WO2014169622A1 - 一种低功耗高效的水体曝气增氧装置 - Google Patents

一种低功耗高效的水体曝气增氧装置 Download PDF

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WO2014169622A1
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郏松筠
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Jia Songyun
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    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F7/00—Aeration of stretches of water
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01K—ANIMAL HUSBANDRY; AVICULTURE; APICULTURE; PISCICULTURE; FISHING; REARING OR BREEDING ANIMALS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NEW BREEDS OF ANIMALS
    • A01K63/00—Receptacles for live fish, e.g. aquaria; Terraria
    • A01K63/04—Arrangements for treating water specially adapted to receptacles for live fish
    • A01K63/042—Introducing gases into the water, e.g. aerators, air pumps
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the utility model relates to a water aeration aeration device, in particular to a high-efficiency and low-consumption water aeration aeration device.
  • the main application areas are: aeration of water in various sewage and wastewater treatment processes; aeration of water in aquaculture of freshwater and seawater; aeration and reoxygenation of rivers, ponds and lakes; aeration in tap water treatment; Iron, manganese removal, aeration, aeration; aquarium, aquarium, water tank oxygenation.
  • One of the most fundamentally effective and indispensable means of treatment is to increase oxygen in the water through an aerator, increase the dissolved oxygen in the water, reduce C0D, SOD, and also survive the breeding of aerobic microorganisms, floating animals and plants and even aquatic animals and plants. Provide necessary and good conditions to restore the self-purification and ecological functions of water bodies and improve water quality.
  • Many engineering cases have proved that aeration and oxygenation alone or in combination with other measures, such as aeration and oxygenation combined with biofilm technology, can effectively eliminate black body odor, prevent algae outbreaks, increase the yield of aquatic animals and plants, and pollute water bodies. Resource recycling.
  • the high energy consumption and operating cost of the existing aerators limit the application and popularization of the water aeration and aeration process in this field.
  • the flow velocity of the water flow channel at a cross-sectional area of PB is generally 0.2 m/sec to 1 m/sec
  • the flow velocity of the small cross-sectional area PA is generally 2 m/sec to 8 m/ 2 ⁇
  • the hydrostatic pressure (2 ⁇ 32 KPa) is equivalent to about 0. 2 ⁇ 3. 2 meters water depth.
  • the hydrostatic pressure (lO KPa) of water depth of about 1 m is reduced, such as installing the aerator at a water depth of less than 1 m, excluding gas transmission.
  • the external power unit is an aeration device composed of a blower, a gas pipe, and an aerator.
  • the external power unit is a propeller or a water pump.
  • the aerator is directly connected to the atmosphere in the water surface through the gas pipe and the inlet hood, and performs negative pressure reactive aeration under the action of atmospheric pressure.
  • the aerator is provided with pressurized air by a blower for active aeration.
  • the water guiding device can be rotated circumferentially, and the water guiding groove on the water guiding water has a circumferential reverse thrust to the water guiding device, and the water guiding device and the water guiding device are rotated 360 degrees to drive the oxygenation.
  • the water periodically flows in all directions to the water surface.
  • the water outlet of the barrel is lower than the outer water surface.
  • aeration aerators can reduce the aeration pressure by more than 2/3, can reduce the energy consumption by multiple times, or double the oxygen increase under the same energy consumption; at the same time, the water depth is shallow
  • the aeration aerator of the present invention can be aerated than other types of aeration.
  • the machine will increase the oxygen-enhancing effect and the oxygen-kinetic coefficient by several times to ten times, and the corresponding energy consumption will be reduced to one-tenth to one-tenth of that of other types of aeration aerators.
  • the equipment investment cost is low, because the oxygen dynamic coefficient is increased several times and the same oxygen increase is achieved. Compared with other types of aerators, only a fraction of a power or less is needed, and the blower is greatly reduced. Power and investment costs.
  • low-pressure fans can be used, due to the reduction of aeration pressure, conventional low-power low-pressure air blowing equipment can be used, avoiding the need to use expensive high-pressure fans such as Roots blowers and air compressors. 4.
  • aerator which realizes the advantages of large area and upper and lower water body circulation, and other types of aerators do not have this function, especially It is suitable for the application of aerobics in aquaculture and small oxygen demand in the re-oxygenation of rivers and lakes. It can also enhance photosynthesis, improve the long-term anoxic condition of the bottom of the water, increase the production of plankton in the water, and make it in the water.
  • the organic pollutants are converted into a nutrient source for aquatic plants. 5 It is convenient to install and maintain. It can not lay a large number of gas pipelines under the water.
  • Figure 4 is a schematic view of the structure of the aerator.
  • Figure 5 is a cross-sectional view taken along line A-A of Figure 4.
  • Reactive aerator 2 active aerator 3, upper barrel 4, lower barrel 5, intake hood 6, gas pipe 7, buoyancy member 8, fixed rod 9, blower 10, propeller 11 , cofferdam 12, barrel wall 13. aeration water flow channel 14. aeration surface.
  • the aeration surface 14 of each aerator and the barrel wall 12 together form an aerated water flow channel 13 having a cross-sectional area Pi, PB > Pi, and the minimum value in each Pi is referred to as a small cross-sectional area PA, PB ⁇ PA, and PB / PA is greater than 3;
  • the aeration surface 14 of the aerator is parallel to the main flow direction of the water body;
  • the external power unit is the active exposure composed of the blower 9, the gas pipe 6, and the active aerator 2 Gas device.
  • a water flow with a velocity of 0.2 to 1 m/sec is formed in the water flow passage of the large cross-sectional area PB, and the ratio of the cross-sectional area of the design to the PB/PA is adjusted to make the flow
  • the flow rate of the aerated water flow channel with a small cross-sectional area PA reaches the desired design value. For example, if the flow rate of the aeration flow passage through the cross-sectional area PA is 4.5 m / s, the hydrostatic pressure (10 KPa) of the aeration pressure is reduced by about 1 m.
  • the hydrostatic pressure at the installation position of an aerator in the external power unit must be smaller than the air pressure generated by the blower.
  • the hydrostatic pressure at the installation position of the aerator is generally required to be +2KPa ⁇ maximum generated by the blower. Wind pressure.
  • the kinetic energy of the water flow at a cross-sectional area PB of 0.2 to 1 m/sec is derived from the work of the active aeration device, and the power consumption of the power device to the unit water body is much smaller than that in the cross-sectional area of PA.
  • the kinetic energy increase value or pressure decrease value at the aeration water flow channel so the influence of W on the conversion of kinetic energy and pressure can be ignored.
  • the entire aeration aeration system can have only one aerator, that is, only one aerator in the external power unit, the aerator is connected to the blower 9 by the gas pipe 6, and after the aerator starts aeration
  • the aeration pressure at the small cross-sectional area PA is gradually reduced until it stabilizes at a certain minimum value, and the aeration amount is gradually increased until it is stabilized at a certain maximum value, oxygenation amount and oxygen power.
  • the coefficient increases at the same time.
  • a negative pressure reactive aerator 1 can also be installed, and the reactive aerator 1 is connected to the intake cover 5 via the gas pipe 6, the reactive aerator 1 Generally installed above the active aerator 2, the kinetic energy value at the location PA > hydrostatic pressure + 2KPa.
  • the flow rate in the channel is gradually increased until it is stable, the aeration surface pressure is reduced, the aeration volume of the active aerator is increased, and the reactive aerator also generates a large amount of aeration.
  • shallow aeration During the formation and rupture of bubbles, the oxygen transfer rate to the water is the highest, and the large number of bubbles provided by the reactive aerator will greatly increase the amount of oxygen.
  • the active aerator 2 in the external power unit of the whole aeration and aeration system in addition to a active aerator installed in a shallow water position where the hydrostatic pressure is lower than the wind pressure generated by the blower, can also be greater than the blower at a hydrostatic pressure
  • An additional active aerator is installed at the deep water location of the generated wind pressure.
  • the active aerator in the deep water position cannot be aerated because the water pressure is higher than the air pressure generated by the blower; as the flow rate in the channel gradually increases until it stabilizes, the aeration surface pressure decreases, and the active aeration in the shallow water position
  • the aeration amount of the device is increased, and the water pressure of the aeration surface on the active aerator in the deep water position is smaller than the air pressure generated by the blower, and the aerator is also aerated.
  • the aeration pressure of the active aerator in this embodiment is much lower than the water pressure of the outer water body of the same depth, and is generally less than 1/3 of the hydrostatic pressure of the same depth, so the power consumption is greatly reduced, and the active exposure is described.
  • the gas generator itself has aeration and aeration function.
  • the number of aerators installed can be determined according to the specific conditions.
  • the aerator can be one or more, but at least one aerator must be supplied with pressure air by the blower.
  • Aeration, as an external power source, other aerators can be supplied with pressure air by a blower for low-power and high-efficiency active aeration, or negative pressure and no-power aeration.
  • Embodiment 2 As shown in FIG. 2, the barrel or tube 3 is positioned by the buoyancy member 7 and the fixed rod 8.
  • a cofferdam 11 separates two water bodies having different water levels, and the external power source of the water flow is the second The water level difference (water head) of a water body; a barrel (pipe) inlet and outlet are respectively in a high water level and a low water level, wherein the water inlet is on the high water side, the water outlet is on the low water side, and the water outlet is lower.
  • the water level of the low water level is not more than 15 cm from the water surface of the low water level; more than one aerator is installed in the barrel, and the aerator and the inner wall of the barrel together form an aeration water flow channel with a small cross-sectional area of PA.
  • the inner wall of the barrel at the absence of the aerator is surrounded by a water flow passage having a large cross-sectional area, and the average value of the cross-sectional area is called a large cross-sectional area PB, PB>>PA, and PB/PA is greater than 3;
  • the aeration surface is parallel to the main flow direction of the water body; the aerator is generally a reactive aerator 1 and the installation depth is less than 1 meter; in the case where the water head is particularly small and the demand for oxygen is large, the aerator can also be used. Active aerator.
  • the ratio of the area of the large cross-sectional area PB to the area of the small cross-sectional area PA is 5, the flow velocity at a small cross-sectional area PA is 5 m / s, correspondingly reduce the water pressure (12 KPa) of about 1.2 m water depth, and install the aerator at a water depth of less than 1.0 m, then reactive re-aeration can be performed
  • the aerator can also perform low-power active aeration at a depth of more than 1 meter and less than 1.5 meters.
  • Embodiment 3 As shown in FIG. 3, the barrel 3 is vertically disposed in the water and positioned by the buoyancy device 7 and the fixed rod 8, one or more aerators are installed in the barrel 3, and the lower end of the barrel is provided with a water inlet
  • the water outlet is at the upper end of the barrel and lower than the outer water surface, and the distance between the water outlet and the outer water surface is not more than 15 cm
  • a propeller 10 with a low rotation speed and a large flow rate is installed at a certain position of the barrel body, and the propeller 10 can be driven by a motor, It can be driven by a windmill to form an upward flow of water at a flow rate of 0.2 m/s to 1 m/s without a large cross-sectional area of the aerator having a PB in the barrel; a small cross section at the installation of the aerator
  • the flow rate at the area PA is 2 m / s ⁇ 6 m / s, correspondingly reduce the hydrostatic pressure
  • the program is most suitable for use in large reservoirs and deep-water lakes that need to break up and down the water in the summer. It can achieve the upper and lower water circulation and oxygenation. Wind farm conditions are generally better on offshore, open and offshore waters, and it is efficient and appropriate to use windmills to provide power.
  • no water guiding device is provided in the case of high load and high oxygen demand; and a water guiding device may be provided in the case of low oxygen demand in large waters.

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Abstract

一种水体曝气增氧装置，包括曝气器（1、2）、输气管（6）、固定杆（8）和浮力部件（7），其中有不少于1个的曝气器（1、2）安装在桶体（4、5）内，桶体（4、5）由固定杆（8）、浮力部件（7）固定于水体中；桶体（4、5）内部构成从进水口到出水口的曝气水流通道（13），进水口、出水口分别与外水体相连通；曝气器（1、2）与桶体壁（12）共同构成横截面积为PA的曝气水流通道（13），无曝气器（1、2）处的桶体壁（12）围成平均横截面积为PB的水流通道，PB/PA＞3；曝气器（1、2）的曝气面（14）与水体的主流动方向平行，有动力装置驱动水体在曝气水流通道（13）内流动。该曝气增氧装置能显著降低曝气压力和曝气功耗。

Description

说明书
一种低功耗高效的水体曝气增氧装置
技术领域
本实用新型涉及一种水体曝气增氧装置，尤其是一种高效低耗的 水体曝气增氧装置。主要应用范围为： 各种污水废水处理过程中的水 体增氧； 淡水、 海水的水产养殖的水体增氧； 河道、 池塘、 湖泊水体 的增氧复氧； 自来水处理过程中的增氧； 水体除铁、 除锰曝气增氧； 鱼缸、 水族箱、 水箱的增氧。
背境技术
污水处理厂的各种污水废水处理过程中，水体增氧都是必需的环 节， 而且增氧所需的能耗占总能耗的 60%以上， 占总运行成本约 40%。 到 2015年， 全中国每天污水处理量将达到约 2亿吨， 每天的增氧电 耗达到 5千万 -1亿千瓦小时 （度）， 因此高效低耗的曝气增氧技术、 设备有其重大的经济价值和社会效益。
中国是世界上最大的水产养殖国家， 水产养殖产量占全世界的 70%, 淡海水水产养殖面积约 1亿亩， 增氧机是各种水产养殖的最重 要的必备设备：它能使空气中的氧气溶入水体，增加水体中的溶氧量， 提高水产养殖密度， 避免因水体缺氧造成养殖的水产品生病、 死亡， 减少水体污染。 较高合理的水体溶氧量能加快水产品的生长速度，缩 短生产周期， 减少饵料和药物的用量， 减少养殖废水的排放， 提高水 产品的产量、 品质， 从多方面综合提高水产养殖效益。
国内 60%以上的河道、 湖泊有不同程度的污染， 工农业废水、 生 活废水的大量排放，使水体的化学需氧量（C0D)、生化需氧量（B0D)、 氮、 磷含量大大超标， 蓝藻频繁大规模暴发， 水体严重缺氧， 有机物 不能及时进行有氧分解， 厌氧菌大量繁殖， 造成水体发黑、 发臭，水 生动植物无法生存， 水体丧失自我恢复的生态功能。其治理的最根本 有效和必不可少手段之一就是通过增氧机向水中增氧，增加水体溶氧 量， 降低 C0D、 SOD , 也为好氧微生物、 浮游动植物乃至水生动植物 的生存繁殖提供必要和良好的条件， 恢复水体的自净能力和生态功 能， 改善水质。不少工程案例已证明， 曝气增氧单独进行或结合其他 措施， 如曝气增氧结合生物膜技术， 能有效消除水体黑臭、 防止藻类 暴发， 提高水生动植物的产量， 将水体中污染物资源化。但现有增氧 机较高的能耗和运行成本，限制了水体曝气增氧工艺在该领域的应用 和普及。
自来水加工处理过程中， 尤其是其中的除铁、 除锰工序， 必须用 到曝气增氧设备。
小型曝气增氧泵是观赏鱼饲养、鲜活水产品在运输销售和饭店酒 楼保活保鲜等场合所必需的， 该类增氧泵特点是数量非常巨大、功率 较小， 氧动力系数很低。
现有水体增氧设备大致分为水面机械增氧和水下曝气增氧二类。 水面机械增氧的有叶轮式、 水车式、 喷泉式、 转碟转刷式、 跌水式； 水下增氧的有微孔曝气式和射流曝气式。
水面机械增氧设备一般是搅动浅层水体或将水喷溅入（或跌入） 空气中， 增加水体和空气的接触面使空气中的氧气进入水中， 增加水 体的溶氧量。 其缺点是能耗大、 往往只能增加水体表层的含氧量、而 对水体底层的增氧效果差， 不适合较深水体的增氧， 并且噪音较大， 水体上下循环功能弱。
水下曝气增氧中的微孔曝气式增氧机是用空压机或鼓风机将压 力空气经铺设于水底的输气管送到安装在水中（一般在水底附近）的 曝气器 （曝气管或曝气盘）， 再从曝气器的微孔中以小气泡的形式排 入水中， 达到各种深度水体的增氧目的。其缺点是因为需要的气压比 较高所以能耗相对较大， 气压越高则气体温度也越高， 有一部分能量 以热量耗散的方式被浪费， 并因高温导致输气管道的老化； 每根曝气 管或每个曝气头的增氧有效服务面积有限，因此需在水底附近大面积 铺设安装大量输气管、 曝气管或曝气盘， 施工量和施工难度大； 安装 时一般需排干水池或水塘里的水， 大面积的湖泊、 河道难以安装；曝 气孔容易堵住； 增氧机会因输气管、 曝气管、 曝气盘的老化而失效； 设施寿命较短， 故障多， 维护困难。水下增氧的射流式曝气增氧机是 把空气吸入或压入高速水流中在水下进行喷射，其表层以下水体增氧 效果好于水面增氧设备， 缺点是能耗大、 水下喷射距离有限， 整体循 环效果较差。
相对于污水处理厂高负载污水处理过程中水体单位体积需氧量 高和需在较短时间大量增氧的工况，水产养殖领域的增氧和河道湖泊 的复氧属于大水体低需氧量的工况，同时往往是表层水富氧而底层水 缺氧； 因此在大水体低需氧量场合下， 一台理想的增氧机， 不光要有 足够的增氧能力，而且还要有单机服务面积大和具备上下层水体循环 的性能。
现有的各类增氧设备因其工作原理的限制， 继续改进的余地有 限。 同时每种设备有其各自的不足： 能耗高、 立体循环功能差、 施工 难度大、 不能用于大面积离岸远的水域、 故障率高、 维修困难、 寿命 短等。
实用新型内容
本实用新型针对以上状况，运用流体力学中水体的动能和压力可 相互转换的原理，提出了一种全新的低能耗高效的曝气增氧机工作原 理和技术方案。 使增氧机具有低能耗、 大曝气量、 大增氧量、 高氧动 力系数的优点、 同时可兼有水体的大面积和上下层的循环流动功能。
实用新型原理如下： 从流体力学的伯努利方程可知： 一管道内定 常（流场状况不随时间改变） 的连续水流中， 如不计摩擦力， 除重力 外无外力作用，则水流中的各处不同位置的水体相互之间符合以下规 : 动能 +压力 -水深产生的静压力（静水压力） =恒值， 其中静水压力
=水深乘以水的比重， 静水压力只与水深相关， 与动能无关； 因此某 一位置的水流流速增大，动能也相应增大，且动能与速度成平方关系， 则该位置的水压相应减小； 某一位置的水流流速减小， 动能也减小， 则水压相应的增大。因此根据上述规律，提出本实用新型的工作原理： 一管道的进出水口分别与外水体相联通，管道内部形成与外水体隔离 的水流通道， 把曝气器安装在管道内水流中的小通道横截面积、高水 流流速的位置， 且曝气器的曝气面与水体主流动方向平行； 水流高速 流过曝气器的曝气面时， 曝气面的水压会降低， 且大幅度低于外水体 相同水深处的水压， 因此曝气器的曝气压力降低， 能增加曝气量、降 低曝气功耗、增加氧动力系数。如在管道中间的某一位置有装置对水 流做功， w为做功装置对单位体积水体所做的功， 做功装置的上游水 体的动能 +压力-静水压力=111， 做功装置的下游水体的动能 +压力 - 静水压力=112， 则 W = H2— HI , 如 W远小于动能的变化值， 则在计算 动能和压力的相互转换时，可忽略 W的影响。
本实用新型采取如下技术方案： 一种低功耗高效的水体曝气增氧 装置， 包括曝气器 （曝器头）、 输气管、 固定器件 （固定杆、 固定缆 绳）、 浮力部件等。 其特征在于： 有一桶体或管道由固定器件、 浮力 部件固定在水体中， 不少于 1个的曝气器安装在桶体或管道之内；桶 体有进水口和出水口，进出水口分别与外水体相通，且均低于外水面； 桶体内部构成以桶体内壁为边界且与外水体相隔离的从进水口到出 水口的水流通道；无曝气器处的桶体内壁围成较大横截面积的水流通 道， 该水流通道的平均横截面积定义为 PB; 各曝气器的曝气面与桶 体内壁共同构成曝气水流通道， 曝气水流通道供水流通过， 而且曝气 器的曝气面向水流进行曝气， 各曝气水流通道的横截面积分别为 Pi (i=l、 2... )， 其中各 Pi中的最小值定义为 PA; PB〉〉PA， 且 PB / PA大于 3 ; 曝气器的曝气面与水体的主流动方向平行； 有一外动力 装置或设施驱动水体在水流通道内流动， 水流流过横截面积为 PA的 曝气水流通道时， 水体的流速和动能将增加， 水压将减少， 因此处于 横截面积为 PA的通道处的曝气器的曝气压力减小、 曝气功耗减少， 曝气量增加。 从而达到低功耗、 大曝气量， 大增氧量和高动力增氧系 数的目的。
对上述方案的工作原理进一步解释如下：大小截面积之比 PB I PA 设定为 3倍以上， 比如设为 10倍， 因水是不可压缩流体， 流速与横 截面积成反比， 则小横截面积 PA处的流速 I大横截面积 PB处的流 速 =10， 而动能与流速成平方关系， 则水流在小横截面积 PA处的动 能为大横截面积 PB处的动能的 100倍， 随着动能的增加， 截面积为 PA的曝气水流通道处的水压相应减小， 如动能增加值大于此处的静 水压力 （水深乘以水的比重）， 此处的水压即低于大气压； 因曝气器 的曝气面与水体的主流动方向平行，则曝气面的曝气压力即为此处水 流的水压； 由此产生的小截面积 PA处水压和曝气压力的降低效应， 可单独或同时达到以下效果： 减少鼓风机的功耗， 增加曝气量； 在水 压低于大气压的情况下， 无需鼓风机做功， 在大气压的作用下， 水面 上的空气被吸入， 经进气罩、 输气管从曝气器向水流曝气， 即可进行 所谓负压无功曝气。同时因为曝气器的沿水流流动方向的长度只占整 个水流通道长度很小的比例， 水流高速流过曝气器后， 即恢复正常的 低流速， 因此对气泡在水中停留时间只会有很小影响。
实际应用中：横截面积为 PB的水流通道处的水流流速一般为 0. 2 米 /秒〜 1米 /秒，小横截面积 PA处的水流流速范围一般为 2米 /秒〜 8米 /秒， 在小横截面积 PA处， 水压相应减小了相当于约 0. 2〜3. 2 米水深的静水压力 （2〜32 KPa)。 例如小横截面积 PA处的水流流速 为 4. 5米 /秒， 则减小约 1米水深的静水压力 （lO KPa) ，如将曝气器 安装在水深小于 1米的位置， 不计输气管道和曝气器中的摩擦阻力， 则此曝气器无需鼓风机提供压力空气，在大气压作用下即可进行负压 无功耗曝气， 如将曝气器安装在水深 1〜1. 5米的位置， 较其他种类 的水下曝气装置， 能减少 2/3以上的曝气压力（此压力值以水面大气 压为起算点的相对压力， 低于大气压即为负值）， 鼓风机在进行有功 曝气时， 能大幅度减小鼓风压力、 鼓风功耗或大幅度增加曝气量。
作为优选： 所述的外动力装置为由鼓风机、 输气管、 曝气器组成 的曝气装置。
所述的外动力装置是一螺旋桨或水泵。
所述的外动力设施为一道两侧分别为一高水位水体和一低水位 水体的围堰， 水流通道内水流的动能来源于二个水体的水位差， 水位 差简称为水头， 所述的水流通道的进水口在高水位水体一侧， 出水口 在低水位水体一侧。
所述的曝气器经输气管和进气罩直接与水面上的大气相连通，在 大气压力作用下进行负压无功曝气。
所述的曝气器由鼓风机提供压力空气进行有功曝气。
所述的曝气器至少有 2个，既有通过鼓风机提供压力空气进行有 功曝气的曝气器， 又有经大气压力作用进行负压无功曝气的曝气器。
所述的桶体分为上下二段， 下桶体材料比重稍大于水， 工作时可 深入水体深处或沉在水底， 上桶体出水口略低于外水面； 上下二段桶 体可相对滑动， 使设备可适用于各种水深的场合； 下桶体的上端和上 桶体的下端有可相互限位的凹槽， 防止二桶体相互脱离； 相对滑动的 上下二桶体缝隙小于 3毫米， 使只有极少量的水能流过此缝隙。 所述的下桶体的下端四周开有进水窗口作为进水口，窗口的下沿 到下桶体的下端距离为 5-15厘米。
所述的桶体的出水口处安装有一导水装置，导水装置使经曝气增 氧后的出水不直接通向外水体， 而是经过导水装置后再流向外水体， 导水装置上设有导水槽， 出水从导水槽的开口处流出。
所述的导水装置及其上的导水槽固定不动，使水体经过导水槽只 流向水面的一个或几个特定的固定方向。
所述的导水装置可作周向旋转，其上的导水槽使出水水流对导水 装置有一周向的反推力， 推动导水装置和导水槽作 360度旋转运动， 从而驱动增氧后的水体周期性的流向水面各个方向。
所述的桶体的出水口低于外水面。
本实用新型的有益效果： 1、 降低曝气器的曝气压力、 达到大曝 气量、 大增氧量、 高氧动力系数、 低功耗、 低运行成本的效果。 比较 其它种类的鼓风曝气器， 曝气器处于相同的水深， 本实用新型的曝气 压力大幅度减小。本实用新型的有功曝气器所处的水深位置的静水压 力值，一般小于因水流经过横截面积为 PA的通道所增加的动能值 (或 减少的压力值）的 1. 5倍， 因此较其他种类曝气增氧机， 能减少 2/3 以上的曝气压力， 能成倍的减少能耗， 或在同样的能耗下， 成倍的提 高增氧量； 同时在水深较浅的位置安装无功曝气器， 此处的静水压力 值<因水流经过横截面积为 PA的通道所增加的动能值一 2KPa， 因此 可在大气压作用下无需功耗进行负压无功曝气，进一步大幅度增加增 氧效果。总体比较， 本实用新型的曝气增氧机可比其他种类曝气增氧 机将增氧效果和氧动力系数提高几倍至十几倍，相应的能耗降到其他 种类曝气增氧机的几分之一至十几分之一。 2、 设备投资成本低， 因 为氧动力系数提高了数倍， 达到同样的增氧量， 相比其他种类的增氧 机， 只需要几分之一或更小功率的动力装置， 大幅减少鼓风机的功率 和投资成本。 3、 可使用低压风机， 因曝气压力的降低， 可使用常规 廉价的小功率低风压的鼓风设备，避免必须采用昂贵的高压风机如罗 茨风机、 空压机。 4、 结合本实用新型的导水装置和二段式桶体的装 置， 有单台增氧机实现大面积和上下层水体循环的优点， 而其他种类 增氧机均不具备的此功能，特别适合在水产养殖的增氧领域和河道湖 泊复氧领域的大水域小需氧量的应用场合， 同时能增强光合作用，改 善水底长期缺氧的状况， 增加水中浮游生物的生产量， 使水体中的有 机污染物转化为水生动植物的营养来源。 5安装、 维修方便， 可以不 在水底铺设大量输气管道， 结合本实用新型的二段式桶体的装置，能 方便的应用于各种水深的水域。 6、 可利用不同种类的外动力来源。 特别是外部地形环境中有自然形成的水位势能（水头）存在， 不需要 电力供应即能进行有效的曝气增氧， 而且所需水头很低， 有 3-5公分 的水头即可满足需要， 如水头较高， 则可实现多级增氧； 较常规的跌 水曝气工艺， 可大幅提高增氧效果， 减少对水头高度的要求。 7、 因 氧动力系数高， 所需功率小， 在大面积水域， 因离岸距离远， 供电有 困难的情况下， 利用较小功率的太阳能光伏、风力发电或风车等装置 即可满足曝气装置的动力需求。
附图说明 图 1为实施例 1的结构示意图。
图 2为实施例 2的结构示意图。
图 3为实施例 3的结构示意图。
图 4为曝气器的结构示意图。
图 5为图 4的 A-A剖面视图。
图 6为曝气器在桶体壁内的局部结构示意图。
图中： 1、 无功曝气器 2、 有功曝气器 3、 上桶体 4、 下桶体 5、 进气罩 6、 输气管 7、 浮力部件 8、 固定杆 9、 鼓风机 10、 螺旋桨 11、 围堰 12、 桶体壁 13.曝气水流通道 14.曝气面。
具体实施方式 下面通过实施例， 并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一 步具体的说明。
实施例 1 : 如图 1所示， 桶体由浮力部件 7和固定杆 8连接固定 于水中， 桶体上端为出水口，下端为进水口， 出水口低于水面； 1个 以上曝气器安装在桶体内，无曝气器处的桶体内壁围成横截面积较大 的水流通道，无曝气器处水流通道横截面积的平均值称为大横截面积 PB , 如图 4-6所示， 各曝气器的曝气面 14与桶体壁 12共同构成横 截面积为 Pi的曝气水流通道 13， PB > Pi, 各 Pi中的最小值称为小 横截面积 PA， PB〉〉PA， 且 PB / PA大于 3 ; 曝气器的曝气面 14 与水体的主流动方向平行； 外动力装置 (设施)为鼓风机 9、 输气管 6、 有功曝气器 2组成的有功曝气装置。
作为优选， 桶体分为上下二段， 下桶体 4材料比重稍大于水，工 作时可深入水体深处或沉在水底， 上桶体 3出水口略低于外水面；上 下二段桶体可相对滑动；下桶体的上端和上桶体的下端有可相互限位 的凹槽， 防止二桶体相互脱离； 相对滑动的上下二桶体缝隙小于 3毫 米。
工作过程： 当外动力装置中的曝气器在开始曝气后， 气泡上升， 桶内曝气器以上部分的水体因气泡的存在， 比重小于外水体的比重， 所以在相同的深度， 外水体的水压大于桶内水体的水压， 同时因气泡 在上升过程中对水体有向上的提升效应，在压力差和气泡提升二种因 素的共同作用下，水体逐渐形成稳定的从进水口到出水口自下至上的 流动； 根据不同的曝气量在大横截面积 PB的水流通道内形成速度为 0.2〜1米 /秒的水流， 调整设计大小横截面积 PB/PA之比， 使流过小 横截面积 PA的曝气水流通道的水流流速达到所需的设计数值。 如流 过截面积 PA的曝气水流通道的水流流速为 4.5米 /秒， 相应减小曝气 压力约 1米的静水压 （10KPa)。 为了鼓风机能启动曝气， 外动力装 置中的一个曝气器的安装位置的静水压必须小于鼓风机产生的风压， 一般要求该曝气器安装位置的静水压 +2KPa<鼓风机产生的最大风 压。 本装置中， 横截面积 PB处的水流速度为 0.2〜1米 /秒的水流的 动能来自有功曝气装置的做功， 动力装置对单位水体的做功量 W, 远 小于在横截面积为 PA的曝气水流通道处的动能增加值或压力减小 值， 因此可忽略 W对动能与压力的转化的影响。
整个曝气增氧系统可以只有一个曝气器，即只有一个外动力装置 中的曝气器， 该曝气器由输气管 6连接鼓风机 9， 曝气器启动曝气后 随着通道内流速的逐步提高直至稳定， 小横截面积 PA处曝气压力逐 步减小直至稳定在某一最小值，曝气量逐步增加直至稳定在某一最大 值， 增氧量和氧动力系数同时增加。
整个曝气增氧系统除外动力装置中的有功曝气器外，还可以安装 负压无功曝气器 1， 无功曝气器 1经输气管 6连接进气罩 5， 无功曝 气器 1一般安装在有功曝气器 2上方， 所在位置 PA处的动能值 >静 水压 +2KPa。 启动曝气后随着通道内流速的逐步增加直到稳定， 曝气 面压力减小，有功曝气器的曝气量增加，无功曝气器也产生大量曝气。 根据浅层曝气理论： 在气泡形成和破裂过程中， 空气向水体的氧转移 率最高， 无功曝气器提供的大量气泡会大幅度增加增氧量。
整个曝气增氧系统中的外动力装置中的有功曝气器 2， 除有一个 有功曝气器安装在静水压小于鼓风机产生的风压的浅水位置外，还可 以在静水压大于鼓风机产生的风压的深水位置安装另外有功曝气器。 刚开始曝气时， 深水位置的有功曝气器因水压大于鼓风机产生的气 压， 不能曝气； 随着通道内流速的逐步增加直到稳定， 曝气面压力减 小， 浅水位置的有功曝气器的曝气量增加， 深水位置的有功曝气器上 曝气面的水压小于鼓风机产生的气压， 该曝气器也曝气工作。
本实施方案中的有功曝气器的曝气压力大大低于同深度外水体 的水压力， 且一般小于同深度静水压的 1/3， 因此大幅度减少功耗， 而且所述的有功曝气器在提供外动力的同时， 本身有曝气增氧功能。 此方案实施时可根据具体情况决定曝气器的安装个数，曝气器可以是 1个或多个， 但必须至少有 1个曝气器由鼓风机提供压力空气进行有 功曝气， 作为外动力来源， 其他的的曝气器可以由鼓风机提供压力空 气进行低功耗高效的有功曝气， 也可以进行负压无功耗曝气。
实施例 2 : 如图 2所示， 桶体或管体 3由浮力部件 7和固定杆 8 实现定位， 一围堰 11把二个水位不同的水体分隔开， 水流的外动力 来源为该二个水体的水位差 （水头）； 有一桶体 （管道） 进出水口分 别处在高水位水体和低水位水体中， 其中进水口在高水位一侧， 出水 口在低水位一侧， 出水口低于低水位的水面， 且与低水位水体水面的 距离不超过 15公分； 一个以上的曝气器安装在桶体内， 曝气器与桶 体内壁共同构成小横截面积为 PA的曝气水流通道， 无曝气器处的桶 体内壁围成横截面积较大的水流通道，该横截面积的平均值称为大横 截面积 PB， PB〉〉PA， 且 PB/PA大于 3; 曝气器的曝气面与水体的 主流动方向平行；曝气器一般为无功曝气器 1，且安装深度小于 1米； 在水头特别小而增氧需求量大的场合， 曝气器也可采用有功曝气器。
工作过程：当高水位中的水体因压力差通过桶体流向低水位水体 时， 根据不同的水头， 在桶体内会产生不同的流速。 如不计摩擦力， 则 5公分的水头， 可在桶体内大横截面积 PB的水流通道处产生约 1 米 /秒的流速， 如大横截面积 PB与小横截面积 PA的面积之比为 5， 则小横截面积 PA处的流速为 5米 /秒， 相应减少约 1.2米水深的水压 ( 12KPa), 将曝气器安装在水深小于 1.0米的位置， 则能进行无功曝 气； 曝气器在水深大于 1米而小于 1.5米的位置， 也可以进行低功耗 有功曝气。
在实际使用中， 有不少场合存在自然地形所形成的水位差， 如山 溪、河流、潮汐等， 应用本实施方案， 只要有很小的水头， 无需功耗， 即可进行有效的曝气增氧。
在无自然形成的水头的情况下，也可以用低扬程大流量水泵制造 水位差， 使用本实用新型实施方案。
实施例 3 : 如图 3所示， 桶体 3竖直设置于水中并由浮力器件 7 和固定杆 8实现定位， 一个以上曝气器安装在桶体 3内， 桶体的下端 开有进水口， 出水口在桶体上端且低于外水面， 出水口与外水面的距 离不超过 15公分； 在桶体的某一位置安装一低转速大流量的螺旋桨 10， 螺旋桨 10可以由电机驱动， 也可以由风车驱动， 在桶体内无曝 气器的大横截面积为 PB的水流通道处形成流速为 0.2米 /秒〜 1米 /秒 的向上的水体流动； 安装曝气器处的小横截面积 PA处的流速为 2米 /秒〜 6米 /秒， 相应减少曝气压力约 0.2〜1.8米的静水压， 如曝气压 力减少 1米静水压， 则曝气器的安装位置的水深小于 0.8米， 即可进 行无功曝气增氧。
该方案在夏天需要打破水体上下分层的大型水库和深水湖泊中 使用最合适，可以做到上下层水体循环和增氧一举二得。在离岸较远、 空旷的水面上， 风场条件一般较好， 利用风车提供动力是高效和合适 的。
上述 3个方案， 在高负载高需氧量的场合， 不设导水装置； 在大 水域低需氧量的场合可设有导水装置。

Claims

权利要求书
1.一种低功耗高效的水体曝气增氧装置， 包括曝气器、 输气管、 固定 器件、 浮力器件， 其特征在于： 有一桶体或管道由所述的固定器件、 浮力器件固定在水体中； 不少于 1个的曝气器安装在桶体或管道之 内；桶体开有进水口和出水口，进水口和出水口分别与外水体相连通； 桶体内部构成以桶体内壁为边界且与外水体相隔离的从进水口到出 水口的水流通道；各曝气器与桶体内壁共同构成有着各自特有的横截 面积且其值分别为 P ( i ) 的曝气水流通道， i=l、 2、 3· · ·， 各 P ( i ) 中的最小值定义为小横截面积 PA， 无曝气器处的桶体内壁围成的水 流通道的平均横截面积定义为大横截面积 PB; PB/PA>3; 曝气器的曝 气面与水体的主流动方向平行；有动力装置驱动水体在水流通道内流 动。
2.根据权利要求 1所述的一种低功耗高效的水体曝气增氧装置，其特 征在于所述的动力装置为由鼓风机、输气管、曝气器组成的曝气装置。
3.根据权利要求 1所述的一种低功耗高效的水体曝气增氧装置，其特 征在于所述的动力装置是一螺旋桨或水泵。
4.根据权利要求 1所述的一种低功耗高效的水体曝气增氧装置，其特 征在于所述的动力装置为一道两侧分别为一高水位水体和一低水位 水体的围堰， 水流通道内水流的动能来源于二个水体的水位差， 所述 的水流通道的进水口在高水位水体一侧， 出水口在低水位水体一侧。
5.根据权利要求 3或 4所述的一种低功耗高效的水体曝气增氧装置， 其特征在于所述的曝气器经进气罩、输气管直接与大气相连通， 在大 气压力作用下进行负压无功耗曝气。
6.根据权利要求 2或 3或 4所述的一种低功耗高效的水体曝气增氧装 置， 其特征在于所述的曝气器由鼓风机提供压力空气进行有功曝气。
7.根据权利要求 2或 3或 4所述的一种低功耗高效的水体曝气增氧装 置， 其特征在于所述的曝气器至少有 2个， 既有通过鼓风机提供压力 空气进行有功曝气的曝气器，又有经大气压力作用进行负压无功耗曝 气的曝气器。
8.根据权利要求 1所述的一种低功耗高效的水体曝气增氧装置， 其特征在于所述的桶体分为上下二段， 下桶体材料比重稍大于水，工 作时可深入水体深处或沉在水底， 上桶体出水口略低于外水面； 上下 二段桶体可相对滑动；下桶体的上端和上桶体的下端有可相互限位的 凹槽， 防止二桶体相互脱离； 相对滑动的上下二桶体之间缝隙小于 3
9.根据权利要求 8所述的一种低功耗高效的水体曝气增氧装置，其特 征在于所述的下桶体的下端四周开有进水窗口作为进水口，窗口的下 沿到下桶体的下端距离为 5-15厘米。
10.根据权利要求 1所述的一种低功耗高效的水体曝气增氧装置， 其 特征在于所述的桶体的出水口处安装有一导水装置，导水装置使曝气 增氧后的出水经导水装置后再流向外水体， 导水装置上设有导水槽， 出水从导水槽的开口处流出。
11.根据权利要求 10所述的一种低功耗高效的水体曝气增氧装置，其 特征在于所述的导水装置及其上的导水槽固定不动，使水体只流向一 个或几个固定的方向。
12.根据权利要求 10所述的一种低功耗高效的水体曝气增氧装置，其 特征在于所述的导水装置可作周向旋转，其上的导水槽使出水水流对 导水装置有一周向的反推力， 推动导水装置作 360度旋转运动， 从而 驱动增氧后的水体周期性的流向水面各个方向。
13.根据权利要求 1所述的一种低功耗高效的水体曝气增氧装置， 其 特征在于所述的桶体的出水口低于外水面。
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