CN101613154A - 新型湿地技术与设备 - Google Patents

Abstract

新型湿地建在水域底层，实施方法是：在水域打井，下部井管13能渗水且深入底层表面15有一定的深度，上部井管12不渗水且井口高出水域水面11。富氧的水自底层表层15由上而下渗透从下部井管13渗入井中，再由井口抽回水域，水渗透经过的底层逐渐由好氧区过渡到厌氧区，水在渗透过程中进行生物脱氮，磷被吸附在底层好氧区。可在除磷池、槽中去除磷、重金属和其它有害物质；利用水力空化降解难降解有害有机物。优点是：不占用土地、效率高和减小低温影响。抽水的设备为旋转输送、空化及射流泵系统，具有抽水、水力空化和曝气增氧的功能，效率高且便于利用风能和水能。此设备还可以用于化工和自来水等领域。

Description

新型湿地技术与设备

本发明涉及到湿地技术及设备，特别是涉及到人工湿地技术及设备。

现有的湿地存在或建于地表，用于污水处理及水环境治理效果很好，但也具有占地面积大、效率低、低温季节运行困难、受磷饱和限制、去除水中重金属困难和降解难降解有害有机物缓慢的缺点。

本发明的目的是：以新的技术及设备克服现有湿地技术的缺点，其设备还可以用于其它领域。

解决方案：把湿地建在水域底层，本文称为新型湿地；水域可以是湖泊、河流和浅海；底层可以是原始底层，如泥沙层，也可以是加入所需材料改造的原始底层，还可以是完全利用所需材料建造的新底层。利用强制循环提高效率；利用除磷池、槽把磷和重金属等从水体移出；利用水力空化降解难降解有害有机物和分解氨氮。发明高效节能的新型设备完成抽水、水力空化和曝气增氧。

具体体措施是：

如图1所示，在水域打井，下部井管13能渗水且深入底层表面15有一定的深度，上部井管12不渗水且井口高出水域水面11；富氧的水自底层表面15由上而下渗透从下部井管13渗入井中，再由井口抽回水域。水渗透经过的底层由好氧区逐渐过渡到厌氧区，水在渗透过程中进行生物脱氮，同时水中的磷会被吸附在底层好氧区。

由于生物脱氮需要一定的时间，必须控制水在好氧区和厌氧区渗透时间的长短，太短脱氮率不高，太长则井的进水量太小。控制水渗透时间的方法是：

a.下部渗水井管13到底层表面15应有适当的深度。

b.渗透区域应有一定的面积。

c.尽量缩小各区域渗透时间的差异；渗透区域的扩大必然会增大渗透距离和时间的差异，这里所说的距离是渗透路程长短，而非直线距离。

近井处距离近渗透时间短，增大渗透时间的方法是：增加渗透距离和减小水的渗透速度。如图1，在井管12周围用泥沙或其它材料填高，既可以增加距离又可以固定井管；例如在底层表面覆盖或在底层中混入透水性差的土壤都可以减小水的渗透速度。

远离井处距离远渗透时间长，减小渗透时间的方法是：缩短渗透距离和增大水的渗透速度。例如采用子母井的方法可缩短渗透距离，即在能抽水的母井周围设置若干仅能渗水的子井，渗入子井的水由管道流入母井。例如在底层中加入透水性好的沙粒可增加渗透速度。

当底层脱氮、吸附磷的性能不理想时，可改造或新建。例如，吸附磷性能差时可在底层加入沸石或其它材料进行改造；底层为岩石结构时则要新建。

新型湿地也会有磷饱和及需要去除重金属和其它有害物质的问题，除磷、重金属等的方法是：设置除磷池、槽22，如图2、图3所示，两图分别为井12、除磷池22等的主、俯视图。来自井12的水抽到集水槽21再经串联的除磷池22-1、22-2流回水域。

在除磷池、槽22中加入吸附剂或与磷酸根、重金属等反应生成沉淀的物质；或创造条件使水中的某些物质生成吸附剂及促使磷酸根、金属离子反应生成沉淀物。如加入沸石、碳酸钙等；品种繁多的沸石可以吸附多种物质，包括磷酸根、重金属、氨氮等；碳酸钙可以吸附磷酸根、重金属离子并与其反应生成沉淀物。井水来自溶氧低的底层，金属离子和磷酸根都溶于水中，当对水增氧创造富氧的条件金属离子会生成金属氧化物，如铁、锰离子生成的铁/锰氧化物具有吸附磷酸根和重金属离子的功能；同时铁、锰等离子会与磷酸根生成Fe-P、Mn-P等沉淀。沉淀或被吸附的磷、重金属等可以从除磷池、槽22清理出。由于来自井12中的水含泥沙少，可以减少清理沉淀物及更换吸附剂的工作量，也便于磷的回收利用。

除磷池、槽22可以是多组并联，轮流清理不影响系统的运行。如图2、3所示，B组清理，A、C组保证湿地系统的运行。在除磷池、槽22两端设置水阀3，清理时阻断两端进水；如图2、3所示的3-1、3-2。

每组除磷池、槽22可以是串联的。如图2、3所示，使重金属或其它有害物质被吸附或反应沉淀在特定的池、槽中，便于有害物质的集中处理和磷的回收利用。

有些水体含有超标的难降解有害有机物和氨氮，在抽水的过程中利用水力空化降解难降解有害有机物和分解氨氮。对于景观水域，抽水还可以与制做喷泉景观相结合，喷泉兼有曝气增氧功能。

新型湿地在运行初期，抽出的井水有时会含有较高的氨氮，减小其危害的方法是：在抽水过程中利用空化分解、曝气吹脱，和在除磷池、槽22中吸附除去；及把抽出或除磷后的水用管道直接排到底层表面15或底层中，由于水的流向是由上而下的，可减小氨氮向上扩散的机会。上述方法可单独应用，也可以多种结合。

新型湿地必须消耗能量才能运行，水域往往具有一定的风能，河流和浅海还具有水能，常可提供部分或全部能源。

新型湿地不占用土地，效率高，由于生物脱氮在水底进行，低温季节也能运行。加快了水体上下交换、曝气增氧可以保证水生动物的生存，促使生态恢复。不仅可以脱氮、除磷，还可以去除重金属和难降解有害有机物等，去除的磷也便于回收利用。

现有技术的液体输送系统一般由叶轮泵、管道等构成，叶轮泵也常是水力空化或射流泵系统的动力源。水力空化系统一般由动力源、空化部件、管道等构成，单独或与其他方法结合降解有害有机物、消杀有害生物；应用较多的是射流空化和涡流空化，射流空化的部件结构又分为文丘里管和多孔板，多孔板与后面的管道构成多喷嘴的文丘里管；空化发生在喷嘴后面的低压区内。涡流空化的空化部件为涡流仓，空化发生在其中部的低压区内。在空化部件的低压区设置二次流通道就构成了射流泵，其系统就成了水力射流泵系统，用于曝气增氧等。以上三系统的特征是：工作时空化部件、射流泵、管道等都是静止的，本文称其为静止系统。

静止系统的缺点是：

一、效率较低，其原因为：

1.叶轮泵效率较低，特别是小型的、高扬程的。

2.管道较长，能耗较大。

3.流出系统的水具有一定的动能，常是一种浪费。

4.造成空化效率低的另一个原因是：由于空化需要较高的真空度，空化区域仅限于文丘里管喷嘴附近或涡流仓中心；从时间上分析，单位体积水的空化时间短；射流泵曝气增氧的情况也类似。

二、叶轮泵转数较高，风轮机或水轮机为动力机时需配置大变速比的增速机构。

三、叶轮泵容易堵塞。

必须设计一种新型设备应用于新型湿地和其它领域，从提高效率和便于利用风能、水能两方面达到节能的目的，同时具有结构简单、造价低、不易堵塞的优点。

新型设备是旋转输送、空化及射流泵系统，本文简称为旋转系统，其按功能划分的功能系统为：

a.旋转液体输送系统，简称为旋转输送系统、输送系统。

b.旋转水力空化系统，简称为旋转空化系统、空化系统。

c.旋转水力射流泵系统，简称为旋转射流泵系统、射流泵系统。

d.旋转水力空化、射流泵综合系统，简称为旋转空化、射流泵综合系统或空化、射流泵综合系统。

解决方案：工作时旋转管道组件绕垂直主轴1旋转，各功能系统旋转管道组件的关键部件是：

a.旋转输送系统：旋转管道4；如图1的旋转系统。

旋转输送系统旋转管道4的出口部分称为喷嘴8，其型状和截面积可以和前部的管道相同，如图1的旋转系统；也可以不同。

b.旋转空化系统：旋转管道4、空化部件6；如图5阀门14关闭时。阀门14关闭等同无二次流管道16。

c.旋转射流泵系统：旋转管道4、射流泵7，如图5阀门14开启时。

d.旋转空化、射流泵综合系统：旋转管道4、空化部件6、射流泵7，射流泵7位于空化部件6后部；如图4，阀门14-1关闭、14-2开启时。

旋转系统按动力划分又可以分为有动力机类、无动力机类和混合动力类。

有动力机类.采用机械传动，联接件2联接主轴1与旋转管道组件，如图4。主轴1也可以与动力机共用。

无动力机类.动力来自待处理水的机械能，其系统出口方向与出口运动方向相反或部分相反使系统旋转工作。联接件2联接主轴1与旋转管道组件，密封9联接旋转管道4与非旋转管道5，水由非旋转管道5流入；主轴1为定位轴，如图5无动力机时。

混合动力类..动力来自动力机和待处理水的机械能，结构类似无动力机类，但有传动轴，如图5的主轴1。系统出口方向无限制。

旋转系统都具有液体输送功能。本文所说的前、后部，进、出口方向都以水的流向为参照。

与叶轮泵原理相似，不与主轴1平行的旋转管道组件都可以给水传输能量，空化部件6和射流泵7的工作能量可以来自其前部的管道，也可以自其本身和后部的管道，形成了旋转系统以下特征：

与静止系统相比旋转空化系统扩大了低压空化区域，从时间上分析：增加了单位体积水的空化时间，提高了空化效率，特别是空化部件6本身或后部的管道较长时；同理旋转射流泵系统也可以提高曝气增氧的效率。

多个射流泵7串联构成多级射流泵系统。

在空化部件6后部串接射流泵7构成空化、射流泵综合系统。

以上串联结构，各部分水的流量应匹配，从能量分析确定两部件间的管道长度。

在空化部件6低压区配置带有阀门14的二次流管道16，利用阀门14的关闭或开启实现空化部件6、射流泵7的互相转化；阀门14关闭时相当于无二次流管道16为空化部件6，开启时为射流泵7，如图5。

通常有动力机类和混合动力类系统出口方向与出口运动方向相反，流出水的动量矩方向与旋转方向相同可减小动能浪费，如图4；也可以根据需要选择，如图6的旋转系统兼有制做喷泉景观功能。无动力机类系统出口方向与出口运动方向相反或部分相反才能旋转工作。

叶轮泵按叶轮是否潜入水面可分为液下型或非液下型，潜水泵和立泵为液下型，无启动问题；普通离心泵为非液下型，采用抽真空、设置底阀和自吸结构解决启动问题。

旋转系统有动力机类也可分为液下型或非液下型；图6为液下型，有部分不与主轴1平行且具有一定垂直分量的旋转管道4潜入水面11解决了启动问题；图4为非液下型，抽真空和设置底阀的启动方法与普通离心泵相似。

旋转系统自吸结构也和离心泵相似，即有储液结构和气、液分离结构。如图4所示：旋转管道4有一ABC段为凹型，A、B、C为管道中心线上的三个点，A、C分别位于凹型的进、出口，B位于中部最下端，平面ABC为垂直面或近似垂直面，直线AC为水平线或近似水平线。停机时ABC段储存液体，启动时BC段分离液、气体。当需要缩短启动时间，ABC段的过流截面积大于两端管道。

无动力机类无启动问题。混合动力类仅当吸程大，水的能量小时会有启动问题；解决方法同有动力机类。

自吸结构使旋转系统的非液下型也具有方便可靠的抽水功能；不与主轴1平行且具有垂直分量的旋转管道组件具有扬水功能，如图6；当自吸结构后部的旋转管道组件具有垂直分量时非液下型具有抽、扬水双重功能。由于出口是旋转的，水仅能集中在水池或集水槽内。

旋转系统和静止系统一样，可根据需要配置检测、控制部件。旋转系统的特征是：旋转的检测、控制部件可利用离心力工作；电路的旋转部分与非旋转部分采用电刷、滑环联接或无线联接。

利用常规能源时旋转系统的控制与静止系统相似。动力机为风轮机或水轮机时存在功率动态匹配问题，例如，风轮机的功率与转速的立方成正比且随风况变化，有些旋转系统的功率曲线可以满足匹配要求；当动力机与旋转系统功率曲线不匹配时，调节动力机或旋转系统的功率曲线。调节旋转系统功率曲线的办法是：在空化部件6、射流泵7的进口和喷嘴8的进或出口安装阀门，调节水的流量；必要时也可以调节射流泵7的进气量。

当空化部件6、射流泵7和喷嘴8三者的过流截面积小于其进水管道时，进水管道中的压力会增大，本文称此旋转系统为有压力环节，否则为无压力环节；改变三者与进水管道的过流截面积之比可调节进水管的压力大小和系统有、无压力环节。

安装方式与有无自吸结构的的选择

有动力机类

固定安装.适用于水面稳定或变化较小时，旋转系统有、无自吸结构均可；或适用于水面变化较大时，旋转系统采用有自吸结构的。

浮动安装.适用于水面变化大，超出自吸结构的工作范围或固定安装会造成能量浪费较大时，旋转系统有、无自吸结构均可。

移动安装.适用于工作场所不固定时，进水来自装有进水管20的进水舱、进水井17，出水流到舱17外，旋转系统有、无自吸结构均可。当需要调节进水深度时，进水管20至少部分为软管18或伸缩管；如图4，软管18可使进水管20沿箭头方向转动调节进水深度。

无动力机类和混合动力类

水面变化较小时采用固定安装，变化较大时采用浮动安装；浮动安装时非旋转管道5有部分为软管或伸缩管以适应水面变化。仅当吸程高、水的能量小时混合动力类才采用有自吸结构的；其余的为无自吸结构的。

旋转系统与静止系统相比：无效率较低的叶轮泵，缩短了管道长度减小了能耗，当出口方向与出口运动方向相反时可减小动能浪费，提高了效率；空化或射流泵系统增加了单位体积水的空化或曝气增氧时间，进一步提高了效率。

旋转管道组件结构简单、重量轻，大旋转直径的构件制造容易且低转速时水就能获得较高的能量；风轮机或水轮机为动力机时可以省去大变速比的增速机构，便于利用风能和水能。造价低、易维护。

不易堵塞，可适用于污水和较稀的污泥。不仅可用于新型湿地，还可用于化工、污水处理和自来水等领域。

下面结合附图和实施例做进一步的说明：

图中符号的说明：

1-主轴                         2-联接件

3-水阀            3-1-水阀1    3-2-水阀2

4-旋转管道                     5-非旋转管道

6-空化部件                     7-射流泵

6(7)-可互相转化的空化部件6和射流泵7

8-喷嘴                         9-密封

10-法兰及多孔板                11-水域水面

12-不渗水井管、井              13-渗水井管

14-气阀           14-1-气阀1   14-2-气阀2

15-底层表面                    16-二次流通道、二次流管道

17-进水舱、进水井              18-活动管道20的软管部分

19-旋转系统的进水口            20-活动管道

21-集水槽                      22-除磷池、槽

22-1-除磷池、槽1               22-2-除磷池、槽2

附图说明：

示意图仅画出关键部件，主轴1的轴承等都省略。

图1.新型湿地的原理图，井管周围用泥土填高，可以固定井管和增加近井处水的渗透距离。抽水采用有动力机类具有自吸结构的旋转输送系统，其可以采用固定或浮动安装，系统出口方向与出口运动方向相反可减少动能浪费。

图2、图3.分别为具有集水槽21和除磷池22的新型湿地系统井12及除磷池22等的主、俯视图，除磷池22-1、22-2底部相连为串联结构，水的流向为：井12-集水槽21-水阀3-1-除磷池22-1上部-除磷池22-1下部-除磷池22-2下部-除磷池22-2上部-水阀3-2-水域。除磷池22为A、B、C三组并联，可在运行中轮流清理，清理B组，A、C两组保证湿地系统的正常运行。水阀3-1、3-2用于清理时阻断两端进水。

图4.旋转系统为有动力机类，ABC段为自吸结构；可互相转化的空化部件、射流泵6(7)为多孔板结构，10为法兰和多孔板。其系统功能随气阀14的开启或关闭而变化：

当气阀14-1、14-2都关闭为空化系统。

气阀14-1、14-2都开启为多级射流泵系统。

气阀14-1开启、14-2关闭为射流泵系统。

气阀14-1关闭、14-2开启为空化、射流泵综合系统。

其系统出口方向与出口运动方向相反。

配置有进水井、进水舱17，具有软管18的活动管道20可以调节进水深度，用于需要选择进水水层时。进水井、进水舱17等可以和旋转系统一起浮动或移动安装；其也可以采用固定安装，旋转系统采用固定或浮动安装。

图5.无动力机时为无动力机类，有动力机时为混合动力类；其出口方向与出口运动方向相反。气阀14开启为射流泵系统，关闭为空化系统。

图6.有动力机类，无自吸结构，其出口方向根据需要选择；为无压力环节的空化系统。

实施例

1.污染不太重的浅水湖泊、景观水域的治理

当浅水湖泊、景观水域不缺氧、不需要空化降解时，采用图1结构；达到脱氮和把磷吸附在底层好氧区的目的，由于加快了水的上下循环也兼有曝气增氧的功能。其能源应尽量采用风能。

当需要制做喷泉景观时；水面变化小时采用图6的结构；兼有水力空化功能。水面变化较大时，使图1输送系统自吸结构后部的管道具有一定的垂直分量，出口方向按景观需求选择。

2.污染严重湖泊的治理

当需要脱氮、除磷、除重金属、空化降解和曝气增氧时，井12及除磷池22等采用图2、图3的结构；具有集水槽21、串联的除磷池22-1、22-2、水阀3-1、3-2。旋转系统选用图4的结构，但不配置进水井17等；气阀14-1关闭、14-2开启，使系统为空化、射流泵综合系统。

在抽水的过程完成空化降解、曝气增氧；水由井12-集水槽21-水阀3-1-除磷池22-1上部-除磷池22-1下部-除磷池22-2下部-除磷池22-2上部-水阀3-2-水域。在除磷池中完成去除磷、重金属等。可以利用吸附剂和与磷酸根、重金属等反应生成沉淀的物质，如沸石、碳酸钙等；曝气增氧也会使水中生成吸附剂及促使磷酸根、金属离子反应生成沉淀物；如生成铁/锰氧化物、磷酸盐沉淀。除磷池组采用并联结构便于轮流清理，清理时利用水阀3-1、3-2阻断两端进水。每组除磷池采用串联结构，使重金属和其它有害物质在特定的池中除去，便于重金属和其他有害物质的集中处理和磷的回收利用，如将重金属等集中在除磷池22-1便于重金属等的集中处理，也便于除磷池22-2中磷的回收利用。除磷池22的数量根据需要确定。

旋转系统能适于低速运行，便于水域风能的利用。

3.污染河流的治理

可采用上述的湖泊治理方法，但有以下区别：河流水域不仅会有风能，还具有水能。可以用水轮机给新型湿地提供动力；也可以采用无动力机类或混合动力类旋转系统对河水进行空化降解、曝气增氧，如图5。

4.对微污染水源处理

有些水源含有氨氮、农药残留、蓝藻和蓝藻毒素，采用有压力环节的旋转空化、射流泵综合系统。利用压力和空化作用消杀蓝藻；空化作用分解氨氮和降解农药残留、蓝藻毒素；射流泵曝气增氧吹脱氨氮和增加溶氧，增加溶氧利于氨氮的转化和脱氮。

5.自来水处理

自来水中会有消毒副产物和有害生物，采用有压力环节的旋转空化系统。利用压力和空化作用消杀生物，空化作用降解消毒副产物。

Claims (10)

1.现有的湿地存在或建于地表，用于污水处理及水环境治理；新型湿地的特征是：把湿地建在水域底层；具体措施是：在水域打井，下部井管13能渗水且深入底层表面15有一定的深度，上部井管12不渗水且井口高出水域水面11；富氧的水自底层表面15由上而下渗透从下部井管13渗入井中，再由井口抽回水域；水渗透经过的底层由好氧区逐渐过渡到厌氧区，水在渗透过程中进行生物脱氮，同时水中的磷会被吸附在底层的好氧区。

2.根据权利要求1所述的新型湿地其特征是：水渗透时间的控制方法是：

a.下部渗水井管13到底层表面15应有适当的深度；

b.渗透区域应有一定的面积；

c.尽量缩小各区域渗透时间的差异；增大渗透时间的方法是：增加渗透距离和减小水的渗透速度；减小渗透时间的方法是：缩短渗透距离和增大水的渗透速度。

3.根据权利要求1所述的新型湿地其特征是：去除磷、重金属和其它有害物质的方法是：设置除磷池、槽22，来自井12的水经除磷池、槽22后再流回水域；在除磷池、槽22中加入吸附剂或与磷酸根、重金属等反应生成沉淀的物质；或创造条件使水中某些物质生成吸附剂及促使磷酸根、金属离子反应生成沉淀物；

在抽水过程中利用水力空化降解难降解有害有机物和分解氨氮；抽水也可以与制做喷泉景观相结合。

4.根据权利要求3所述的除磷池、槽22其特征是：除鳞池、槽22可以是多组并联；每组可以是串联的；在除磷池、槽22的进、出水口设置水阀3。

5.现有技术的液体输送、水力空化及射流泵系统由叶轮泵、管道、空化部件、射流泵等与根据需要配置的检测、控制部件构成；

新型设备为旋转输送、空化及射流泵系统，本文简称为旋转系统，其特征是：工作时旋转管道组件绕垂直主轴1旋转，各功能系统旋转管道组件的关键部件是：

a.旋转输送系统：旋转管道4；

b.旋转空化系统：旋转管道4、空化部件6；

c.旋转射流泵系统：旋转管道4、射流泵7；

d.旋转空化、射流泵综合系统：旋转管道4、空化部件6、射流泵7；射流泵7位于空化部件6后部；

旋转系统按动力又可分为有动力机类、无动力机类和混合动力类；

有动力机类.采用机械传动，联接件2联接主轴1与旋转管道组件。

无动力机类.动力来自待处理水的机械能，其系统出口方向与出口运动方向相反或部分相反使系统旋转工作；联接件2联接主轴1与旋转管道组件，密封9联接旋转管道4与非旋转管道5，水由非旋转管道5流入；

混合动力类.动力来自动力机和待处理水的机械能，结构类似无动力机类，但具有传动轴且系统出口方向无限制；

有动力机类可采用固定、浮动或移动安装，无动力机类和混合动力类可采用固定或浮动安装。

6.根据权利要求5所述的旋转系统其特征是：多个射流泵7串联构成多级射流泵系统；在空化部件6的低压区配置带有阀门14的二次流管道16，利用阀门14的关闭或开启实现空化部件6、射流泵7的互相转化。

7.根据权利要求5所述的旋转系统其特征是：通常有动力机类和混合动力类系统出口方向与出口运动方向相反，但也可以根据需要选择。

8.根据权利要求5所述的旋转系统其特征是：自吸结构是旋转管道4有一ABC段为凹型，A、B、C为管道中心线上的三个点，A、C分别位于凹型的进、出口，B位于中部最下端；平面ABC为垂直面或近似垂直面，直线AC为水平线或近似水平线。

9.根据权利要求5所述的旋转系统其特征是：旋转的检测、控制部件可以利用离心力工作；电路的旋转部分与非旋转部分采用电刷、滑环联接或无线联接；

当动力机与旋转系统的功率曲线不匹配时，可调节动力机或旋转系统的功率曲线；旋转系统功率曲线的调节方法是：在空化部件6、射流泵7的进口和喷嘴8的进或出口安装阀门调节水流量，必要时也可以调节射流泵7的进气量；

改变空化部件6、射流泵7和喷嘴8三者与进水管道的过流截面积之比可调节进水管的压力大小和系统有、无压力环节。

10.根据权利要求5所述的旋转系统其特征是：进水可以来自装有进水管20的进水舱、进水井17，进水管20可以部分为软管18或伸缩管，用于调节进水深度。

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