本申請涉及水體曝氣增氧領域，特別是涉及一種水氣混合增氧裝置。

背景技術(shù)：

水體曝氣增氧裝置在污水處理、水產(chǎn)養(yǎng)殖、河道湖泊治理、自來水處理、工業(yè)污水處理等領域都有廣泛的應用。污水處理廠的各種污水廢水處理過程中，水體增氧都是必需的環(huán)節(jié)，而且增氧所需的能耗占總能耗的60％以上，占總運行成本約40％。到2015年，全國每天污水處理量達到了約2億噸，每天的增氧電耗達到5千萬-1億千瓦時，因此高效低耗的曝氣增氧技術(shù)、設備有其重大的經(jīng)濟價值和社會效益。水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，中國是世界上最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖國，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量占全世界70％，淡海水水產(chǎn)養(yǎng)殖面積約1億畝。增氧裝置是各種水產(chǎn)養(yǎng)殖最重要的必備設備，它能使空氣中的氧氣溶入水體，增加水體溶氧量，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖密度，避免因水體缺氧造成水產(chǎn)品生病死亡，減少水體污染。較高的水體溶氧量能加快水產(chǎn)品生長速度，減少餌料和藥物的用量，減少養(yǎng)殖廢水排放，提高水產(chǎn)品質(zhì)量、品質(zhì)，從多方面提高水產(chǎn)養(yǎng)殖效益。此外，小型曝氣增氧裝置是觀賞魚池飼養(yǎng)、鮮活水產(chǎn)品在運輸銷售和飯店酒樓?；畋ｕr等場合所必需的，該類增氧裝置特點是數(shù)量非常巨大、功率較小，氧動力系數(shù)很低。

在河道湖泊治理方面，中國60％以上的河道、湖泊有不同程度的污染，工農(nóng)業(yè)廢水、生活廢水的大量排放，使水體的化學需氧量COD、生化需氧量BOD、氮、磷含量大大超標，藍藻頻繁而大規(guī)模爆發(fā)，水體嚴重缺氧，有機物不能及時進行有氧分解，厭氧菌大量繁殖，造成水體發(fā)黑、發(fā)臭，水生動植物無法生存，水體喪失自我恢復的生態(tài)功能。其治理的最有效和必不可少手段之一就是通過增氧機向水中增氧，增加水體溶氧量，降低COD、BOD，為好氧微生物、浮游動植物乃至水生動植物的生存繁殖提供必要和良好的條件，恢復水體的自凈能力和生態(tài)功能，改善水質(zhì)。目前已經(jīng)有工程案例證明，曝氣增氧單獨進行或結(jié)合其他措施，如曝氣增氧結(jié)合生物膜技術(shù)，能有效消除水體黑臭、防止藻類暴發(fā)，提高水生動植物的產(chǎn)量，將水體中污染物資源化。自來水加工方面，自來水加工處理過程，尤其是其中除鐵、除錳工序，都必須用到曝氣增氧設備。

現(xiàn)有的水體增氧設備大致分為水面機械增氧和水下曝氣增氧兩類。水面機械增氧的有葉輪式、水車式、噴泉式、轉(zhuǎn)碟轉(zhuǎn)刷式、跌水式；水下增氧的有微孔曝氣式和射流曝氣式。水面機械增氧設備一般是攪動淺層水體或?qū)⑺畤姙R入或跌入空氣中，增加水體和空氣的接觸面使空氣中的氧氣溶入水中，增加水體的溶氧量。其缺點是能耗大、往往只能增加水體表面的含氧量、而對水體底層的增氧效果差，不適合較深水體的增氧，并且噪音較大，水體上下循環(huán)功能弱。

水下曝氣增氧比較典型的是微孔曝氣式增氧機，其原理是，將曝氣器如曝氣管或曝氣盤安裝在水底附件，再用空壓機或鼓風機將壓力空氣經(jīng)鋪設于水底的輸氣管送到曝氣器，從曝氣器的微孔中以小氣泡的形式排入水中，達到各種深度水體的增氧目的。其缺點是，水體越深需要的氣壓就越高，能耗相對較大；并且，氣壓越高氣體溫度也越高，有一部分能量以熱量耗散的方式被浪費，與此同時，因高溫導致輸氣管道的老化，影響使用壽命。并且，微孔曝氣式增氧機每根曝氣管或每個曝氣頭的增氧有效服務面積有限，因此需在水底附近大面積鋪設安裝大量輸氣管、曝氣管或曝氣盤，施工量和施工難度大。安裝時一般需排干水池或水塘里的水；這使大面積的湖泊、河道難以安裝使用。另外，微孔曝氣式增氧機還存在曝氣孔容易堵塞，增氧機會因輸氣管、曝氣管、曝氣盤的老化而失效，設施壽命較短，故障多，維護困難等一系列問題?，F(xiàn)有的，常規(guī)微孔曝氣增氧機的氧動力系數(shù)為3-6kg O₂/(kW·h)，即每度電可為水體增氧3-6kg，是各類增氧機氧動力系數(shù)最高的，其他類的增氧機動力系數(shù)一般在3kgO₂/(kW·h)以下；即便如此，微孔曝氣增氧機的能耗也是不容小覷的。水下增氧的射流式曝氣增氧機是把空氣吸入或壓入高速水流中在水下進行噴射，其表層以下水體增氧效果好于水面增氧設備，缺點是能耗大、水下噴射距離有限，整體循環(huán)效果較差。目前比較常規(guī)的水體增氧裝置及其優(yōu)缺點如表1所示。

表1水體增氧裝置

現(xiàn)有的各類增氧設備因其工作原理的限制，繼續(xù)改進的余地有限。同時每種設備有其各自的不足：能耗高、立體循環(huán)功能差、施工難度大、故障率高、維修困難、壽命短等。

我國人均享有的淡水資源并不多，而且部分水資源已遭到不同程度的污染。隨著我國城鎮(zhèn)化速度的加快，國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對水量的需求就越來越大，對水質(zhì)的要求亦將越來越高。曝氣增氧技術(shù)在水處理工藝和水產(chǎn)養(yǎng)殖等行業(yè)中占有著很重要的地位，國內(nèi)相關(guān)的技術(shù)工作者一直在追求和研究高效、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)的曝氣增氧技術(shù)，以滿足社會對水資源的需求。

另外，國內(nèi)許多污水處理廠已運行多年，曝氣系統(tǒng)嚴重老化，隨著污水處理廠升級改造和提標，亟需對其處理工藝和曝氣系統(tǒng)進行改造。國內(nèi)商家提供的微孔曝氣器的使用壽命很少有三年以上的，多數(shù)的污水處理廠的曝氣系統(tǒng)都是在帶病運行?，F(xiàn)階段，新型的曝氣器研究如新型射流曝氣器，由于其效果好，不易堵塞，能耗低等優(yōu)點被廣為應用。好氧生物處理曝氣系統(tǒng)的能耗占整個污水處理廠的60％～70％，可以預見，在未來相當長的一段時間內(nèi)，老廠的技術(shù)改造都將是業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的重點，又加之新污水處理廠的不斷建設，都為新型高效節(jié)能曝氣系統(tǒng)提供了廣闊的市場空間。

因此，設計一個可靠、高效、節(jié)能的曝氣系統(tǒng)對污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、節(jié)能降耗具有實務性的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本申請的目的是提供一種全新結(jié)構(gòu)的水氣混合增氧裝置。

本申請采用了以下技術(shù)方案：

本申請的一方面公開了一種水氣混合增氧裝置，本申請的水氣混合增氧裝置包括具有進水口11和出水口12的曝氣管道，曝氣管道的出水口12大于進水口11，曝氣管道以進水口11為起點，呈類似圓錐形狀的逐漸向出水口12擴大，曝氣管道的進水口端設計有進氣口13；曝氣管道內(nèi)部設計有螺旋葉片14，螺旋葉片14固定于曝氣管道的內(nèi)壁上，由進水口11螺旋延伸至出水口12，將曝氣管道阻隔成螺旋形通道；水和空氣進入曝氣管道后通過螺旋葉片14混合，最后由出水口12排出。

其中，曝氣管道以進水口11為起點，呈類似圓錐形狀的逐漸向出水口12擴大，是指曝氣管道是呈喇叭狀逐漸增大的，這樣設計的好處是，水和氣進一步充分混合后，必然會使水體的體積膨脹，因此，逐漸增大的曝氣管道為水氣混合膨脹提供了空間條件。當然，本申請的曝氣管道只是呈類似圓錐形狀的增大，并非完全按照圓錐形結(jié)構(gòu)增大，例如本申請的一種優(yōu)選方案中，曝氣管道就是由三級管道組成的，每級管道逐漸增大，也能達到本申請的使用需求。

需要說明的是，本申請的水氣混合增氧裝置，水體由進水口11進入、空氣由進氣口13進入，然后兩者在螺旋葉片14形成的螺旋形通道中反復混合，螺旋葉片14具有導流、擾流和氣泡碎化的作用，產(chǎn)生的氣泡均勻、微小，有效的提高了曝氣增氧的效果。

優(yōu)選的，曝氣管道的側(cè)壁上還設置有若干個單向進氣管131或單向進水管111。

需要說明的是，在本申請的優(yōu)選方案中，曝氣管道的側(cè)壁上設置有若干個傾斜的單向管道，這些管道暴露于空氣中，即為單向進氣管131，插入水中即為單向進水管111。由于曝氣管道中水是向出水口流動的，而曝氣管道外的水或氣體是相對靜止的，如果曝氣管道中的水動能增加值大于此處的靜水壓力，此處的水壓即低于大氣壓，可單獨或同時達到以下效果：減小鼓風機的功耗，增加曝氣量；水壓低于大氣壓的情況下，無需鼓風機做功，在大氣壓的作用下，水面的空氣通過單向進氣管131被吸入，增加曝氣，即可進行所謂的負壓無功曝氣。與此同時，曝氣管道外的水體會通過單向進水管111流入曝氣管道中，參與曝氣，可實現(xiàn)較大曝氣面積和曝氣量，并且由于氣泡微小，氣液兩相間接觸面積大，溶氣效率增高。

優(yōu)選的，本申請的水氣混合增氧裝置中，曝氣管道由第一級管道01、第二級管道02和第三級管道03共三級組裝而成，第一級管道01、第二級管道02和第三級管道03的橫切面積和長度都依次增大，進水口11設計于第一級管道01，出水口12設計于第三級管道03。

需要說明的是，本申請中采用三級逐漸增大的管道組裝成曝氣管道，一則可以滿足曝氣管道逐漸增大的設計和使用需求，二則通過三級管道組裝，在管道加工生產(chǎn)和運輸方面也更容易。

優(yōu)選的，螺旋葉片14上設計有若干個細小的微孔141。

需要說明的是，螺旋葉片的設計是為了使水體和空氣更加有效的混合，而微孔141可以進一步切割空氣和水體，使之更有效的均勻分散。

優(yōu)選的，本申請的水氣混合增氧裝置還包括配套使用的水泵和鼓風機，水泵與進水口11連通，鼓風機與進氣口13連通。

需要說明的是，本申請的關(guān)鍵在于曝氣管道及其內(nèi)部螺旋葉片等結(jié)構(gòu)的設計，至于水泵和鼓風機可以根據(jù)實際使用需求給配備。還需要說明的是，本申請的水氣混合增氧裝置，運行時其曝氣管道內(nèi)的靜水壓力值小于因水流流過通道所增加的動能值，因此減小了曝氣壓力，外界空氣會因為大氣壓力差進入水中，且管道所處位置為水體表層，水壓較小，因此只需要外加小功率鼓風設備，就能夠達到很好的曝氣增氧效果，節(jié)省設備投資和運行費用。并且，增氧效果與曝氣管道的長度有關(guān)，曝氣管道越長增氧越多，具體的曝氣管道長度、水泵和鼓風機等可以根據(jù)使用需求而定，在此不做具體限定。

本申請的另一面公開了本申請的水氣混合增氧裝置在淺層水體曝氣增氧中的應用。

需要說明的是，本申請的水氣混合增氧裝置就是針對淺層水體曝氣而設計的，淺層水體曝氣不僅增氧效果好，而且能耗低；尤其是本申請的水氣混合增氧裝置，在提高曝氣增氧效果的同時，進一步降低了能耗。

本申請的有益效果在于：

本申請的水氣混合增氧裝置，在曝氣管道內(nèi)設計螺旋葉片，具有導流、擾流和氣泡碎化的作用，使得產(chǎn)生的氣泡更加均勻、微??；并且，螺旋葉片將曝氣管道阻隔成螺旋形，水體和氣泡在其中被反復的翻轉(zhuǎn)、混合，避免了水、氣分層，提高了溶氣效率。本申請的水氣混合增氧裝置，結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、容易安裝，并且使用和維護成本都很低，能夠滿足各種條件的污水處理或水體凈化使用需求。

附圖說明

圖1是本申請的實施例中水氣混合增氧裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本申請的實施例中水氣混合增氧裝置的曝氣管道內(nèi)部的螺旋葉片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本申請的實施例中螺旋葉片另一角度的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本申請的實施例中螺旋葉片另一角度的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

本申請的水氣混合增氧裝置，曝氣管道的內(nèi)部設計螺旋葉片，空氣由進氣口進入，先是形成氣泡然后在螺旋葉片形成的螺旋形的曝氣管道中不斷地破碎合并，最后在液面破裂逸散，通過氣液界面的接觸，使氧氣由氣相向液相轉(zhuǎn)移。其中，當氣液兩相混合物經(jīng)過螺旋葉片時，由于湍流的剪切作用以及螺旋葉片和螺旋葉片上微孔的切割作用使得氣泡變形、分裂、碎化，產(chǎn)生微氣泡，增大了氣液兩相的接觸面積，提高了氧在水中的傳質(zhì)效率；同時，螺旋葉片會攜帶水、氣克服摩擦力做圓周運動，并推動水、氣沿著軸向旋轉(zhuǎn)前進，起到了導流作用；由于微小氣泡密度很小，若直接通過沒有設計螺旋葉片的管道輸送，則氣泡會因為浮力作用而向上浮動，從而造成氣液分層，溶氣效果不佳，本申請的螺旋葉片的設計，破壞了流場的層流，相鄰流層間相互滑動、相互混合，此時流場的慣性力大于黏滯力，流體流動不穩(wěn)定，流速產(chǎn)生的微小變化容易發(fā)展、增強，形成紊亂、不規(guī)則的紊流，氣液分層因此被打破，氣液混合均勻。

再者，本申請的氣、水混合輸送管道，即曝氣管道通常是安裝于水體表層，有部分露出水面，有利于外界空氣進入，水體快速流動，根據(jù)伯努利方程可知：流速快，壓強小，使氣液接觸界面處壓強變小，有利于接觸面處空氣溶解到水體中；輸送管道接近水面，鼓入的空氣生成大量氣泡，在液面強烈擾動而外溢，原本對水下深處的擾動極少，充氧效率較低，不過加裝足夠長的曝氣管道為氣液接觸創(chuàng)造充分的時間，有利于氣液充分混合，加長的曝氣管道創(chuàng)造了更長的氣液接觸時間，足以補償因減短氣泡上升路程的氧轉(zhuǎn)移損失，同時水體表層水壓低，風壓低，風機功耗相應可以減小，可實現(xiàn)以低壓送風獲得較高充氧效率的效果。并且，在使用時，可以在水池中間安裝隔板，將水池底部的水通過水泵送入水氣混合增氧裝置的進水口，可使水體上下立體循環(huán)流動，無需加裝水底推流器即可實現(xiàn)對底層水體的充氧。

此外，從流體力學的伯努利方程可知：一管道內(nèi)定常的連續(xù)水流中，即流場狀況不隨時間改變，若不計摩擦力，除重力外無外力作用，則水流中的各處不同位置的水體相互之間符合以下規(guī)律：動能+壓力-水深產(chǎn)生的靜壓力＝恒值，其中水深產(chǎn)生的靜壓力即靜水壓力，靜水壓力＝水深×水的比重，靜水壓力只與水深相關(guān)，與動能無關(guān)；因此某一位置的水流流速增大，動能也相應增大，且動能與速度平方成正比關(guān)系，則該位置的水壓相應減小；某一位置的水流流速減小，動能也減小，則水壓相應的增大。因此根據(jù)上述規(guī)律，提出本申請的曝氣管道變化原理：一管道的進出水口分別與外水體相連通，曝氣管道內(nèi)部形成與外水體隔離的水流通道，曝氣管道內(nèi)安裝螺旋葉片，水體沿螺旋葉片的引導呈螺旋的流向出水口，即水體的流動方向與螺旋葉片平行，水流高速流過螺旋葉片時，曝氣面的水壓會降低，且大幅度低于外水體相同水深處的水壓，因此曝氣壓力降低，同時在曝氣管道側(cè)面開孔，連接傾斜管道，即單向進氣管和單向進水管，由于流體流動，曝氣管道內(nèi)壓力變小，外水體會經(jīng)單向進水管流入補充，空氣也會由單向進氣管進入，增加曝氣量、降低曝氣功耗、增加氧動力系數(shù)。氣液兩相混合物從橫截面積小的曝氣管道流入橫截面積大的曝氣管道，流速降低，水壓會增大，微小氣泡被壓縮破裂，有利于氧氣在水體中的進一步溶解，提高氧轉(zhuǎn)移效率。如在外加裝置對水流做功，W為做功裝置對單位體積水體所做的功，做功裝置的上游水體的動能+壓力-靜水壓力＝H1，做功裝置的下游水體的動能+壓力-靜水壓力＝H2，則W＝H2-H1，如W遠小于動能的變化值，則在計算動能和壓力的轉(zhuǎn)換時，可忽略W的影響。

本申請的水氣混合增氧裝置，在運行時，曝氣管道內(nèi)的靜水壓力值小于因水流流過通道所增加的動能值，因此減小了曝氣壓力，外界空氣會因為大氣壓力差進入曝氣管道中，且管道所處位置為水體表層，水壓較小，因此只需要外加小功率鼓風設備，節(jié)省設備投資和運行費用；管道內(nèi)置螺旋葉片可實現(xiàn)導流、擾流、氣泡碎化作用，使氣液不分層，產(chǎn)生氣泡均勻，氧轉(zhuǎn)移率提高；管道長度足夠長時，雖為淺層水體曝氣增氧，其增氧效果可與深層曝氣相比，且可實現(xiàn)水體立體循環(huán)；操作管理方便，曝氣增氧效果好；整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、靈活、組合方便；總投資成本低，維護簡單。

下面通過具體實施例和附圖對本申請作進一步詳細說明。以下實施例和附圖僅對本申請進行進一步說明，不應理解為對本申請的限制。

實施例

本例的水氣混合增氧裝置如圖1所示，包括具有進水口11和出水口12的曝氣管道，曝氣管道由第一級管道01、第二級管道02和第三級管道03共三級組裝而成，第一級管道01、第二級管道02和第三級管道03的橫切面積和長度都依次增大，進水口11設計于第一級管道01，出水口12設計于第三級管道03；曝氣管道的進水口端設計有進氣口13；曝氣管道內(nèi)部設計有螺旋葉片14，如圖2、圖3和圖4所示，螺旋葉片14固定于曝氣管道的內(nèi)壁上，由進水口11螺旋延伸至出水口12，將曝氣管道阻隔成螺旋形通道；螺旋葉片14上設計有若干個細小的微孔141；在第一級管道01和第二級管道02的組裝位置，以及第二級管道02和第三級管道03的組裝位置，設計有若干的傾斜的單向管道，即單向進氣管131和單向進水管111；水和空氣進入曝氣管道后通過螺旋葉片14混合，最后由出水口12排出。

使用時，將本例的水氣混合增氧裝置與外配的水泵和鼓風機連接，即水泵與進水口11連通，鼓風機與進氣口13連通；本例的水氣混合增氧裝置，安裝于淺層水體，出水口12深入水體淺層，進水口11露出在空氣中，整個曝氣管道呈傾斜的斜插在水中，而水泵的抽水管則深入水體底部，將水抽入曝氣管道中，實現(xiàn)水體的上下循環(huán)。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實施方式對本申請所作的進一步詳細說明，不能認定本申請的具體實施只局限于這些說明。對于本申請所屬技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本申請構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本申請的保護范圍。