超饱和溶解氧设备及方法与流程

本发明属于水处理领域，具体涉及一种超饱和溶解氧设备及方法。

背景技术：

超饱和溶解氧技术是指将含高浓度氧气的气-水混合液注入污染水体，使水体溶解氧量快速增加，为污染物去除的好氧微生物反应提供充分环境条件，促进迅速氧化有机物厌氧降解时产生的h2s及fes等致黑致臭物质，水质改善，水体透明度逐步提高，水体活性被强化，有效地改善或缓解黑臭及水质。降低水体cod、bod、tn、tp，起到水体净化的作用。主要应用于地表水、污水净化与生态修复项目。

在目前的技术中，单体设备无法同时满足高浓度增加气体溶解水平、大规模水处理、高充氧效率。数个现有技术设备同时使用才能满足大规模的处理水量，例如一般纳米曝气设备的处理水量为10-30立方米/小时，表面曝气处理水量为20立方米/小时，大气泡曝气需要在河道底部密闭布设对应面积的管路。在目前的技术中，气体溶解水平较低，例如表面曝气提供溶解氧浓度一般为1-3mg/l，纳米曝气溶解氧浓度为6-8mg/l。

公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超饱和溶解氧设备及方法，可以提高充氧效率，进而提高溶解氧的水平，可以满足高浓度增加气体溶解水平、大规模水处理、高充氧效率的要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种超饱和溶解氧设备，包括：进水管，其第一端设置有进水口，所述进水管上设置有潜水泵和/或自吸泵以将污染水体抽取到所述进水管中；反应器，其与所述进水管的第二端连接以与所述进水管流体连通，并且所述反应器通过氧气输送管与氧气源气体连通，所述氧气输送管上设置有进气阀；出水管，其设置有出水球阀，所述出水管的第一端与所述反应器连接以与所述反应器流体连通，所述出水管上设置有倒u形管；以及回流管，其设置有管道泵，所述回流管的第一端连接在所述倒u形管的最高处以与所述倒u形管流体连通，所述回流管的第二端与所述进水管连接以与所述进水管流体连通，从而使所述出水管中的一部分水通过所述进水管回流到所述反应器中以为所述反应器加压。

优选地，所述进水管的进水口处设置有用于过滤污染水体中的污物的格栅。

优选地，所述进水管的第二端连接在所述反应器的顶部，所述进水管与所述反应器的连接处设置有挡流板以使污染水体以喷射的方式进入所述反应器中。

优选地，所述进水管的最高处设置有排气阀以在所述超饱和溶解氧设备开机准备时和工作时排出设备中的空气，进而保证超饱和溶解氧设备的压力，并且所述排气阀仅允许气体通过而不允许水通过。

优选地，所述反应器的上半部分为锥状或所述反应器的整体为圆弧状轮廓。

优选地，所述出水管的第一端连接在所述反应器的下部，所述倒u形管连接在所述出水管上靠近所述出水管的所述第一端的位置处。

优选地，所述出水管上设置有用于排出充氧水体的多个布水管，所述布水管上设置有多个排水孔，所述多个排水孔的直径沿排水方向依次增大和/或所述多个排水孔的分布密度沿排水方向依次增大，所述布水管的末端设置有螺纹盖。

优选地，所述进水管、所述出水管和所述回流管的内直径范围为150mm至350mm。

优选地，所述反应器内的预定压力范围为0.1～1.6mpa。

进一步地，一种超饱和溶解氧的方法，其利用上述的超饱和溶解氧设备来实现，所述方法包括以下步骤：

1)开机准备，关闭出水管的出水球阀和氧气输送管的进气阀，打开进水管上的排气阀，同时打开进水管上的潜水泵和/或自吸泵，依靠进水来排气以排出设备中的空气；

2)排气完成后打开氧气输送管的进气阀、出水管的出水球阀和回流管的管道泵，并保持排气阀一直开启，通过进水管将污染水体抽取到反应器中，同时向反应器中供应氧气，以在反应器中向污染水体充氧；

3)回流管上的管道泵使流入出水管的含氧水体在流经倒u形管时，出水管中的一部分充氧水体和未溶解在水中的氧气回流到回流管中，进而通过进水管返回到反应器中，从而为反应器加压以提高向污染水体中充氧的效率；

4)出水管中的另一部分充氧水体流出出水管。

本发明的有益效果为：

提高充氧效率，气体溶解水平可调节，溶解氧的上限较高，例如根据压力调节，出水溶解氧可调节，即，20mg/l、40mg/l、60mg/l、80mg/l、100mg/l、200mg/l、300mg/l、400mg/l。

可以提高处理水量，并且处理水量可调节，即，50m3/h、100m3/h、150m3/h、200m3/h、250m3/h、300m3/h、350m3/h、400m3/h、450m3/h、500m3/h、550m3/h、600m3/h。

反应器密闭，氧气无溢出，反应器内室无隔断或回路，水流属于充分混合的湍流状态，充氧效率在90％～99％。

现有的一般给排水系统增加压力罐体是通过压缩罐体内空气维持的。而本发明的罐体(反应器)压力是通过调控水泵来维持的。同等耗电下，本发明处理水量远大于现有的一般系统，减少能源消耗。

现有的一般增氧水处理设备的管路较细，一般直径为15mm至100mm。本发明的管路直径可以为150mm、200mm、250mm、300mm、350mm。不会发生污染物堆积或设备内生藻而造成的堵塞，同时，直径大的管路可减少管路的沿程损失和水体的动力势能，在同等功率下能量更多的转化为反应器的压力，提高溶解氧水平与溶解氧注入量。

现有的一般增氧水处理设备的管路较细，对进水的颗粒物直径要求不高于50微米，而本发明的设备进水可满足100mm以下颗粒物，满足多种施工条件。

设备不易堵塞，清理工作简便，只需将出水系统末端的螺纹盖打开，堵塞物会被高压排出，再将螺纹盖盖回可正常使用。

附图说明

图1为根据本发明一个实施方案所述的超饱和溶解氧设备的结构示意图；

图2为根据本发明另一个实施方案所述的超饱和溶解氧设备的结构示意图；

图3至图6分别为根据本发明的示例一、示例二、示例三和示例四的溶解氧水平vs流量的曲线图；

图7至图10分别为根据本发明的示例一、示例二、示例三和示例四的日注氧量vs流量的曲线图；

图11至图14分别为根据本发明的示例一、示例二、示例三和示例四的日注氧量vs功率的曲线图。

附图标记说明：

1—进水管；2—进水口；3—潜水泵；4—自吸泵；5—反应器；6—氧气输送管；7—出水管；8—出水球阀；9—倒u形管；10—回流管；11—管道泵；12—格栅；13—挡流板；14—排气阀；15—布水管；16—排水孔。

应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。在所附多个附图中，同样的或等同的部件(元素)以相同的附图标记标引。

具体实施方式

下面结合具体实施方案及相应附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的一个实施方案所述的超饱和溶解氧设备，包括：进水管1，其第一端设置有进水口2，进水管1上设置有潜水泵3和自吸泵4(当然也可以只使用潜水泵或只使用自吸泵)以将污染水体抽取到进水管1中；反应器5，其与进水管1的第二端连接以与进水管1流体连通，并且反应器5通过氧气输送管6与氧气源气体连通，氧气输送管6上设置有进气阀；出水管7，其设置有出水球阀8，出水管7的第一端与反应器5连接以与反应器5流体连通，出水管7上设置有倒u形管9；以及回流管10，其设置有管道泵11，回流管10的第一端连接在倒u形管9的最高处以与所述倒u形管9流体连通，回流管10的第二端与进水管1连接以与进水管1流体连通，从而使出水管7中的一部分水通过进水管1回流到反应器5中以为反应器5加压。

充氧效率是根据亨利定律来提高反应器内溶解氧饱和度上限。根据亨利定律，在同等条件下，气体压强越大，溶解度越高。因此，为了保证反应器中具有足够高的压力以提高充氧效率，本发明设置了回流的构造，即，在出水管设置倒u形管，在倒u形管的最高处，使一部分充氧水体流入回流管，并且未溶解在水中的氧气也会流入回流管，再由进水管回流到反应器中，为反应器加压以保证反应器中保持较高的压力，在较高的压力下，可以提高反应器的充氧效率。此外，纯氧的输入对于提高溶解氧的效率也是具有优势的。根据分压定律，氧气约占空气20％，空气中的氧气只能提供1/5的压强。换言之，同等压力、温度、时间下，纯氧输入溶解氧提高效率是空气输入的五倍。基于以上，设备的高压力、高浓度氧气源可以提高溶解氧水平。

根据压力调节，溶解氧水平也是可调节的，可以调节为20mg/l、40mg/l、60mg/l、80mg/l、100mg/l、200mg/l、300mg/l、400mg/l、450m3/h、500m3/h、550m3/h、600m3/h。

本设备可以提高处理水量，并且处理水量可调节，即，50m3/h、100m3/h、150m3/h、200m3/h、250m3/h、300m3/h、350m3/h、400m3/h。

反应器密闭，氧气无溢出，反应器内室无隔断或回路，水流属于充分混合的湍流状态，充氧效率在90％～99％。

在该实施方案中，所述进水管1的进水口2处设置有用于过滤污染水体中的污物的格栅12。格栅为不锈钢，采用8mm粗钢棒焊接而成，格栅孔径为4×4cm。当然也可以采用其他材质，孔径也可以根据实际需要来设计。通过格栅来隔绝污染水体中体积较大的污物，避免堵塞设备。

在该实施方案中，进水管1的第二端连接在反应器5的顶部，进水管1与反应器5的连接处设置有挡流板13以使污染水体以喷射的方式进入反应器5中。氧气输送管6连接在反应器上靠近进水管1与反应器5连接处的位置。水从高处下落，向下压缩反应器5中的氧气，两者之间产生剧烈运动，水流属于充分混合的湍流状态，产生了高浓度含氧水或过氧饱和水。通过挡流板13增加了水流的直径，使水以喷射的方式进入反应器中，进而增加了水与氧的接触面积，有助于提高充氧效率。

在该实施方案中，所述进水管1的最高处设置有排气阀14以在所述超饱和溶解氧设备开机准备时排出设备中的空气，并且所述排气阀仅允许气体通过而不允许水通过。为了保证反应器中的纯氧环境，并且为了控制反应器中的压力，在开机准备时，需要通过排气阀来排出设备中的空气。

在该实施方案中，反应器5是沿竖直方向延伸的长形结构，并且顶部为圆弧状。可以保证污染水体在向下喷射时与氧气具有足够的混合空间。

在该实施方案中，出水管7的第一端连接在所述反应器5的下部，所述倒u形管9连接在所述出水管7上靠近出水管7的所述第一端的位置处。充氧水体从反应器下部流入到出水管中，以保证水与氧气充分接触后流出。流出到出水管中的充氧水体首先流经倒u形管，在倒u形管的最高处，充氧水体由于重力作用而流入回流管中，进而通过进水管流回反应器而达到加压的目的。

在该实施方案中，出水管7上设置有用于排出充氧水体的多个布水管15，布水管15上设置有多个排水孔16，为了保障出水均匀，所述多个排水孔16的直径沿排水方向依次增大和/或所述多个排水孔16的分布密度沿排水方向依次增大，布水管15的末端设置有螺纹盖。

出水管1上的出水球阀8可以控制出水的压力，并且布水管15上排水孔16的设计也可以控制出水的水流，避免充氧水体以较大的压力倾泻而出。

设备不易堵塞，清理工作简便，只需将布水管末端的螺纹盖打开，堵塞物会被高压排出，再将螺纹盖盖回可正常使用。

处理过的污水通过布水管上的成排的小孔排回水体中。若在河道使用中，布水管的高度与水体表面高度差至少为2m，以提高处理过的污水与水体充分混合的时间，使得氧气不溢出到空气中。

所述进水管、所述出水管和所述回流管的内直径范围为150mm至350mm。

现有的一般增氧水处理设备的管路较细，一般直径为15mm至100mm。本发明的管路直径可以为150mm、200mm、250mm、300mm、350mm。不会发生污染物堆积或设备内生藻而造成的堵塞，同时，直径大的管路可减少管路的沿程损失和水体的动力势能，在同等功率下能量更多的转化为反应器的压力，提高溶解氧水平与溶解氧注入量。

现有的一般增氧水处理设备的管路较细，对进水的颗粒物直径要求不高于50微米，而本发明的设备进水可满足100mm以下颗粒物，满足多种施工条件。

在该实施方案中，所述反应器内的预定压力范围为0.1mpa～1.6mpa。

现有的一般给排水系统增加压力罐体是通过压缩罐体内空气维持的。而本发明的罐体(反应器)压力是通过调控水泵来维持的。同等耗电下，本发明处理水量远大于现有的一般系统，减少能源消耗。

如图2所示，根据本发明另一实施方案的超饱和溶解氧设备，其与图1所示的实施方案的区别仅在于反应器的形状不同，在该实施方案中，反应器的顶部为锥状。

下面以处理河道中的污染水体为例，来描述本发明的超饱和溶解氧设备的工作过程。

进水管从水体中层位置吸水。出水管沿河岸方向长度200米，即设备两侧各100米，由于设备专门针对潮汐型河流，可根据河水流动方向调节一侧出水。布水管长度需根据实际情况调整，在该例中，使6m布水管位于河道断面中央区域，布水管主体预制大量特制微孔(排水孔)，使富氧流于河道断面中央区域以汇入河水中。

其他参数：

【额定功率】30千瓦，380伏(不包含制氧系统)。

【环境温度】-20℃—45℃。

【重量】设备自重1.6吨，含水运行时3.1吨。

【性能参数】

设备出水溶解氧：≥50mg/l，处理水量：210m3/h，24小时运行日处理水量5040m3/d。

【运行方式】根据项目需求，可全天24小时连续运行或分时段间歇运行。

1)设备首先进行开机准备，关闭出水管的出水球阀和氧气输送管的进气阀，打开进水管上的排气阀，同时打开进水管上的潜水泵和/或自吸泵，依靠进水来排气以排出设备中的空气；

2)排气完成后打开氧气输送管的进气阀、出水管的出水球阀和回流管的管道泵，并保持排气阀一直开启，通过进水管将污染水体抽取到反应器中，同时向反应器中供应氧气，以在反应器中向污染水体充氧；

3)回流管上的管道泵使流入出水管的含氧水体在流经倒u形管时，出水管中的一部分充氧水体和未溶解在水中的氧气回流到回流管中，进而通过进水管返回到反应器中，从而为反应器加压以提高向污染水体中充氧的效率；

4)出水管中的另一部分充氧水体流出出水管。

可以提高充氧效率，进而提高溶解氧的水平，可以满足高浓度增加气体溶解水平、大规模水处理、高充氧效率的要求。

下面为根据发明的四个超饱和溶解氧设备的示例，四个设备的参数参见下表1。

表1：设备参数

其中：

额定功率为设备中所有水泵的总额定功率。除制氧机系统外，再无其他耗电部件。

出水溶解氧为建议设备出水溶解氧最小值。

吞吐水量为每小时建议设备出水溶解氧对应的流量。

日吞吐水量为每天建议设备出水溶解氧对应的流量。

设备自重为反应器的罐体、设备中的管路和设备中所有水泵的重量总和。

含水运行重量为反应器的罐体、设备中的管路、设备中所有水泵和设备内水的重量总和。

图3至图6分别为示例一、示例二、示例三和示例四的溶解氧水平vs流量的曲线图。根据实际测量，发现流量逐渐增大时，溶解氧水平先增大后减小。

图7至图10分别为示例一、示例二、示例三和示例四的日注氧量vs流量的曲线图，其中，日注氧量＝出水溶解氧水平×流量。根据实际测量，随着设备流量的提升，日注氧量先增大后减小。因为流量增大到一定程度后，出水溶解氧开始下降，导致总注氧量降低。

图11至图14分别为示例一、示例二、示例三和示例四的日注氧量vs功率的曲线图。根据实际测量，设备流量与功率呈线性关系，所以曲线变化相似。

前面对本发明具体示例性实施方式所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。