微纳米气泡发生装置和污水净化系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微纳米气泡发生领域，具体地，涉及一种微纳米气泡发生装置和使用 该装置的污水净化系统。
【背景技术】
[0002] 在水处理领域中，通常需要进行气浮曝气环节，以通过气泡将水中的杂质携带至 水面以便清理，从而实现净化污水的目的。例如在含油废水的净化领域中，需要对废水进行 气浮曝气来实现废水的净化。
[0003] 通常，含油废水的来源很广，其中工业上主要有石油工业的炼厂含油废水、石油勘 探开发采油废水、冶金、钢铁厂、冷轧厂废水、油轮压舱水、机电和机械加工的乳化油废水、 以及餐饮业、食品加工业等。往往，工业含油废水量非常大，成分也复杂。以我国炼油厂为 例，由于炼制重质油多，且工艺复杂，每加工1吨原油产生〇. 7~3. 5吨含油废水。据统计， 2013年我国炼油生产能力达每年5亿吨，按此产量计算出含油废水可达3. 5~17. 5亿吨。 含油废水对环境造成的危害也越来越大，严重威胁到动植物、甚至人类的生命健康。
[0004] 其中，炼厂"焦化"含油废水是一种典型的高污染、难降解的有机物工业废水。通 常，由于该类废水轻质油份含量高，乳化严重（油含量可达2 %以上），恶臭气体极易挥发， 在实际生产中对采用生化处理工艺的冷焦水处理系统造成了严重污染。截止2012年8月 底，我国仅石油炼化行业延迟焦化装置每年含油废水排放量就达到近千万吨。目前，国内对 这部分高浓度废水的处理技术还不成熟，其不达标排放不仅直接制约着焦化装置的稳定运 行，还会对环境造成严重污染，直接威胁到人类的健康。因此，如何处理焦化装置含油废水 是困扰各大炼厂的一个难题，已受到越来越多的炼厂重视。
[0005] 然而，在现有技术中，现有的气浮装置，往往设有溶气罐、空压机、稳压罐、回流泵、 溶气释放头，占地面积大，工程造价及运行费用高，操作维护复杂，能耗高。并且该装置所发 生出来的气泡尺寸大，在水中的滞留时间短携带杂质能力弱，从而造成实际工业应用除油 效果不佳。
[0006] 为了提升气浮曝气环节中净化污水的效果，现有的水处理技术中还应用了一种微 纳米气泡，公知地，通常把存在于水里的直径在十到几十微米（um)的气泡叫做微米气泡， 把大小在数百纳米（nm)以下的气泡叫做纳米气泡，可以把存在于双方中间的气泡混合状 态称为微纳米气泡。这种小到十微米以下的微纳米气泡在曝气气浮环节中，其物理、化学性 质都将发生根本性变化。具体如下：
[0007] 1)悬浮物吸附能力强
[0008] 微纳米气泡界面周围的电荷离子会形成双电层，气泡表面有带负电的表面电荷离 子如0Γ等，其对污水中的油类、悬浮物等物质具有很强吸附作用。
[0009] 2)停留时间长、稳定性好
[0010] 微纳米气泡在水中停留时间足够长，能够充分与水中杂质混合并将其携带至水 面。对于微纳米气泡来说，体积越小的气泡在水中的上升速度就越慢。例如：气泡直径为 Imm的气泡在水中上升的速度为6m/min，而直径为10 μ m的气泡在水中的上升速度为3mm/ min，后者是前者的1/2000。一方面，气泡上升的速度慢，使气泡在水中停留时间长。另一方 面，因为纳米气泡表面到周围的电荷会形成双电层，其电势差用ζ电位表示。气泡的体积 越小则界面处产生的ζ电位越高。相应地让气泡内的气体散逸得以抑制，提高了气泡在水 中的稳定性，也使存在水中时间长。
[0011] 3)表面积大，传质效率高
[0012] 从理论上讲，随着气泡直径的缩小，气泡界面的比表面积也随之增大，如直径Imm 的气泡分散成直径IOOnm的微气泡，其表面积可增大10000倍。这种表面积的增大使气液界 面的接触面积迅速增大，提高气液传质效率。另外，微气泡界面的表面张力对内部气体产生 了压缩作用，使得微气泡在上升过程中不断收缩并表现出自身增压效应。这种自身增压效 应随着气泡直径减小的作用效果更明显，最终内部压力达到一定极限值而导致气泡界面破 裂消失，使气液界面处传质效率得到持续增强。例如，在氧化沟多孔扩散曝气工艺中，大气 泡（mm级）的氧传质率为：10~20mg/L，中气泡的氧传质率为：20~30mg/L，小气泡（μπι 级及以下）的氧传质率为：40~60mg/L。
[0013] 因此，将微纳米气泡应用在曝气气浮工艺中，能够大幅提高水中杂质的清除率。近 年来，微纳米气泡气浮技术广泛适用于含油废水处理、氧化沟充氧、化学反应装置、鱼贝类 养殖等各种工业领域。然而，现有技术中产生气泡方式虽多（见下述）却均存在各种问题， 实用性不足。
[0014] 1)电解法
[0015] 电解法产生微气泡是向水中通入5~IOV的直流电，从而产生微小气泡（直径多 在18~90 μ m之间，阴极产生H2，阳极产生O2)。电解法是最近几年水处理领域出现的新方 法，具有适应废水范围广，设备简单、管理方便、能部分提高水中溶解氧等优点。但能耗高， 电极板易结垢。
[0016] 2)鼓风曝气
[0017] 鼓风曝气又称压缩空气曝气，其原理为利用鼓风机将空气通过输气管道输送到设 在池底的曝气装置中，以气泡形式弥散逸出，在气液界面把氧气溶入水中。曝气装置按其应 用工艺不同，主要包括膜片式微孔曝气器和旋混曝气器等。鼓风曝气的特点是：结构简单、 便于排布施工，供应空气的伸缩性较大，曝气效果也较好，适用于大中型污水厂。缺点是：曝 气过程中需产生足够大的压力以提高气体与液体之间分子质量的传递效率，所消耗的气水 比例高，能耗较高。并且鼓风曝气发生出来的微气泡存在尺寸大，数量少，滞留时间短，气液 接触面较小等缺点。
[0018] 3)机械曝气
[0019] 机械曝气也称为表面曝气，机械曝气器大多以装在曝气池水面的叶轮快速转动， 进行表层曝气。按转轴方向不同，可分为立式和卧式两类。常用的立式表面曝气机有平板 叶轮、倒伞型叶轮和泵型叶轮等，卧式表面曝气机有转刷曝气机和转盘曝气机等。机械曝气 法的特点是：设施简单、集中，维护管理较为方便，充氧效率较高且在水中溶解氧分层明显， 常用于小型的曝气池，如氧化沟等；不足之处：气压损失大能耗较高，易出故障，发生出来 的微气泡尺寸大，且受水处理池池深影响较大。
[0020] 4)射流曝气法
[0021] 现有技术射流曝气器，主要有两种：一种为单混合喷嘴射流曝气器，如中国专利 CN202124525U、CN2825632、CN101993145A等；另一种为周面设多个混合喷嘴的圆形碟式曝 气器，如中国专利CN201908001U、CN2700318、CN201447385U等。射流曝气具有良好的充氧 特性，有效的气体分散及较高的传质系数，溶解氧及气泡分布均匀，但也存在很多不足：结 构相对复杂，制造成本较高，机械成型材料难以选择，需产生较大的剪应力，对水处理池池 型适应性差，水处理量小等。
[0022] 5)曝气泵
[0023] 曝气泵也叫做气液混合泵、气浮泵。例如由HICHINE海泰美信研发并生产的一种 卧式安装的自吸式气液混合泵系列产品。该泵的吸入口可以利用负压作用吸入气体，所以 无需采用空气压缩机和大气喷射器；高速旋转的泵叶轮将液体与气体混合搅拌，无需搅拌 器和混合器。由于泵内的加压混合，气体与液体充分溶解，溶解效率可达80~100%，其中 气液比约为1:9 (吸气量为8~10% )，可串联使用以增加吸气量。曝气泵的特点是：气液 溶解率较高；结构简单、拆装简便、易于维护；使用场地可随时移动等。不足之处：发生微气 泡的条件比较苛刻；适用范围有一定局限性，主要针对中小规模的化工类、生物化工类工业 污水处理或鱼厂等。
[0024] 6)涡凹气浮法（CAF)
[0025] 祸凹气浮机（CAF，Cavitation Air Floatation)其微气泡发生的主要机理是：曝 气机利用空气输送管底部散气叶轮的高速转动在水中形成一个真空区，液面上的空气通过 曝气机输入水中，填补真空，微气泡随之产生并螺旋形地上升到水面，空气中的氧气