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用于曝气的方法和设备
    【技术领域】

    本发明涉及用于对液体进行曝气或充氧的方法和设备。具体地，本发明涉及用于对例如但不限于废水的液体进行曝气或充氧的方法和设备，且更具体地，本发明涉及用于通过生物过程对废水进行处理的方法和设备。

    背景技术

    生物过程通常用于从废水中清除化学需氧物质(COD)以及其它营养物质(例如：氨和磷酸盐)。该过程的效率通常受限于将氧转移至废水中的微生物的速率。

    例如，在通过所谓的活性污泥工艺(activated sludge process)对污水(sewage)进行处理时，用于通过曝气来提供氧的能量占处理厂的能量消耗的一半以上。

    两种最常用的曝气方法为：

    (i)使用表面曝气机(surface aerator)；以及

    (ii)膜扩散器(membrane diffuser)。

    表面曝气机的成本低，但是在活性污泥的应用中，运行时的曝气效率仅为1.0-1.5kg O₂/千瓦时(kWh)。另一方面，膜扩散器的成本较高，但是具有较高的效率，效率值为1.5-2.0kg O₂/kWh。然而，就能量利用而言，上述数值仍然代表了低于15％的能量效率。

    期望在使用尽可能低的能量的同时，获得高的将氧转移至废水的速率。

    已经采取了试图提高曝气过程的效率的多种方法。例如，Hines等(美国专利4,253,949)描述了一种污水处理装置，其中，使含有溶解的空气的污水围绕包括降流管(down-comer)和提升管(riser)的系统循环。将所述提升管中的部分混合物引入浮选室(flotation chamber)，在该浮选室中，当所述混合物向上流动时，流体静压逐渐降低，结果是从溶液中释出空气气泡，该空气气泡将微生物携带至所述混合物的上部。

    由Hines等教导的发明的装置一般被称为气提式反应器(air-lift reactor)，并且主要用于发酵工艺(例如：ICI^TM的单细胞蛋白生产(single cell proteinproduction)。

    尽管如此，被称为“深井”反应器(“deep shaft”reactor)的众多系统利用该工艺用于废水处理。“深井”工艺的曝气效率处于5-8kg O₂/kWh的量级。

    跟随所述深井反应器技术的新发展，用于废水处理的长垂直井反应器(long vertical shaft reactor)已经进行了其它改进。例如，美国专利No4,466,928(Kos)公开了一种系统，该系统包括用于将气体溶解于液体中的设备。

    所述设备包括：用于将液体引入所述设备的入口；用于将气体注入所述设备以产生气-液混合物的装置；用于使所述混合物保持高压的气浮接触室(contact chamber)；位于所述气浮接触室的上端部的流量分配器(flowdistributor)，该流量分配器具有多个喷嘴，该多个喷嘴以顺流(downstream)方向延伸，形成上气体收集器(gas trap)；所述气浮接触室的截面基本上是均匀的，以使所述气浮接触室中的所述气-液混合物保持恒定的速度；位于所述气浮接触室的下端部的气体分离室形成下气体收集器；回收管道外延至所述下气体收集器，从而通过压力差将所述下气体收集器中的气体注入所述上气体收集器，以进一步分散于所述液体中；以及将处理过的液体排出所述分离室的出口。该Kos系统更适于与纯氧气一起使用，而不适于与空气一起使用将是伴随Hines等的发明的问题。

    尽管它们基本上提高了氧的转移效率，但是由于存在构建如此庞大的反应器并且该庞大的反应器实质上深埋于地下的固有问题，Kos的和Hines等的方法没有获得显著的商业成功。上述方法的实施还需要高压气体压缩机，以在极深处进行气体的注入，同时与安装问题和高昂的运行成本问题相关联。

    Dyson(美国专利7,121,534)公开了曝气方法的更新进展。Dyson的方法涉及在空气的存在下，使待曝气的液体向下通过一个表面并成为立式液体(standing liquid)。所述表面具有至少一个梯度变化，以提供用于产生将空气抽吸进入所述液体中所必要的湍流的表面。

    根据Dyson的方法，必须用延伸进入所述立式液体的塔壁来限制流动的液体的一侧，且所述液体的另一侧用与空气的界面来限制，所述界面占据了所述塔的其余部分，从而将气体抽吸进入所述立式液体。使得所述液体在所述塔的表面上的运动在所述液体中产生湍流，所述液体经过一个逐渐增大梯度的平坦的表面，以使至少部分所述液体向下流动成为所述立式液体。Dyson的方法既简单又雅致。该方法的移动部件很少，且构建起来非常经济。但是，该方法声称的曝气效率仅为1.5-2.5kg O₂/KWh，代替更为传统的废水处理中的曝气方法时并不成功。引发Dyson方法的能量效率较低的原因是应当将液体提升至所述立式液体以上约0.5m，以获得产生空气气泡所必须的流动和湍流。

    【发明内容】

    因此，本发明的目的在于提供一种用于对液体进行曝气的改进的方法，该方法克服了如上所述的现有方法的缺点。

    本发明的另一个目的在于提供一种用于对液体进行曝气的改进的设备，与如上所述的现有的可利用的设备相比，该设备的效率更高且构建起来更经济。

    因此，根据本发明的第一个方面，本发明提供了：

    一种适于对液体进行曝气的方法，该方法包括：

    以预定的速度，沿垂直管道向下抽吸待处理的液体，以将空气气泡输送至移动的液体中，形成空气液体混合物；

    在提高流体静压的条件下，使所述空气气泡与液体保持接触状态历时最短的时间，以溶解所述空气；以及

    使经过曝气的液体返回反应器内，

    其中，在所述垂直管道的入口的上方或临近所述垂直管道的入口处，产生临近于所述液体表面的所述空气气泡。

    根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种适于在反应器中对液体进行曝气时使用的设备，该设备包括：

    垂直管道，该垂直管道与所述反应器液体连通，并被配置成能够将表面的液体抽吸至所述管道中，其中

    在提高流体静压的条件下，所述管道的长度足以提供最短的空气液体接触时间；以及

    用于在所述垂直管道的入口的上方或临近所述垂直管道的入口处，产生临近于所述液体表面的空气气泡的装置；并且，该设备还包括：

    用于使经过曝气的液体返回所述反应器内的装置；以及

    用于沿所述管道向下抽吸所述液体的装置。

    在根据本发明的第一个方面的方法中，所述液体的速度优选处于5-100cm/s的范围内，更优选处于20-75cm/s的范围内。

    所述接触时间优选处于5-500秒的范围内，更优选处于10-300秒的范围内。

    根据本发明的方法，以直径计，所述空气气泡的尺寸范围优选为0.2-5.0mm。

    所述空气气泡优选产生于所述液体表面的50cm以内。更优选地，所述空气气泡产生于所述液体表面的5cm以内。

    根据本发明，优选通过产生的向下流动的液体的速度以及所述垂直管道内的空气液体接触时间来定义所述流体静压。

    即，

    HM＝(向下流动的液体的速度)×(空气液体接触时间)，

    其中：

    HM为以米计的水的流体静压，

    向下流动的液体的速度为以米每秒计的所述垂直管道内的所述液体的速度；

    空气液体接触的时间为以秒计的所述表面的液体到达所述垂直管道的底部所经历的时间的长短。

    应当注意的是，所述气泡与所述液体的实际接触时间不是一个固定的数值，因为所述气泡与所述液体的接触时间依赖于具有一定分布的所述气泡的尺寸。

    根据本发明产生的所述气泡优选包括富氧的(oxygen-enriched)空气。

    在常规的大气条件下，本发明的空气-水混合物优选含有3-30体积％的空气。更优选地，在常规的大气条件下，所述空气-水混合物含有5-25体积％的空气。

    在本发明的第二个方面的适用于但不限于高压设置的第一种实施方式中，所述垂直管道的长度优选处于1-100米的范围内，更优选处于2-90米的范围内。甚至更优选地，所述垂直管道的长度优选处于10-90米的范围内，且最优选地，所述垂直管道的长度处于25-75米的范围内。

    在本发明的第二方面的用于例如但不限于低压设置的可选择的实施方式中，所述垂直管道的长度优选处于1-10米的范围内。更优选地，所述垂直管道的长度优选处于2-6米的范围内。

    根据本发明的第二个方面，可以改变所述垂直管道的位置。例如，所述垂直管道可以完全浸没于所述反应器内。可选择地，所述垂直管道可以被整体设置在所述反应器的外部。

    所述垂直管道的底部也可以被设置在所述反应器的下面。

    根据本发明的第一个方面的方法中或根据本发明的第二个方面的设备中产生的气泡优选通过选自包括以下装置的组的装置产生：与鼓风机或压缩机结合的溢流堰、旋转叶轮、膜扩散器、粗扩散器以及喷嘴。

    用于沿所述管道向下抽吸所述液体的装置优选包括液体移动机构(device)，该液体移动机构例如但不限于一种或多种船舶用叶轮(marineimpeller)或螺旋杆(helical screw)。

    可以理解的是，术语液体指可以被生物处理的各种废水、污泥(sludge)或发酵培养基。术语空气或气体指含有一些氧气或全部都是氧气的各种气体介质。

    在常规的大气条件下，空气含有约20％的氧气，且密度为1.3kg/m³。而且，在常规的大气条件下，在浓度为10g O₂/m³水时，水可以被饱和。这表明，在常规的大气条件下，38.5升(L)的空气含有的氧气足以使1立方米的水饱和。因此，在氧气饱和点时的空气/水的比例为3.7体积％，并且，通过将更多的空气气泡引入水中，任何过量的空气都将代表余能(wasteenergy)。根据亨利定律(Henry’s law)，气体在水中的溶解度与该气体的压力成比例。因此，可以通过提高空气水的接触压而提高饱和浓度。

    已经发现，在常规的大气条件下，可以产生约20-30体积％的空气水混合物。由于气泡将快速合并，因此，具有较高比例的空气的混合物并不稳定。25％的空气水混合物含有的氧气足以产生86g O₂/m³水的饱和浓度。但是，根据亨利定律，该饱和水平要求空气水的接触压为8.6大气压。现有技术(例如：Hines等)表明，通过将8.6大气压的空气注入深度为86m的液体塔可以获得8.6大气压的接触压。但是，如已经提到的，将空气注入如此的深度需要极高的能量水平。

    可以通过任何已知的装置产生所述空气气泡。例如，可以通过使液体通过堰、通过膜扩散器吹空气或通过用例如叶轮的机械机构搅动液体的表面而产生空气气泡。已经发现，对于空气水体系而言，上述表面气泡的尺寸范围大部分处于直径为0.2-5mm的范围内，并且，令人惊讶的是，产生上述表面气泡只需要极低的能量。

    处于液体中的空气气泡具有上升的趋势，并且将加速到达被称为终速(terminal velocity)的稳态速度。已经发现，为了克服所述气泡的终速并输送上述表面气泡，应当引导所述液体以5cm/s的最小速度流动。更适宜的速度处于10-100cm/s的范围内。优选地，所述液体的速度应当处于20-75cm/s的范围内。通过所述液体的速度和所述垂直管道的长度确定空气水的接触时间。例如，如果所述管道的长度为100m，且所述液体的速度为50cm/s，则所述接触时间将为200秒。在这样的深度下，200秒的接触时间足以实现氧饱和。

    已经发现，当液体沿管道垂直向下流动时，通过所述液体可以输送上述表面空气气泡，并且，令人惊讶的是，当将所述空气气泡吸入到更深的深度时，通过提高流体静压可以溶解更多的氧气。重要的是，已经发现，无需在高压下注入空气或氧气，即可获得高达86g O₂/m³水的溶解氧水平。

    【附图说明】

    为了更好地理解本发明并更深入地说明本发明是如何实施的，将结合实例并以实例的方式结合随附的实施例和附图更详细地描述本发明，其中：

    图1为根据本发明的第一种实施方式的设备的示意图；以及

    图2为根据本发明的第二种实施方式的设备的示意图。

    【具体实施方式】

    参照附图中的图1，示出了用于根据本发明的一种实施方式对液体进行曝气的设备。该设备包括：用于贮存待处理的液体的反应器1；悬浮在所述反应器1中的垂直管道2；作为用于产生气泡的装置的钟口型(bell-mouth-shaped)堰3；以及，用于引起流动的装置4，该装置4也可以作为用于使经过曝气的液体返回所述反应器1的装置5。

    当所述液体沿所述垂直管道被向下抽吸时，所述液体在所述钟口中留下空隙(void)，当更多的水沿所述钟口的边缘落下以填充所述空隙并因此在所述钟口内产生高密度的表面气泡时，所述钟口成为一个堰。通过液体的流动输送并携带足够小的气泡，并且当所述气泡向流体静压最大的所述管道的底部运动时，所述气泡溶解于所述液体中。较大的气泡上升回到所述液体的表面，在所述液体的表面，由于下落中的水的作用，所述较大的气泡破裂成为较小的尺寸。

    本发明的第一种实施方式适于在静压头(hydrostatic head)高达6m的压力下进行空气液体的接触。可选择地，如附图中的图2所描述的，如果需要，可以获得静压头高达100m的空气液体接触压。更高的接触压提供更高的溶解氧水平以及更高的能量效率。

    参考附图中的图2，示出了用于根据本发明的第二种实施方式的对液体进行曝气的设备。

    该设备包括用于贮存待处理的液体的反应器1；悬浮于所述反应器1中并通过所述反应器1的底部而延伸深入地面以下的垂直管道2；用于产生气泡的表面搅拌器3；用于引起流动的装置4；以及包封第一垂直管道2的同心管道5，该同心管道5作为用于使经过曝气的液体返回所述反应器1的装置。

    就本发明的第二种实施方式而言，通过在液体返回管路上进行抽吸而产生的吸引压力(suction pressure)来引起所述液体的流动。

    本领域技术人员可以理解的是，用于运行本发明的大部分能量消耗在引起所述液体的流动上。存在多种类型的用于引起液体的流动的已知的装置，但是，重要的是选择适于本应用的能量效率最高的装置。已经发现，最适用于本发明的流动引导器(flow inducer)的类型为通常用于推动船和艇的船舶用叶轮。

    可选择地，螺旋杆型装置也是适宜的。应当注意的是，液体的流动在为所述反应器的内含物(content)提供有效地混合中也发挥着另一个重要的作用。在多数情况下，在整个反应器中，来自本发明的设备的返流(return flow)为经过曝气的液体提供必要的混合和配送，而无需任何另外的能量输入。

    可以理解的是，可以对本文概述的基本的处理系统进行多种修改和改进。例如，泵送所述液体以及搅动所述液体的方法可以不同。反应器的总数可以不同，以与各种特定的应用相配套，因为所述反应器的尺寸可以与曝气机的尺寸相关联。经过曝气的液体也可以用于除生物处理以外的应用，例如但不限于用于固液分离的溶解空气浮选。

    其它可能的修改或应用对于具有适当的技能的人员而言是显而易见的。

    实施例

    实施例1

    使运行常规的活性污泥工艺的污水处理厂配备如图1所示的曝气机。反应器容积为85m³；垂直管道的直径为0.6米且长度为5米。钟口型堰的直径为1.2米，并且由可以在水下使用的电机驱动的船舶用叶轮用于沿所述垂直管道向下抽吸所述活性污泥并用于使经过曝气的污泥返回至所述反应器内。所述垂直管道内的液体速度为25cm/s。该工厂对生化需氧量(BOD)为215mg/L的沉降污泥(settled sewage)的处理量为279立方米/天(m³/d)。所述反应器内的污泥龄(sludge age)被保持约7天。所述曝气机能够以约1mg/L的溶解氧水平维持所述活性污泥工艺。已经发现，在将悬浮的固体进行沉降之后，流出物只含有5mg/L的BOD。发现曝气机的实际效率为2.8kgO₂/kWh。

    实施例2

    用如图2所示的曝气机代替实施例1中的曝气机。垂直管道的直径为0.15米且长度为85米。扁平的叶片式径向涡轮叶轮(flat blade radical turbineimpeller)用作产生气泡的表面搅拌器，并且两个由可用于水下的电机驱动的船舶用叶轮用于沿所述垂直管道向下抽吸所述活性污泥并用于使经过曝气的污泥返回至所述反应器内。所述垂直管道内的液体速度为50cm/s。通过改变所述曝气机并没有显著影响所述活性污泥的性能。发现所述曝气机的效率为7.5kg O₂/kWh。