CN107758884A - 一种用于河道水治理的无泡曝气系统及曝气方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于河道水治理的无泡曝气系统，包括进气模块、曝气模块和释放模块，所述曝气模块包括：进气膜丝端头，设有进气腔、进气口以及进气膜丝固定口，进气口与所述进气模块连通；膜丝组件，一端整合在所述进气膜丝固定口，所述膜丝组件采用表面膜孔大小为0.05～0.2μm的中空纤维膜；放气膜丝端头，设有放气腔、放气口以及用于整合所述膜丝组件另一端的放气膜丝固定口，所述放气口通过控制阀与释放模块连通；本发明曝气系统和曝气方法有以下优点：单位体积空气提供的气液传质界面大，扩散效果好，氧的利用率达到75％以上，水中溶解氧的含量增加较多，同时还进行系统内部吹扫，提高曝气效率。

Description

一种用于河道水治理的无泡曝气系统及曝气方法

技术领域

本发明涉及曝气设备技术领域，特别涉及一种用于河道水治理的无泡曝气系统及曝气方法。

背景技术

河道是开放式水域，水面窄、流程长；其主要污染源有：生活污水、农业废水、养殖业废水，经过处理或未经处理的工业废水等。

生活污水是城镇居民日常生活所产生的污水，无机盐类含量较大，其他有机污染物量少但种类多。农药、化肥的残留是农业废水的主要污染物，作为农业大国，我国排入河流的农业废水量很大。养殖业的畜禽粪便还田率仅为30％～50％，未经安全处理的畜禽粪便直接排放会造成氮、磷污染，使水体富营养化。我国工业污/废水大多经过工厂内部/工业园区两级处理，排入河海；即使达标排放的工业污/废水，也会增加水体的自净负担。

河道污染已经给人民的日常生活、饮水安全造成很大威胁。河道治污主要有物理法、化学法、生物法。

物理法包括：(1)截污分流，通过雨/污水分流，将原本直接排入城市河道的污水收集至城市污水处理厂或人工湿地，处理达标后排放，削减排入河道的污染物总量。(2)引水冲污，用洁净的江河水置换污染河水，将污染物稀释或带入下游，降低污染负荷。引水冲污只能稀释或转移，不能降低污染物总量。(3)底泥疏浚，底泥中的有机物在细菌作用下发生分解，会降低水中的溶解氧浓度，产生硫化氢、磷化氢等恶臭气体，使河水变黑变臭；底泥疏浚可减少底泥中污染物向水体的释放。但其工程量大，若清除力度过大，会将大量的底栖生物、水生植物带出水体，破坏原有生物链系统。疏浚产生大量的淤泥，处理不善，会造成二次污染。

化学法包括：(1)化学除藻，用化学药品破坏胶原体，分为除藻剂除藻、混凝沉淀剂除藻、化学氧化剂除藻。此法工艺简单，除藻速度快，操作性强，但添加剂的使用量对除藻效果影响较大，容易导致二次污染。(2)重金属的化学固定，一定条件下底泥中的重金属会以离子态或某种结合态进入水体；加入碱性物质，重金属形成难溶性沉淀物，固定在底泥中。该法见效快，操作简单，可有效抑制重金属以溶解态进入水体，但过多施用会对水生生态系统产生不良的影响。

生物法包括：(1)微生物法，利用好氧菌、厌氧菌或兼氧菌吸附、降解有机污染物。该法有机负荷高、载体比表面积大、处理效率高。(2)生态修复，采取各种方法修复受损的水体生态系统，恢复河流中生态群体及结构，使河流生态系统结构合理和运转功能良好。

厌氧生物处理是在缺氧条件下，厌氧微生物或兼性厌氧微生物将废水中的大分子量有机物分解成较小分子量的有机物，并将其中一部分转化成较简单的无机物(如二氧化碳)或有机物(如甲烷)。好氧生物处理是在有氧条件下，好氧微生物或兼性好氧微生物将污水中小分子量有机物氧化分解，一部分有机物被同化、吸收，转化成增殖的细菌菌体，另一部分则被氧化分解成简单的无机物(如二氧化碳、水、硝酸根离子等)，释放的能量供细菌消耗。

污染的河道水体中的有机物大多数是小分子量，所以河道污水的微生物法治污主要是利用好氧菌对有机小分子进行氧化降解；为保证良好的治理效果，河道水中要保证足够的溶解氧。

目前增加溶解氧都是利用鼓风机通过管道向水里的曝气盘鼓入空气，经曝气盘鼓出的气泡较大，很快上浮至水面，在水中停留时间短，气泡内的氧气只有极少比例溶解在水中，氧的利用率大约10％～20％；水中溶解的其他气体——易挥发有机气体，或厌氧产生的甲烷、硫化氢——会随气泡进入大气而对环境造成一定污染；大量气泡会在水面形成泡沫。

发明内容

本发明提供了一种用于河道水治理的无泡曝气系统，可以进行无泡曝气，曝气膜上产生的气泡小(肉眼几乎看不到)，气泡内氧气传递到水中成为溶解氧的过程快，使水中溶解氧的含量增加较多，减少生物厌氧降解有机物的比例，厌氧产生的甲烷及其他物质的量也很少。因为传质效果好，上浮到水面的气泡总体积大大小于曝气产生的气泡总体积，随气泡进入大气的水中溶解的易挥发气体大大减少。与传统曝气相比，无泡曝气在水面上基本不产生泡沫。

一种用于河道水治理的无泡曝气系统，包括进气模块、曝气模块和释放模块，其特征在于，所述曝气模块包括：

进气膜丝端头，设有进气口、进气腔以及进气膜丝固定口，进气口与所述进气模块连通；

膜丝组件，一端整合在所述进气膜丝固定口，所述膜丝组件采用外表面膜孔大小为0.05～0.2μm的中空纤维膜；

放气膜丝端头，设有放气腔、放气口以及用于整合所述膜丝组件另一端的放气膜丝固定口，所述放气口通过控制阀与释放模块连通。

进气模块用于将新鲜空气通入曝气模块，本申请中的曝气模块采用孔径很小的中空纤维膜，曝气过程产生的气泡直径不大于1微米，单位体积空气提供的气液传质界面大，扩散效果好，氧的利用率达到75％以上；这些气泡上升到水面时已经变得很小，随气泡进入大气的易挥发有机物大大减少；水中溶解氧的含量增加较多，减少了生物厌氧降解有机物的比例，厌氧产生的甲烷及其他物质的量也很少。

为了提高曝气量，增大曝气面积，优选的，所述膜丝组件包括多层，每层由多根中空纤维膜编织成片状。中空纤维膜经过编织，其间距不会因为水的流动而变化，水中曝气密度一直均匀；中空纤维膜经过处理，疏水疏油性大大增强，膜表面抗污染性持久。

为了提高曝气量，增大曝气面积，进一步优选的，所述进气膜丝端头、膜丝组件和放气膜丝端头设有多组，各组膜丝组件自上而下间隔且相互平行布置。

为了实现连续曝气，优选的，所述曝气模块设有并联的两个，同时接入所述进气模块且分别安装有开关阀。曝气模块需要进行定时吹扫，因此不能连续工作，并联的曝气模块可以分别进行曝气和吹扫，从而实现连续工作。

为了方便安装和制造，优选的，所述释放模块为释放管，直接与外界连通，两个曝气模块分别通过控制阀接入所述释放管。

进气模块可以是主动进气，也可以是自然进气，优选的，所述进气模块包括依次连接的风机和空气过滤器，所述空气过滤器的出气口与所述进气膜丝端头的进气口连接。还可以在空气过滤器之后安装调压阀和压力表以控制进入进气膜丝端头的气压。

为了减少能耗，增加自然进气，优选的，所述进气模块还包括与所述风机并联接入空气过滤器的自然进气单元。

为了提高自然进气量，优选的，所述自然进气单元包括带转向风标的集气罩以及附属单向阀。带转向风标的集气罩汇集自然风，当自然风力达到一定级别后，汇集的自然风压力超过单向阀后的背压，单向阀打开，汇集的自然风并入空气过滤器上游管道，进行供气。集气罩的管道上有可以自由旋转的连接，集气罩后安装转向风标，这样集气罩可以根据自然风向的变化改变方向，始终保持集气罩以最大面积汇集自然风。

为了减少能耗，充分利用自然能，优选的，所述进气模块还包括为风机供电的太阳能供电系统。太阳能供电系统将太阳光转化成电能，作为风机的运转动力。

一种用于河道水治理的无泡曝气方法，使用上述的用于河道水治理的无泡曝气系统，包括以下步骤或过程：

(1)通过进气模块将外界空气引入曝气模块；

(2)曝气过程：曝气模块后面的阀门关闭，进入中空纤维膜内部的空气分为三部分，第一部分通过中空纤维膜外表面的膜孔形成气泡进入水体，第二部分空气按“溶解——扩散”的模式以分子态进入水中，直接溶解在水中，第三部分空气积累在系统内部；

进入中空纤维膜内部的空气分为三部分：第一部分通过中空纤维膜外表面的膜孔形成气泡进入水体，第二部分空气(主要是氧气)按“溶解——扩散”的模式以分子态进入水中，直接溶解在水中，第三部分空气积累在系统内部。当外表面膜孔小于0.1μm时，曝气产生的气泡不大于1μm，该部分(第一部分)气泡内的氧气通过气液界面扩散至液相，成为溶解氧；这部分气泡直径小，在停留时间内(气泡脱离膜表面上浮到水面的时间)气泡内75％以上的氧气可以扩散到水中形成溶解氧；中空纤维膜丝内部氧气的化学势大于外部水中溶解氧的化学势，所以氧气会以“溶解——扩散”的模式通过中空纤维膜上无孔部分直接进入水中，成为溶解氧，此为第二部分。这两部分的氧气便是系统向河道水提供的总氧。

(3)吹扫过程：当系统内部氧气含量降低，曝气模块后面的阀门打开，连通所述放气口和释放模块进行吹扫，将膜丝组件及后续管道内的空气吹入释放模块，释放到空气中；

(4)曝气过程(2)和吹扫过程(3)交替进行，一个运行周期为20～40分钟，其中曝气过程为15～35分钟，吹扫过程为3～7分钟。

进一步优选的，步骤(4)中，所述曝气模块设有并联的两个，同时接入所述进气模块且分别安装有开关阀，始终保持至少一个曝气模块处于曝气过程。

进一步优选的，步骤(4)中，任意一个曝气模块的吹扫过程在另一个曝气模块的曝气过程开始5～15分钟之后进行。从而使任意一个曝气模块的吹扫过程处于另一个曝气模块曝气过程的中段时间，从而有效保证曝气效率。

在一个无泡曝气过程中，系统内部氧气含量会逐渐降低，气态的二氧化碳、水含量增加(以“溶解——扩散”的模式从水中进入膜丝内部)；需要进行膜丝内部吹扫，以降低二氧化碳、水的含量，增加氧气含量，提高曝气效率。

本发明的有益效果：

本发明的用于河道水治理的无泡曝气系统和曝气方法，在曝气过程中产生的气泡直径不大于1微米，单位体积空气提供的气液传质界面大，扩散效果好，氧的利用率达到75％以上，上升到水面的气泡小，随气泡进入大气的易挥发有机物大大减少；可以使水中保持较高的溶解氧含量，减少了生物厌氧降解有机物的比例，厌氧产生的甲烷及其他物质量也很少；同时还进行系统内部吹扫，以降低二氧化碳、水的含量，增加氧气含量，提高曝气效率。

附图说明

图1为本发明的用于河道水治理的无泡曝气系统的结构示意图。

图2为本发明的用于河道水治理的无泡曝气系统的曝气模块的结构示意图。

图3为本发明的用于河道水治理的无泡曝气系统的曝气模块另一个角度的结构示意图。

图4为太阳能供电模块的线框结构示意图。

具体实施方式

如图1～3所示，本实施例的用于河道水治理的无泡曝气系统包括：太阳能供电模块1、多级离心风机2、风机控制阀3、带转向风标4的集气罩5、附属单向阀6、空气过滤器7、气体调节阀8、并联接入气体调节阀8的两个曝气模块10、定时自动开关阀门11和释放管12。

多级离心风机1出口与空气过滤器7连接，空气过滤器7后接气体调节阀8，气体调节阀8后接两个并联的曝气模块10，曝气模块10后分别串联定时自动开关阀11，然后并联接入释放管12。

带转向风标4的集气罩5汇集自然风，当汇集的自然风压高于附属单向阀6背压，单向阀打开，汇集的自然风汇入管道进入空气过滤器7，作为无泡曝气的一个气体来源。

如图4所示，太阳能供电模块1将太阳光转化成电能，作为多级离心风机2的运转动力。

曝气模块10由三个膜件上下平铺并联，置于铁框105内，三个膜件的两个管口均并联连接在管道上。每个膜件固定在上方的两个铁杆104。

每个膜件包括：进气膜丝端头101，设有进气口、进气腔以及进气膜丝固定口，进气口与空气过滤器7连通；

膜丝组件102，一端整合在进气膜丝固定口，膜丝组件采用表面膜孔大小为0.05～0.2μm的中空纤维膜；

放气膜丝端头103，设有用于整合膜丝组件102另一端的放气膜丝固定口、放气腔、放气口，放气口通过定时自动开关阀门11与释放管12连通。

膜丝组件102由编织好的中空纤维膜组成，中空纤维膜经过氟化物处理，疏水疏油性较强；中空纤维膜外表面最大膜孔孔径不超过0.1μm。

使用本实施例的系统进行曝气有两种运行状态：无泡曝气和内部吹扫。

无泡曝气：

空气经多级离心风机2加压，进入空气过滤器7净化，再由气体调节阀8进行压力微调稳压，稳压后分成两部分，进入并联的两个曝气模块10，经供气总管分配进入各个膜件的进气管，再进入每根中空纤维膜内部；在这个运行状态下，定时自动开关阀门处于关闭状态，进入中空纤维膜内部的空气分为三部分：第一部分通过中空纤维膜外表面小于0.1微米的膜孔以不大于1微米的气泡进入水体，气泡内的氧气通过气液界面扩散至液相，成为溶解氧，这部分气泡直径小，在停留时间内(气泡脱离膜表面上浮到水面的时间)气泡内75％以上的氧气可以扩散到水中形成溶解氧，第二部分空气(主要是氧气)按“溶解—扩散”流的模式以分子态通过膜丝表面非孔部分进入水中，直接溶解在水中，这两部分的氧气便是系统向河道水提供的总氧；除这两部分外其余空气积累在系统内部。

同时，水中生物呼吸产生的二氧化碳高于空气中的平衡含量，按“溶解—扩散”流的模式以分子态通过膜丝表面非孔部分进入中空纤维膜内部；同样的，一部分水也以分子形态按“溶解—扩散”流的模式进入中空纤维膜内部。

集气罩5汇集自然风，当自然风力达到一定级别后，汇集的自然风压力超过附属单向阀6后的背压，单向阀打开，汇集的自然风并入空气过滤器7上游管道。集气罩5的管道上有可以自由旋转的连接，集气罩5后安装转向风标，这样集气罩5可以根据自然界风向的变化改变方向，始终保持最大面积汇集自然风。

在一个无泡曝气过程中，系统内部氧气含量会逐渐降低，气态的二氧化碳、水含量增加；需要进行膜丝内部吹扫，以降低二氧化碳、水的含量，增加氧气含量，提高曝气效率。

内部吹扫：

定时自动开关阀门11打开，膜丝内部通过释放管12与大气连通；来自多级离心风机2的新鲜空气不断吹扫，将膜件及后续管道内的空气吹入释放管12，释放到空气中；经过5分钟的吹扫，系统内部气体各组分(尤其是氮气、氧气、二氧化碳、水)与外界空气一致。

每个曝气模块10的运行周期分为：25分钟无泡曝气，5分钟内部吹扫置换。

综上所述，本实施例的系统和方法在曝气过程中产生的气泡直径不大于1微米，单位体积空气提供的气液传质界面大，扩散效果好，氧的利用率达到75％以上；上升到水面的气泡小，随气泡进入大气的易挥发有机物大大减少；水中溶解氧的含量增加较多，减少了生物厌氧降解有机物的比例，厌氧产生的甲烷及其他物质量也很少。

此外本实施例所涉及的设备采用的中空纤维膜经过编织，不会因为水的流动而使中空纤维膜之间距离变小或增加，水中曝气密度一直均匀；中空纤维膜经过处理，疏水疏油性大大增强，膜表面抗污染性持久。

Claims (10)

1.一种用于河道水治理的无泡曝气系统，包括进气模块、曝气模块和释放模块，其特征在于，所述曝气模块包括：

进气膜丝端头，设有进气口、进气腔以及进气膜丝固定口，进气口与所述进气模块连通；

膜丝组件，一端整合在所述进气膜丝固定口，所述膜丝组件采用外表面膜孔大小为0.05～0.2μm的中空纤维膜；

放气膜丝端头，设有放气腔、放气口以及用于整合所述膜丝组件另一端的放气膜丝固定口，所述放气口通过控制阀与释放模块连通。

2.如权利要求1所述的用于河道水治理的无泡曝气系统，其特征在于，所述膜丝组件包括多层，每层由多根中空纤维膜编织成片状。

3.如权利要求2所述的用于河道水治理的无泡曝气系统，其特征在于，所述进气膜丝端头、膜丝组件和放气膜丝端头设有多组，各组膜丝组件自上而下间隔且相互平行布置。

4.如权利要求1所述的用于河道水治理的无泡曝气系统，其特征在于，所述曝气模块设有并联的两个，同时接入所述进气模块且分别安装有开关阀。

5.如权利要求4所述的用于河道水治理的无泡曝气系统，其特征在于，所述释放模块为释放管，两个曝气模块分别通过控制阀接入所述释放管。

6.如权利要求1所述的用于河道水治理的无泡曝气系统，其特征在于，所述进气模块包括依次连接的风机和空气过滤器，所述空气过滤器的出气口与所述进气膜丝端头的进气口连接。

7.如权利要求6所述的用于河道水治理的无泡曝气系统，其特征在于，所述进气模块还包括与所述风机并联接入空气过滤器的自然进气单元。

8.如权利要求7所述的用于河道水治理的无泡曝气系统，其特征在于，所述自然进气单元包括带转向风标的集气罩以及附属单向阀。

9.如权利要求6所述的用于河道水治理的无泡曝气系统，其特征在于，所述进气模块还包括为风机供电的太阳能供电系统。

10.一种用于河道水治理的无泡曝气方法，使用如权利要求1～9任一权利要求所述的用于河道水治理的无泡曝气系统，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过进气模块将外界空气引入曝气模块；

(2)曝气过程：曝气模块后面的阀门关闭，进入中空纤维膜内部的空气分为三部分，第一部分通过中空纤维膜外表面的膜孔形成气泡进入水体，第二部分空气按“溶解——扩散”的模式以分子态进入水中，直接溶解在水中，第三部分空气积累在系统内部；

(3)吹扫过程：当系统内部氧气含量降低，曝气模块后面的阀门打开，连通所述放气口和释放模块进行吹扫，将膜丝组件及后续管道内的空气吹入释放模块，释放到空气中；

(4)曝气过程(2)和吹扫过程(3)交替进行，一个运行周期为20～40分钟，其中曝气过程为15～35分钟，吹扫过程为3～7分钟。