专利名称：潜水式就地充氧机的制作方法
总的来说，本发明涉及为液体和固体充气，具体地说涉及把氧溶解在液体中并伴有对含有多种化学品的液体和固体进行搅动的设备和方法。
需氧废水处理是在含水系统中消除有害化学废物的非常经济的手段。氧或空气被供给废水中的生物休，以使有毒或有害化学品被生物剂作为食物消耗掉而形成无害的副产物。通常，主要的呼吸产物为二氧化碳和水。
最廉价的充气池形式为土基水池，从地表挖去土壤深达10至15英尺(3.0至4.6米)。但是，这种结构类型会引起很多潜在的环境问题。有危害作用的化合物会通过土基水池的底部渗漏，从而污染土壤或地下水。由于有污染危险，环保机构将不再允许含有陆地禁用化学品如苯的废水在这样的设施中进行处理。因此，大而浅的土基水池已失去了它作为优选充气池类型的地位。
有巨大表面积的充气水池也是一个巨大的蒸发池，其中有很大部分的挥发性化合物会蒸发到大气中去。随着“洁净空气法规”的被通过，这些设施也不能再依靠蒸发除去挥发性化合物的办法来实现达标。因此，有多个废水处理设施正在转变为地上深槽。地上深槽的底部是钢板，它不会渗漏有毒化学品污染周围区域，它的逸散排放的表面积-容积比比较小。在欧洲和亚洲，深槽要通用得多。
用通常的废水充气装置往这样的深槽中送氧会很困难。表面充气机只能给整个废水槽的顶导提供困难。表面充气机只能给整个废水槽的顶层提供足够的氧。好的气泡扩散器需用很大的马力来压缩空气并克服充气机的的静水头．细菌或生物体在消耗有害废物的同时也会在废水处理槽中生长。细菌或生物体也被叫作淤渣，并在从废水中分离时形成湿的固体。通常进行分离的手段典型的是离心或过滤。一部分淤渣必须再循环返回到充气槽中，以在槽的内容物被进水稀释时保持生物体的浓度足够地高。为使生物体真正起到作用，必须使淤渣充分悬浮，否则就会发生分离，造成废水的生物降解作用不良。现有技术的表面充气装置不能有效地解决深槽底部的淤渣问题。深槽的深度范围通常在约30至100英尺(9.1至30米)，平均的深度范围为40至50英尺(12至15米)。
表面充气机，例如美国专利4,681,711所公开的那种表面充气机，只能对大约10英尺(3.1米)的深度有效。美国专利Re32,562所公开的利用向下泵送的叶轮来提高来自上部空间的氧的溶解度这一方法，在深槽上的使用效果很有限。由于该装置是装置在反应容器上的，它不可能使固体悬浮达到最佳状态。运用此项技术的现有技术的装置为加大从引流管流出的液体的速度，要求加大搅动的速度。但是，一台螺旋形叶轮能转动多快是有实际限制的。大型24英寸(61cm)叶轮系统用的工业用轴承的转速可为300至400转/分，速度再高就会发生震动并出现其它机械问题而使轴承和齿轮箱损坏。更大的36英寸(92cm)的叶轮的转速在250-300转/分。即使机械上的问题可被克服，该系统在搅动上也需使用极大的功率。在很多情况下，足以使固体和淤渣悬浮的搅动所需的功率为充氧所需功率的3～4倍。这一功率很多是被浪费掉的。在氧的溶解作用只需要少量能源的情况下，耗费这么大的能量是没有意义的。
搅动要求的功率特别高的原因是氧的气泡由于浮力关系而具有向上的冲力。向下泵送叶轮是以喷射物流中载带氧的气泡向下走，而向上的浮力与向下的液体冲力是方向相反的。液气流向下走得愈远，液体的冲力就会变得愈弱。喷射物流也因向外扩散而降低其速度。到达某一点后，喷射物流将会减弱到再也不能载带氧的气泡向下走。此时，氧的气泡就会从液体流束中分离出来而反向向上运动。此时的液体流束已经衰弱到不能再前进到水槽的底部或起到搅动作用。
获得特别高的搅动率的另一个办法是提供单独的机械搅动系统来与表面充气装置结合使用。机械搅动系统系装在槽的侧面的底部，用以作搅动来使固体悬浮。但是，仍需用相当大的功率来驱动槽底的搅动器，这会增大基本建设费用。
考虑到现有技术所存在的问题和缺陷，因此，本发明的一个目的是要提供一种为深槽中的废水充气的装置和方法。
本发明的另一个目的是提供一种在深槽中搅动固体的装置和方法。
本发明的再一个目的是提供一种在深槽中同时给液体充气和搅动固体的装置和方法。
本发明的又一个目的是提供一种耗能最少的在深槽中给液体充气和搅动固体的装置和方法。
本领域技术人员将会明白，上述的和其它的目的和优点可在本发明中得到实现，本发明的目的是提供一种能在槽内液体中溶解气体和使沉淀的固体悬浮起来的装置和方法。该装置适于潜入槽内液体中并包括有捕集器、流体泵和镇重室，镇重室是用来使整个装置在液体中能够沉浮。捕集器是用来捕获向槽内液体表面上升的未溶解气体并把它导向装置中的顶部空间的。液体泵、例如叶轮或喷射泵是用来从原料气入口吸入原料气，把它与未溶解的气体和液体一起变成高速的液气混合物向下喷入槽内液体中。在该优选的实施方案中，镇重室适用于注入镇重物如水以使装置下沉，也适于注入气体以使装置在槽内液体中上浮。
在该优选的实施方案中，用来捕获未溶解气体的捕集器包括镇重室的表面。该表面必须有足够的尺寸来捕获未溶解的气体，其平面应有足够的倾斜角以把未溶解的气体导向顶部空间；捕集器内还包括有叶轮形成的旋涡区。
在该优选实施方案中，流体泵中包括有叶轮，它与安装在引流部件中的传动轴相连接。引流部件用来通过叶轮上方靠近引流部件顶部的孔从槽内液体中抽吸气体和液体，并通过引流部件下端上的第二个孔将其排出。叶轮连接在传动轴上并用来将气体和液体抽吸进入引流部件向叶轮流去，并引起液-气混合物以高速流出引流部件。叶轮可以是高工作容量叶轮、气体弥散叶轮，特别是螺旋形的可用来循环大容量气体和液体的类型。原料气物流通过原料气入口被导入叶轮上方的顶部空间内。原料气物流还可以直接被导入叶轮在槽内液体中旋转时所形成的旋涡中。在最优选的实施方案中，可在传动轴上连接一个紊流激发器，以便加强液-气混合物的紊流混合。
另一个方面，该装置包括有可调节的喷射充气器、文丘里管、导管、用来升降该装置的镇重室、以及用来在槽内液体中捕获未溶解气体并将其导入顶部空间的捕集器。
在该优选实施方案中，喷射充气器中包括有泵，用以通过入口从槽内液体中吸入液体，并通过出口高速喷出该液体。在该优选实施方案中，文丘里管可连接到喷射充气器上并包括一个锥形部件，该部件用来从充气器接受高速液体。一根管子的一端接在文丘里管颈部，另一端用来从文丘里管下方的顶部空间吸入例如新鲜氧气和未溶解氧气的气体混合物，并将该气体混合物送回到文丘里管中。
在该优选实施方案中，导管可以是一根软管，用它来将第二气体输入顶部空间。
在该优选实施方案中，镇重室至少包括有一个连接到该装置上的中空腔室。该腔室可用来充注镇重物如水，以使该装置在槽内液体中下沉，也可用来充注空气，以使该装置升起。还优选捕集器包括镇重室的表面，并具有足够大的尺寸来捕获在槽内液体中上升的未溶解气体，而且该表面具有倾斜角以把捕获的未溶解气体导入顶部空间内。
再一个方面，本发明提供出了一种在槽内液体中使液体充气和使沉淀固体悬浮的方法。该方法包括下列步骤置备一台潜水式充气机；将充气机潜入槽内液体液面以下；往槽内液体中通入气体物流；以及使充气机运转以使气体物流与槽内液体混合。在该优选实施方案中，该充气机向槽内液体中发射出一股高速液-气流束，该流束具有足够的力量使槽内液体中沉淀的固体悬浮起来。
在该优选实施方案中，充气机的下潜深度调节到能使槽内液体中沉淀的固体悬浮到最佳程度。在另外一个优选实施方案中，该装置的潜入深度是借助于向镇重室内充注能引起装置下沉的镇重物来调节，直到达到要求的深度为止。
在另一个优选实施方案中，在槽内液体中向液面升起的未溶解气体是用捕集器收集起来并再循环进入液气流束中。
相信本发明的特色是新颖的以及本发明的部件特性将在所附权利要求中逐条详细地列出。附图只是为了说明的目的，不是按比例画的。但为了对本发明的结构和操作本身取得最好的理解，应参阅下面结合附图的详细描述，附图有
图1为本发明的装置的侧视图。
图2为潜入深槽中的本发明的装置的侧视图。
图3为本发明的喷射式充气机的侧视图。
在描述本发明的优选实施方案时，将参照图1至3来进行，图中，本发明的相似设备都用相似的数码来命名。本发明的设备不一定是按比例尺画的。
如图1和2所示，本发明的装置包括一台液-气充气设备50，它可潜入盛有液体32和固体33的深槽中。在该优选实施方案中，液体32是废水，固体33是在深槽30中形成的淤渣。设备50包括一台流体泵，例如叶轮泵、射流泵或正排量装置，它能吸入液体和气体，并使之以高速向下运动。在该优选实施方案中，设备50中包括有一台潜水发动机16和一根传动轴20，发动机连接在发动机支承板18上。叶轮22连接在传动轴20上，叶轮22和传动轴20优选装在引流管24内。
在引流管24中，至少要开有一个供液体32和气体(例如氧气)通入管24的孔28，和至少一个供已穿过叶轮22的液气混合物36流出管24的第二孔68。孔28优选位于叶轮22的上方，而孔68则位于叶轮22下方，优选位于引流管24的底部。
设备50中还包括有至少一个镇重室10，它用来充注镇重物以把该装置沉入液体32的表面以下。镇重室10优选是一个中空的不锈钢浮体，全部密封，只留液体阀12和空气阀14供镇重物出镇重室10。液体阀12可用来使液体镇重物(优选为水)出入镇重室10。空气阀14可用来使气体镇重物(优选为空气)出入镇重室10。往镇重室10导入流体会引起装置在液体32中下沉，而导入空气则会引起它上升。
在该优选实施方案中，镇重室10的底部表面80是圆锥形或呈倾斜角的，这样可使镇重室10的外部边缘82比内部边缘84要宽。镇重室10要有足够的尺寸和形状，以使在液体32中上升的未溶解气体38能被镇重室10的底部表面80捕获，而它的形状和角度又能把未溶解气体38导向顶部空间48和孔28。虽然优选的是把镇重室10的形状做成适于捕获在液体32中上升的未溶解气体颗粒38，但也可使用其它的设备或手段来捕获未溶解气体颗粒并把它导向顶部空间48。这些设备可包括导流板、翼板、隔板或机电设备，用它们来捕获上升的未溶解气体38并把它导向顶部空间48。
发动机16优选为电动机或压缩空气发动机。在该优选实施方案中，发动机16驱动齿轮箱46，齿轮箱则与传动轴20相连接。传动轴20穿过密封圈44、发动机支承板18并进入引流管24内。
密封圈44是用来将传动轴20定位在发动机支承板18内并由其保护传动轴20，并使传动轴20自由转动。叶轮22被牢固连接到引流管24内的传动轴20上，并优选是向下泵送的高工作容量叶轮泵或气体弥散叶轮泵。在该优选实施方案中，叶轮22的形状是螺旋形的，以便循环大容量的气体和液体。还可在传动轴20上加装紊流激发器或涡轮42，以便加强气体和液体的率流混合。
在该优选实施方案中，导管26穿过发动机支承板18进入顶部空间48中。在边缘84之间的这一区域称为顶部空间48，它用来在其中收集气体。导管26可延伸到发动机支承板边缘底部以下，它被用来向顶部空间48内通往气体，优选是氧气。在该优选实施方案中，氧气被送到导管26而穿越发动机支承板18。氧气是被送到引流管24上方的顶部空间48内，以使由旋转的叶轮22所诱导的旋涡区能通过孔28抽吸液-气混合物往下进入引流管24中。导管26也可延伸到液体32的液面以下，以使氧可直接被送入由旋转的叶轮所形成的旋涡区中。
在操作时，装置50被控制沉入液体32的液面以下。可用任何传统的手段来使装置50下沉。在该优选实施方案中，装置50是借助于向镇重室10内充注镇重物34而使之下沉的。镇重室10可包括一个中空的腔室或漂浮设施，可往内充注镇重物34。镇重室10应有足够的尺寸，以使充注镇重物34后、甚至部分充注后，装置50就能沉入液面以下进入液体32中。镇重物34优选是可灌注的液体、例如水，并优选通过液体阀12而导入镇重室10。被镇重物34从镇重室10内置换出来的空气可通过空气阀14排出。水阀12和空气阀14都可接上软管以便当装置50下潜后能进行充注和排空操作。阀12或14可加以调节和监视，以保证镇重室10内液体进入和空气排出的容积相等，特别是当使用一个以上的镇重室时是如此。当镇重物34注满镇重室10后，装置50就会沉入深槽30中废水32的水面以下。若要升起装置50，可通过空气阀14往镇重室10内注入空气。空气注入会推动镇重物通过阀12排出镇重室10，阀12优选为一浸入管。用这一方法，装置50在槽30内的深度可以很方便地进行调节。镇重室10的位置应使装置50有可能下降或上升到一定的水平并保持相同状态。
由于旋转的螺旋叶轮会产生出向上的推力，因此在最后深度调定以前必须要启动发动机16。同时，流向导管26的气流也需接通。在顶部空间48内增加氧气也会给装置加大静浮力。在装置50稳定移动时，即可借助于往镇重室10内加入更多的镇重物34(优选为空气或水)而作最后的调节。可以在装置上加装导向索或导向杆90，以使潜水装置能对准槽30内要求位置的中心。
旋转的叶轮22会通过孔28将氧气和废水抽吸进入引流管24。液-气混合物36会呈高速的流束而喷出引流管24，该流束优选的膨胀角约为20度。根据动量守恒原理，流束36会随着膨胀而降低其速度。装置50在深槽30中的深度应调节到使液-气流束36仍具有足够的速度来搅动和悬浮深槽30底部沉淀的固体和淤渣33。可以在不同的槽30的深度上取样，以确保固体和淤渣很好地悬浮。叶轮22的转速是完全与固体悬浮的要求无关的。
使用将装置50潜入深槽30所盛废水32中的方法，还实现了一个预想不到的优于表面漂浮充气机的优点，就是得到了额外的传质静水压头。氧在压力下溶解率会更高些，因此当装置50在深槽30中沉入更深时，氧交换率也会加大。
借助于将装置50沉入废水32中也使氧的利用率加大了。一般地说，来自流束36的未溶解气体即氧的气泡38会上升，而且在本发明的优选实施方案中，这些气泡会被重新捕获并导向引流管24。叶轮22诱导出的旋涡区会通过孔28抽吸这些氧的气泡38并使之通过叶轮22重新循环。但是，仍有相当百分数的氧的气泡40会绕过镇重室10而逸散，不能被捕获并使之再循环。在深槽中，即使有某些氧的气泡40可能绕潜水的镇重室而逸散，但这些逸散的氧的气泡40在抵达液体32的表面之前仍有很长的向上路程要走。因此，真正能到达液体表面的逸散氧气泡40还不到一半。这就改善了氧的利用率。此外，逸散的氧气泡40还会对深槽上部的废水提供一定的搅动和氧化作用。
利用本发明，可根据需氧量对装置50的输入功率和旋转速度进行优化。这与固体悬浮的要求无关。因此，在本发明中，投资和能源费用均可大大降低。
本发明的另一方面如图3所示，一台可调节的喷射充气机70可安装在潜水式中空浮体或称镇重室10上，喷嘴56指向下方以夹带氧气。与固定位置的喷射充气机不同，可调节的喷射充气机能对废水槽底部根据固体载荷量和工作条件的改变而灵活地改变搅动的强度。
虽然在该实施方案中示出的镇重室10是单个的腔室，但镇重室10也可以包括一个以上的中空腔室。如图3所示，在该优选实施方案中，镇重室10的这种形状是用来在液体32中捕获向上升起的未溶解气体颗粒并将它们导向顶部空间48。如前所述，可用任何的设施来捕获气体颗粒，而且与镇重室10的形状无关。
如图3所示，液体的动量是由泵66来提供，而泵是由发动机52驱动的。喷射充气机的泵66可安装在浮体10的顶部或装在液体32以外。液体32是通过入口54被从废水处理池或深槽30抽吸进入泵66的。液体通过出口56以高压(例如15至200磅/平方英寸表压)下从泵中射出并穿过文丘里管58。文丘里管58的中间呈锥形能转换成势能和动能，以使在压力降低，同时使速度增加到极大值。事实上，压力可降到负值以便在文丘里管58的颈部产生真空。可用管子60来把镇重室10下方的顶部空间48与文丘里管58的颈部64连接起来，以便所形成的真空能从顶部空间48把气体吸入文丘里管58，形成两相流动。
氧气是通过柔性的氧软管72输送到镇重室10顶部的入口的。氧气可直接注入顶部空间48中，也可例如用分布器直接注入液体32中。通过柔性氧软管72输入顶部空间48的新鲜氧气将与再循环的氧气混合，再循环氧气是在液体32中上升而被捕获并重新导向顶部空间48的未溶解氧气泡38所产生的。镇重室10下方的顶部空间48内的压力将取决于装置在液体32液面以下的深度。进入文丘里管58的氧气(新鲜的和再循环的)量是会变化的，但泵66的速度可加以调节，以满足不同的氧溶解量的需要。
在极深(如大于100英尺)时，就不再需要再循环氧，而新鲜氧就可直接输入到文丘里管58内。或者也可以不用文丘里管58，因为新鲜氧可以在压力下直接输入泵排出管56而形成液-气流束36．就这样，本发明提供出一种使用最少的能耗来同时给废水和固体充气和搅动的装置和方法。
尽管本发明是联系特有的优选实施方案进行了具体的描述，但根据前述内容，对本领域的技术人员来说，是可以明显地看到可有许多的替代、改进和变动。因此，所附权利要求理应涵盖任何隶属于本发明的确切范围和实质内的这样的替代、改进和变动。
权利要求
1．一种用于在槽内液体中使气体溶解并使沉淀的固体悬浮起来的装置，该装置适于潜入该液体中，该装置包括有a)一个捕集器，它用来捕获槽内液体中未溶解而向液体表面上升的气体，该捕集器还用来引导被捕获的未溶解气体流向该装置的顶部空间；b)一台流体泵，它用来从进料气入口抽吸进料气，与所说的未溶解气体以及液体一起进入泵内，并使液-气混合物向下通过液体；以及c)至少一个镇重室，它连接在该装置上，它用来充注第一种镇重物以使该装置沉入槽内液体中，并用来充注第二种镇重物以使该装置在槽内液体中向上升起。
2．权利要求1的装置，其中流体泵包括一个叶轮，它连接在引流部件内可旋转的传动轴上。
3．权利要求1的装置，其中捕集器包括镇重室的表面，该表面具有足够的尺寸来捕获未溶解气体，该表面的平面具有足够的倾斜角来引导未溶解气体流向顶部空间。
4．一种用于在槽内液体中使气体溶解并使沉淀的固体悬浮起来的装置，该装置适于潜入该液体中，该装置包括有a)一台可调节的喷射充气机，它用来从槽内液体中吸入液体，并以高速射出该液体；b)一根文丘里管，它连接在该喷射充气机上，该文丘里管的中间为圆锥形，它用来从充气机接受高速液体；c)一根管子，它的一端连接到文丘里管的颈部，另一端用来从文丘里管下方的顶部空间中吸入第一气体，并把该第一气体送回到文丘里管中；d)一根导管，它用来把第二气体输入顶部空间内；e)一个镇重室，它附着在该装置上，该镇重物容器用来充注第一镇重物可使装置沉入槽内液体中，充注第二镇重物可使装置在槽内液体中上升；以及f)一个捕集器，它用来捕获从槽内液体中上升的未溶解气体并将其导入顶部空间内。
5．权利要求4的装置，其中所说的捕集器包括镇重室的表面，该表面具有足够的尺寸来捕获来溶解气体，该表面具有倾斜的平面以引导未溶解气体流向顶部空间。
6．权利要求4的装置，其中所说的喷射充气机包括有一只泵，泵上有从槽内液体中吸入液体的入口和以高速排出该液体的出口。
7．一种在槽内液体中使液体充气和使沉淀的固体悬浮起来的方法，它包括下列步骤a)置备一台潜水式充气机；b)将该充气机沉入槽内液体的液面以下；c)向槽内液体中输入气体物流；d)启动该充气机使该气体物流与槽内液体混合生成液-气流束而进入槽内液体中，该液-气流束具有足够的冲力使槽内液体中沉淀的固体悬浮起来。
8．权利要求7的方法，它还包括调节该潜水式充气机的深度的步骤，以使沉淀固体在槽内液体中的悬浮达到最佳状态。
9．权利要求8的方法，其中调节充气机深度的步骤包括a)向连接在潜水式充气机上的镇重室内充注第一镇重物，以使潜水式充气机沉入槽内液体的液面以下；b)向镇重室充注第一镇重物，直至潜水式充气机在槽内液体中沉到要求的深度；以及c)向镇重室充注第二镇重物以取代第一镇重物，使潜水式充气机向槽内液体的液面上升。
10．权利要求7的方法，它还包括下列步骤a)捕获向槽内液体液面上升的未溶解气体；以及b)将该未溶解气体再循环进入液气流束中。
全文摘要
一种用来混合气体和液体并同时地搅动深槽底部的固体和淤渣使之悬浮的装置和方法。本发明包括有一台液－气充气机,它适于潜入深槽废水的水面以下。开动后能从潜水式充气装置底部喷出一股逐渐膨胀的高速液－气混合物,它具有足够的冲力来搅动深槽底部的沉淀固体和淤渣并使之悬浮起来。
文档编号B01F7/00GK1324685SQ01101240
公开日2001年12月5日 申请日期2001年1月8日 优先权日2000年1月10日
发明者A·T·Y·程 申请人:普莱克斯技术有限公司