CN101186367A - 湖泊水体中富营养化物质移出方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湖泊水体中富营养化物质移出方法和装置，是在浮床中间有一槽形水流渠道，渠道从前到后依次安装有曝气系统、絮凝剂自动配置和投加系统、搅拌机组、磁分离系统、沉降池或过滤网，渠道前、后端分别设有水质自动检测装置；浮床在水体中行走时，水流从渠道穿过，通过向水流中投加絮凝剂、搅拌、形成絮体，再通过磁分离系统进行吸附絮体，并清除。本发明清理湖泊水体中的富营养化物质，实现了工业化，可连续操作，水处理量大，简便易行。可用于湖泊富营养化物质的处理。

Description

湖泊水体中富营养化物质移出方法和装置

技术领域

本发明属于一种湖泊水体污染的治理技术与设备，具体是一种湖泊水体中富营养化物质移出方法和装置。

技术背景

水是保证人类生存、生活和生产的最基本条件，湖泊存储的淡水资源养育了世界上一半以上的人口，保证湖泊淡水资源安全是关系到人类社会生存和发展的大事。随着经济的发展，特别是在发展中国家的高速发展阶段，经济增长成为国家的首要目标，环境保护完全被忽略或者成为次要因素。在这种情况下，排放到湖泊中的污染物日益增多，而湖泊自身的净化能力越来越弱，湖泊富营养化程度日益严重。

中国湖泊富营养化产生最直接也是最严重的危害是湖泊水华泛滥。水华爆发造成自来水厂运行成本增加；在严重爆发时期甚至造成水厂停止供水；湖泊周边气味难闻；藻毒素影响周边普通居民饮用水质；湖泊中生物大面积死亡等等大问题，影响和威胁湖泊周边区域的稳定和发展。水华由于具有以下特征——单体尺寸小，随风向变化富集飘流，随温度变化爆发速度快，容易腐烂，腐烂之后产生的腐殖质产生异味，藻毒素不容易降解，腐烂后沉底造成淤积，并很快成为下一次爆发的养分供给等等，给湖泊生态带来巨大的危害。水华爆发的外因包括温度、光照和富营养化，温度和光照，主要受自然条件的影响，人类很难控制，但内因是氮磷超标。要想控制湖泊中水华爆发，最切实可行的办法就是减轻水体富营养化的程度。

减轻水体富营养化的根本途径是控制污染源。湖泊的污染源主要包括外源和内源，外源是指工业废水、农业面源、生活污染三方面，可以通过减排来控制；内源主要是指湖泊中多年沉积污泥的释放。

目前，内源控制方法主要包括养殖消耗浮游生物；种植沉水植物修复周边的生态环境；人工曝气使水与底泥界面之间不出现厌氧层，抑制底泥中磷的释放；建造庞大引水工程，改造半封闭或完全封闭湖泊的水流状态；通过向湖水中投加化学物质来惰化磷元素；污泥固定化技术等等，但这些方法到目前为止还不能大规模应用或者不能达到快速解决的目的。在此情况下，中科院离子束生物工程学重点实验室提出絮凝磁分离法处理湖泊水的新工艺，能够快速移出水体中富营养化物质。本发明涉及一种工业化的湖泊氮磷藻移出技术和装置，利用磁场将弱磁性的混凝或吸附湖泊中的N、P、藻以及悬浮的有机质等富营养化物质的絮体移出水体。技术应用范围还包括城市景观水面净化、小村镇污水处理系统、污水处理厂等。

发明内容

本发明提供一种湖泊水体中富营养化物质移出方法和装置，此装置依靠特殊设计的浮床提供载体和动力，运用磁性絮凝剂混凝或吸附湖泊水体中富营养化物质形成弱磁性絮体，通过磁分离作用将絮体移出水面，达到无残留清除湖泊水体中富营养化物质的目的。

本发明技术方案如下：

湖泊水体中富营养化物质移出方法，其特征在于设计一浮床，浮床中间有一槽形水流渠道，浮床行走时，水流从渠道穿过，在渠道前端安装曝气装置，向水中冲入微小气泡，阻止水中杂质在渠道前端沉降；在曝气装置后根据检测到的水中的富营养化物质的浓度，向渠道中投放相应量的含有铁质的絮凝剂；然后再在投放絮凝剂后的渠道中设置搅拌浆，搅拌水流，使絮凝剂与水流充分接触；在搅拌浆后方的渠道中安装有转动磁盘，通过磁盘不断转动，吸附水流中的絮凝物质；在磁盘侧边设置刮板，磁盘转动时，刮板不断将磁盘上吸附的絮凝物质刮下，收集到污泥仓中；在磁盘后段的水流渠道中设置沉降槽或滤网，磁盘没有吸附的杂质通过其自身的重力作用沉淀到沉降槽中或者附着在滤网上，定期清除沉降槽或滤网上的杂质。

所述的渠道中设置的搅拌浆在渠道中先水平设置，再垂直设置。

通过监测絮凝剂投放后，在水流形成的絮体尺寸，来调整搅拌浆的搅拌强度，如絮体几何尺寸较小，则减小搅拌强度；如絮体几何尺寸较大，则增加搅拌强度；通过监测沿重力方向絮体的运动情况，判断絮体密实性，用来控制曝气装置的曝气量及工作参数。

湖泊水体中富营养化物质移出装置，其特征在于：有一个浮床，浮床中有槽形的水流渠道，渠道从前到后依次安装有曝气系统、絮凝剂自动配置和投加系统、搅拌机组、磁分离系统、沉降池或过滤网，渠道前、后端分别设有水质自动检测装置；所述的曝气系统由空气压缩机、气体均衡储罐、曝气头及其之间的空气管道组成，曝气头安装在渠道内，空气压缩机、气体均衡储罐安装在浮床上；絮凝剂自动配置和投加系统由安装在浮床上的溶解池、进水计量泵、进液体絮凝剂计量泵组成，溶解池中安装有搅拌器，溶解池连接有投料管道通向渠道；搅拌机组由安装在水流渠道内的搅拌桨及安装在浮床上的动力驱动装置组成，所述的搅拌桨安装形式为水平放置、竖直放置和倾斜放置或其任意组合；磁分离系统是安装在转轴上的可旋转磁盘或者是履带结构以及悬挂随水流运动结构，所述的磁盘或履带的下部分位于渠道内的水流内，所述的磁盘边侧安装有刮板，刮板下方为污泥仓；所述的沉降池是渠道尾部的沉槽，沉槽和渠道底之间有便于絮凝物沉降的斜坡；所述的过滤网是安装在渠道尾部的滤网。

浮床是根据需要特殊设计，作为整个装置的载体，提供浮力与动力。由于其占用面积大，吃水浅，类似于“床”，故命名为“浮床”。浮床提供整个装置的浮力，其尺寸和沉重是根据装置处理部分子系统的配置来确定。

浮床还给整个装置提供动力，包括驱动浮床在水中运动的动力和其它子系统工作的动力。由于絮凝要求浮床内水体相对于浮床运动速度非常小，故浮床本身的驱动动力远小于相同尺寸普通船只的驱动动力。维持其它子系统运行需要的动力主要来自于搅拌机组、磁分离系统和各种泵的电机。

水质自动检测装置提供水体中主要富营养化元素N和P的总含量，溶解性N、P含量，悬浮状态有机物含量，悬浮物总量，水体温度和黏度等等参数。通过原水测量数据控制絮凝剂投加量和搅拌机组的工作参数。

曝气系统的目的是减小絮体的密实性。由于大型湖泊水域宽广，不同区域水体富营养化程度及悬浮物含量和种类差异显著，水质随自然条件变化大，所以在某些特定情况下(例如大风情况下浅水区域水体中泥沙含量非常高)，絮体的密实性好，比重较大，在搅拌区域就大比例沉降，给连续高效处理带来问题。为了防止这种情况发生对此装置整体处理效率产生影响，配备曝气系统。通过向水中冲入微小气泡，在絮凝时，气泡的存在会降低絮体的密度。它的控制方式为手动与自动调节两适应，在自动调节时，由絮体监测得到的数据反馈到总控系统进行控制。为了控制水体与气泡混合均匀，采用进气口在进水截面上均匀布置，采用一定孔径的曝气头控制气泡尺寸，提高曝气效率。

絮凝剂自动配置和投加系统：

固体絮凝剂直接投加到处理的水中，很难快速分布均匀，为了节省絮凝剂投加量，降低成本，在投加前将固体絮凝剂配置成固定浓度的悬浊液。由清水计量泵控制进入溶解池清水量，絮凝剂中包含有不同尺寸的磁介质，比较容易沉淀，在溶解池中配备有搅拌桨进行连续搅拌。溶解池中悬浊液的浓度由液位监测仪自动控制。悬浊液投加到水体中的体积由一个耐腐蚀特制计量泵控制，计量泵流量由总控系统根据原水检测数据进行计算与控制。

搅拌机组包括搅拌桨，变频调速电机。本发明中搅拌桨摆放形式包括水平放置、竖直放置和倾斜放置等几种方式的各种组合。搅拌器在水流水平方向的推动力不仅可以起到搅拌的作用，还能给整个装置提供一定的动力。变频调速电动机给搅拌桨提供动力，控制搅拌桨旋转的角速度。絮凝剂悬浊液投加到水中之后，先要快速、剧烈混合均匀，然后随梯度降低搅拌器的转速，使絮体逐渐长大。本发明中搅拌器速度梯度与搅拌器的级数根据不同情况确定；同一阶梯中搅拌桨的数量与尺寸也是根据实际情况确定。

设置絮体自动监测系统，检测渠道水流中絮体的几何尺寸以及沿重力方向的运动情况。如果监测处絮体几何尺寸过小，需要减小搅拌器的搅拌强度，反之，絮体过大则需要加强搅拌，通过此参数反馈修正搅拌器的旋转速度和速度梯度变化。监测到的絮体尺寸数据还反馈修正絮凝剂的投加量。通过监测沿重力方向絮体的运动情况，判断絮体密实性，用来控制曝气系统的工作参数。

在本发明中，磁分离系统磁性材料可以选择多种永磁材料，如钕铁硼、铁氧体等等，还可以局部区域选择电磁铁。磁分离系统的结构也有多种选择，包括可旋转的磁盘结构，还有履带结构以及悬挂随水流运动结构等等。磁盘结构的核心部件由一组永磁材质圆盘同轴心串接在一起制作而成，永磁材料种类、圆盘平面上磁系结构的摆放、圆盘直径和厚度、两片圆盘之间的间隙等参数根据投加絮凝剂中磁介质情况以及处理水体状况调整。圆盘由转动速度与方向均可调节的电机驱动，参数根据水体中絮体的含量和品质进行调整。

絮体经过磁分离系统之后，仍然有少数絮体残留在水中，需要进行再处理，可供选择的方案有自由沉淀与过滤。自由沉淀下来的絮体通过斜坡富集在沉降池中，通过渣浆泵排泥。过滤的方法是在渠道尾部设置滤网，絮体附着在滤网上，需定期更换或清理滤网。

对处理后水质监测类似于原水水质检测，用来评判整个装置工作的最终效果，检测的结果直接对其他子系统进行反馈调整。

本发明的特点：

1、对湖泊水体实行在线检测，严格保证絮凝剂投加量处于最优值。

2、抗温度变化负荷大，不论冬夏，自然条件下液态湖泊水体中，此装置都能正常高效运行。

3、对湖泊水体富营养化程度差异及悬浮物质数量和种类的适应性强，并且能够自适应调整。

4、磁分离系统针对投加磁介质差异可以选择钕铁硼、铁氧体等多种永磁材料，或者电磁铁。

5、磁分离系统可以选择圆形磁盘、履带等多种结构。

6、处理效果好，对水体富营养化中影响严重的磷元素清除率达到90％以上，对悬浮物去除率达到95％以上。

7、浮床剪切湖泊水，免除提升水体的耗能，节约能源。

8、处理速度快，从进水到磁分离结束不超过三分钟。

9、处理量大，有效宽度和深度分别为4米和1米的浮床可以每小时处理1000立方米湖泊水。

10、整个装置每个子系统都采用模块化设计，针对不同情况可以挑选不同模块的组合。

11、整个装置实现全自动化智能控制，控制精度高。

12、与传统污水处理厂相比，此装置造价低廉。

附图说明：

图1和图2为本发明装置不同侧面所示的结构示意图。

图3为本发明方法原理图。

具体实施方式：

下面结合本发明的实施方案一对具体实施方式作详细说明。

如图1和图2所示，整个装置以浮床15作为载体，能通过后置驱动力和水平搅拌桨8的推动作用在湖泊中运动。曝气系统主要由空气压缩机17，气体均衡储罐18和曝气头19组成，通过阀门调节进入水体空气量。絮凝剂悬浊液配置系统主要由固体絮凝剂定量供给装置5，清水计量泵7，搅拌器4和溶解池3组成。絮凝剂悬浊液投加部分由防腐计量泵20，增压泵22和悬浊液喷头21组成。搅拌机组包括水平搅拌器8和竖直搅拌器10的多级组合。磁分离系统主要由旋转磁盘11和刮板24组成。磁分离后絮体检测由检测仪25，光路26以及置于水体中的光源组成。磁分离后残余絮体收集装置主要有沉降池28和渣浆泵27组成。湖泊原水检测由清水泵9取样，出水检测通过管道14取样。絮体移出后被送入污泥仓23，由渣浆泵2通过外界管道1抽出。

浮床运动过程中，剪切水流由进水口进入浮床内，经过曝气，投加絮凝剂，搅拌机组混凝，磁盘分离，分离后絮体检测，平流沉淀，从出水口进入湖中，完成水处理的全部工艺，水流在浮床中停留时间不超过三分钟。

由清水泵9取样送入样品分析室13进行原水检测，将检测结果送入总控室12，总控给出命令到防腐计量泵20，控制加入水中絮凝剂的量。固体絮凝剂直接投放入水中不容易混合均匀，先在溶解池中将絮凝剂配置成悬浊液。在絮凝剂投加量控制过程中，确定悬浊液的浓度为恒量，控制投加到水中悬浊液的体积来控制总量。为了确保悬浊液浓度一定，控制系统设置清水计量泵7与固体絮凝剂供给装置5为连动状态，投加一包固体絮凝剂对应加入定量清水。清水计量泵7与固体絮凝剂供给装置5工作时间由溶解池中液位检测仪控制，分别设置液位检测仪一个高位与一个低位值，当液位降低到低位时，开始配料，当液位达到高位时，停止配料。应用于磁分离工艺中的絮凝剂中含有磁介质，容易沉淀，配备搅拌桨4在溶解池3中连续搅拌。为了使絮凝剂悬浊液在水中能快速均匀混合，在防腐计量泵后配置喷射系统，增压泵将絮凝剂悬浊液提升压力后由喷头21喷入水中。此方案中采用的絮凝剂有一定的腐蚀性，所以固体絮凝剂供给装置5、溶解池3、搅拌桨4、计量泵20、增压泵22、喷头21和管道均需要采用防腐材料或进行防腐处理。

投加过絮凝剂的水流随着浮床运动进入搅拌混凝区。此方案中混合与絮凝两个工艺均采用搅拌的方法，将它们合为混凝工艺，综合考虑。混凝搅拌机组采用水平搅拌器8与竖直搅拌器10组合的方式，在此方案中采用四级搅拌。为了保证同一水流截面上混合强度差异不显著，同一级的平行搅拌器采用对称分布，搅拌速度与旋转方向也保持对称。

絮体长大后，水流进入磁分离区。本例采用磁盘分离结构，由扁平磁盘11组装而成，配套刮板24将从水中吸附的絮体清除下来，絮体通过刮板24上的弧形通道进入絮体污泥仓23。浸没在水中磁盘线速度可以设置成与水流速度相同和相反两种情况，根据水中絮体的含量和密实性来确定，如果絮体含量少且密实性好，采用磁盘水下部分线速度与水流速度相反，速度相反情况下分离的效果要好。速度相同与速度相反的改变只要调整磁盘驱动电机的转动方向和刮板24的安装位置。

水流经过磁分离系统之后，水中还残留有一定的絮体，需要进行再处理，处理方式有磁凝聚沉淀和过滤。磁凝聚再沉淀的优点是设备简单，投资小，能连续工作；缺点是沉降速度慢，对絮体的要求高。过滤方式需要进行反冲洗，操作麻烦，不能连续作业，运行成本高；优点是分离效果好。由于湖泊水体有自身净化能力，本方案采用絮凝剂的成分对生态不具有破坏力，絮体打捞要求不需要太高，故采用磁凝聚沉淀的方式。没有被磁分离的絮体在经过磁分离系统期间被磁凝聚。先对残留絮体尺寸和沉降速度进行检测，数据反馈到控制系统，与出水口检测数据配合控制浮床运动速度。沉淀下来的絮体通过自身重力作用滑移到沉降池28中，再通过渣浆泵27移出后转移入絮体污泥仓23中。

整个装置采用全自动化控制，针对不同富营养化程度、不同水温、不同藻含量、不同泥沙含量均采用对应的絮凝剂投加量、搅拌速度与梯度，以及浮床运动速度。

Claims (4)

1.湖泊水体中富营养化物质移出方法，其特征在于设计一浮床，浮床中间有一槽形水流渠道，浮床行走时，水流从渠道穿过，在渠道前端安装曝气装置，向水中冲入微小气泡，阻止水中杂质在渠道前端沉降；在曝气装置后根据检测到的水中的富营养化物质的浓度，向渠道中投放相应量的含有铁质的絮凝剂；然后再在投放絮凝剂后的渠道中设置搅拌浆，搅拌水流，使絮凝剂与水流充分接触；在搅拌浆后方的渠道中安装有转动磁盘，通过磁盘不断转动，吸附水流中的絮凝物质；在磁盘侧边设置刮板，磁盘转动时，刮板不断将磁盘上吸附的絮凝物质刮下，收集到污泥仓中；在磁盘后段的水流渠道中设置沉降槽或滤网，磁盘没有吸附的杂质通过其自身的重力作用沉淀到沉降槽中或者附着在滤网上，定期清除沉降槽或滤网上的杂质。

2.根据权利要求1所述的湖泊水体中富营养化物质移出方法，其特征在于所述的渠道中设置的搅拌浆在渠道中先水平设置，再垂直设置。

3.根据权利要求1所述的湖泊水体中富营养化物质移出方法，其特征在于通过监测絮凝剂投放后，在水流形成的絮体尺寸，来调整搅拌浆的搅拌强度，如絮体几何尺寸较小，则减小搅拌强度；如絮体几何尺寸较大，则增加搅拌强度；通过监测沿重力方向絮体的运动情况，判断絮体密实性，用来控制曝气装置的曝气量及工作参数。

4.湖泊水体中富营养化物质移出装置，其特征在于：有一个浮床，浮床中有槽形的水流渠道，渠道从前到后依次安装有曝气系统、絮凝剂自动配置和投加系统、搅拌机组、磁分离系统、沉降池或过滤网，渠道前、后端分别设有水质自动检测装置；所述的曝气系统由空气压缩机、气体均衡储罐、曝气头及其之间的空气管道组成，曝气头安装在渠道内，空气压缩机、气体均衡储罐安装在浮床上；絮凝剂自动配置和投加系统由安装在浮床上的溶解池、进水计量泵、进液体絮凝剂计量泵组成，溶解池中安装有搅拌器，溶解池连接有投料管道通向渠道；搅拌机组由安装在水流渠道内的搅拌桨及安装在浮床上的动力驱动装置组成，所述的搅拌桨安装形式为水平放置、竖直放置和倾斜放置或其任意组合；磁分离系统是安装在转轴上的可旋转磁盘或者是履带结构以及悬挂随水流运动结构，所述的磁盘或履带的下部分位于渠道内的水流内，所述的磁盘边侧安装有刮板，刮板下方为污泥仓；所述的沉降池是渠道尾部的沉槽，沉槽和渠道底之间有便于絮凝物沉降的斜坡；所述的过滤网是安装在渠道尾部的滤网。

Images