多功能揚水曝氣器

《多功能揚水曝氣器》是西安建築科技大學、天津市自來水集團有限公司於2003年12月23日申請的發明專利，該專利的公布號為：CN1554601，專利公布日：2004年12月15日，發明人：黃廷林、叢海兵、何文杰、韓宏大。

《多功能揚水曝氣器》展示了一種高效的水體混合、充氧裝置。該裝置主要由中心上升筒、曝氣室、氣室、空氣釋放管組成。中心上升筒為一段圓管，能自動根據水位調節長度，在其下端的外側，由同心的大直徑管壁與其圍成了曝氣室和氣室。在曝氣室下方進口處安裝有穿孔的空氣釋放管。壓縮空氣經空氣釋放管進入曝氣室充氧，尾氣進入氣室，氣室充滿後，氣體集中向中心上升筒釋放，形成大氣泡，推動中心上升筒水流向上流動。多功能揚水曝氣器由浮子懸浮，豎直安裝於水中，底部由錨固墩錨固。《多功能揚水曝氣器》可用於混合水庫、湖泊的上下水層，抑制藻類生長；給底部水體充氧，改善底部水生生態環境，抑制底泥中磷、氨氮、鐵、錳等物質向水中溶解擴散。

2017年12月11日，《多功能揚水曝氣器》獲得第十九屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《多功能揚水曝氣器》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：多功能揚水曝氣器
• 申請人：西安建築科技大學; 天津市自來水集團有限公司
• 發明人：黃廷林、叢海兵、何文杰、韓宏大
• 申請號：2003101179006
• 申請日：2003年12月23日
• 公布號：CN1554601
• 公布日：2004年12月15日
• 地址：陝西省西安市雁塔路13號
• Int. Cl.：C02F7/00
• 類別：發明專利

專利背景

水庫和湖泊水體的容量大、水深大、流動性小，由此帶來一些負面的影響。由於流動性小，使許多有機質、氮、磷等營養物質在水庫和湖泊沉積聚集，給藻類等浮游植物提供了充足的營養，同時由於水的流動性小，使藻類能穩定地停留在表層水中，接受充足的光照而大量繁殖，帶來了水體富營養化問題，影響了水質。由於水深大、流動性小，容易形成水體分層現象，即在夏季，溫度高而密度輕的水體穩定分布在上層，溫度低密度大的水體下沉到庫（湖）底；冬季則相反，溫度特別低（小於4℃）密度輕的水體分布於水體上層，溫度較高（接近4℃）密度大的水體下沉到庫（湖）底，造成上下層水體間相對靜止。這會使下層水體溶解氧減少，處於缺氧狀態，使水生生態環境惡化，底泥中氮、磷、鐵、錳等物質向水體溶解釋放，使水質惡化。有資料介紹，中國國外有一種“揚水筒”裝置，利用壓縮空氣混合上下水層，但《多功能揚水曝氣器》本身不具備水位自動調節和充氧功能。

發明內容

專利目的

《多功能揚水曝氣器》的目的是提供一種能充氧和揚水混合的曝氣裝置，該裝置能將表層水與底層水充分混合，同時向水體充氧。它能自動調節自身長度，以適應水位的變化。

《多功能揚水曝氣器》解決上述問題的構想是：在水庫（湖泊）中豎直安裝一個直筒體，筒體進口接近水庫（湖泊）底，出口接近水面。為適應水位的變化，該直筒體分為上下獨立的兩節，兩節為套筒室式連線，下一節位置固定，上一節能隨水位漲落而上下浮動，從而調節整個直筒的長度。在筒體的下端附帶一個曝氣室和一個氣室，曝氣室中充滿水，將壓縮空氣以小氣泡的形式連續通入曝氣室下部，氣泡在曝氣室上升的過程中與水接觸，將氧氣溶解到水中。氣室位於曝氣室的上部，為一半封閉腔室，收集來自曝氣室的氣泡，當氣室充滿空氣後，氣室中的氣體在瞬間向直筒體釋放，形成一個大的氣彈，並迅速上浮，推動筒體中水體向上流動，從而使底層水流向表面，表層水被向下抽吸，形成上下層水體間的循環交換，達到混合上下水層的目的。

技術方案

《多功能揚水曝氣器》的技術方案為：

所提供的多功能揚水曝氣器為圓筒形結構，由上升筒、曝氣室、氣室、空氣釋放管、浮子、錨固墩等組成。所說的上升筒為一段直管道，進口為喇叭形，出口為蘑菇形，出口能將自下向上流動的水流導向水平方向，使水流向四周擴散。上升筒為相對獨立的上下兩節，上一節直徑比下一節稍大，且能套在下一節的外面，相互間能相對滑動，當滑動到平衡位置時由定位插銷自動定位。所說的曝氣室和氣室為一環形空間，是在上升筒下段的外面外包一段直徑更大的直筒，內外直筒間圍成一個環形空間，下部開口，上部由頂板封閉。該環形空間的下半段為曝氣室，上半段為氣室。氣室的環形空間又被環形水封板和溢流板分隔成三層環形空間，水封板在內，溢流板在外。三層環形空間由外向內依次為儲氣室、水封室和出氣狹縫，三室依次相通。氣室和曝氣室的內壁上均開有孔洞與上升筒相通。所說的空氣釋放管為一圓環形管道，位於曝氣室的下方進口處，該管道向上的一側開設一排2毫米直徑的小孔。所說的浮子為合成樹脂或浮筒等能在水中漂浮的物體，用於提供浮力，保證多功能揚水曝氣器豎直懸浮與水中，浮子可直接捆綁固定於上升筒上。所說的錨固墩為一重物，沉於水庫（湖泊）底，用於錨固多功能揚水曝氣器。

運行方式

《多功能揚水曝氣器》的運行方式是：

壓縮空氣通入空氣釋放管後，從管道上的小孔向水中釋放，氣泡上升經過曝氣室，此過程中，氣泡中的氧氣溶解擴散到水中。氣泡上升時能帶動水流向上流動，該部分充氧水流經過曝氣室上端內壁上的孔洞進入上升筒，上升到水面。充氧後的尾氣泡直接上升進入儲氣室，儲氣室收集了來自曝氣室的氣泡，氣量逐步積累，排擠出水體，迫使其中水面不斷下降。當水封室中的水面下降到水封板下沿時，儲氣室中的氣體通過水封室在瞬間翻過水封板，進入出氣狹縫，由出氣狹縫頂部內壁上的孔洞進入上升筒，排氣後的儲氣室空間由曝氣室中的水來填充。進入上升筒的氣體結合成一個大的氣彈，堵塞了上升筒整個橫斷面，並迅速上浮，形成了上升的活塞流，推動上升筒中的水體加速上升，直至氣彈衝出上升筒出口。隨後，上升筒中的水流在慣性作用下降速上升，直至下一個氣彈形成。上升筒下一節固定在錨固墩上，位置相對固定，上一節浮於水中，頂面與水面持平。當水位下降時，在重力作用下，位於上一節上升筒下端的定位插銷被壓縮，上一節上升筒沿下一節上升筒向下滑動。當滑到平衡位置時，插銷彈出，插進下一節筒體的滑槽內，保持上下筒體的相對固定，否則，在脈動的上升水流推動下，上一節筒體會不停地上下往復運動，影響正常使用。當水位漲高，上升筒的淹沒深度加大，定位插銷在水壓作用下回縮，上一節筒體在浮力作用下上浮，上升筒伸長。當上升至水面時，插銷處水壓減小，插銷彈出，兩節上升筒又處於鎖住狀態。當上升筒伸長到最大長度時，相互間通過掛鈎拉結，保證上下節不脫節。

改善效果

《多功能揚水曝氣器》的有益效果是：

由於該發明在底部高水壓、低含氧量的位置設定了曝氣室，充氧效率高。上升筒設計成可伸縮結構，可自動調節自生長度，以適應水位變化，始終將出水輸送到表層，混合充分。充氧後的餘氣以集中、間歇方式釋放，形成活塞流，提水效率高。該發明解決了揚水曝氣器隨水位變化的自動調節問題，而且將充氧和揚水混合有機地結合在一起，實現了兩大功能的統一，混合了上下水層，破壞了藻類的漂浮狀態，迫使其向深水遷移，抑制其生長；給底部水體充氧，改變了缺氧環境，改善底部水生生態環境，抑制了底泥中磷、氨氮、鐵、錳等物質向水中溶解擴散，穩定了水質。

附圖說明

附圖1為《多功能揚水曝氣器》一個實施例的結構圖。

附圖2為《多功能揚水曝氣器》實施例中上下節上升筒的連線定位結構圖。

附圖3為國際上類似設備“揚水筒”的結構圖。

技術領域

《多功能揚水曝氣器》涉及一種水力混合曝氣裝置，特別適用於混合由於水深大而水力分層的水庫水和湖泊水，並向水中補充氧氣。

權利要求

1、一種多功能揚水曝氣器，包括上升筒（6、15、17）、曝氣室（21）、氣室（23、24、25）、空氣釋放管（4），其特徵是所說的上升筒為直筒狀，由上下套接的兩節直筒組成；所說的曝氣室和氣室為半封閉環行空間，位於上升筒下端的外側四周，曝氣室在下，氣室在上，兩室相通，曝氣室下端開口，氣室頂端封閉。氣室和曝氣室與上升筒間有孔洞相通。空氣釋放管（4）為環形穿孔管，位於曝氣室下端開口處。

2、如權利要求1所說的揚水曝氣器，其特徵是所說的上升筒能自動調節長度以適應水位的變化，其結構為相互間能滑動的上下兩節，兩節間採用套筒式連線，頂部上升筒（17）直徑大於下部上升筒（15），並套在下部上升筒（15）外面，兩段上升筒間有插銷箱（16）定位。

3、如權利要求2所說的插銷箱（16），其特徵是插銷（35）固定在彈性膜（37）上，而彈性膜（37）的一側臨水，另一側為密閉的氣腔（36）。插銷（35）在滑道（39）內滑動，滑道內安裝有滾動軸承（38）。在下一節上升筒的外壁上開有滑槽（33）與插銷（35）對應，滑槽（33）內有一系列滾輪（34）。

4、如權利要求1所說的揚水曝氣器，其特徵是在上升筒的外側和頂部設定水密倉（27、28、32）。

實施方式

如附圖1所示：上升筒6、15、17為剛性直筒，下部進口（41）為喇叭狀，上部出口（42）為蘑菇狀，蘑菇出口的頂蓋20由4塊固定板18固定在底板19上。上升筒17套在上升筒15的外面，相互間能上下滑動。下部上升筒15的頂端有上導向密封圈30，上部上升筒17的底端有下導向密封圈29。上部上升筒17下端的外側安裝有兩個定位插銷箱16，左右對稱布置。下部上升筒15的外側有水密倉27、28，上部上升筒17的頂端設有水密倉32，水密倉用於提供浮力，保持多功能揚水曝氣器懸浮於水中。上升筒可分段製作，用法蘭10、13、14連線。下段上升筒6的外圍有直徑更大的直筒5，大小直筒由固定板7連線固定，圍成了曝氣室21和儲氣室23，儲氣室由頂板12封閉。頂板12下固定有水封板11，下段上升筒6上固定有溢流板9，水封板11和溢流板9圍成了水封室25和出氣狹縫24。出氣狹縫24的頂端內壁上開有環向縫隙26，曝氣室的內壁上開有孔洞22，孔洞的外面設有裙擺狀擋板8，阻止曝氣室21中的氣泡直接進入上升筒6。曝氣室21的下方進口處安裝有環形空氣釋放管4，其上表面開有2毫米直徑的小孔。空氣釋放管4上連線有壓縮空氣管3。上升筒6由錨固鏈2固定在混凝土錨固墩1上。

附圖2所示：下部上升筒15的頂端有上導向密封圈30，上部上升筒17的底端有下導向密封圈29，導向密封圈為橡膠材料。上部上升筒17下端的外側安裝有兩個定位插銷箱16，左右對稱布置。下部上升筒15筒壁上與定位插銷箱16對應位置處設有插銷滑槽33，滑槽33內有一系列滾輪34，滾輪34能繞其中心軸滾動。插銷箱16由氣腔36和插銷滑道39組成，均為圓柱形，兩者用螺栓43固定，其間墊有彈性橡膠膜37。氣腔36為密閉空間。滑道39內有插銷35和兩個環向滾動軸承38。插銷35為圓柱形，根部固定在橡膠膜37上，端部削成銳三角斜面，斜面在下。在正常狀態下，插銷35端部伸入插銷滑槽33內任意兩滾輪34之間。

運行時，壓縮空氣經供氣管3進入空氣釋放管4，並向曝氣室21釋放小氣泡，氣泡繼續上升進入儲氣室23及水封室25。氣泡上升時帶動的水流繞過裙擺狀擋板8，經孔洞26進入上升筒6內。隨著氣泡的積累，儲氣室23及水封室25的水位不斷下降，當水位下降到水封板11的下沿時，氣體在瞬間翻過水封板11，經出氣狹縫24和環向縫隙26進入上升筒15。氣體在上升筒15中很快聚攏成一個大的氣泡40，充滿了上升筒15的整個橫斷面，並形成上升的活塞流。上升水流經蘑菇狀出口導向水平方向擴散。此運行過程中，曝氣室中上升的充氧水流連續進入上升筒6，而氣室中的氣體是間歇式進入上升筒15，並形成活塞流。上升筒17由水密倉30提供浮力漂浮在水中，頂部基本與水面持平，此時插銷35端部伸入插銷滑槽33內任意兩滾輪34之間。當水位下降時，頂部上升筒17下降，插銷35的銳角斜面被其下的滾輪34擠壓，插銷35被擠入滑道39內，頂部上升筒17得以順利下降。當水位上升時，橡膠膜37處水壓加大，橡膠膜37被水壓壓向氣腔36內（如圖中虛線所示），從而拉回插銷35，頂部上升筒17在浮力作用上浮。當上升筒伸長到最大長度時，上下導向密封圈29、30掛住，保證上下節上升筒不脫節。

附圖3所示為國際上類似設備“揚水筒”的結構圖。在上升筒15的下部外側設定有氣室44，頂部設有浮室45，下部錨固在錨固墩1上，供氣管3將空氣直接送入氣室44中。與該發明的相似處是：均設定有能產生氣彈的氣室44。該發明與之相比，主要創新點在於：在氣室下部增設了曝氣室21，並在曝氣室進口處設定穿孔管4布氣，在曝氣室中產生小氣泡，將氧氣溶解到水中，溶氧水流通過孔洞26進入上升筒6內；將上升筒設計成能相互滑動的兩節，能自動調節上升筒長度以適應水位的變化，儘可能將下層水體提升到表層，上下節上升筒間採用定位插銷16自動定位。

榮譽表彰

2017年12月11日，《多功能揚水曝氣器》獲得第十九屆中國專利優秀獎。