CN110386664B - 一种泵与风机联合运行的高效搅拌射流式曝气装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泵与风机联合运行的高效搅拌射流式曝气装置，包括风机、送气管、混合曝气头、输液管和水泵，风机出口通过送气管连接混合曝气头，水泵出口通过输液管连接混合曝气头。混合曝气头包括内壳、内壳进液管、外壳、外壳进气管、液体喷头和混合喷头，内壳置于外壳内，内壳进液管一端穿过外壳壁面固定在内壳壁面上，内壳进液管管内空间连通内壳内部空间，内壳进液管另一端连接输液管，外壳进气管一端固定在外壳壁面上，外壳进气管管内空间连通外壳的夹层空间，外壳进气管另一端连接送气管，外壳侧壁朝外还设有混合喷头，内壳侧壁设有液体喷头，液体喷头朝向混合喷头。

Description

一种泵与风机联合运行的高效搅拌射流式曝气装置

技术领域

本发明涉及水处理装置领域，具体是一种泵与风机联合运行的高效搅拌射流式曝气装置。

背景技术

曝气是指人为通过适当设备向污水处理池中通入空气，以达到提高废水中溶解氧的目的。曝气装置是指废水活性污泥法水处理过程中向曝气池供氧的设备。

现有技术中，曝气装置只是简单地将空气通过一风机或压缩机鼓送往水池内，气体通过水池中的一些气体喷嘴散布进入水中，气体在水中形成的气泡较大，而且在水平方向上气泡只存在在气体喷嘴附近的区域内，气泡较大，很快就上浮，不仅相同体积的空气进入水池后与水体的接触面积较小，而且接触时间短，曝气效果不佳。传统的曝气装置需要设置一排排的气体喷嘴来增大曝气装置的覆盖面积，管道复杂，不方便铺设建造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种泵与风机联合运行的高效搅拌射流式曝气装置，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种泵与风机联合运行的高效搅拌射流式曝气装置，包括风机、送气管、混合曝气头、输液管和水泵，风机出口通过送气管连接混合曝气头，水泵出口通过输液管连接混合曝气头。

将风机送来的空气与水泵抽取的水池内的水在混合曝气头中预先混合在一起然后喷射进水池中，预先混合的过程中，可以让气体先和水池液体充分接触并微小细化，即保证了混合效果，同时水流携带着气体也能送往较远的位置，水泵的出水压力越大，在混合曝气头中流速越高，则混合曝气头中气体能被冲击得更加细碎，以微气泡形式溶于水中，被喷射到水池中后水流速度降低，气体析出并上浮完成曝气过程。气体在水中的气泡越小，相同气体流量下与水体的接触面积也就越大，曝气效果也就越好。送气管和输液管安装时可以是固定到连接着水池侧壁的支撑架上，也可以是从水池上方悬吊而下，只需要满足管路连接关系即可。

进一步的，混合曝气头包括内壳、内壳进液管、外壳、外壳进气管、液体喷头和混合喷头，内壳置于外壳内，内壳进液管一端穿过外壳壁面固定在内壳壁面上，内壳进液管管内空间连通内壳内部空间，内壳进液管另一端连接输液管，外壳进气管一端固定在外壳壁面上，外壳进气管管内空间连通外壳的夹层空间，外壳进气管另一端连接送气管，外壳侧壁朝外还设有混合喷头，内壳侧壁设有液体喷头，液体喷头朝向混合喷头。

混合曝气头以射流形式吸入气体，从输液管过来的高压液体经由内壳进液管到达内壳内，在液体喷头处喷射出去到达混合喷头位于外壳内的进口，从液体喷头处喷射出去的液体流速很大，在混合喷头进口处形成负压，外壳夹层内从风机引流过来的空气混合进液体中，一并从混合喷头喷出装置外，而由于混合处液体处于高流速状态，气体与液体的接触面上剪切作用显著，气体破碎并进入液体中，气液混合非常充分，同时，出射流流速较大，进入水池内的水体后，对周围液体也有较强的剪切夹带作用，使周围液体充分混合，在曝气的同时增强搅拌作用，使得水体的处理周期缩短，此外，微小气泡的所受浮力较大气泡要小，由于气液接触面上的张力以及周围液体的粘滞力，微气泡的上浮速度较大气泡要小，所以微气泡在水中的停留时间要长，曝气效果显著增加，进一步缩短曝气周期。

进一步的，内壳进液管和外壳进气管的轴线重合且竖直设置，混合喷头的出口轴线与外壳进气管的轴线交错，内壳进液管与输液管的连接为旋转活动连接并在连接处设置第一旋转支撑组件，外壳进气管和送气管的连接为旋转活动连接并在连接处设置第二旋转支撑组件。

内壳进液管和外壳进气管与输液管、送气管的连接为可旋转的活动连接，并且混合喷头的出口轴线与外壳进气管的轴线交错，这样气液混合的流体从混合曝气头中喷射而出时，由于反作用力，混合曝气头会绕外壳进气管的轴线旋转，旋转速度可以根据(角)动量守恒方程计算，计算所需的原始数据有混合喷头的出射流速和混合曝气头的等效质量，以及轴线交错距离L，系统设计需求没有那么高时，混合曝气头的旋转速度不需要去进行计算。由于出射水流的反作用力而带动混合曝气头旋转，从而出射水流也能跟着进行旋转，从而让一个混合曝气头的覆盖范围从一条直线变成一个圆形区域，出射混气水流不断扫过覆盖的区域，在不同角度上周期性的产生上升气泡，旋转后的混合曝气头增大了单个装置的处理范围，从而减少一个水池中所需的曝气装置的数量，在一个直径不大的圆形水池中，只需要一个本曝气装置即可满足曝气需求。

进一步的，第一旋转支撑组件包括轴承、油封、垫环和压盖，轴承设置在输液管端部的阶梯孔内，轴承两侧设置油封，轴承与油封的外圈之间垫有垫环，靠近输液管端部的油封通过压盖压紧，轴承内圈套设于内壳进液管上，油封用于轴承两侧轴特征的动密封，第二旋转支撑组件的结构与第一旋转支撑组件的结构相同。

输液管与内壳进液管之间既然是可旋转的活动连接，那就在连接处自然需要旋转方向的支撑以及连接处的密封，否则输液管中的液体直接从输液管端部漏回水池内，浪费水泵的做功能量，旋转支撑以轴承的支撑效率以及支撑效果最好，轴承两侧设置的油封即密封住轴承运行所需的润滑油或润滑脂，也密封住输液管往外界水池的泄露通道，轴承外圈是静止件、内圈是旋转件，而油封也是静止件，所以在安装的轴向上不能让油封和轴承直接贴合，中间加入一垫环进行轴向位置搭配，压盖沿轴向将两个油封、轴承和两个垫环一同压紧在输液管端部的阶梯孔内，阶梯面可作为轴向定位用的止口。

混合曝气头径向支撑还可以直接通过轴孔嵌套形式，在接触面上设置O型圈进行密封，但是这种连接方式虽然简单，但旋转阻力较大，从而影响混合曝气头的旋转顺畅性。

混合曝气头还需要设置沿竖直方向的支撑，可以是内壳进液管外壁通过一副推力轴承安装到一个机架上，机架固定在水池的侧壁上，也可以是在内壳进液管上套设一个轴套，轴套和内壳进液管通过紧定螺钉等方式固定，然后轴套抵靠上轴承的一侧内圈，轴承选用可以承受轴向力的轴承，例如角接触球轴承。

作为优化，混合喷头上设有旋转导流结构。旋转导流结构为混合喷头内表开设的螺旋导槽。

螺旋导槽让经过其的水流螺旋起来，从而离开混合喷头时是旋转前进的，旋转前进的水流在水池的水体中可以前进地更远，在相同的出水背压以及混合曝气头的进气进水压力下，让水流螺旋喷射而出相比于水流直接从混合喷头中射出，其覆盖的距离能长％以上。

作为优化，螺旋导槽为多线矩形螺纹，螺纹深度大于螺纹小径的0.5倍。单线螺纹的导程与大径的比值较小，水沿螺纹槽导向后，水平分速度太小，不利于增大出射距离，使用多线螺纹即保证较大的水平分速度，也保证有较多、较密集的螺纹牙用于水流导向。

混合喷头上的旋转导流结构还可以另一种结构：包括弹性螺纹套和锁环，弹性螺纹套一端插入混合喷头中、一端位于混合喷头外，弹性螺纹套的外表与混合喷头内表相接触，弹性螺纹套插入混合喷头的一端通过混合喷头侧壁上的紧定螺钉锁定，弹性螺纹套位于混合喷头外的一端侧面固定有锁环，锁环向混合喷头延伸并与混合喷头螺纹连接。

这种形式设置的旋转导流结构可以通过旋转锁环来改变出水速度，因为弹性螺纹套是弹性的，其一端固定在混合喷头内，另一端被一个锁环拉扯住，锁环在混合喷头上的旋合深度就对应着弹性螺纹套不同的轴向长度，弹性螺纹套内表的螺纹也就螺旋倾角发生改变，从而影响经过其导流的水的水平分速度，水流出射速度的改变能改变装置的曝气覆盖范围，有时覆盖范围不需要太大时可以改小气液出射速度从而在局部增强曝气效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明使用一混合曝气头将水池中的部分水和空气进行预先的混合，混合通过射流吸入的方式进行，这样空气会破碎弥散地分布在水中，微气泡大大增加了水体与空气的接触面积，增强曝气效果，而且微气泡所受浮力较小，在水中的停留时间增长；混合喷头的出流方向与外壳进气管的轴线错开一定的距离，并且混合曝气头与送气管、送液管的连接为可旋转的活动连接，从而混合喷头的出射流体还是反向推动混合曝气头进行旋转，从而将装置的覆盖范围扩大成一个圆形区域；混合喷头头部的旋转导流结构让出射水流旋转前进，可以到达更远的位置，进一步增大装置覆盖范围，弹性螺纹套加锁环形式的旋转导流结构可以改变出射水流的水平分速度，从而可以有目的地在装置距离较近处增强曝气效果。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明混合曝气头的结构示意图；

图3为本发明混合曝气头与送气管、送液管的连接结构图；

图4为图3中的视图A-A；

图5为图3中的视图B；

图6为本发明实施方式一中混合喷头处的结构示意图；

图7为本发明实施方式二中混合喷头处的结构示意图。

图中：1-风机、2-送气管、3-混合曝气头、31-内壳、32-内壳进液管、33-外壳、34-外壳进气管、35-液体喷头、36-混合喷头、361-螺旋导槽、4-送液管、5-水泵、61-弹性螺纹套、62-锁环、91-第一旋转支撑组件、911-轴承、912-油封、913-垫环、914-压盖、915-轴套、92-第二旋转支撑组件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种泵与风机联合运行的高效搅拌射流式曝气装置，包括风机1、送气管2、混合曝气头3、输液管4和水泵5，风机1出口通过送气管2连接混合曝气头3，水泵5出口通过输液管4连接混合曝气头3。

将风机1送来的空气与水泵5抽取的水池内的水在混合曝气头3中预先混合在一起然后喷射进水池中，预先混合的过程中，可以让气体先和水池液体充分接触并微小细化，即保证了混合效果，同时水流携带着气体也能送往较远的位置，水泵5的出水压力越大，在混合曝气头3中流速越高，则混合曝气头3中气体能被冲击得更加细碎，以微气泡形式溶于水中，被喷射到水池中后水流速度降低，气体析出并上浮完成曝气过程。气体在水中的气泡越小，相同气体流量下与水体的接触面积也就越大，曝气效果也就越好。送气管2和输液管4安装时可以是固定到连接着水池侧壁的支撑架上，也可以是从水池上方悬吊而下，只需要满足管路连接关系即可。

如图1、2所示，混合曝气头3包括内壳31、内壳进液管32、外壳33、外壳进气管34、液体喷头35和混合喷头36，内壳31置于外壳33内，内壳进液管32一端穿过外壳33壁面固定在内壳31壁面上，内壳进液管32管内空间连通内壳31内部空间，内壳进液管32另一端连接输液管4，外壳进气管34一端固定在外壳33壁面上，外壳进气管34管内空间连通外壳33的夹层空间，外壳进气管34另一端连接送气管2，外壳33侧壁朝外还设有混合喷头36，内壳31侧壁设有液体喷头35，液体喷头35朝向混合喷头36。

混合曝气头3以射流形式吸入气体，从输液管4过来的高压液体经由内壳进液管32到达内壳31内，在液体喷头35处喷射出去到达混合喷头36位于外壳33内的进口，从液体喷头35处喷射出去的液体流速很大，在混合喷头36进口处形成负压，外壳1夹层内从风机1引流过来的空气混合进液体中，一并从混合喷头36喷出装置外，而由于混合处液体处于高流速状态，气体与液体的接触面上剪切作用显著，气体破碎并进入液体中，气液混合非常充分，同时，出射流流速较大，进入水池内的水体后，对周围液体也有较强的剪切夹带作用，使周围液体充分混合，在曝气的同时增强搅拌作用，使得水体的处理周期缩短，此外，微小气泡的所受浮力较大气泡要小，由于气液接触面上的张力以及周围液体的粘滞力，微气泡的上浮速度较大气泡要小，所以微气泡在水中的停留时间要长，曝气效果显著增加，进一步缩短曝气周期。

如图3、4所示，内壳进液管32和外壳进气管34的轴线重合且竖直设置，混合喷头36的出口轴线与外壳进气管34的轴线交错，内壳进液管32与输液管4的连接为旋转活动连接并在连接处设置第一旋转支撑组件91，外壳进气管34和送气管2的连接为旋转活动连接并在连接处设置第二旋转支撑组件92。

内壳进液管32和外壳进气管34与输液管4、送气管2的连接为可旋转的活动连接，并且混合喷头36的出口轴线与外壳进气管34的轴线交错，这样气液混合的流体从混合曝气头3中喷射而出时，如图4所示，由于反作用力，混合曝气头3会绕外壳进气管34的轴线旋转，旋转速度可以根据(角)动量守恒方程计算，计算所需的原始数据有混合喷头36的出射流速和混合曝气头3的等效质量，以及轴线交错距离L，系统设计需求没有那么高时，混合曝气头3的旋转速度不需要去进行计算。由于出射水流的反作用力而带动混合曝气头3旋转，从而出射水流也能跟着进行旋转，从而让一个混合曝气头3的覆盖范围从一条直线变成一个圆形区域，出射混气水流不断扫过覆盖的区域，在不同角度上周期性的产生上升气泡，旋转后的混合曝气头3增大了单个装置的处理范围，从而减少一个水池中所需的曝气装置的数量，在一个直径不大的圆形水池中，只需要一个本曝气装置即可满足曝气需求。

如图5所示，第一旋转支撑组件91包括轴承911、油封912、垫环913和压盖914，轴承911设置在输液管4端部的阶梯孔内，轴承911两侧设置油封912，轴承911与油封912的外圈之间垫有垫环913，靠近输液管4端部的油封912通过压盖914压紧，轴承911内圈套设于内壳进液管32上，油封912用于轴承911两侧轴特征的动密封，第二旋转支撑组件92的结构与第一旋转支撑组件91的结构相同。

输液管4与内壳进液管32之间既然是可旋转的活动连接，那就在连接处自然需要旋转方向的支撑以及连接处的密封，否则输液管4中的液体直接从输液管4端部漏回水池内，浪费水泵5的做功能量，旋转支撑以轴承911的支撑效率以及支撑效果最好，轴承911两侧设置的油封912即密封住轴承911运行所需的润滑油或润滑脂，也密封住输液管4往外界水池的泄露通道，轴承911外圈是静止件、内圈是旋转件，而油封912也是静止件，所以在安装的轴向上不能让油封912和轴承911直接贴合，中间加入一垫环913进行轴向位置搭配，压盖914沿轴向将两个油封912、轴承911和两个垫环913一同压紧在输液管4端部的阶梯孔内，阶梯面可作为轴向定位用的止口。

混合曝气头3径向支撑还可以直接通过轴孔嵌套形式，在接触面上设置O型圈进行密封，但是这种连接方式虽然简单，但旋转阻力较大，从而影响混合曝气头3的旋转顺畅性。

混合曝气头3还需要设置沿竖直方向的支撑，可以是内壳进液管32外壁通过一副推力轴承安装到一个机架上，机架固定在水池的侧壁上，也可以是如图5所示的在内壳进液管32上套设一个轴套915，轴套915和内壳进液管32通过紧定螺钉等方式固定，然后轴套915抵靠上轴承911的一侧内圈，轴承911选用可以承受轴向力的轴承，例如角接触球轴承。

如图6所示，混合喷头36上设有旋转导流结构。旋转导流结构为混合喷头36内表开设的螺旋导槽361。

螺旋导槽361让经过其的水流螺旋起来，从而离开混合喷头36时是旋转前进的，旋转前进的水流在水池的水体中可以前进地更远，在相同的出水背压以及混合曝气头3的进气进水压力下，让水流螺旋喷射而出相比于水流直接从混合喷头36中射出，其覆盖的距离能长50％以上。

螺旋导槽361为多线矩形螺纹，螺纹深度大于螺纹小径的0.5倍。单线螺纹的导程与大径的比值较小，水沿螺纹槽导向后，水平分速度太小，不利于增大出射距离，使用多线螺纹即保证较大的水平分速度，也保证有较多、较密集的螺纹牙用于水流导向。

混合喷头36上的旋转导流结构还可以是如图7所示的结构：包括弹性螺纹套61和锁环62，弹性螺纹套61一端插入混合喷头36中、一端位于混合喷头36外，弹性螺纹套61的外表与混合喷头36内表相接触，弹性螺纹套61插入混合喷头36的一端通过混合喷头36侧壁上的紧定螺钉锁定，弹性螺纹套61位于混合喷头36外的一端侧面固定有锁环62，锁环62向混合喷头36延伸并与混合喷头36螺纹连接。

这种形式设置的旋转导流结构可以通过旋转锁环62来改变出水速度，因为弹性螺纹套61是弹性的，其一端固定在混合喷头36内，另一端被一个锁环62拉扯住，锁环62在混合喷头36上的旋合深度就对应着弹性螺纹套61不同的轴向长度，弹性螺纹套61内表的螺纹也就螺旋倾角发生改变，从而影响经过其导流的水的水平分速度，水流出射速度的改变能改变装置的曝气覆盖范围，有时覆盖范围不需要太大时可以改小气液出射速度从而在局部增强曝气效果。

本装置的使用过程是：打开风机1和水泵5，风机1鼓送的空气和水泵5泵送的水池中的水一同进入到混合曝气头3内，液体从液体喷头35中喷出，再混合喷头36的进口附近吸入空气，在高速流动下将空气破碎成一群群微气泡散布进水流中成为气液混合流体，气液混合流体从混合喷头36中螺旋喷出，喷出时反向推动混合曝气头3绕外壳进气管34的轴线旋转，让气液混合的流体分布到一个圆形区域内，水中的微气泡缓慢上升完成曝气过程。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (2)

1.一种泵与风机联合运行的高效搅拌射流式曝气装置，其特征在于：所述曝气装置包括风机（1）、送气管（2）、混合曝气头（3）、输液管（4）和水泵（5），所述风机（1）出口通过送气管（2）连接混合曝气头（3），所述水泵（5）出口通过输液管（4）连接混合曝气头（3）；

所述混合曝气头（3）包括内壳（31）、内壳进液管（32）、外壳（33）、外壳进气管（34）、液体喷头（35）和混合喷头（36），所述内壳（31）置于外壳（33）内，所述内壳进液管（32）一端穿过外壳（33）壁面固定在内壳（31）壁面上，内壳进液管（32）管内空间连通内壳（31）内部空间，内壳进液管（32）另一端连接输液管（4），所述外壳进气管（34）一端固定在外壳（33）壁面上，外壳进气管（34）管内空间连通外壳（33）的夹层空间，外壳进气管（34）另一端连接送气管（2），所述外壳（33）侧壁朝外还设有混合喷头（36），所述内壳（31）侧壁设有液体喷头（35），所述液体喷头（35）朝向混合喷头（36）；

所述混合喷头（36）上设有旋转导流结构；

所述旋转导流结构包括弹性螺纹套（61）和锁环（62），所述弹性螺纹套（61）一端插入混合喷头（36）中、一端位于混合喷头（36）外，弹性螺纹套（61）的外表与混合喷头（36）内表相接触，弹性螺纹套（61）插入混合喷头（36）的一端通过混合喷头（36）侧壁上的紧定螺钉锁定，弹性螺纹套（61）位于混合喷头（36）外的一端侧面固定有锁环（62），锁环（62）向混合喷头（36）延伸并与混合喷头（36）螺纹连接；

所述弹性螺纹套（61）内表螺纹为多线矩形螺纹；

所述内壳进液管（32）和外壳进气管（34）的轴线重合且竖直设置，所述混合喷头（36）的出口轴线与外壳进气管（34）的轴线交错，所述内壳进液管（32）与输液管（4）的连接为旋转活动连接并在连接处设置第一旋转支撑组件（91），所述外壳进气管（34）和送气管（2）的连接为旋转活动连接并在连接处设置第二旋转支撑组件（92）。

2.根据权利要求1所述的一种泵与风机联合运行的高效搅拌射流式曝气装置，其特征在于：所述第一旋转支撑组件（91）包括轴承（911）、油封（912）、垫环（913）和压盖（914），所述轴承（911）设置在输液管（4）端部的阶梯孔内，轴承（911）两侧设置油封（912），轴承（911）与油封（912）的外圈之间垫有垫环（913），靠近输液管（4）端部的油封（912）通过压盖（914）压紧，所述轴承（911）内圈套设于内壳进液管（32）上，所述油封（912）用于轴承（911）两侧轴特征的动密封，所述第二旋转支撑组件（92）的结构与第一旋转支撑组件（91）的结构相同。

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