CN111302508A - 一种高效旋环流增氧布气装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高效旋环流增氧布气装置，其包括液体泵，空压机，双通道喷液布气旋转喷头，所述装置使用液体泵及空压机分别将液体和气体送入一体化的双流道喷液布气旋转喷头中，其中液体从液体泵泵入喷头的液体导流管，气体从旋转喷头的液体导流管外的夹层通入。本发明提出了宽水面及大水量高效增氧新模式，优化了旋转喷头的结构及固定和移动操作条件，更有效地实现了气体在液体中的分散，克服了气泡聚并、水体溶氧不均或底部缺氧的弊端，比前期旋环流增氧设备大幅溶氧效率可提高5倍左右，移动模式下比现有的增氧模式动力效率超过2倍，应用实验证明其在大水体或极大大水量体系中可实现快速增氧及显著节能降耗，显示了其在水体污染治理，水产养殖及生物发酵领域中的巨大应用前景。

Description

一种高效旋环流增氧布气装置

技术领域

本发明涉及一种高效旋环流增氧布气装置，适用于大容量或宽水面高效增氧，属于过程强化技术，可广泛应用于水体污染治理、水产养殖及生物发酵等领域。

背景技术

最常见的混合是机械搅拌混合，也有射流混合以及鼓泡混合等强化湍流提高混合效果的技术。本发明以水体混合增氧为研究体系。溶氧双膜理论认为氧气在水中的传质阻力主要集中在液膜一侧，维持高的气液传质推动力、增大气液接触面积以及延长气液接触时间是高效增氧的关键，利用机械或流体动力方法增加湍流强度可以提高增氧效果。由气-液两相相界面的浓度梯度分布图和充氧历时曲线图可以看出：越接近饱和传质推动力越小，溶氧效率降低，增氧时间增加，能耗提高。均匀增氧可避免局部氧饱和，提升溶氧推动力，实现节能。

水体污染多由于水中缺氧，好氧微生物难以发挥作用，影响水体尤其是水底的有机污染物的快速高效降解，沉入水中的饲料及养料无法利用，形成水体污染源，导致水体环境被破坏。农村农业部2018年5月的地表水月报显示，全国约有近1/4的地表水COD超标或BOD5超标或存在溶氧不足的情况。研究表明，水体中溶氧量在4mg/L以下时，鱼类无法生存，藻类容易爆发性生长，形成黑臭的“藻型”水体。4～8mg/L为过渡型水体，只有水体中溶氧量高于8mg/L时，鱼和草类植物才能正常生长，草型水体鱼虾可以正常生长，并具有自净化能力。因此，大面积、低成本高效增氧是微生物发酵、渔业养殖以及污水治理的共同需求。

现有渔业养殖主要采用固定在水面的电动机驱动搅拌桨叶(伞叶)强化表面曝气的叶轮增氧模式，通过旋转的叶轮产生的水滴分散到空气中增加水面溶氧量，但存在效率低、增氧量小，局部水面容易氧饱和，水体底部缺氧，导致饲料利用率低，污染水体等问题。采用空压机底部鼓气增氧的模式，虽然利用气体动力及水下叶轮初步分散或通过微孔分散或射流可以促进气液分散，但仍然存在增氧区域小、安装维护成本高、容易堵塞、氧气利用率低、能耗高、气体分散性差及损伤微生物等问题。

生物发酵罐是采用强力机械搅拌分散空压机鼓入的空气(气泡尺寸大，气液接触面积小)进行强制增氧，存在设备造价高、功耗大、增氧效果不佳等一系列缺陷。微孔增氧机是利用罗茨风机或空压机将气体通过表面微孔在水体中进行分散，通过增大气液接触面积和更新气液传质面以及利用气体与液体之间千倍密度差产生的升力形成水体轴向环流来达到一个增氧效果，可实现底层增氧，提高增氧动力效率，降低能耗，但存在微孔布气布气区域难以满足需求，微孔易被杂物堵塞，单个装置曝气面积小以及上升气泡很容易聚并变大等影响增氧能力的问题；射流增氧机是利用液体射流打散气体，不断更新液体与气体传质面，具有更高的传质溶氧效率，但传统的射流增氧机同样存在着处理能力小、能耗高以及射流方向固定及对微生物的伤害等问题。需要指出的是以上传统的增氧方式都是固定式增氧，范围有限，溶氧不均，动力效率低，存在底部死区等问题，大面积及大容积水体增氧通常采取的是多位点密集布置，存在工程量大、投资大，检修困难、能耗高、效果差等问题。

本课题组前期提出了用旋转射流喷头旋转喷射的液体物料与容器内的液体物料直接混合的“物料搅拌物料”的径向旋流混合替代传统机械搅拌，创造了一个旋流体系，加强了径向上的混合效果并减少了能量对混合贡献较少的周向运动上的消耗，具有较好的省投资和强化混合的效果(CN104128106A)，但未能很好解决轴向混合问题。针对这一不足，后期又对旋转喷头进行了改进，在原有旋流体系上引入了气体(气体可以为反应气或专门提供轴向环流动力的循环气或用于加热的蒸汽等)，利用气体与液体之间千倍的比重差形成的升力强化了轴向环流，创造了一个旋环流体系，明显提高了轴向混合及多相之间的传质效率，同时借助旋转喷头射流有效分散和大大扩展了气液混合区域，进一步提升了混合效果，开发出了无内导流筒的气升式旋环流高效混合装置(CN108404700A)。但仍存在出气口气体分散不均，效率提高有限等问题。

发明内容

本发明团队基于前期工作基础及效率不高的不足，经过反复优化摸索发明了具有卓越增氧布气性能的高效旋环流增氧布气装置。

本发明以大水面可移动旋环流布气增氧为应用场景，成功开发了高效节能增氧系统：利用径向射流的动能分散气泡，扩大布气区域范围，利用气液周向旋转增加气程和进一步增加气液接触时间及两相间物质传递，减少表面张力，利用气液比重差产生的升力形成的轴向环流，促进水体上下均匀混合，利用移动或多点布置进一步提高传质的浓度差及两相传质与混合推动力，减少气泡聚并，可实现高效低能耗全水域均匀增氧。同时通过旋转布气关键设备的轴承、材质及气道控制以及流体压力、旋转速度、气液比安装方式、移动速度等的系统优化，开发了性价比和使用性更强的新一代可广泛应用于多相体系的混合技术及装备。本发明成果尤其在促进江河湖的水体治理、生物发酵以及提高水产养殖的效率和效益方面应用潜力巨大。

本发明提供如下技术方案：

一种高效旋环流增氧布气装置，其包括液体泵(1)，空压机(3)，双通道喷液布气旋转喷头(9)，所述装置使用液体泵(1)及空压机(3)分别将液体和气体送入一体化的双流道喷液布气旋转喷头(9)中，其中，液体从液体泵(1)泵入喷头的液体导流管(13)，气体从旋转喷头(9)的液体导流管(13)外的夹层通入，环隙出气口(15)的面积不大于进气导管截面积。

优选地，所述旋转喷头(9)的射流喷嘴在水平方向上设置时作为增氧布气装置，喷嘴个数优选2～8个；或者，所述喷头的射流喷嘴在喷头顶端设置时作为混合器或清淤器，喷嘴个数优选1～5个；当作为清淤器使用时，设置有液体泵及污泥泵，液体泵与喷头连接，抽取上清液作为喷头射流清淤水源，污泥泵设置在喷头附近以抽取射流激起的污泥泥浆。优选地，所述旋转喷头(9)的材质为金属或塑料，优选耐磨高强度质轻的铝合金。轴承(12)为滚珠轴承或滑动轴承，优选滑动轴承。所述滑动轴承由轴承底座和滑动垫圈组成；底座材料选自聚酰胺(PA)、油性聚酰胺、聚四氟乙烯(PTFE)、改性聚四氟乙烯、聚醚醚酮(PEEK)或改性多聚甲醛(POM)，垫圈材料选自聚酰胺(PA)、油性聚酰胺、聚四氟乙烯(PTFE)、改性聚四氟乙烯、聚醚醚酮(PEEK)或多聚甲醛(POM)；更优选地，所述底座组成材料为由聚四氟乙烯改性的多聚甲醛；所述的滑动垫圈组成材料为由碳纤维和石墨改性的聚四氟乙烯。组成材料也可为其他高分子材料。

优选地，旋转喷头(9)的转速为100～500r/min，气体压力范围为0.02～0.8MPa，液体泵压力为0.1～2.0MPa，气液比为10∶1～1∶10，所述旋转喷头(9)在液体中的深度为靠近容器或水体底部0.2m以上。

优选地，气体压力为0.04～0.5MPa，液体泵压力为0.2～0.4MPa，气液比为3∶2～5∶2；供给气体优选使用罗茨风机，压力为0.02～0.08MPa。

优选地，所述装置既可以固定又可以移动，在小体量容器(6)中选定固定多点增氧；在大面积的污水治理、水产养殖和水体治理中选择移动布气增氧的悬浮设备(8)。

优选地，所述悬浮设备(8)选自船、废旧轮胎、泡沫板、玻璃钢浮筒或自动化无人船，搭载电源(5)、空压机(3)及液体泵(1)进行移动多位点增氧布气，布气装置的移动速度为1～5m/s。

本发明还提供了所述高效旋环流增氧布气装置的应用，其中，将所述旋环流增氧布气装置用于发酵罐和反应釜，替代电机、减速机或搅拌轴/桨叶机械搅拌系统。

优选地，应用于生物发酵时，所述液体泵(1)为螺杆泵、柱塞泵或者潜水泵；优选地，当所述液体泵(1)为潜水泵时，潜水泵安装至所述发酵容器(6)内部；当所述液体泵为螺杆泵或柱塞泵时，安装在所述发酵容器(6)外部。

优选地，将所述高效旋环流增氧布气装置应用于单/多相混合体系，优选液-液、气-液或气-液-固的体系内；更优选应用于空气-水体系的布气增氧，在塔/釜混合反应、开放或密闭式发酵、污水处理、水产养殖或江河湖海水体治理。

本发明的高效增氧可移动式增氧装置，利用管道连接的液体泵增压的流体通过终端旋转喷头(转子)喷射出的旋转液流分散空压机导气管输送至环形气体出口的气流(固定气道)或从微孔曝气盘/管或发酵自带的气体分散设备等其它布气设备上方进行直接射流分散布气形成较大直径的旋流气液混合区，可达到均匀布气、高效增氧及旋环流均匀混合效果。所使用的旋转喷头包括设置有射流喷嘴及提供旋转动力喷嘴的转子与喷头外侧还设置有气体进口和环形出气口的定子，转子与定子通过轴承连接，所述的增氧装置系统还包括检测系统、液体管路控制系统和气体管路控制系统。

通过调节液体压力、气液总流量、喷嘴角度及流量和喷头的移动速度可以实现各向射流、气液周向旋流及气液周向及轴向旋环流，可大幅提升体系的湍流程度，达到快速均匀高效增氧及节能降耗的效果

作为优选，为保证气体出口压力使气体更好的在径向上进行分散并围绕在射流喷嘴周围，所述环隙气体出口截面积不大于所述气体导管截面积。

优选地，所述轴承座与所述轴承垫圈上可以开孔、挖槽或刻花纹来减少两者之间存在的液体张力。

作为优选，所述旋转喷头在液体中的深度越深，增氧效果越好，优选靠近容器底部0.2m以上为宜，所述布气头的增氧效果随着气体流量或液体流量的增加而增加，优选气液比为3∶2～5∶2。

所述悬浮移动装置可以为船、废旧轮胎、泡沫板、玻璃钢浮筒或自动化无人船等，可搭载电源、空压机、液体泵进行移动单点/多位点增氧布气，溶氧量随移动速度的增加而增加，布气装置的移动速度优选0.5～5m/s。

在所述污水治理、水产养殖和水体治理中，作为优选，所述水泵可为离心泵、自吸泵或潜水污水泵等；若在所述发酵罐中使用时，可优选对菌种无伤害或伤害小的螺杆泵、柱塞泵或潜水电泵等，其中潜水电泵可安装至发酵罐内部。

作为优选，所述水泵的液流量应为发酵罐装料量的1～2倍，所述空压机的流量应为所述液流量的3～10倍。

作为优选，旋转喷头在发酵罐安装的个数可由发酵罐的装液量深度量确定，深度每增加1～5m，可多加装一个旋转喷头保证布气增氧效果。

本发明进行了以下几个方面的优化：

1.通过气液射流提高传质效率(打散气泡、减少气泡聚并)；

2.通过旋环流增加气液接触时间(增加气泡移动路径及深度)；

3.尽可能提升气液传质推动力(从底部均匀增氧、快速循环增加浓度差及气液湍流)。

本发明首先对旋转喷头的结构以及具体体系内的操作参数进行了探究与优化。为了加快气液传质面的更新速度及湍流程度，在实验中发现喷头流体出口(即液体出口截面积与气体出口截面积)过大(超过流体进口管截面积)会导致流体能量不能集中输送从而导致湍流程度降低以及传质面积减小的等问题，而将流体出口面积设置到不大于流体进口面积时，流体出口处的气液能量更为集中，气体可以保持一定的压力从孔隙喷出，扩大了气泡在径向上的分布。同时液体经过循环泵加压，从管道连接的旋转喷头喷出时，动力喷嘴液流推动喷头旋转的同时，溅射形成湍流，可以辅助分散气体和提高气液紊动程度，射流喷嘴沿径向喷出的射流可打散并沿径向夹带和推送聚集气泡，形成大区域扩展的气液混合区域，可有效减少气泡在径向上的聚并。同时射流喷嘴喷射出的多股射流束以及动力喷嘴上的溅射液体可将气泡进一步打散成尺寸更小的气泡，增加了气泡密度和气液接触面积，同时借助旋流体系沿旋转路径上升的气泡与不断流动和表面更新的液体有更长的停留时间和更充分接触，达到液体面后一部分逸出至空气中，另有一部分气泡因为轴环流的液体夹带着继续移动减少了气泡向上聚并，维持了射流打散气泡的分散效果，从气泡产生至逸出都保持着较大的气液传质面积，大大增加了气体在液体中的行进路程和气液接触时间，增强了溶氧效果。同时上升气体与回流液体之间产生的比重差导致的轴环流可以促进水体上下均匀混合，打破温跃层，避免了局部溶氧饱和导致传质效率下降能耗升高等问题。因此，旋环流体系中可维持较佳的传质推动力。增大喷头在水体中的深度，可增加氧气分压增大传质推动力，同时深度增氧可利用气泡在上升的比重差实现水体的上下均匀混合。值得一提的是传统的增氧模式都是固定位点增氧，适合于小面积水域增氧，在大面积水域增氧若采用固定模式则会存在投资大、增氧不均匀以及运行维护成本高等问题，而在大水面使用移动式增氧可用独套设备覆盖整个宽阔水域，在移动的过程中还能进一步避免局部溶氧饱和以及气泡聚并问题，提高溶氧效率，具有较高的性价比优势。

高效旋环流增氧布气装置具有混合增氧一体化功能，在30m³发酵罐中使用旋环流增氧布气装置可用15kW的循环泵替代掉原装置55kW机械搅拌(包括电机、减速机、搅拌轴以及搅拌桨叶)，并且使用不到原发酵罐所需气量50％就可以达到很高的菌群浓度，具有明显的节能降耗、节省装置造价、提高物料利用率以及菌群浓度的效果。

在污水处理及水产养殖中，如果以一定速度(移动速度在2.5m/s左右较为合适)移动增氧，可以提高传质的浓度差和传质推动力以及两相混合推动力，减少上升气泡的聚并，增氧效率可以成倍增加，可实现高效低能耗全水域均匀增氧。同时，装置可从水底增氧，深度越深，压力越大，氧气在水体的溶解度则越大。在水产养殖中，水体底部有残余的饲料，可在水体底部增氧使鱼类回游形成一个良性循环，增加饲料利用率。

增加液体压力和流量可以增加喷射半径，能耗较高，同时会损伤微生物，增加旋转速度会减少喷射半径。因此，从节能考虑，旋转速度不宜太高(300～500r/min为宜)，液体流量和压力不宜太大。增加液体流量可以增加循环效果，增大压力效果不明显，同等增氧效果情况下，增加气体流量能耗更低。这种结合360°旋转射流将气体打散以及气升式循环混合及快速移动的高效增氧布气模式可有效增大气液接触面积，促进气膜液膜更新，减少聚并，增加溶氧的范围、深度及均匀性，减少投资和运行成本，性价比优势显著，具有很好的经济社会及环保效益。

优化的工艺条件下，移动式旋环流增氧装置的溶氧效率、单位功率增氧量、均匀分布效果已经优于现有固定式发酵罐机械增氧设备和宽水面叶轮增氧设备的效果。并且在大水量、宽水面均匀投料、气动混合搅拌、底部污泥清理等实际生产和废弃物处理工程中得到应用，形成了一套有效增氧以及可在大面积水域移动式增氧的装置系统。装置在好氧发酵中可简化现有的机械搅拌增氧结构，可大大提升物料利用率和菌群浓度，降低能耗和生产成本；同时其体积小，增氧深度可调节以及移动可减少轴向上气体聚并加强气液接触面更新很适用于大面积水域水产养殖增氧或水体改善。

本发明技术方案，具有如下优点：

(1)本发明提供的增氧装置从气液传质时间、气液传质推动力、气液传质接触面积以及气液传质接触面更新等层面进行了系统的改进，以射流与出口气压减小气泡尺寸增大气液接触面积；以旋环流体系增加气程，增加了气液接触时间；以气泡的局部紊动以及整体的湍流程度加快了气液传质接触面的更新；以旋环流体系卓越的混合性能避免了局部溶氧饱和的情况，维持了较高的气液传质推动力，避免了不必要的功耗，破解了气液表面接触有限、难溶性气体无法在液相中大范围均匀分布和有效吸收的难题。

(2)本发明提供的增氧装置系统即可进行固定多位点增氧又可进行移动式增氧，其设置在悬浮设备上进行移动增氧时，可以很好地解决气体在轴向上升过程中的聚并、存在增氧死区以及局部溶氧易饱和导致增氧效率降低等问题。同时随着装置移动速度的增加，溶氧量也随之增加。

(3)本发明提供的增氧装置具有增氧和混合一体化功能，可取代发酵罐和反应釜中传统机械搅拌，降低能耗与噪音；同时在发酵这种高粘度增氧体系中，可提高物料利用率、增氧效率以及菌群浓度等。

(4)本发明提供的增氧装置具有结构简单、功能多样、造价低廉、节能高效、用途广泛、通用性强的优点，可解决污水处理中氧气利用率低以及处理能效率低等问题，也可解决在大面积水域水产养殖以及水体治理不易增氧的难题。

附图说明

图1为本发明提供的第一种实施方式提供增氧装置的结构示意图；

图2为本发明提供的旋转喷头作为清淤装置使用时底座的结构示意图；

图3为本发明实施方式中提供的增氧装置中的旋转喷头结构示意图；

图4为本发明实施方式中提供的增氧装置系统中的喷头所用的滑动轴承结构示意图；

图5为本发明实施方式中提供的增氧装置中悬浮移动装置示意图；

图6为本发明装置系统在移动增氧模式下的增氧原理示意图；

图7为本发明实施例中提供的增氧装置中喷头不同出气口面积下溶解氧变化曲线图；

图8为本发明实施方式中提供的增氧装置不同深度下增氧的溶解氧变化曲线图；

图9为本发明实施方式中提供的增氧装置应用于污水处理中COD变化曲线图；

图10为本发明实施方式提供的增氧装置替代30m³发酵罐中机械搅拌在不同气流量下的混合时间变化图；

图11为本发明实施方式提供的增氧装置与30m³发酵增氧装置溶氧曲线变化对比图；

图12为本发明实施方式提供的增氧装置中在30m³发酵罐中进行枯草芽孢杆菌发酵中的溶氧变化曲线图；

图13为本发明实施方式提供的增氧装置和30m³发酵增氧装置在枯草芽孢杆菌发酵过程中不同时刻的菌群浓度变化图；

图14为现有技术与本发明混合模式的原理示意图。

1-水泵，2-液体管路控制系统，3-空压机，4-气体管路控制系统，5-供电装置，6-容器，7-检测系统，8-悬浮移动/固定装置，9-旋转喷头，10-其它布气设备，11-定子，12-轴承，13-液体导流管，14-气道，15-环形气体出口，16-喷嘴，17-转子。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1～2所示，提供了一种高效旋流增氧布气装置系统，该系统通过水泵1通过管道与旋转喷头1相连接，在液体管道上还设置有液体管道控制系统2(包括压力表、液体流量计以及阀门等)；空压机3通过气管与旋转喷头定子上的气道或其它布气设备10相连接，通过喷头上的环形出气孔15或其它布气设备10喷出，同时水泵1、空压机3以及电源5都设置在悬浮装置8上，电源5可为发电机或太阳能电池板等，悬浮装置8可以为船、简易的废旧轮胎、泡沫板、玻璃钢浮筒或自动化无人船等。同时在容器6内还设置有检测系统7，例如溶氧仪和温度检测仪等。

如图3所示，旋转喷头9包括定子11、转子17、滑动塑料轴承12、液体导流管13、气体导流管14和气体环形出口15；所述转子17内部设置有流体腔和液体喷嘴16，所述液体喷嘴16用来自流体腔的一部分带压液体推动所述转子相对于定子旋转，所述流体腔里的另外一部分流体通过其他喷嘴流出形成射流。所述气体环形出口用于来自气体导流管的气体喷出，结合射流形成径向上的气泡分布以及轴向上的环流扰动。图4所示为实施例实验所用旋转喷头安装高分子材料滑动轴承的结构示意图。图5是进行实施例7～9所用的悬浮移动装备8的示意图。

需要注意的是，所述液体喷嘴16包括广角喷嘴(动力溅射喷嘴)与扇形喷嘴(直喷射流喷嘴)，动力喷嘴是在出口设置有一个有角度的扇面的喷嘴，动力喷嘴出口出来的液体的反作用力作用在扇面上推动整个转子旋转。射流喷嘴是在出口处有一个扇形开口，射流出口出来的液体通过扇形出口形成一个扇形射流将气泡打散。

实施例1

应用图1所述的装置，在直径1300mm，高度1500mm的容器6中，加入1500L清水和1kg碳酸钙粉末(充当水中杂质)对采用3个扇形喷嘴(直通射流喷嘴)、2个广角喷嘴(动力溅射喷嘴)以安装及高分子材料滑动轴承的旋转喷头，测定了在液流量为6m³/h时，考察了旋转喷头滑动轴承的轴承底座及滑动垫圈使用不同高分子材料时，旋转喷头的旋转稳定情况，实验表明，底座材料可以选择的材料有聚酰胺(PA)、油性聚酰胺、聚四氟乙烯(PTFE)、改性聚四氟乙烯、P EEK、改性多聚甲醛(POM)，垫圈材料可以选择聚酰胺(PA)、油性聚酰胺、聚四氟乙烯(PTFE)、改性聚四氟乙烯、P EEK、多聚甲醛(POM)。其中，改性PTFE材质的垫圈和改性POM轴承座的组合运行效果最好，其中，改性多聚甲醛为聚四氟乙烯改性的多聚甲醛；改性聚四氟乙烯为由碳纤维和石墨改性的聚四氟乙烯。

实施例2

应用图1所述的装置，在直径1300mm，高度1500mm的容器6中装入清水1500L，采用3个扇形喷嘴(直通射流喷嘴)、2个广角喷嘴(动力溅射喷嘴)以及安装高分子材料滑动轴承的旋转喷头，有效高径比1.25∶1，利用Na₂SO₃将水中的溶解氧消耗至4mg/L左右，测定了在气流量为9m³/h，液流量为7m³/h，溶解氧从4mg/L到7.5mg/L时，喷头不同气体出口面积下的溶解氧变化曲线，结果如图7所示，可以看到当导气管出口面积不大于环隙气体截面积时候，增氧时间明显缩短，增氧性能增强。

实施例3

应用图1所述的装置，对旋转喷头的转子在液流量一定时不同气流量的转速进行测量，在直径1300mm，高度1500mm的容器6中装入清水1500L，高径比1.25∶1，采用3个扇形喷嘴(直通射流喷嘴)、2个广角喷嘴(动力溅射喷嘴)以及安装高分子材料滑动轴承的旋转喷头，测定了在液流量为6m³/h时，不同气流量下的转子转速和增氧动力效率，结果如表1所示。可见，增加气体流量强化了轴向循环，减少了混合相密度和阻力，可使旋速提高，可以持续提升溶氧效率。

表1液量固定，气体流量变化对转速和增氧动力效率的影响

实施例4

应用图1所述的装置，对旋转喷头的转子在气流量一定时，不同液流量下的转速进行测量，在直径1300mm，高度1500mm的容器6中装入清水1500L，高径比1.25∶1，采用3个扇形喷嘴(直通射流喷嘴)、2个广角喷嘴(动力溅射喷嘴)以及安装高分子材料滑动轴承的旋转喷头，测定了在气流量为9m³/h时，不同液流量下的转子转速和增氧溶氧效率，结果如表2所示。可见，增加液体流量可以提高转速，强化径向混合，也具有持续提升溶氧效率的效果，但能耗比增加气体流量大。

表2气量固定，液体流量变化对转速和增氧动力效率的影响

实施例5

应用图1所述的装置，在直径1300mm，高度1500mm的容器6中装入清水1500L，采用3个扇形喷嘴(直通射流喷嘴)、2个广角喷嘴(动力溅射喷嘴)以及安装高分子材料滑动轴承的旋转喷头，高径比1.25∶1，利用Na₂SO₃将水中的溶解氧消耗至5mg/L左右，测定了在气流量为9m³/h时，溶解氧从5mg/L到8mg/L不同液流量下的装置的增氧效果，增氧性能见表3。可见，增加液体流量缩短溶氧时间，提高增氧能力和动力效率。

表3气体流量和溶氧浓度固定，增氧3mg/L的增氧效果及动力效率

实施例6

应用图1所述的装置，在直径1300mm，高度1500mm的容器6中装入清水1500L，采用3扇形喷嘴(直通射流喷嘴)2广角喷嘴(动力溅射喷嘴)以及使用高分子材料滑动承的旋转喷头，高径比1.25∶1，利用Na₂SO₃将水中的溶解氧消耗至5mg/L左右，测量了在液流量为7m³/h时，溶解氧从5mg/L到8mg/L不同气流量下的装置的增氧效果，增氧性能见表4。可见，增加气体流量，同样可以缩短溶氧时间，提高增氧能力和动力效率，增加气体及液体流量的动力效率接近。

表4液体流量和溶氧浓度固定，增氧3mg/L的增氧效果及动力效率

实施例7

应用图1所述的装置，在直径1300mm，高度1500mm的容器6中装入清水1500L，采用3个扇形喷嘴(直通射流喷嘴)、2个广角喷嘴(动力溅射喷嘴)以及使用高分子材料滑动轴承的旋转喷头，高径比1.25∶1，利用Na₂SO₃将水中的溶解氧消耗至5mg/L左右，测量了在液流量为7m³/h，气流量Q为9m³/h时，溶解氧从5mg/L到8mg/L，喷头顶端加装不同直射喷嘴个数下喷头的增氧性能，增氧性能见表5。可见，随着喷头顶端的喷嘴的增加，鼓泡半径减小，气泡在上轴向的分布范围减小，动力效率下降，以顶端无喷嘴为佳。

表5气液流量一定时，喷头顶端安装不同数量喷嘴下的增氧性能

实施例8

应用图1所述装置，在长13.8m，宽2.9m，深2m，水量80m³)的水池中，采用3个扇形喷嘴(直通射流喷嘴)、2个广角喷嘴(动力溅射喷嘴)以及安装高分子材料滑动轴承的喷头，利用Na₂SO₃将水中的溶解氧消耗至5mg/L左右，测定了在液流量为10m³/h，气流量为15m³/h时，不同移速下溶解氧从5mg/L增加到8mg/L的增氧性能，结果如表6所示。可以看出，移动增氧可以大幅提高氧转移系数和增氧能力及动力效率，随着移动速度增加提升幅度迅速降低。

表6气液流量一定时，不同移速下的增氧性能

实施例9

应用图1所述装置，在长13.8m，宽2.9m，深2m，水量80m³的水池中，采用3扇形喷嘴(直通射流喷嘴)2广角喷嘴(动力溅射喷嘴)以及安装高分子材料滑动轴承的喷头，利用Na₂SO₃将水中的溶解氧消耗至5mg/L左右，测定了在液流量为10m³/h，气流量为15m³/h时，在不同深度条件下增氧，溶氧从5mg/L增加到8mg/L的增氧性能，结果如图8所示，随着深度的增加，所需的增氧时间减少。

实施例10

应用图1所示装置，在长20m，宽8m，深4.5m，COD为8000ppm，污水量约为600m³的污水池中，采用3个扇形喷嘴(直通射流喷嘴)、2个广角喷嘴(动力溅射喷嘴)以及安装高分子材料滑动轴承的旋转喷头分三次投入质量分数为27％的双氧水55t、20t、10t以及七水硫酸亚铁30t、10.8t、5.4t进行混合反应，然后分别测定三次投药后的COD变化，结果如图9所示，可以看到COD下降迅速，最终降到了300ppm左右，达到了工业废水三级排放标准。

实施例11

应用图1所述装置，在直径2.4m，高度7.5m的发酵罐6(搅拌电机功率50kW)中装入清水20m³，有效高径比1.9∶1，采用7个扇形喷嘴(直通射流喷嘴)2个广角喷嘴(动力溅射喷嘴)以及高分子材料滑动轴承的旋转喷头在不同气流量下进行搅拌混合效果实验，向罐内加入NaCl溶液作为电导率指示剂，利用电导率仪检测罐内电导率变化情况，结果如图10所示，可以看到随着气量的增加，电导率达到平衡的时间越快，说明混合效果随着气量的增加而增加，在气量达到60m³/h时，体系最快26s就可以混合均匀。

实施例12

应用图1所述的装置，在直径2.4m，高度7.5m的发酵罐6(搅拌电机功率50kW)中装入清水20m³，有效高径比1.9∶1，采用7个扇形喷嘴(直通射流喷嘴)2个广角喷嘴(动力溅射喷嘴)以及高分子材料滑动轴承的旋转喷头，利用Na₂SO₃将水中的溶解氧消耗至0.75mg/L左右，测定了在液流量为18m³/h和气流量为80m³/h时，溶解氧从0.75mg/L增加到10mg/L时，旋环流增氧装置和传统发酵增氧装置的增氧性能对比，结果如表7所示。

表7传统发酵罐与旋转喷头在30m³发酵罐中的增氧性能对比

实施例13

应用图1所述的装置，在直径2.4，高度7.5m的发酵罐6(搅拌电机功率55kW)中装入清水20m³，有效高径比为1.9∶1，采用7扇形喷嘴(直通射流喷嘴)2广角喷嘴(动力溅射喷嘴)以及安装高分子材料滑动轴承的喷头，利用Na₂SO₃将水中的溶解氧消耗至0.75mg/L左右，测定了在液流量为18m³/h和气流量为80m³/h时，溶解氧从0.75mg/L增加到5.5mg/L时，旋射流增氧装置和发酵增氧装置中气体分散设备和旋射流设备耦合使用的溶解氧变化对比，结果如图11所示，发酵罐自带增氧装置和旋射流增氧装置的增氧装置的增氧曲线贴合的很近，说明两者在清水中的增氧能力很接近，但旋射流功耗只有23kW，而发酵发酵罐自带的机械搅拌增氧装置的功耗却高达52kW，旋射流增氧装置更节能更高效。

实施例14

应用图1所述的装置，在直径2.4m，高度7.5m的发酵罐6(搅拌电机功率55kW)中装入玉米淀粉288kg、豆粕粉216kg、磷酸氢二钾5.4kg、硫酸镁7.2kg、氯化钙36kg、碳酸钙90kg、蛋白胨24kg、消泡剂7.2L、纯水18t，氢氧化钠约为2kg，发酵菌种采用枯草芽孢杆菌，采用7扇形喷嘴(直通射流喷嘴)2广角喷嘴(动力溅射喷嘴)以及安装高分子材料滑动轴承的喷头，液体循环量为18m³/h，气体流量为80m³/h，测定了整个发酵过程中溶氧实时变化，结果如图12所示，发酵过程前1.5h属于菌群活化时间，待溶氧低于1.5mg/L开启通气进行前期培育，培育至8h时，单纯通气已经供不上溶氧需求，此时开启旋射流增氧装置可以将溶氧稳定的维持在1.5mg/L至4.5mg/L之间至对数生长期。

实施例15

应用图1所述的装置，在直径2.4m，高度7.5m的发酵罐6(搅拌电机功率55kW)中装入玉米淀粉288kg、豆粕粉216kg、磷酸氢二钾5.4kg、硫酸镁7.2kg、氯化钙36kg、碳酸钙90kg、蛋白胨24kg、消泡剂7.2L、纯水18t，氢氧化钠约为2kg，发酵菌种采用枯草芽孢杆菌，采用7扇形喷嘴(直通射流喷嘴)2广角喷嘴(动力溅射喷嘴)以及高分子材料滑动轴承，液体循环量为18m³/h，气体流量为80m³/h，测定了整个发酵过程中整个发酵过程不同时间节点的菌群浓度变化(所有菌群都纳入计数)，结果如图13所示，旋流增氧设备前中菌群浓度和摇床的菌群浓度大致相同，在发酵结束后，摇床培养的菌群浓度为37×10⁸个/mL，旋流增氧装置最后的发酵菌群浓度可达到260×10⁸cfu/mL。

显然，上面实例仅仅是为了清楚的说明而举例，而非对实施方式的限定。对于所属的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种高效旋环流增氧布气装置，其包括液体泵(1)，空压机(3)，双通道喷液布气旋转喷头(9)，所述装置使用液体泵(1)及空压机(3)分别将液体和气体送入一体化的双流道喷液布气旋转喷头(9)中，其中，液体从液体泵(1)泵入喷头的液体导流管(13)，气体从旋转喷头(9)的液体导流管(13)外的夹层通入，气道环隙出口(15)截面积不大于进气导管截面积。

2.根据权利要求1的旋环流增氧布气装置，其中，所述旋转喷头(9)的射流喷嘴在水平方向上设置时作为增氧布气装置，喷嘴个数优选2～8个；或者，所述喷头的射流喷嘴在喷头顶端设置时作为混合器或清淤器，喷嘴个数优选1～5个；当作为清淤器使用时，设置有液体泵及污泥泵，液体泵与喷头连接，抽取上清液作为喷头射流清淤水源，污泥泵设置在喷头附近以抽取射流激起的污泥泥浆。

3.根据权利要求1-2任一项所述的旋环流增氧布气装置，其中，所述旋转喷头(9)的材质为金属或塑料，优选铝合金；轴承(12)为滚珠轴承或滑动轴承，优选塑料滑动轴承；所述滑动轴承由轴承底座和滑动垫圈组成；底座材料选自聚酰胺(PA)、油性聚酰胺、聚四氟乙烯(PTFE)、改性聚四氟乙烯、聚醚醚酮(PEEK)或改性多聚甲醛(POM)，垫圈材料选自聚酰胺(PA)、油性聚酰胺、聚四氟乙烯(PTFE)、改性聚四氟乙烯、聚醚醚酮(PEEK)或多聚甲醛(POM)；更优选地，所述底座组成材料为由聚四氟乙烯改性的多聚甲醛；所述的滑动垫圈组成材料为由碳纤维和石墨改性的聚四氟乙烯。

4.根据权利要求1-3任一项的旋环流增氧布气装置，其中，旋转喷头(9)的转速为100～500r/min，气体压力范围为0.02～0.8MPa，液体泵压力为0.1～2.0MPa，气液比为10∶1～1∶10，所述旋转喷头(9)在液体中的深度为靠近容器或水体的底部0.2m以上。

5.根据权利要求1-4任一项的旋环流增氧布气装置，其中，气体压力为0.04～0.5MPa，液体泵压力为0.2～0.4MPa，气液比为3∶2～5∶2；供给气体优选使用罗茨风机，压力为0.02～0.08MPa。

6.根据权利要求1-5任一项的旋环流增氧布气装置，其中，所述装置既可以固定又可以移动，在小体量容器(6)中选定固定多点增氧；在大面积的污水治理、水产养殖和水体治理中选择移动布气增氧的悬浮设备(8)。

7.根据权利要求6任一项的旋环流增氧布气装置，其中，所述悬浮设备(8)选自船、废旧轮胎、泡沫板、玻璃钢浮筒或自动化无人船，搭载电源(5)、空压机(3)及液体泵(1)进行移动多位点增氧布气，布气装置的移动速度为1～5m/s。

8.权利要求1-7任一项的旋环流增氧布气装置的应用，其中，将所述旋环流增氧布气装置用于发酵罐和反应釜，替代电机、减速机或搅拌轴/桨叶机械搅拌系统。

9.根据权利要求8的应用，其中，应用于生物发酵时，所述液体泵(1)为螺杆泵、柱塞泵或者潜水泵；优选地，当所述液体泵(1)为潜水泵时，潜水泵安装至所述发酵容器(6)内部；当所述液体泵为螺杆泵或柱塞泵时，安装在所述发酵容器(6)外部。

10.权利要求1-7任一项的旋环流增氧布气装置的应用，其中，将所述高效旋环流增氧布气装置应用于单/多相混合体系，优选液-液、气-液或气-液-固的体系内；更优选应用于空气-水体系的布气增氧，在塔/釜混合反应、开放或密闭式发酵、污水处理、水产养殖或江河湖海水体治理及底泥清理。

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