[发明专利]一种增效气液传质的方法与实现该方法的装置及应用

说明书

本发明公开了一种增效气液传质的方法与实现该方法的装置及应用，其中，在气流通过散气组件进入液体之前，对气流进行控制，造成气流波动，并在进入液体时分流进入，这样，波动的气流在分流进入液体时会出现间歇性进气，缩短了孔口气泡形成的周期时长，降低气泡内入流体积、缩小生成气泡的尺寸，间歇波动行为亦能驱动气泡振荡破碎，进一步加剧生成气泡的微小化。

技术领域

本发明涉及气液两相界面的传质，尤其涉及增效气液传质的方法，具体地，涉及一种基于散气式技术增效气液传质的方法、装置及应用。

背景技术

气液两相界面的传质与反应是化工、环保、医药等领域共同涉及的关键过程。如何提高液相含气率、增加气液界面面积及促进气液传质反应速率等一直是相关领域的研究热点，尤其是在工业及市政污水处理、污染(黑臭)河道与湖库治理中，提升水中溶解氧浓度是降低水体COD/BOD指标、促进好氧生物降解、提高水生生物活性的重要途径。目前，城市污水处理厂电耗约占总能耗的60-90％，其中曝气系统是污水处理系统的核心，其能耗在整个污水处理厂运行中的比例最大，高达全部耗电量的50-70％。因此，寻求适应当前污水处理系统需求、节能降耗的复氧技术、增效气液界面传质因而成为领域内的重大实践需求。

现阶段水体复氧多采用传统的定压定流量微孔曝气技术，空气压缩机供给空气经管道系统，送至分布于曝气池底部的管式或盘式曝气器，压缩空气经曝气器上的孔眼分散后形成气泡，气泡上升过程中被分布扩散到曝气池的水体中，与水充分接触，使氧气有效溶解到水中，供活性污泥中微生物新陈代谢、生化处理需要，达到水体净化的目的。受微孔孔口气泡形成过程本身的流体力学机制影响，所生成的气泡直径一般较大且远大于曝气器微孔大小，气泡越大上升越快因而向水体的有效传质系数越低，考虑到此过程中的气泡聚并等其他过程影响，传统曝气方法的总体氧传质转移效率较低，极大影响了这一技术的工程效率和经济效益。

发明内容

基于传统曝气技术，近年来，出现一些改进的技术方法，以实现气液界面的增效传质为目的，主要包括以下三大类：

(1)散气式技术：仍然沿用现有模式，利用空气压缩机定压定流量供气，气流通过微孔曝气器，将气体分散于水中。新兴的改进型技术包括：①纳米盘/管曝气，通过先进制造工艺，减小曝气器的微孔大小到微纳米尺寸，从而产生相对较小直径的气泡，提高气液接触传质面积，促进氧向水体转移。②柔性孔曝气，将传统的刚性孔曝气器改为具有一定回弹性能的柔性孔，利用柔性孔的弹性开合能力加速气泡剪断生成，从而缩小气泡尺寸，提高其氧传质效能。不足/限制性：曝气孔眼数量的增加、微孔孔径的减小均会加大微孔制造的成本、降低曝气器耐压强度同时显著加剧撕裂风险和微孔堵塞风险，柔性孔使用寿命较刚性孔明显要短、弹性恢复性能衰减也比较快。同时这两项技术都需要更换现有污水处理系统的曝气器，费用昂贵。

(2)溶气式技术：一些新兴技术构建气液泵混匀-加压溶气-释放器释气为基础的溶气式系统，这类新兴技术产生的气泡粒径小，含气率高，具有较高的氧传质系数，是目前微纳米曝气领域的主流技术。不足/限制性：溶气所需的压力常常较高、压能消耗高，且由于涉及加压过程，因而系统温度上升明显；气液泵混匀加压过程均需要气液两相同时循环流动、释气器存在非常显著的压降，因而总体能耗较高；气液二相循环剪切过程具有高速高压特点，对于水中的微生物有一定伤害，对涉及生物处理的水系统因而产生不利影响，限制了其实际应用。

(3)引气式技术：受野外环境供气条件的限制，一些新兴技术基于流体伯努利方程原理，采用提速减压方式，设置引气口吸入空气，与离心泵驱动的水相混合，继而形成射流空化泡复氧。此类技术构造简单，在大面积水体内形成紊流区，起到了良好的复氧和混合效果。不足/限制性：与溶气式复氧类似，需要驱动水相的循环高速流动，耗能巨大，且含气率低于溶气法，射流空化泡的生成与溃灭过程产生自由基，损害共存的功能微生物，降低水体生物自净能力。