专利名称：促进气体在液体中溶解的方法和设备及使用该设备的污水处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种促进气体在液体中溶解的方法，具体地说是一种增压快速气液传 质法，特别是污水处理过程中的快速溶解氧曝气方法，可以使污水在瞬间达到溶解氧的过 饱和状态，从而确保足够的溶解氧供给微生物消耗；可以定量的控制气体的加入量，减少气 体的浪费，以及减少目前使用曝气器不断充气所耗的能源，从而达到降低污水处理成本的 目的。
背景技术：
生物降解过程是污水处理过程中最重要的一个步骤，而长期以来一直利用活性污 泥法来降解污水中的有机物质及营养物。活性污泥法是水体自净的人工强化方法，是一种 依靠活性污泥工作主体来去除污水中有机物的方法。目前广泛使用的是好氧生物法，存在 于活性污泥中的好氧微生物必须在有氧气存在的条件下才能起作用。在污水处理生化系统 的曝气池中，充氧效率与好氧微生物生长量成正相关性。溶解氧的供给量要根据好氧微生 物的数量、生理特性、基质性质及浓度来综合考虑。这样，活性污泥才能处在最佳的降解有 机物的状态，若供氧不足，活性污泥性能差，导致废水处理效果下降。为保证水中具有充足 的溶解氧，目前广泛使用的方法为曝气法，相应的设备为曝气器。曝气是使空气与水强烈接触的一种手段，其目的在于将空气中的氧溶解于水中， 或者将水中不需要的气体和挥发性物质放逐到空气中，它是促进气体与液体之间物质交换 的一种手段。现有的曝气类型大体分为两类一类是鼓风曝气，一类是机械曝气。鼓风曝气，又称压缩空气曝气。采用这种方法的曝气池，多为长方形混凝土池，池 内用隔墙分为几个单独进水的隔间，每一隔间又分成几条廊道。污水入池后顺次在廊道内 流动，至另一端排出。空气是用空气压缩机通过管道输送到设在池底的空气扩散装置，成为 气泡弥散逸出，在气液界面把氧气溶入水中。扩散装置有多孔管、固定螺旋曝气器、水射器 和微孔扩散板等四种不同型式。这种方式的缺点是在使用过程中容易被污泥污染及堵塞微 孔。机械曝气一般是利用装在曝气池内的机械叶轮转动，剧烈搅动池内废水，使空气 中的氧溶入水中。叶轮装在池内废水表面进行曝气的，称为表面曝气。这种装置通过叶轮 的提水作用，促使池内废水不断循环流动，不断更新气液接触面以增大吸氧量。叶轮旋转时 在周缘形成水跃，可有效地裹入空气；叶片后侧产生负压，可吸入空气，所以充气效果较好。 叶轮浸水深度和转速可以调节，以保证最佳效果。典型的机械曝气池有圆形表面加速曝气 池、标准型加速曝气池、10型加速曝气池和方形加速曝气池等。鼓风曝气和机械曝气两种 方法有时也可联用，以提高充氧能力，这适用于有机物浓度较高的污水。上述几种曝气器均存在着氧气利用率不高且氧气在水中保留时间短等问题，如果 没有持续不断的提供氧气就不能满足微生物耗氧所需要的氧气。
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为了进一步增加氧的溶解度，目前已有采用纯氧的曝气方法。纯氧曝气与前两种 曝气方式机理上基本是相同的，都是通过好氧微生物对污水中的有机物进行生化反应使污 水得以净化。所不同的是前者是向污水中充纯氧，后者是向污水中充空气。氧气法的一大 特点就是处理效率明显高于空气法。将同一污水处理到同一水平，氧气法所需曝气时间一 般仅为空气法的1/3左右。这是因为纯氧的浓度是空气中氧浓度(21%)的4.7倍，因此氧 气法系统中氧的分压，亦即溶氧的推动力，也比空气法高4. 7倍，在水中溶解氧的饱和值C 也增加了 4. 7倍，充氧速率也增加了 4. 7倍，显著提高了氧的转移速率，从而使好氧微生物 的浓度和活性都提高，明显改善了传统活性污泥法的不足。但其缺点为必须使用纯氧来使 污水的溶氧达到饱和水平，使用纯氧曝气会导致成本增加。如上所述，为了解决所述的问题，就需要有一种方法可以加快氧气的溶解速度，提 高氧气的利用率，提高微生物的活性，同时又不增加处理成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种促进气体在液体中溶解的设备，其既能 加快液体中的气体溶解速度和提高气体溶解度，又能降低处理成本。为了达成上述发明目的，本发明提供一种促进气体在液体中溶解的设备，其包括 搅拌器，所述搅拌器在第一端具有供气体输入的进气口和供液体输入的进液口，在第二端 具有供液体输出的输出口，并且在进气口和进液口与输出口之间具有使输入液体与输入气 体产生紊流作用的搅拌机构；压力控制器，所述压力控制器设置在所述输出口处，控制所述 输出液体的压力小于所述进气压力和所述进液压力，但大于零。本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种促进气体在液体中溶解的方法，其 既能加快液体中的气体溶解速度和提高气体溶解度，又能降低处理成本。为了达成上述发明目的，本发明提供一种促进气体在液体中溶解的方法，包括以 下步骤从搅拌器的第一端分别输入气体和液体；在所述搅拌器中对所述气体和所述液体 进行搅拌产生紊流；将搅拌后的液体从所述搅拌器的第二端输出，并控制控制所述输出液 体的压力小于所述进气压力和所述进液压力，但大于零。本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种具有上述设备的污水处理系统。为了达成上述发明目的，本发明提供一种污水处理系统，包括污水贮存池、好氧 池，在所述污水贮存池和所述好氧池之间设置有增氧设备，所述污水贮存池通过第一管路 与所述增氧设备相连，所述增氧设备通过第三管路与好氧池相连，至少部分污水经所述第 一管路流入所述增氧设备形成富氧水，然后所述富氧水经所述第三管路流入好氧池，其中 所述增氧设备包括搅拌器，所述搅拌器在第一端具有供气体输入的进气口和供液体输入 的进液口，在第二端具有供液体输出的输出口，并且在进气口和进液口与输出口之间具有 使输入液体与输入气体产生紊流作用的搅拌机构；以及压力控制器，所述压力控制器设置 在所述输出口处控制所述输出液体的压力小于所述进气压力和所述进液压力，但大于零。本发明具有以下优点1.采用本发明的设备和方法，可以增加气体(例如氧气)在液体(例如水)的溶 解速度和溶解度，同时也减少了能源消耗，降低了成本。2.采用本发明的搅拌器，能在增加液体的溶氧速度和溶氧量的同时产生大量的气泡，将带有气泡的富氧水同低氧水混合能大大提升整体的含氧量。这样不必对所有低氧水 进行增氧，能够减少用气量和能源消耗，进一步降低成本。以下将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图1为带有本发明的增氧设备的污水处理系统的示意图。图2为本发明增氧设备中搅拌器的较佳实施例的局部剖视图。图3为图2中搅拌装置的剖面图。
具体实施例方式图1为一污水处理系统的示意图。该污水处理系统包括污水贮存池1、增氧设备2 和好氧池3。污水贮存池1通过第一管路12与增氧设备2连接，并且通过第二管路13与好氧 池3连接。增氧设备2通过第三管路14与好氧池3连接。第一管路12和第二管路13上 都设有阀门(未标号)。这样，通过控制第一管路12和第二管路13上的阀门使得污水贮存 池1中的污水部分或全部通过增氧设备2再进入好氧池3，也可以不通过增氧设备2而直接 进入好氧池3。如图1所示，本发明的增氧设备2包括搅拌器21和压力控制器22。搅拌器21 — 端设有气体输入口 211和液体输入口 212，另一端设有输出口 213，搅拌机构(图中未示)设 置在上述的输入口和输出口之间。气体输入口 211与气源相连，让气源将具有压力的气体 输入到搅拌器21中。该气体为空气，也可以是浓度较高的氧气或纯氧。液体输入口 212与 第一管路12相连接，在阀门打开的情况下，污水可以进入搅拌器21。压力控制器22设置在 输出口 213处，通过控制管径的开合来控制输出口 213处液体的压力。所述输出口 213的液 体压力应当小于输入气体的压力，也应当小于输入液体的压力。较佳地，输出液体的压力比 所述进气压力小10% -70%，最佳是小20% -60%;同时输出液体的压力比所述进液压力小 10%-70%,最佳是小20%-60%o在一个具体实施例中，输出液体的压力范围为0. l-5kgf, 优选为0. 5-3kgf。在上述压力条件下，污水和空气在搅拌器21中进行搅拌，会大大提高气体在液体 中的溶解速度，也能增加气体(氧)在液体(水)中的溶解饱和度，最终形成含有饱和溶解 氧的污水(富氧水)从输出口 213排出，并经第三管路14进入好氧池3。为了进一步控制溶解饱和度，可根据情况对充入液体的气体量进行调节，通常气 体量占液体与气体总体积的10% _50%，优选为15-45%。气体流量控制和液体流量控制可 通过本技术领域中的常规方式实现，本发明在此不作详细说明。但在本发明中所涉及的液 体的流量范围控制在10-1000L/S，优选范围在10-800L/S ；气体流量控制在l_500L/s，优选 范围在1-400L/S。在一较佳实施例中，液体流量为500L/s，气体控制可以在50_250L/s的 范围内自动调整。上述的搅拌器的搅拌机构可以采用本领域中各种现有的搅拌设备的结构，例如现 有的涡轮搅拌器、桨式搅拌器、高速乳化搅拌器等。只要该搅拌结构能使液体和气体产生剧 烈的紊流作用，都可以用作本发明的搅拌器。
本发明提供了一种搅拌器，其相对于传统搅拌器具有更好的效果。如图2所示，该 搅拌器能在水中产生大量的微气泡。在该较佳实施例中，搅拌器21具有壳体20。壳体20 上设有定子23，壳体内设有转子24。转子24位于定子23的内侧，并通过转轴240可相对 定子旋转。转子24的转速范围优选为100rpm-900rpm。上述的气体输入口 211和液体输入 口 212位于壳体20的一端，而上述的输出口 213位于壳体的另一端。当在压力控制器22 的压力下，转子24相对于定子23旋转时，流入的气体和液体经搅拌而充分接触，能使得气 体快速地溶解在液体中，并具有较高的溶解度(饱和溶解度)。定子23上沿轴向形成多排定子齿231，每排定子齿231包括沿圆周方向排列的多 个齿。转子24上沿轴向也形成多排转子齿241，每排转子齿241包括沿圆周方向排列的多 个齿。各排定子齿231和转子齿241沿轴向是交错排列的，且截面形状大致为矩形，如图3 所示。尽管所示该截面形状为矩形，但也可为其它截面形状，例如梯形、三角形等。各排定子齿231与转子齿241的轴向间隙L1最好相等，间隙范围可为0.2-2mm，优 选为0. 5-lmm。各排定子齿231的齿顶到转子24齿根的径向距离L2以及各排转子齿241 的齿顶到定子25齿根的径向距离L2最好相等，间隙范围可为0. 2-2mm，优选为0. 5_lmm。当采用图2所示的搅拌器进行增氧处理后，会产生大量的微气泡在液体中一起从 输出口 213排出。这样，输出的液体中不仅已含有饱和溶解氧，还含有微气泡，而微气泡中 还具有一定的含氧量。当采用只对部分污水通过增氧设备进行饱和充气，而其他污水直接 进入好氧池的方式时，此含有微气泡的饱和溶解氧污水(富氧水)与未经饱和充气的污水 (低氧水)混合。随着低氧水的增加，由于水压的作用，可以减缓富氧水中的微气泡溢出速 度，因此增加了最终污水的溶解氧量。在本发明的另一个实施例中，如图1所示，第三管路14可以分成多个支路，其中第 一支路141与好氧池3的前部相连，第二支路142与好氧池3的中部相连，而第三支路143 与好氧池3的后部相连，使得上述富氧水可以通过好氧池3的各个部位进入，进一步加快整 个好氧池3中污水溶解氧的速度和提高溶解氧量。在上述第一支路141、第二支路142和第 三支路143中同样安装有阀门。好氧池3的污水经过上述饱和氧处理后，经净化处理后的污水31和产生的污泥32 分别从好氧池3中排出，进入下段工序进行处理。以下通过实验数据来说明本发明的技术效果。表一为一个二级城市污水处理厂的实际电耗，污水厂规模按25000m3/天表一典型二级城市污水处理厂电耗 从上述数据可以看出，用传统曝气方法进行供氧的电耗量要占到整个污水处理电 耗总量的一半以上。在同样规模的污水处理中，采用本发明的设备和方法进行增氧的实际耗电量 仅为0. 035-0. 055KW h/m3，可以节省0. 09-0. 1 lKw h/m3，从而能够节省总耗电量的 20. 6% -33%。表二为利用图2所示的搅拌器对部分污水进行增氧处理，而部分污水直接排入好 氧池，然后将富氧水与低氧水混合之后的DO(指溶解在水中的分子氧，以每升水中所含氧 的毫克数来表示)含量。表二不同比例富氧水与低氧水混合后DO含量 从上表可以看出，将富氧水和低氧水混合之后得到的实际DO比两者的平均DO要 高，即混合后的实际含氧量不是两者的简单平均值。这是因为利用能产生微气泡的搅拌器 使污水不但得以溶解饱和氧，而且产生了大量的微气泡，增加了气体与液体的接触面积，加 快了污水中的氧气溶解速度，随着低氧水的增加，由于水压的作用，可以减缓富氧水中的微 气泡的溢出速度，因此增加了最终污水的溶解氧含量。这样可以不必将全部污水都进行增 氧处理，而只要将部分污水进行增氧处理，然后和未经处理的污水混合即可达到所需的增 氧效果，可以减少用气量和能源消耗，从而进一步降低了成本。以上对本发明的较佳实施例作了说明，但是本发明的范围并不限于上述具体实施 例。本领域技术人员在上述详细说明的教导下，可以对本发明作出变型和改进。本发明的 实施例是针对增加氧气在水中的溶解度和溶解速度进行说明，但本领域技术人员从本发明 的教导中可以理解，本发明的设备和方法也可适用于其他气体和/或其他液体，这些应用 也应当包含在本发明的实质和保护范围之内。
权利要求
一种促进气体在液体中溶解的设备，其特征在于，包括搅拌器，所述搅拌器在第一端具有供气体输入的进气口和供液体输入的进液口，在第二端具有供液体输出的输出口，并且在进气口和进液口与输出口之间具有使输入液体与输入气体产生紊流作用的搅拌机构；以及压力控制器，所述压力控制器设置在所述输出口处，控制所述输出液体的压力小于所述进气压力和所述进液压力，但大于零。
2.如权利要求1所述的促进气体在液体中溶解的设备，其特征在于，所述输出液 体的压力比所述进气压力小10% -70% ；同时所述输出液体的压力比所述进液压力小 10% -70%。
3.如权利要求2所述的促进气体在液体中溶解的设备，其特征在于，所述输出液 体的压力比所述进气压力小20% -60% ；同时所述输出液体的压力比所述进液压力小 20% -60%。
4.如权利要求1所述的促进气体在液体中溶解的设备，其特征在于，所述搅拌器为能 产生微气泡的搅拌器，包括壳体，所述气体输入口和液体输入口形成在所述壳体的一端，所述输出口形成在所述 壳体的另一端；设置在所述壳体上的定子，所述定子沿轴向形成多排定子齿，每排定子齿包括沿圆周 方向排列的多个齿；以及设置在所述壳体内的转子，所述转子位于所述定子的内侧，并通过转轴可相对所述定 子旋转，所述转子沿轴向形成多排转子齿，每排转子齿包括沿圆周方向排列的多个齿，各排 定子齿和转子齿沿轴向是交错排列的。
5.如权利要求4所述的促进气体在液体中溶解的设备，其特征在于，所述定子齿和所 述转子齿的截面形状为矩形。
6.如权利要求4所述的促进气体在液体中溶解的设备，其特征在于，各排定子齿与转 子齿的轴向间隙相等，所述间隙范围为0. 2-2mm。
7.如权利要求6所述的促进气体在液体中溶解的设备，其特征在于，所述间隙范围为 0. 5-lmm。
8.如权利要求4所述的促进气体在液体中溶解的设备，其特征在于，各排定子齿的齿 顶与转子齿根的径向距离以及各排转子齿的齿顶与定子齿根的径向距离相等，所述径向距 离的范围为0. 2-2mm。
9.如权利要求8所述的促进气体在液体中溶解的设备，其特征在于，所述径向距离的 范围为0. 5-lmm。
10.如权利要求1-9中任一项所述的促进气体在液体中溶解的设备，其特征在于，所述 气体为空气，所述液体为水。
11.一种促进气体在液体中溶解的方法，其特征在于，包括以下步骤从搅拌器的第一端分别输入气体和液体；在所述搅拌器中对所述气体和所述液体进行搅拌产生紊流；以及将搅拌后的液体从所述搅拌器的第二端输出，并控制所述输出液体的压力小于所述进 气压力和所述进液压力，但大于零。
12.如权利要求11所述的促进气体在液体中溶解的方法，其特征在于，所述输出液 体的压力比所述进气压力小10% -70% ；同时所述输出液体的压力比所述进液压力小 10% -70%。
13.如权利要求12所述的促进气体在液体中溶解的方法，其特征在于，所述输出液 体的压力比所述进气压力小20% -60% ；同时所述输出液体的压力比所述进液压力小 20% -60%。
14.如权利要求11所述的促进气体在液体中溶解的方法，其特征在于，所述输入气体 占所述输入气体和所述输入液体的总体积的10% -50%。
15.如权利要求15所述的促进气体在液体中溶解的设备，其特征在于，所述输入气体 占所述输入气体和所述输入液体的总体积的15% -45%。
16.如权利要求11所述的促进气体在液体中溶解的方法，其特征在于，所述气体的进 气量为1-500L/S，所述液体的进液量为1-lOOOL/s。
17.如权利要求16所述的促进气体在液体中溶解的方法，其特征在于，所述气体的进 气量为1-400L/S，所述液体的进液量为10-800L/S。
18.如权利要求11所述的促进气体在液体中溶解的方法，其特征在于，所述第二端的 输出压力为0. l-5kgf。
19.如权利要求18所述的促进气体在液体中溶解的方法，其特征在于，所述第二端的 输出压力为0. 5-3kgf。
20.如权利要求11所述的促进气体在液体中溶解的方法，其特征在于，所述搅拌器为 能产生微气泡的搅拌器，包括壳体，所述气体输入口和液体输入口形成在所述壳体的一端，所述输出口形成在所述 壳体的另一端；设置在所述壳体上的定子，所述定子沿轴向形成多排定子齿，每排定子齿包括沿圆周 方向排列的多个齿；以及设置在所述壳体内的转子，所述转子位于所述定子的内侧，并通过转轴可相对所述定 子旋转，所述转子沿轴向形成多排转子齿，每排转子齿包括沿圆周方向排列的多个齿，各排 定子齿和转子齿沿轴向是交错排列的。
21.如权利要求20所述的促进气体在液体中溶解的方法，其特征在于，所述定子齿和 所述转子齿的截面形状为矩形。
22.如权利要求20所述的促进气体在液体中溶解的方法，其特征在于，各排定子齿与 转子齿的轴向间隙相等，所述间隙范围为0. 2-2mm。
23.如权利要求22所述的促进气体在液体中溶解的设备，其特征在于，所述间隙范围 为 0. 5-lmm。
24.如权利要求20所述的促进气体在液体中溶解的方法，其特征在于，各排定子齿的 齿顶与转子齿根的径向距离以及各排转子齿的齿顶与定子齿根的径向距离相等，所述径向 距离的范围为0. 2-2mm。
25.如权利要求24所述的促进气体在液体中溶解的方法，其特征在于，所述径向距离 的范围为0. 5-lmm。
26.如权利要求11-25中任一项所述的促进气体在液体中溶解的方法，其特征在于，所述气体为空气，所述液体为水。
27.一种污水处理系统，包括污水贮存池、好氧池，其特征在于在所述污水贮存池和 所述好氧池之间设置有增氧设备，所述污水贮存池通过第一管路与所述增氧设备相连，所 述增氧设备通过第三管路与好氧池相连，至少部分污水经所述第一管路流入所述增氧设备 形成富氧水，然后所述富氧水经所述第三管路流入好氧池，其中所述增氧设备包括搅拌器，所述搅拌器在第一端具有供气体输入的进气口和供液体输入的进液口，在第 二端具有供液体输出的输出口，并且在进气口和进液口与输出口之间具有使输入液体与输 入气体产生紊流作用的搅拌机构；以及压力控制器，所述压力控制器设置在所述输出口处，控制所述输出液体的压力小于所 述进气压力和所述进液压力，但大于零。
28.如权利要求27所述的促进气体在液体中溶解的设备，其特征在于，所述输出液 体的压力比所述进气压力小10% -70% ；同时所述输出液体的压力比所述进液压力小 10% -70%。
29.如权利要求28所述的促进气体在液体中溶解的设备，其特征在于，所述输出液 体的压力比所述进气压力小20% -60% ；同时所述输出液体的压力比所述进液压力小 20% -60%。
30.如权利要求27所述的污水处理系统，其特征在于，所述搅拌器为能产生微气泡的 搅拌器，包括壳体，所述气体输入口和液体输入口形成在所述壳体的一端，所述输出口形成在所述 壳体的另一端；设置在所述壳体上的定子，所述定子沿轴向形成多排定子齿，每排定子齿包括沿圆周 方向排列的多个齿；以及设置在所述壳体内的转子，所述转子位于所述定子的内侧，并通过转轴可相对所述定 子旋转，所述转子沿轴向形成多排转子齿，每排转子齿包括沿圆周方向排列的多个齿，各排 定子齿和转子齿沿轴向是交错排列的。
31.如权利要求30所述的污水处理系统，其特征在于，所述定子齿和所述转子齿的截 面形状为矩形。
32.如权利要求30所述的污水处理系统，其特征在于，各排定子齿与转子齿的轴向间 隙相等，所述间隙范围为0. 2-2mm。
33.如权利要求32所述的污水处理系统，其特征在于，所述间隙范围为0.5-lmm。
34.如权利要求30所述的污水处理系统，其特征在于，各排定子齿的齿顶与转子齿根 的径向距离以及各排转子齿的齿顶与定子齿根的径向距离相等，所述径向距离的范围为 0. 2-2mm。
35.如权利要求34所述的污水处理系统，其特征在于，所述径向距离的范围为 0. 5-lmm。
36.如权利要求27所述的污水处理系统，其特征在于，所述污水贮存池与所述好氧池 之间还通过第二管路相连，通过所述第二管路流入好氧池的污水与通过所述第三管路流入 好氧池的富氧水在所述好氧池中混合。
37.如权利要求27所述的污水处理系统，其特征在于，所述第三管路包括与所述好氧池的前部相连的第一支路、与所述好氧池的中部相连的第二支路、以及与所述好氧池的后 部相连的第三支路。
38.如权利要求27所述的污水处理系统，其特征在于，所述输入气体占所述输入气体 和所述输入液体的总体积的10% -50%。
39.如权利要求38所述的污水处理系统，其特征在于，所述输入气体占所述输入气体 和所述输入液体的总体积的15% -45%。
40.如权利要求39所述的污水处理系统，其特征在于，所述气体的进气量为1-500L/S， 所述液体的进液量为1-lOOOL/s。
41.如权利要求40所述的污水处理系统，其特征在于，所述气体的进气量为1-400L/S， 所述液体的进液量为10-800L/S。
42.如权利要求27所述的污水处理系统，其特征在于，所述第二端的输出压力为 0.l-5kgf0
43.如权利要求42所述的污水处理系统，其特征在于，所述第二端的输出压力为 0.5-3kgf。
全文摘要
本发明提供了一种促进气体在液体中溶解的设备和方法。该设备包括搅拌器，所述搅拌器在第一端具有供气体输入的进气口和供液体输入的进液口，在第二端具有供液体输出的输出口，并且在进气口和进液口与输出口之间具有使输入液体与输入气体产生紊流作用的搅拌机构；以及压力控制器，所述压力控制器设置在所述输出口处，控制所述输出液体的压力小于所述进气压力和所述进液压力，但大于零。本发明还提供了采用这种设备的污水处理系统。
文档编号C02F3/02GK101862613SQ20101018393
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月25日 优先权日2010年5月25日
发明者王兴南 申请人:上海誉辉化工有限公司