本發(fā)明涉及一種用于污水處理、環(huán)境水體修復(fù)以及水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧用的超飽和溶解氧曝氣裝置，屬于環(huán)保設(shè)備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

曝氣在污水處理、尤其是生化處理過(guò)程中，是最核心的工藝之一。曝氣復(fù)氧同時(shí)也是修復(fù)城市黑臭河道、富營(yíng)養(yǎng)化湖泊、水庫(kù)、河口海岸等多種水體的前提。我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖面積廣闊，有數(shù)百萬(wàn)公頃的水面，水產(chǎn)養(yǎng)殖的溶解氧需求相當(dāng)大。為增加水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量，保證品質(zhì)，需要高效的曝氣充氧技術(shù)。常見(jiàn)的曝氣裝置采用空氣曝氣，如機(jī)械曝氣和鼓風(fēng)曝氣裝置等。無(wú)論是機(jī)械曝氣還是鼓風(fēng)曝氣，氧溶解效率較低，通常只有15-25%左右。這是由于空氣中氧氣含量只有約21%，在20℃清水中氧的飽和溶解度只有9.1 mg/L。采用純氧曝氣，根據(jù)亨利定律，由于氧氣分壓增大，溶解氧濃度增加，水中飽和溶解濃增加，在室溫下可達(dá)43.3 mg/L。如果在曝氣裝置內(nèi)繼續(xù)增加氧氣分壓，如2個(gè)氣壓時(shí)，飽和溶解氧濃度可達(dá)86.6 mg/L。由于純氧制備費(fèi)用較貴，如果采用普通的微孔曝氣裝置，會(huì)造成部分氧氣從水體逃逸到大氣中，造成浪費(fèi)，降低純氧曝氣效率。原發(fā)明的下流式氣泡接觸曝氣裝置（美國(guó)專利號(hào)US3804255），也稱為Speece 錐形增氧裝置，采用氧氣作為氣源，可以幾乎100%利用純氧。其原理是：通過(guò)水泵將水流從上到下注入一倒圓錐形接觸室，倒錐形接觸室頂部有一純氧進(jìn)氣管，氧氣與高速水流混合形成大量氣泡并隨水流向下流動(dòng)。在氣液混合物向下流動(dòng)過(guò)程中，由于接觸室橫截面積逐漸擴(kuò)大，水流速度不斷降低，當(dāng)水流下降速度小于氣泡上升速度時(shí)，氧氣氣泡不再向下流動(dòng)，這樣氧氣便能被“束縛”在錐體內(nèi)部。該裝置增加了氧氣和水流的接觸時(shí)間，理論上氧氣利用效率可達(dá)100%。但是該裝置有如下缺陷：

（1）該曝氣裝置的水流流量和氧氣流量必須維持一定的平衡狀態(tài)，否則會(huì)造成氧氣氣泡在接觸室頂部積累或出水不能達(dá)到飽和溶解氧濃度。在實(shí)際運(yùn)行中，水流和氣流隨時(shí)間會(huì)發(fā)生波動(dòng)，兩者很難達(dá)到平衡。例如：當(dāng)氧氣流量大于水體所需飽和溶解氧量時(shí)，上升氣泡將逐漸累積在錐形接觸室頂部，形成氣體空腔，減少水體和氣泡接觸強(qiáng)度和時(shí)間，甚者擠壓接觸室內(nèi)水位，將氣泡“擠”出反應(yīng)器。如果氧氣流量小于水流所能溶解的氧氣量，則出水溶解氧濃度低于飽和濃度，曝氣效率降低。因此有必要對(duì)氧氣流量和水流量進(jìn)行精確控制，使二者保持動(dòng)態(tài)平衡；

（2）該裝置雖能保證了氧氣在反應(yīng)器之內(nèi)的停留時(shí)間，但水流的停留時(shí)間有限。根據(jù)氣體在液體擴(kuò)散雙膜傳質(zhì)理論，氧氣溶解取決于液膜內(nèi)的傳質(zhì)速度。由于從上到下圓錐形水流速度不斷減小，逐漸從湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿?，氣、液之間擾動(dòng)不足，這樣不利于氣液之間的快速傳質(zhì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述技術(shù)中存在的不足，提供一種超飽和溶解氧曝氣裝置。增加前置氣液混合裝置，提高氧氣在水流中傳質(zhì)效果，同時(shí)提供一種精確控制該曝氣裝置的氣體流量和水體流量平衡的方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，包括進(jìn)水管、水泵、氧氣管、進(jìn)氣控制閥、文丘里氣液混合器、螺旋管混合器、倒錐形接觸室、接觸室氣體空腔、頂部聯(lián)通管、液位計(jì)、排空閥門(mén)、控制器、出水管，其特征是，進(jìn)水管與水泵連接，水泵經(jīng)出水管連接文丘里氣液混合器，文丘里氣液混合器中部連接氧氣管，在氧氣管進(jìn)入文丘里氣液混合器之間是進(jìn)氣控制閥，文丘里氣液混合器的出口與螺旋管混合器進(jìn)口相連，螺旋管混合器的出口朝下與倒錐形接觸室的頂部進(jìn)口連接。在倒錐形接觸室的頂部側(cè)面設(shè)有聯(lián)通管。在頂部聯(lián)通管垂直段內(nèi)安裝液位計(jì)。在頂部聯(lián)通管的水平管連接排空閥門(mén)。底部直徑出口連接出水管。經(jīng)出水管，水流排入環(huán)境水體?？刂破魍ㄟ^(guò)信號(hào)線，一端與液位計(jì)相連，另一端與進(jìn)氣控制閥連接。在水流進(jìn)入錐形接觸室之前，增加的前置就是加裝文丘里氣液混合器和螺旋管混合器。

文丘里可快速引入氧氣，在高速水流下，在水流中形成大量微氣泡，這些微氣泡水流混合物再進(jìn)入螺旋管，通過(guò)螺旋管內(nèi)高速流動(dòng)產(chǎn)生的離心力和剪切力使得水流與氣泡充分接觸混合，實(shí)現(xiàn)氧的高效溶解。為達(dá)到氣、液流量平衡，在錐形接觸室頂部增加聯(lián)通管。由于過(guò)剩的氧氣將在錐形接觸室頂部形成空腔，影響液位高低。通過(guò)檢測(cè)聯(lián)通管內(nèi)的液位的變化，判斷是否有空腔，即氧氣流量過(guò)量，來(lái)調(diào)節(jié)氧氣流量，從而控制氣、液流量比，實(shí)現(xiàn)精確曝氣。

本發(fā)明的有益效果是，通過(guò)液位計(jì)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)氧氣流量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確純氧曝氣?？煽焖佟⒏咝沙柡腿芙庋跛?，通常濃度大于43mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)室溫下水體飽和溶解氧濃度9mg/L。含超高溶解氧濃度的水流，與周?chē)w形成大的溶解氧梯度，氧能夠快速向周?chē)鷶U(kuò)散，通常擴(kuò)散半徑可達(dá)2 km以上（具體取決于溫度、水深等相關(guān)因素），使水體迅速充氧。

采用超飽和溶解氧曝氣，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化，減少裝置占地面積，節(jié)省設(shè)備投入成本。在廢水處理過(guò)程中，采用空氣曝氣，需安裝大功率的鼓風(fēng)機(jī)、大型水泵或大管徑曝氣管道，設(shè)備投入大。如采用本發(fā)明的純氧曝氣裝置，在注入相同質(zhì)量溶解氧的條件下，相關(guān)設(shè)備大小只有采用空氣曝氣技術(shù)的1/4，節(jié)省占地和設(shè)備投入。

本發(fā)明技術(shù)非常適合大、中型污染水體修復(fù)。本發(fā)明生成的水流富含超飽和溶解氧，與污染水體底部水流混合時(shí)，不產(chǎn)生氣泡，不會(huì)出現(xiàn)底部水流被氣泡攜帶上升的現(xiàn)象，也不會(huì)出現(xiàn)水體底部污泥卷起的現(xiàn)象，不攪動(dòng)水體底泥，不干擾水體正常流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了治水與治泥結(jié)合。通過(guò)高濃度溶解氧曝氣，對(duì)缺氧水域高效率地提供氧氣,可在底泥表面形成氧化膜，有效抑制水中例如鐵、汞等重金屬污染物和氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的溶解釋放，能夠大面積改善底泥，保證水質(zhì)的安全與穩(wěn)定。

本發(fā)明的曝氣裝置對(duì)水生生態(tài)更為安全。在湖泊、水庫(kù)、深水河流等水體下層滯水層曝氣修復(fù)過(guò)程中，由于底部水壓較高，如水深10m相當(dāng)于1個(gè)大氣壓，若采用空氣曝氣，空氣中的氮?dú)鈺?huì)大量溶解到底部水體。過(guò)高的溶解氮，將對(duì)水生生物尤其是魚(yú)類產(chǎn)生毒性。如果采用本法明的純氧曝氣，則可避免這一問(wèn)題。

適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)增氧，提高產(chǎn)量。在夏季高溫天氣，當(dāng)水溫大于35℃時(shí)，水體飽和溶解氧濃度不到6.9mg/L，非常不利于高密度水產(chǎn)漁業(yè)養(yǎng)殖。采用普通空氣曝氣，雖然溫度升高有利于提升氧氣擴(kuò)散系數(shù)，但由于高溫下飽和濃度過(guò)低，濃度梯度較小，如果養(yǎng)殖密度過(guò)大或水質(zhì)不良的情況下，水體存在嚴(yán)重缺氧的風(fēng)險(xiǎn)。如采用本發(fā)明的超飽和純氧曝氣，在35℃高溫下，仍可以充入高達(dá)32.8 mg/L溶解氧富氧水流，滿足漁業(yè)養(yǎng)殖生產(chǎn)需求。

本發(fā)明還可用于煤礦、采油開(kāi)采等行業(yè)等排放酸性廢水治理。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)煤礦礦井每年排放就達(dá)42億立方米，其中相當(dāng)一部分廢水為pH值小于6的礦井水。酸性廢水通常含亞鐵離子（Fe²⁺）和硫化氫(H₂S)等污染物，若未經(jīng)處理直接外排，會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生重大危害。處理酸性廢水的重要工藝就是曝氣，將水中的亞鐵離子（Fe²⁺）氧化成三價(jià)鐵離子（Fe³⁺）并形成Fe(OH)₃沉淀去除，或?qū)⑷苡诘V井水的硫化物氧化成單質(zhì)硫沉淀去除。利用本發(fā)明裝置產(chǎn)生的高濃度溶解氧，可提高亞鐵離子（Fe²⁺）和硫化物的轉(zhuǎn)化效率，提高去除率，顯著提高酸性廢水的凈化效率。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是圖1中的液位計(jì)控制放大示意圖。

具體實(shí)施說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，

1進(jìn)水管，2 水泵，3 氧氣管，4 進(jìn)氣控制閥，5 文丘里氣液混合器，6 螺旋管混合器，7 倒錐形接觸室，8 接觸室氣體空腔，9 聯(lián)通管，10 液位計(jì)，11 排空閥門(mén)，12 控制器，13 出水管

由圖1可知，進(jìn)水管1與水泵連接2。水泵經(jīng)出水管連接文丘里氣液混合器5。文丘里氣液混合器中部連接氧氣管3。在氧氣管進(jìn)入文丘里氣液混合器之間是進(jìn)氣控制閥4。文丘里氣液混合器5的出口與螺旋管混合器6進(jìn)口相連。螺旋管混合器6的出口朝下與倒錐形接觸室7的頂部進(jìn)口連接。在倒錐形接觸室7的頂部側(cè)面設(shè)有聯(lián)通管9。在頂部聯(lián)通管9垂直段內(nèi)安裝液位計(jì)10。在頂部聯(lián)通管9的水平管連接排空閥門(mén)11。倒錐形接觸室7的底部出口連接出水管13。經(jīng)出水管13，水流排入環(huán)境水體。控制器12通過(guò)信號(hào)線，一端與液位計(jì)10相連，另一端與進(jìn)氣控制閥4連接。

由圖2可知，在倒錐形接觸室的頂部側(cè)面設(shè)有聯(lián)通管9，在頂部聯(lián)通管9垂直段內(nèi)安裝液位計(jì)10。當(dāng)氧氣過(guò)量時(shí)，倒錐形接觸室7內(nèi)的上升氣泡將在頂部合并出氣體空腔8。在頂部聯(lián)通管9的水平管連接排空閥門(mén)11。

本發(fā)明的工作流程是，水流通過(guò)水泵，從進(jìn)水管進(jìn)入本發(fā)明的曝氣裝置。氧氣經(jīng)由氧氣管在文丘里氣液混合器與高速流動(dòng)的水流充分混合。進(jìn)入反應(yīng)器的氧氣量由進(jìn)氣控制閥調(diào)節(jié)。在氧氣和水流通過(guò)文丘里氣液混合器瞬時(shí)混合后，進(jìn)入螺旋管混合器。在螺旋管高速流動(dòng)下，產(chǎn)生的離心力和剪切力使得水流與氣泡充分接觸，實(shí)現(xiàn)氧氣的快速溶解。高速流動(dòng)的氣液混合物然后向下進(jìn)入倒錐形接觸室。倒錐形接觸室，由于橫截面由頂部到底部逐漸增大，水流速度將不斷降低。當(dāng)?shù)瑰F形接觸室底部水流下降速度小于氣泡上升速度時(shí)，氧氣氣泡便被“束縛”在錐體內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)氧氣的100%被利用。

當(dāng)氧氣氣體流量大于水流溶解氧所需流量的，在氣泡上升過(guò)程中，壓力減小，氣泡合并，在倒錐形接觸室頂部將形成接觸室氣體空腔。如果該氧氣空腔過(guò)大，將減少氧氣氣泡在倒錐形接觸室接觸時(shí)間，甚至導(dǎo)致氣泡從底部逃出曝氣裝置。如果沒(méi)有空腔，氧氣流量不足，出水水流可能達(dá)不到飽和溶解氧濃度。在倒錐形接觸室的頂部側(cè)面連接頂部聯(lián)通管，內(nèi)安裝液位計(jì)。液位計(jì)可以采用電容式、壓力式、超聲波等多種類型的液位計(jì)。液位計(jì)可實(shí)時(shí)對(duì)接觸室氣體空腔的大小做出反應(yīng)，并將信號(hào)發(fā)送到控制器。通過(guò)控制器，調(diào)節(jié)進(jìn)氣控制閥的大小，從而增加或減少氧氣流量，達(dá)到氣液流量動(dòng)態(tài)平衡?？刂撇襟E如下，當(dāng)氧氣流量過(guò)大，氧氣泡會(huì)在倒錐形接觸室逐漸合并積累，接觸室氣體空腔增大，液位降低，觸發(fā)液位計(jì)。液位計(jì)發(fā)送信號(hào)到控制器，控制器命令進(jìn)氣控制閥減小或關(guān)閉氧氣流量。當(dāng)進(jìn)入裝置的氧氣流量小于水流所需飽和溶解氧流量時(shí)，接觸室氣體空腔內(nèi)的氧氣將逐漸被水流溶解，液位將逐漸升高，當(dāng)達(dá)到一定液位時(shí)，液位計(jì)將恢復(fù)初始狀態(tài)，再發(fā)出信號(hào)給控制器，控制器給進(jìn)氣控制閥門(mén)信號(hào)，增加或開(kāi)啟氧氣流量，重新達(dá)到平衡。

在頂部聯(lián)通管配套一個(gè)排空閥門(mén)，用于裝置初始運(yùn)行時(shí)，排出倒錐形接觸室內(nèi)的空氣。

經(jīng)過(guò)充氧的超飽和富氧水流，通過(guò)倒錐形接觸室底部的 出水管排出裝置，進(jìn)入水體。在水體中，富氧水流與周?chē)骰旌?，溶解氧快速擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)水體快速充氧。