在反应器中安装微泡发生器并由此增加与单位体积水接触的泡沫的表面积而提高氧传递效率的方法[专利登记号0315903，发明名称为“Waste water treatment system using microbubble generator”(使用微泡发生器的废水处理系统)]、以及通过在增加泡沫中氧浓度之后利用水与泡沫之间的氧浓度差来增加溶解氧的方法[Airlift Bioreactors(气升式生物反应器)1989M.Y.Chisti]。这些方法实际上已经提高了溶解氧的浓度，从而满足了系统的需要。

然而，所有这些方法的问题在于，它们增加了能量消耗。例如，在生物废水处理中，据国外文献[Investigation of oxygen transfer rates in full scale membrane bioreactors(全尺寸膜生物反应器中传氧速率的研究)，Water Science & Technology(水科学与技术)，2003年，P.Cornel，M.Wagner和S.Krause]中报道，污水处理厂总能量支出的70％是由充气造成的。事实上，为了连续旋转叶轮或产生微泡，必然需要能量，且制造纯氧气也需要能量。因此，难以将这些方法应用于大规模的处理设施中。此外，提出了通过增加反应器的高度来延长泡沫停留时间的另一种方法，但是这种方法的问题在于，在通过扩散器喷出泡沫时，因为水压必须高，所以消耗大量能量。

同时，在使用微生物的生物学方法中，通过形成微生物能够在生物反应器中以高浓度积极生长和培养的条件来提高并保持过程的效率是非常重要的。通过实例对近来在水处理中发挥重要作用的硝化微生物进行说明。已知的是，由于硝化微生物的生长速率比其他微生物低，所以将生物反应器中硝化微生物保持高浓度是非常困难的。鉴于这种原因，正在对高浓度微生物的培养进行积极研究。当水处理设施的硝化系统因硝化微生物的快速减少而不能正常运行时，超过参考值的量的氮化合物将排放至水系统中，由此造成环境污染。在此情况中，对造成环境污染有责任的公司必须支付罚款。即，所述系统的成功或失败取决于生物反应器中微生物浓度是否能够保持在预定水平以上，因此对生物反应器中微生物的浓度进行控制是非常重要的。对微生物进行集中和培养的这种要求同样适用于使用微生物的其他工业领域且同样适用于水处理领域。

在水处理过程中，通常通过控制淤泥回流来提高生物学处理系统中的微生物浓度[Wastewater Engineering Treatment and Reuse(废水工程处理和再利用)，第四版，Metcalf & Eddy]。然而，存在必须小心处理低收率和低比生长速率的微生物如硝化微生物的情况[Nitrification and Denitrification in the Activated Sludge Process(活性淤泥处理中的硝化和脱硝作用)，Michael H.Gerardi]。为此，已经建立了通过将微生物附着在载体上对微生物进行培养的方法，且正在使用。然而，这种方法的问题在于，使用的填充材料必须利用新的填充材料进行定期更换，从而增加了维护开支，且在使用的填充材料不容易回收时，导致机械故障。

发明内容

技术问题

本发明的目的是提供一种提高反应器中溶解氧浓度的方法。

本发明的另一个目的是提供一种用于增加反应器中溶解氧的设备。

本发明的还一个目的是提供不消耗能量而增加溶解氧的方法和设备。

本发明的又一个目的是提供一种通过延长泡沫的停留时间而增加溶解氧的生物膜反应器。

本发明的又一个目的是提供一种生物膜反应器和使用所述生物膜反应器的水处理设施，在所述生物膜反应器中微生物附着到螺旋结构上，从而在所述螺旋结构表面上形成生物膜并增加溶解氧，使得以高浓度培养微生物，结果是在生物学反应系统中同时实现悬浮生长和附着生长环境，由此将反应器中微生物的浓度保持在高水平上而不依赖于外部供应的填充材料。

因此，可以预期的是，能够将本发明容易地应用于使用微生物的所有类型的生物反应器中，且通过以高浓度培养微生物，能够降低用于稳定生物学反应系统并获得微生物所涉及的开支。

本发明的另一个方面是提供一种能够用于控制溶解氧浓度的螺旋结构。

技术方案

为了实现上述目的，本发明的一个方面提供生物膜反应器，其包含用于供应水的进口管、用于供应空气的空气供应管、和用于将经过反应器的水和空气排出的出口管，其中所述反应器中设置有螺旋结构，所述螺旋结构用于形成从空气供应管到出口管的螺旋泡沫流动通道，从而通过引起空气供应管道所供应的泡沫的流动并通过延长泡沫的停留时间来提高传氧速率，且微生物附着到螺旋结构上形成生物膜，从而实现了微生物悬浮生长和微生物附着生长的两种微生物生长条件。

在所述生物膜反应器中，进口管和空气供应管设在所述反应器的下部，出口管设在所述反应器的上部。因此，在所述生物膜反应器中可发生向下的流动或侧向流动以及向上的流动。

在所述生物膜反应器中，为了使得所述反应器稳定运行，可为生物膜反应器提供用于测量反应器中pH的pH计。

在所述生物膜反应器中，所述生物膜反应器可具有用于监测反应器中溶解氧的溶解氧(DO)计。可以有多个溶解氧(DO)计，在此情况中，多个溶解氧(DO)计可相对于水位一个接一个地设置，使得它们布置在由螺旋结构分开的反应器的位置处。

在所述生物膜反应器中，为了所述反应器能够稳定地运行，所述生物膜反应器可具有用于监测温度或离子的监测传感器。

在所述生物膜反应器中，为了观察所述反应器的流体情况，所述生物膜反应器可具有取样口。可以有多个取样口，在此情况中，多个取样口可相对于水位设置，使得它们一个接一个布置在通过螺旋结构分开的反应器的位置处。

在所述生物膜反应器中，为了防止异物进入反应器中，所述生物膜反应器可具有盖子。

本发明的另一个方面提供了水处理设施，其包含：反应器，其具有用于供应水的进口管、用于供应空气的空气供应管、以及用于排放经过所述反应器的水和空气的出口管；设置在所述反应器中的螺旋结构，其形成从所述空气供应管到所述出口管的螺旋泡沫流动通道，使得通过引起所述空气供应管道所供应的泡沫流动并通过延长所述泡沫的停留时间而提高氧传递速率；用于观察所述反应器流体情况的取样口；监测所述反应器中溶解氧的溶解氧(DO)计；测量所述反应器中氢离子浓度(pH)的pH计；接收通过所述DO计测量的溶解氧浓度和通过所述pH计测量的氢离子浓度并然后对合适的充气量和pH进行计算和控制的计算机；与所述计算机连接并供应获得最佳溶解氧浓度所需要的最少量空气的鼓风机；与所述计算机连接并从酸/碱储罐向所述反应器中供应合适量的酸和碱的pH控制泵；以及为了所述反应器能够稳定运行而对温度或离子进行监测的监测传感器。

在所述水处理设施中，可以有多个溶解氧(DO)计和多个取样口。所述多个溶解氧(DO)计和多个取样口可以相对于水位设置，使得它们一个接一个布置在由螺旋结构分开的反应器的位置处。

在所述水处理设施中，所述进口管可具有供水控制泵和供水控制阀，且所述出口管可具有排水控制泵和排水控制阀。

在所述水处理设施中，所述空气供应管可具有空气控制阀，使得向反应器供应恒定量的空气。

本发明的还另一个方面提供了控制溶解气体浓度的方法，其中通过用于在反应器中提供形成螺旋泡沫流动通道的螺旋结构来控制溶解气体的浓度。

在所述方法中，根据在反应器中安装的螺旋结构的圈数(number of turns)来控制溶解气体的浓度，且所述溶解气体可以是难以溶于水的氧气。

本发明的还一个方面提供包含反应器的气体溶解设备，在所述反应器中具有螺旋结构，所述螺旋结构具有与反应器的直径相对应的直径。

在本发明的又一个方面中，将在生物膜反应器中提供的螺旋结构用作能够附着微生物而提高所述生物膜反应器中溶解氧的浓度的结构。

发明优点

如上所述，根据本发明在其中具有螺旋结构的生物膜反应器的优点如下。

第一，在所述生物膜反应器中，通过螺旋结构引起螺旋泡沫流动，从而延长泡沫的停留时间，结果是泡沫与水之间的接触时间延长，由此使得泡沫中的氧气能够更容易地溶于水中。因此，能够有效地提高生物膜反应器中溶解氧的浓度而不因搅拌消耗能量。

第二，微生物附着到螺旋结构上而在其表面上形成生物膜，从而在不使用填充材料如载体的条件下在生物学反应系统中同时形成悬浮生长和附着生长环境，结果是能够以高浓度对微生物进行集中和培养并得到大量微生物，由此减轻了对微生物具有影响的毒性物质的效应。此外，预期的是，可以有效培养已知具有低的比生长速率和收率且难以生长的主要功能微生物，如硝化微生物。

第三，在具有所述螺旋结构的生物膜反应器中，通过控制螺旋结构的转角能够实现期望的泡沫停留时间。这样，由于能够实现适用于各反应器的泡沫停留时间，所以可以不形成具有不需要的小直径的空气泡沫，从而降低了能量消耗。

第四，泡沫上升且同时与螺旋结构碰撞而发生摩擦，使得在生物膜反应器中形成涡流，由此加强了搅拌效果，从而更有效地提高溶解氧的浓度。

第五，由于将生物膜反应器连接到DO计、计算机和鼓风机上，所以将通过DO计测得的生物膜反应器中溶解氧的浓度传输到计算机上，所述计算机对与操作条件相关的溶解氧浓度相对应的充气量进行计算。所述鼓风机向生物膜反应器中供应与通过计算机计算的充气量相对应的泡沫。由于这种操作顺序，所以防止了过量充气，从而降低了能量消耗。

附图说明

图1是根据本发明的水处理设施的总体过程图；

图2是显示根据本发明的螺旋结构的放大图；

图3是显示在不提供螺旋结构时空气泡沫行为的示意图；

图4是显示在提供螺旋结构时空气泡沫行为的示意图；

图5是显示泡沫停留时间随螺旋结构圈数变化的图；

图6是显示与空气流速和螺旋结构圈数相关的传氧系数(K_Lα)图；

图7是显示传氧系数(K_Lα)相对于对照组的比例增加与空气流速和螺旋结构圈数的关系的图；和

图8是显示达到参考溶解氧浓度所需要的时间与空气流速和螺旋结构圈数的关系的图(所述参考溶解氧浓度为8.3mg/L，其为实验条件下饱和溶解氧浓度(9.22～9.3mg/L)的90％)。

图中符号说明

1：反应器

2：螺旋结构

3：进口管

4：进料泵

5：出口管

6：排水泵

7：盖子

8：取样口

9：DO计

10：计算机

11：pH计

12：pH控制泵

13：酸/碱储罐

14：鼓风机

15：空气供应管

16：监测传感器

17：数据存储计算机

18：进口阀

19：出口阀

20：pH控制阀

21：空气控制阀

最佳方式

下文中，将参考附图对本发明的优选实施方案进行详细说明。

图1是包含本发明生物膜反应器的水处理设施的整体过程图。所述水处理设施包括高效反应器1，在所述高效反应器1中具有与DNA结构类似的螺旋结构2。

反应器1具有用于供应水的进口管3、用于供应空气的空气供应管15、以及用于将经过反应器1的水和空气排出的出口管5。

与水流入反应器1相关的参考数字“3、4和18”分别代表进口管3、进料泵4和进口阀18。水通过进料泵4引入反应器1中，经过螺旋结构2，然后排放至反应器1的外部。在此情况中，出口管5、出口阀19和排水泵6与水的排出相关。

空气由鼓风机14通过空气供应管15引入反应器1中。在空气供应管15中设置的空气控制阀21与鼓风机14一起，用来控制引入到反应器中的空气的量。

为了确保过程操作，包含螺旋结构2的高效反应器1安装有pH计11、DO计9和监测传感器(例如温度传感器、离子传感器等)，并安装有取样口8以用于观察反应器1中流体的情况。考虑到反应器1的内侧被螺旋结构2分开的事实，根据反应器1中的水位来布置取样口8。

为了使得由螺旋结构2造成的溶解氧的增量最大化，所述反应器2设有DO计9，并将所述DO计9与计算机10连接。将所述计算机10与鼓风机14连接并对DO计9测量的溶解氧的浓度进行分析，从而向反应器1中引入为了将所测量的溶解氧浓度提高至最佳溶解氧浓度所需要的最少量的空气，由此降低了能量消耗。所述反应器1还安装有pH计、酸/碱储罐13、pH控制泵12和pH控制阀20，由此能够向反应器1中引入最佳量的酸和碱以适于根据运行条件保持pH。在此情况中，可根据过程的特征来选择性地使用各种pH调节剂(例如盐酸(HCl)、硫酸(H₂SO₄)、硝酸(HNO₃)、氢氧化钠(NaOH)等)。

在引入到反应器1中的空气沿螺旋结构2上升至反应器1顶部的同时，通过出口管5将一部分空气排放至反应罐1的外部，且其剩余部分直接排放至大气中。在此情况中，当反应器1为开放型反应器时，空气被直接排放至大气中，但是在所述反应器1为封闭型反应器时，必须提供排气口用于排放空气。

在本发明的实施方案中，为了防止异物进入反应器1中而在反应器1上提供了盖子7。是否在反应器1上提供盖子7，取决于过程的类型和特征。通过空气供应管15引入到反应器中的空气因螺旋结构2而螺旋式流动，由此延长了停留时间。由于停留时间延长，所以泡沫与水之间的接触时间也延长，由此泡沫中的氧气更易于溶于水中。为了确定泡沫停留时间的增加，本发明人进行了实验。后文将参考下面的实施例1对相关细节进行说明。

图2是显示本发明的螺旋结构的放大图。应用于反应器1的螺旋结构2被构造成具有最小体积，在其内部，泡沫呈螺旋流动且微生物有效地附着到所述螺旋结构2上。本发明人对提供螺旋结构时和不提供螺旋结构时的泡沫行为进行了观察，并将其结果示于图3和4中。图3是显示不提供螺旋结构时的泡沫行为的示意图，即图3显示了没有提供螺旋结构的反应器30中泡沫的行为。图4是显示提供螺旋结构时的泡沫行为的示意图。图4中显示，通过在反应器1中提供的螺旋结构2，形成了两股独立向上的泡沫流。从图3和4能够看出，反应器1中泡沫的行为和移动距离明显相互不同，这取决于是否提供了螺旋结构2。

除了控制泡沫的停留时间之外，所述螺旋结构2还展示了几种功能。即，在螺旋结构2中，引入到反应器1底部的泡沫螺旋流动并上升，使得螺旋结构与泡沫之间发生摩擦，由此增加了溶解的氧并提供搅拌的效果。此外，在所述螺旋结构2中，微生物2附着到螺旋结构上，使得同时实现了微生物的悬浮生长和附着生长条件，由此保持了微生物的高浓度。

下文中，将对溶解氧浓度增加与泡沫停留时间增加相关的理论原理进行详细说明。

在连续过程中，在特定反应器中氧气的传递能力取决于反应器的机械设计、扩散器或叶轮的几何特征、诸如搅拌速度的操作条件和空气流速等。所有的变量能够整合为唯一的一个参数，该参数是传氧系数(K_Lα)。换言之，传氧系数(K_Lα)是考虑了所有变量的氧气传递能力的指数[Latin American Applied Research(拉丁美洲应用研究)，P.JUAREZ和J.OREJAS，2001年]。

由dC/dt＝K_Lα(Css-C)代表氧气传递的基本公式，其中dC/dt为传氧速率，K_Lα为传氧系数，Css为在给定物理条件下饱和氧气浓度，且C为溶于水中的氧气的浓度。如果以不同的方式表达，则Css可以是在相应系统的物理条件下氧气的溶解度[Water Research(水研究)，ConnieD.DeMoyer，2002年]。上述氧气传递公式具有两个独立的变量，即传氧系数(K_Lα)和饱和氧气浓度(Css)。然而，饱和氧气浓度(Css)是随物理条件如温度、压力、溶剂粘度、溶于溶剂中的离子的浓度等变化的参数，且与泡沫停留时间无关。因此，通过更高的传氧系数(K_Lα)，能够对溶解氧的增加与因DNA型螺旋结构2造成的泡沫停留时间增加的关系的原理进行说明。

换言之，由于在相同物理条件下Css-C的值为常数，所以传氧速率(dC/dt)与传氧系数(K_Lα)成比例地增加。根据该原理，本发明人发现原因在于，通过测量传氧系数的值，同时改变螺旋结构的圈数和空气流速，泡沫停留时间的增加造成了传氧速率的增加。通过将溶解氧的浓度降至0mg/L并然后供应空气，本发明人获得了溶解氧的浓度相对于时间的数据，然后使用获得的溶解氧的浓度数据，通过进行回归分析而测得了传氧系数，然后根据螺旋结构的圈数，将测得的传氧系数与对照组(无转向)进行了比较和分析[Bioprocess Engineering Basic Concepts(生物过程工程基本概念)，第二版，Michael L.Shuler/Fikret Kargi]。后文将参考下面的实施例2对相关细节进行说明。

为了发现泡沫停留时间的增加造成传氧速率增加的另一种原因，本发明人测量了达到预定的溶解氧浓度所需要的时间，然后将测得的时间(螺旋结构的圈数为1和2)与对照组(其圈数为0)的时间进行比较，将其实验结果示于下面的实施例3中。

<实施例1>用于确定泡沫停留时间随螺旋结构圈数增加的实验

本发明人进行实验，以确定根据螺旋结构圈数的变化以及在反应器中是否提供螺旋结构的情况，泡沫停留时间的变化。首先，利用水对具有17cm直径的圆柱形反应器进行填充，使得其水头达到28.5cm，并在其底部提供扩散器。此处，将28.5cm水头中螺旋结构的圈数设置为1圈和2圈，并对包含对照组在内的三个组重复进行五次试验，以测量平均泡沫停留时间和标准偏差。将泡沫停留时间定义为泡沫从扩散器中喷出到然后到达水表面所花费的时间。

表1

螺旋结构圈数决定的泡沫停留时间(单位：秒)

从表1能够看出，在1圈中泡沫停留时间比对照组增加了约12％，在2圈中泡沫停留时间比对照组增加了约60％。这些数据意味着，由于提供了螺旋结构而造成的泡沫停留时间增加的效果是数值性的且是可定量的，而不是凭直觉估计的。此外，从实施例1可明确确定，泡沫停留时间随螺旋结构圈数的增加而增加。相关补充数据示于图5中。

由于在真实规模的过程中反应器的规模(直径、高度或体积)变大，所以在实际过程中泡沫的移动距离比实验室规模的过程中的移动距离长。为此，在真实规模的过程中可以预期，真实规模的过程中实现泡沫停留时间的增加与实验室规模的过程中相比要相对迅速。此外，包含根据本发明的高频数DNA形螺旋结构的反应器具有优点，因为通过控制反应器自身的底面积、高度等，能够实现期望的泡沫停留时间。此外，所述反应器的优点在于，对于给定的反应器尺寸，通过调节螺旋结构的转角能够控制反应器内的泡沫停留时间和溶解氧浓度。

<实施例2>由空气流速和螺旋结构圈数决定的传氧系数(K_Lα)[Bioprocess Engineering Basic Concepts(生物过程工程基本概念)，第二版，Michael L.Shuler/Fikret Kargi]

前面对选择传氧系数作为评价螺旋结构造成的溶解氧浓度增加的一个因素的原因进行了说明。本发明人根据螺旋结构的圈数和在反应器中是否提供螺旋结构来测量传氧系数，然后，将测得的传氧系数相对于各组实验进行比较，确定了本发明的反应器对传氧系数增加的影响。

首先，用6L水填充圆柱形反应器，然后在其中提供螺旋结构，然后向反应器中充入氮气直至溶解氧的浓度达到0mg/L。其后，对于各个实验组，以恒定流速向反应器供应空气，同时，每10秒钟记录反应器中的溶解氧浓度。在相同位置处测量所有实验组的溶解氧浓度。随后，本发明人利用以此方式获得的实验数据“溶解氧浓度-时间”进行了回归分析，从而获得了传氧系数。此处，将螺旋结构的圈数设定为无转向、1圈和2圈，并将空气流速设定为1L/分钟、2L/分钟、3L/分钟、4L/分钟和5L/分钟，并且，在这种条件下，重复进行实验以获得各个实验组的传氧系数。下表2显示了传氧系数与螺旋结构的圈数和空气流速的变化的关系。

表2

由空气流速和圈数决定的传氧系数(K_Lα)(单位：小时^-1)

图6是柱形图，显示由空气流速和圈数决定的传氧系数。由于该实验的目的是确定螺旋结构对传氧系数的影响，因此本发明人决定在相同空气流速和不同圈数条件下比较传氧系数是合适的。结果他们推断了传氧系数的增加比例与螺旋结构的圈数的关系。图7是显示螺旋结构中传氧系数与对照组相比的增加比例。

从实施例2的结果能够看出，传氧系数随螺旋结构圈数的增加而增加。此外，能够看出，传氧系数的增加比例在低充气条件下相对高，特别是，在1L/分钟流速下在2圈中传氧系数比对照组增加了约30％。这些结果为解释每次充气的溶解氧浓度增加提供了很有说服力的基础，这是本发明的一个主要目的。

<实施例3>达到参考溶解氧浓度所需要的时间

^*(参考溶解氧浓度(8.3mg/L)-实验条件下饱和溶解氧浓度的90％)

为了证明反应器的优异性，本发明人确定了在与实施例2相同的实验条件下的参考溶解氧浓度，测量了达到参考溶解氧浓度所需要的时间，然后对它们进行比较。此处，将参考溶解氧浓度设定为8.3mg/L，其为在20.3～20.9℃温度和1atm压力下饱和溶解氧浓度(9.22～9.32mg/L)的90％。在文献“Temperature and pressure dependent solubility of oxygen in water：a thermodynamic analysis(由温度和压力决定的氧气在水中的溶解度：热力学分析)，Hydrometallurgy(湿法冶金)，Desmond Tromans，1998年”中公开了饱和溶解氧浓度的代偿作用。

表3

由螺旋结构的圈数决定的达到参考溶解氧浓度(8.3mg/L)所需要的时间(单位：秒)

从实施例2的实验结果能够看出，随着充气量的下降或随着螺旋结构圈数的增加，达到参考溶解氧浓度所需要的时间变短。例如，在1L/分钟空气流速的对照组(无转向)的情况中，达到8.3mg/L花费了860秒，而在1圈的螺旋结构情况中，达到8.3mg/L花费了830秒，即缩短了30秒，在2圈的螺旋结构情况中，缩短了70秒。实施例3的数据支持了如下事实，利用DNA形螺旋结构，增加了泡沫停留时间，从而缩短了到达预定溶解氧浓度所需要的时间，结果是传氧系数增加，由此增加了实际的溶解氧浓度。此外，与实施例2中相同的实施例3的数据支持了如下事实，在低充气条件下溶解氧的浓度明显增加，从而增加了每单位充气的溶解氧浓度。与实施例3相关的图8显示了各个实验组达到参考溶解氧浓度所需要的时间。

Claims

1.一种控制溶解气体的浓度的方法，其中通过在反应器中提供形成螺旋泡沫流动通道的螺旋结构来控制所述溶解气体的浓度。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述溶解气体是溶解氧。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述溶解气体的浓度与所述螺旋结构的圈数成比例。

4.一种用于控制溶解气体的浓度的设备，其包含反应器，所述反应器中设置有螺旋结构。

5.一种充气器，其包含反应器，所述反应器中设置有形成泡沫流动通道的螺旋结构。

6.如权利要求5所述的充气器，其中所述螺旋结构具有与所述充气器的直径相对应的直径。

7.如权利要求5或6所述的充气器，其中所述螺旋结构是无动力的结构。

8.一种生物膜反应器，其包含反应器，所述反应器中设置有形成螺旋泡沫流动通道的螺旋结构。

9.如权利要求8所述的生物膜反应器，其包含用于供应水的进口管、用于供应空气的空气供应管以及用于将经过所述反应器的水和空气排出的出口管，

其中所述反应器中设置有螺旋结构，所述螺旋结构用于形成从所述空气供应管到所述出口管的螺旋泡沫流动通道，使得通过引起所述空气供应管所供应的泡沫流动并通过增加所述泡沫的停留时间而提高传氧速率，且微生物附着到所述螺旋结构上形成生物膜，从而实现微生物悬浮生长和微生物附着生长这两种微生物生长条件。

10.如权利要求8或9所述的生物膜反应器，其中所述进口管和所述空气供应管设置在所述反应器的下部，所述出口管设置在所述反应器的上部，并由此形成向上的流动。

11.如权利要求8或9所述的生物膜反应器，其中为了使所述反应器稳定运行，所述反应器具有用于测量所述反应器中pH的pH计。

12.如权利要求8或9所述的生物膜反应器，其中所述反应器具有盖子，以防止异物进入所述反应器内。

13.如权利要求8或9所述的生物膜反应器，其中所述反应器使用硝化微生物。

14.一种水处理设施，其包含：

反应器，所述反应器具有用于供应水的进口管、用于供应空气的空气供应管以及用于排放经过所述反应器的水和空气的出口管；

设置在所述反应器中的螺旋结构，其形成从所述空气供应管到所述出口管的螺旋泡沫流动通道，使得通过引起所述空气供应管道所供应的泡沫流动并通过延长所述泡沫的停留时间而提高传氧速率；

用于观察所述反应器中流体情况的取样口；

用于监测所述反应器中溶解氧的溶解氧(DO)计；

用于测量所述反应器中氢离子浓度(pH)的pH计；

用于接收所述DO计测量的溶解氧浓度和所述pH计测量的氢离子浓度、然后计算和控制合适的充气量和pH的计算机；

与所述计算机连接并供应为获得最佳溶解氧浓度所需要的最少量空气的鼓风机；

与所述计算机连接并从酸/碱储罐向所述反应器中供应合适量的酸和碱的pH控制泵；以及

为了使所述反应器稳定运行而监测温度或离子的监测传感器。