[发明专利]一种气泡悬浮及气泡细化的高效曝气充氧方法及装置

说明书

本发明公开了一种气泡悬浮及气泡细化的高效曝气充氧方法与装置，该方法为：在水面之上将进水与空气或氧气等气体沿竖直管道下行进行混合，形成的气液混合物沿管道继续下行先后通过水面之下的悬浮气泡群发生器和气泡细化器，然后通过出口阀门沿水平方向在水底排出，最后出口气泡沿斜向上的路径对水体进行曝气充氧。本发明方法使得气液接触面积增大，气泡直径变小，气泡停留时间大幅延长，增大了溶氧效率和氧气利用率，实现了对水体的高效曝气充氧。本发明方法与传统微孔曝气法相比，全程采用大口径管道产生的微气泡曝气，彻底解决了传统曝气头污堵维护难题。本发明方法无需风机和送风管道，设备投资成本低，安装维护简单。本发明适用于污水处理、黑臭河体治理、水库湖泊水生态修复、水产养殖等。

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，具体涉及高效曝气充氧方法及装置。

背景技术

在污水处理、黑臭河体治理、水库湖泊水生态修复、水产养殖等过程中，常常需要向水体中曝气以充入氧气。曝气是水和空气充分接触以交换气态物质和去除水中挥发性物质的水处理方法，或使气体从水中逸出，如去除水的臭味或二氧化碳和硫化氢等有害气体；或使氧气溶入水中，以提高溶解氧浓度，达到除铁、除锰或促进需氧微生物降解有机物的目的。

曝气作为污水好氧生化处理系统的一个重要工艺环节，它的作用是向反应器内充氧，保证微生物生化作用所需之溶解氧，并保持反应器内微生物、底物、溶解氧，即泥、水、气三者的充分混合，为微生物降解有机物提供有利的生化反应条件。同时，曝气也是污水好氧生化处理系统中运转费用最高的工艺环节，曝气充氧电耗一般占总动力消耗的60％～70％，因此优选能耗少、造价低的曝气装置具有重要意义。

鼓风机曝气是污水处理厂目前广泛采用的一种曝气方式，它使用具有一定风量和压力的鼓风机以及连接输送管道。为了提高曝气过程中的氧转移效率，目前污水处理厂普遍采用微孔曝气系统。将空气通过微孔散气盘(或微孔散气管)强制加入到污水池中，使池内污水与空气充分接触。与大中气泡的曝气系统相比，微孔曝气系统能节约50％左右的能耗。尽管如此，其曝气过程的氧利用率也仅在20％～30％，气泡在污水池中的停留时间很短仅有15秒左右。

此外，曝气充氧还有射流法(采用射流器)和微纳米气泡法(采用溶气泵或微纳米气泡发生器等)，但以上这些方法的能耗都较目前普遍采用的微孔曝气法高，对于大规模水体曝气充氧会造成能源的大量浪费。

因此，为提高曝气充氧效率，降低能耗，需要从气液传质的基本理论入手来寻找高效节能的新方法。

我们知道，气体溶解度受温度、压力、水含盐量等影响，服从亨利定律，该定律给出了在给定条件下，单位体积水中能溶解气体的最大数值。若水中该气体实际含量小于该值，则有气体从气相迁移溶进水中，溶进数量为最大量与实际量之差，但亨利定律不能指明迁移溶解速率。而溶解速率问题，目前公认可用所谓“双膜理论”来描述。这一理论认为，在气-液界面两侧，分别存在相对稳定的气膜和液膜，气体溶解速率主要决定于通过气膜、液膜的速率。由于溶解气体在两膜界面处成平衡状态，因此，它在两相主体之间的浓度差，等于它在两膜中浓度差之和。显然，双膜越厚，对迁移的阻力也越大，气体溶解速率下降愈明显。气体溶解速率V＝dc/dt＝k_L·a(Cs-C)，主要受三方面因素的影响：(1)溶解气体的不饱和程度(Cs-C)，(2)气-液间比表面积a＝A/V的大小，(3)气-液界面的运动更新情况，可用液膜中气体分子传质系数k_L＝D/xf表示。若气体较难溶于水时(如氧气，氮气等气体)，则液膜阻力是基本控制因素，因此，搅动液体增大气液接触面积，更新表面提高传质系数k_L，减小液膜厚度xf，对加速溶解更为有利。

因此，从上述基本气液传质理论入手，开发高效曝气充氧新技术以达到节约过程能耗并提高氧气利用率的目的，对于实际大规模水处理应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种气泡悬浮及气泡细化的高效曝气充氧方法及装置。提供了新的适合水体大规模曝气充氧的低能耗方法，实现了氧气的高效溶解利用。