CN104961249A - 基于超声波的水体增氧方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于超声波的水体增氧方法与装置，水泵进口端连接增氧池、出口端连接进气罐，进气罐连接水氧混合器；水体首先通入水氧混合器正中间的第一级混合筒内，再向外渗入到第二级混合筒内，第二级混合筒筒壁外侧上装有的第一级超声波换能器对水体充分的振荡搅拌，然后第二级混合筒中的水体在水压的作用下经由其顶部的连通处压入空套在第二级混合筒之外的第三级混合筒内，第三级混合筒内的水体在压力作用下经渗水通孔向外渗入到第四级混合筒内，设置在第四级混合筒筒壁外侧的第二级超声波换能器再次对水体充分的振荡搅拌；大大延长了氧气与水的接触时间，同时也增加了接触面积，实现水、氧气的充分混合。

Description

基于超声波的水体增氧方法与装置

技术领域

本发明涉及污水处理与养殖业技术领域，特别涉及其中的水体增氧装置与控制方法，增加空气与水的接触面积，使氧气与水充分混合，从而提高水体含氧量。

背景技术

在环保业当中，处理工业污水的有效方法通常有四种：物理法、化学法、物理化学法、生物法。其中生物法是利用废水中微生物的代谢作用来分解水中可降解的有机物，经济可靠，效率较高，是目前使用较为广泛的一种水处理方法。微生物分为好氧型和厌氧型两种，其中好氧微生物必须要在有氧条件下才能发挥作用，而其生长量与充氧效率成正相关性，因此水体溶氧量直接影响污水处理的效率。

在养殖业中，人工鱼塘中氧气来源主要有三个：一是浮游生物的光合作用；二是大气扩散溶于水中的氧气；三是人工增氧。白天鱼塘水体上层光照强度大，浮游生物光合作用强，溶氧量较下层水体高，尤其是高温季节，在上下水体温差极大的情况下，由于热阻力，底层水体溶氧量极少，而到了夜间，由于缺少光合作用，水中生物包括鱼类全部进行呼吸作用，会消耗大量氧气，鱼塘水体的溶氧量将整体下降，因此人工鱼塘中经常会发生鱼因缺氧而死亡的事件，所以通常采用人工增氧的方式为鱼塘补给氧气。

现有水体增氧方式主要分为两种：一是将空气与水混合，包括用曝气机或水泵将空气直接通入水中，或用喷头将水扬起，或用齿轮搅动水体等达到水体溶氧的目的；二是利用增氧剂，如过氧化钙等，直接在水中发生化学反应产生氧气。但是上述增氧方式存在的不足之处是：空气中氧气含量占空气总量的21%，如果单纯地将空气通入增氧池之中，由于氧气微溶于水的性质，此种增氧方式效率并不高，难以满足水体的供氧需求；此外齿轮转动等机械运动会对鱼体造成伤害，且耗电量大，产生的噪声也容易对鱼类造成影响，减缓生长速率；化学增氧剂虽然能产生较多氧气，但是其价格昂贵，并且在水中容易破坏鱼塘水体环境的酸碱平衡，从而影响鱼类的正常生长或者造成食品安全问题。

发明内容

为了克服上述现有水体增氧方法存在的缺陷，本发明提供一种安全、环保、高效的基于超声波的水体增氧装置及其方法，利用超声波振荡，增加空气与水的接触面积，使空气中的氧气充分与水融合，改善传统水体增氧方式的不足，大大提高水体的溶氧效率。

 本发明一种基于超声波的水体增氧装置采用的技术方案是：包括鼓风机和水泵，水泵进口端经由进水管道连接增氧池、出口端经进气罐的进水口连接进气罐，在进气罐和水泵之间的管道上设置电动调节阀，鼓风机经进气管道连接进气罐，进气罐的出水口经连接管道连接水氧混合器，水氧混合器内布置有超声波换能器，超声波换能器连接超声波发生器，水氧混合器经出水管道连接增氧池；MCU控制单元通过不同的端口分别连接所述水泵、电动调节阀、变频器和超声波发生器，鼓风机连接变频器。

进一步地，水氧混合器竖直放置，由外壳及外壳内部的四级混合筒空套在一起组成，四级混合筒由内而外依次地空套在一起，最内部的是第一级混合筒， 第一级混合筒与第三级混合筒的筒壁四周嵌有渗水通孔，第一级混合筒顶端与所述连接管道连通，且其顶端伸出外壳顶面之外，第三级混合筒顶端与外壳顶端高度相同，第二级混合筒顶端与第四级混合筒顶端高度相同且低于第三级混合筒与外壳顶端高度，第一级混合筒、第三级混合筒顶部均与外壳顶部密封，第二级混合筒顶部与第三级混合筒连通，第四级混合筒顶部与外壳连通；四级混合筒的底部均与外壳底面密封；在第二级混合筒筒壁外侧设置第一级超声波换能器，在第四级混合筒筒壁外侧安装第二级超声波换能器，第一级超声波换能器和第二级超声波换能器均连接所述超声波发生器。

本发明基于上述水体增氧装置的增氧方法采用的技术方案是包括以下步骤：

A、MCU控制单元启动水泵和鼓风机，水泵通过进水口将增氧池中的水抽到进气罐中，同时鼓风机将大量新鲜空气经由进气管通入进气罐中，在进气罐内空气和增氧池水体初步进行混合；

B、进气罐中初步混合的水体在水压作用下涌入到水氧混合器中， 此时MCU控制单元启动超声波发生器，超声波换能器将电能转换为机械振荡，使空气中氧气充分与水混合得到富氧水体。

C、富氧水体在水的压力作用下经由出水管道涌入增氧池之中。

进一步地，上述步骤B中，在水氧混合器中，水体首先通入水氧混合器正中间的第一级混合筒内，再向外渗入到第二级混合筒内，此时第二级混合筒筒壁外侧上装有的第一级超声波换能器对水体充分的振荡搅拌，然后第二级混合筒中的水体在水压的作用下经由其顶部的连通处压入空套在第二级混合筒之外的第三级混合筒内，第三级混合筒内的水体在压力作用下经渗水通孔向外渗入到第四级混合筒内，此时设置在第四级混合筒筒壁外侧的第二级超声波换能器再次对水体充分的振荡搅拌，最后，第四级混合筒内的水体经由其顶部的连通处向外进入外壳中。

本发明与已有方法和技术相比具有以下优点：

    1、本发明水体增氧装置只有进出水管道与增氧池水体接触，对于污水处理而言，避免了污水长期浸泡对机械的腐蚀；对于养殖业而言，这样就避免了机械装置对鱼类的影响和对鱼塘水体污染的可能性。

2、本发明水体增氧装置的圆柱形混合筒是多层结构，利用压力使水体层层向外渗透，大大延长了氧气与水的接触时间，同时也增加了接触面积，实现水、氧气的充分混合。

3、本发明水体增氧装置利用超声波换能器，将电能转化为机械能，变为一定频率的机械振荡，该振荡在混合器水体中传播，对水体、气体起到搅拌作用，大大提高了水体的溶氧量。

4、本发明水体增氧装置能实现对机械工作的自动控制，利用自动控制的方式将空气与水体进行充分混合，增加空气与水的接触面积，使氧气与水充分混合，从而提高水体含氧量；根据具体水体溶氧的实际情况自动调节进气量和进出水量与超声波发生器的工作频率，高效节能。

附图说明

图1为本发明基于超声波的水体增氧装置的整体结构示意图；

图2为图1的控制框图；

图3为图1中进气罐9的剖面放大图；

图4为图1中水氧混合器11的局部剖面放大示意图；

图5为本发明中的超声波换能器26、27在水氧混合器11内的布置放大示意图；

附图中各部分序号及名称：1.鼓风机；2.支撑架；3.进气管道；4.进水管道；5.单向阀；6.水泵；7.电动调节阀；8、进气罐支撑架；9.进气罐；10.连接管道；11.水氧混合器；12.第一级混合筒；13.增氧池；14.出水管道；15.超声波发生器；16. MCU控制单元；17.变频器；18.进水口；19.出水口；20.进气孔；21.第二级混合筒；22.第三级混合筒；23.第四级混合筒；24.外壳；25.渗水通孔；26.第一级超声波换能器；27.第二级超声波换能器。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明基于超声波的水体增氧装置主要包括鼓风机1、水泵6、进气罐9、MCU控制单元16、超声波发生器15、变频器17等。鼓风机1固定置于支撑架2之上，且与变频器17相连，变频器17又连接于MCU控制单元16，MCU控制单元16通过变频器17可调节鼓风机1的进气量。鼓风机1经进气管道3连接进气罐9，在进气管道3上安装单向阀5，鼓风机1将大量新鲜空气经由进气管3鼓入到进气罐9中，单向阀5的作用是防止进气罐9中的压缩空气逆向流动以及防止进气罐9中的水体倒流。

进气罐9经进水口18连接水泵6出口端，在进气罐9和水泵6之间的进水管道上安装电动调节阀7。水泵6进口端经由进水管道4连接增氧池13，水泵6经进水管道4将增氧池13中的水通过进水口18抽到进气罐9中，电动调节阀7控制进气罐9的进水量。电动调节阀7经控制线连接MCU控制单元16，MCU控制单元16通过控制电动调节阀7来改变进气罐9的进水量。

在进气罐9内，空气和水体初步进行混合，初步混合的空气与水在水压作用下经由连接管道10通入到水氧混合器11中，在水氧混合器11中，水体与氧气进一步混合，混合成富氧水，水氧混合器11经由出水管道14连接增氧池13，水氧混合器11经出水管道14连接增氧池13，水氧混合器11中的富氧水体经由出水管道14再返回到增氧池13中。

参见图2，MCU控制单元16通过不同的端口分别连接水泵6、电动调节阀7、变频器17和超声波发生器15。MCU控制单元16与变频器17相连可调节鼓风机1的进气量，MCU控制单元16与电动调节阀7相连可调节水泵6进水量，MCU控制单元16与超声波发生器15相连控制其关闭与启动，MCU控制单元16与水泵6相连控制其关闭与启动。

参见图1和图3，进气罐9为一密封的横向水平放置的圆柱筒形结构，横向固定在进气罐支撑架8上。进气罐9的进水口18经电动调节阀7连接水泵6，出水口19经连接管道10连接水氧混合器11。进水口18和出水口19位于横向进气罐9 的两端，并且在同一水平位置，且靠近进气罐9的底部。连接鼓风机1的进气管道3经进气罐9侧壁上的孔伸入到进气罐9内部，在进气罐9内部的进气管道3末端是进气孔20，进气孔20位于进水口18与出水口19之间，进气管道3末端的进气孔2处有一截朝向出水口19方向弯曲的弧形管道。 水泵6不断从进水口18将水鼓入，水体在压力作用下由出水口19涌出，使进气罐9中的进水量与出水量保持相对平衡的状态，从而可以在进气罐9底部形成一股稳定的水流。因此，根据康达效应(Coanda Effect)的原理，亦称附壁作用或柯恩达效应，流体（水流或气流）有离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时（也可以说是流体粘性），只要曲率不大，流体会顺着物体表面流动。利用附壁作用的原理可以有意识地诱导空气气流。进气孔20鼓入的新鲜空气将随进气罐9底部水流的趋势而流动。连接管道10两端分别连接出水口19和水氧混合器11，通过出水口19，经由连接管道10，进气罐9中富含大量新鲜空气的增氧池水体将涌入到水氧混合器11中，以便进行下一步的混合。

参见1和图4，水氧混合器11外观为一封闭圆柱体，竖直放置。水氧混合器11由外壳24以及位于外壳24内部的四级混合筒组成，外壳24为圆筒状，内部空套四级混合筒。每一级混合筒也均是圆筒状结构，并且均为一个独立的空心圆柱体。外壳24和四级混合筒具有共同的轴心线。四级混合筒由内而外依次地空套在一起，其内径大小从内到外是逐级增加的。最内部的是第一级混合筒12，内径最小，位于整个水氧混合器11的正中间。依次地是第二级混合筒21、第三级混合筒22和第四级混合筒23。其中第一级混合筒12与第三级混合筒22的筒壁四周嵌有大小不一的渗水通孔25。第一级混合筒12的顶端与连接管道10连通，其顶端高度最高，顶端伸出外壳24顶面之外。第三级混合筒22顶端与外壳24顶端高度相同，且这两者的高度仅次于第一级混合筒12。第二级混合筒21顶端高度与第四级混合筒23顶端高度相同，低于第三级混合筒22与外壳24，次于第三级混合筒22与外壳24。第一级混合筒12顶部和第三级混合筒22顶部与外壳24顶部构成完全密封结构，而第二级混合筒21顶部与第三级混合筒22连通，第四级混合筒23的顶部与外壳24连通。四级混合筒的每一级混合筒的底部均与外壳24底面相密封，在外壳24的底部侧壁上开有出口，用于连接出水管道14。

参见4和图5，在第二级混合筒21的筒壁外侧安装第一级超声波换能器26，在第四级混合筒23的筒壁外侧安装第二级超声波换能器27。第一级超声波换能器26和第二级超声波换能器27均连接水氧混合器11外部的超声波发生器15。

从进气罐9出来的水体从水氧混合器11的第一级混合筒12的顶端泵入时，会导致水氧混合器11内部上下水压分布不均匀，将嵌在筒壁上的渗水通孔25的孔径大小设计成由上至下逐渐减小，渗水通孔25直径越小，其渗水速率越慢，这样便延长了渗水时间，使得混合筒内水压较小的底部向下一级混合筒渗水的速率较慢，使氧气与水充分接触，保证溶氧效率。而第二级混合筒21与第四级混合筒23筒壁则均为完全密封结构，并未开有渗水通孔，而是在筒壁外侧安装超声波换能器，其顶部与下一级筒连通。

参见图1-5，本发明基于超声波的水体增氧装置的具体增氧过程如下：

水体增氧装置通电后，MCU控制单元16启动水泵6和鼓风机1，水泵6通过进水口18将增氧池13中的水抽到进气罐9中，同时鼓风机1将大量新鲜空气经由进气管3通入进气罐9中，在进气罐9内空气和增氧池水体初步进行混合，该过程中控制单元16同时控制电动调节阀7与变频器17来调节水泵6的进水量和鼓风机1的进风量，以便能够满足不同溶氧量的需求。

进气罐9中的水量与出水量保持相对平衡，在进气罐9底部形成一股稳定的水流。因此，根据附壁效应的原理，进气罐9中的空气气流方向会随水流改变改变，将随其中的水体在水压作用下涌入到水氧混合器11当中。

大量空气和增氧池水体经连接管道10首先通入第一级混合筒12，由于压力作用水体将源源不断地涌入水氧混合器11中，第一级混合筒12内的水体在水的压力作用下，将会经由渗水通孔25向外渗入到第二级混合筒21之中，而且，由于渗水通孔25的直径由上至下大小不一，混合筒底部渗水速率较小。在此过程中，氧气与水在压力作用下和缓慢运动的过程中，延长接触时间，增加了接触面积。

此时，MCU控制单元16启动超声波发生器15发出一定频率的交流电信号，再经过超声波换能器15将电能转换为一定频率的机械振荡，机械振荡经第二级混合筒21的筒壁外侧上装有的第一级超声波换能器26在第二级混合筒21内部的水体中传播，该振荡的传播对水体、气体起到搅拌作用，增加氧气与水的接触面积，使空气中氧气充分与水进行混合。此后，第二级混合筒21中的水体在水压的作用下经由其顶部的连通处被压入空套在其外的第三级混合筒22中。第三级混合筒22内的水体在压力作用下经由渗水通孔25向外渗入到第四级混合筒23内部。第四级混合筒23筒壁外侧装有的第二级超声波换能器27再次对液体进行充分的振荡搅拌，得到富氧水体。

在水压力的作用下，第四级混合筒23内的水体经由其顶部的连通处向外进入外壳24中。至此，氧气与水已经进行了充分的混合。水氧混合器11与增氧池13之间由出水管道14连接，水氧混合器11中的富氧水体在水的压力作用下经由出水管道14涌入增氧池13之中。

Claims (8)

1.一种基于超声波的水体增氧装置，包括鼓风机（1）和水泵（6），其特征是：水泵（6）进口端经由进水管道（4）连接增氧池（13）、出口端经进气罐（9）的进水口（18）连接进气罐（9），在进气罐（9）和水泵（6）之间的管道上设置电动调节阀（7），鼓风机（1）经进气管道（3）连接进气罐（9）， 进气罐（9）的出水口（19）经连接管道（10）连接水氧混合器（11），水氧混合器（11）内布置有超声波换能器，超声波换能器连接超声波发生器（15），水氧混合器（11）经出水管道（14）连接增氧池（13）；MCU控制单元（16）通过不同的端口分别连接所述水泵（6）、电动调节阀（7）、变频器（17）和超声波发生器（15），鼓风机（1）连接变频器（17）。

2.根据权利要求1所述基于超声波的水体增氧装置，其特征是：水氧混合器（11）竖直放置，由外壳（24）及外壳（24）内部的四级混合筒空套在一起组成，四级混合筒由内而外依次地空套在一起，最内部的是第一级混合筒（12）， 第一级混合筒（12）与第三级混合筒（22）的筒壁四周嵌有渗水通孔（25），第一级混合筒（12）顶端与所述连接管道（10）连通，且其顶端伸出外壳（24）顶面之外，第三级混合筒（22）顶端与外壳（24）顶端高度相同，第二级混合筒（21）顶端与第四级混合筒（23）顶端高度相同且低于第三级混合筒（22）与外壳（24）顶端高度，第一级混合筒（12）、第三级混合筒（22）顶部均与外壳（24）顶部密封，第二级混合筒（21）顶部与第三级混合筒（22）连通，第四级混合筒（23）顶部与外壳（24）连通；四级混合筒的底部均与外壳（24）底面密封；在第二级混合筒（21）筒壁外侧设置第一级超声波换能器（26），在第四级混合筒（23）筒壁外侧安装第二级超声波换能器（27），第一级超声波换能器（26）和第二级超声波换能器（27）均连接所述超声波发生器（15）。

3.根据权利要求1所述基于超声波的水体增氧装置，其特征是：进气罐（9）为一密封的横向水平放置的圆柱筒形结构，进气罐（9）的进水口（18）和出水口（19）靠近进气罐（9）底部且在同一水平位置，所述进气管道（3）的末端是进气孔（20），该末端经进气罐（9）侧壁上的孔伸入到进气罐（9）内部且位于进水口（18）与出水口（19）之间，该进气孔（2）处有一截朝向出水口（19）方向弯曲的弧形管道。

4.根据权利要求1所述基于超声波的水体增氧装置，其特征是：所述渗水通孔（25）的孔径大小由上至下逐渐减小。

5.根据权利要求1所述基于超声波的水体增氧装置，其特征是：四级混合筒的内径大小由内而外逐级增加。

6.根据权利要求1所述基于超声波的水体增氧装置，其特征是：在所述进气管道（3）上设置单向阀（5）。

7.一种如权利要求1所述基于超声波的水体增氧装置的增氧方法，其特征是包括以下步骤：

A、MCU控制单元（16）启动水泵（6）和鼓风机（1），水泵（6）通过进水口（18）将增氧池（13）中的水抽到进气罐（9）中，同时鼓风机（1）将大量新鲜空气经由进气管（3）通入进气罐（9）中，在进气罐（9）内空气和增氧池水体初步进行混合； 

B、进气罐（9）中初步混合的水体在水压作用下涌入到水氧混合器（11）中，此时MCU控制单元（16）启动超声波发生器（15），超声波换能器（15）将电能转换为机械振荡，使空气中氧气充分与水混合得到富氧水体；

C、富氧水体在水的压力作用下经由出水管道（14）涌入增氧池（13）之中。

8.根据权利要求7所述增氧方法，其特征是：步骤B中，在水氧混合器（11）中，水体首先通入水氧混合器（11）正中间的第一级混合筒（12）内，再向外渗入到第二级混合筒（21）内，此时第二级混合筒（21）筒壁外侧上装有的第一级超声波换能器（26）对水体充分的振荡搅拌，然后第二级混合筒（21）中的水体在水压的作用下经由其顶部的连通处压入空套在第二级混合筒（21）之外的第三级混合筒（22）内，第三级混合筒（22）内的水体在压力作用下经渗水通孔（25）向外渗入到第四级混合筒（23）内，此时设置在第四级混合筒（23）筒壁外侧的第二级超声波换能器（27）再次对水体充分的振荡搅拌，最后，第四级混合筒（23）内的水体经由其顶部的连通处向外进入外壳（24）中。