CN105417743B - 间歇式机械混合‑表层充氧一体化中试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种间歇式机械混合‑表层充氧一体化中试装置，包括锥形上升筒装置、出流筒装置、文丘里进气装置、电机驱动装置和智能电源开关系统，通过智能电源开关控制电机间歇驱动叶片旋转，产生向上的提升力，使底部水体依次流经上升筒、缩小管、曝气室、出流筒装置，混合湖库上下层水体；在缩小管处因流速较快而产生负压，空气因文丘里原理而依次经进气管、柔性软管被吸入缩小管，与来自上升筒的底部水流一起进入曝气室，曝气叶片在周期运行过程中将空气曝入水体，充氧后的水经出流筒装置进入外部水体。本发明将混合充氧的核心单元都置于水体表层，无需复杂的供气设备和水下管道系统，使用维护方便，降低湖库水体水质改善的投资和运行成本。

Description

间歇式机械混合-表层充氧一体化中试装置

技术领域：

本发明属于湖泊水库水质污染控制领域，具体涉及一种间歇式机械混合-表层充氧一体化中试装置，其适用于混合水深较大的分层湖泊水库，并向水体充氧，控制水体内源污染和富营养化。

背景技术：

湖泊水库是世界上最珍贵的可直接利用的淡水资源，其中水库正逐渐成为多数城市的主要供水水源，水源水库的重要性日渐彰显。当前，湖泊水库环境面临的水体富营养化问题非常突出，湖泊水库水质的恶化直接影响城市水资源的可持续利用，更严重威胁到城市的供水安全。水深较大的湖泊水库易发生由于剧烈垂向温度梯度的存在引起不同密度水体分层的现象，易于扰动、混合的表层水体与相对稳定的底部水体缺乏交换，这使得水体分成三个不同温度和密度的水团层：变温层、跃温层(斜温层)和等温层。水体分层后，由于上下层水体间相对静止，缺乏交换，下层水体得不到氧气的补充，溶解氧逐步减少，厌氧条件会引起底泥有机质、氮、磷、铁、锰的溶解释放，造成水体内源污染，水体色度、嗅味加大，pH值下降，水质恶化，藻类大量繁殖等，直接加快水体的富营养化进程。

目前湖泊水库水体污染主要有藻类、沉积物和溶解氧三个问题。藻类控制技术主要有三种：降低水体氮、磷等营养盐含量，如对点源(生活污水和工业废水)和非点源污染进行控制，以削减外源性氮、磷负荷；创造低温、低光照、低溶解氧等不利的生长环境(如水力混合)；采用化学(如投加硫酸铜)、生物(如养鱼)、物理(捕捞收割)等方法直接去除已生长的藻类。对于沉积物中污染物的控制技术主要有投加化学氧化剂和钝化剂对沉积物进行氧化和钝化处理，此外沉积物覆盖和疏浚也有使用，但成本较高、实施不易、还会新增污染物。增加水体溶解氧的技术主要有破坏水体分层(机械、水力、曝气)和等温层曝气两种，其中机械、水力破坏分层都仅仅具有混合功能、不对水体充氧，等温层曝气只对底部水体充氧、不破坏分层，扬水曝气技术把混合充氧集中于一体。综合各种湖泊水库水体污染控制技术的环境、经济和社会效益，曝气混合充氧是目前相对较好的技术，并且应用也最为广泛。但尽管如此，目前的曝气混合充氧技术都是在湖泊水库底部进行曝气充氧，同时利用气体提升水体进行混合，由于供气压力必须大于水深，导致混合充氧系统的能量需求很大、需要大型空压机，并且能耗高、能量效率低(一般在10％以下)，此外水下安装维护困难。

中国库容1亿立方以上的水库大约有3800多座，大多呈现富营养化的状态。因此经济高效、易于实施的混合充氧新技术和装置的研发是湖泊水库水体污染控制的迫切技术需求。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种间歇式机械混合-表层充氧一体化中试装置，该装置能在水体表层应用基于太阳能的电机驱动装置混合上下层水体，同时对被提升的等温层水体进行充氧，经济、高效、便捷地原位改善湖泊水库水体水质。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

间歇式机械混合-表层充氧一体化中试装置，包括上升筒装置、出流筒装置、文丘里进气装置、电机驱动装置和智能电源开关系统；其中，文丘里进气装置包括两端开口纵向设置的缩小管，其周向连通有若干有机玻璃进气管；

上升筒装置包括锥形上升筒、下部锥形筒和下部上升筒，其中，下部上升筒的周向设置有高度可调的下部挡板，锥形上升筒与缩小管的上部开口端相连通，下部锥形筒与缩小管的下部开口端相连通，下部上升筒和下部锥形筒相连接，且下部上升筒的底部通过铁链与锚固墩相连接；

出流筒装置设置在上升筒装置的周向，包括顶板和上部直筒，其中，顶板上开设有若干个空气溢流孔，且固定在上部直筒上端，在上部直筒的周向还设置有浮筒；

电机驱动装置包括电机、中空连接轴和间歇式曝气叶片，其中，电机设置在顶板上，间歇式曝气叶片设置在锥形上升筒形成的曝气室内，电机通过中空连接轴与间歇式曝气提升叶片相连通；

智能电源开关系统用于控制电机间歇驱动间歇式曝气叶片旋转，产生向上的提升力。

本发明进一步的改进在于：锥形上升筒渐扩管角度为20°。

本发明进一步的改进在于：下部锥形筒渐缩管角度为90°。

本发明进一步的改进在于：下部挡板通过下部上升筒外壁的螺纹而调节其高度，且下部上升筒外壁的螺纹高度为100mm。

本发明进一步的改进在于：出流筒装置还包括设置在上部直筒中部外侧的法兰以及法兰之间的密封圈。

本发明进一步的改进在于：法兰之间的密封圈采用硅胶材料制成。

本发明进一步的改进在于：顶板上设置有用于防止电机进水的圆筒形护板。

本发明进一步的改进在于：间歇式曝气叶片对称设置在中空连接轴的周向，其数量为2n个，n为大于等于1的正整数。

本发明进一步的改进在于：间歇式曝气叶片为具有中空腔体的锥体，锥体角度为26°。

本发明进一步的改进在于：有机玻璃进气管的数量为4个，4个有机玻璃进气管穿过上部直筒并与对应的4个软管相连通。

相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：

本发明间歇式机械混合-表层充氧一体化中试装置，其将水体混合充氧过程全部实现于水体表层，采用电机驱动曝气叶片旋转进行水体提升和吸入空气，增加溶解氧，无需在地面设置高能耗的空气压缩机和水下设置大量的耐压供气管道；根据文丘里管原理在水体表层对被提升的缺氧底部水体进行充氧，并在叶片的高速旋转下强化氧的传质过程，提供充氧效果。

进一步，为减小局部水头损失、取得水力性能最优的水体提升效果，锥形上升筒渐扩管角度为20°。

进一步，为减小局部水头损失、取得水力性能最优的水体提升效果，下部锥形筒渐缩管角度为90°。

进一步，采用螺纹调节使下部挡板能随跃层变化而随意调节。

进一步，为防止电机进水，在电机周围设置圆筒形护板。

进一步，间歇式曝气叶片为具有中空腔体的锥体，为实现功耗和水力性能最优，锥体角度为26°，

附图说明：

图1为本发明间歇式机械混合-表层充氧一体化中试装置的结构示意图；

图2为本本发明间歇曝气叶片的结构示意图。

其中：1、电机；2、空气溢流孔；3、浮筒；4、上部直筒；5、法兰；6、软管；7、有机玻璃进气管；8、锥形上升筒；9、中空连接轴；10、间歇式曝气叶片；11、顶板；12、下部锥形筒；13、下部挡板；14、下部上升筒；15、圆筒形护板；16、缩小管；17、铁链；18、锚固墩；19、曝气室。

具体实施方式：

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明间歇式机械混合-表层充氧一体化中试装置，包括锥形上升筒装置、出流筒装置、文丘里进气装置、电机驱动装置和智能电源开关系统；其中，文丘里进气装置包括两端开口纵向设置的缩小管16，其周向设置有4个有机玻璃进气管7与对应的4个软管6相连通。

上升筒装置包括锥形上升筒8、下部锥形筒12和下部上升筒14，其中，下部上升筒14的周向设置有高度可调的下部挡板13，下部挡板13可通过下部上升筒14外壁的螺纹而任意调节其高度，锥形上升筒8与缩小管16的上部开口端相连通，下部锥形筒12与缩小管16的下部开口端相连通，下部上升筒14和下部锥形筒12相连接，且下部上升筒14的底部通过铁链17与锚固墩18相连接。

出流筒装置包括顶板11和上部直筒4，其中，顶板11上开设有若干个空气溢流孔2，且固定在上部直筒4上端，在上部直筒4的周向还设置有浮筒3，该出流筒装置设置在上升筒装置的周向。

电机驱动装置包括电机1、中空连接轴9和间歇式曝气叶片10，其中，电机1设置在顶板11上，间歇式曝气叶片10设置在锥形上升筒8形成的曝气室19内，电机1通过中空连接轴9与间歇式曝气提升叶片10相连通。

为了对本发明进一步了解，现对其工作原理做一说明。

本发明间歇式机械混合-表层充氧一体化中试装置，其安放在湖泊水库中，依靠装置顶部浮筒3的浮力，使其漂浮、垂直立于水中；依靠铁链17将装置底部与锚固墩18相连，使装置固定于湖泊水库底部。为适应跃温层水位的变化，该装置通过调节安装在下部上升筒14上的下部挡板13，在100mm高的螺纹范围内任意调节。四根对称布置的软管6伸出水面。首先开启电机1，调整转速至一定值，通过中空连接轴9带动间歇式曝气叶片10旋转，依靠间歇式曝气叶片10旋转产生的向上提升力使水由下向上流动，同时间歇式曝气叶片10的半锥形腔体内的水体在离心力作用下被甩出腔体，从而达到从中空连接轴9吸入空气的目的；当等温层水体经过下部上升筒14和下部锥形筒12到达缩小管16时，会因缩小管16较小的过水断面而产生较大的水流速度，在缩小管16处因流速较快而产生一定的负压，空气随即因文丘里原理而依次经过有机玻璃进气管7、柔性软管6被吸入缩小管16；依靠水流的向上携带作用和气泡本身的浮力作用，空气通过缩小管16进入曝气室19，在间歇式曝气叶片10高速旋转而产生的剧烈紊动及切割气泡作用下，空气中的氧气被溶解进入水中，未溶解的氧气和不能溶解的氮气则随水流上升，直达顶板11，在顶板11之下聚集；通过调节顶板上空气溢出孔2的开启度，使曝气室19的顶部维持一定的气柱高度，让曝气室内经过充氧的水流翻过上部内直筒9的顶部而进入上部直筒4，再经过下部直筒6的出口进入外部水体，充氧后的等温层水体再与周围水体混合，形成自上而下的循环水流，通过水体循环不断破坏水体分层并向等温层水体充氧，实现预期的原位水质改善效果。本发明的核心和关键部分都在离水面1米范围内，采用太阳能驱动的电机，也不需要岸上的空气压缩机及其配套电气设备，节能低碳环保，安装维修非常方便。

实施例：

参见图1。整个装置用有机玻璃加工而成，各个主要单元均可拆卸，便于安装维修。电机1选用60W的交流减速异步电机，连接轴9直径为12mm，长度为250mm，间歇式曝气叶片10总共有2n(n＝1、2、3、……、n)片，锥体，每片与水平面成13°夹角，半圆锥直径40mm，高35mm，ABS塑料制品。为防止电机进水，在电机周围设置圆筒形护板15；为使装置漂浮、垂直立于水中，在整个装置的顶部外围设置一圈直径为30mm的浮筒3。上部上升筒9、上部锥形筒13、缩小管16(内径40mm)、下部上升筒14(内径150mm)和下部锥形筒12互相连接。通过间歇式曝气叶片10的搅动，使水流在下部的上升筒和曝气室中向上流动，空气从有机玻璃进气管7(管径10mm)和柔性软管6进入缩小管16和曝气室19中，氧气在剧烈紊动及气泡切割等主要作用下被传递到水中，不能溶解的空气通过顶板11上的空气溢流孔2(孔径10mm)排除至装置外，上部直筒4(外径300mm)将从曝气室中溢出的水流导流至下部挡板13(外径350mm)，从而将垂向流动转变为水平流动，充氧后的水体反复在表层和底层之间循环流动。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.间歇式机械混合-表层充氧一体化中试装置，其特征在于：包括上升筒装置、出流筒装置、文丘里进气装置、电机驱动装置和智能电源开关系统；其中，文丘里进气装置包括两端开口纵向设置的缩小管(16)，其周向连通有若干有机玻璃进气管(7)；

上升筒装置包括锥形上升筒(8)、下部锥形筒(12)和下部上升筒(14)，其中，下部上升筒(14)的周向设置有高度可调的下部挡板(13)，锥形上升筒(8)与缩小管(16)的上部开口端相连通，下部锥形筒(12)与缩小管(16)的下部开口端相连通，下部上升筒(14)和下部锥形筒(12)相连接，且下部上升筒(14)的底部通过铁链(17)与锚固墩(18)相连接；

出流筒装置设置在上升筒装置的周向，包括顶板(11)和上部直筒(4)，其中，顶板(11)上开设有若干个空气溢流孔(2)，且固定在上部直筒(4)上端，在上部直筒(4)的周向还设置有浮筒(3)；

电机驱动装置包括电机(1)、中空连接轴(9)和间歇式曝气叶片(10)，其中，电机(1)设置在顶板(11)上，间歇式曝气叶片(10)设置在锥形上升筒(8)形成的曝气室(19)内，电机(1)通过中空连接轴(9)与间歇式曝气提升叶片(10)相连通；

智能电源开关系统用于控制电机(1)间歇驱动间歇式曝气叶片(10)旋转，产生向上的提升力；

间歇式曝气叶片(10)对称设置在中空连接轴(9)的周向，其数量为2n个，n为大于等于1的正整数；

间歇式曝气叶片(10)为具有中空腔体的锥体，锥体角度为26°。

2.根据权利要求1所述的间歇式机械混合-表层充氧一体化中试装置，其特征在于：锥形上升筒(8)渐扩管角度为20°。

3.根据权利要求1所述的间歇式机械混合-表层充氧一体化中试装置，其特征在于：下部锥形筒(12)渐缩管角度为90°。

4.根据权利要求1所述的间歇式机械混合-表层充氧一体化中试装置，其特征在于：下部挡板(13)通过下部上升筒(14)外壁的螺纹而调节其高度，且下部上升筒(14)外壁的螺纹高度为100mm。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的间歇式机械混合-表层充氧一体化中试装置，其特征在于：出流筒装置还包括设置在上部直筒(4)中部外侧的法兰(5)以及法兰(5)之间的密封圈。

6.根据权利要求5所述的间歇式机械混合-表层充氧一体化中试装置，其特征在于：法兰(5)之间的密封圈采用硅胶材料制成。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的间歇式机械混合-表层充氧一体化中试装置，其特征在于：顶板(11)上设置有用于防止电机(1)进水的圆筒形护板(15)。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的间歇式机械混合-表层充氧一体化中试装置，其特征在于：有机玻璃进气管(7)的数量为4个，4个有机玻璃进气管(7)穿过上部直筒(4)并与对应的4个软管(6)相连通。