CN111936224B - 用于尤其在废水处理中将气体引入主介质中的设备和布置 - Google Patents

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Abstract

一种用于将气体引入主介质中的设备(2)，包括：‑用于引导该主介质的主管道(9)，‑多个用于引导该气体的注入管线(10，11)，其中，每个注入管线(10，11)具有相应的端部区段(12)，这些端部区段具有位于该主管道(9)内的相应出口开口(13)，并且其中，这些端部区段(12)基本上平行于彼此且平行于该主管道(9)定向。通过该设备(2)可以引入气体，特别是引入废水中以获得生物活性污泥。由此，该气体与废水之间的相互作用可以由于特别大的紊流所引起的特别大的液气界面而特别显著。另外，作用在活性污泥中的颗粒上的剪切应力有利地可以低，因此避免生物颗粒的损坏。

Description

用于尤其在废水处理中将气体引入主介质中的设备和布置
本发明涉及一种用于尤其在废水处理中将气体引入主介质中的设备和布置。
尤其可以通过所谓的活性污泥法来处理废水。其中，将气体、比如空气引入废水中。这通常在曝气池中完成。由于比如细菌等生物颗粒或包括被添加到废水中和/或已经包含在废水中的细菌，获得了活性污泥。生物颗粒与废水进行生物相互作用。最后，通常将废水和/或活性污泥转移到沉淀池中，其中可以从经处理的水中去除生物颗粒。
在活性污泥处理中，优选的是，废水与被引入其中的气体之间的相互作用特别高。但是，气体与废水之间的高相互作用很可能会破坏活性污泥内的生物颗粒。特别地，在气体被引入时剪切应力可能作用在颗粒上。为了确保废水中的生物颗粒保持完好，作用在颗粒上的剪切应力特别低是优选的。
在活性污泥法的已知实现方式中，气体与废水之间的相互作用不够低，和/或作用在颗粒上的剪切应力不可接受地高。
因此，本发明的目的是至少部分地克服现有技术已知的缺点，尤其是提供一种用于将气体引入主介质中的设备和布置，其中气体与主介质的液体组分之间的相互作用特别高，和/或其中，作用在主介质内包含的颗粒上的剪切应力特别低。
这些目的通过独立权利要求的特征来解决。从属权利要求涉及本发明的优选实施例。
提供了一种用于将气体引入主介质中的设备，该设备包括：
-用于引导该主介质的主管道，
-多个用于引导该气体的注入管线。
这些注入管线中的每个注入管线具有相应的端部区段，这些端部区段具有位于该主管道内的相应出口开口。这些端部区段基本上平行于彼此且平行于该主管道定向。
所描述的设备可以用于将任何气体引入任何主介质中。该设备优选地被配置用于包含液体组分还以及可选地作为固体组分的颗粒的主介质。在主介质包含液体组分和颗粒的情况下，主介质是悬浮液。
所描述的设备可以尤其在废水处理中、尤其在活性污泥法的背景下使用。其中，可以将气体、比如空气、氧气、臭氧或类似物引入作为主介质的废水和/或活性污泥中。如本文使用的，活性污泥是废水与生物颗粒的悬浮液。即，废水是悬浮液的液体组分，而生物颗粒是固体组分。颗粒尤其可以是作为悬浮液的活性污泥中的生物颗粒。可以被称为絮状物的颗粒可以由对于转化废水的特定组分所必需的微生物形成。废水还可以包含另外的固体组分、比如废弃颗粒。为简单起见，本文仅区分固体生物颗粒、比如絮状物与液体废水，而忽略了这些另外的固体颗粒。为了维持该活性污泥中的活性，将气体引入系统中。由于这是连续过程，还可以将气体引入已经可以被认为是活性污泥的物质中，其中，获得了具有增大量的生物质量的活性污泥。这样，可以将气体引入废水和/或活性污泥中，以相应地获得活性污泥、或增大其中的颗粒的量。
虽然本文特别关注废水处理，但是应注意的是，本发明不限于该技术领域。所描述的设备可以用于会将气体引入主介质中的任何背景下。主介质不必包括液相和/或固相。
主介质可以被引导穿过设备的主管道。优选地，设备入口和设备出口经由主管道彼此连接。这样，主介质可以经由设备入口进入设备中、可以经由主管道被引导穿过设备、并且可以经由设备出口离开设备。在设备入口与设备出口之间，优选地，气体可以被引入主介质中。主管道优选地是设备入口与设备出口之间的单一直接连接。替代性地，主管道可以包括多个分支，这些分支部分地或完全地彼此并联或串联延伸。主管道优选地在由金属、比如钢制成的边界内实现。这些边界可以是管状的。特别地，可以串联地布置多个元件，比如管元件、阀元件、腔室、凸缘、密封件、和/或垫片，并且将它们彼此连接以形成主管道的边界。
气体可以经由注入管线、尤其经由其出口开口被引入主介质中。注入管线的位于主管道内并且基本上平行于主管道定向的这些部分被认为是相应注入管线的端部区段。每个注入管线优选地包括单一出口开口。替代性地，这些注入管线中的一些或全部可以包括多个出口开口。该出口开口优选地位于端部区段的端部处，如沿气体的流动方向看到的。优选地，该出口开口被配置成使得气体可以沿端部区段的方向从出口开口喷射。应当理解为，这些端部区段和所喷射气体的质心和/或管道的中心线彼此围成小于20度的角度。优选的是，该角度小于10度、特别地小于5度。
由于注入管线在主管道内的布置，可以将气体以顺流方式引入主介质中。即，气体可以从注入管线沿基本上与主介质方向相同的方向喷射。虽然将主介质沿可以使气体被顺流地引入主介质中的方向引导穿过设备是优选的，但是根据该设备的构造，主介质沿其他方向被引导穿过设备也是可能的，其中气体以逆流方式被引入。
优选地，端部区段和主管道平行于主管道定向。然而，技术人员应了解的是，与数学上精确的平行取向的小偏差没有显著的技术影响。因此，端部区段和主管道基本上彼此平行地定向就足够了。这应当理解为，这些端部区段和主管道彼此围成小于20度的角度。优选的是，该角度小于10度、特别地小于5度。在该角度不是恒定的情况下，基本上平行应理解为该角度的最大值小于20度。
优选地，该角度的最大值小于10度、特别地小于5度。
优选地，主管道和注入管线垂直于主管道具有圆形截面。在这种情况下，注入管线的至少端部区段具有比主管道更小的直径，使得注入管线的端部区段可以包含在主管道内。在主管道和/或注入管线的截面不是圆形的情况下，应采用相应的直径定义。
注入管线优选地穿透主管道的边界，使得气体可以从主管道外被引入注入管线中。其中，主管道的边界和注入管线优选地是密封的，使得主管道的主介质在注入管线穿透主管道的边界的地方不能离开主管道。
已经发现，通过所描述的主管道与注入管线的布置，气体与主介质的液体组分之间的相互作用特别高，和/或作用在主介质内包含的颗粒上的剪切应力特别低。即，可以以在废水处理中的上述活性污泥过程中特别有利的方式来获得包含气体、主介质的液体组分、以及主介质内的颗粒的三相混合物。其中，可以增强从气体到液体组分的质量传递，同时维持活性污泥絮状物上的机械应力特别低。
由于所描述的布置，可以高速且以明确定义的引入方式来引入气体。气体的引入方式还可以认为是喷射方式。然而，本文使用了表述“引入方式”，因为气体优选地被引入主要为液体的主介质、比如悬浮液中。气体到这样的介质中的引入通常不称为喷射。
已经发现，由于气体的引入方式，紊流特别显著。并且，气体与主介质的液体组分之间的界面可以特别大。这可能是由于在主介质内形成特别小的气泡。紊流和/或大的界面可以允许气体和液体组分之间的特别强烈的相互作用。
由于气体到主介质中的引入方式获得了紊流和在气体与主介质的液体组分之间的大界面，因此在主介质内包含的颗粒上的剪切应力作用可以特别低。这与以下途径相比尤其如此：其中由于主介质与气体的混合物的加速而获得了紊流和气体与主介质的液体组分之间的界面，该混合物是包含气体、主介质的液体组分、和主介质内的颗粒的三相混合物。
由于气体到主介质中的引入方式而获得了紊流和气体与主介质的液体组分之间的大界面，因此进行泵送所需的能量也可以特别低。这与三相混合物被加速的途径相比也是尤其如此。与这样的途径相比，通过所描述设备，仅主介质必须通过泵来驱动，并且气体可以被引入被气体压力驱动的主介质中。并且，气体可以通过主介质的流动而被吸入主介质中。通过所描述的设备，可以在将气体引入主介质中时，通过气体的绝热膨胀来向系统中引入为了产生紊流和不同相之间的边界所必需的能量。
其中，气体的压降优选地在2巴与20巴之间、尤其在5巴与15巴之间。
在下文中，描述了设备的若干优选实施例。关于所讨论的紊流和/或主介质的液体组分与其中所包含的颗粒之间的界面，发现由于分别描述的注入管线的端部区段的优选布置而获得的气体引入方式是特别有利的。
在该设备的优选实施例中，在垂直于主管道的截面中，注入管线的端部区段布置在同心圆上。
如本文使用的，同心圆是具有共同中心但不同半径的圆。在这个实施例中，端部区段布置在两个或更多个同心圆上。由此，在每个同心圆上，可以布置有一个或多个注入管线的端部区段。优选地，布置在同一圆上的端部区段等距地分布在该圆上。可能的是，内圆的直径为零。即，注入管线之一可以位于同心圆的中心。
这些圆可以仅是虚构的并且不必明确可见。在端部区段彼此平行地布置的情况下，这些端部区段的布置还可以被描述成，这些端部区段位于虚构同心圆柱的外表面上。
在该设备的另外优选实施例中，这些注入管线之一是内部注入管线，并且其余注入管线是外部注入管线，其中，这些外部注入管线的端部区段与该内部注入管线的端部区段径向地间隔开。
在垂直于主区段的截面中，内部注入管线的端部区段布置在外部注入管线的端部区段之间，使得外部注入管线的端部区段与内部注入管线的端部区段以径向的方式间隔开。其中，径向方向是在垂直于主管道的截面内限定的。
在垂直于主管道的截面中，内部注入管线优选地布置在主管道的中心。如果主管道具有圆柱形形状，则内部注入管线因此优选地布置在主管道的轴线上。
在注入管线的端部区段布置在同心圆上的情况下，正如之前描述的实施例的情况一样，则内部注入管线的端部区段位于同心圆的中心。即，内圆的直径为零。在这个实施例中，除了这个内圆之外，仅存在一个另外的圆。
在该设备的另外优选实施例中，这些外部注入管线的端部区段彼此沿周向方向等距地间隔开。
该周向方向是在垂直于主管道的截面内限定的。沿周向方向等距地间隔开是指，对于所有成对的相邻外部注入管线，在将内部注入管线与外部注入管线相连的相应虚构线之间的角度是相同的。这些虚构线包含在垂直于主管道的截面内。例如，如果存在四个外部注入管线，则对于所有成对的相邻注入管线，这些虚构线之间的角度为90度。
在该设备的另外优选实施例中，外部注入管线的出口开口布置在垂直于主管道的平面内。
在这个实施例中，这些外部注入管线的出口开口在沿着主管道的方向上布置在相同位置。
在该设备的另外优选实施例中，该内部注入管线的出口开口布置在这些外部注入管线的出口开口的下游。
表述“下游”是指气体可以从注入管线喷射到的方向。因此，在这个实施例中，从外部注入管线喷射的气体经过内部注入管线的端部区段的至少一部分、然后与从内部引入管线喷射的气体汇合。如果主介质以与从注入管线喷射的气体顺流的方式被引导穿过主管道，则来自外部注入管线的气体首先被引入主介质中，并且随后来自内部注入管线的气体也被引入主介质中。
注入管线的这种布置提供了锥形的气体引入方式，其中从内部注入管线喷射的气体提供这个锥体的尖端。
这种锥形的气体引入方式可以通过主管道的形状来增强。因此，设备的另外的实施例是优选的，其中主管道在所有注入管线的出口开口下游包括狭窄部。
如前所述，表述“下游”是指气体可以从注入管线喷射到的方向。
在该设备的另外的优选实施例中，在每个注入管线的出口开口处设置了相应的喷嘴尖端。
喷嘴尖端是附接至引入管线上的单独元件，使得气体可以经由喷嘴尖端从引入管线中喷射。该喷嘴尖端优选地被配置成使得由于喷嘴尖端的形状，气体可以在喷射之前在喷嘴尖端内加速。
另外，通过喷嘴尖端，可以调节气体的引入方式。如果喷嘴尖端以可交换的方式配置，则可以通过使用不同的喷嘴尖端组来容易地实现气体的不同引入方式。
根据另外的方面，提供了一种用于将气体引入主介质中的布置，该布置包括：
-用于主介质的储器，
-如所描述的配置的设备，
-位于储器内的喷射器。
该设备以一种方式连接至该喷射器，使得用该设备获得的该主介质与气体的混合物可以经由该喷射器被引入该储器中。
针对所描述设备披露的细节和优点可以适用于该布置，反之亦然。
优选地，该设备连接至储器，使得主介质的至少一部分可以从储器被引导至该设备。这样，主介质可以从储器中被提取、可以被引导至所描述的设备、并且可以经由喷射器被再引入储器中。
替代性地，主介质可以从除了其通过喷射器被引入其中的储器之外的源中被提取。例如，主介质可以设置在来源池中、可以从中被提取、可以被引导至所描述的设备、并且可以经由喷射器被引入储器中。其中，来源池和储器彼此分开。
优选地，设置了第一管线来从储器或来源池提取一部分主介质、并且将这部分主介质引导至所描述设备的设备入口。
在已经将气体引入设备内的主介质中之后，主介质与气体的混合物可以经由连接至设备出口的第二管线被引导至喷射器。特别地，例如在废水处理中，该主介质与气体的混合物可以是三相混合物。
优选地，在第一管线和/或第二管线中设置至少一个泵，用于驱动主介质和/或主介质与被引入其中的气体的混合物。在废水处理中，特别优选的是，泵被包含在第一管线中、即在所描述设备的上游。这样，仅主介质必须被加速，而不是所获得的三相混合物。
在废水处理中，储器可以是曝气池，其中废水通过将气体、比如空气引入其中而被活化。
根据该布置的优选实施例，该喷射器包括：
-用于从该储器吸入主介质的喷射器进口部，
-连接至该设备的设备出口的喷射器入口，以及
-连接至该喷射器进口部、该喷射器入口、和喷射器出口的混合腔室。
根据本实施例的喷射器可以被认为被配置成类似于射流泵，该射流泵通过使用所描述的设备所获得的主介质与气体的混合物被驱动。该混合物可以经由喷射器入口被引入喷射器中。优选地，该混合物被第一管线和/或第二管线内的至少一个泵驱动。通过将如此驱动的混合物引入喷射器中，容装在储器内的主介质可以被吸入喷射器中。这可能是由于泵驱动的混合物所引起的负压所致。通过所描述的设备获得的混合物和来自储器的主介质在分别被引入和吸入喷射器中之后在混合腔室内彼此混合。在这种混合之后，所得的物质可以经由喷射器出口被再引入储器中。
在该布置的另外的优选实施例中，储器是用于处理作为主介质的废水的曝气池。
如上所述的经由喷射器引入到储器中在废水处理中可以是特别有利的，因为通过所描述设备获得的混合物可以与储器中的主介质特别良好地混合。即，在所描述设备中产生三相混合物的下游，通过使用喷射器来使该三相混合物与储器中的废水和/或活性污泥混合。由此，喷射器用作将来自所描述设备的三相混合物用作驱动介质的射流泵。
根据另外的方面，提供了一种如所描述的进行配置的设备的用途，其中，主介质是悬浮液。
针对所描述的设备和布置披露的细节和优点可以适用于所描述的用途，反之亦然。
优选的是将气体以顺流方式引入主介质中。
在该用途的优选实施例中，该主介质是废水和/或活性污泥。
如上文描述的，将气体引入废水中是连续的过程。因此，可以将气体引入废水或可能已经被认为是活性污泥的物质中，其中通过进一步引入该气体而获得了具有增大量的生物质量的活性污泥。
在该用途的另外优选实施例中，气体包括以下中的至少一种：空气、氧气、二氧化碳、氮气、臭氧。
这些气体特别适合于在废水处理中获得活性污泥。使用空气是特别优选的，因为空气特别容易获得。
应当注意，权利要求中指明的各个特征可以以任何期望的技术合理的方式彼此组合并且形成本发明的另外的实施例。说明书，特别是与附图一起，进一步解释了本发明，并详细说明了本发明的特别优选的实施例。现在将参照附图更详细地解释本发明的特别优选的变型和技术领域。应当注意，附图中所示的示例性实施例并不旨在限制本发明。附图是示意性的并且可能未按比例绘制。附图显示：
图1：用于将气体引入主介质中的布置的示意性描绘，
图2：用于将气体引入主介质中的设备的分解视图，该主介质可以用于图1的布置中，
图3：图2的设备处于组装好状态下的视图，
图4至图6：图2和图3的设备的三个截面视图，以及
图7：用于将气体引入主介质中的布置的第二示例的示意性描绘。
在图1中，示出了用于将气体引入主介质中的布置1。该布置包括用于主介质的储器3、用于将气体引入主介质中的设备2、以及位于储器3内的喷射器4。如箭头所指示的，经由第一管线6和泵5，可以从储器3提取一部分主介质。这部分主介质可以被引导至设备2的设备入口22。即，设备2连接至储器3，使得至少一部分主介质可以从储器3被引导至设备2。还如箭头所指示的，可以经由第三管线8将气体提供给设备2。在已经将气体引入设备2内的主介质中之后，所获得的混合物可以从设备出口23经由第二管线7被引导至喷射器4的喷射器入口20。即，设备2以一种方式连接至喷射器4，使得用设备2获得的主介质与气体的混合物可以经由喷射器4被引入储器3中，如箭头所指示的。
喷射器4进一步包括用于从储器3吸入主介质的喷射器进口部19。并且，该喷射器包括连接至喷射器进口部19、该喷射器入口20、和喷射器出口21的混合腔室24。这样，喷射器4可以用作射流泵、并且以通过设备2获得的混合物作为驱动介质经由喷射器进口部19从储器3吸入主介质。储器3是用于处理作为主介质的废水的曝气池。主介质是悬浮液，尤其是废水和/或活性污泥。该气体包括以下中的至少一种：空气、氧气、二氧化碳、氮气、臭氧。
图2示出了图1的设备2的分解视图。设备2包括用于引导主介质的主管道9和用于引导气体的五个注入管线10、11，其中仅三个注入管线10、11是可见的。每个注入管线10、11具有相应的端部区段12，这些端部区段具有位于主管道9内的相应出口开口13和相应喷嘴尖端14。外部注入管线10的出口开口13布置在垂直于主管道9的平面18中。端部区段12平行于彼此且平行于主管道9定向。这些注入管线之一是内部注入管线11，而其余注入管线是外部注入管线10。内部注入管线11的出口开口13布置在外部注入管线10的出口开口13的下游。主介质优选地在图中从左侧流到右侧。气体可以从引入管线10、11喷射，使得在图中，气体流到右侧。主管道9在所有注入管线10、11的出口开口13的下游包括狭窄部15。另外，已经看到，主管道9由多个元件，比如管元件26、凸缘25、和密封件16构成。还指示了主管道9的轴线17。
图3示出了图2的设备2处于组装好状态下的视图。图2的描述类似地适用于图3。
图4至图6示出了如图3所示的截面A、B、和C。图4至图6各自示出了垂直于主管道9的截面。可以看到，注入管线10、11的端部区段12布置在同心圆上。在所示的实施例中，内部引入管线11的端部区段12布置在另外的单一圆的中心，这四个外部引入管线10的端部区段布置在该单一圆上。外部注入管线10的端部区段12彼此沿周向方向等距地间隔开、并且与内部注入管线11的端部区段12径向地间隔开。
图7显示了用于将气体引入主介质中的布置的第二示例。参考图1所示的示例和相应描述。在下文中，将讨论与第一示例的差异。与第一示例相比，在用于将气体引入主介质中的布置1的第二示例中，泵5和用于将气体引入主介质中的设备2被浸没在储器3中。这对于空间有限的情形是尤其有利的，因为不必在储器3和相应管系之外设置泵5。
通过设备2可以引入气体，特别是引入废水中以获得生物活性污泥。由此，该气体与废水之间的相互作用可以由于特别大的紊流所引起的特别大的液气界面而特别显著。另外，剪切避免了生物颗粒的损坏。
附图标记清单
1 布置
2 设备
3 储器
4 喷射器
5 泵
6 第一管线
7 第二管线
8 第三管线
9 主管道
10 外部注入管线
11 内部注入管线
12 端部区段
13 出口开口
14 喷嘴尖端
15 狭窄部
16 密封件
17 轴线
18 平面
19 喷射器进口部
20 喷射器入口
21 喷射器出口
22 设备入口
23 设备出口
24 混合腔室
25 凸缘
26 管元件

Claims (13)

1.一种用于将气体引入主介质中的布置(1)，包括：
-用于该主介质的储器(3)，
-设备(2)，该设备包括：
--用于引导该主介质的主管道(9)，
--多个用于引导该气体的注入管线(10，11)，
其中，每个注入管线(10，11)具有相应的端部区段(12)，这些端部区段具有位于该主管道(9)内的相应出口开口(13)，并且其中，这些端部区段(12)基本上平行于彼此且平行于该主管道(9)定向，
-位于该储器(3)内的喷射器(4)，
其中，该设备(2)以一种方式连接至该喷射器(4)，使得用该设备(2)获得的该主介质与气体的混合物可以经由该喷射器(4)被引入该储器(3)中。
2.根据权利要求1所述的布置(1)，其中，在垂直于该主管道(9)的截面中，这些注入管线(10，11)的端部区段(12)布置在同心圆上。
3.根据权利要求2所述的布置(1)，其中，这些注入管线之一是内部注入管线(11)，并且其余注入管线是外部注入管线(10)，并且其中，这些外部注入管线(10)的端部区段(12)与该内部注入管线(11)的端部区段(12)径向地间隔开。
4.根据权利要求3所述的布置(1)，其中，这些外部注入管线(10)的端部区段(12)彼此沿周向方向等距地间隔开。
5.根据权利要求3或4所述的布置(1)，其中，这些外部注入管线(10)的出口开口(13)布置在垂直于该主管道(9)的平面(18)内。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的布置(1)，其中，该内部注入管线(11)的出口开口(13)布置在这些外部注入管线(10)的出口开口(13)的下游。
7.根据前述权利要求中任一项所述的布置(1)，其中，该主管道(9)在所有注入管线(10，11)的出口开口(13)的下游包括狭窄部(15)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的布置(1)，其中，在每个注入管线(10，11)的出口开口(13)处设置了相应的喷嘴尖端(14)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的布置(1)，其中，该喷射器(4)包括：
-用于从该储器(3)吸入主介质的喷射器进口部(19)，
-连接至该设备(2)的设备出口(23)的喷射器入口(20)，以及
-连接至该喷射器进口部(19)、该喷射器入口(20)、和喷射器出口(21)的混合腔室(24)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的布置(1)，其中，该储器(3)是用于处理作为该主介质的废水的曝气池。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的布置(1)的用途，其中，该主介质是悬浮液。
12.根据权利要求11所述的用途，其中，该主介质是废水和/或活性污泥。
13.根据权利要求11或12所述的用途，其中，该气体包括以下中的至少一种：空气、氧气、二氧化碳、氮气、臭氧。
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