CN106745869B - 脉冲垂流曝气混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境科学、环境工程、水利工程、给排水科学与工程领域，是一种用于深水型(水深大于10米，下同)湖泊、水库破坏/扰动水体季节性结构分层，进行水质改善与修复的脉冲垂流曝气混合装置；包括有浮体、穿孔进水立管、垂流立管、脉动曝气充氧器、固定锚；穿孔进水立管的上端设置有浮体，穿孔进水立管的下端通过垂流立管与脉动曝气充氧器连接，在脉动曝气充氧器的底部设置有固定锚；脉动曝气充氧器包括有从上往下依次设置的进水仓、脉动发生仓、进气仓；进水仓、进气仓均能与脉动发生仓连通，所述脉动发生仓上设置有气水喷射缝；本发明利用表层水体的天然势能，将表层水体引入湖库底部，充分利用了动力资源，降低了能量消耗。

Description

脉冲垂流曝气混合装置

技术领域

本发明属于环境科学、环境工程、水利工程、给排水科学与工程领域，是一种用于深水型(水深大于10米，下同)湖泊、水库破坏/扰动水体季节性结构分层，进行水质改善与修复的脉冲垂流曝气混合装置。

背景技术

深水型湖库存在所谓的“热分层效应”，主要指由湖库物理性稳定分层导致的水体溶解氧、pH、铁锰、氨氮、叶绿素a等水质异常。湖库的物理性稳定分层呈现季节性，表层水体受夏秋季节高温影响水温快速升高，而较深水体受气温影响较小，从而形成水温在垂直方向上的差异，进而引起水体密度差异，水体对流换停止，稳定分层结构形成，这种分层结构由气温升高产生，因此被称为“热分层”。深水湖库的热分层阻碍了水体垂向上的物质和能量交换，突出表现在垂向溶解氧含量的明显差异：表层水环境为富氧氧化状态，而底层水环境为缺氧厌氧还原状态。从而诱使底层沉积物中的污染物质转化释放进入上覆水体，形成内源污染，对湖库水质产生不利影响。

对于由热分层效应引起的深水型湖库，原位充氧混合技术一直都是简单、直接、高效的水质改善修复措施。原位充氧混合技术能够有效地破坏/扰动水体稳定分层，同时对底层水体进行复氧，从而能够有效地提高水库垂向混合强度、增加水库底部溶解氧含量、改变底层水环境厌氧缺氧的还原状态，抑制沉积物中污染物的转移释放。扬水曝气器是目前国内较为典型原位混合充氧装置，该装置能够应用对于大水深(水深大于50米)和强分层状态下的深水型湖库进行混合充氧。其工作原理主要是将底层水体充氧的同时，利用“气弹”活塞的形式将底层水体提升至表层参与混合。从实际应用来看，该装置对于深水型湖库局部热分层效应的遏制、水质的修复改善起到了一定效果。但是，该装置也存在缺陷，主要表现在以下两个方面：一方面表现在工作原理上，该装置将底层水体提升至湖库表层，动力消耗较大、混合充氧效率较低；另一方面表现在装置设计上，该装置设计复杂，构件繁多，装置巨大笨重，为安装、运行和维护带来了较大困难，影响了该装置的进一步推广应用。事实上，与底层水体相反，水库表层水体水温较高、呈微碱性、溶解氧近于饱和、藻类生长繁殖旺盛。如果将表层水体引入水库底层，将节约底层水体充氧量、抑制藻类异常增殖，同时尾水由于密度较小，在上升至水库表层过程中将对层次进行破坏/扰动，提高充氧混合效果。而表层水体位于湖库表面，具有天然的势能，只需克服层间密度差异即可以目的，对比扬水曝气技术将减少较大能耗。

发明内容

本发明是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种利用空气作为氧气来源和空气压力作为动力来源，对底层水体进行曝气充氧混合，同时将深水型热分层湖泊和水库的表层水体引入底部参与充氧混合，抑制扰动破坏水体稳定分层结构，抑制藻类的异常增殖的脉冲垂流曝气混合装置。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

脉冲垂流曝气混合装置，包括有浮体、穿孔进水立管、垂流立管、脉动曝气充氧器、固定锚；所述穿孔进水立管的上端设置有浮体，穿孔进水立管的下端通过垂流立管与脉动曝气充氧器连接，在脉动曝气充氧器的底部设置有固定锚；

所述脉动曝气充氧器包括有从上往下依次设置的进水仓、脉动发生仓、进气仓；所述进水仓、进气仓均能与脉动发生仓连通，所述脉动发生仓上设置有气水喷射缝。

在上述的脉冲垂流曝气混合装置中，所述浮体包括有浮盘及浮环，浮盘设置在穿孔进水立管的上端，在浮盘外设置有浮环。

在上述的脉冲垂流曝气混合装置中，所述浮盘为喇叭口状的圆盘；所述浮环为内部中空的圆环。

在上述的脉冲垂流曝气混合装置中，所述进水仓为由上顶盖与圆板围成的中空圆锥体，其上顶盖中心开孔并接有进水管接头，通过进水管接头与垂流立管下端连接；下端以圆板与脉动发生仓相连；圆板中心开有直径略大于垂流立管直径的圆孔与脉动发生仓连通。

在上述的脉冲垂流曝气混合装置中，所述圆板的底平面位于脉动发生仓内部设有直径略大于上述圆孔的圆形闸板。

在上述的脉冲垂流曝气混合装置中，所述脉动发生仓为中空圆柱体，与进水仓共回转轴，其直径略大于进水仓上顶盖的直径；脉动发生仓的外壁上端与进水仓的上顶盖通过固定筋板固定连接，所述的外壁为环形薄板，所述的固定筋板为呈环形阵列排列的薄板；在外壁与上顶盖之间形成气水喷射缝，所述的气水喷射缝为环形狭缝。

在上述的脉冲垂流曝气混合装置中，所述脉动发生仓的外壁的内侧设置有上挡板，上挡板围成的圆筒与外壁围成的圆筒共回转轴；所述的上挡板上端与圆板下底面密封连接，下端延伸至脉动发生仓中下部并悬空；上挡板与脉动发生仓外壁之间形成气水室，所述的气水室为环状缝隙，其上端与气水喷射缝相通。

在上述的脉冲垂流曝气混合装置中，脉动发生仓内部上挡板与胶膜之间设有下挡板，所述的下挡板为围成圆筒状的薄板，并与上挡板围成的圆筒共回转轴；下挡板的下端与进气仓的下顶盖紧密连接，并在靠近下边缘处留有出水孔，出水孔为环形分布的圆形小孔，下挡板上端延伸至脉动发生仓的中上部；上挡板与下挡板之间重叠部分形成出气室，所述的出气室为环状空间；上挡板的上部和下挡板共同围成曝气室。

在上述的脉冲垂流曝气混合装置中，所述进气仓为倒立的中空圆锥体，其下顶盖周边与外壁下端密封连接；所述的下顶盖呈倒立圆锥状，其中心开孔并接有进气管接头，进气仓与脉动发生仓之间以胶膜分隔，所述的胶膜中部呈球状隆起，并开有若干微孔将脉动发生仓与进气仓连通。

在上述的脉冲垂流曝气混合装置中，所述的固定锚呈实心长方体状，其上表面设有挂环；所述的挂环呈半圆环状，与固定锚上表面紧密相连，并均匀分布在固定锚的上表面；同样数量的挂环紧密连接在进气仓下顶盖的下底面；分布在固定锚上表面和下顶盖下底面的挂环以软索对应连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明利用浮盘、浮环、穿孔进水立管、垂流立管以及进水管接头与湖库表层水体连通；利用脉动发生仓形成的间歇性的负压效应以及表层水体的势能将表层水体引入水库底层参与混合充氧；利用了表层水体的富氧、微碱性以及水温较高的水质，对底层水体进行中和；利用将表层水体引入水库底层的同时，将表层水体中富含的藻类偕同带入底层，抑制藻类在湖库表层的异常增殖；利用曝气胶膜上的曝气微孔使压力气体形成微小气泡进入脉动发生仓，对脉动发生仓内的底层水体进行曝气充氧；利用脉动发生仓和气水喷射缝形成的垂直环形气流对底层水体形成二次充氧混合；利用气流上浮过程中与水层的接触，进行第三次充氧，并在上浮的过程中破坏/扰动层间结构。

2、本发明结构相对简单，体积可大可小；各部分之间均可以采用软管连接，可现场组装，运输和安装均较为方便；将表层水体引入底层，利用了其热分层效应下表层和底层水体水质的互补性，改善了底层水体水质，体现了可持续性理念；将表层水体引入底层，偕同将表层水体中部分藻类引入底层，对藻类的异常增殖起到了抑制效果；利用表层水体的天然势能，为原位充氧混合减少了能耗；设置了曝气胶膜、脉动发生仓以及气水喷射狭缝，提供了一种对底层水体进行三次充氧混合的装置，提高了气体的利用效率和传质效率；利用气体压力、曝气尾气和脉动发生仓形成负压，并利用表层水体的天然势能，将表层水体引入湖库底部，充分利用了动力资源，降低了能量消耗。

附图说明

图1是本发明构成的俯视图；

图2是图1的Ⅰ-Ⅰ剖面图；

图3是图2的Ⅱ-Ⅱ剖面图；

图4是图2的Ⅲ-Ⅲ剖面图；

图5是图2的Ⅳ-Ⅳ剖面图；

图6是图2的Ⅴ-Ⅴ剖面图；

图7是图2的A部放大图；

图8是图2的B部放大图；

图9是本发明构成的轴测图。

图中，1、浮盘；2、浮环；3、穿孔进水立管；4、进水孔；5、垂流立管；6、脉动曝气充氧器；7、进水仓；8、脉动发生仓；9、进气仓；10、上顶盖；11、进水管接头；12、圆板；13、圆孔；14、圆形闸板；15、外壁；16、固定筋板；17、气水喷射缝；18、上挡板；19、气水室；20、下顶盖；21、进气管接头；22、曝气胶膜；23、压条；24、紧固螺栓；25、下挡板；26、出水孔；27、出气室；28、固定锚；29、挂环；30、软索；31、微孔；32、曝气室。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图1-8,对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

脉冲垂流曝气混合装置，包括有浮体、穿孔进水立管3、垂流立管5、脉动曝气充氧器6、固定锚28；所述穿孔进水立管3的上端设置有浮体，穿孔进水立管3的下端通过垂流立管5与脉动曝气充氧器6连接，在脉动曝气充氧器6的底部设置有固定锚28；

其中，所述脉动曝气充氧器6包括有从上往下依次设置的进水仓7、脉动发生仓8、进气仓9；所述进水仓7、进气仓9均能与脉动发生仓8连通，所述脉动发生仓8上设置有气水喷射缝。

具体地，本发明所述的浮体包括有浮盘1及浮环2，浮盘1设置在穿孔进水立管3的上端，在浮盘1外设置有浮环2。

所述浮盘1为喇叭口状的圆盘；所述浮环2为内部中空的圆环，位于浮盘1的下方，用于固定和支撑浮盘1，使其浮于水库表层。

更具体地，本发明所述的穿孔进水立管3为管壁开有进水孔4直立圆管，作为收集表层下藻类丰富、溶解氧宝盒的微碱性水体。垂流立管5为软短管，上端与穿孔进水立管3通过管道接头密封连接，下端与脉动曝气充氧器6通过管道接头密封连接。垂流立管5用于向下传输表面水体。

另外，本发明所述进水仓7为由上顶盖10与圆板12围成的中空圆锥体，其上顶盖10中心开孔并接有进水管接头11，通过进水管接头11与垂流立管5下端连接；下端以圆板12与脉动发生仓8相连；圆板12中心开有直径略大于垂流立管5直径的圆孔13与脉动发生仓连8通。设置圆孔13的目的是将流体引至脉动发生仓8内。

所述圆板12的底平面位于脉动发生仓8内部设有直径略大于上述圆孔13的圆形闸板14。圆形闸板14也可以是方形结构，能封堵住圆孔13即可。圆形闸板14本实施例采用橡胶板。橡胶板的一端固连在圆板12的底平面上，另一端与圆板12的底平面贴合连接，其作用相当于单向逆止阀。即当进水仓7流体压力大于脉动发生仓8压力时，保证流体由进水仓7进入脉动发生仓8，而当脉动发生仓8流体压力大于进水仓7时，保证流体不会由脉动发生仓8进入进水仓7。

进一步地，所述脉动发生仓8为中空圆柱体，与进水仓7共回转轴，其直径略大于进水仓7上顶盖10的直径；脉动发生仓8的外壁15上端与进水仓7的上顶盖10通过固定筋板16固定连接，所述的外壁15为环形薄板，所述的固定筋板16为呈环形阵列排列的薄板；在外壁15与上顶盖10之间形成气水喷射缝17，所述的气水喷射缝17为环形狭缝。

进一步地，所述脉动发生仓8的外壁15的内侧设置有上挡板18，上挡板18围成的圆筒与外壁15围成的圆筒共回转轴；所述的上挡板18上端与圆板12下底面密封连接，下端延伸至脉动发生仓8中下部并悬空；上挡板18与脉动发生仓8外壁15之间形成气水室19，所述的气水室19为环状缝隙，其上端与气水喷射缝17相通。

进一步地，所述进气仓9为倒立的中空圆锥体，其下顶盖20周边与外壁15下端密封连接；所述的下顶盖20呈倒立圆锥状，其中心开孔并接有进气管接头21，通过进气管接头21与压力气体管道连接；进气仓9与脉动发生仓8之间以曝气胶膜22分隔，所述的曝气胶膜22中部呈球状隆起，并开有若干微孔31将脉动发生仓8与进气仓9连通，曝气胶膜22四周以压条23及紧固螺栓24压紧在下顶盖20的上表面。

更进一步地，脉动发生仓8内部上挡板18与曝气胶膜22之间设有下挡板25，所述的下挡板25为围成圆筒状的薄板，并与上挡板18围成的圆筒共回转轴；下挡板25的下端与进气仓9的下顶盖20紧密连接，并在靠近下边缘处留有出水孔26，出水孔26为环形分布的圆形小孔，下挡板25上端延伸至脉动发生仓8的中上部；上挡板18与下挡板25之间重叠部分形成出气室27，所述的出气室27为环状空间；上挡板18的上部和下挡板25共同围成曝气室32。

压力气体由进气仓9通过曝气胶膜22进入脉动发生仓8，对脉动发生仓8内的水体进行曝气充氧，逸出的尾气由于上挡板18的围挡，逐渐在脉动发生仓8顶部累积，并顶住脉动发生仓8顶部圆板12，阻止进水仓7进水；同时，脉动发生仓8底部以及出气室27内的水体受上部累积尾气的挤压，分别由上挡板18的下边缘和下挡板25的出气室27排入气水室19，并通过气水喷射缝17排出脉动曝气充氧器6，进入外部底层水体，参与对底层水体的充氧混合；当脉动发生仓8累积气体在曝气尾气的压力作用下，其下边缘达到出气室27下端上挡板18的下边缘时，脉动发生仓8内的气体在压力作用下迅速由出气缝进入气水室19，并经气水喷射缝17喷射至本脉冲垂流曝气混合装置外部，形成垂直向上的气流，对底部水体进行二次充氧的同时，破坏/扰动水体稳定分层结构；脉动发生仓8由于气体排出产生的负压空间以及进水仓内水体产生的压力，将使圆板闸板14打开，表层水体将通过穿孔进水立管3、垂流立管5以及进水仓7进入脉动发生仓8；当气体完全排出，表层水体充满脉动发生仓后，压力气体持续通过进气仓9、曝气胶膜22进入脉动发生仓8，开始进入下一个脉动发生过程。

此外，本发明所述的固定锚28呈实心长方体状，可选用相对密度较大的长方体石块，其上表面设有挂环29；所述的挂环29呈半圆环状，与固定锚28上表面紧密相连，并均匀分布在固定锚28的上表面；同样数量的挂环29紧密连接在进气仓9下顶盖20的下底面；分布在固定锚28上表面和下顶盖20下底面的挂环29以软索30对应连接，固定锚28的作用是保证脉动曝气充氧器6垂直稳定的放置与水库底层。

本发明的浮盘1和脉动曝气充氧器6的主体由0.5～1mm厚的不锈钢板制成，浮环2可由4～8mm的PE材质加工而成，穿孔进水立管3、垂流立管5由厚度2～4mm的PE材质软管制成，固定锚28由大理石块制成，曝气胶膜22由硫化后的橡胶板制成，挂环29和软索30由不锈钢材质制作，其他螺栓等紧固件采用不锈钢制作。浮盘1喇叭口的直径为1200mm～1500mm，浮环2的直径为1500mm～2000mm，穿孔进水立管3和垂流立管5的直径为110mm～160mm，穿孔进水管3的长度为1.5m～2.5m，进水孔4的直径为10mm～15mm，进水孔4进水断面总面积占穿孔进水管3断面面积的110％～120％，脉动曝气充氧器6即外壁15的直径为800mm～1200mm，上挡板18围成的圆筒状空间的直径为780mm～1180mm，下挡板25围成的圆筒状空间的直径为760mm～1160mm，进气管接头21的直径为50mm～80mm。

本发明的工作原理是：

将本发明的进气管接头21与压力气体管道连接，并将浮盘1、浮环2、穿孔进水立管3、垂流立管5、脉动曝气充氧器6与固定锚28在深水型湖库组装完成，其中，垂流立管5的长度可根据湖库深度现场进行调整。打开压力气体进气阀门，压力气体由进气仓9通过曝气胶膜22进入脉动发生仓8，对脉动发生仓8内的水体进行曝气充氧，逸出的尾气由于上挡板18和圆板12下底面的闸板14的围挡，逐渐在脉动发生仓8顶部累积；同时，脉动发生仓8底部以及出气室27内经曝气后的水体受脉动发生仓8上部累积气体的挤压，分别由出气室27和出水孔26排入气水室19，并经气水室19通过气水喷射缝17排入底层水体，参与对底层水体的充氧混合；当脉动发生仓8内累积气体的下边缘到达出气室27下部上挡板18的下边缘时，脉动发生仓8内的气体迅速由出气室27进入气水室19，并经气水喷射缝17喷出本发明外部，形成垂直向上的气流，对底部水体进行充氧混合，同时在上升过程中，破坏/扰动水体稳定分层结构；由于累积气体的迅速逸出，脉动发生仓8内产生的负压和进水仓7内水体产生的正压联合作用，使闸板14打开，进水仓7内的水体进入脉动发生仓8内，由此，表层水体将通过穿孔进水立管3上的进水孔4、垂流立管5以及进水仓7进入脉动发生仓8；此时，压力气体不断由进气仓9进入脉动发生仓，当闸板14下侧压力大于上侧使，闸板14重新贴紧圆板12下底面，堵住圆孔13，表层水体不再由进水仓7进入脉动发生仓8内，而压力气体持续进入，开始进入下一个脉动发生过程。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.脉冲垂流曝气混合装置，其特征在于：包括有浮体、穿孔进水立管、垂流立管、脉动曝气充氧器、固定锚；所述穿孔进水立管的上端设置有浮体，穿孔进水立管的下端通过垂流立管与脉动曝气充氧器连接，在脉动曝气充氧器的底部设置有固定锚；

所述脉动曝气充氧器包括有从上往下依次设置的进水仓、脉动发生仓、进气仓；所述进水仓、进气仓均能与脉动发生仓连通，所述脉动发生仓上设置有气水喷射缝；

所述脉动发生仓为中空圆柱体，与进水仓共回转轴，其直径略大于进水仓上顶盖的直径；脉动发生仓的外壁上端与进水仓的上顶盖通过固定筋板固定连接，所述的外壁为环形薄板，所述的固定筋板为呈环形阵列排列的薄板；在外壁与上顶盖之间形成气水喷射缝，所述的气水喷射缝为环形狭缝；

所述进水仓由上顶盖与圆板围成；

所述进气仓与脉动发生仓之间以胶膜分隔；

所述进气仓下顶盖周边与脉动发生仓的外壁下端密封连接；

所述脉动发生仓的外壁的内侧设置有上挡板，上挡板围成的圆筒与外壁围成的圆筒共回转轴；所述的上挡板上端与圆板下底面密封连接，下端延伸至脉动发生仓中下部并悬空；上挡板与脉动发生仓外壁之间形成气水室，所述的气水室为环状缝隙，其上端与气水喷射缝相通；

脉动发生仓内部上挡板与胶膜之间设有下挡板，所述的下挡板为围成圆筒状的薄板，并与上挡板围成的圆筒共回转轴；下挡板的下端与进气仓的下顶盖紧密连接，下挡板上端延伸至脉动发生仓的中上部；上挡板与下挡板之间重叠部分形成出气室，所述的出气室为环状空间；上挡板的上部和下挡板共同围成曝气室。

2.根据权利要求1所述的脉冲垂流曝气混合装置，其特征在于：所述浮体包括有浮盘及浮环，浮盘设置在穿孔进水立管的上端，在浮盘外设置有浮环。

3.根据权利要求2所述的脉冲垂流曝气混合装置，其特征在于：所述浮盘为喇叭口状的圆盘；所述浮环为内部中空的圆环。

4.根据权利要求1所述的脉冲垂流曝气混合装置，其特征在于：所述进水仓为中空圆锥体，其上顶盖中心开孔并接有进水管接头，通过进水管接头与垂流立管下端连接；下端以圆板与脉动发生仓相连；圆板中心开有直径略大于垂流立管直径的圆孔与脉动发生仓连通。

5.根据权利要求4所述的脉冲垂流曝气混合装置，其特征在于：所述圆板的底平面位于脉动发生仓内部设有直径略大于上述圆孔的圆形闸板。

6.根据权利要求1所述的脉冲垂流曝气混合装置，其特征在于：所述下挡板在靠近下边缘处留有出水孔，出水孔为环形分布的圆形小孔。

7.根据权利要求1所述的脉冲垂流曝气混合装置，其特征在于：所述进气仓为倒立的中空圆锥体；所述的下顶盖呈倒立圆锥状，其中心开孔并接有进气管接头，所述的胶膜中部呈球状隆起，并开有若干微孔将脉动发生仓与进气仓连通。

8.根据权利要求1所述的脉冲垂流曝气混合装置，其特征在于：所述的固定锚呈实心长方体状，其上表面设有挂环；所述的挂环呈半圆环状，与固定锚上表面紧密相连，并均匀分布在固定锚的上表面；同样数量的挂环紧密连接在进气仓下顶盖的下底面；分布在固定锚上表面和下顶盖下底面的挂环以软索对应连接。

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