一种充氧布气元件及布气方法与流程

本发明属于污水处理领域，涉及一种布气元件，尤其涉及一种有助于气体在布气空间中分布均匀的充氧布气元件及布气方法。

背景技术：

布气元件通常会被用于污水化学生物净化处理，以便为生物反应器内的淤泥-污染物-水混合液中的细菌活动提供溶解氧，用以降解或氧化废水中的有机和无机成分。

污水生物净化处理过程中的布气充氧过程通常也被称为曝气过程。该过程需要的设备统称为曝气设备。曝气设备根据曝气方式不同区分为机械曝气、射流曝气或压缩空气曝气等类型设备及方式。压缩空气布气元件通常会被安装于生物反应器的底部，借助于鼓风机或压缩机来生产压缩空气，并且通过管式分配系统将压缩空气引向各个布气元件,产生的气泡从底部游动至液面，同时，气泡中所含的部分氧气过渡溶解到液体内部，达到充氧的目的。

根据所产生的气泡大小，压缩空气布气又区分为粗气泡、中气泡和微小气泡布气装置。其中，微小气泡布气装置，通常也称为微孔曝气装置，由于产生的气泡细小，表面积与体积比相对较大，氧转移效率相对比较高，目前为主流应用形式。

实际使用中，存在由刚性金属或塑料制成的大气泡和中等气泡式布气管，以及用透气陶瓷片制造的微小气泡布气元件。也有具有由epdm、硅胶或tpu胶膜等制成的经穿孔的弹性膜片的中等气泡和微小气泡布气元件，且该膜片被张紧并固定在刚性的支撑体上。这些布气元件通常采用圆形或椭圆形的管状、圆形的盘状、较小的长形的板状、或大的矩形的板状等形式制造。

压缩空气布气系统的经济性取决于各种因素，尤其包括所产生的气泡的大小、空气从布气元件逸出时的压力损失、气泡尺寸的均匀性以及单位面积的分布量。

实际上，由刚性金属或塑料制成的布气元件仅被用于通过大的空气泡(例如在曝气沉砂池中)来产生混合和水循环，而并不适合用于进行良好的氧气输入。此外，一旦停止空气供应，在这些布气管中就会出现由于沉积在管内部的固体颗粒而快速形成沉积和堵塞。另外，因为一旦停止空气供应，陶瓷片布气元件(盘式、板式或者管式)可能容易被淤泥或者固体颗粒堵塞，或者因为孔隙中滋生微生物而被堵塞，所以尽管充氧效率良好，陶瓷布气元件的实际应用也越来越少。由于易污染堵塞，为保证气流通畅，陶瓷片布气元件必须经常进行特殊化学清洗。为此，陶瓷零件必须具有一定的最小设计厚度，以便提供足够的抗压强度(内外压力差)和抗断裂强度，这也会造成气体过流时产生较高的压力损失。

在现代的污水生化处理过程中，主要使用微小气泡膜片式布气元件，因为这些微小气泡式膜片布气元件除了相对较好的充氧性能外还具有较强的防堵塞性。由于开孔在中断供应压缩空气时会再次封闭，从而使得这些布气元件适用于更多场景。这些膜片的穿孔可以在形状、大小和厚度上不同，而这些膜片的厚度在大多数情况下适用于工艺设计和机械应力需求。膜片穿孔的形状、大小以及膜片的厚度、膜片的材质也决定了压缩空气撑开穿孔逸出膜片时消耗的压力损失，以及闭合时的密闭程度。但这类软胶膜片也会被液体中的污染物污染而改变性能，或者被微生物膜附着生长并局部硬化，也需要定期在线清洗。而随着膜片的老化，一定程度上也会影响膜片布气元件的性能，降低充氧效率。

图1以截面图形式示意性地展示了这样的膜片布气元件。这个布气元件1大体上由中央的气体供应件2、刚性的载体盘3和弹性的膜片4构成，该膜片与载体盘3密封地连接。膜片4配备有穿孔5，当气体在压力下从气体供应件2被引入布气元件1中时，气体可以从该穿孔中逸出。在此，膜片4突出于载体盘3的安装结构，使得在载体盘3与膜片4之间产生充满气体的空间。在此，在图1的左侧展示了在不供气时布气元件1的状态，而在图1的右侧示出了将气体引入布气元件1中时的工作状态。

膜片布气元件的缺点在于例如，压缩空气必须首先使穿孔(例如狭窄的槽缝)扩张开，以便以气泡的方式逸出。在此，系统会以压力损失的形式失去能量。当选择更小的槽缝或针孔时，可以产生更小的气泡并且因此实现更好的充氧效果，但压力损失也会增强而降低能效。另一方面，由于膜片的内侧与外侧之间的压力差而在平的或板状的膜片中产生膜片的隆起，位置离被固定或张紧的位置越远，则该隆起越大。这个隆起导致气泡分布不均，因为在隆起较大的部位会逸出更多气泡。在上升过程中还可能会出现气泡的一种聚合，该聚合导致形成更多的聚结并且因此导致更大的气泡产生并降低充氧效果。膜片采用更小的槽缝或针孔，造成膜片工作时更大程度的拉伸变形，也会加速膜片的老化速度，并降低膜片停止充气时的闭合严密性。实际使用中常常会遇到由于膜片回弹性能减弱，影响膜片闭合度，并在停止充气时在膜片4与载体盘3之间形成实际空间，使污染物或者微生物进入此空间，并形成内部堵塞。在这种情况下，该膜片布气元件将无法在线清洗，而需要耗费高额成本中断运行、对生物反应器清池后进行人工清洗或者整体更换。

技术实现要素：

本发明的一个目的是为了解决了现有膜片布气元件穿孔易堵塞，因压力差使得膜片表面生产隆起从而导致充氧效果降低的缺陷而提供一种提供一种充氧布气元件，该充氧布气元件由于气体逸出口的微小孔隙的阻力，在围边与散气片包裹之间会形成与阻力相当的气体仓，有助于气体在散气片下部均匀分布，而下部液体被该气体仓阻隔，不接触散气片下侧，并与之保持一定距离，使散气片下侧表面保持清洁。

本发明的另一个目的是为了提供应用该充氧布气元件的布气方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种充氧布气元件，所述布气元件包括：

至少一个气体接入口；

至少一个刚性固态的散气片，所述散气片表面设有多个气体逸出口；

以及至少一个围边，所述围边与所述散气片围绕形成具有足够体积的布气空间；

所述气体接入口伸入所述布气空间中。

在本技术方案中，本发明将一个具有精细穿孔的水平的刚性固态的散气片作为平坦的布气面板，该散气片表面设置有多个气体逸出口，散气片可以由金属或者塑料或者任何具有一定斥水特性的材料制成；散气片与围边围绕共同组成布气空间，气体接入口处于散气片的下方，并处于布气空间中。

散气片上的每个气体逸出口都单独形成一个毛细管。当气体经由气体接入口进入散气片下部的布气空间后，由于气体的比重比布气空间内的液体轻造成的上浮力而聚集于围边之间，并通过散气片上的气体逸出口散布入液体中。

作为本发明的一种优选方案，所述散气片的厚度为2-5mm。

在本技术方案中，根据本发明设计的充氧布气元件的散气片材料厚度应根据其材料物理特性及压力负荷选择，同时应兼顾毛细管效应的需求，与选择的气体逸出口的孔径形成足够大的比例以产生毛细管效应。考虑到布气阻力会随着散气片厚度相应增加，散气片的厚度选择亦不可过大。如果散气片厚度，或者因为设计的散气片面积太大造成材料厚度不足以支撑气体压力而可能产生过度变形，则需要考虑在散气片上部设计足够的支撑固定部件阻止过度变形产生。散气片的厚度选择应该适合材料强度以基本保证散气片在工作状态中保持平整不变形，足以抵抗下部气仓的浮力，故本发明中散气片的厚度优选为2-5mm。

作为本发明的一种优选方案，所述气体逸出口的数量为3000-6000个，所述气体逸出口的尺寸为0.1-0.3mm。

在本技术方案中，气体逸出口的直径应满足工艺对气泡大小的要求，而气体逸出口的数量则满足布气元件工艺设计目标。由于固态散气片的气体逸出口是敞开的，在工作时穿过细孔的气体无需像穿过膜片一样再耗费能量打开，同时，还可以选择较小的开口大小，适当增加穿孔密度，用以实现更高的充氧转移效率，而不必担心在适当增加气体流量的情况下，气体压力损失可能会过度增加，故本发明中气体逸出口的数量为3000-6000个，气体逸出口的尺寸为0.1-0.3mm。

作为本发明的一种优选方案，所述的多个气体逸出口的尺寸沿散气片的周边到中心呈变大趋势。

在本技术方案中，由于气体的比重比布气空间内的液体轻造成的上浮力而聚集于围边之间，当气体接入口的气流速度较大时，可以设置气体逸出口的尺寸沿散气片的周边到中心呈变大趋势，从而使得气体从散气片上逸出的量相对平均，实现布气均匀。

作为本发明的一种优选方案，所述的多个气体逸出口呈圆形均匀布置。

在本技术方案中，气体逸出口也可以是相同直径的毛细穿孔，在长期稳定的进气速度下，从散气片上逸出的气体平均。

作为本发明的一种优选方案，所述气体接入口上设有止回阀。

作为本发明的一种优选方案，所述布气元件的截面包括正圆形、椭圆形、正方形、矩形或条状筒形中的一种。

在技术方案中，根据本发明设计的充氧布气元件可以采用各种平面几何形状，例如但不限于正圆形的盘，椭圆形的盘或者片，正方形或者矩形或者条状筒形，具有一个或多个的气体进口的大的矩形板等。其下部围边深度可根据散气片气体逸出口的大小结合开孔数量及通气量设计产生的压力差而合理调整。

作为本发明的一种优选方案，所述散气片与围边的连接方式包括一体化生产、焊接固定、螺栓固定、粘结固定或卡槽固定中的一种。

作为本发明的一种优选方案，所述止回阀包括机械止回阀、胶皮单向闭合套管、重力盖板闭合式止回阀、套管球体止回阀或活塞式重力止水阀中的一种。

在本技术方案中，根据本发明设计的充氧布气元件的气体接入口的止回阀可以采用但不限于机械止回阀、胶皮单向闭合套管、重力盖板闭合止回阀、套管球体止回阀、活塞式重力止回阀等，目的为在系统停止供气时，有效阻止气体与液体反向流入进气口及布气管道。

一种充氧布气方法，将上述的充氧布气元件置于水体中，经气体接入口通入气体，气体穿过布气空间到达散气片，经散气片上的气体逸出口逸出进入外围水体中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明的充氧布气元件由于气体逸出口的微小孔隙的阻力，在围边与散气片包裹之间会形成与阻力相当的气体仓，有助于气体在散气片下部均匀分布，而下部液体被该气体仓阻隔，不接触散气片下侧，并与之保持一定距离，使散气片下侧表面保持清洁；

2)本发明的充氧布气元件极大的简化了充氧布气元件的构造，通过散气片厚度、微细穿孔数量及穿孔尺寸的选择，消除了膜片式曝气元件为扩张开口所需的能耗损失，也避开了陶瓷布气元件的过于微小的孔隙及陶瓷片的厚度造成的压力损失，因此降低了曝气充氧系统的总体能耗；

3)本发明的散气片相比于用于膜片的弹性材料，固态刚体材料的抗老化性能更强，无需伸缩变形，也提高了充氧布气元件的总体寿命。

附图说明

图1是现有膜片布气元件的截面示意图；

图2是本发明充氧布气元件的截面示意图；

图3是实施例2的截面示意图；

图4是实施例3的截面示意图；

图5是散气片的俯视图；

图6是另一种散气片的俯视图。

图中，1.布气元件；2.气体供应件；3.刚性的载体盘；4.弹性的膜片；5.穿孔；11.散气片；12.围边；13.气体接入口；14.气体逸出口；15.止回阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图2，本发明提供了一种充氧布气元件，包括至少一个气体接入口13；至少一个刚性固态的散气片11，所述散气片11表面设有多个气体逸出口14；以及至少一个围边12，所述围边12与所述散气片11围绕形成具有足够体积的布气空间；所述气体接入口13伸入所述布气空间中。

参见图5，散气片11表面的多个气体逸出口14的尺寸沿散气片的周边到中心呈变大趋势。

参见图6，散气片11表面的多个气体逸出口14呈圆形均匀布置。

在本发明中，充氧布气元件可以采用各种平面几何形状，例如但不限于正圆形的盘，椭圆形的盘或者片，正方形或者矩形或者条状筒形，具有一个或多个的气体进口的大的矩形板等。其下部围边深度可根据散气片气体逸出口的大小结合开孔数量及通气量设计产生的压力差而合理调整。

散气片与围边的连接方式包括一体化生产、焊接固定、螺栓固定、粘结固定或卡槽固定中的一种。

气体接入口的止回阀可以采用但不限于机械止回阀、胶皮单向闭合套管、重力盖板闭合止回阀、套管球体止回阀、活塞式重力止回阀等，目的为在系统停止供气时，有效阻止气体与液体反向流入进气口及布气管道。

实施例1

参见图2与图6，本实施例的充氧布气元件，包括一个气体接入口13；一个刚性固态的散气片11，所述散气片11表面设有3000-6000个尺寸为0.1-0.3mm的气体逸出口14；以及一个环形围边12，所述围边12与所述散气片11围绕形成具有足够体积的布气空间；所述气体接入口13伸入所述布气空间中，充氧布气元件整体为圆柱形，气体逸出口14呈圆形均匀布置。

使用时，将充氧布气元件置于水体中，经气体接入口通入气体，气体穿过布气空间到达散气片，经散气片上的气体逸出口逸出进入外围水体中。

实施例2

参见图3与图6，本实施例的充氧布气元件，包括一个气体接入口13；一个刚性固态的散气片11，所述散气片11表面设有3000-6000个尺寸为0.1-0.3mm的气体逸出口14；以及一个环形围边12，所述围边12与所述散气片11围绕形成具有足够体积的布气空间，气体接入口12的端部设置有止回阀15；所述气体接入口13伸入所述布气空间中，充氧布气元件整体为圆柱形，气体逸出口14呈圆形均匀布置。

使用时，将充氧布气元件置于水体中，经气体接入口通入气体，气体穿过布气空间到达散气片，经散气片上的气体逸出口逸出进入外围水体中。

实施例3

参见图4与图5，本实施例的充氧布气元件，包括一个气体接入口13；一个刚性固态的散气片11，所述散气片11表面设有3000-6000个尺寸为0.1-0.3mm的气体逸出口14；以及一个环形围边12与底部围边，环形围边12、底部围边与散气片11围绕形成具有足够体积的布气空间，底部围边上开有用于液面进入的通孔，气体接入口12的管道穿过底部围边并伸入布气空间内，气体接入口12的端部设置有止回阀15；充氧布气元件整体为圆柱形，气体逸出口的尺寸沿散气片的周边到中心呈变大趋势。

使用时，将充氧布气元件置于水体中，经气体接入口通入气体，气体穿过布气空间到达散气片，经散气片上的气体逸出口逸出进入外围水体中。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。