CN106629996A - 一种微气泡环流反应系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微气泡环流反应系统，属于污水处理设备技术领域，其包括水槽、进液泵、进气泵以及环流反应器，进液泵入口通过管道与水槽出口连通，在环流反应器的底部开通有混合气液入口、侧壁上开设有出水口，还包括Y型气液混合器，Y型气液混合器的出口通过穿过环流反应器底部延伸至环流反应器内的导流管与环流反应器连通，通过采用多级Y型气液混合器，使气体与液体在Y型气液混合器中充分混合后再经多个导流筒导流，在升液一降液一升液一降液的自循环流动中气液混合，一方面能够有效阻止微气泡在上升过程中合并，另一方面还能增强气液间的传质和传热效果，提高水体的空化降解能力，而且本发明能耗低、运行成本相对较低，适于工业化应用。

Description

一种微气泡环流反应系统

技术领域

本发明属于污水处理设备技术领域，具体涉及一种强化气液混合的微气泡环流反应系统。

技术背景

据2014年的我国水质调查显示：全国十大水系水质一半污染；国控重点湖泊水质4成污染；31个大型淡水湖泊水质17个污染；9个重要海湾中，辽东湾、渤海湾和胶州湾水质差，长江口、杭州湾、闽江口和珠江口水质极差……对118个大中城市所调查的水体表明，重度污染占40％,地表水劣V类(丧失使用功能的水)断面比例达30％以上，受污染的地下水占三分之一.对全国4778个地下水监测点中，约六成水质较差和极差。根据《全国水资源综合规划》，在全国主要江河湖库划定的6834个水功能区中，有33％的水功能区化学需氧量或氨氮现状污染物入河量超过其纳污能力，且为其纳污能力的4－5倍，部分河流(段)甚至高达13倍。由此可知污水治理已到了刻不容缓的地步，因此寻求新的技术方法是解决水污染的重要手段。

气升式环流反应器是它具有较好的传热、传质和混合特性，近年来广泛应用于石油化工、生物化工、环境工程及湿法冶金等领域中。与单室相比，多室具有更好的传质和流动性能。多室气升式环流反应器，它是由多个升液区和多个降液区构成，多路气体输出，液体在反应器内的个流道中做升液一降液一升液一降液的自循环流动。

当前气升式环流反应器的气流是采用布气盘供气的方式，提供气源。尽管布气盘的孔径是微米级，但大量的气体同时从布气盘中射出，这些微小的气泡密集地拥挤在一起，不可避免地发生碰撞融合在一起，在上升过程中形成大的气泡，这样带来两个不利影响：1)大气泡受到的浮力大而液体的曳力小，不能被环流带到下降段；2)气液界面积减小，对传质不利，处理效果将大大折扣。

发明内容

为了克服现有技术中气升式环流反应器所存在的不足，本发明提供了一种能有效阻止气泡的合并，气液混合效果好、传质速度快、能够有效提高水力空化降解水体污染物的能力的微气泡环流反应系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

该微气泡环流反应系统，包括水槽、进液泵、进气泵以及环流反应器，进液泵入口通过管道与水槽出口连通，在环流反应器的底部开通有混合气液入口、侧壁上开设有出水口，所述系统还包括Y型气液混合器，Y型气液混合器的入口分别与进液泵出口以及进气泵的出口连通，Y型气液混合器的出口通过穿过环流反应器底部延伸至环流反应器内的导流管与环流反应器连通。

进一步优选，所述Y型气液混合器包括主管以及串接在主管出口端的n级支管组，n＝1，2，3；每一级支管组包括并列设置的2～4个支管，第n级的支管中心线与第n-1级的支管中心线之间形成5～10°的夹角。

进一步优选，所述第n级的支管所在平面与第n-1级的支管所在平面在同一个平面上或者分布在两个交叉的平面上且夹角小于90°。

进一步优选，所述主管和支管均是圆形管，第n级的支管横截面S、第n+1级的支管横截面s之间满足：S＝9～12s。

进一步优选，所述主管和支管均是文丘里管，主反应管和支管的喉部均设置在其整个流程的1/3～2/3处，主反应管的喉部直径与入口直径之比为0.2～0.4。

进一步优选，所述主管和支管均是内设穿孔板的直管式结构，穿孔板设置在距离支管出口端40～50mm的位置。

进一步优选，所述环流反应器包括环流筒和安装在环流筒内腔的导流筒，导流管的出口端延伸至导流筒底部或者导流筒内且与导流筒同轴。

进一步优选，所述导流筒是多个且呈阵列布设，一个导流筒的外壁与相邻一个导流筒外壁之间的最小间距是20mm。

本发明的微气泡环流反应系统是采用多级Y型气液混合器，并将该混合器的出口与环流反应器内的导流筒连在一起，通过在Y型气液混合器的主管的出口端设置多级支管，形成多个分支，有效阻止气泡的合并，加速气液的混合，加速气泡对水体污染物的降解与复修能力，此外将各级支管的结构以及排布进行合理布局，将管结构与角度综合考虑，大大提升气液混合效率、提高系统的处理效果，大大缩短处理时间，而且本发明的气体与液体在Y型气液混合器中充分混合后再经多个导流筒导流，在升液一降液一升液一降液的自循环流动中气液混合，一方面能够有效阻止微气泡在上升过程中合并，另一方面还能增强气液间的传质和传热效果，提高水体的空化降解能力，而且本发明能耗低、运行成本相对较低，适于工业化应用。

附图说明

图1为微气泡环流反应系统的结构示意图。

图2为n＝2且支管为2个时的Y型气液混合器3的结构示意图。

图3为图2的正面视图。

图4为n＝2且支管均为4个时的Y型气液混合器3的结构示意图。

图5为图4的A-A剖视示意图。

图6为n＝2且支管不对称分布时的Y型气液混合器3的结构示意图。

图7为图6的俯视图。

图8为n＝2且二级支管与一级支管分布在两个交叉的平面时的Y型气液混合器3的结构示意图。

图9为图8的俯视图。

图10为n＝3时的Y型气液混合器3结构示意图。

图11为文丘里管的结构示意图。

图12为内设穿孔板35的直管式结构示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。

由图1可知，本实施例的微气泡环流反应系统包括水槽1、进液泵2、环流反应器5、Y型气液混合器3以及导流管4组合构成。其中，水槽1的顶部敞口，在水槽1的底部开设有出水口，水槽1的出水口通过安装在管道上的进液泵2与Y型气液混合器3的进液口连通，即Y型气液混合器3的入口通过三通管分别进液泵2出口以及安装在管道上的进气泵出口连通，Y型气液混合器3的出口通过导流管4与环流反应器5的导流筒52底端连通。

参见图2，Y型气液混合器3是包括主管31、一级支管组32和二级支管组33。主管31水平放置，其直径为40mm，长度为60mm，其入口端分别与进液泵2和进气泵连通，使气体和液体在主管31内混合，在气液压力下输送至一级支管组32，一级支管组32包括并列连接在主管31出口端的2～4个支管。

图2、3中，在主管31的出口端面上并列连接有2个一级支管，即一级支管组32包括第一一级支管321和第二一级支管322，第一一级支管321和第二一级支管322分别通过转接头与主管31连通。第一一级支管321和第二一级支管322均为圆形管，其直径均为13.3mm、管长为60mm，与反应主管1的横截面之比为1：9，一级反应支管的截面积s小于1/9反应主管1的横截面，以补偿气液流动过程中压力损耗所带来的影响。第一一级支管321和第二一级支管322的中心线均与主管31的中心线之间形成5°的夹角，而且第一一级支管321和第二一级支管322可以是关于主管31的中心线对称分布，也可以不对称分布，即第一一级支管321和第二一级支管322的中心线与主管31的中心线之间的夹角可以不同，在5～10°的范围内调整，因为角度过大，水压损失太大，到下一级支管内水压不足，会影响气液混合和空化效果。在第一一级支管321和第二一级支管322的出口端分别连接有二级支管组33，二级支管组33包括第一二级支管331、第二二级支管332、第三二级支管333和第四二级支管334，即在第一一级支管321的出口端通过转接头连接有第一二级支管331和第二二级支管332，在第二一级支管322的出口端也通过转接头连接有第三二级支管333和第四二级支管334。第一二级支管331和第二二级支管332所在平面与第一一级支管321和第二一级支管322所在的平面为同一平面，第一二级支管331和第二二级支管332均为圆形管，其管内直径均为4.16mm，管长为60mm，横截面s_c与一级支管的横截面S_c之间满足：S_c＝10.22s_c，也可以在2.2～2.65倍的范围内浮动，为了保证气液混合效果并有效防止微气泡在输出过程中合并，二级支管3的横截面随着流体压力损耗增大而逐级减小。第三二级支管333和第四二级支管334所在平面与第一一级支管321和第二一级支管322所在平面在同一平面，即二级支管在主管31的中心线两侧非对称分布。第三二级支管333和第四二级支管334均为圆形管，其直径均为4.16mm，管长为60mm，横截面s_D与一级支管的横截面S_D之间满足：S_D＝10.22s_D。

图4、5中，在主管31的出口端面上并列连接有4个一级支管组32，即分别为第一一级支管321、第二一级支管322、第三一级支管2-3以及第四一级支管2-4，第一一级支管321、第二一级支管322、第三一级支管2-3以及第四一级支管2-4在主管31的出口端面上均匀且呈扩散型分布，且第一一级支管321、第二一级支管322、第三一级支管2-3以及第四一级支管2-4的中心线与主管31的中心线之间的夹角为10°。在第一一级支管321、第二一级支管322、第三一级支管2-3以及第四一级支管2-4的出口端面上均分别连接有4个二级支管组33，每个二级支管组33包括4个二级支管，每个二级支管中心线与对应的一级支管中心线之间的夹角为8°，4个二级支管呈向外扩散型分布，保证二级支管组33的出水方向各不相同，向外辐射型。

此外，上述实施例中的一级支管所在平面与二级支管所在平面可以是同一平面，如图2所示，也可以是相互交叉的两个平面，当分布在交叉的两个平面时，两平面之间的夹角不超过90°。

以图6和7所示为例说明，第一一级支管321和第二一级支管322所在平面与第一一级支管321和第二一级支管322所在的平面为同一平面，第一一级支管321和第二一级支管322均为圆形管，其管内直径均为13.3mm，管长为60mm，横截面s_c与一级支管的横截面S_c之间满足：S_c＝9s_c，也可以在2.2～2.6倍的范围内浮动。第三二级支管333和第四二级支管334所在平面与第一一级支管321和第二一级支管322所在平面交叉，且所在两平面的夹角为30°，即二级支管在主管31的中心线两侧非对称分布。第三二级支管333和第四二级支管334均为圆形管，其横截面和管长规格与第一一级支管321和第二一级支管322相同。

进一步以图8、9所示为例说明，第一一级支管321和第二一级支管322所在平面、第三二级支管333和第四二级支管334所在平面均与第一一级支管321和第二一级支管322所在的平面交叉，且所在两平面的夹角为45°，即二级支管在主管31的中心线两侧对称分布。

如图10所示，上述实施例的二级支管的出口端还可通过转接头增设三级支管34，即在第一一级支管321和第二一级支管322的出口端分别连接2个相同的三级支管341，342，在第三二级支管333和第四二级支管334的出口端也分别连接2个相同的三级反应支343，344。三级支管34所在平面与二级支管3所在平面交叉，三级支管34所在平面与一级支管2所在平面是在同一平面。二级反应管3的横截面是三级反应管4的横截面的2.5倍，还可以在2.2～2.6倍的范围内浮动，二级反应管3的管长是三级反应管4的管长的1.5倍，可以在1.2～1.8倍的范围内浮动。

上述实施例的Y型气液混合器的结构也可以是在主管31的出口端仅连接一级支管组32，一级支管组22包括2～3个一级支管，而且一级支管在反应主管1的截面上均匀分布，但是该种结构适用于处理水量相对较少的情况。

由图11可知，上述的主管31以及各级的支管也可以是文丘里管结构，其喉部均设置在其整个流程的1/3～2/3处，喉部直径与入口直径之比为0.2～0.4即可。由图12可知，上述的主管31以及各级的支管还可以是内设穿孔板35的直管式结构，穿孔板35设置在距离支管出口端40～50mm的位置，其孔径为1mm，孔隙率为6～8％均可，这样当气液在主管31中混合后运动到文丘里管喉部或穿孔板35后发生空化，一部分气泡会发生崩溃，产生大量的强氧化自由基，即可与水中的有机物发生氧化反应，降解部分有机物，剩余部分一起进入环流反应器5进一步处理，分两步降解，大大提高系统的有机物降解能力。

上述Y型气液混合器3的出口端分别连接有并列排布的导流管4，导流管4的管径分别与Y型气液混合器3的最后一级支管的出口端直径相同，导流管4是直管状且纵向排布，即导流管4的中心轴与Y型气液混合器3的最后一级支管的中心轴之间形成90°的夹角。该导流管4还可以是弯曲角度为90～150°的弯管。导流管4的另一端延伸至环流反应器5的内部，使Y型气液混合器3通过导流管4与环流反应器5的导流筒52连通。

本实施例的环流反应器5是由环流筒51和安装在环流筒51内腔的导流筒52组成，环流筒51是直径为500mm的圆筒结构，在环流筒51的上端侧部开设有出水口，在环流筒51的底部开设有与导流管4一一对应的导流孔，在环流筒51内腔距离出水口200mm以下通过连接杆固定安装有导流筒52，导流筒52的中心线与环流筒51的中心线平行，且成阵列排布，导流筒52与导流管4一一对应。导流管4穿过导流孔延伸至导流筒52的下端内腔与导流筒52套接。每个导流筒52的直径为100mm，下端口距离环流筒51的底部高度是60mm，一个导流筒52的外壁与相邻一个导流筒52外壁之间的最小间距是20mm，保证导流筒52外部的水循环。

本发明的气液在Y型气液混合器3中混合均匀，经导流管4分多路导流后进入导流筒52内，由于导流筒52内液体的含气率较高，密度相对较低，与导流筒52外部形成密度差，从而形成导流筒52内液体向上、导流筒52外液体向下的升液一降液一升液一降液的自循环流动，可有效防止微气泡在上升过程中合并，使气液充分混合，加快对水体污染物的降解与复修能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，对于上述实施例中的每一级支管的个数以及偏转角度可以依据管道截面直径以及水流量大小而确定，可以在上述实施例的范围内任意组合。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微气泡环流反应系统，包括水槽(1)、进液泵(2)、进气泵以及环流反应器(5)，进液泵(2)入口通过管道与水槽(1)出口连通，在环流反应器(5)的底部开通有混合气液入口、侧壁上开设有出水口，其特征在于：所述系统还包括Y型气液混合器(3)，Y型气液混合器(3)的入口分别与进液泵(2)出口以及进气泵的出口连通，Y型气液混合器(3)的出口通过穿过环流反应器(5)底部延伸至环流反应器(5)内的导流管(4)与环流反应器(5)连通。

2.根据权利要求1所述的微气泡环流反应系统，其特征在于：所述Y型气液混合器(3)包括主管(31)以及串接在主管(31)出口端的n级支管组，n＝1，2，3；每一级支管组包括并列设置的2～4个支管，第n级的支管中心线与第n-1级的支管中心线之间形成5～10°的夹角。

3.根据权利要求2所述的微气泡环流反应系统，其特征在于：所述第n级的支管所在平面与第n-1级的支管所在平面在同一个平面上或者分布在两个交叉的平面上且夹角小于90°。

4.根据权利要求3所述的微气泡环流反应系统，其特征在于：所述主管(31)和支管均是圆形管，第n级的支管横截面S与第n+1级的支管横截面s之间满足：S＝9～12s。

5.根据权利要求3所述的微气泡环流反应系统，其特征在于：所述主管(31)和支管均是文丘里管，主反应管和支管的喉部均设置在其整个流程的1/3～2/3处，主反应管的喉部直径与入口直径之比为0.2～0.4。

6.根据权利要求3所述的微气泡环流反应系统，其特征在于：所述主管(31)和支管均是内设穿孔板(35)的直管式结构，穿孔板(35)设置在距离支管出口端40～50mm的位置。

7.根据权利要求4～6任一项所述的微气泡环流反应系统，其特征在于：所述环流反应器(5)包括环流筒(51)和安装在环流筒(51)内腔的导流筒(52)，导流管(4)的出口端延伸至导流筒(52)底部或者导流筒(52)内且与导流筒(52)同轴。

8.根据权利要求7所述的微气泡环流反应系统，其特征在于：所述导流筒(52)是多个且呈阵列布设，一个导流筒(52)的外壁与相邻一个导流筒52外壁之间的最小间距是20mm。