CN103922493A - 一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置 - Google Patents

一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置，包括从上至下依次连接的导流装置、上部上升筒、中部上升筒和下部上升筒；其中，导流装置的顶部设置有用于提供浮力的第一水密仓；中部上升筒的周向设置有若干用于提供浮力水密仓；下部上升筒的顶部周向设置有用于提供浮力第二水密仓，其中部周向设置有由第一气室、第二气室和第三气室组成的储气室，第二气室和第三气室之间设置有水封板，且水封板靠近第二水密仓一端的周向设置有若干通孔，下部上升筒的下部周向设置有曝气室，空气释放管的开口端设置在曝气室下端开口处，下部上升筒的下端与锚固墩相连接。本发明能实现基于运行条件控制的全层混合和等温层曝气功能的自动切换。

Description

一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置
【技术领域】
本发明属于湖泊水库水质污染控制领域，具体涉及一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置。
【背景技术】
传统的多功能扬水曝气器同时具有全层混合和等温层充氧功能，能利用周期性气弹释放形成的循环水流混合分层湖泊水库的上下层水体，并可向等温层水体补充氧气。湖泊水和水库水由于流动性小，使许多有机质、氮、磷等营养物质在湖泊和水库底部沉积聚集，这些物质给藻类等浮游植物提供了潜在的充足的营养；同时由于水的弱流动性使藻类能稳定地停留在表层水中，继而由于水表面充足的阳光和较高的水温及溶解氧而大量繁殖，造成水体富营养化问题，影响水质。扬水曝气器的混合功能能够破坏水体水温分层现象，形成上下层水体间的循环交换，破坏藻类的漂浮状态，迫使其向深水区迁移，受深水区弱光照、低水温和溶解氧浓度等不利生长环境影响，藻类生长受到抑制。夏季，温度高而密度小的水体稳定分布在上层，温度低而密度大的水体下沉到水库或湖泊底；冬季则相反，温度低（小于4℃）密度轻的水体分布于水体上层，温度高（接近4℃）密度大的水体下沉到水库或湖泊底，造成上下水体间的相对静止。这种静止限制了上层水体溶解氧向下层水体的传递，同时下层水体发生的生物和化学反应会消耗溶解氧，使下层水体溶解氧逐渐减少，处于缺氧状态，使水生生态环境恶化，底泥中氮、磷、铁、锰等物质向水体溶解释放，使水质恶化。多功能扬水曝气器的充氧功能能够给底部水体充氧，改变底部水体缺氧环境，抑制底泥中氮、磷，铁、锰等物质向水中溶解扩散，改善了水体底部水生生态环境，稳定了水质。但是在有些情况下，例如湖库的水体富营养化问题已经得到了有效控制，但水体底泥中氮、磷、铁、锰的溶解释放较为严重，即需要加强多功能曝气器的充氧功能，适当减弱混合功能。这样，在空气释放管释放和原来相同气量的情况下，就会有更多的氧气用于充氧，更少的氧气释放进入上升筒而形成循环水流用于混合，提高氧气的有效利用率。此时，传统的多功能曝气器不能满足这一要求。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供了一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置，该水质原位改善装置在保持原有的同时混合和向水体充氧的功能的基础上，可根据具体需要减弱扬水曝气器的全层混合功能，加强它的等温层曝气充氧功能，提高空气释放管释放的氧气的有效利用率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置，包括从上至下依次连接的导流装置、上部上升筒、中部上升筒和下部上升筒；其中，导流装置的顶部设置有用于提供浮力的第一水密仓，其周向设置有第一出口；中部上升筒的周向设置有若干用于提供浮力的水密仓；下部上升筒的顶部周向设置有用于提供浮力的第二水密仓，其中部周向设置有由第一气室、第二气室和第三气室组成的储气室，第二气室和第三气室之间设置有水封板，水封板的上端连接在第二水密仓上，其下端悬空，使得第二气室和第三气室相连通，第一气室与第三气室在靠近第二水密仓处相连通，第二气室与下部上升筒在靠近第二水密仓处相连通，且水封板靠近第二水密仓一端的周向设置有若干通孔，下部上升筒的下部周向设置有曝气室，曝气室与储气室之间为第二出口，空气释放管的开口端设置在曝气室下端开口处，下部上升筒的下端与锚固墩相连接。
本发明进一步改进在于，导流装置通过法兰与上部上升筒相连接。
本发明进一步改进在于，上部上升筒为上端开口大于下端开口的圆锥状结构，其通过从下至上直径依次增大的若干直筒套接而成。
本发明进一步改进在于，相连两个直筒之间通过两个加强筋环相连接。
本发明进一步改进在于，中部上升筒由若干直筒通过法兰连接而成，其周向从下至上设置有第三水密仓和第四水密仓。
本发明进一步改进在于，中部上升筒与上部上升筒通过可调节高度的插销箱相连接。
本发明进一步改进在于下部上升筒的下端开口为喇叭状开口，其通过法兰与中部上升筒相连接。
本发明进一步改进在于，下部上升筒的下端通过钢丝绳与锚固墩相连接。
本发明进一步改进在于，水封板上开设有2排通孔，该通孔为圆孔，单个大小为1mm2，总面积为521mm2。
本发明进一步改进在于，空气释放管为环形穿孔管。
本发明进一步改进在于，压缩空气通过空气释放管后，从空气释放管的小孔向水中释放形成气泡，气泡上升经过曝气室，气泡中的氧气溶解扩散到水中，气泡在上升过程中带动水流向上运动，该部分充氧水经过曝气室上端第一气室外侧的下降筒和第二出口进入底部水体；充氧后的尾气泡直接上升进入储气室，由于水封板上开有通孔，充氧后的尾气泡有一部分通过通孔，直接进入第二气室，由第二气室顶部内壁上的孔洞进入中部上升筒，其余尾气泡在储气室中逐渐积累，向下排挤水体，迫使水体液面不断下降，当第三气室中的水面下降到水封板下沿时，储气室中的气体通过第三气室在瞬间翻过水封板，进入第二气室，再由第二气室顶部内壁上的孔洞进入中部上升筒，排气后的储气室空间由曝气室中的水来填充；进入中部上升筒的气体结合成一个大的气弹阻塞整个上升管断面，并迅速上浮，形成上升活塞流，推动中部上升筒中的水体加速上升，直至气弹冲出第一出口；随后，中部上升筒中的水流在惯性力作用下加速上升，直至下一个气弹形成，如此循环上下层水体。
与现有技术相比，本发明的有效益果是：
本发明在水封板上开设圆形通孔，与开设通孔之前相比，空气释放管释放相同气量，开孔时气弹形成周期大于未开孔时气弹形成周期，相同时间内储气室内积累的尾气量减少，因而水体混合次数减少，使更多的气体用于充氧，提高充氧效率。当水体有轻微富营养化问题或无富营养化问题，底部缺氧问题严重时，本发明通过在水封板开设圆形通孔的方法能减弱扬水曝气器的全层混合功能，增强扬水曝气器的等温层曝气充氧功能；当水体富营养化问题严重时，可以通过加大空气释放管释放气量，减小气弹形成周期，使全层混合功能得到加强，迫使藻类随上下水体混合向深水处迁移，抑制其生长。给底部水体充氧，改变缺氧环境，改善底部水生生态环境，抑制底泥中磷、氨氮、铁、锰等物质向水中溶解扩散，更好地稳定水质，提高空气释放管释放氧气的有效利用率。
【附图说明】
图1是本发明全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置的结构示意图；
图2是本发明全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置的储气室处的放大图；
图3是本发明水封板的结构示意图；
其中：1、空气释放管；2、下部上升筒；3、水封板；4、中部上升筒；5、插销箱；6、上部上升筒；7、曝气室；8、第一气室；9、第二气室；10、第三气室；11、第二水密仓；12、第三水密仓；13、第四水密仓；14、通孔；15、钢丝绳；16、锚固墩；17、第一水密仓；18、第一出口；19、第二出口。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1至图3，本发明一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置，包括从上至下依次连接的导流装置、上部上升筒6、中部上升筒4和下部上升筒2；其中，导流装置通过法兰与上部上升筒6相连接，导流装置的顶部设置有用于提供浮力第一水密仓17，其周向设置有第一出口18；
上部上升筒6为上端开口大于下端开口的圆锥状结构，其通过从下至上直径依次增大的若干直筒拼接而成，相连两个直筒之间通过两个加强筋环相连接；
中部上升筒4由若干直筒通过法兰连接而成，其周向从下至上设置有用于提供浮力的第三水密仓12和第四水密仓13，中部上升筒4与上部上升筒6通过可调节高度的插销箱5相连接；
下部上升筒2通过法兰与中部上升筒4相连接，下部上升筒2的顶部周向设置有用于提供浮力的第二水密仓11，其中部周向设置有由第一气室8、第二气室9和第三气室10组成的储气室，第二气室9和第三气室10之间设置有水封板3，水封板3的上端连接在第二水密仓11上，其下端悬空，使得第二气室9和第三气室10相连通，第一气室8与第三气室10在靠近第二水密仓11处相连通，第二气室9与下部上升筒2在靠近第二水密仓11处相连通，且水封板3靠近第二水密仓11一端的周向设置有若干通孔14，下部上升筒2的下部周向设置有曝气室7，曝气室7与储气室之间为第二出口19，空气释放管1为环形穿孔管，其开口端设置在曝气室7下端开口处，下部上升筒2的下端开口为喇叭状开口，且下部上升筒2的下端通过钢丝绳15与锚固墩16相连接。
相对于现有技术，本发明在水封板3上开设若干圆形通孔，通过若干组不同圆形通孔总面积实验的中试和数值模拟，最终选定总面积为1mm2的若干圆形通孔。压缩空气通过空气释放管1后，从空气释放管1的小孔向水中释放形成气泡，气泡上升经过曝气室7，气泡中的氧气溶解扩散到水中，气泡在上升过程中带动水流向上运动，该部分充氧水经过曝气室7上端第一气室8外侧的下降筒和第二出口19进入底部水体；充氧后的尾气泡直接上升进入储气室，由于水封板3上开有通孔14，充氧后的尾气泡有一部分通过通孔14，直接进入第二气室9，由第二气室9顶部内壁上的孔洞进入中部上升筒4，其余尾气泡在储气室中逐渐积累，向下排挤水体，迫使水体液面不断下降，当第三气室10中的水面下降到水封板3下沿时，储气室中的气体通过第三气室10在瞬间翻过水封板3，进入第二气室9，再由第二气室9顶部内壁上的孔洞进入中部上升筒4，排气后的储气室空间由曝气室7中的水来填充；进入中部上升筒4的气体结合成一个大的气弹阻塞整个上升管断面，并迅速上浮，形成上升活塞流，推动中部上升筒4中的水体加速上升，直至气弹冲出第一出口18；随后，中部上升筒4中的水流在惯性力作用下加速上升，直至下一个气弹形成，如此循环上下层水体。
在空气释放管释放气量分别为5m3/h、12.5m3/h、25m3/h时，通过模拟试验分别求得传统和本发明全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置所对应的气弹形成周期。
表1的试验结果说明环形水封板开孔总面积为521mm2时，空气释放管释放相同气量时，全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置的水封板3开孔时比不开孔时气弹形成周期长。注：表1只能说明气量对周期的影响，不能说明开孔面积对周期的影响。
表1：水质原位改善装置改进前后周期比较
当气量为5m3/h时，周期缩短的时间为：
1005-778=227s                  （1）
从水封板圆形小孔释放气体的流量：
Q12.5=5×（1005-778）÷1005=1.129m3/h          （2）
当气量为12.5m3/h时，周期缩短的时间为：
346-312=34s                      （1）
从水封板圆形小孔释放气体的流量：
Q12.5=12.5×（346-312）÷346=1.228m3/h           （2）
当气量为25m3/h时，周期缩短的时间为：
169-160=9s                                  （3）
从水封板圆形小孔释放气体的流量：
Q25=25×（169-160）÷169=1.331m3/h         （4）
由此数值模拟计算结果可以得出，通过在传统水质原位改善装置的水封板3上开设圆形通孔，通孔出气流量随曝气量的降低略微减小，气弹形成周期的延长时间与曝气量的降低并非呈正比关系。当曝气量分别为5、12.5和25m3/h时，从水封板圆形通孔释放气体的流量分别为1.129、1.228和1.331m3/h，气弹形成周期分别延长了227、34和16s。
参见图2，是本发明水质原位改善装置的储气室处的放大图，可以看到水封板3上开设的通孔，充氧后的尾气泡有一部分通过通孔，直接进入出气狭缝，由出气狭缝顶部内壁上的孔洞进入上升筒，其余尾气泡在储气室中逐渐积累。
参见图3，是本发明水封板的结构示意图，水封板上开设有2排圆形通孔，单个通孔面积为1mm2。本发明与传统扬水曝气器相比，在水封板上开设若干圆形通孔，总面积为521mm2。该优化方法不仅满足了传统扬水曝气器的充氧和混合功能，而且可以根据实际情况的需要，通过在水封板开设圆形通孔，在与传统扬水曝气器释放相同气量的情况下，灵活地延长了扬水曝气器的气弹形成周期。相同时间内储气室内积累的尾气量减少，因而水体全层混合次数减少，使等温层曝气充氧功能加强，全层混合功能减弱，从而使更多的气体用于等温层水体充氧，提高充氧效率，有效改善等温层水体水质，更好地控制湖泊水库水质的内源污染。

Claims (10)

1.一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置，其特征在于，包括从上至下依次连接的导流装置、上部上升筒（6）、中部上升筒（4）和下部上升筒（2）；其中，导流装置的顶部设置有用于提供浮力的第一水密仓（17），其周向设置有第一出口（18）；中部上升筒（4）的周向设置有若干用于提供浮力的水密仓；下部上升筒（2）的顶部周向设置有用于提供浮力的第二水密仓（11），其中部周向设置有由第一气室（8）、第二气室（9）和第三气室（10）组成的储气室，第二气室（9）和第三气室（10）之间设置有水封板（3），水封板（3）的上端连接在第二水密仓（11）上，其下端悬空，使得第二气室（9）和第三气室（10）相连通，第一气室（8）与第三气室（10）在靠近第二水密仓（11）处相连通，第二气室（9）与下部上升筒（2）在靠近第二水密仓（11）处相连通，且水封板（3）靠近第二水密仓（11）一端的周向设置有若干通孔（14），下部上升筒（2）的下部周向设置有曝气室（7），曝气室（7）与储气室之间为第二出口（19），空气释放管（1）的开口端设置在曝气室（7）下端开口处，下部上升筒（2）的下端与锚固墩（16）相连接。
2.根据权利要求1所述的一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置，其特征在于，导流装置通过法兰与上部上升筒（6）相连接。
3.根据权利要求1所述的一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置，其特征在于，上部上升筒（6）为上端开口大于下端开口的圆锥状结构，其通过从下至上直径依次增大的若干直筒套接而成。
4.根据权利要求3所述的一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置，其特征在于，相连两个直筒之间通过两个加强筋环相连接。
5.根据权利要求1所述的一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置，其特征在于，中部上升筒（4）由若干直筒通过法兰连接而成，其周向从下至上设置有第三水密仓（12）和第四水密仓（13）。
6.根据权利要求1或5任一项所述的一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置，其特征在于，中部上升筒（4）与上部上升筒（6）通过可调节高度的插销箱（5）相连接。
7.根据权利要求1所述的一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置，其特征在于，下部上升筒（2）的下端开口为喇叭状开口，其通过法兰与中部上升筒（4）相连接。
8.根据权利要求1所述的一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置，其特征在于，下部上升筒（2）的下端通过钢丝绳（15）与锚固墩（16）相连接。
9.根据权利要求1所述的一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置，其特征在于，水封板（3）上开设有2排通孔，该通孔为圆孔，单个大小为1mm2，总面积为521mm2。
10.根据权利要求1所述的一种全层混合和等温层曝气自动切换的水质原位改善装置，其特征在于，压缩空气通过空气释放管（1）后，从空气释放管（1）的小孔向水中释放形成气泡，气泡上升经过曝气室（7），气泡中的氧气溶解扩散到水中，气泡在上升过程中带动水流向上运动，该部分充氧水经过曝气室（7）上端第一气室（8）外侧的下降筒和第二出口（19）进入底部水体；充氧后的尾气泡直接上升进入储气室，由于水封板（3）上开有通孔（14），充氧后的尾气泡有一部分通过通孔（14），直接进入第二气室（9），由第二气室（9）顶部内壁上的孔洞进入中部上升筒（4），其余尾气泡在储气室中逐渐积累，向下排挤水体，迫使水体液面不断下降，当第三气室（10）中的水面下降到水封板（3）下沿时，储气室中的气体通过第三气室（10）在瞬间翻过水封板（3），进入第二气室（9），再由第二气室（9）顶部内壁上的孔洞进入中部上升筒（4），排气后的储气室空间由曝气室（7）中的水来填充；进入中部上升筒（4）的气体结合成一个大的气弹阻塞整个上升管断面，并迅速上浮，形成上升活塞流，推动中部上升筒（4）中的水体加速上升，直至气弹冲出第一出口（18）；随后，中部上升筒（4）中的水流在惯性力作用下加速上升，直至下一个气弹形成，如此循环上下层水体。
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