专利名称：一种节能曝气填料装置及包含该装置的一体化氧化沉淀池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种节能曝气填料装置及包含该装置的一体化氧化沉淀池，属于水处
理技术领域。
背景技术：
污水生物处理是一种节能、有效的水处理方式，它通过依附于设置在污水处理池 中的填料的微生物(也即微生物膜)对污水进行处理。填料是微生物的栖息地，因此，填料 上的微生物是否正常生长以及对营养物质包括空气在内的充分利用直接影响处理能力及 处理成本，微生物的最佳生长状态以及最低运行成本一直是相关领域技术工作者精益求精 的追求目标。 利用细菌把含氮有机化合物转化为硝酸盐的过程为生物过滤，生物过滤器通常由 生长着硝化细菌的载体填料构成，生物过滤的主要目的是将氨转化成亚硝酸盐和将亚硝酸 盐转化成硝酸盐。填料是水处理生物接触氧化法的核心部分，它直接影响着处理效果、充氧 性能、基建投资、运行周期和费用。据估计我国每年需要消耗的填料已达15 20万m3，随 着我国经济的持续高速发展和对环保事业的日益重视，各种新型填料在生物膜处理工艺中 必将发挥更加广泛的应用。同时，曝气效果的好坏极大地影响生物处理系统的效率。而曝气 又是一个非常耗能的过程，一般情况下曝气的能耗要占整个处理系统能耗的60% 80%， 曝气设备是城市污水和工业废水处理厂的关键设备之一，它对污水处理厂的节能起着决定 性作用。因此，提高微生物对氧的利用率是非常必要的。 同时，生物接触氧化法是在生物滤池的基础上，通过接触曝气形式改良而演变出 的一种生物膜处理技术。它具有生物膜法的基本特征，典型的工艺由氧化池、填料、布水装 置和曝气系统四部分组成，运行时填料全部浸没在污水中，利用机械装置向水体充氧，生物 膜绝大部分附着在固体填料上，少量悬浮于水中，它将生物滤池和活性污泥法有机结合在 一起，同时兼备两者的优点。从水中微生物的附着场所及生存方式来看，类似于生物滤池； 从反应器流体力学特性及曝气方式来看，它又与活性污泥法相似。 生物接触氧化法处理污水。主要依靠反应器内的填料及生物膜首先对有机物的吸
附和阻留作用，然后再在微生物作用下降解填料具有巨大的比表面积，污水中有机物进入
反应器后很快被填料吸附和阻留，这种吸附和阻留所积聚的有机颗粒增加了填料表面的粗
糙程度，加强了吸附阻留作用。与此同时，微生物同样在填料表面落户并大量繁殖形成生物
膜，相应地也增加了生物吸附作用。由于吸附作用，生物膜表面上附着一层滞流薄水层，氧
通过滞流层进入生物膜，有氧条件下，污水层内有机物不断被膜中微生物吸附、氧化、分解。
滞流水层内有机物浓度极大地低于流动层，在传质推动力作用下，流动层内有机物不断向
附着层转移，使流动水层在整体流动中逐步得到净化，达到处理污水目的。 由于城市污水处理主要是一项侧重于环境效益和社会效益的工程，在建设和日常
运行过程中常常受到资金的限制，同时随着城市发展步伐的加快及城市取悦的拓展，地价
上涨，土地使用也成为污水厂建设的制约因素之一，资金和技术已成为制 我国污水处理
3发展的"瓶颈"。因此，开展经济有效的污水处理新工艺或者组合工艺的研究与开发，降低污 水处理投资和运行费用、节省用地、管理方便、能达到城市一般回用水质标准，将对我国国 民经济和社会发展及环境保护具有十分重要的意义，且也将有巨大的应用范围和市场。生 物接触氧化池常常独立设置，这样结构上不紧凑，占空间和地面积大，而沉淀池又是水处理 工艺中必不可少的一个单元，建立生物接触氧化池与沉淀池组合的一体式反应池尚未得到 应用。
发明内容
发明目的为了解决上述缺点，本发明提供一种节能曝气填料装置及包含该装置 的一体化氧化沉淀池，该填料装置可以在寡营养、低温情况下快速挂膜，具有比表面积大、 耐水质水量波动的冲击，对氧的利用率高等特点，同时降低了建造成本。 同时，本发明提供一种一体化氧化沉淀池，解决生物接触氧化池与沉淀池分散设
置、流程较长、投资较大和处理效率低的问题。 技术方案 为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案 —种节能曝气填料装置，包括中心管、M束纤维束、N个圆环；所述中心管为空心 管，且中心管的上端开口，下端封闭；纤维束通过压环固定设置在圆环上；在中心管的外壁 上从上至下均匀设置n对相互对称的扣孔；在中心管的外壁上设置的相邻两个扣孔之间均 设置有m对相互对称的曝气孔，曝气孔的开口直径从中心管的顶部至底部依次增大，其中 M、 N、 m、 n均为大于2的正整数； 所述N个圆环的每个圆环由两个相同的半圆环组成，每个半圆环的左右两端分别
设置有卡扣、卡槽；两个半圆环通过卡扣、卡槽相互对接形成一个圆环，在两个半圆环内壁
的中心位置分别设置有扣子，每个圆环通过扣子与中心管的设置的扣孔固定连接。本发明的节能曝气填料装置所述中心管的内径为8mm 14mm，所述M束纤维束的
每束纤维束的直径为①120mm ①210mm，相邻两个扣孔之间的间距分别取80mm 140mm，
曝气孔设置于相邻两扣孔之间距离上方扣孔下方的16mm 28mm处。 本发明的节能曝气填料装置的纤维束由聚丙烯制作而成。 本发明的节能曝气填料装置的中心管由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯等耐酸 碱性、耐老化和性能较好的材料制成。 本发明的节能曝气填料装置的圆环由塑料材质制成。 本发明的节能曝气填料装置的曝气孔的开口直径从中心管的顶部至底部依次增 大，在确定中心管的上端第一曝气孔开口直径后，依照下式计算下端曝气孔的开口直径
p水g (Vh》=1/2 P气((VcQ 4-1) v22 上式中p i代表水的密度，g代表重力加速度，^代表曝气孔1离水面的高度，h2 代表下端曝气孔离水面的高度，P ，代表曝气管内的气体密度，^代表下端曝气孔的气体速 度A代表上端曝气孔的直径，d2代表下端曝气孔的直径。 —种包含本发明所述节能曝气填料装置的一体化氧化沉淀池，包括生物接触氧化 池、N个节能曝气填料装置、支架和沉淀池，N为大于2的正整数；所述生物接触氧化池为圆 柱形，沉淀池为圆锥形；所述生物接触氧化池与沉淀池的直径相同，生物接触氧化池的下端
4开口并且与沉淀池的上端对接；节能曝气填料的中心管的上端与支架的框架固定连接，支
架的四周与生物接触氧化池的顶部四周连接。 有益效果 本发明的纤维束由聚丙烯制作而成，属微米级填料，该填料的特点为(l)化学稳 定性好，过滤过程中不发生任何化学反应；(2)无论反洗强度多大，不会发生破损和流失跑 料；(3)单丝直径可达几十微米甚至几微米，具有巨大的比表面积和表面自由能(单丝直径 50微米纤维滤层比表面积80000m7m3)，大大增加了水中杂质颗粒与滤料的接触机会及滤 料的吸附能力，可显著提高过滤效率和截污容量；(4)纤维束滤料不掉毛、不流失、不缠绕、 不纠缠、易清洗，正因如此，纤维束滤元寿命可达io年以上，期间不需更换，大大降低了运 行成本，减轻了劳动强度，减少了停水检修的时间。 圆环作用是将纤维束压在环的环圈上，使纤维束均匀分布，同时，使纤维束固定， 以防止水流的强制紊动作用，由于每一纤维束都有相对应的曝气孔供气，从而大大提高了 曝气效率，可以节省曝气所用的电耗的20% 40%，同时纤维束上面的微生物可以受到气
体的刷新，提高了微生物的新陈代谢能力，从而提高了污水处理效率，具有良好的应用前
旦 豕。 生物接触氧化池中的节能曝气填料是由支架所支撑和连接，不需要进行反冲洗，
不需要考虑反冲洗的水的去向，节省了运行成本； 生物接触氧化池无需设置承托层，减少了投资成本； 填料节能曝气填料为一对一曝气，即每一微生物生均有相应的曝气孔曝气，提高 了曝气效率； 沉淀池置于生物接触氧化池底部，沉淀池与生物接触氧化池共享部分墙壁，而且
沉淀池池壁在生物接触氧化池中能对水流起到碰撞作用，有利于提高曝气效率； 沉淀池可作为初沉池、二沉池或终沉池，沉淀池作为初沉池时，水从圆形沉淀池进
入，从生物接触氧化池上部流出，此时生物接触氧化池为上向流形式；沉淀池作为二沉池或
终沉池时，水从生物接触氧化池上部进入，从沉淀池流出，此时生物接触氧化池为下向流形
式； —体化节生物接触氧化沉淀池集生物接触氧化与沉淀池于一体，剩余污泥量少，
不存在污泥膨胀的问题，占地面积小，运行管理方便，节省了投资和运行成本。 适用于各种生化降解的生活污水、医疗污水和有机废水处理，用于去除高、中、低
浓度的有机化合物，对各类生活污水、医疗废水，有机废水和工业废水均具有良好的处理效果。
图1是本发明的节能曝气填料装置的结构示意图。 图2是图1中纤维束2的局部放大图。 图3是图2中A-A方向的剖面图。 图4是图2中B-B方向的剖面图。 图5是图2中的中心管剖面图。 图6是本发明中组成圆环的半圆环的展开图。
图7是一体化氧化沉淀池的结构图。
图8是一体化氧化沉淀池的支架示意图。 附图标记:1-中心管，2-纤维束，3_圆环，4-曝气孔，5-扣孔，6-扣子，7-卡口， 8-卡槽，9-压环，10-生物接触氧化池，11-节能曝气填料装置，12-支架，13-沉淀池。
具体实施例方式
下面同构实施例对本发明作进一步的详细说明，但不是对本发明的限定。
本发明的技术方案是这样实现的图1为此发明填料装置的整体结构，包括中心 管1、M束纤维束2、N个圆环3 ;所述中心管1为空心管，中心管1由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙 烯、聚丁烯等耐酸碱性、耐老化和性能较好的材料制成，且中心管1的上端开口，下端封闭； 纤维束2由聚丙烯制作而成，纤维束2通过压环9固定设置在圆环3上；在中心管1的外壁 上从上至下均匀设置n对相互对称的扣孔5 ;在中心管1的外壁上设置的相邻两个扣孔之 间均设置有m对相互对称的曝气孔4，曝气孔4的开口直径从中心管l的顶部至底部依次增 大，其中M、 N、 m、 n均为大于2的正整数； 所述N个圆环3的每个圆环由两个相同的半圆环组成，材质由塑料制成；每个半 圆环的左右两端分别设置有卡扣7、卡槽8 ;两个半圆环通过卡扣7、卡槽8相互对接形成一 个圆环，在两个半圆环内壁的中心位置分别设置有扣子6，每个圆环通过扣子6与中心管1 的设置的扣孔5固定连接。中心管1内径可以取8mm、10mm、12mm和14mm，此时纤维束2直 径分别对应为①120mm、①150mm、①180mm和①210mm时，纤维束2之间的间距分别对应取 80mm、100mm、120mm和140mm，曝气孔4分别对应定在纤维束2的下方16mm、20mm、24mm和 28mm处，先确定出离水面最近的曝气孔孔径，再根据进气量和进气强度即可依次确定下方 曝气孔的孔径。同一中心管1同一高度处曝气孔可以根据处理水水质定为3到8个不等， 曝气孔的孔径可以根据上面求出的公式P水g仏2-h》=1/2P气((Vcg4-l)V2先确定出离 水面最近的曝气孔孔径，该孔径可以定为0. 5mm 1. 5mm，再根据进气量和进气强度即可依 次确定下方曝气孔的孔径。 曝气孔的开口直径从中心管1的顶部至底部依次增大，在确定中心管1的上端第 一曝气孔开口直径后，曝气孔的开孔相对位置以及开孔孔径可由伯努利方程计算得到，具 体计算过程如下
伯努利方程 p+ p gh+l/2 P v2 = c (1) 上式中p代表压强，P代表液体密度，g代表重力加速度，v代表速度，c为常数； 在此条件下，任两曝气孔的关系式 p水gh一l/2p气v/ = P水gh2+l/2p气v/ (2)
p水gQi2-h》=1/2P气(v/-V22) (3)
而， vA = v2A2 (4)
即，
V,厶Ji = V2
V/ = (VcQ 4
Ji d22 (5)
(6)
p水gQi2-h》=1/2P气((d/cg4-l)V22 (7) 上式中p i代表水的密度，^代表上端曝气孔离水面的高度，P ，代表曝气管内的 气体密度，Vl代表上端曝气孔气体速度，h2代表下端曝气孔离水面的高度，v2代表曝气孔2 气体速度；上式中A代表上端曝气孔截面积，4代表下端曝气孔截面积A代表上端曝气孔 的直径，d2代表下端曝气孔的直径。 圆环3与中心管1的连接如图4所示，如图6所示，圆环为两个半圆环而连接，而
每个半圆环的正中间有一个扣子6可以扣在中心管1的扣孔5上，以固定圆环3。 —体化氧化沉淀池，包括生物接触氧化池10、5个节能曝气填料装置、支架12和沉
淀池13 ;生物接触氧化池10为圆柱形，沉淀池13为圆锥形；生物接触氧化池10与沉淀池
13的直径相同，生物接触氧化池10的下端开口并且与沉淀池13的上端对接；节能曝气填
料装置11的中心管的上端与支架12的框架固定连接，支架12的四周与生物接触氧化池10
的顶部四周连接。
权利要求
一种节能曝气填料装置，其特征在于包括中心管(1)、M束纤维束(2)、N个圆环(3)；所述中心管(1)为空心管，且中心管(1)的上端开口，下端封闭；纤维束(2)通过压环(9)固定设置在圆环(3)上；在中心管(1)的外壁上从上至下均匀设置n对相互对称的扣孔(5)；在中心管(1)的外壁上设置的相邻两个扣孔之间均设置有m对相互对称的曝气孔(4)，曝气孔(4)的开口直径从中心管(1)的顶部至底部依次增大，其中M、N、m、n均为大于2的正整数；所述N个圆环(3)的每个圆环由两个相同的半圆环组成，每个半圆环的左右两端分别设置有卡扣(7)、卡槽(8)；两个半圆环通过卡扣(7)、卡槽(8)相互对接形成一个圆环，在两个半圆环内壁的中心位置分别设置有扣子(6)，每个圆环通过扣子(6)与中心管(1)的设置的扣孔(5)固定连接。
2. 根据权利要求l所述的一种节能曝气填料装置，其特征在于所述中心管(1)的内径为8mm 14mm，所述M束纤维束(2)的每束纤维束的直径为①120mm ①210mm，相邻两个扣孔之间的间距分别取80mm 140mm，曝气孔(4)设置于相邻两扣孔之间距离上方扣孔下方的16mm 28mm处。
3. 根据权利要求l所述的一种节能曝气填料装置，其特征在于纤维束(2)由聚丙烯制作而成。
4. 根据权利要求l所述的一种节能曝气填料装置，其特征在于中心管(1)由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯等耐酸碱性、耐老化和性能较好的材料制成。
5. 根据权利要求l所述的一种节能曝气填料装置，其特征在于圆环(3)由塑料材质制成。
6. 根据权利要求l所述的一种节能曝气填料装置，其特征在于所述曝气孔(4)的开口直径从中心管(1)的顶部至底部依次增大，在确定中心管(1)的上端第一曝气孔开口直径后，依照下式计算下端曝气孔的开口直径<formula>formula see original document page 2</formula>上式中P i代表水的密度，g代表重力加速度，^代表曝气孔1离水面的高度，h2代表下端曝气孔离水面的高度，P ，代表曝气管内的气体密度，v2代表下端曝气孔的气体速度；4代表上端曝气孔的直径，d2代表下端曝气孔的直径。
7. —种包含权利要求1至6任意一条所述节能曝气填料装置的一体化氧化沉淀池，其特征在于包括生物接触氧化池(10)、N个节能曝气填料装置(11)、支架(12)和沉淀池(13)，N为大于2的正整数；所述生物接触氧化池(10)为圆柱形，沉淀池(13)为圆锥形；所述生物接触氧化池(10)与沉淀池(13)的直径相同，生物接触氧化池(10)的下端开口并且与沉淀池(13)的上端对接；节能曝气填料装置(11)的中心管(1)的上端与支架(12)的框架固定连接，支架(12)的四周分别与生物接触氧化池(10)的顶部四周连接。
全文摘要
本发明公开了一种节能曝气填料装置及包含该装置的一体化氧化沉淀池，填料装置包括中心管(1)、M束纤维束(2)、N个圆环(3)；中心管(1)为空心管，上端开口，下端封闭；纤维束(2)通过压环(9)固定设置在圆环(3)上；在中心管(1)的外壁上从上至下均匀设置n对相互对称的扣孔(5)；在中心管(1)的外壁上设置的相邻两个扣孔之间均设置有m对相互对称的曝气孔(4)，曝气孔(4)的开口直径从中心管(1)的顶部至底部依次增大，本发明提高了微生物的活性和曝气效率，同时也节省了建造材料费用；包含该填料装置的一体化氧化沉淀池，集生物接触氧化与沉淀池于一体，剩余污泥量少，占地面积小，节省了投资和运行成本。
文档编号C02F3/10GK101704575SQ200910234340
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月24日 优先权日2009年11月24日
发明者刘志刚, 李轶 申请人:河海大学