1.本发明涉及曝气技术，特别是涉及气源共用式曝气装置及系统。
背景技术：
2.曝气是指将空气中的氧强制向液体中转移的过程，其目的是获得足够的溶解氧。此外，曝气还有防止池内悬浮体下沉，加强池内有机物与微生物及溶解氧接触的目的，从而保证池内微生物在有充足溶解氧的条件下，对污水中有机物的氧化分解作用。充氧的过程是一个两相间跨膜传质的过程，传质速率取决于气相中氧的浓度、气液接触比表面积以及液相中溶解氧的浓度等因素。
3.但是，目前的曝气装置主要是针对污水处理厂专用活性污泥曝气池设计使用，一般在全池底铺设，铺设深度较深；曝气池中的供氧设计，需要在整个曝气池底部铺设空气管道，空气管道及其曝气器固定在池底水泥浇筑或钢板平整表面，这不仅需要在曝气池清空的条件下进行施工，而且一旦损坏，也会由于曝气头固定在曝气池底部而无法及时检查和修理。另外，现有的曝气装置通过全地面铺设和增大水深来达到混合目的，对于水深浅且面积大的水体，现有曝气装置的混合范围过小，单个曝气器的作用范围小且充氧效率低。因此，现有的曝气技术不利于在天然水体的水质改善中使用。
技术实现要素：
4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供气源共用式曝气装置及系统，用于解决现有的曝气技术不利于在天然水体的水质改善中使用的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供一种气源共用式曝气装置，包括：气动搅拌单元，包括气泡产生部和导流部；所述气泡产生部用于在进气后产生直径不同的大气泡和小气泡；所述小气泡产生后在所述导流部外向上浮动；所述大气泡在所述导流部内向上浮动，并带动导流部内的液体向上流动，以将位于所述导流部下端的水和污泥吸入并导向导流部上端的周围水体后与上浮的所述小气泡混合。
6.在本发明的一些实施方式中，所述气泡产生部包括：空气扩散主管，设于所述导流部内；所述空气扩散主管的上端密封，下端设有供连接所述气源单元的进气口，其管壁上设有至少一个用以产生所述大气泡的第一曝气部；至少一个配气支管，连通设于所述空气扩散主管壁上的开口部；各所述配气支管延伸至所述导流部外，且其外延端连接至少一个用以产生所述小气泡的第二曝气部。
7.在本发明的一些实施方式中，所述第一曝气部包括开设于所述空气扩散主管壁上的气泡孔。
8.在本发明的一些实施方式中，所述气泡孔包括直径为毫米级的通孔，用以产生直径为毫米至厘米级的大气泡。
9.在本发明的一些实施方式中，所述气泡孔的开孔向上倾斜。
10.在本发明的一些实施方式中，所述第一曝气部设于靠近所述导流部下端的管壁
上；所述开口部开设于所述第一曝气部上方的管壁上。
11.在本发明的一些实施方式中，所述第二曝气部包括微孔曝气头，用以产生直径为微米至毫米级的微型气泡。
12.在本发明的一些实施方式中，所述微孔曝气头包括圆盘式微孔曝气盘和/或微孔曝气管；形成微孔的多孔材料包括高分子多孔材料、无机烧结的多孔材料、或在无机或高分子有机材质的表面打孔而成。
13.在本发明的一些实施方式中，所述导流部的下端设有支撑架，用以支撑所述导流部并使所述导流部的底部与水体底面之间保持一定间距。
14.在本发明的一些实施方式中，所述支撑架包括固定部和弯折部；所述固定部固定于所述导流部的外表面，所述弯折部向所述导流部的外围弯折并与所述水体底面相接触。
15.在本发明的一些实施方式中，所述气泡产生部通过柔性风管连通气源单元；所述气源单元包括鼓风机和/或空气泵。
16.为实现上述目的，本发明还提供一种气源共用式曝气系统，包括气源单元，用于产生空气；曝气装置；所述曝气装置包括气动搅拌单元；所述气动搅拌单元包括气泡产生部和导流部，所述气泡产生部连通所述气源单元；其中，所述气泡产生部用于在进气后产生直径不同的大气泡和小气泡；所述小气泡产生后在所述导流部外向上浮动；所述大气泡在所述导流部内向上浮动，并带动导流部内的液体向上流动，以将位于所述导流部下端的水和污泥吸入并导向导流部上端的周围水体后与上浮的所述小气泡混合。
17.如上所述，本发明涉及的气源共用式曝气装置及系统，具有以下有益效果：本发明的曝气装置由微孔曝气装置和气动搅拌装置组合而成，两者共用同一气源，能够同时提供两种大小不同的气泡。微孔曝气装置均匀列布于气动搅拌装置的外围，提供毫米至微米级的微小气泡，保证受氧水体获得充足的溶解氧；气动搅拌装置提供大气泡，并依靠大气泡将气动搅拌装置下方的贫氧水体提升至表面，使得贫氧水体和周边微孔曝气装置所产生的微小气泡充分混合，并扩散到离曝气装置中心更远的区域。与此同时，受底部水流上升的影响，水体底部不容易积泥，已经积累的底泥也能逐渐被吸走而得到曝气处理。本发明的曝气装置及系统可以为天然水体进行水质控制、黑臭水体治理、市政污水处理设施、水产养殖场提供新型的曝气充氧装置；能够产生两种大小不同的气泡，使得曝气器的水力和供氧作用范围比传统的曝气器广，供氧效率高，同时由于气体提升作用的加强，还具有吸泥作用，防止曝气器周边底泥的积累，并且能对已存底泥进行曝气处理。
附图说明
18.图1显示为本发明一实施例中气源共用式曝气装置的结构示意图。
19.元件标号说明
20.101
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导流部
21.102
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空气扩散主管
22.103
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配气支管
23.104
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气源单元
24.105
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风管接头
25.106
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大气泡
26.107
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第一曝气部
27.108
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开口部
28.109
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小气泡
29.110
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第二曝气部
30.111
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支撑架
31.1111
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固定部
32.1112
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弯折部
33.112
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柔性风管
具体实施方式
34.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
35.须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容的能涵盖的范围内。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本技术的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本技术。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固持”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“a、b或c”或者“a、b和/或c”意味着“以下任一个：a；b；c；a和b；a和c；b和c；a、b和c”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
38.本发明涉及一种用于天然水环境治理、改善水体水质的新型充氧曝气装置及系统，它由微孔曝气装置和气动搅拌装置组合而成，两者共用同一气源，能够同时提供两种大小不同的气泡。微孔曝气装置均匀列布于气动搅拌装置的外围，提供毫米至微米级的微小气泡，保证受氧水体获得充足的溶解氧；气动搅拌装置提供大气泡，并依靠大气泡将气动搅拌装置下方的贫氧水体提升至表面，使得贫氧水体和周边微孔曝气装置所产生的微小气泡充分混合，并扩散到离曝气装置中心更远的区域。与此同时，受底部水流上升的影响，水体底部不容易积泥，已经积累的底泥也能逐渐被吸走而得到曝气处理。
39.本发明涉及的新型曝气装置及系统，主要应用于天然或人工开挖的湖泊河道、城市景观水体、雨污水受纳水体的供氧及水质改善，也可用于包括曝气池、氧化塘、氧化沟、兼性塘在内的污水生化处理设施的曝气供氧，也可用于人工鱼塘的供氧和水质改善等。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本发明实施例中的技术方案进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
40.具体而言，本发明的气源共用式曝气装置包括气动搅拌单元；所述气动搅拌单元包括气泡产生部和导流部；所述气泡产生部用于在进气后产生直径不同的大气泡和小气泡；所述小气泡产生后在所述导流部外向上浮动；所述大气泡在所述导流部内向上浮动，并带动导流部内的液体向上流动，以将位于所述导流部下端的水和污泥吸入并导向导流部上端的周围水体后与上浮的所述小气泡混合。
41.需说明的是，水环境水质改善及保持和水环境中的溶解氧水平维系有着密切的关系。当还原性和有机性的污染物进入水体，一方面还原性物质(如氨氮和部分有机物)会和水中的溶解氧直接发生反应，降低水体中溶解氧的浓度；另一方面，这些还原性污染物会导致水中好氧微生物的繁殖和生长，使得水中的氧气被这些微生物进行好氧呼吸而消耗。当水中溶解氧的消耗速度超过水体的自然复氧能力，水中的溶解氧水平就会大幅度降低。因水质引起的水中溶解氧的消耗以及水质恶化往往是非常快的，往往只需要数个小时或数天时间。一旦水中的溶解氧降低到一定的程度，水中好氧微生物的生长受到限制，水中的厌氧微生物就会繁殖生长，而厌氧微生物的生长速率以及降解有机物的能力远低于好氧微生物(只有好氧微生物的几分之一甚至几十分之一)，此时，进入水体中的污染物因得不到及时分解而长时间地在水体中存在，从而加速水体水质的恶化，并长期得不到恢复。这种进入水体中的还原性污染物对水体的影响的双重作用，即一方面促进好氧微生物的生长降低水中的溶解氧，另一方面溶解氧降低后，这些污染物的分解受到抑制，是造成水环境自净能力缺失或不足，水体污染和黑丑的重要原因。
42.水环境自净能力和良好水质的维持依赖于水体的复氧能力。自然水体是靠水体表面与空气接触而获得复氧的。由于氧在水中溶解度很低，在20℃温度下只有7-8mg/l左右，当温度升高至30℃时，水的溶解度还会大幅度降低。因此，依靠水表面的自然复氧的速度很低，供氧和需氧平衡及其容易被打破。一旦供耗氧平衡被打破，水中的溶解氧将很难自行恢复，造成水体产生不可逆性的污染。解决办法有如下：一是减少还原性污染成分的排入，即阻断外源性输入；二是强化水体的充氧，使得水体中的好氧微生物获得足够的氧气，维系水体好氧微生物的生态条件，使得水体的自净能力维持在较高的水平，水中的污染成分能够快速地被分解和消耗，水体的供好氧平衡能迅速恢复。
43.因此，在水环境水质改善、保持以及污水生物处理中，通常需要向水体或处理单元中充氧以满足好氧生物的呼吸，确保其正常吸收及转化水中污染成分的生态机能，达到消除污染、净化水质的目的。充氧的过程是一个两相间跨膜传质的过程，传质速率取决于气相中氧的浓度、气液接触比表面积以及液相中溶解氧的浓度等因素。气相中氧的浓度越高、气液接触比表面积越大、液相中溶解氧的浓度越低则传质的速度越快。除此以外，氧的传质速度还取决于氧在水中的扩散系数，扩散系数受温度较大的影响，温度越高，则扩散系数越大。由于空气中含有约20％(v/v)左右的氧，因此空气是最便捷经济的氧源，向水中充氧通
常采用鼓风曝气，即通过风机向水中通空气。空气中氧气的含量是基本恒定的，所以用空气的充氧效率主要取决于气液比表面积。由于小颗粒的气泡比大颗粒的气泡的比表面积大得多(比表面积和气泡的粒径的平方成反比)，因此向水中充氧时需要将空气制成小气泡。
44.目前的曝气装置主要是针对污水处理厂专用活性污泥曝气池设计使用，一般在全池底铺设，铺设深度较深；曝气池中的供氧设计，需要在整个曝气池底部铺设空气管道，空气管道及其曝气器固定在池底水泥浇筑或钢板平整表面，这不仅需要在曝气池清空的条件下进行施工，而且一旦损坏，也会由于曝气头固定在曝气池底部而无法及时检查和修理。另外，现有的曝气装置通过全地面铺设和增大水深来达到混合目的，对于水浅且面积大的水体，现有曝气装置的混合范围过小，单个曝气器的作用范围小且充氧效率低。因此，现有的曝气技术不利于在天然水体的水质改善中使用。
45.因此，本发明提供了气源共用式曝气装置及系统，通过共用一台空气泵来共享气源，使用一种装置就可以既产生大气泡又产生微小气泡，无需在整个曝气池底部铺设空气管道，进而不需要在曝气池清空的条件下进行施工，损坏检修也非常方便便捷。
46.下文结合图1所展示的曝气装置结构示意图进行进一步的解释说明：
47.所述气动搅拌单元主要由导流部101和气泡产生部组成，所述气泡产生部主要由空气扩散主管102和至少一个配气支管103组成。所述空气扩散主管102设于所述导流部101内，其上端密封，下端设有供连接气源单元104的风管接头105，其管壁上设有至少一个用以产生大气泡106的第一曝气部107。所述配气支管103连通设于所述空气扩散主管102壁上的开口部108，各配气支管103延伸至所述导流部101外，且其外延端连接至少一个用以产生小气泡109的第二曝气部110。
48.具体的曝气过程如下：小气泡109产生于导流部101的外部，产生后向上浮动；大气泡106产生于导流部101的内部，产生后也向上浮动，上浮过程中带动导流部101内部的液体向上流动，向上流动的液体在导流部101的底部形成连续真空吸力，迫使导流部101下端周围的水和松软的沉积污泥被吸入导流部101内，并随大气泡106流至导流部101的上端，并扩散到周围水体，与位于导流部101周围的小气泡充分混合，达到充氧和处理污泥的效果。
49.需说明的是，目前常用的制造小气泡的方法是让空气穿过不同孔径的小孔，从而形成大小不同的气泡；由于空气的密度远低于水，所以水中的气泡会以一定速度上浮，上升的速度和粒径的大小成反比，毫米量级大小的气泡上升速度一般为每秒数厘米至数十厘米。为了让气泡中的氧更多地传递到水相中，需要让气泡更多地在水中停留。
50.在一些示例中，所述导流部101可以选用圆筒体，圆筒体由各类钢材制造，而由于圆筒体常年置于水下，所以尤以不锈钢材质为最优选，也可使用玻璃钢或其它高分子材料制成。导流部101起到导流的作用，它和气泡产生部一起构成了本实施例曝气装置的气动搅拌单元。
51.在一些示例中，所述第一曝气部107包括开设于空气扩散主管102管壁上的气泡孔。所述气泡孔包括直径为毫米级的通孔，用以产生直径为毫米至厘米级的大气泡106。举例来说，气泡孔可选用直径为0.1～5mm的小孔，尤以1～3mm直径小孔为最佳，当气体穿过这些小孔后就可以产生直径为毫米至厘米级的气泡。
52.进一步的，为了能够将导流部101下端周围的水和松软的沉积污泥充分被吸入导流部101内，所述第一曝气部107设于靠近所述导流部101下端的管壁上，即第一曝气部107
的位置靠近水底污泥，从而更高效地导流水和污泥。
53.进一步的，为了使得进入导流部101内部的气泡上升得更快，在所述空气扩散主管102上所设置的气泡孔以一定角度向上倾斜。具体来说，气泡孔的轴心线与水平方向间的夹角(即气泡孔向上的偏角)可以取0～75
°
角度范围，更以0～45
°
角度范围最优选。
54.在一些示例中，所述第二曝气部110包括微孔曝气头，用以产生直径为微米至毫米级的微型气泡。所述微孔曝气头包括圆盘式微孔曝气盘和/或微孔曝气管；形成微孔的多孔材料包括高分子多孔材料、无机烧结的多孔材料、或在无机或高分子有机材质的表面打孔而成。
55.在一些示例中，所述导流部101的下端设有一或多个支撑架111，用以支撑所述导流部101并使所述导流部101的底部与水体底面之间保持一定间距，使得导流部101周边一定范围内的水和底泥能被吸入导流部。
56.进一步的，所述支撑架111包括固定部1111和弯折部1112；所述固定部1111固定于所述导流部101的外表面，所述弯折部1112向所述导流部101的外围弯折并与所述水体底面相接触，从而通过弯折部设计来增加支撑架与水体底面之间的接触面积，更利于曝气装置在水下的稳定性。
57.进一步的，这一间距根据曝气装置的充气量来决定，一般设计间距使得水通过导流部准线和母线延长线所组成的过流断面的流速不低于0.5m/s，最优流速范围为1-2m/s。这个间距一般为5-30cm，以10-20cm为最优。
58.在一些示例中，所述气泡产生部通过柔性风管112连通所述气源单元104。所述气源单元104包括但不限于鼓风机和/或空气泵等。在本发明曝气装置的一个常规使用场景中，可将本发明的曝气装置平放于水体底面上，鼓风机设置于岸上，通过软管连接到空气扩散主管的底部，充气风量的调节可以通过鼓风机的转速或空气调节阀门来实现。应理解的是，以上使用场景的列举是为了对本发明进行解释说明，而不是对本发明使用场景的限定。
59.为便于理解，下文将结合图1并针对本发明提供的气源共用式曝气装置如何净化底泥和水体做下述详尽说明。
60.气源单元104从空气中吸入空气，通过柔性风管112将空气注入空气扩散主管102，柔性风管112通过风管接头105连接至空气扩散主管102，空气扩散主管102的下部设有粗气孔布置段(第一曝气部107)，粗气孔上均匀布置孔径为1-2mm的小孔，进入空气扩散主管102的部分空气通过粗气孔布置段的通孔形成大气泡106。空气扩散主管102的上部设有开口部108，开口部108连通配气支管103，配气支管103的末端延伸至导流部101的外面，且其末端设有微孔曝气头(第二曝气部110)，空气从微孔曝气头出来并形成微小气泡(小气泡109)。空气扩散主管102设于导流部101内，导流部101为配气支管103提供固定基座，同时为大气泡106提供上升通道。
61.导流部101被固定在支撑架111上，支撑架111用于支撑导流部101和整个曝气装置。大气泡106的上升使得导流部101的底部形成真空，并使得周边的水和底泥受到真空的抽吸作用沿箭头a从四周进入导流部101内，并随大气泡一起上升至导流部101的顶部，离开导流部101并沿箭头b进入上部扩散区域。在扩散区域，污泥和微孔曝气头所产生的微小气泡相遇，并与微小气泡混合接触，形成曝气区域并对水体和底泥进行曝气，曝气后的污泥在更外围的区域进行沉淀，并沉淀到水体中，部分沉淀污泥到达池底后受导流部101真空抽吸
作用，第二次进入上升管进入再一次的循环。这个过程中底泥依此进入厌氧、缺氧和好氧的不同区域，在这一过程中水体中的好氧异养微生物、脱氮微生物和除磷微生物都能很好地生长，并有效地分解和同化水中的包括cod、bod、氮和磷在内的污染成分，使得底泥和水体得到处理和净化。
62.另外，在实际使用中，可在待处理河段上放置多个气源共用式曝气装置，曝气装置的数量可根据待处理河段的大小和形状以及待处理河段的水质以及径流情况，参照废水处理规范确定。举例来说，一般采取3-10米
×
3-10米的范围内布置一个，通常取5m
×
5m范围布置一个，一台风机或空压机可以通过软管连接提供多个曝气装置的供氧。
63.本发明还提供一种气源共用式曝气系统，包括气源单元，用于产生空气；曝气装置；所述曝气装置包括气动搅拌单元；所述气动搅拌单元包括气泡产生部和导流部，所述气泡产生部连通所述气源单元；其中，所述气泡产生部用于在进气后产生直径不同的大气泡和小气泡；所述小气泡产生后在所述导流部外向上浮动；所述大气泡在所述导流部内向上浮动，并带动导流部内的液体向上流动，以将位于所述导流部下端的水和污泥吸入并导向导流部上端的周围水体后与上浮的所述小气泡混合。因本实施例的曝气系统与上文实施例中的曝气装置的实施方式类似，故不再赘述。
64.综上所述，本发明提供的气源共用式曝气装置及系统，由微孔曝气装置和气动搅拌装置组合而成，两者共用同一气源，能够同时提供两种大小不同的气泡。微孔曝气装置均匀列布于气动搅拌装置的外围，提供毫米至微米级的微小气泡，保证受氧水体获得充足的溶解氧；气动搅拌装置提供大气泡，并依靠大气泡将气动搅拌装置下方的贫氧水体提升至表面，使得贫氧水体和周边微孔曝气装置所产生的微小气泡充分混合，并扩散到离曝气装置中心更远的区域。与此同时，受底部水流上升的影响，水体底部不容易积泥，已经积累的底泥也能逐渐被吸走而得到曝气处理。本发明的曝气装置可以为天然水体进行水质控制、黑臭水体治理、市政污水处理设施、水产养殖场提供新型的曝气充氧装置；能够产生两种大小不同的气泡，使得曝气器的水力和供氧作用范围比传统的曝气器广，供氧效率高，同时由于气体提升作用的加强，还具有吸泥作用，防止曝气器周边底泥的积累，并且能对已存底泥进行曝气处理。因此，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
65.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。