CN108503052B - 一种差速双叶轮水下微气泡曝气装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水污染治理领域，具体提供一种差速双叶轮水下微气泡曝气装置及方法。该装置包括安装在平台上的电机，和水底的底座，电机与底座的轴承之间设有一根传动轴作为曝气叶轮的动力来源；在传动轴底部设有与传动轴直接相连的高速叶轮，以及通过减速器与传动轴相连的低速叶轮；在所述两种叶轮的下部设有阻流板，上部设有导流筒，叶轮旋转将水和气体向水平方向溅射，造成真空，从而从导流筒内吸入气体和水；导流筒的上方设有调节水气比例的环形浮筒。同时提供了一种调试该装置具体参数的方法。现有叶轮曝气技术所存在的气泡大、气液接触时间短、溶氧效率差的技术问题，本发明针对这些问题提出了简单可靠的解决方案。

Description

一种差速双叶轮水下微气泡曝气装置及其方法

技术领域

本发明属于水污染治理领域，具体涉及一种差速双叶轮水下微气泡曝气装置及其方法。

背景技术

叶轮曝气设备是指在水处理工艺中为了供氧和搅拌，将叶轮布置在水面，采用叶轮旋转搅拌带动空气与水发生混合的一种表面曝气装置。普通的叶轮曝气与竖轴式机械曝气装置含义相同，包括泵型叶轮曝气器、K型叶轮曝气器、倒伞型叶轮曝气器和平板型叶轮曝气器等方式。叶轮曝气时，叶轮的转速一般较快，剧烈的搅动使空气中的氧气快速地向水中转移，叶轮的搅拌同时使得曝气区域的水流向四周扩散，故叶轮曝气一般单台设备服务面积较大。

机械力高速剪切装置通常使用高速旋转的叶轮，由叶轮旋转产生的剪切作用将液体中较大的气泡分割成微纳米气泡。美国、日本等国已研发出相应的产品，其中代表性的是美国HydroCal环保公司发明的引气装置，该装置利用底部叶轮高速旋转在水中形成一个真空区，液面上的空气通过曝气机被吸入水中，依靠曝气机的叶片把空气粉碎成气泡，并螺旋式上升到水面，该布置方式也是涡凹曝气装置的基本原理。该装置产生的微气泡数量较多，但由于气泡大量积聚在叶轮周围导致气泡很快会发生气泡合并，导致气泡尺寸的离散度较大并且叶轮高速旋转装置能耗较高。

一般情况下的叶轮曝气没有堵塞等问题，但是气泡直径较大，且易聚并成大气泡。除涡凹曝气外，用于曝气的叶轮通常位于池表，所形成的气泡位于池表面处且直径较大，所以气泡很快上升到水面破裂，气水接触时间很短，气泡中只有很少的氧能够转移到水中去，故效率低。此外，普通的叶轮曝气难以形成小微气泡。这些因素导致叶轮曝气效率偏低，动力效率也偏低。在微气泡生成技术方面，目前国内外主要采用加压释放和微孔曝气，这些方法释放产生微气泡的量太少，而且微孔曝气很容易堵塞。此前中国发明专利ZL201110092558.3公布了一种差速双叶轮增氧机，该装置通过叶片叶轮和螺旋叶轮进行曝气，其差速的方式是叶片式叶轮的转速比螺旋叶轮的转速大，从而实现水与空气的接触面积增加，但该发明的两组叶轮只有螺旋叶轮部分浸没于水中，叶片叶轮完全在水面以上，只有螺旋转到搅拌起来水花叶片叶轮才能够与水接触，和本发明的构造完全不是一种方式。

以上工艺均存在现有叶轮曝气技术所存在的气泡大、气液接触时间短、溶氧效率差的技术问题。曝气器在水处理工艺中占有着很重要的地位，对水处理的节能具有至关重要的意义，开发新的高效曝气设备具有非常重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种曝气量大、快速稳定生成大量微气泡、动力效率较高，可以在一定水深处进行曝气的设备。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种差速双叶轮水下微气泡曝气装置，安装在一个水平的平台上，包括竖直安装在平台上的电机，还包括与电机轴连的传动轴、安装在水底部的底座，所述底座与电机位置竖直对应，底座的中心设有一底座轴承，所述传动轴通过底座轴承连接到底座；

所述装置还包括安装在传动轴底部的高速叶轮、减速器，所述高速叶轮表面设有多个微小凸起；还包括安装在减速器输出端的低速叶轮，还包括设置于高速叶轮与低速叶轮以下的阻流板，所述阻流板为一个刚性圆板，固定在传动轴上；

所述装置还包括导流筒，所述导流筒由喇叭形导流筒和圆柱形导流筒重叠拼接组成，圆柱形导流筒的外径比喇叭形导流筒内径大5～10mm，圆柱形导流筒与喇叭形导流筒重叠部分的长度大于水位的变化幅度；所述圆柱形导流筒位于喇叭形导流筒的下方，其底部连接有一个固定支架，所述固定支架的中心设有一支架轴承，通过支架轴承与传动轴相连；

所述喇叭形导流筒的上方设有一个环形浮筒，所述环形浮筒与喇叭形导流筒相连，其之间保留水通过的空间，不密封。

进一步改进在于，所述环形浮筒的四周设有防浪挡板，所述防浪挡板固定于平台上，底部低于水平面，上部设有通气孔。

进一步改进在于，所述减速器为一个一个行星齿轮或者可变比的减速器，其不动端连接在底座上，低速端连接低速叶轮，高速端连接传动轴。

进一步改进在于，所述电机转速大于3000rpm。

进一步改进在于，所述喇叭形导流筒与圆柱形导流筒内壁上设有螺旋状的导流槽，开槽的方向为斜向下，与高速叶轮的转动方向一致。

进一步改进在于，所述低速叶轮与高速叶轮处于同一高度。

本发明主要是解决现有叶轮曝气技术所存在的气泡大、气液接触时间短、溶氧效率差的技术问题，提供一种曝气量大、快速稳定生成大量微气泡、氧传递效率高、氧利用率高、动力效率较高，可以在一定水深处进行曝气的设备，与传统表曝叶轮相比，在提高微气泡的同时能够大幅度提高氧气的传递效率和氧的利用率。

采用差速的双叶轮，即直径很小的高速叶轮和直径较大的低速叶轮配合使用，高速叶轮的功能是曝气，低速叶轮的功能是分散；按照涡凹方式布置叶轮，利用叶轮形成的负压将水和气吸入；采用导流措施，通过导流筒和导流槽将水面的气和水按照一定的流态且控制一定比例导流到叶轮位置，导流到叶轮时水流呈现涡流状态；高速叶轮表面设置大量微小的凸起，增加气水剪切效果。

高速叶轮取很小的直径(仅0.10～0.16m左右，根据实际试验确定)，同时采用很高的转速，并且在叶轮的叶片上设置非常多的小凸起。这样，叶轮在高速旋转时可以获得更好的气水剪切效果，强力的剪切作用导致形成气水乳化效果，气泡分散程度非常高，气泡直径小，气泡分布直径多在0.5～50μm之间。而且由于叶轮带有小凸起，气水剪切作用得到加强。由于气泡直径小，气泡在水中停留时间长，氧利用率会显著提高。根据已有的研究结果，当气泡直径在50μm以下时，氧利用率可以达到85％以上，而传统的叶轮表面曝气产生的气泡直径多在1mm以上甚至数mm，氧利用率很低。本方法所采用的叶轮布置形式，其产生的气泡直径有相当一部分可以小于50μm，上升速度很慢，再考虑到曝气位于一定的水深处，微小的气泡会长时间滞留在水中，几乎直至气泡中的氧被利用殆尽，故氧利用率大幅度提高。

将高速叶轮和低速叶轮设置在圆柱形导流筒和阻流板之间，并控制圆柱形导流筒下缘和阻流板之间的垂直距离较小，即叶轮与导流装置之间的间隙较小。在叶轮下方设置阻流板可以在叶轮旋转时形成强大的负压，抽吸叶轮上部的水，导致导流筒内的水迅速被吸走。喇叭形导流筒通过设置环形浮筒控制淹没在水中的深度，即要求喇叭形导流筒的上边缘位于水面以下的深度是固定值，这样叶轮的吸水主要来自导流筒从水面导流过来的水。由于在喇叭形导流筒内形成漩涡，气水混合向下达到叶轮，故叶轮即使位于一定的水位深处，可以在无专门通风设施的情况下，获得稳定的供气和曝气效果，极大地降低了设备造价，而且这种简单小型却能够大量供气的曝气设备使得其很方便应用在湖库的地面水曝气场合。这一点与普通的叶轮曝气有很大的差别。

在高速叶轮周围设置低速叶轮。如果要求高速叶轮在剪切气水的同时也将气水混合物推散到四周，则需要的叶轮直径偏大，能耗高很不经济。本发明采用的高速叶轮直径小，大大降低了能耗，但对气水混合液分散效果不理想，如果大量气水混合液滞留在高速叶轮附近会显著影响曝气的效率，故需要采用低速叶轮将高速叶轮形成的气水混合液尽快分散到周围一定距离的范围。低速叶轮的直径较大，叶片面积也较大，低速叶轮的旋转速度通过减速器进行调节。采用小直径的高速叶轮和大直径的低速叶轮的差速搭配运行的方式，既保证了高效的微气泡产生，也避免了类似美国HydroCal环保公司产品能耗巨大的缺点。

为了避免喇叭形导流筒的水气流对叶轮产生的冲击力过大，在喇叭形导流筒内设置导流槽，导流槽按照流线型布置旋流向下。水流在向下的流动过程形成涡流，水流沿着切线方向流入高速叶轮，减小对高速叶轮的直接冲击，降低能耗。

具体结构的说明：圆柱形导流筒通过导流筒轴承和固定支架连接在电机的传动轴上，与高程是相对固定的。喇叭形导流筒通过环形浮筒和防浪挡板固定上边缘位置，通过嵌入圆柱形导流筒而固定下边缘的位置，喇叭形导流筒可以随水位高低自动调节高度，喇叭形导流筒的重力和水流的阻力与环形浮筒浮力一致，故喇叭形导流筒淹没在水下的深度是固定值。当喇叭形导流筒在水中的淹没深度大，则进入高速叶轮的水量大而气量小，反之则水量小而气量大，喇叭形导流筒在水中的淹没深度应该通过试验确定。为了避免波浪对喇叭形导流筒引流水的均匀性的影响同时也为了固定导流筒的位置，喇叭形导流筒的外缘上侧设置有环形浮筒和防浪挡板。环形浮筒和防浪挡板的上缘，位于水面之上；环形浮筒和防浪挡板的下缘，位于水面之下。圆柱形导流筒与传动轴相对位置固定，不随水位高低上升或下降，圆柱形导流筒的外径比喇叭形导流筒内径大5～10mm，圆柱形导流筒与喇叭形导流筒重叠部分的长度L应该大于水位的变化幅度。

高速叶轮的直径D₂的选择：先简化处理，把高速叶轮的旋转按照离心泵进行考虑，为了达到足够的气水乳化效果和提供足够的压力，叶轮直径应该较小而转速应该较高。为了维持喷嘴处有足够的水压，根据离心泵的基本原理，叶轮需要提供的扬程H_T为：

其中

为了达到理想的切割气水形成乳化效果，在叶轮直径较小的情况下，参考工业乳化机的参数，电机转速n应该大于3000rpm。按照离心泵计算，在离心泵α₂角度约为10°时(一般6～15°)，C_2u近似为0.95u₂。叶轮处需提供的压力即相当于离心泵扬程，当曝气水深为10～30m，则D₂为0.07～0.115m。但是，叶轮搅动的是气水混合液，其所提供的扬程不能完全按照水来计算，应该考虑气水混合液密度比水小的因素。其次，本发明的叶轮表面不是按照离心泵的密封形式，而是敞开叶轮。第三，叶轮的表面并不光滑，而是有很多凸起。第四，入流水形成的涡流能够减小对叶轮动力的要求。第五，叶轮的直径小于喇叭形导流筒下端开口的直径。上述因素除第四点外，其他几种都会导致实际需要的H_T大于叶轮所在水深的水深h。经过估算，当气水比为1时，实际需要的扬程H_T按照h的1.5倍设计可满足要求，当曝气水深为10～30m时则D₂为0.08～0.14m即可，考虑到留有一定的余地，D₂可以取0.10～0.16m。

喇叭形导流筒在水中的淹没深度H：导流筒顶部进水类似于实用堰，故按照实用堰考虑，则流量

式中：m为流量系数，无真空的实用断面堰m取值0.45；b为堰宽，在本发明中，堰的宽度就是喇叭口上缘的周长，假设喇叭形导流筒上部直径是D₁的4倍，即4D₁；H为堰上水头，即喇叭形导流筒顶部在水中的淹没深度。一般情况下D₁在0.30～0.48m之间，当D₁为0.30m，Q为0.508m³/s；当D₁为0.48m，Q为1.302m³/s。当D₁为0.30m，/>

则H＝0.166m；当D₁为0.48m，/>

则H＝0.227m。故淹没深度H取值在0.166～0.227m之间，且取值由D₁大小决定。

动力效率的估算：以曝气水深为10m计算，喇叭形导流筒下端开口的直径D₁按照0.30m计算，该值最大可以是D₂的2～3倍，且与设备加工精度有关，过大会导致效率降低，入流的水量和气量(体积)比为1:1，则喇叭形导流筒下端开口处的水流速约12m/s，气流速约18m/s，控制断面处过水面积60％，过气面积约40％。则水流量508L/s，扬程H_T按照水深h的1.5倍计算，低速叶轮功率相当于高速叶轮的1/4，则叶轮需要配的电机功率为146kW(水泵效率η₁和电机效率η₂均取典型值，0.8)，供氧量为347kgO₂/h，考虑气泡不同尺寸分布，综合氧利用率按照70％估算，则理论动力效率达到2.38kgO₂/kW·h。该值与传统叶轮曝气或其他表曝方式相比较高，但是与鼓风机的中微孔曝气方式相比还是明显偏低。各种曝气装置理论动力效率的规定值，HJ/T 263-2006规定射流曝气应≥2.0；JB T10670-2014规定倒伞型表面曝气机应>2.0；GBT 35183-2017规定泵型叶轮表面曝气应该≥1.9；HJ/T 252-2006规定中微孔曝气器根据不同材质应≥4.0～5.0。此外，当曝气水深增加，动力效率急剧下降，当叶轮位于20m水深处，计算的理论动力效率仅为1.36kgO₂/kW·h(氧利用率按照80％估算)；30m水深，为0.96kgO₂/kW·h(氧利用率按照85％估算)。故本发明不适用于水深过大场合的曝气，水深不适合超过10m。

最后，所有数据在上机后，针对运行结果再进行微调，以曝气电效率高为宜。

本发明维持了普通叶轮曝气的不堵塞、设备简单、运行维护管理方便等优点。本发明有效曝气结构仍为叶轮，故维持了叶轮曝气的基本优点。

高速叶轮曝气产生的气泡直径很小，气泡的氧利用率高；高速叶轮的剪切力强，气液速度差大，液膜厚度小，质量传递效果好。本发明的高速叶轮直径较小100～160mm，边缘线速度可以达到15.7～25.1m/s，叶轮对气泡和水流的剪切混合效果非常好。

通过设置喇叭形导流筒引流，可以在水下一定的深度曝气，克服了传统叶轮曝气为水面曝气的缺点，即按照涡凹式布置。气泡直径小，且产生的气泡位于一定的水深处，故气泡在水中停留时间大大延长，进一步增加了质量传递的效果。

由于曝气装置设备小、结构简单、重量轻、单台设备服务面积大且曝气量大。故本发明的曝气方法可以作为湖泊水库等需要大范围曝气的供氧方式，亦可作为污水处理的曝气方法，运行灵活。

通过设置高速和低速的差速双叶轮，高速叶轮曝气区形成的大量气水混合物可以很快分散到周围，避免了气泡的合并现象，故提高了曝气动力效率且单台设备的服务面积增加，动力效率与传统的叶轮曝气相比有明显提高，克服了HydroCal公司开发的高速叶轮曝气设备动力效率低的缺点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的固定支架连接关系图；

图3为本发明底部结构示意图

图中：1平台，2-电机，3-传动轴，4-固定支架，41-支架轴承，51-圆柱形导流筒，52-喇叭形导流筒，53-环形浮筒，61-高速叶轮，62-减速器，63-低速叶轮，71-底座轴承，72-底座，8-阻流板。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

如图1～3，一种差速双叶轮水下微气泡曝气装置，安装在一个水平的平台1上，包括竖直安装在平台1上的电机2，其转速大于3000rpm，还包括与电机2轴连的传动轴3、安装在水底部的底座72，所述底座72与电机2位置竖直对应，底座72的中心设有一底座72轴承，所述传动轴3通过底座72轴承连接到底座72；

所述装置还包括安装在传动轴3底部的高速叶轮61、减速器62，所述低速叶轮63与高速叶轮61处于同一高度；所述高速叶轮61表面设有多个微小凸起；还包括安装在减速器62输出端的低速叶轮63，还包括设置于高速叶轮61与低速叶轮63以下的阻流板8。

如图3，所述减速器62为一个固定齿比的行星齿轮装置，也可以是一个可变齿比的减速器，其不动端连接在底座72上，低速端连接低速叶轮63，高速端连接传动轴3；所述阻流板8为一个刚性圆板，固定在传动轴3上，这样隔离了减速器和曝气水流。

所述装置还包括导流筒，所述导流筒由喇叭形导流筒52和圆柱形导流筒51重叠拼接组成，圆柱形导流筒51的外径比喇叭形导流筒52内径大5～10mm，圆柱形导流筒51与喇叭形导流筒52重叠部分的长度大于水位的变化幅度；所述喇叭形导流筒52与圆柱形导流筒51内壁上设有螺旋状的导流槽，开槽的方向为斜向下，与高速叶轮61的转动方向一致。

所述环形浮筒53的四周设有防浪挡板，所述防浪挡板54固定于平台1上，底部低于水平面，上部设有通气孔，气体可自由进入导流筒，不受流量限制。

所述圆柱形导流筒51位于喇叭形导流筒52的下方，其底部连接有一个固定支架4，所述固定支架4的中心设有一支架轴承41，通过支架轴承41与传动轴3相连；

所述喇叭形导流筒52的上方设有一个环形浮筒53，所述环形浮筒53与喇叭形导流筒52相连，其之间保留水通过的空间，不密封。

调试所述的曝气装置的方法具体为：调整环形浮筒53与喇叭形导流筒52的距离控制进入导流筒的水气比例，调整高速叶轮61的直径，调整导流筒的埋设深度，测量曝气电效率，取最佳值作为工作适用参数。

当叶轮启动，高速叶轮63中心出现负压，由于阻流板8的存在，池中水无法补充进来。导流筒(含喇叭形导流筒52和圆柱形导流筒51)内的水迅速被吸空，水流和气流只能从喇叭形导流筒52的上缘流入。由于导流筒内设置导流槽，故水流螺旋而下，水流的螺旋方向与高速叶轮的旋转方向一致。高速叶轮的巨大剪切作用导致气水被粉碎，气泡形成很小的颗粒，一般直径可以达到数十μm以下。高速叶轮形成的大量水气混合物被低速叶轮很快输送到远处，故避免了小气泡集中在一起出现的气泡合并现象。高速叶轮的转速与电机传动轴转速相同，而低速叶轮通过减速器进行减速，设置其转速为高速叶轮的1/50～1/100，能耗较低。

气水流入导流筒的流量通过环形浮筒控制，环形浮筒与喇叭形导流筒是个整体，当重量确定时，喇叭形浮筒的上缘在水中的淹没深度就取决于环形浮筒提供的浮力，故可以通过环形浮筒的大小来控制进入叶轮的水和气的流量。由于浮筒尺寸固定，故引流的水流量大则气流量小，反之亦然。气水流量比是本发明运行时的关键控制参数。

高速叶轮的旋转速度也是个关键参数，若转速过慢导致中心负压不足，导流筒底部就会出现壅水现象，气流无法引入，曝气装置将无法正常运行。而且转速过慢气水剪切效果差，得不到或只有很少气泡是微气泡，效率会显著降低。若转速过快，曝气装置可以正常运行，但是能耗增加了。

将高速叶轮看成是水泵，则依据水泵原理所计算的扬程是本发明方法叶轮最大淹没深度计算的依据。根据高速叶轮对水气的剪切效果考虑要求的转速，叶轮淹没的水深以不超过10m为宜，超过此范围效率显著降低。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种差速双叶轮水下微气泡曝气装置，安装在一个水平的平台(1)上，包括竖直安装在平台(1)上的电机(2)，其特征在于：

所述装置还包括与电机(2)轴连的传动轴(3)、安装在水底部的底座(72)，所述底座(72)与电机(2)位置竖直对应，底座(72)的中心设有一底座轴承(71)，所述传动轴(3)通过底座轴承(71)连接到底座(72)；

所述装置还包括安装在传动轴(3)底部的高速叶轮(61)、减速器(62)，所述高速叶轮(61)表面设有多个微小凸起；还包括安装在减速器(62)输出端的低速叶轮(63)，还包括设置于高速叶轮(61)与低速叶轮(63)以下的阻流板(8)，所述阻流板(8)为一个刚性圆板，固定在传动轴(3)上，所述减速器(62)为一个行星齿轮或者可变比的减速器，其不动端连接在底座(72)上，低速端连接低速叶轮(63)，高速端连接传动轴(3)；

所述装置还包括导流筒，所述导流筒由喇叭形导流筒(52)和圆柱形导流筒(51)重叠拼接组成，圆柱形导流筒(51)的外径比喇叭形导流筒(52)内径大5～10mm，圆柱形导流筒(51)与喇叭形导流筒(52)重叠部分的长度大于水位的变化幅度；所述圆柱形导流筒(51)位于喇叭形导流筒(52)的下方，其底部连接有一个固定支架(4)，所述固定支架(4)的中心设有一支架轴承(41)，通过支架轴承(41)与传动轴(3)相连，所述喇叭形导流筒(52)与圆柱形导流筒(51)内壁上设有螺旋状的导流槽，开槽的方向为斜向下，与高速叶轮(61)的转动方向一致；

所述喇叭形导流筒(52)的上方设有一个环形浮筒(53)，所述环形浮筒(53)的四周设有防浪挡板(54)，所述防浪挡板(54)固定于平台(1)上，底部低于水平面，上部设有通气孔，所述环形浮筒(53)与喇叭形导流筒(52)相连，其之间保留水通过的空间，不密封。

2.根据权利要求1所述的一种差速双叶轮水下微气泡曝气装置，其特征在于：所述电机(2)转速大于3000rpm。

3.根据权利要求1所述的一种差速双叶轮水下微气泡曝气装置，其特征在于：所述低速叶轮(63)与高速叶轮(61)处于同一高度。

4.一种调试根据权利要求1-3任一项所述的曝气装置的方法，其特征在于：调整环形浮筒(53)与喇叭形导流筒(52)的距离控制进入导流筒的水气比例，调整高速叶轮(61)的直径，调整导流筒的埋设深度，测量曝气电效率，取最佳值作为工作适用参数。

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