CN117417024A - 用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，包括转子、定子、刀具和垫片。转子包括前盖板、后盖板和叶片，前盖板局部内表面具有第一环形凸起，第一环形凸起上沿其周向交替布置若干沟槽和盲孔；后盖板在与第一环形凸起相对的位置被切割，并在该位置连接定子，定子内表面具有和第一环形凸起相对的第二环形凸起；叶片位于环形凸起的下游；垫片位于转子后盖板与定子之间；刀具位于环形凸起的上游，固定在后盖板中心，工作时随转子一起转动。本发明可以有效避免畜禽养殖污水中的悬浮物造成的堵塞问题，并在多类型组合式空化的作用下有效降解污水中的有机物，能够促进畜禽养殖污水的无害化处理。
Description
技术领域
本发明涉及有机污水处理领域，特别涉及一种用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器。
背景技术
我国是世界畜禽养殖第一大国，养殖总产量逐年增加，畜禽污水排放量巨大。2020年公布的《全国第二次污染源普查公报》显示，在农业源氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)和化学需氧量(COD)的排放总量中，畜禽养殖业的排放量占比分别达到51％、56％、94％，占据农业源的一大半。畜禽养殖污水中含有大量抗生素、致病菌、寄生虫、激素、重金属以及大分子有机物等，不及时处理会严重影响水体、土壤和大气。目前常用的畜禽养殖污水处理方式有物理法、化学法和生物法，经验表明，这些方法往往处理效率低、效果差、易造成二次污染，因此相关工作者开始探索新型的、环境友好型污水处理方式，水力空化技术利用空泡溃灭伴随的强烈机械效应、热效应和化学效应降解污水中的污染物，不具有任何污染，是一种极具潜力的污水处理方式。
空化发生器是用于产生空化的装置，其在畜禽养殖污水处理领域已经逐步得到应用。孔板和文丘里管因其简单的结构、较强的空化强度而最早应用于畜禽养殖污水处理中，然而其压力损失大、能耗高、易堵塞等问题也十分突出，这些缺点导致孔板和文丘里管类空化发生器难以大规模应用于畜禽养殖污水处理中。新兴的旋转类空化器从一定程度上解决了孔板和文丘里管的缺点，促进了畜禽养殖污水的绿色处理。
申请号为202310556856.6的中国发明专利公开了一种离心式空化发生器，其在叶轮外侧设置了带有通孔单元的空心箱体，流体通过通孔单元时产生空化，然而当污水中含有悬浮物时，容易造成通孔单元堵塞，空化被限制，与此同时，由于其叶轮置于通孔单元上游，因而通孔单元下游压力回升较慢，不仅会导致空泡溃灭强度低，还会造成空化器的输送污水能力较差，不得不配备其他动力设备进行流体输送，因而需要进行改进。
发明内容
针对上述存在的缺陷，本发明提供了一种用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，其不仅可以有效减少堵塞，同时还能产生多类型组合式空化，促进有机物的有效降解，除此之外，该空化发生器还兼具水泵的功能，能够在输送污水的同时处理污水，促进了水力空化技术在畜禽污水处理领域的应用。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，包括转子、定子、刀具和垫片，所述转子包括前盖板、后盖板和叶片，所述前盖板和所述后盖板并列连接，所述后盖板上设有环形通孔，所述定子连接在所述环形通孔内，所述转子上设有凸起组件，所述凸起组件包括设于所述前盖板的内表面的第一环形凸起，和设于所述定子的内表面的第二环形凸起，所述第一环形凸起和所述第二环形凸起相对设置，在所述第一环形凸起上且沿其周向交替设置若干第一沟槽和若干第一盲孔，所述叶片位于所述凸起组件的下游，所述刀具位于所述凸起组件的上游，所述刀具随转子一起转动，所述垫片位于所述后盖板与所述定之间，用于调节所述第一环形凸起和所述第二环形凸起之间的间隙。
进一步的，所述凸起组件的中心线与所述转子的旋转轴重合，且所述凸起组件的前缘表面和后缘表面均为圆柱面，所述凸起组件的内表面垂直于所述转子的旋转轴。
进一步的，所述凸起组件位于δ＝D1/Dout＝0.45～0.85处，其中，D1为所述凸起组件的前缘表面的直径，单位为mm，Dout为所述转子的外径，单位为mm；
所述凸起组件沿径向的长度L＝0.2～0.5(Dout-Din)，其中，Din为所述转子的进口直径，单位为mm。
进一步的，所述叶片紧邻所述凸起组件起后缘，所述叶片为弯曲型，所述叶片的包角θ1＝45～90°，所述叶片的数目z1＝5～7。
进一步的，所述第一沟槽和所述第一盲孔的中心线均垂直于所述凸起组件表面，所述第一沟槽和所述第一盲孔的数目均为n1＝1～3z1，其中，z1为所述叶片的数目。
进一步的，所述第一沟槽贯通所述第一环形凸起，所述第一沟槽的扩散角α＝20°～60°，所述第一沟槽的有效深度Hg＝0.4b～0.6b，其中，b为所述转子的出口宽度，单位为mm；
所述第一盲孔的扩散角为β＝20°～60°，所述第一盲孔的形状包括圆柱形、半球形、长方体形和圆锥形，所述第一盲孔的特征宽度Db＝0.5L～0.8L，单位为mm，所述第一盲孔的特征深度Hb＝0.5Db～1.5Db，单位为mm。
进一步的，所述定子上设有第二沟槽和第二盲孔，所述第二沟槽、所述第二盲孔与所述第一沟槽、所述第一盲孔的数目分别相等，形状分别相同，排布完全一致；
所述定子的外径D2≥1.1(D1+2L)，单位为mm，所述定子外缘通过螺钉固定连接在蜗壳内壁，空化发生器工作时，所述定子固定不动。
进一步的，所述垫片分为两部分，一部分位于定子的环形凸起前缘，另一部分位于定子环形凸起后缘，两处垫片数量均为n2。
进一步的，所述转子与所述定子之间设置有间隙，间隙的宽度W通过所述垫片进行调节，且满足表达式：
式中，W为间隙的宽度，单位为mm，Q为流量，单位为m3/s，P1为空化发生器进口压力，单位为Pa，Pv为污水的饱和蒸汽压力，单位为Pa，ρ为污水密度，单位为kg/m3，k为损失系数，与空化器结构相关，取值范围为0.2～0.35。
进一步的，所述刀具包括刀片，所述刀片与所述第一环形凸起的内表面沿轴向的距离S＝3～5W，单位为mm，所述刀片的外径D3＝0.75～0.9D1，单位为mm，所述刀片为弯曲型，所述刀片的包角θ2＝45～90°，所述刀片的数目z2＝2～4。
借由以上的技术方案，本发明的有益效果如下：
1、本发明所述的用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，在空化发生前对污水中的悬浮物进行了切割粉碎，既能减少污水中悬浮物造成的堵塞，也能减小污水中有机物分子量，便于后续的空化降解；
2、本发明所述的用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，污水通过环形凸起之间的间隙时，在转子和定子的相互作用下可以产生多种类型空化，部分空泡在间隙附近溃灭，释放能量，大部分空泡在环形凸起下游集中溃灭，释放更多能量，污水每经过空化器一次被多次降解，提高了污水的处理效率；
3、本发明所述的用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，在空化产生区域的下游布置了叶片，能够使污水压力快速回升，一方面促进了空泡的高强度溃灭，另一方面也保证了污水能够被输送至远处，减少了其他动力设备的使用；
4、本发明所述的用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，充分考虑实际应用场景，不需要频繁调节转速和压力便能实现空化，此外可以通过调整垫片的数量控制间隙的宽度，从而改变空化强度，以满足不同浓度污水的处理需求，适应性强。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的组合式空化发生器的三维结构示意图；
图2为本发明所述的组合式空化发生器的转子的三维结构示意图；
图3为本发明所述的组合式空化发生器的转子沿径向的剖面图；
图4为本发明所述的组合式空化发生器的转子沿轴向的剖面图；
图5为本发明所述的组合式空化发生器的定子三维结构示意图；
图6为本发明所述的组合式空化发生器的定子剖面图；
图7为本发明所述的组合式空化发生器的刀具三维结构示意图；
图8为本发明所述的组合式空化发生器的刀具平面图；
图9为本发明所述的组合式空化发生器的剖面图。
以上附图的附图标记：1、转子；2、定子；3、刀具；4、垫片；11、前盖板；12、后盖板；13、叶片；14、第一沟槽；15、第一盲孔；21、第二沟槽；22、第二盲孔；31、刀片。
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。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例：结合图1-9所示，本实施例中公开了一种用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，包括转子1、定子2、刀具3和垫片4，所述转子包括前盖板11、后盖板12和叶片13，所述前盖板11和后盖板12并列连接，所述前盖板11的局部内表面具有第一环形凸起，在第一环形凸起上且沿其周向均匀交替布置若干沟槽14和盲孔15；所述后盖板12在与前盖板11的第一环形凸起相对的位置被切割，并在该位置连接所述定子2，所述定子2的局部内表面具有和第一环形凸起结构相似的第二环形凸起；所述叶片13位于环形凸起的下游；所述垫片4位于后盖板12与定子2之间，用以调节转子1和定子2的环形凸起之间的间隙。
其中，所述垫片4分为两部分，一部分位于定子2的环形凸起前缘，另一部分位于定子2环形凸起后缘，两处垫片数量均为8。所述刀具3位于环形凸起的上游，固定在后盖板12中心，工作时随转子1一起转动。
如图2至图6所示，环形凸起的中心线与转子1的旋转轴重合，且环形凸起的前缘表面和后缘表面均为圆柱面，环形凸起内表面垂直于转子1的旋转轴，环形凸起位于δ＝D1/Dout＝0.55处，其中，D1为环形凸起前缘表面的直径，单位为mm，Dout为转子1的外径，单位为mm。环形凸起沿径向的长度不宜过长，否则容易导致下游叶片13长度太短，既影响空泡的有效溃灭，也影响空化器输送污水的能力，环形凸起的有效长度L由转子1的流道尺寸决定，有效长度L＝0.2(Dout-Din)＝20mm，其中，Din为转子1的进口直径，单位为mm。
所述叶片13紧邻环形凸起后缘，叶片13形状为弯曲型，包角θ1＝50°，以较大程度为空化流提供压力能，促进空泡溃灭和污水输运，叶片13数目z1＝6。
所述沟槽14和盲孔15的中心线均垂直于环形凸起表面，且两者数目相等，均为n1＝z1＝6，其中，z1为叶片13的数目；所述沟槽14贯通环形凸起，其扩散角α＝20°，有效深度Hg＝0.5b＝3mm，其中，b为转子1的出口宽度，单位为mm；所述盲孔15所在的环形凸起区域的扩散角为β＝40°，盲孔15的形状为圆柱形，盲孔15的特征宽度Db＝0.8L＝16mm，盲孔15的特征深度Hb＝0.8Db＝12.8mm；所述定子2上的环形凸起位置和转子1上的环形凸起位置相同，定子2上设有第二沟槽21和第二盲孔22，所述第二沟槽21、第二盲孔22与转子1上的第一沟槽11、第一盲孔12数目分别相等，形状分别相同，排布完全一致。
所述定子2的外径D2＝160mm，定子2外缘通过螺钉固定连接在蜗壳内壁，空化发生器工作时，定子2固定不动。所述转子1与定子2之间开设有间隙，间隙的宽度W通过垫片进行调节，且满足表达式：
式中，W为间隙的宽度，为3mm，Q为流量，单位为m3/s，P1为空化发生器进口压力，单位为Pa，Pv为污水的饱和蒸汽压力，单位为Pa，ρ为污水密度，单位为kg/m3，k为损失系数，与空化器结构相关，取值为0.2。
如图7、图8所示，所述刀具3上刀片31的数目z2＝3，刀具3具有较少数量的刀片31，以避免悬浮物缠绕在刀片31上，刀片31与第一环形凸起内表面距离S＝3W＝9mm，刀片31的外径D3＝0.85D1＝85mm，形状为弯曲型，刀片31的包角θ2＝45°。
工作原理：
畜禽养殖污水中存在大量毛发、纤维等悬浮物，容易堵塞空化器，因而在本发明中，采用刀具对污水进行预处理，使悬浮物分子量减小，减少了空化器的堵塞几率。预处理后的污水通过转子和定子环形凸起之间的间隙时，流速激增，压力减小，在环形凸起前缘、沟槽水流迎面侧产生剪切空化，在环形凸起后缘、沟槽水流背面侧产生分离空化，在盲孔内形成稳定漩涡，产生漩涡空化。间隙内存在局部高压区，空泡在这些区域溃灭，释放能量，实现对来流污水的第一次处理，由于间隙内整体压力较低，因而空泡在该区域溃灭程度较低，释放的能量较少，对污水中污染物去除效果较差；然而在叶片的作用下，环形凸起下游压力恢复较快，存在大面积高压区域，空泡在这些区域溃灭程度高，释放大量能量，实现对污水的第二次处理，与此同时，叶片的增压作用得以让污水输送至远处。本发明利用多类型空化的组合作用，在空化器的多个区域实现对污水中污染物的降解，提高了污水处理效率。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，其特征在于，包括转子(1)、定子(2)、刀具(3)和垫片(4)，所述转子(1)包括前盖板(11)、后盖板(12)和叶片(13)，所述前盖板(11)和所述后盖板(12)并列连接，所述后盖板(12)上设有环形通孔，所述定子(2)连接在所述环形通孔内，所述转子(1)上设有凸起组件，所述凸起组件包括设于所述前盖板(11)的内表面的第一环形凸起，和设于所述定子(2)的内表面的第二环形凸起，所述第一环形凸起和所述第二环形凸起相对设置，在所述第一环形凸起上且沿其周向交替设置若干第一沟槽(14)和若干第一盲孔(15)，所述叶片(13)位于所述凸起组件的下游，所述刀具(3)位于所述凸起组件的上游，所述刀具(3)随转子(1)一起转动，所述垫片(4)位于所述后盖板(12)与所述定子(2)之间，用于调节所述第一环形凸起和所述第二环形凸起之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，其特征在于，所述凸起组件的中心线与所述转子(1)的旋转轴重合，且所述凸起组件的前缘表面和后缘表面均为圆柱面，所述凸起组件的内表面垂直于所述转子(1)的旋转轴。
3.根据权利要求1所述的用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，其特征在于，所述凸起组件位于δ＝D1/Dout＝0.45～0.85处，其中，D1为所述凸起组件的前缘表面的直径，单位为mm，Dout为所述转子(1)的外径，单位为mm；
所述凸起组件沿径向的长度L＝0.2～0.5(Dout-Din)，其中，Din为所述转子(1)的进口直径，单位为mm。
4.根据权利要求1所述的用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，其特征在于，所述叶片(13)紧邻所述凸起组件起后缘，所述叶片(13)为弯曲型，所述叶片(13)的包角θ1＝45～90°，所述叶片(13)的数目z1＝5～7。
5.根据权利要求4所述的用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，其特征在于，所述第一沟槽(14)和所述第一盲孔(15)的中心线均垂直于所述凸起组件表面，所述第一沟槽(14)和所述第一盲孔(15)的数目均为n1＝1～3z1，其中，z1为所述叶片(13)的数目。
6.根据权利要求1所述的用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，其特征在于，所述第一沟槽(14)贯通所述第一环形凸起，所述第一沟槽(14)的扩散角α＝20°～60°，所述第一沟槽(14)的有效深度Hg＝0.4b～0.6b，其中，b为所述转子(1)的出口宽度，单位为mm；
所述第一盲孔(15)的扩散角为β＝20°～60°，所述第一盲孔(15)的形状包括圆柱形、半球形、长方体形和圆锥形，所述第一盲孔(15)的特征宽度Db＝0.5L～0.8L，单位为mm，所述第一盲孔(15)的特征深度Hb＝0.5Db～1.5Db，单位为mm。
7.根据权利要求3所述的用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，其特征在于，所述定子(2)上设有第二沟槽(21)和第二盲孔(22)，所述第二沟槽(21)、所述第二盲孔(22)与所述第一沟槽(11)、所述第一盲孔(12)的数目分别相等，形状分别相同，排布完全一致；
所述定子(2)的外径D2≥1.1(D1+2L)，单位为mm，所述定子(2)外缘通过螺钉固定连接在蜗壳内壁上，空化发生器工作时，所述定子(2)固定不动。
8.根据权利要求1所述的用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，其特征在于，所述垫片(4)分为两部分，一部分位于定子(2)的环形凸起前缘，另一部分位于定子(2)环形凸起后缘，两处垫片数量均为n2。
9.根据权利要求3所述的用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，其特征在于，所述转子(1)与所述定子(2)之间设置有间隙，间隙的宽度W通过所述垫片(4)进行调节，且满足表达式：
式中，W为间隙的宽度，单位为mm，Q为流量，单位为m3/s，P1为空化发生器进口压力，单位为Pa，Pv为污水的饱和蒸汽压力，单位为Pa，ρ为污水密度，单位为kg/m3，k为损失系数，与空化器结构相关，取值范围为0.2～0.35。
10.根据权利要求3所述的用于畜禽养殖污水处理的组合式空化发生器，其特征在于，所述刀具(3)包括刀片(31)，所述刀片(31)与所述第一环形凸起的内表面沿轴向的距离S＝3～5W，单位为mm，所述刀片(31)的外径D3＝0.75～0.9D1，单位为mm，所述刀片(31)为弯曲型，所述刀片(31)的包角θ2＝45～90°，所述刀片(31)的数目z2＝2～4。
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