螺旋曝气池的制作方法

本实用新型涉及应用曝气工艺技术领域，具体涉及到螺旋曝气池。

背景技术：

随着我国工业的不断发展，全国的污水排放量也逐年增加，其中大部分污水未经处理直接排入江河湖中，导致水域水质污染问题日益突出。为了环境的可持续发展，对污水进行净化处理越来越受到国家的重视。2011年国家“863”计划在资源环境技术领域中提出了“污水中碳源及氮磷硫组分资源化技术”的研究计划，在国家“973”计划中也将“区域环境质量演变和污染控制”列入了重点研究方向。

在污水处理中，世界发达国家普遍采用活性污泥法来控制水体的污染。活性污泥法是当前世界各国中应用最广的一种二级生物处理方法，具有处理能力高、出水水质好等优点。活性污泥法的原理是通过好氧微生物吸附和氧化污水中的有机物从而达到净化污水的目的。因此，如何使曝气池中的好氧微生物能够与充足的氧气接触反应是污水处理的关键技术。

曝气池作为活性污泥反应器，是活性污泥系统的核心设备，活性污泥系统对污水的净化效果，在很大程度上取决于曝气池功能的发挥。曝气池的种类繁多，按曝气方法分可以分为鼓风曝气池、机械曝气池、机械鼓风混合曝气池和射流曝气池。

鼓风曝气池多为长方廊道形，其主要特点是可以产生气泡、单个气泡气液接触面积大，但其结构复杂，占地面积大、气压损失较大、气泡分布不均匀、易堵塞、设计和维护成本过高。机械曝气池多为圆柱形或方形，其主要特点是结构简单、不易堵塞、维护简单，但其无法产生大量气泡，气泡分布不均匀，降低了反应效率。

传统的曝气池多采用鼓风曝气系统和机械曝气系统。鼓风曝气系统其空气扩散装置一般为多孔材料并安装在廊道底部一侧，随着时间的积累，污水中的颗粒污染物容易沉淀在曝气池底部，堵塞空气扩散装置。另外，传统的推流式曝气池呈长方廊道形，根据污水处理量，一般都要采用2-5个廊道，来保证污水停留时间，占地面积相对较大，整体设计和维护成本过高。机械曝气系统一般采用机械旋转产生气泡，其微气泡量较低，整体反应效率不高。而射流曝气池利用射流剪切气体产生气泡，其解决了传统曝气池的缺点，具有结构简单、占地面积小、不易堵塞、投资少等优点。而且一旦曝气池开始工作，通过射流曝气设备射入的高速液体将带动沉淀在曝气池底部的颗粒污染物一起运动，不会出现堵塞的情况。

传统曝气池具有曝气效果差、占地面积大、运营成本高等缺点，因此本实用新型通过对曝气池内气液两相流场特性和气相分布规律以及氧传递特性的分析研究，提出了一种全新的 曝气池形式和曝气方法。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服传统曝气池反应效率低、气含率低、混合均匀性差、氧利用率低、占地面积大等不足，提供一种改善污泥处理系统的反应效率、提高氧利用率和曝气效果、减小占地面积螺旋曝气方法和利用该方法的螺旋曝气池。

本实用新型提供的螺旋曝气池，包括曝气池池体、射流曝气装置、流量调节器、水泵、出水槽，流量调节器通过水管穿过曝气池池体与射流曝气装置相连，流量调节器与水泵之间也是通过水管相连；所述出水槽设置在曝气池池体顶部，污水从曝气池池体顶部流出；所述射流曝气装置有若干个，以曝气池的中心点为圆心沿一定圆周方向排列在曝气池底部，每个射流曝气装置到中心的距离可以相等或不等，每个曝气装置与池体中心成一定的夹角(各夹角可相等或不等)，每个射流曝气装置的射流入射方向与水平面成角度向上，曝气时射流曝气装置射入池中的气体使污水螺旋上升。

进一步的，所述曝气池池体为对称形状的柱状体。

作为一种优选，所述曝气池池体为圆柱体。

作为一种优选，所述射流曝气装置有n个(一般取3～4个为宜)，且每个射流曝气装置与池体中心点的夹角相等。

作为一种优选，所述射流曝气装置的射流入射方向沿水平面方向。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本实用新型的螺旋曝气池，通过射流曝气装置的圆周方向分布，不需要廊道就能使污水在曝气池内呈剧烈的螺旋上升状态，在相同入口流量情况下增加了污水在曝气池内的运动行程，增大了气液两相的总体接触面积，提高了溶氧速率和反应效率；另一方面螺旋曝气方法增强了气液两相的湍流强度，流场更加均匀，有利于气液两相的充分混合，增加曝气池有效曝气体积，增大曝气池中氧的转移系数，提高污水反应效率；同时本曝气池中的活性污泥不会淤积在隔板或底部，而是随着污水不断运动，与污水充分混合，与水中的溶解氧充分接触，增强了活性污泥的活性，提高活性污泥法的处理效率。因此采用本实用新型螺旋曝气方法的曝气池可以改善整个曝气池中活性污泥处理系统的反应效率、减小占地面积、降低能耗和运行费用。

附图说明

以下将结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1为实用新型的螺旋曝气方法及螺旋曝气池的结构俯视示意图；

图2为实用新型的螺旋曝气方法及螺旋曝气池的结构主视示意图；

图3为实用新型的螺旋曝气方法及螺旋曝气池的内部流场流线示意图；

图4为普通曝气池底部垂直曝气的曝气区示意图；

图5为普通曝气池底部水平曝气的曝气区示意图；

图6为实用新型的螺旋曝气方法及螺旋曝气池的曝气区示意图；

图7为实用新型的螺旋曝气方法及螺旋曝气池的曝气区俯视示意图；

图中标记名称：1、曝气池池体，2、射流曝气装置，3、流量调节器，4、水泵，5、出水槽，6、二次沉淀池，7、排泥管；α、射流曝气装置水平入射角度，β、射流曝气装置沿圆周方向分布角度，γ、射流曝气装置垂直入射角度，n、射流曝气装置沿圆周方向分布个数，H、曝气池高度，h、各射流曝气装置中心高度，r_n、各射流出口距中心的距离(各曝气出口可以不同)；I、经预处理后的污水，II、曝气的混合液，III、由曝气池流出的混合液，IV、处理后的污水，V、回流污泥，VI、排出系统的污泥。

具体实施方式

本实用新型提供螺旋曝气方法及螺旋曝气池，为使本实用新型的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参照图1、图2，本实用新型实例中，一种具有螺旋流场的螺旋曝气池及螺旋曝气法主要包括：曝气池池体1、射流曝气装置2、流量调节器3、水泵4、出水槽5、二次沉淀池6、排泥管7。

射流曝气装置2安装在曝气池底部，射流曝气距离底部高度为h。射流曝气装置的射流方向与中心径向成一定的夹角α。曝气装置沿沿一定圆周方向分布，曝气装置总个数为n(n≥2)。两相邻曝气装置之间成一定的夹角β(β＝2π/n)。特别的，当射流曝气装置为3个或4个时，且每个射流曝气装置与池体中心点的夹角相等,夹角为120°或90°，其在曝气反应效率以及设备的成本配比上达到一个比较好的效果，即采用较少的设备即可实现一个较高的反应效率。流量调节器3与水泵4安装在螺旋曝气池池体1的外面，流量调节器3通过水管穿过曝气池池体1与射流曝气装置2相连，流量调节器3与水泵4之间也是通过水管相连。污水从顶端溢出后。从出水槽5流出的液体在二次沉淀池6中进行沉淀，清水流出系统，沉降的活性污泥回流到曝气池中。螺旋曝气池底部设有排泥管7，主要用于曝气池的排水与排泥。

本实例中的螺旋曝气法主要有以下步骤：

1)、将经过预处理的污水I利用水泵4提供动力，根据工程需求通过流量调节器3调节合适的压力和流量，进入射流曝气装置2中，并在射流曝气装置内形成高压高速的流体；

2)、在射流曝气装置2内由于高速液体的流动卷吸作用，形成局部低压区，从而将空气卷吸进来，通过流体的剪切和拉伸作用以及气泡互相的碰撞作用，形成气液混合液；

3)、气液混合液通过射流曝气装置2的出口，沿一定圆周方向射入曝气池，并卷起曝气池内的活性污泥，从而在螺旋曝气池内形成活性污泥、空气、污水的曝气混合液II；

以射流曝气装置出口的流量Q₀、射流曝气装置出口的面积A₀、射流出口速度u₀的参数配置沿一定圆周方向射入曝气池，射流曝气装置与曝气池的中心间的距离r₁、r₂…r_n，可以相等也可以不相等。并卷起曝气池内的活性污泥，从而在螺旋曝气池内形成活性污泥、空气、污水的曝气混合液；其具体数值根据以下方法确定：

射流曝气装置出口流量Q₀与曝气池的设计流量Q_d相关，Q₀＝Q_d/n，其中n为沿一定圆周方向分布的射流曝气装置个数。曝气池的设计流量主要和处理的原污水的日平均流量及最大时流量相关，要求使得污水在曝气池中有足够的曝气和反应时间(如工程中当曝气池的设计水力停留时间在6h以上时，以日平均流量作为曝气池的设计流量；当水力停留时间小于6h时，采用原污水的最大流量作为曝气池的设计流量)。曝气池容积其中N_s为BOD污泥负荷率，S_a为原污水的BOD₅值，C_solid为曝气池内混合液悬浮固体浓度。并且要求曝气池的设计水力停留时间满足一定的设计要求(如工程中一般要求不小于2小时)。根据曝气池的容积V_AB，并结合实际工程的占地面积确定曝气池的尺寸参数(底面直径D，高度H)。利用数值仿真计算确定射流曝气装置出口的面积为A₀和射流出口速度为u₀，射流曝气装置出口的面积和射流出口速度满足曝气池上端平均流速满足设计需求(如工程上一般要求不小于0.2m/s)。

4)、曝气混合液II在曝气池中旋转、上升，最后从曝气池上端的出水槽5溢出；

5)、由曝气池流出的混合液III经过二次沉淀池6进行泥、水分离后，处理后的污水IV流出系统，而沉淀的活性污泥一部分V重新回来入曝气池，多余的VI则排出系统。

在螺旋曝气法的整个过程中，螺旋曝气池内的污水沿着射流方向呈旋转上升流动，整体流场呈现螺旋上升式结构。在上述步骤中，每个射流曝气装置出口面积为A₀，射流出口速度为u₀，流量为Q₀。

参考图3，在本实用新型螺旋曝气方法及螺旋曝气池中，污水经射流曝气装置射入曝气池内，在池中沿着射流方向旋转上升，最后经顶部出水槽5溢出。整个曝气池中的污水呈螺旋上升状。曝气池中污水的处理效率主要和曝气池中氧气的含量相关，曝气池中氧气的扩散 与转移过程遵循物质扩散的基本规律，即遵循菲克(Fick)定律：

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

式中，为物质的扩散速度，即在单位时间内通过的物质数量；

D_L为物质的扩散系数，即物质在某种介质中的扩散能力；

A为接触界面面积；

C为物质浓度；

X为扩散过程的路径；

为浓度梯度，即单位路径距离内的浓度变化值。

由菲克(Fick)定律可知，氧气的扩散与转移速度与扩散系数、接触面积、氧气浓度等相关。同时根据扩散过程的双膜理论，可将上式转化为：

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

式中，为液相主体中溶解氧浓度变化速度即氧转移速度；

C_S为饱和溶解氧浓度值；

X_f为液膜厚度，此值极低；

V为液相的主体容积。

这里引入氧总转移系数K_La，令上式可以化为：

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

由公式3可知，在入口氧气浓度一定的条件下，要提高氧气的转移速度可以通过提高K_La的方法来实现。本实用新型的螺旋曝气方法及曝气池主要是通过提高氧总转移系数K_La的方法来提高曝气池的反应效率。本实用新型一方面通过射流曝气装置提供了快速的入射速度，增加强了污水液相主体的湍流强度和剪切强度，从而降低了液膜厚度，加速了气液界面的更新。另一方面通过曝气池内射流曝气装置的圆周方向布局，使曝气池内的污水产生旋转，从而使曝气池内的流场呈现螺旋上升式结构，在增强湍流强度和剪切强度的同时，增长了污水的前行路线，增加了气液相的总体接触面积。

参考图3可以发现，在螺旋曝气池内的任一截面上，空气微气泡主要有三个方向的分速度，垂直向上的速度u_z，径向速度u_r和周向速度u_θ。则空气微气泡在螺旋曝气池中的前行路程为：

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

其中，ω为截面上的旋转角速度，r_B为微气泡距离中心的距离。

空气微气泡在螺旋曝气池中的总接触界面面积为：

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

其中，A_B为空气微气泡的表面积。

对于传统的曝气池，因为其没有旋转，及旋转角速度为0，周向速度为0，从而也没有因旋转离心力产生的径向速度。所以空气微气泡的速度主要为垂直方法的速度v_Z。所以空气微气泡的总接触界面面积为：

A＝∫A_Bv_Zdt (6)

通过公式5和公式6可以发现本实用新型的螺旋曝气池大大增加了污水和活性污泥与氧的接触界面面积，从而大大提高了曝气池中氧总转移系数，提高了氧转移速度，增强了曝气池的反应效率。

另一方面，在曝气池内流体的湍动能k和湍流强度T_i分别为：

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

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

其中：u′为流体的湍流脉动速度，

u′_x、u′_y、u′_z分别为流体三个方向的湍流脉动速度，

U为流体的时均流速。

通过公式7和公式8可以发现，对于螺旋曝气池，因为比传统曝气池多了旋转流动，其流动扰动较大，其湍流脉动相对较大，所以其湍动能和湍流强度较大。又因为液膜厚度X_f与流体的湍流强度成反比，所以旋转曝气池内曝气过程中的液膜厚度较低。

参考图4、图5、图6、图7，本实用新型的曝气池及其螺旋式曝气方法，污水和气体混合后射入曝气池，混合液在曝气池中经过旋转流场的拉伸、剪切作用，使得有效曝气区被沿着周向拉伸、扩大，从而增大了有效曝气区，减小了死水区和无效的区域，从而增大了曝气池的有效曝气体积利用率。同等曝气效果下，螺旋曝气池减小了设备的占地面积。

为了进一步证明螺旋上升式流场结构对曝气池均匀性以及反应效率的提升，本实用新型采用CFD的方法对螺旋式曝气方法进行了数值仿真研究，并对其机理和特性进行了分析。计算以三个曝气装置沿圆周方向均匀分布、入射角度α为30°、垂直入射角γ为0°为例，采 用Euler-Euler多相流计算方法，并考虑微气泡在液相中的拽力(drag force)及体积力作用。选取射流入射中心截面以及高度为入口高度和高度为的三个截面的气相浓度分布进行分析研究。通过分析可以发现，气相经射流曝气装置射出后沿着圆周方向往下游扩散，曝气池中的气相分布相对比较均匀，中心区域由于低速区的存在，其气相浓度较低。而传统的曝气池其气相浓度主要集中在中心很狭小的区域，各截面的气相也仅仅是集中在中心位置，其气液混合较差。不同曝气方法下曝气池内不同高度上的气液混合效率如表1所示，与非螺旋曝气方法的曝气池相比，采用本实用新型的螺旋式曝气方法的曝气池其混合效率有了显著提升。

表1不同曝气方法气液混合效率对比

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。