本實(shí)用新型涉及應(yīng)用曝氣工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到螺旋曝氣池。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，全國(guó)的污水排放量也逐年增加，其中大部分污水未經(jīng)處理直接排入江河湖中，導(dǎo)致水域水質(zhì)污染問題日益突出。為了環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)污水進(jìn)行凈化處理越來越受到國(guó)家的重視。2011年國(guó)家“863”計(jì)劃在資源環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域中提出了“污水中碳源及氮磷硫組分資源化技術(shù)”的研究計(jì)劃，在國(guó)家“973”計(jì)劃中也將“區(qū)域環(huán)境質(zhì)量演變和污染控制”列入了重點(diǎn)研究方向。

在污水處理中，世界發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用活性污泥法來控制水體的污染?；钚晕勰喾ㄊ钱?dāng)前世界各國(guó)中應(yīng)用最廣的一種二級(jí)生物處理方法，具有處理能力高、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)?；钚晕勰喾ǖ脑硎峭ㄟ^好氧微生物吸附和氧化污水中的有機(jī)物從而達(dá)到凈化污水的目的。因此，如何使曝氣池中的好氧微生物能夠與充足的氧氣接觸反應(yīng)是污水處理的關(guān)鍵技術(shù)。

曝氣池作為活性污泥反應(yīng)器，是活性污泥系統(tǒng)的核心設(shè)備，活性污泥系統(tǒng)對(duì)污水的凈化效果，在很大程度上取決于曝氣池功能的發(fā)揮。曝氣池的種類繁多，按曝氣方法分可以分為鼓風(fēng)曝氣池、機(jī)械曝氣池、機(jī)械鼓風(fēng)混合曝氣池和射流曝氣池。

鼓風(fēng)曝氣池多為長(zhǎng)方廊道形，其主要特點(diǎn)是可以產(chǎn)生氣泡、單個(gè)氣泡氣液接觸面積大，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大、氣壓損失較大、氣泡分布不均勻、易堵塞、設(shè)計(jì)和維護(hù)成本過高。機(jī)械曝氣池多為圓柱形或方形，其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不易堵塞、維護(hù)簡(jiǎn)單，但其無法產(chǎn)生大量氣泡，氣泡分布不均勻，降低了反應(yīng)效率。

傳統(tǒng)的曝氣池多采用鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)和機(jī)械曝氣系統(tǒng)。鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)其空氣擴(kuò)散裝置一般為多孔材料并安裝在廊道底部一側(cè)，隨著時(shí)間的積累，污水中的顆粒污染物容易沉淀在曝氣池底部，堵塞空氣擴(kuò)散裝置。另外，傳統(tǒng)的推流式曝氣池呈長(zhǎng)方廊道形，根據(jù)污水處理量，一般都要采用2-5個(gè)廊道，來保證污水停留時(shí)間，占地面積相對(duì)較大，整體設(shè)計(jì)和維護(hù)成本過高。機(jī)械曝氣系統(tǒng)一般采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣泡，其微氣泡量較低，整體反應(yīng)效率不高。而射流曝氣池利用射流剪切氣體產(chǎn)生氣泡，其解決了傳統(tǒng)曝氣池的缺點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、不易堵塞、投資少等優(yōu)點(diǎn)。而且一旦曝氣池開始工作，通過射流曝氣設(shè)備射入的高速液體將帶動(dòng)沉淀在曝氣池底部的顆粒污染物一起運(yùn)動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)堵塞的情況。

傳統(tǒng)曝氣池具有曝氣效果差、占地面積大、運(yùn)營(yíng)成本高等缺點(diǎn)，因此本實(shí)用新型通過對(duì)曝氣池內(nèi)氣液兩相流場(chǎng)特性和氣相分布規(guī)律以及氧傳遞特性的分析研究，提出了一種全新的 曝氣池形式和曝氣方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服傳統(tǒng)曝氣池反應(yīng)效率低、氣含率低、混合均勻性差、氧利用率低、占地面積大等不足，提供一種改善污泥處理系統(tǒng)的反應(yīng)效率、提高氧利用率和曝氣效果、減小占地面積螺旋曝氣方法和利用該方法的螺旋曝氣池。

本實(shí)用新型提供的螺旋曝氣池，包括曝氣池池體、射流曝氣裝置、流量調(diào)節(jié)器、水泵、出水槽，流量調(diào)節(jié)器通過水管穿過曝氣池池體與射流曝氣裝置相連，流量調(diào)節(jié)器與水泵之間也是通過水管相連；所述出水槽設(shè)置在曝氣池池體頂部，污水從曝氣池池體頂部流出；所述射流曝氣裝置有若干個(gè)，以曝氣池的中心點(diǎn)為圓心沿一定圓周方向排列在曝氣池底部，每個(gè)射流曝氣裝置到中心的距離可以相等或不等，每個(gè)曝氣裝置與池體中心成一定的夾角(各夾角可相等或不等)，每個(gè)射流曝氣裝置的射流入射方向與水平面成角度向上，曝氣時(shí)射流曝氣裝置射入池中的氣體使污水螺旋上升。

進(jìn)一步的，所述曝氣池池體為對(duì)稱形狀的柱狀體。

作為一種優(yōu)選，所述曝氣池池體為圓柱體。

作為一種優(yōu)選，所述射流曝氣裝置有n個(gè)(一般取3～4個(gè)為宜)，且每個(gè)射流曝氣裝置與池體中心點(diǎn)的夾角相等。

作為一種優(yōu)選，所述射流曝氣裝置的射流入射方向沿水平面方向。

本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

本實(shí)用新型的螺旋曝氣池，通過射流曝氣裝置的圓周方向分布，不需要廊道就能使污水在曝氣池內(nèi)呈劇烈的螺旋上升狀態(tài)，在相同入口流量情況下增加了污水在曝氣池內(nèi)的運(yùn)動(dòng)行程，增大了氣液兩相的總體接觸面積，提高了溶氧速率和反應(yīng)效率；另一方面螺旋曝氣方法增強(qiáng)了氣液兩相的湍流強(qiáng)度，流場(chǎng)更加均勻，有利于氣液兩相的充分混合，增加曝氣池有效曝氣體積，增大曝氣池中氧的轉(zhuǎn)移系數(shù)，提高污水反應(yīng)效率；同時(shí)本曝氣池中的活性污泥不會(huì)淤積在隔板或底部，而是隨著污水不斷運(yùn)動(dòng)，與污水充分混合，與水中的溶解氧充分接觸，增強(qiáng)了活性污泥的活性，提高活性污泥法的處理效率。因此采用本實(shí)用新型螺旋曝氣方法的曝氣池可以改善整個(gè)曝氣池中活性污泥處理系統(tǒng)的反應(yīng)效率、減小占地面積、降低能耗和運(yùn)行費(fèi)用。

附圖說明

以下將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明：

圖1為實(shí)用新型的螺旋曝氣方法及螺旋曝氣池的結(jié)構(gòu)俯視示意圖；

圖2為實(shí)用新型的螺旋曝氣方法及螺旋曝氣池的結(jié)構(gòu)主視示意圖；

圖3為實(shí)用新型的螺旋曝氣方法及螺旋曝氣池的內(nèi)部流場(chǎng)流線示意圖；

圖4為普通曝氣池底部垂直曝氣的曝氣區(qū)示意圖；

圖5為普通曝氣池底部水平曝氣的曝氣區(qū)示意圖；

圖6為實(shí)用新型的螺旋曝氣方法及螺旋曝氣池的曝氣區(qū)示意圖；

圖7為實(shí)用新型的螺旋曝氣方法及螺旋曝氣池的曝氣區(qū)俯視示意圖；

圖中標(biāo)記名稱：1、曝氣池池體，2、射流曝氣裝置，3、流量調(diào)節(jié)器，4、水泵，5、出水槽，6、二次沉淀池，7、排泥管；α、射流曝氣裝置水平入射角度，β、射流曝氣裝置沿圓周方向分布角度，γ、射流曝氣裝置垂直入射角度，n、射流曝氣裝置沿圓周方向分布個(gè)數(shù)，H、曝氣池高度，h、各射流曝氣裝置中心高度，r_n、各射流出口距中心的距離(各曝氣出口可以不同)；I、經(jīng)預(yù)處理后的污水，II、曝氣的混合液，III、由曝氣池流出的混合液，IV、處理后的污水，V、回流污泥，VI、排出系統(tǒng)的污泥。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型提供螺旋曝氣方法及螺旋曝氣池，為使本實(shí)用新型的目的，技術(shù)方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

參照?qǐng)D1、圖2，本實(shí)用新型實(shí)例中，一種具有螺旋流場(chǎng)的螺旋曝氣池及螺旋曝氣法主要包括：曝氣池池體1、射流曝氣裝置2、流量調(diào)節(jié)器3、水泵4、出水槽5、二次沉淀池6、排泥管7。

射流曝氣裝置2安裝在曝氣池底部，射流曝氣距離底部高度為h。射流曝氣裝置的射流方向與中心徑向成一定的夾角α。曝氣裝置沿沿一定圓周方向分布，曝氣裝置總個(gè)數(shù)為n(n≥2)。兩相鄰曝氣裝置之間成一定的夾角β(β＝2π/n)。特別的，當(dāng)射流曝氣裝置為3個(gè)或4個(gè)時(shí)，且每個(gè)射流曝氣裝置與池體中心點(diǎn)的夾角相等,夾角為120°或90°，其在曝氣反應(yīng)效率以及設(shè)備的成本配比上達(dá)到一個(gè)比較好的效果，即采用較少的設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的反應(yīng)效率。流量調(diào)節(jié)器3與水泵4安裝在螺旋曝氣池池體1的外面，流量調(diào)節(jié)器3通過水管穿過曝氣池池體1與射流曝氣裝置2相連，流量調(diào)節(jié)器3與水泵4之間也是通過水管相連。污水從頂端溢出后。從出水槽5流出的液體在二次沉淀池6中進(jìn)行沉淀，清水流出系統(tǒng)，沉降的活性污泥回流到曝氣池中。螺旋曝氣池底部設(shè)有排泥管7，主要用于曝氣池的排水與排泥。

本實(shí)例中的螺旋曝氣法主要有以下步驟：

1)、將經(jīng)過預(yù)處理的污水I利用水泵4提供動(dòng)力，根據(jù)工程需求通過流量調(diào)節(jié)器3調(diào)節(jié)合適的壓力和流量，進(jìn)入射流曝氣裝置2中，并在射流曝氣裝置內(nèi)形成高壓高速的流體；

2)、在射流曝氣裝置2內(nèi)由于高速液體的流動(dòng)卷吸作用，形成局部低壓區(qū)，從而將空氣卷吸進(jìn)來，通過流體的剪切和拉伸作用以及氣泡互相的碰撞作用，形成氣液混合液；

3)、氣液混合液通過射流曝氣裝置2的出口，沿一定圓周方向射入曝氣池，并卷起曝氣池內(nèi)的活性污泥，從而在螺旋曝氣池內(nèi)形成活性污泥、空氣、污水的曝氣混合液II；

以射流曝氣裝置出口的流量Q₀、射流曝氣裝置出口的面積A₀、射流出口速度u₀的參數(shù)配置沿一定圓周方向射入曝氣池，射流曝氣裝置與曝氣池的中心間的距離r₁、r₂…r_n，可以相等也可以不相等。并卷起曝氣池內(nèi)的活性污泥，從而在螺旋曝氣池內(nèi)形成活性污泥、空氣、污水的曝氣混合液；其具體數(shù)值根據(jù)以下方法確定：

射流曝氣裝置出口流量Q₀與曝氣池的設(shè)計(jì)流量Q_d相關(guān)，Q₀＝Q_d/n，其中n為沿一定圓周方向分布的射流曝氣裝置個(gè)數(shù)。曝氣池的設(shè)計(jì)流量主要和處理的原污水的日平均流量及最大時(shí)流量相關(guān)，要求使得污水在曝氣池中有足夠的曝氣和反應(yīng)時(shí)間(如工程中當(dāng)曝氣池的設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間在6h以上時(shí)，以日平均流量作為曝氣池的設(shè)計(jì)流量；當(dāng)水力停留時(shí)間小于6h時(shí)，采用原污水的最大流量作為曝氣池的設(shè)計(jì)流量)。曝氣池容積其中N_s為BOD污泥負(fù)荷率，S_a為原污水的BOD₅值，C_solid為曝氣池內(nèi)混合液懸浮固體濃度。并且要求曝氣池的設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間滿足一定的設(shè)計(jì)要求(如工程中一般要求不小于2小時(shí))。根據(jù)曝氣池的容積V_AB，并結(jié)合實(shí)際工程的占地面積確定曝氣池的尺寸參數(shù)(底面直徑D，高度H)。利用數(shù)值仿真計(jì)算確定射流曝氣裝置出口的面積為A₀和射流出口速度為u₀，射流曝氣裝置出口的面積和射流出口速度滿足曝氣池上端平均流速滿足設(shè)計(jì)需求(如工程上一般要求不小于0.2m/s)。

4)、曝氣混合液II在曝氣池中旋轉(zhuǎn)、上升，最后從曝氣池上端的出水槽5溢出；

5)、由曝氣池流出的混合液III經(jīng)過二次沉淀池6進(jìn)行泥、水分離后，處理后的污水IV流出系統(tǒng)，而沉淀的活性污泥一部分V重新回來入曝氣池，多余的VI則排出系統(tǒng)。

在螺旋曝氣法的整個(gè)過程中，螺旋曝氣池內(nèi)的污水沿著射流方向呈旋轉(zhuǎn)上升流動(dòng)，整體流場(chǎng)呈現(xiàn)螺旋上升式結(jié)構(gòu)。在上述步驟中，每個(gè)射流曝氣裝置出口面積為A₀，射流出口速度為u₀，流量為Q₀。

參考圖3，在本實(shí)用新型螺旋曝氣方法及螺旋曝氣池中，污水經(jīng)射流曝氣裝置射入曝氣池內(nèi)，在池中沿著射流方向旋轉(zhuǎn)上升，最后經(jīng)頂部出水槽5溢出。整個(gè)曝氣池中的污水呈螺旋上升狀。曝氣池中污水的處理效率主要和曝氣池中氧氣的含量相關(guān)，曝氣池中氧氣的擴(kuò)散 與轉(zhuǎn)移過程遵循物質(zhì)擴(kuò)散的基本規(guī)律，即遵循菲克(Fick)定律：

$\frac{dM}{dt}=-D_{L}A\frac{dC}{dX}---\left(1\right)$

式中，為物質(zhì)的擴(kuò)散速度，即在單位時(shí)間內(nèi)通過的物質(zhì)數(shù)量；

D_L為物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，即物質(zhì)在某種介質(zhì)中的擴(kuò)散能力；

A為接觸界面面積；

C為物質(zhì)濃度；

X為擴(kuò)散過程的路徑；

為濃度梯度，即單位路徑距離內(nèi)的濃度變化值。

由菲克(Fick)定律可知，氧氣的擴(kuò)散與轉(zhuǎn)移速度與擴(kuò)散系數(shù)、接觸面積、氧氣濃度等相關(guān)。同時(shí)根據(jù)擴(kuò)散過程的雙膜理論，可將上式轉(zhuǎn)化為：

$\frac{dC}{dt}=\frac{D_{L}A}{X_{f}V}(C_S-C)---\left(2\right)$

式中，為液相主體中溶解氧濃度變化速度即氧轉(zhuǎn)移速度；

C_S為飽和溶解氧濃度值；

X_f為液膜厚度，此值極低；

V為液相的主體容積。

這里引入氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)K_La，令上式可以化為：

$\frac{dC}{dt}=K_{La}(C_S-C)---\left(3\right)$

由公式3可知，在入口氧氣濃度一定的條件下，要提高氧氣的轉(zhuǎn)移速度可以通過提高K_La的方法來實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型的螺旋曝氣方法及曝氣池主要是通過提高氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)K_La的方法來提高曝氣池的反應(yīng)效率。本實(shí)用新型一方面通過射流曝氣裝置提供了快速的入射速度，增加強(qiáng)了污水液相主體的湍流強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，從而降低了液膜厚度，加速了氣液界面的更新。另一方面通過曝氣池內(nèi)射流曝氣裝置的圓周方向布局，使曝氣池內(nèi)的污水產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，從而使曝氣池內(nèi)的流場(chǎng)呈現(xiàn)螺旋上升式結(jié)構(gòu)，在增強(qiáng)湍流強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的同時(shí)，增長(zhǎng)了污水的前行路線，增加了氣液相的總體接觸面積。

參考圖3可以發(fā)現(xiàn)，在螺旋曝氣池內(nèi)的任一截面上，空氣微氣泡主要有三個(gè)方向的分速度，垂直向上的速度u_z，徑向速度u_r和周向速度u_θ。則空氣微氣泡在螺旋曝氣池中的前行路程為：

$S=\∫\sqrt{u_z^2+u_r^2+{\left({\mathrm{\ωr}}_B\right)}^2}dt---\left(4\right)$

其中，ω為截面上的旋轉(zhuǎn)角速度，r_B為微氣泡距離中心的距離。

空氣微氣泡在螺旋曝氣池中的總接觸界面面積為：

$A=\∫A_B\sqrt{u_z^2+u_r^2+{\left({\mathrm{\ωr}}_B\right)}^2}dt---\left(5\right)$

其中，A_B為空氣微氣泡的表面積。

對(duì)于傳統(tǒng)的曝氣池，因?yàn)槠錄]有旋轉(zhuǎn)，及旋轉(zhuǎn)角速度為0，周向速度為0，從而也沒有因旋轉(zhuǎn)離心力產(chǎn)生的徑向速度。所以空氣微氣泡的速度主要為垂直方法的速度v_Z。所以空氣微氣泡的總接觸界面面積為：

A＝∫A_Bv_Zdt (6)

通過公式5和公式6可以發(fā)現(xiàn)本實(shí)用新型的螺旋曝氣池大大增加了污水和活性污泥與氧的接觸界面面積，從而大大提高了曝氣池中氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，提高了氧轉(zhuǎn)移速度，增強(qiáng)了曝氣池的反應(yīng)效率。

另一方面，在曝氣池內(nèi)流體的湍動(dòng)能k和湍流強(qiáng)度T_i分別為：

$k=\frac{1}{2}{u}^{\′2}=\frac{1}{2}(u_x^{\′2}+u_y^{\′2}+u_z^{\′2})---\left(7\right)$

$T_i=\frac{u^{\′}}{U}=\frac{\sqrt{1/3(u_x^{\′2}+u_y^{\′2}+u_z^{\′2})}}{U}=\frac{\sqrt{2k/3}}{U}---\left(8\right)$

其中：u′為流體的湍流脈動(dòng)速度，

u′_x、u′_y、u′_z分別為流體三個(gè)方向的湍流脈動(dòng)速度，

U為流體的時(shí)均流速。

通過公式7和公式8可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于螺旋曝氣池，因?yàn)楸葌鹘y(tǒng)曝氣池多了旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，其流動(dòng)擾動(dòng)較大，其湍流脈動(dòng)相對(duì)較大，所以其湍動(dòng)能和湍流強(qiáng)度較大。又因?yàn)橐耗ず穸萖_f與流體的湍流強(qiáng)度成反比，所以旋轉(zhuǎn)曝氣池內(nèi)曝氣過程中的液膜厚度較低。

參考圖4、圖5、圖6、圖7，本實(shí)用新型的曝氣池及其螺旋式曝氣方法，污水和氣體混合后射入曝氣池，混合液在曝氣池中經(jīng)過旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的拉伸、剪切作用，使得有效曝氣區(qū)被沿著周向拉伸、擴(kuò)大，從而增大了有效曝氣區(qū)，減小了死水區(qū)和無效的區(qū)域，從而增大了曝氣池的有效曝氣體積利用率。同等曝氣效果下，螺旋曝氣池減小了設(shè)備的占地面積。

為了進(jìn)一步證明螺旋上升式流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)曝氣池均勻性以及反應(yīng)效率的提升，本實(shí)用新型采用CFD的方法對(duì)螺旋式曝氣方法進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，并對(duì)其機(jī)理和特性進(jìn)行了分析。計(jì)算以三個(gè)曝氣裝置沿圓周方向均勻分布、入射角度α為30°、垂直入射角γ為0°為例，采 用Euler-Euler多相流計(jì)算方法，并考慮微氣泡在液相中的拽力(drag force)及體積力作用。選取射流入射中心截面以及高度為入口高度和高度為的三個(gè)截面的氣相濃度分布進(jìn)行分析研究。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，氣相經(jīng)射流曝氣裝置射出后沿著圓周方向往下游擴(kuò)散，曝氣池中的氣相分布相對(duì)比較均勻，中心區(qū)域由于低速區(qū)的存在，其氣相濃度較低。而傳統(tǒng)的曝氣池其氣相濃度主要集中在中心很狹小的區(qū)域，各截面的氣相也僅僅是集中在中心位置，其氣液混合較差。不同曝氣方法下曝氣池內(nèi)不同高度上的氣液混合效率如表1所示，與非螺旋曝氣方法的曝氣池相比，采用本實(shí)用新型的螺旋式曝氣方法的曝氣池其混合效率有了顯著提升。

表1不同曝氣方法氣液混合效率對(duì)比

對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本實(shí)用新型。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實(shí)用新型的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本實(shí)用新型將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。