CN102616950A - 一种分层混合充氧水质改善装置 - Google Patents

一种分层混合充氧水质改善装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分层混合充氧水质改善装置，包括垂直安装在水中的上升筒、曝气室、储气室、空气释放管、导流板、穿孔板、微孔曝气器、无动力自动切换装置、锚固墩。曝气室和储气室安装在水库的中部位置；在接近水库底部设置微孔曝气器，将全层混合充氧和等温层混合充氧两大功能有机集成在一起；将用于调节装置高度的伸缩筒设置在曝气室和微孔曝气器之间，提高了整个装置的稳定性。通过对多功能扬水曝气器的改进，分层混合充氧水质改善装置可根据水库水质改善需求，分别进行全层混合充氧和等温层混合充氧，以更低的能耗解决水库水质污染问题，实现了两大功能以及水质改善效益和经济效益的有机统一。

Description

一种分层混合充氧水质改善装置
技术领域
本发明涉及一种充氧装置，特别涉及一种分层混合充氧水质改善装置，适用于混合大水深、分层现象明显的水库和湖泊水体，并向水中充氧。
背景技术
目前水库和湖泊已逐步成为我国大中城市的主要供水水源，在我国城市供水中起着非常重要的作用。而大部分水库的水深大、流动性小、水体更新慢，由此带来一些负面的影响。由于流动性小，使许多有机质、氮、磷等营养物质在水库和湖泊沉积聚集，给藻类等浮游植物提供了充足的营养，同时由于水的流动性小，使藻类能稳定地停留在表层水中，接受充足的光照而大量繁殖，带来了水体富营养化问题。由于水深大、流动性小，容易形成水体分层现象。分层后，上下层水体间相对静止，缺乏交换传质，加之水体和底泥的耗氧，导致底层水体处于缺氧状态，还原条件下底泥中氮、磷、铁、锰等物质向水体溶解释放，硫酸盐还原为硫化物，有机物厌氧分解为有机酸等，造成底层水体的二次污染，水生生态环境恶化。
申请人已授权的中国专利，名称为“多功能扬水曝气器”(专利号ZL200310117900.6)，是解决上述问题研究的专门技术。多功能扬水曝气器是一个竖直安装的直筒体，在直筒体的下端附带一个曝气室和一个气室。该扬水曝气器能将表层水与底层水充分混合，破坏水体分层，同时向水体充氧，改善水体缺氧状态。该专利已经在国内多处水库水质改善工程中推广应用。由于扬水曝气器所需的压缩空气的释放压力随水深增加而增大，从而能耗和混合充氧效果随之提高，但当水库水深增大到一定程度后(水深＞60m)，扬水曝气的水力混合效果不再随之提高。从流体运动力学角度分析，这种现象是易于理解的：即压缩空气所形成的气弹在上升过程中，随着水深的减小，水压逐渐降低，气弹体积不断膨胀，气弹与其所带动的水柱加速上升，流速不断加快；但与此同时，气弹体积的膨胀也增大与曝气器上升筒的接触面积和摩擦力，且随筒内气弹与水流上升速度的加快，阻力不断增大；阻力随流速增大的结果是，在水深足够大的情况下，气弹上升的浮力与摩擦力最终达到平衡，气弹与其带动水流的上升速度亦即达到极限流速，扬水曝气器的水力混合效果趋于稳定，随水深增大，上升流速和混合效果基本不再提高。此时对应的水深即为压缩空气释放管和曝气室的最大安装深度。继续增大深度，能耗增大，但混合效果不再提高。
另外，对于稳定分层的水库，等温层尤其是等温层底部的厌氧和强还原环境是造成底泥中污染物释放和内源污染的主要原因，而且对于藻类低发季节深水型水库也存在同样的内源污染问题。在此情况下，只需解决等温层的充氧混合问题，就能有效抑制水库底层的内源污染，亦即仅对水库等温层进行充氧混合即可。等温层充氧混合的特征条件是：需氧量小、能耗低、不需混合整个水层。
当表层藻类大量繁殖和底层厌氧引发的内源污染并存时，需求的压缩空气量大大提高，此时需要运行扬水曝气器，通过扬水曝气作用实现对表层藻类生长和底层内源污染的抑制。
发明内容
本发明的目的在于，在已有技术基础上提供一种分层混合充氧的曝气装置，该装置可以根据需要在全层混合充氧和等温层混合充氧两种工作模式下自动切换。该装置既具有扬水曝气器全层混合充氧的基本功能，又具有直接对等温层混合充氧的功能；其运行是根据水库水质改善的具体需求，分别实现等温层混合充氧和全层混合充氧的功能，从而在保证水质改善效果的前提下，大大降低空压机的运转负荷、降低能耗、节省运行成本。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种分层混合充氧水质改善装置，包括直筒体，其特征在于，所述的直筒体由四节上升筒组成，其中，第一节上升筒接近水面，第四节上升筒位于水库底部，并通过锚固链和锚固墩相连接；第三节上升筒(25)和第四节上升筒为伸缩管，用于调节整个装置的长度；
在第四节上升筒外围分布有第一水密舱和微孔曝气器，微孔曝气器通过柔性压缩空气管道连接无动力自动切换装置；
在第二节上升筒外围分布有曝气室、储气室、第二水密舱和第三水密舱；其中，曝气室和储气室(18)通过连接板与第二节上升筒连接固定，第二水密舱位于储气室的外围，第三水密舱位于储气室上方；
曝气室安装有下导流板和穿孔板，曝气室内设置空气释放管；其中，穿孔板为一环形穿孔圆盘，用于充氧水的气水分离；空气释放管是下侧表面开设若干排小孔的环形穿孔圆管，导流板为喇叭形挡板，与曝气室外壁下端连接；
储气室安装有上导流板，储气室内部设置有溢流板和水封板，将储气室分割成不同的部分，并通过第二上升筒的筒壁上开设的环向缝隙与第二上升筒内部相联通，并通过孔洞与外部水体相联通，上导流板为喇叭形挡板，与储气室外壁下端连接；
在第一上升筒顶部有形状为蘑菇状的出水口，出水口的顶部安装有第四水密仓，使下方的第一上升筒能悬浮于水体中；第四水密仓的下方为尖锥型，尖锥型下方开设水平方向的导流口，导流口以圆滑流线型曲线顺延至蘑菇状的侧壁水平方向，第四水密仓中心还开设扩展安装口。
本发明的分层混合充氧水质改善装置，首先是改进了原有专利技术“多功能扬水曝气器”，将曝气室和储气室设置在装置中部，使该装置在保证原有全层混合充氧功能和水质改善效果的前提下，能进一步降低能耗，节约运行成本；其次是在装置底部设置了微孔曝气器，使水库底部等温层水体形成垂向循环流动，混合充氧效率高，能有效解决单一等温层缺氧和水质污染问题；第三是将调节装置高度的伸缩管设计在扬水曝气器和等温层微孔曝气器之间，既保证了扬水曝气器始终处于最佳运行深度，又提高了装置的稳定性。本发明将扬水曝气全层混合充氧和等温层微孔曝气混合充氧有机集成，可根据水库水质改善需求，分别进行全层混合充氧和等温层混合充氧，以更低的能耗解决水库水质污染问题，实现了两大功能以及水质改善效益和经济效益的有机统一。
附图说明
图1是本发明的分层混合充氧水质改善装置实施例结构示意图。
图中的标记分别表示：1、锚固墩，2、锚固链，3、第一压缩空气管，4、无动力自动切换装置，5、柔性压缩空气管道，6、第二压缩空气管，7、微孔曝气器，8、第一水密舱，9、定位销，10、下导流板，11、穿孔板，12、空气释放管，13、上导流板，14、孔洞，15、第二水密舱，16、溢流板，17、曝气室，18、储气室，19、环向缝隙。20、水封板，21、第三水密舱，22、气弹，23、第一上升筒，24、第二上升筒，25、第三上升筒，26、第四上升筒，27、导流口，28、安装口，29、第四水密舱，30、连接板。
图2是已有的“多功能扬水曝气器”的结构图。
图中的标记分别表示：201、锚固墩，202、压缩空气管，203、空气释放管，204、曝气室，205、孔洞，206、挡板，207、溢流板，208、储气室，209、水封板，210、环向缝隙，211、第一密封舱，215、第二密封舱，212、气弹，213、上升筒，214、导流口。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
本发明的设计思路是：筒体状装置垂直安装在水库中，装置上端接近水面，下端接近水库底部。在装置下端设置环形微孔曝气器(曝气管、曝气盘或均布曝气头)，装置自水面下一定深度的中部(极限上升流速对应深度，一般为50-60m)设置曝气室和气室。通过申请人已提交的另一项中国专利申请“一种扬水曝气与底层充氧混合设备的自动切换装置”，可以根据全层混合充氧或底层混合充氧的不同水质改善需求，实现中部扬水曝气器与底部微孔曝气器之间的自动切换运行。
需要全层混合充氧时，压缩空气通入中部扬水曝气器曝气室，该装置的工作原理与多功能扬水曝气器类似。气泡通过空气释放管进入曝气室，在上升的过程中与曝气室内的水体接触，将氧气溶解到中部水体中。气泡上升时带动水流向上流动。绝大部分气泡收集至气室中，当气室充满空气后，气体瞬间向直筒体内释放，排气后的气室空间由气室外侧的水来填充。直筒体内的气体形成一个大的气弹，并迅速上浮，带动筒体中水体向上流动，从而使底层水流向表层，表层水向下潜流，形成上下层水体间的垂向循环交换，达到全层混合充氧的目的。
仅需要对底部等温层混合充氧时，压缩空气切换通入底部微孔曝气器，释放出微细气泡，夹带大量微小气泡的下层水体向上流动。当到达扬水曝气器曝气室外侧导流板和穿孔板时，合并分离的气泡通过穿孔板继续向上运动，几近饱和充氧的上升水流则在导流板作用下向下流动，在等温层强制形成以环形微孔曝气器为中心的垂向循环流动。而通过穿孔板进入曝气室的残余气体不断积聚，最终形成气弹释出，完成一个全层混合过程。
为了适应水库的水位变动，装置中部扬水曝气器曝气室以下部分设计成上下相连的两段，下段底部锚固在库底，通过自身水密仓悬浮直立于水中，上段与扬水曝气器连接为一体，上下相连的两段间可以自由滑动，能够随水位涨落自动调节高度。
如附图1所示，本实施例给出的分层混合充氧水质改善装置，其主体是圆筒状的且连接在一起的第一、第二、第三和第四上升筒(23、24、25、26)组成的直筒体，第一上升筒23接近水面，第四上升筒26的下端接近水库底部。
曝气室17与微孔曝气器7之间的第三、第四上升筒(25、26)设计为伸缩管形式，位于下段的第四上升筒26的外围固定有第一密封舱8，第四上升筒26通过锚固墩1和第一密封舱8悬浮直立在水中，第三上升筒25套接在下段的第四上升筒26内部，相互之间可以自由滑动，当滑动到平衡位置时由定位销自动限位。
第一上升筒23顶部的出水口的形状为蘑菇状，出水口的顶部安装有第四水密仓29，使下方的第一上升筒23能悬浮于水体当中；第四水密仓29的下方为尖锥型，尖锥型下方开设水平方向的导流口27，导流口27以圆滑流线型曲线顺延至蘑菇状的侧壁水平方向。由于尖锥型能以最小阻力面迎接来流上升气弹及气弹推动的下层水体，同时通过流线型侧翼导流至水平方向，以水力脉冲形式扩散至上层水体当中。
第四水密仓29中心开设扩展安装口28，可以根据水库(湖泊)的水质情况增设自动定量投加装置。曝气室17和储气室18分别位于第二上升筒24外围，通过连接板30与第二上升筒24连接固定。
在储气室18内部设置有溢流板16和水封板20，将储气室18分割成不同的部分，并通过第二上升筒24的筒壁上开设的环向缝隙19与第二上升筒24内部联通，并通过孔洞14与外部水体相联通。
储气室18的外侧筒壁下端连接一个上导流板13(也称喇叭状挡板)。空气释放管12安装在曝气室17的底部。下导流板10和穿孔板11与曝气室17的外筒壁连接，位于曝气室17以下。微孔曝气器7位于第四上升筒26的下段，位置接近水库底部。无动力自动切换装置4的作用是改变压缩空气释放位置而设置的。
在本实施例中，曝气室17和储气室18为一多层环形空间，其内部结构与申请人已授权中国专利(专利号ZL 200310117900.6)“多功能扬水曝气器”类似。图2给出已知的“多功能扬水曝气器”的结构图。包括：201、锚固墩，202、压缩空气管，203、空气释放管，204、曝气室，205、孔洞，206、挡板，207、溢流板，208、储气室，209、水封板，210、环向缝隙，211和215、密封舱，212、气弹，213、上升筒，214、导流口。
在本实施例中，空气释放管12为一环形穿孔圆管，位于曝气室17的下方进口处，该空气释放管12下侧表面开设若干排直径1-2mm的小孔。
穿孔板11为一环形穿孔圆盘，位于曝气室下方出口处，均布直径1-2mm的小孔。
微孔曝气器7可以是同心环形微孔曝气管或者环形微孔曝气盘，也可以是环形管道上均布微孔曝气头，位于伸缩管下方喇叭口处。
无动力自动切换装置4的结构和组成详见申请人专利(一种扬水曝气与底层充氧混合设备的自动切换装置)，固定安装在微孔曝气器7下方。
运行时，压缩空气经第一压缩空气管3进入无动力自动切换装置4，通过对气量的调节改变压缩空气的释放位置。当需要进行全层混合充氧时，增大供气量，压缩空气通过第二压缩空气管6通入曝气室17中的空气释放管12，并向曝气室17释放小气泡，气泡继续上升进入储气室18。随着气泡的积累，储气室18的水位不断下降，被排出储气室18的水体，经过上导流板13引导，在水库中部形成局部循环；当水位下降到水封板20的下沿时，气体在瞬间翻过水封板20，经环向缝隙19进入第二上升筒24。气体在上升中很快聚拢成一个大的气弹22，充满了第一上升筒23的整个横断面，并形成上升的活塞流。上升水流经蘑菇状出口27导向水平方向扩散。此运行过程中，上升筒中的活塞流推动下层水和表层水循环流动，实现全层混合充氧。当仅需要进行等温层混合充氧时，减小供气量，压缩空气通过底部的微孔曝气器7释放出微细气泡，对底部等温层水体充氧。充氧后的水体在穿孔板11位置处发生气水分离。几近饱和的充氧水在下导流板10的作用下向四周扩散，与四周水体充分混合后向下流动，在等温层强制形成以微孔曝气器为中心的循环流动，达到等温层混合充氧的目的。合并分离的气泡则继续向上运动，通过穿孔板进入曝气室17，残余气体不断积聚，最终形成气弹释出，完成一个全层混合过程。上升筒可以随水位涨落自动调节长度，当水位发生变化时，上升筒25与上升筒26相对自由滑动，到达平衡位置时由定位销9锁定。
本发明是一个对多功能扬水曝气器的改进装置，具有扬水曝气器全层混合充氧的基本功能。与多功能扬水曝气器相比，其主要创新点在于：第一，曝气室和气室的位置位于整个装置的中部，并增设导流板；第二，在装置底部设置了微孔曝气器；第三，调节高度的伸缩筒设置在曝气室和微孔曝气器之间。通过无动力自动切换装置，该装置可以根据水库水质改善的具体需求在全层混合充氧和等温层混合充氧两种工作模式下自动切换。

Claims (5)

1.一种分层混合充氧水质改善装置，包括直筒体，其特征在于，所述的直筒体由四节上升筒(23、24、25、26)组成，其中，第一节上升筒(23)接近水面，第四节上升筒(26)位于水库底部，并通过锚固链(2)和锚固墩(4)相连接；第三节上升筒(25)和第四节上升筒(26)为伸缩管，用于调节整个装置的长度；
在第四节上升筒(26)外围分布有第一水密舱(8)和微孔曝气器(7)，微孔曝气器(7)通过柔性压缩空气管道(5)连接无动力自动切换装置(4)；
在第二节上升筒(24)外围分布有曝气室(17)、储气室(18)、第二水密舱(15)和第三水密舱(21)；其中，曝气室(17)和储气室(18)通过连接板(30)与第二节上升筒(24)连接固定，第二水密舱(15)位于储气室(18)的外围，第三水密舱(21)位于储气室(18)上方；
曝气室(17)安装有下导流板(10)和穿孔板(11)，曝气室(17)内设置空气释放管(12)；其中，穿孔板(11)为一环形穿孔圆盘，用于充氧水的气水分离；空气释放管(12)是下侧表面开设若干排小孔的环形穿孔圆管，导流板(10)为喇叭形挡板，与曝气室(17)外壁下端连接；
储气室(18)安装有上导流板(13)，储气室(18)内部设置有溢流板(16)和水封板(20)，将储气室(18)分割成不同的部分，并通过第二上升筒(24)的筒壁上开设的环向缝隙(19)与第二上升筒(24)内部相联通，并通过孔洞(14)与外部水体相联通，上导流板(13)为喇叭形挡板，与储气室(18)外壁下端连接；
在第一上升筒(23)顶部有形状为蘑菇状的出水口，出水口的顶部安装有第四水密仓(29)；第四水密仓(29)的下方为尖锥型，尖锥型下方开设水平方向的导流口(27)，导流口(27)以圆滑流线型曲线顺延至蘑菇状的侧壁水平方向，第四水密仓(29)中心还开设扩展安装口(28)。
2.如权利要求1所述的分层混合充氧水质改善装置，其特征在于，所述微孔曝气器(7)是同心环形微孔曝气管或者环形微孔曝气盘，或者是环形管道上均布微孔曝气头。
3.如权利要求1所述的分层混合充氧水质改善装置，其特征在于，所述的曝气室(17)和储气室(18)位于水库水面以下50m～60m；第三节上升筒(25)和第四节上升筒(26)位于曝气室(17)和微孔曝气器(7)之间。
4.如权利要求1所述的分层混合充氧水质改善装置，其特征在于，所述的微孔曝气管(7)、下导流板(10)和穿孔板(11)三者安装于整个装置的下半段，用于促使水库等温层水体形成循环流动，对等温层水体进行充氧。
5.如权利要求1所述的分层混合充氧水质改善装置，其特征在于，所述的上导流板(13)位于储气室(18)外侧，用于引导水流在水库中部形成局部循环。
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