CN112939212B

CN112939212B - 一种利用液力剪切产生微细气泡强化曝气的装置和方法

Info

Publication number: CN112939212B
Application number: CN202110178483.4A
Authority: CN
Inventors: 杨强; 王威; 许萧; 王俊杰; 王硕
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2041-02-09
Also published as: CN112939212A

Abstract

本发明提供了一种利用液力剪切产生微细气泡强化曝气的装置，所述装置包括曝气芯管、鼓风机和增压泵，曝气芯管包括依次连接的旋流腔段、喉管段和扩散段；所述旋流腔段内部为螺旋形的空腔结构，侧壁设有与其相切的液体进口，底部设有空气进口，顶部设有气泡出口。本发明还提供了利用液力剪切强化曝气的方法，液体从切向进入旋流腔段作高速旋流运动，气体从底部进入被高速旋流的流体定向动量剪切产生微细气泡群，再经喉管段和扩散段进一步碎化，强化曝气。所述装置和方法能够避免常规微孔曝气装置出现堵塞、损坏等问题，使用寿命长，可产生微米级的微细气泡，增大充氧效率和氧利用率，保持污泥悬浮，缩短水力停留时间，加快污水处理效率。

Description

一种利用液力剪切产生微细气泡强化曝气的装置和方法

技术领域

本发明属于废水处理领域，具体涉及一种利用液力剪切产生微细气泡强化曝气的装置和方法。

背景技术

生物法处理废水是利用微生物的代谢作用分解废水中的可降解有机物，从而净化水的方法，由于具有处理量大、投资小、经济可靠等优点，是目前最普遍的一种水处理方法。其中，应用较为广泛的好氧生物法的处理效果往往受到曝气池中曝气性能高低的制约，曝气性能的主要参数包括曝气设备能耗、充氧能力、氧利用率和污泥悬浮度等。微气泡具有比表面积大、气含率高、上升速度慢和溶解速度快等特点，对强化传质有较好的提升效果，将微气泡应用于曝气池曝气充氧，可以增加其传质速率，提高氧利用率。

目前，污水处理厂应用较多的微气泡曝气技术是微孔曝气管，较常见的有两种：

其一是陶瓷烧结而成的普通曝气管，管壁在烧结过程中会产生很多微孔，能够产生微小的气泡，其缺点是：易堵塞，压降大，材料易损坏，损坏后性能大幅降低，使用寿命短且不易更换。其二是管式膜片微孔曝气管，使用特殊材料制成，膜片上有均匀分布的孔眼，曝气时，受气压作用，孔眼张开，达到曝气扩散的目的，关闭时，膜片本身在弹性作用下闭合孔眼，从而污水不会倒流堵塞孔眼，其缺点是：曝气充氧性能受膜片开孔大小影响，开孔直径过大，曝气性能低；开孔过小，阻力增大，耗增高；并且膜片易老化、脱落、易撕裂，导致充氧能力下降。两种曝气管的维修频率高，维修工作量大，需清空曝气池。

因此，有必要开发一种新型微气泡曝气的装置和方法，来解决上述技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用液力剪切产生微细气泡强化曝气的装置和方法，以解决现有技术中曝气系统易堵塞、易损坏、氧利用率低、充氧效率低、混合效果差等问题和技术缺陷。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用液力剪切产生微细气泡强化曝气的装置，用于生物法处理废水的曝气池中，所述强化曝气的装置包括设置于曝气池底部的曝气芯管和置于所述曝气池外部，与所述曝气芯管通过管道连接的鼓风机和增压泵；其中：

所述曝气芯管包括依次连接于一体的旋流腔段、喉管段和扩散段；所述旋流腔段内部为螺旋形的空腔结构，所述旋流腔段的侧壁设有若干个液体进口，且所述液体进口与所述旋流腔段的侧壁相切，所述旋流腔段的底部设有空气进口，所述旋流腔段的顶部设有气泡出口；所述喉管段为圆筒状结构，与所述气泡出口连接；所述扩散段为直径渐扩的结构；

所述鼓风机的出口通过管道与所述曝气芯管的空气进口连接，且所述鼓风机与空气进口间安装有气体调节阀，用于控制所述曝气芯管的进气流量；所述增压泵的出口通过管道与所述曝气芯管的液体进口连接，且所述增压泵与所述液体进口间安装有液体调节阀，用于控制所述曝气芯管的进液流量。

本发明进一步设置为，根据所述曝气池的水深不同，所述曝气芯管的结构尺寸不同；具体为：

所述曝气池水深为2-4m时，液体进口的直径为5-10mm，空气进口的直径为4-8mm，气泡出口的直径为10-20mm；

所述曝气池水深为4-6m时，液体进口的直径为10-20mm，空气进口的直径为8-15mm，气泡出口的直径为20-30mm；

所述曝气池水深为6-8m时，液体进口的直径为20-30mm，空气进口的直径为18-25mm，气泡出口的直径为30-50mm。

本发明进一步设置为，所述喉管段的直径与所述气泡出口的直径相同，所述喉管段的长度为2-30cm。

本发明进一步设置为，所述扩散段的侧壁所成夹角α为15°-30°。

本发明进一步设置为，所述曝气芯管的旋流腔段的形状为圆柱形、圆台形或椭球形。

本发明进一步设置为，所述曝气芯管的液体进口的数量为1-5个，所述液体进口的高度相同，位于所述旋流腔段高度的2/3至4/5处，且沿着所述旋流腔段的截面等间距分布。

本发明进一步设置为，所述曝气芯管的安装方向为扩散段出口向上，曝气方向为向上曝气或扩散段出口向下，曝气方向为向下曝气。

本发明还提供了利用上述装置的强化曝气的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)污水经增压泵增压，在一定压力下，切向进入所述曝气芯管的旋流腔段，在螺旋形的空腔结构的约束下，沿所述旋流腔段的内壁作高速旋流运动；

(2)空气经鼓风机增压，在一定压力下，从所述曝气芯管的底部进入所述旋流腔段内；

(3)所述旋流腔段内高速旋流运动的污水对空气进行定向动量剪切，产生微细气泡群，所述微细气泡群经所述喉管段和扩散段后扩散至曝气池底部，对曝气池内的污水进行强化曝气。

本发明进一步设置为，所述增压泵的工作压力为0.1-0.4Mpa，液体进口处污水的进口流速为1-3m/s。

本发明进一步设置为，所述鼓风机的工作压力为0.02-0.1Mpa，空气进口处气体的表观气速为0.001-0.01m/s。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种利用液力剪切产生微细气泡强化曝气的装置和方法，利用液力定向动量剪切原理，在旋流腔段产生高速旋流态流体，底部通入空气，旋流流体高速剪切空气产生微细气泡群，并且经扩散段气泡进一步碎化，增加了溶氧速率和氧利用率，提高了曝气池的处理效率，进而减少污水的水力停留时间，从而可以减小曝气池的占地面积、节约维护费用，而且可以根据来流污水污染物浓度的高低，通过调节鼓风机鼓风量严格控制曝气池中溶解氧浓度，使溶解氧浓度控制在最佳工况，不同于传统曝气器，鼓风量的降低并不会减少曝气池内部的湍动效果，依旧保持污泥呈悬浮态。且曝气芯管内部孔道大，结构紧凑强度高，不会出现传统微孔曝气管堵塞、损坏、脱落等问题，使用寿命长，维护费用低，而且压降小，耗电量低。

附图说明

图1为本发明所涉及的强化曝气的装置结构示意图；

图2为本发明所涉及的旋流腔段为圆柱形的曝气芯管结构示意图；

图3为本发明所涉及的旋流腔段为圆台形的曝气芯管结构示意图；

图4为本发明所涉及的旋流腔段为椭球形的曝气芯管结构示意图；

图5为本发明所涉及的包括三个液体进口的曝气芯管的俯视图；

图6为本发明所涉及的实施例3曝气芯管产生微细气泡的尺寸分布图；

图7为本发明所涉及的实施例4强化曝气的装置结构示意图。

具体实施方式

生物法处理废水的曝气池中的溶解氧含量一般控制在2-5mg/L，溶解氧含量过低，微生物活性降低，污染物的去除速率降低；而溶解氧含量过高，会导致活性污泥氧中毒，失去污水中处理污染物的能力，因此曝气池内的溶解氧含量需控制在一定范围内，且随着进水污染物浓度的不同，溶解氧含量也会出现波动。常规的鼓风曝气只能通过减少曝气量或间歇曝气来控制溶解氧浓度，但这样会严重影响污泥的悬浮状态，湍动效果降低，进而减小了微生物、溶解氧和污染物的有效接触概率。

本案发明人利用液相的旋流剪切作用，对鼓风机鼓入的空气进行定向动量剪切，从而产生微细气泡群，且通过外部鼓风机控制进气量的大小。经液力剪切的出口气泡具有较高的湍动程度，故进气量的减少不会影响曝气池内混合液的湍动程度，曝气池内气液固三相的混合效果不受影响。

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。应理解，以下实施例仅用于对本发明作进一步说明，不应理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

图1为本发明的利用液力剪切产生微细气泡强化曝气的装置，用于生物法处理废水的曝气池1中，所述强化曝气的装置包括设置于曝气池1底部的曝气芯管2和与所述曝气芯管2通过管道连接，置于所述曝气池1外部的鼓风机3和增压泵4。

其中，如图2所示，所述曝气芯管2包括依次连接于一体的旋流腔段21、喉管段22和扩散段23；所述旋流腔段21内部为螺旋形的空腔结构，所述旋流腔段21的侧壁设有一个或多个液体进口25，且所述液体进口25的方向与所述旋流腔段21的侧壁相切，所述旋流腔段21的底部设有空气进口24，所述旋流腔段21的顶部设有气泡出口26，这样，污水经所述液体进口25切向进入所述旋流腔段21的螺旋形的空腔结构内做高速旋流运动，空气经所述空气进口24进入所述螺旋形的空腔结构，被旋流态的污水定向动量剪切，产生微细气泡群，从所述气泡出口26排出；所述喉管段22为圆筒状结构，与所述气泡出口26连接，用于稳流所述气泡群；所述扩散段23为直径渐扩的结构，用于在压力差的作用下将气泡进一步碎化和扩散。

所述鼓风机3的出口与所述曝气芯管2的空气进口24通过管道连接，且所述鼓风机3与空气进口24间安装有气体调节阀5，用于控制空气的进气流量；所述增压泵4的出口与所述曝气芯管2的液体进口25通过管道连接，且所述增压泵4与所述液体进口25间安装有液体调节阀6，用于控制进入所述曝气芯管2的液体流量。

所述曝气池1处理的污水一部分水平流入所述曝气池1内，一部分经所述增压泵4进料通过所述曝气芯管2进入所述曝气池1内。

进一步的，所述曝气芯管2的材质为不锈钢。

进一步的，所述液体进口25设置于所述旋流腔段21高度的2/3至4/5处。

进一步的，根据所述曝气池1的水深不同，所述曝气芯管2的结构尺寸不同。所述曝气池1水深为2-4m时，液体进口25的直径为5-10mm，空气进口24的直径为4-8mm，气泡出口26的直径为10-20mm；所述曝气池1水深为4-6m时，液体进口25的直径为10-20mm，空气进口24的直径为8-15mm，气泡出口26的直径为20-30mm；所述曝气池1水深为6-8m时，液体进口25的直径为20-30mm，空气进口24的直径为18-25mm，气泡出口26的直径为30-50mm。

进一步的，所述喉管段22的直径与所述气泡出口26的直径一致，所述喉管段22的长度为2-30cm。

进一步的，为使所述扩散段23起到进一步碎化和扩散的作用，所述扩散段23的侧壁所成夹角α为15°-30°，扩散段23出口的直径为80-100mm。

进一步的，所述曝气芯管2直接通过进气和进液的管道固定于所述曝气池1中，或与所述曝气池1底部固定。

进一步的，如图2-4所示，所述曝气芯管2的旋流腔段21的形状为圆柱形(图2)、圆台形(图3)或椭球形(图4)。

进一步的，如图2和图5所示，所述曝气芯管2的液体进口25为多个的情况下，各液体进口25的高度相同，且沿着所述旋流腔段21的截面等间距分布。优选的，所述液体进口25的数量为1-5个。

进一步的，如图1和图7所示，所述曝气芯管2的安装方向为扩散段23出口向上，曝气方向为向上曝气(图1)或扩散段23出口向下，曝气方向为向下曝气(图7)。

利用所述装置强化曝气的方法，所述方法的步骤如下：

(1)污水经增压泵4增压，在一定压力下，切向进入所述曝气芯管2的旋流腔段21，在螺旋形的空腔结构的约束下，沿所述旋流腔段21的内壁作高速旋流运动，并在其中心位置产生恒负压区；

(2)空气经鼓风机3增压，在一定压力下，从所述曝气芯管2的底部进入所述旋流腔段21内的恒负压区；

(3)所述旋流腔段21内高速旋流运动的污水对空气进行定向动量剪切，产生微细气泡群，所述微细气泡群经所述喉管段22稳流后进入所述扩散段23，进一步碎化扩散至曝气池1底部，对曝气池1内的污水进行强化曝气。

进一步的，为保证所述旋流腔段21内液体的高速旋流状态，所述增压泵4需达到一定的工作压力。同时，为减少能量消耗，在保证所述旋流腔段21内液体的高速旋流状态下，增压泵4的工作压力为0.1-0.4Mpa，液体进口25处污水的进口流速为1-3m/s。

进一步的，由于所述旋流腔段21内旋流流场存在，会产生恒负压区，所述鼓风机3的工作压力大幅降低，进而减小了风机能耗。为保证稳定的进气量，鼓风机3的工作压力为0.02-0.1Mpa，空气进口24处气体的表观气速为0.001-0.01m/s。

进一步的，所述曝气芯管2产生大量的微细气泡群，气泡直径为1-500μm，具有极大的比表面积、氧传质速率和充氧效率。

通过本实施例的装置和方法，可以稳定产生大量微细气泡群，具有较高的充氧能力和氧利用率，缩短污水水力停留时间，进而可以减小曝气池的占地面积及其能耗，而且曝气芯管不同于传统的微孔曝气器，没有微孔道，最小孔道为5-10mm，最大孔道为80-100mm，结构强度大，可以有效的避免污泥沉淀堵塞问题，结构紧凑，不会出现损坏、脱落、使用寿命长。同时，可以在保证曝气池内湍动程度的同时，严格控制进气量的大小，进而保证池中合理的溶解氧浓度。

实施例2

采用实施例1所述的装置和方法利用液力剪切产生微细气泡强化曝气，分别在曝气池水深为2-4m，4-6m和6-8m的不同工况下强化曝气，处理污水。所述曝气芯管包括1个液体进口，且所述曝气芯管的安装方向为扩散段出口向上，曝气方向为向上曝气。针对不同曝气池水深的具体运行数据和达到的效果，如下表所示。

上述操作条件下，曝气的氧利用率在20％-25％范围，在保证曝气池内溶解氧浓度为2-5mg/L的前提下，水力停留时间相比于未采用所述的液力剪切的鼓风曝气装置缩短30％-40％，鼓风机的进气量减少，风机能耗降低25％-40％。

实施例3

采用实施例1所述的装置利用液力剪切产生微细气泡强化曝气，如图5所示，所述曝气芯管的旋流腔段为圆柱形，包括3个液体进口，且沿着所述旋流腔段的截面等间距分布，即相邻的液体进口所成角度为120°，所述液体进口位于所述旋流腔段高度的3/4处。曝气池水深为2-4m，所述液体进口直径为10mm，空气进口直径为8mm，气泡出口直径为15mm，旋流腔段的高度为20cm，喉管段的长度为3cm，扩散段的夹角α为20°。

利用实施例1所述的方法，增压泵以0.1Mpa的工作压力向曝气芯管的3个液体进口提供液体进料，且每个液体进口的流量相同，鼓风机以0.05Mpa的工作压力向空气进口鼓入空气，三股液体进料在旋流腔段汇聚为一股高速旋流液体，定向动量剪切鼓入的空气，产生微细气泡群，经喉管段进入扩散段进一步碎化后以较大的湍动进入曝气池内曝气充氧。所述曝气芯管产生的微细气泡的尺寸分布如图6所示，3个液体进口，增大了液体在旋流腔段内的旋流速度和旋流剪切力，且减少了单一液体进料在旋流腔段内的摩擦阻力，增大了液体动能，微细气泡的尺寸为1-120μm。

本实施例的操作条件下，曝气的氧利用率为20％-25％，水力停留时间缩短至1-3h，处理量增大。与未采用所述的液力剪切的鼓风曝气装置相比，污水处理效率提高30％，鼓风机的进气量减少40％，鼓风机的能耗降低了40％。

实施例4

采用实施例1所述的装置利用液力剪切产生微细气泡强化曝气，如图7所示，所述曝气池水深为5-6m，所述曝气芯管包括1个液体进口，液体进口直径为15mm，空气进口直径为10mm，气泡出口直径为25mm，喉管段长度为10cm，扩散段的夹角α为25°。所述曝气芯管的安装方向为扩散段出口向下，曝气方向为向下曝气，扩散段出口与曝气池底部的距离为30-50cm，曝气芯管间的间隔距离为2m。

利用实施例1所述的方法，增压泵以0.15-0.2Mpa的工作压力向曝气芯管的液体进口通入液体进料，鼓风机以0.05-0.1Mpa的工作压力向空气进口鼓入空气，液体进料在旋流腔段内作高速旋流运动，定向动量剪切鼓入的空气，产生微细气泡群，经喉管段进入扩散段进一步碎化后以较大的湍动扩散至曝气池底部，进行曝气充氧。

本实施例采用曝气芯管朝下安装，首先，可以消除活性污泥沉淀导致曝气装置堵塞问题；其次，微细气泡群向下喷出到达池底后再上浮，可以有效增加微细气泡的停留时间，增加氧利用率，提高氧传质效率，且微细气泡向下喷出，可以使气泡在池底均匀分布，使溶解氧区域浓度差在曝气池内减小，充分利用曝气池内活性微生物，增加污水处理速率；最后，微细气泡群向下喷出，可以增大池底的湍动效果，防止污泥沉淀，保证微生物悬浮，增加污染物、溶解氧、微生物的有效接触概率，缩短处理时间。

本实施例的操作条件下，曝气的氧利用率为20％-22％，水力停留时间缩短至1.5-2h。与未采用所述的液力剪切的鼓风曝气装置相比，污水处理效率提高，污水日处理量增加30％，原有鼓风曝气的曝气装置的进气量为2000m³/h，本实施例鼓风机的进气量为1000m³/h，鼓风机的能耗降低了50％。

Claims

1.一种利用液力剪切产生微细气泡强化曝气的装置，用于生物法处理废水的曝气池中，其特征在于，所述强化曝气的装置包括设置于曝气池底部的曝气芯管和置于所述曝气池外部，与所述曝气芯管通过管道连接的鼓风机和增压泵；其中：

所述曝气芯管包括依次连接于一体的旋流腔段、喉管段和扩散段；所述旋流腔段内部为螺旋形的空腔结构，所述旋流腔段的侧壁设有一个或多个液体进口，且所述液体进口与所述旋流腔段的侧壁相切，所述旋流腔段的底部设有空气进口，所述旋流腔段的顶部设有气泡出口；所述喉管段为圆筒状结构，与所述气泡出口连接；所述扩散段为直径渐扩的结构，所述扩散段的侧壁所成夹角α为15°-30°；

所述鼓风机的出口通过管道与所述曝气芯管的空气进口连接，且所述鼓风机与空气进口间安装有气体调节阀，用于控制所述曝气芯管的进气流量，所述鼓风机的工作压力为0.02-0.1Mpa，空气进口处气体的表观气速为0.001-0.01m/s；所述增压泵的出口通过管道与所述曝气芯管的液体进口连接，且所述增压泵与所述液体进口间安装有液体调节阀，用于控制所述曝气芯管的进液流量。

2.根据权利要求1所述的强化曝气的装置，其特征在于，根据所述曝气池的水深不同，所述曝气芯管的结构尺寸不同，具体为：

3.根据权利要求1所述的强化曝气的装置，其特征在于，所述喉管段的直径与所述气泡出口的直径相同，所述喉管段的长度为2-30cm。

4.根据权利要求1所述的强化曝气的装置，其特征在于，所述曝气芯管的旋流腔段的形状为圆柱形、圆台形或椭球形。

5.根据权利要求1所述的强化曝气的装置，其特征在于，所述曝气芯管的液体进口的数量为1-5个，所述液体进口的高度相同，位于所述旋流腔段高度的2/3至4/5处，且沿着所述旋流腔段的截面等间距分布。

6.根据权利要求1所述的强化曝气的装置，其特征在于，所述曝气芯管的安装方向为扩散段出口向上，曝气方向为向上曝气或扩散段出口向下，曝气方向为向下曝气。

7.一种利用液力剪切产生微细气泡强化曝气的方法，利用权利要求1-6中任一项所述的装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的强化曝气的方法，其特征在于，所述增压泵的工作压力为0.1-0.4Mpa，液体进口处污水的进口流速为1-3m/s。

9.根据权利要求7所述的强化曝气的方法，其特征在于，所述鼓风机的工作压力为0.02-0.1Mpa，空气进口处气体的表观气速为0.001-0.01m/s。