用于使用大气泡来混合在废水处理装置中处理的液体的混合单元的制作方法

用于使用大气泡来混合在废水处理装置中处理的液体的混合单元
1.本发明的目的是一种用于使用大气泡来混合在废水处理装置中处理的液体的混合单元，它有：收集罩，该收集罩从上方关闭，并界定气体空间；介质引导本体，该介质引导本体与收集罩配合界定介质进口开口、介质出口开口和位于这两者之间的介质引导通道；以及分配管端，用于将气体引入收集罩的气体空间内，其中，介质引导本体有基部部件和偏转机壳，该偏转机壳沿基部部件的外边缘定位成与基部部件的平面的倾斜角小于180
°
，同时收集罩有：气体接收部件，该气体接收部件有至少局部位于介质引导本体的偏转机壳上方的偏转表面；气体保持件，该气体保持件作为气体接收部件的延续部而至少局部绕气体接收部件延伸；以及排出开口，该排出开口由气体接收部件的内边缘包围，收集罩的气体空间通过由气体接收部件和气体保持件共同形成的捕获空间来产生，并从分配管端的方向开口，但是从相反方向关闭，其中，介质引导本体的偏转机壳的外边缘定位成伸入捕获空间中，且从分配管端看，捕获空间的至少一部分为凸形形状，介质引导本体的介质进口开口至少暂时与收集罩的气体空间连接，而介质引导本体的介质引导通道通向由收集罩的气体接收部件的内边缘包围的排出开口，且气体保持件定位成处于流出分配管端的气体的通路中。
2.在很多情况下，使用各种设计的气泡通气装置来用于处理液体。这些组的本质是将适合收集气体包的容器定位在要处理的液体的表面下方，j形管安装在所述要处理的液体内。管的下部自由端通向容器，而它的上部自由端通向在容器外部的液体空间。气体通过与外部储气罐连接的管道而引入容器内。气体收集在容器的关闭内部空间中，且由于压力增加，它将液体从j形管的上部自由端推出。一段时间后，全部液体离开j形管，因此气体包以小气泡的形式离开容器。
3.这种设计可以在公开文献us2011/0049047等中看到。这里的解决方案的目的是使得在容器中积累的气体以多组较小气泡的形式直接朝向液体表面向上破裂，同时气体运动而使得在液体中竖直向下悬挂的膜运动，并使得积累在它们上的一部分生物膜脱离。
4.不过，该解决方案并不适用于废水处理装置，其中，处理后的废水将与较大气泡混合，以使得氧气与处理后的液体接触的时间尽可能短。小气泡不适合执行该操作。气泡中的氧气含量将更好地溶解至废水内，从而阻碍了优选处理过程的有效执行。
5.在这种废水处理装置中使用这样的装置来用于混合，在该装置中，通气管一直沿反应器的基部延伸，该管与高压空气罐连接。通过打开和关闭控制阀，高压空气从空气罐引入通气管内，且从板之间流出的气泡混合要处理的废水。
6.不过，这些解决方案的缺点是需要大量的能量来操作高压空气罐。
7.另一缺点是控制阀以及其它运动和磨损部件将很快磨损，它们需要大量的维护，且发生故障的可能性也更大。
8.我们根据本发明的装置的目的是，通过保留已知解决方案的优选特性和克服它们的不足，以便创造一种混合单元，该混合单元通过使用少量能量以及很少的运动、磨损部件而规则地产生引入快速升高液体中的大尺寸气泡，并保证高效的混合效果，该气泡只有可
忽略的溶解，这样并不妨碍在各种废水处理装置中进行的有利处理过程。
9.导致根据本发明的装置的认识是，当用于执行定时气体引入的容器以完全非传统的几何形式来产生时，当容器的介质引导本体和介质引导通道的形状以新颖的方式产生时，而且当与已知不同的独特气泡形成元件布置在出口开口上方时，大尺寸的气泡可以被收集和引入废水或污水污泥中，使得它们的引入和暂时储存涉及最小量的能量使用，且对于它们的形状和尺寸，产生的气泡能够在液体中(即在废水和污水污泥中)进行高效混合，而在它们的快速升高过程中，没有实质性的氧气含量溶解，因此可以解决任务。
10.根据设定目标，根据本发明的混合单元用于使用大气泡来混合在废水处理装置中处理的液体，该混合单元有：收集罩，该收集罩从上方关闭，并界定气体空间；介质引导本体，该介质引导本体与收集罩配合界定介质进口开口、介质出口开口和位于这两者之间的介质引导通道；以及分配管端，用于将气体引入收集罩的气体空间内，其中，介质引导本体有基部部件和偏转机壳，该偏转机壳沿基部部件的外边缘定位成与基部部件的平面的倾斜角小于180
°
，同时收集罩有：气体接收部件，该气体接收部件有至少局部位于介质引导本体的偏转机壳上方的偏转表面；气体保持件，该气体保持件作为气体接收部件的延续部而至少局部绕气体接收部件延伸；以及排出开口，该排出开口由气体接收部件的内边缘包围，收集罩的气体空间通过由气体接收部件和气体保持件共同形成的捕获空间来产生，并从分配管端的方向开口，但是从相反方向关闭，其中，介质引导本体的偏转机壳的外边缘定位成伸入捕获空间中，且从分配管端看，捕获空间的至少一部分为凸形形状，介质引导本体的介质进口开口至少暂时与收集罩的气体空间连接，而介质引导本体的介质引导通道通向由收集罩的气体接收部件的内边缘包围的排出开口，且气体保持件定位成处于流出分配管端的气体的通路中；该混合单元产生为这样：介质引导本体的基部部件建立得排除液体渗透，且气泡形成元件插入在排出开口上方，该排出开口通过间隙而与收集罩的气体接收部件和气体保持件的交汇线分离，其中，气泡形成元件产生为至少局部弯曲的旋转体外壳，气泡形成元件的旋转轴线与基部部件的主轴线同轴，且气泡形成元件在从基部部件看时为凸形，而且，介质引导本体的偏转机壳为旋转体外壳，偏转机壳的旋转轴线与基部部件的主轴线同轴，由偏转机壳包围且垂直于它的主轴线的横截面的尺寸从偏转机壳的外边缘沿基部部件的方向均匀减小，收集罩的气体接收部件的偏转表面为旋转体外壳，由偏转表面包围且垂直于收集罩的主轴线的横截面的尺寸至少在它在排出开口附近的部分中从气体接收部件和气体保持件的交汇线沿排出开口的方向均匀减小。
11.根据本发明的混合单元的另一特征可以是，所述气泡形成元件的外部界定边缘的、落在与基部部件的主轴线垂直的平面上的垂直投影位于界定了排出开口的气体接收部件的内边缘的外部。
12.在混合单元的另一形式的情况下，收集罩的气体接收部件和气体保持件的组合具有旋转体外壳的形状，且收集罩的主轴线与介质引导本体的基部部件的主轴线同轴。
13.在本发明的另一不同实施例的情况下，收集罩的气体接收部件的偏转表面呈截头圆锥外壳的形状，和/或介质引导本体的偏转机壳呈截头圆锥外壳的形状。
14.在混合单元的另一不同实施例的情况下，承载气体接收部件和气体保持件的、落在穿过收集罩的主轴线的相交平面中的相邻截面的直线彼此成钝角，或者，承载气体接收部件和气体保持件的、落在穿过收集罩的主轴线的相交平面中的相邻截面的直线彼此之间
的夹角大于30
°
，但最大为90
°
。
15.根据本发明的混合单元有很多有利特征。其中最重要的是，由于形成气体收集容器的结构元件的几何形状和它们的彼此相对布置以及布置于它上方的气泡成形元件，可以使用少量能量来可靠地产生大气泡，该大气泡能够高效地混合各种液体，其中包括在缺氧和厌氧废水处理装置中的废水以及在废水处理装置中的污水污泥，而来自气泡的氧气溶解可忽略，因为气泡快速升高。
16.由此产生的优点是，根据本发明的混合单元不会对在废水处理中发生的所希望处理产生不利影响，不过它比已知的解决方案更有效地进行废水的混合。
17.在优点中可能列出的另一特征是，为了产生气体包和使它定期排出，不需要使用任何运动部件。因此，根据本发明的混合单元可以在更低故障发生概率、更可靠且较低维护需求的情况下操作。
18.由此产生的另一优点是，装配有根据本发明的混合单元的废水处理装置可以更高效地操作，这也对操作成本产生有利影响。
19.另一优点是，由于气体收集罩的设计，根据本发明的混合单元也可以以较低投资成本而安装在已经操作的废水处理厂的废水处理装置中。因此，这些工厂的操作成本和可靠性可以快速和有效的改善。
20.另一重要优点是，根据本发明的混合装置可以与已经在废水处理厂中使用的低压空气供给系统连接，因此它不需要另一独立空气供给装置，这不仅方便安装，还对投资成本产生有利影响。
21.根据本发明的混合单元的其它细节将参考附图通过示例实施例来解释，附图中：
22.图1表示了根据本发明的混合单元的优选实施例的剖视图；
23.图2表示了根据图1的混合单元的收集罩的可能实施例的示意剖视图。
24.图1表示了根据本发明的混合装置的一种形式，它可以用于在废水处理装置中获得用于混合液体的良好效果，特别是用于在缺氧和厌氧废水处理装置中混合废水和污水污泥。可以观察到，混合单元包括：收集罩40；介质引导本体30，该介质引导本体30与收集罩40配合；以及气泡形成元件20，该气泡形成元件20位于收集罩40上方。
25.在给定实施例的情况下，形状为旋转体的介质引导本体30有基部部件34和绕基部部件34的外边缘34b延伸的偏转机壳35。基部部件34优选为平面形圆盘，而偏转机壳35呈截头圆锥外壳的形状，该基部部件34和偏转机壳35由单个材料制成，例如通过压制或注射模制。介质引导本体30的偏转机壳35与基部部件34的平面as的倾斜角α小于180
°
，优选是钝角。
26.介质引导本体30的基部部件34的主轴线34a和偏转机壳35的旋转轴线35b同轴。基部部件34在接收液体2的废水处理装置的反应器空间(图1中未示出)中通过固定件4而固定在基座3上。
27.参考图1，气体收集罩40位于介质引导本体30的上方，该介质引导本体30也呈旋转体外壳的形状。气体收集罩40包含气体接收部件41、气体保持件43和排出开口44，该排出开口44由气体接收部件41的内边缘41a来界定。气体接收部件41和气体保持件43也由单件制成，例如也通过压制或注射模制。
28.还如图2所示，承载气体接收部件41的、落在穿过收集罩40的主轴线40a的相交平面s中的截面41b的直线e2以及承载气体保持件43的截面的直线e1彼此成一定角度β，这里
大于30
°
，但最大为90
°
。
29.不过，这里必须提及，根据任务的性质，可设想气体收集罩40在这种情况下，其中，气体接收部件41的截面41b和气体保持件43b的截面43b彼此成大于90
°
的钝角β。
30.气体接收部件41和气体保持件43形成为这样，它们一起形成气体空间46，该气体空间46从上方从气体接收部件41和气体保持件43的交汇线45关闭，并从介质引导本体30的方向开口。该气体空间46的、靠近交汇线45的上部部分形成捕获空间47，在那里积累的气体1只能通过进入在介质引导本体30的偏转机壳35和气体收集罩40的气体接收部件41之间产生的介质进口开口31而从该捕获空间47离开。
31.下面再参考图1，它很好地表示了空间部分产生于介质引导本体30和气体收集罩40之间，该空间部分的介质进口开口31(在气体收集罩40的气体接收部件41的偏转表面42和介质引导本体30的偏转机壳35的外边缘35a之间)有基本圆环形的横截面。而介质出口开口33基本落在介质引导本体30的基部部件34和气体收集罩40的气体接收部件41之间，并通向由内边缘41a界定的排出开口44。介质引导通道32可以形成于介质进口开口31和介质出口开口33之间，该介质引导通道32由介质引导本体30的偏转机壳35的、面向气体接收部件41的表面以及气体接收部件41的偏转表面42来界定。优选是，气体收集罩40的气体接收部件41的偏转表面42至少在内边缘41a附近形成旋转体外壳，该偏转表面42与介质引导本体30的偏转机壳35的形状相对应。
32.需要注意的是，气体保持件43的形状和它相对于介质引导本体30的位置(一方面)使得气体保持件43的外部界定边缘43a超过介质引导本体30的偏转机壳35延伸。另一方面，气体保持件43的外部界定边缘43a与气体收集罩40的排出开口44相比更靠近基座3。这种布置保证进入气体空间46的气体1的全部量通过以下路线到达排出开口44：介质进口开口31-介质引导通道32-介质出口开口33。
33.顺便说明，气体收集罩40的主轴线40a也与介质引导本体30的基部部件34的主轴线34a和基部部件34的旋转轴线35b同轴。但是必须注意，介质引导本体30的基部部件34和偏转机壳35以及气体收集罩40的气体接收部件41和气体保持件43并不必须是旋转体外壳。不过，形成为旋转体外壳将使得制造明显更容易。
34.如图1中所示，分配管端10保证气体1进入气体空间46，这里，该分配管端10固定在气体收集罩40的气体保持件43的、在外部界定边缘43a附近的部分。另外，分配管端10的气体出口开口11可以形成于气体保持件43和偏转机壳35之间，并布置成这样，当流过分配管端10的气体出口开口11的气体1上升时，它到达气体空间46内，而并不阻碍在气体保持件43和偏转机壳35的外边缘35a之间。
35.还可以看见，气泡形成元件20位于气体收集罩40上方，通过间隙t而分离，这样，气泡形成元件20的外部界定边缘21垂直于平面as(该平面as垂直于基部部件34的主轴线34a)的投影位于气体接收部件41的内边缘41a(该内边缘41a界定排出开口44)的外侧。这是优选的布置，因为这样，通过排出开口44的气体1不能在气泡形成元件20的外部界定边缘21的任何部分旁边逸出，且这样，气泡形成元件20能够产生适合液体2的合适混合程度的合适尺寸气泡2。
36.气泡形成元件20的、面向气体收集罩40的排出开口44的保持表面23也优选是呈至少局部弯曲的旋转体外壳的形状。它优选是球壳表面，该球壳表面的旋转轴线与介质引导
本体30的基部部件34的主轴线34a同轴。从图中可以看见，当从基部部件34观察时，气泡形成元件20有凸形形状。气泡形成元件20当然可以例如由金属片材通过压制来制造，或者使用塑料注射模制来制造。在这种情况下，整个气泡形成元件20可以成形为旋转体，如图1中所示。
37.图1中所示的、根据本发明的混合单元以如下方式工作。在混合单元的操作开始时，在气体收集罩40和介质引导本体30之间的介质引导通道32充满液体2。在废水处理装置的情况下，输送至分配管端10用于混合液体2的气体(优选是空气)通过气体出口开口11至气体收集罩40的气体保持件43和介质引导本体30的偏转机壳35之间，这样，气体1由于它的密度而在气体保持件43的外部界定边缘43a和偏转机壳35的外边缘35a之间向上升高，以便到达气体空间46中，并开始积累在它的捕获空间47中。
38.积累在气体空间46中的气体1越多，它就越努力将气体空间46中的液体2压出。不过，当气体保持件43的外部界定边缘43a低于气体收集罩40的排出开口44时，由于静水压力作用，积累在气体空间46的捕获空间47中的气体1最终将通过介质进口开口31流入介质引导通道32，并迫使液体2离开那里。
39.当介质引导通道32中的液体2通过气体收集罩40的气体接收部件41的排出开口44而离开介质引导通道32，且积累在介质引导通道32中的气体1到达介质出口开口33并到达由内边缘41a界定的气体接收部件41的排出开口44时，从气体接收部件41的偏转表面42的压力作用下释放的气体1通过排出开口44上升至气体收集罩40上方。
40.当气体1通过排出开口44时，它对仍在介质引导通道32中的气体1产生抽吸作用，并加速介质引导通道的排空。离开介质引导通道32的气体1再次由液体2替换一段时间，同时上升至混合单元的气体收集罩40上方的气体1到达气泡形成元件20。
41.气体1沿气泡形成元件20的弯曲表面分布，并且通过在气泡形成元件20的外部界定边缘21下方行进而形成延伸的、初始圆环形状的气泡，该气泡由气泡形成元件20的外部界定边缘21中断，并在液体2中快速向上升高，且通过在周围产生湍流，它们混合液体2，然后当上升至表面时，它们离开液体2的表面。
42.同时，通过分配管端10的气体出口开口11流入的气体1以与前述相同的方式再次开始充满气体空间46的捕获空间47，并重复该处理，只要气体1在混合单元的气体收集罩40的气体保持件43下方流过分配管端10的气体出口开口11。
43.显然，通过改变通过分配管端10的气体出口开口11流入的气体1的流速，可以改变充满捕获空间47所需的时间。这样，可以根据技术需要而精确地调整各个气体包的升高周期。这以不需要供给阀的独立控制(打开-关闭)的方式来执行，也不需要这种阀。可以使用单个阀来将合适量的气体1以给定间隔收集在混合单元的捕获空间47中和流出混合单元以便混合液体2。
44.本发明的混合装置在液体需要使用气体和少量能源来简单可靠地混合的场合中使用效果良好，特别是它对于使用大尺寸气泡来混合在缺氧和厌氧废水处理装置中处理的废水和污水污泥有特别好的效果。除此之外，它还可以与通气装置一起使用，以便执行混合任务。
45.参考标号列表
46.1气体
47.2液体
48.3基座
49.4固定件
50.10分配管端
51.11气体出口开口
52.20气泡形成元件
53.21外部界定边缘
54.22旋转轴线
55.23保持表面
56.30介质引导本体
57.31介质进口开口
58.32介质引导通道
59.33介质出口开口
60.34基部部件
61.34a主轴线
62.34b外边缘
63.35偏转机壳
64.35a外边缘
65.35b旋转轴线
66.40气体收集罩
67.40a主轴线
68.41气体接收部件
69.41a内边缘
70.41b截面
71.42偏转表面
72.43气体保持件
73.43a外部界定边缘
74.43b截面
75.44排出开口
76.45交汇线
77.46气体空间
78.47捕获空间
79.as平面
80.el直线
81.e2直线
82.s相交平面
83.t间隙
84.α倾斜角
85.β角度。