申请日2015.05.28
公开(公告)日2015.09.09
IPC分类号B01F3/04; B01F5/06; C02F1/52; C02F1/40; C02F1/24
摘要
本发明公开了一种微纳米气泡发生装置和使用其的污水净化系统，发生装置包括封闭空间以及容纳与其内的微纳米级膜管，封闭空间上设置有进气口、进液口和气液混合物出口，从进气口进入到封闭空间的压缩气体从微纳米级膜管的第一侧向第二侧渗透，从进液口进入的加压液体沿微纳米级膜管的第二侧向气液混合物出口流动，以使得加压液体与渗透过微纳米级膜管的气体混合，并从气液混合物出口流出。因此加压后的液体如污水在流过膜管的第二侧表面时，能够快速对渗透到微纳米级膜管的第二侧的微量气体不断剪切，从而高效形成大量微纳米气泡，这将大大提高气体利用率。并能够有效降低液体加压和气体压缩的能耗，并提高水净化效果，适用于各种水处理领域。
权利要求书
1.一种微纳米气泡发生装置，其特征在于，该装置包括封闭空间(1) 以及容纳在该封闭空间(1)内的微纳米级膜管(2)，所述封闭空间(1)上 设置有进气口(11)、进液口(12)和气液混合物出口(13)，从所述进气口 (11)进入到所述封闭空间(1)的压缩气体从所述微纳米级膜管(2)的第 一侧向第二侧渗透，从所述进液口(12)进入的加压液体沿所述微纳米级膜 管(2)的所述第二侧向所述气液混合物出口(13)流动，以使得所述加压 液体与渗透过所述微纳米级膜管(2)的气体混合，并从所述气液混合物出 口(13)流出。
2.根据权利要求1所述的微纳米气泡发生装置，其特征在于，所述微 纳米级膜管(2)的所述第一侧为管外侧，所述第二侧为管内侧。
3.根据权利要求2所述的微纳米气泡发生装置，其特征在于，所述微 纳米级膜管(2)的两端分别与所述进液口(12)和所述气液混合物出口(13) 密封连接。
4.根据权利要求3所述的微纳米气泡发生装置，其特征在于，所述微 纳米气泡发生装置还包括检测进入所述封闭空间(1)的所述压缩气体的压 力的气压检测装置(3)，该气压检测装置(3)通过管路安装在所述封闭空 间(1)外。
5.根据权利要求1所述的微纳米气泡发生装置，其特征在于，所述微 纳米气泡发生装置包括连接在所述进液口(12)上的进液管路(4)，该进液 管路(4)上设置有泵送装置(41)和/或水压检测装置(42)和/或流量阀(43)。
6.根据权利要求1所述的微纳米气泡发生装置，其特征在于，所述微 纳米气泡发生装置包括连接在所述进气口(13)上的进气管路(5)，所述进 气管路(5)上设置有气体流量计(51)和/或气体控制阀(52)。
7.根据权利要求1所述的微纳米气泡发生装置，其特征在于，所述微 纳米级膜管(2)为纳米级多通道膜管。
8.一种污水净化系统，其特征在于，该污水净化系统包括污水源(6)、 污水净化区(7)和根据权利要1-7中任意一项所述的微纳米气泡发生装置， 其中所述进液口(12)与所述污水源(6)连通，所述气液混合物出口(13) 与所述污水净化区(7)连通。
说明书
微纳米气泡发生装置和污水净化系统
技术领域
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
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。
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0.7～3.5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。
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。
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。
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：
1)悬浮物吸附能力强
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OH-等，其对污水中的油类、悬浮物等物质具有很强吸附作用。
2)停留时间长、稳定性好
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1mm的气泡在水中上升的速度为6m/min，而直径为10μm 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。
3)表面积大，传质效率高
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1mm的气泡分散成直径100nm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(μm级及以下)的氧传质率为：40～60mg/L。
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。
1)电解法
电解法产生微气泡是向水中通入5～10V的直流电，从而产生微小气泡 (直径多在18～90μm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。
2)鼓风曝气
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。
3)机械曝气
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。
4)射流曝气法
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。
5)曝气泵
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。
6)涡凹气浮法(CAF)
涡凹气浮机(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，空气中的氧气也随之溶入水中。涡凹气浮法特点是：整个 系统仅由两个机械部分组成，操作简单;设备占地面积小，减少土建投资， 运行费用较低(节能);不足之处：发生的气泡直径较大，除悬浮物效果较 差，一般应用在要求处理效果不是很高的情况。
7)加压溶气法(DAF)
加压溶气法分为全部污水加压溶气法和部分污水加压溶气法。其特点是 将污水(全部或部分)用水泵加压到3～4kg/cm2，送入专门装置的溶气罐， 在罐内使空气充分溶于水中，然后在气浮池中经释放器或释放头突然减到常 压，这时溶解于水中的过饱和空气以微细气泡形式在池中逸出，将水中悬浮 物颗粒或油粒带到水面形成浮渣排除之。加压溶气法的优点是：能释放出大 量尺寸微细、粒度均匀、密集稳定的微气泡，设备容积小，运行方便，不易 堵塞;不足之处是需回用部分甚至全部回用水，能耗较高，另外工程上多用 于污水的固液分离，相对比较局限。另外，加压溶气法需设：溶气罐、稳压 罐、溶气释放头或释放器，操作维护较为复杂。
因此提供一种效果好、实用性强的微纳米气泡发生装置和含油废水净化 技术具有积极意义。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种微纳米气泡发生装置，该装置能够在液体 中高效产生微纳米气泡，并且结构简单实用性强。
本发明的另一个目的是提供一种污水净化系统，该污水净化系统使用本 发明提供的微纳米气泡发生装置。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种微纳米气泡发生 装置，该装置包括封闭空间以及容纳在该封闭空间内的微纳米级膜管，所述 封闭空间上设置有进气口、进液口和气液混合物出口，从所述进气口进入到 所述封闭空间的压缩气体从所述微纳米级膜管的第一侧向第二侧渗透，从所 述进液口进入的加压液体沿所述微纳米级膜管的所述第二侧向所述气液混 合物出口流动，以使得所述加压液体与渗透过所述微纳米级膜管的气体混 合，并从所述气液混合物出口流出。
优选地，所述微纳米级膜管的所述第一侧为管外侧，所述第二侧为管内 侧。
优选地，所述微纳米级膜管的两端分别与所述进液口和所述气液混合物 出口密封连接。
优选地，所述微纳米气泡发生装置还包括检测进入所述封闭空间的所述 压缩气体的压力的气压检测装置，该气压检测装置通过管路安装在所述封闭 空间外。
优选地，所述微纳米气泡发生装置包括连接在所述进液口上的进液管 路，该进液管路上设置有泵送装置和/或水压检测装置和/或流量阀。
优选地，所述微纳米气泡发生装置包括连接在所述进气口上的进气管 路，所述进气管路上设置有气体流量计和/或气体控制阀。
优选地，所述微纳米级膜管为纳米级多通道膜管。
根据本发明的另一方面，提供一种污水净化系统，该污水净化系统包括 污水源、污水净化区和本发明提供的微纳米气泡发生装置，其中所述进液口 与所述污水源连通，所述气液混合物出口与所述污水净化区连通。
通过上述技术方案，加压后的液体如污水在流过膜管的第二侧表面时， 能够快速对渗透到微纳米级膜管的第二侧的微量气体不断剪切，从而高效形 成大量微纳米气泡，微纳米气泡在微纳米级膜管的第二侧、气液混合物出口 以及相应管道内与高速液流充分接触混合，从而使例如水体的液体呈现“乳 白色”牛奶状，由于所发生的微纳米气泡与液体充分接触，这将大大提高气 体利用率。并能够有效降低液体加压和气体压缩的能耗。因此通过简单的结 构，本发明巧妙地利用微纳米级膜管进行曝气或气浮，发生的微纳米气泡尺 寸小量多，节能高效。而以外的膜管的研究及工业应用集中体现在各种“过 滤”方向上。因此本发明的创新性较强，可以用于各种污水净化、氧化沟充 氧、化学反应装置、鱼贝类养殖等各种工业领域，实用性强。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
