多功能揚(yáng)水曝氣器技術(shù)領(lǐng)域

《多功能揚(yáng)水曝氣器》涉及一種水力混合曝氣裝置，特別適用于混合由于水深大而水力分層的水庫(kù)水和湖泊水，并向水中補(bǔ)充氧氣。

附圖1為《多功能揚(yáng)水曝氣器》一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。

附圖2為《多功能揚(yáng)水曝氣器》實(shí)施例中上下節(jié)上升筒的連接定位結(jié)構(gòu)圖。

附圖3為國(guó)際上類(lèi)似設(shè)備“揚(yáng)水筒”的結(jié)構(gòu)圖。

多功能揚(yáng)水曝氣器專(zhuān)利目的

《多功能揚(yáng)水曝氣器》的目的是提供一種能充氧和揚(yáng)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(shí)向水體充氧。它能自動(dòng)調(diào)節(jié)自身長(zhǎng)度，以適應(yīng)水位的變化。

《多功能揚(yáng)水曝氣器》解決上述問(wèn)題的設(shè)想是：在水庫(kù)（湖泊）中豎直安裝一個(gè)直筒體，筒體進(jìn)口接近水庫(kù)（湖泊）底，出口接近水面。為適應(yīng)水位的變化，該直筒體分為上下獨(dú)立的兩節(jié)，兩節(jié)為套筒室式連接，下一節(jié)位置固定，上一節(jié)能隨水位漲落而上下浮動(dòng)，從而調(diào)節(jié)整個(gè)直筒的長(zhǎng)度。在筒體的下端附帶一個(gè)曝氣室和一個(gè)氣室，曝氣室中充滿(mǎn)水，將壓縮空氣以小氣泡的形式連續(xù)通入曝氣室下部，氣泡在曝氣室上升的過(guò)程中與水接觸，將氧氣溶解到水中。氣室位于曝氣室的上部，為一半封閉腔室，收集來(lái)自曝氣室的氣泡，當(dāng)氣室充滿(mǎn)空氣后，氣室中的氣體在瞬間向直筒體釋放，形成一個(gè)大的氣彈，并迅速上浮，推動(dòng)筒體中水體向上流動(dòng)，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(huán)交換，達(dá)到混合上下水層的目的。

多功能揚(yáng)水曝氣器技術(shù)方案

《多功能揚(yáng)水曝氣器》的技術(shù)方案為：

所提供的多功能揚(yáng)水曝氣器為圓筒形結(jié)構(gòu)，由上升筒、曝氣室、氣室、空氣釋放管、浮子、錨固墩等組成。所說(shuō)的上升筒為一段直管道，進(jìn)口為喇叭形，出口為蘑菇形，出口能將自下向上流動(dòng)的水流導(dǎo)向水平方向，使水流向四周擴(kuò)散。上升筒為相對(duì)獨(dú)立的上下兩節(jié)，上一節(jié)直徑比下一節(jié)稍大，且能套在下一節(jié)的外面，相互間能相對(duì)滑動(dòng)，當(dāng)滑動(dòng)到平衡位置時(shí)由定位插銷(xiāo)自動(dòng)定位。所說(shuō)的曝氣室和氣室為一環(huán)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(nèi)外直筒間圍成一個(gè)環(huán)形空間，下部開(kāi)口，上部由頂板封閉。該環(huán)形空間的下半段為曝氣室，上半段為氣室。氣室的環(huán)形空間又被環(huán)形水封板和溢流板分隔成三層環(huán)形空間，水封板在內(nèi)，溢流板在外。三層環(huán)形空間由外向內(nèi)依次為儲(chǔ)氣室、水封室和出氣狹縫，三室依次相通。氣室和曝氣室的內(nèi)壁上均開(kāi)有孔洞與上升筒相通。所說(shuō)的空氣釋放管為一圓環(huán)形管道，位于曝氣室的下方進(jìn)口處，該管道向上的一側(cè)開(kāi)設(shè)一排2毫米直徑的小孔。所說(shuō)的浮子為合成樹(shù)脂或浮筒等能在水中漂浮的物體，用于提供浮力，保證多功能揚(yáng)水曝氣器豎直懸浮與水中，浮子可直接捆綁固定于上升筒上。所說(shuō)的錨固墩為一重物，沉于水庫(kù)（湖泊）底，用于錨固多功能揚(yáng)水曝氣器。

多功能揚(yáng)水曝氣器運(yùn)行方式

《多功能揚(yáng)水曝氣器》的運(yùn)行方式是：

壓縮空氣通入空氣釋放管后，從管道上的小孔向水中釋放，氣泡上升經(jīng)過(guò)曝氣室，此過(guò)程中，氣泡中的氧氣溶解擴(kuò)散到水中。氣泡上升時(shí)能帶動(dòng)水流向上流動(dòng)，該部分充氧水流經(jīng)過(guò)曝氣室上端內(nèi)壁上的孔洞進(jìn)入上升筒，上升到水面。充氧后的尾氣泡直接上升進(jìn)入儲(chǔ)氣室，儲(chǔ)氣室收集了來(lái)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(dāng)水封室中的水面下降到水封板下沿時(shí)，儲(chǔ)氣室中的氣體通過(guò)水封室在瞬間翻過(guò)水封板，進(jìn)入出氣狹縫，由出氣狹縫頂部?jī)?nèi)壁上的孔洞進(jìn)入上升筒，排氣后的儲(chǔ)氣室空間由曝氣室中的水來(lái)填充。進(jìn)入上升筒的氣體結(jié)合成一個(gè)大的氣彈，堵塞了上升筒整個(gè)橫斷面，并迅速上浮，形成了上升的活塞流，推動(dòng)上升筒中的水體加速上升，直至氣彈沖出上升筒出口。隨后，上升筒中的水流在慣性作用下降速上升，直至下一個(gè)氣彈形成。上升筒下一節(jié)固定在錨固墩上，位置相對(duì)固定，上一節(jié)浮于水中，頂面與水面持平。當(dāng)水位下降時(shí)，在重力作用下，位于上一節(jié)上升筒下端的定位插銷(xiāo)被壓縮，上一節(jié)上升筒沿下一節(jié)上升筒向下滑動(dòng)。當(dāng)滑到平衡位置時(shí)，插銷(xiāo)彈出，插進(jìn)下一節(jié)筒體的滑槽內(nèi)，保持上下筒體的相對(duì)固定，否則，在脈動(dòng)的上升水流推動(dòng)下，上一節(jié)筒體會(huì)不停地上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，影響正常使用。當(dāng)水位漲高，上升筒的淹沒(méi)深度加大，定位插銷(xiāo)在水壓作用下回縮，上一節(jié)筒體在浮力作用下上浮，上升筒伸長(zhǎng)。當(dāng)上升至水面時(shí)，插銷(xiāo)處水壓減小，插銷(xiāo)彈出，兩節(jié)上升筒又處于鎖住狀態(tài)。當(dāng)上升筒伸長(zhǎng)到最大長(zhǎng)度時(shí)，相互間通過(guò)掛鉤拉結(jié)，保證上下節(jié)不脫節(jié)。

多功能揚(yáng)水曝氣器改善效果

《多功能揚(yáng)水曝氣器》的有益效果是：

由于該發(fā)明在底部高水壓、低含氧量的位置設(shè)置了曝氣室，充氧效率高。上升筒設(shè)計(jì)成可伸縮結(jié)構(gòu)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)自生長(zhǎng)度，以適應(yīng)水位變化，始終將出水輸送到表層，混合充分。充氧后的余氣以集中、間歇方式釋放，形成活塞流，提水效率高。該發(fā)明解決了揚(yáng)水曝氣器隨水位變化的自動(dòng)調(diào)節(jié)問(wèn)題，而且將充氧和揚(yáng)水混合有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了兩大功能的統(tǒng)一，混合了上下水層，破壞了藻類(lèi)的漂浮狀態(tài)，迫使其向深水遷移，抑制其生長(zhǎng)；給底部水體充氧，改變了缺氧環(huán)境，改善底部水生生態(tài)環(huán)境，抑制了底泥中磷、氨氮、鐵、錳等物質(zhì)向水中溶解擴(kuò)散，穩(wěn)定了水質(zhì)。

水庫(kù)和湖泊水體的容量大、水深大、流動(dòng)性小，由此帶來(lái)一些負(fù)面的影響。由于流動(dòng)性小，使許多有機(jī)質(zhì)、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在水庫(kù)和湖泊沉積聚集，給藻類(lèi)等浮游植物提供了充足的營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)由于水的流動(dòng)性小，使藻類(lèi)能穩(wěn)定地停留在表層水中，接受充足的光照而大量繁殖，帶來(lái)了水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，影響了水質(zhì)。由于水深大、流動(dòng)性小，容易形成水體分層現(xiàn)象，即在夏季，溫度高而密度輕的水體穩(wěn)定分布在上層，溫度低密度大的水體下沉到庫(kù)（湖）底；冬季則相反，溫度特別低（小于4℃）密度輕的水體分布于水體上層，溫度較高（接近4℃）密度大的水體下沉到庫(kù)（湖）底，造成上下層水體間相對(duì)靜止。這會(huì)使下層水體溶解氧減少，處于缺氧狀態(tài)，使水生生態(tài)環(huán)境惡化，底泥中氮、磷、鐵、錳等物質(zhì)向水體溶解釋放，使水質(zhì)惡化。有資料介紹，中國(guó)國(guó)外有一種“揚(yáng)水筒”裝置，利用壓縮空氣混合上下水層，但《多功能揚(yáng)水曝氣器》本身不具備水位自動(dòng)調(diào)節(jié)和充氧功能。

1、一種多功能揚(yáng)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），其特征是所說(shuō)的上升筒為直筒狀，由上下套接的兩節(jié)直筒組成；所說(shuō)的曝氣室和氣室為半封閉環(huán)行空間，位于上升筒下端的外側(cè)四周，曝氣室在下，氣室在上，兩室相通，曝氣室下端開(kāi)口，氣室頂端封閉。氣室和曝氣室與上升筒間有孔洞相通?？諝忉尫殴埽?）為環(huán)形穿孔管，位于曝氣室下端開(kāi)口處。

2、如權(quán)利要求1所說(shuō)的揚(yáng)水曝氣器，其特征是所說(shuō)的上升筒能自動(dòng)調(diào)節(jié)長(zhǎng)度以適應(yīng)水位的變化，其結(jié)構(gòu)為相互間能滑動(dòng)的上下兩節(jié)，兩節(jié)間采用套筒式連接，頂部上升筒（17）直徑大于下部上升筒（15），并套在下部上升筒（15）外面，兩段上升筒間有插銷(xiāo)箱（16）定位。

3、如權(quán)利要求2所說(shuō)的插銷(xiāo)箱（16），其特征是插銷(xiāo)（35）固定在彈性膜（37）上，而彈性膜（37）的一側(cè)臨水，另一側(cè)為密閉的氣腔（36）。插銷(xiāo)（35）在滑道（39）內(nèi)滑動(dòng)，滑道內(nèi)安裝有滾動(dòng)軸承（38）。在下一節(jié)上升筒的外壁上開(kāi)有滑槽（33）與插銷(xiāo)（35）對(duì)應(yīng)，滑槽（33）內(nèi)有一系列滾輪（34）。

4、如權(quán)利要求1所說(shuō)的揚(yáng)水曝氣器，其特征是在上升筒的外側(cè)和頂部設(shè)置水密倉(cāng)（27、28、32）。

如附圖1所示：上升筒6、15、17為剛性直筒，下部進(jìn)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(dòng)。下部上升筒15的頂端有上導(dǎo)向密封圈30，上部上升筒17的底端有下導(dǎo)向密封圈29。上部上升筒17下端的外側(cè)安裝有兩個(gè)定位插銷(xiāo)箱16，左右對(duì)稱(chēng)布置。下部上升筒15的外側(cè)有水密倉(cāng)27、28，上部上升筒17的頂端設(shè)有水密倉(cāng)32，水密倉(cāng)用于提供浮力，保持多功能揚(yáng)水曝氣器懸浮于水中。上升筒可分段制作，用法蘭10、13、14連接。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連接固定，圍成了曝氣室21和儲(chǔ)氣室23，儲(chǔ)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(nèi)壁上開(kāi)有環(huán)向縫隙26，曝氣室的內(nèi)壁上開(kāi)有孔洞22，孔洞的外面設(shè)有裙擺狀擋板8，阻止曝氣室21中的氣泡直接進(jìn)入上升筒6。曝氣室21的下方進(jìn)口處安裝有環(huán)形空氣釋放管4，其上表面開(kāi)有2毫米直徑的小孔?？諝忉尫殴?上連接有壓縮空氣管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(dǎo)向密封圈30，上部上升筒17的底端有下導(dǎo)向密封圈29，導(dǎo)向密封圈為橡膠材料。上部上升筒17下端的外側(cè)安裝有兩個(gè)定位插銷(xiāo)箱16，左右對(duì)稱(chēng)布置。下部上升筒15筒壁上與定位插銷(xiāo)箱16對(duì)應(yīng)位置處設(shè)有插銷(xiāo)滑槽33，滑槽33內(nèi)有一系列滾輪34，滾輪34能繞其中心軸滾動(dòng)。插銷(xiāo)箱16由氣腔36和插銷(xiāo)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?；?9內(nèi)有插銷(xiāo)35和兩個(gè)環(huán)向滾動(dòng)軸承38。插銷(xiāo)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(tài)下，插銷(xiāo)35端部伸入插銷(xiāo)滑槽33內(nèi)任意兩滾輪34之間。

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

附圖3所示為國(guó)際上類(lèi)似設(shè)備“揚(yáng)水筒”的結(jié)構(gòu)圖。在上升筒15的下部外側(cè)設(shè)置有氣室44，頂部設(shè)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(fā)明的相似處是：均設(shè)置有能產(chǎn)生氣彈的氣室44。該發(fā)明與之相比，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：在氣室下部增設(shè)了曝氣室21，并在曝氣室進(jìn)口處設(shè)置穿孔管4布?xì)猓谄貧馐抑挟a(chǎn)生小氣泡，將氧氣溶解到水中，溶氧水流通過(guò)孔洞26進(jìn)入上升筒6內(nèi)；將上升筒設(shè)計(jì)成能相互滑動(dòng)的兩節(jié)，能自動(dòng)調(diào)節(jié)上升筒長(zhǎng)度以適應(yīng)水位的變化，盡可能將下層水體提升到表層，上下節(jié)上升筒間采用定位插銷(xiāo)16自動(dòng)定位。

2017年12月11日，《多功能揚(yáng)水曝氣器》獲得第十九屆中國(guó)專(zhuān)利優(yōu)秀獎(jiǎng)。 2100433B

【讀音】

揚(yáng)水站：yáng shuǐ zhàn

2100433B

固海揚(yáng)水工程由三部分組成：

一、1975年6月開(kāi)始興建，1978年5月建成投運(yùn)的同心揚(yáng)水工程；

二、1978年6月動(dòng)工興建，1986年10月竣工的固海揚(yáng)水工程；

三、1988年3月開(kāi)工建設(shè)，1992年1月竣工的世行擴(kuò)灌工程。工程總投資2.98億元，設(shè)計(jì)流量28.5M/S，現(xiàn)有效灌溉面積60.77萬(wàn)畝。渠道干渠總長(zhǎng)260公里，各類(lèi)水工建筑物700座，配水斗口200個(gè)，建有揚(yáng)水泵站21座，150臺(tái)套機(jī)組，總裝機(jī)容量100575千瓦，18座變電所，總?cè)萘?24770千伏安。

固海揚(yáng)水工程擔(dān)負(fù)著灌區(qū)60多萬(wàn)畝農(nóng)田的灌溉、24萬(wàn)多人口及20多萬(wàn)只羊畜的飲水任務(wù)，同時(shí)還擔(dān)負(fù)著灌區(qū)周邊山區(qū)群眾及羊畜的飲水任務(wù)。

現(xiàn)固海灌區(qū)實(shí)際灌溉面積60.77萬(wàn)畝，其中，中衛(wèi)城區(qū)1.56萬(wàn)畝，中寧縣14.97萬(wàn)畝，海原縣12.07萬(wàn)畝，同心縣24.28萬(wàn)畝，紅寺堡開(kāi)發(fā)區(qū)1.71萬(wàn)畝，長(zhǎng)山頭農(nóng)場(chǎng)5.68萬(wàn)畝，中衛(wèi)山羊場(chǎng)0.5萬(wàn)畝。灌區(qū)受益人口24萬(wàn)，大家畜2萬(wàn)多頭，羊20多萬(wàn)只。

1978年同心揚(yáng)水管理處成立, 1980年8月，固海揚(yáng)水管理處成立，1982年2月，同心、固海兩系統(tǒng)合并統(tǒng)稱(chēng)固海揚(yáng)水管理處。

四、1994年向國(guó)務(wù)院上報(bào)固海擴(kuò)灌工程，爭(zhēng)取列為國(guó)家“九五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。1995年項(xiàng)目獲批，自治區(qū)成立“1236”工程指揮部，其意義是為一百萬(wàn)農(nóng)村貧困人口提供生產(chǎn)生活條件，集中開(kāi)發(fā)揚(yáng)黃灌區(qū)200萬(wàn)畝，工程概算總投資30億元，用六年時(shí)間完成建設(shè)和土地開(kāi)發(fā)。工程分為水源工程、紅寺堡揚(yáng)水工程和固海擴(kuò)灌揚(yáng)水工程。固海擴(kuò)灌揚(yáng)水工程又分為東線(xiàn)工程和西線(xiàn)工程。西線(xiàn)工程于2006年6月開(kāi)始實(shí)施，2007年3月竣工，改造主要項(xiàng)目是對(duì)固海揚(yáng)水工程的古城泵站、長(zhǎng)山頭泵站、大柳木泵站、新黑水溝泵站、老黑水溝泵站部分設(shè)備增容改造，對(duì)部分渠道和建筑物擴(kuò)整，增加固海五干渠之前的泵站及干渠、建筑物引水量，增加灌溉面積17萬(wàn)畝。東線(xiàn)工程即固海擴(kuò)灌揚(yáng)水工程，工程于1998-2003年建設(shè)，2003年11月試水，2004年正式投運(yùn)。首級(jí)泵站從擴(kuò)整后的高干渠13 000KM處取水，建13座泵站（分別是：擴(kuò)灌一泵站至擴(kuò)灌十二泵站、馬塘一泵站），設(shè)12級(jí)揚(yáng)水至固原市原洲區(qū)的三營(yíng)。工程設(shè)計(jì)裝機(jī)93臺(tái)，總?cè)萘?8100KW，總揚(yáng)程470m，設(shè)計(jì)流量12.7m3/s，經(jīng)169.6KM干渠和50.4KM支干渠輸水至全罐區(qū)，設(shè)計(jì)灌溉面積38萬(wàn)畝。

空氣揚(yáng)水裝置工作原理的示意圖如圖1所示 ：