CN101624820A - 一种治理湖泊水华的自动化除藻船 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于治理湖泊水华中便于运输且具有表层收藻、中层絮凝除藻和底层机械吸藻以及除藻、水质改善、生态修复三位一体功能的自动化湖泊治理船。具体地说，通过可以自动调控的安装在船头的收藻勺将水体表层的藻类收集到藻类净化装置，同时，通过喷洒装置将改性土壤絮凝剂喷洒于水面，使藻华沉入水底，然后，吸藻装置将沉于湖底的藻类吸到藻类净化装置中，最后，将藻类浮选分离进入脱水装置脱水后贮存到储藻舱中，完成对水华的清除及草种的播散。

Description

一种治理湖泊水华的自动化除藻船

技术领域：

本发明涉及一种应用于湖泊富营养化和水华治理的自动化除藻船。它是集表层机械收藻、中层絮凝除藻、底层机械吸藻及藻类集中处理功能于一身的自动化除藻船。具体地说，是一种治理富营养化污染的除藻装置，即在除藻开始时通过船体前端的刮藻铲或表层吸藻装置将湖泊表层的藻类收集到藻类净化装置，与此同时，船体两端的絮凝剂喷头将改性当地/岸边土壤絮凝剂喷洒于水面，使之连同藻华一并转入到水底，之后再通过除藻船的吸藻装置选择性地将湖泊底部的藻类吸取到藻类净化装置中，通过浮选将藻类分离出来进入藻类脱水装置，脱水后贮存到储藻仓中，完成湖泊水华的清除。本发明之除藻船可以通过表层机械收藻、中层絮凝除藻、底层机械吸藻及藻类集中处理一系列过程达到快速除藻、长期控藻、改善水质及防止湖泊底泥二次污染等效果。

背境技术：

湖泊富营养化是一个世界性的环境问题。水华的出现不仅严重破坏水生生态环境，引发饮用水源地水污染和水质安全危机，还可能引起鸟类、牛、羊等动物中毒，甚至有可能致突变作用，对人类健康也有潜在危险。

目前已有的湖泊富营养化整治和湖泊恢复措施主要有：(1)降低外源磷输入；(2)建造人工湿地；(3)饲养或捕获水生动物，进行生物操纵；(4)进行水下曝气，增加水中溶解氧的含量；(5)化学杀藻剂除藻法；(6)利用超声波杀藻抑藻；(7)研发病毒，进行基因治藻等。虽然，治理湖泊富营养化的方法有多种，但是，通常可将其分为物理法、化学法和生物修复法三类，其中物理方法有切断污染源、稀释、换水、机械或人工打捞、湖水人工循环、底泥疏浚等，这些方法除藻效果差、投资大，而且不能从根本上去除藻类。化学方法通常是投加化学除藻剂来抑制藻类繁殖，盲目投加会导致水中引入新的化学成分，容易造成新的污染，而且除藻剂的生物富集和生物放大作用可能会对水生生态系统产生负面影响，对水体中水生动植物产生毒害作用，长期使用还会使藻类产生抗药性；此外，大部分化学除藻剂的设备成本和运行较高，因此，化学方法仅适用于小型水体，不能大范围使用。生物法包括生物控制法和生物修复法，生物控制法是通过饲养一定的鱼类和水草或者应用其它生物(如病毒)控制藻类，该法因选择性限制、制备周期长、成本高等原因，难以广泛、大规模施用；如果应用病毒除藻，一种病毒往往只对一种藻具有专一杀灭活性，由于引起水华的藻种繁多，其爆发又具有突发性，难以在短期内针对某一藻种培养出大量具有专一杀灭性的病毒，而且藻类对病毒的侵染可产生抗性及免疫性，同一病毒难以对某种藻类持续发挥灭杀作用；生物修复法是利用特定的生物(植物，微生物或原生动物)吸收，转化，清除或降解环境污染物，即利用培育的植物或培养、接种的微生物的生命活动，对水中污染物进行转移、转化及降解，从而使水体得到净化的技术，该法投资省，操作简便，有利于建立合理的水生生态循环，但水生生态十分复杂，在人为强烈干扰下，将造成系统不稳定，难以控制，以至于导致不利的生态后果。以上这些处理藻类的方法各有所长，但均具有一定的局限性，靠单一的方法治理，往往达不到理想的效果。

近年来，在淡水湖泊黏土除藻技术方面，本发明人(潘纲)提出了一系列新的方法。1999年潘纲提出了一项利用含铁粘土矿物治理赤潮和水华的方法，已于2002年被英国专利局授予专利权(GB 2337749A)。潘纲等又于2001年提出了以一种以含水镁硅酸盐(如海泡石)为主的黏土絮凝除藻技术(01134528.4，已授权)。2002年潘纲等又进一步提出了一种以天然高分子聚合物对黏土进行改性的技术(申请号：02155284.3，已授权)，该技术不仅可将任何当地土壤或沉积物改性成为高效的藻絮凝剂，而且可将黏土投量降低到10毫克/升的情况下仍然达到97％的除藻率，在国际上首次使利用当地土壤治理当地水华成为可能(Pan，G.et al.，Environmental Pollution，2006，连续3篇系列论文)。虽然黏土除藻技术已经有了上述重大的改进，但是以往的粘土除藻技术都有一个共同的缺陷：即沉降到水底的藻类腐烂分解消耗大量的氧可造成水底厌氧，使一些污染物逐渐从底泥中再次释放到水体，造成水华的复发。为了解决这个问题，2003年潘纲等又提出了改性黏土增氧固磷技术，可在黏土凝聚除藻的同时改善水底厌氧环境(申请号：0310113305.5)。2005年潘纲等提出利用稀土元素(例如，镧、锆等)处理粘土的改性技术，可以使底泥中的磷高效而不可逆地“固化”(不溶解)在改性黏土中。这样即使底泥泛起，经过“固磷”后的沉积物释放溶解磷的能力可被大幅度地降低(申请号：0510063410.1)。2005年潘纲等将改性黏土凝聚除藻技术同生态方法相结合，提出了可快速清除水华并将藻华在水底转化为沉水植被的复合材料(改性黏土和水生植物种子或根块类物质)技术，解决了化学法底泥固磷成本高，生态安全性难以确定和固磷效果不稳定等问题(申请号：200510099736.X)。虽然上述几个专利的申请逐步使黏土凝聚除藻成为一种天然、无毒能够标本兼治的综合除藻法，但对于大面积湖泊的除藻存在一些机械喷洒上的不便，而传统的水上行驶工具又不具备有机械自动喷洒功能，因此，发明一种应用于湖泊富营养化处理中具有机械喷洒功能的自动化船成为首要解决的配套问题。目前国内外尚没有能实施改性当地土壤除藻技术的专用船之，更没有集表层机械收藻、中层絮凝除藻、底层机械吸藻及藻类集中处理功能于一身的自动化除藻船设计。

目前虽然已有成型的湖泊底泥吸泥装置，但尚未见能选择性地只吸覆盖于底泥表层的藻类絮体而不吸底泥的选择性湖底藻絮体吸取装置。

另外，虽然已有公开技术可进行表层机械除藻，但此类技术对水体特别是深水中的藻类除藻效率很低，也未见将表层机械除藻与水体絮凝除藻和湖底吸藻装置联合设计的公开技术。

发明内容：

本发明旨在提供一种能够应用于湖泊富营养化和水华治理中便于运输且具有表层机械收藻、中层自动喷洒改性当地土壤絮凝剂沉藻、底层机械吸藻、舱内集中净藻及自动储藻等功能的自动化除藻船。

本发明是通过在船体前端设置一梯形刮藻铲来实现沉藻前的表层机械除藻工序；通过在船体前部左右各设置一根可拼接并可转向的絮凝剂管路，并在每根管上设置多个絮凝剂喷洒头，当使用时将管路转为垂直于船体方向，来实现自动喷洒改性土壤絮凝剂沉藻工序；通过在湖底设置吸藻装置连接一根通向船内自吸无堵塞排污泵的柔性伸缩吸藻管并通过吸藻头拖架及吸藻高度调整装置对湖底吸藻装置的控制来实现底层选择性吸取某一层藻絮体的功能；通过在船内设置藻类净化装置来实现对表层、底层收集到的水藻的净化工序；通过在船内设置藻类脱水装置及储藻仓来实现对净化后水藻的脱水储存工序；通过在船内设置发电机及电控系统平台来实现除藻船整个除藻工序的自动化简便操作；通过紧凑的结构、合理的机械布局实现了自动化除藻船船体小便于运输的功能。

本发明之自动化除藻船可以对实现湖泊、水库富营养化藻类的一次性去除，避免了营养物质的沉积进而防止了底泥的二次污染。此外，本发明自动化除藻船能将除藻、净藻、储藻整套工序集中在船上进行，在无电水域也可运行，克服了以往除藻、净藻、储藻必须在有电区域及分别进行的问题，提高了除藻的效率，本发明可用于综合治理富营养化导致的大、小面积的海水赤潮、淡水水华，也适用于河道治理。

本发明之应用于湖泊富营养化处理中集表层机械收藻、中层絮凝除藻、底层机械吸藻及藻类集中处理功能于一身的自动化除藻船具有以下特征：

1、船体较小，便于公路运输应用于不同的湖泊，主要由船体、发电机、电控系统、栏杆、表层铲藻装置、中层絮凝剂喷洒装置、底层吸藻装置、藻类净化装置、藻类脱水装置、储藻装置、管路系统等组成。

2、船体最前端设有梯形的表层刮藻铲，梯形刮藻铲底部与水平方向设有一定的可调倾角，铲入水面的深度可调节，左右两端及后端设有挡板，这样保证收集到的湖泊表层藻类可以集中到刮藻铲后端，后端接一吸藻泵可将藻类抽到藻类净化装置中。

3、船体还设置有改性土壤絮凝剂喷洒装置，即在船体两侧和尾部，设有伸向水面的空心横杆并在该横杆上设有若干喷头，可对改性土壤絮凝剂进行自动化喷洒，并设置阀门控制启闭。当使用时将管路转为垂直于船体方向，然后通过喷头对富营养化水面进行絮凝剂的喷洒。絮凝剂可通过放置在喷洒装置后面的两个改性土壤絮凝剂存放桶中获取。为了更加稳固延伸到船外的两个管路，于船头中央设置一根立杆，其顶端与两个管路外端连接，通过牵拉作用，形成三角形均衡受力，增强了喷洒装置的稳固性，也增加了喷洒的精确性。

4、底层吸藻装置是通过吸藻头拖架及吸藻高度调整装置来控制的。

(1)底层吸藻装置是由多个吸藻头并排于一根管轴上，外围由数根圆管相间组成的滚轮所包围，使吸藻头永远保持一个与湖底的标准距离，吸头上部是一个空心的舱，通过调节该吸藻头上方空心的舱中注入水的量，来调节和控制吸嘴对底泥的压力与浮力，并与泵吸的力量的调节共同作用可达到选择性吸底层藻絮体，而不吸底泥的功能。在吸藻头前端，设有斜面护板，使吸头在被拖动遇硬物时可以将吸藻装置弹起，从而有效越过湖底障碍物而不被卡住，保护吸藻装置部分。

(2)每一个吸藻头为伞形扁嘴结构，这样可以便于对絮凝沉淀物的全方位吸取，减少吸水量最大限度地增加吸藻量。

(3)吸藻头拖架为硬性杆形材料，一端与船体固定，另外一端通过软性材料与吸藻装置的硬性挡板连接，软性材料的使用可以在吸藻装置弹起时，保护吸藻头拖架不受到硬损伤。

(4)在吸藻头拖架中段设置一连接环，与吸藻高度调整装置连接，通过在船舱内控制吸藻高度调整装置就可以随意调整吸藻高度，有效地保证了吸藻装置能够沿湖底坡度前进从而有选择性地吸收湖底的藻类沉降物。

5、吸藻装置中，与吸藻头连通的管轴是通过一根吸藻管与船内的自吸无阻塞排污泵相连接，吸藻管使用柔性管材，便于吸藻高度变化后的柔性弯曲。

6、船舱内设有自吸无阻塞排污泵，吸藻头对底部藻类沉积物的吸取力就是从自吸无阻塞排污泵获取的。使用自吸无阻塞排污泵可以解决普通自吸式排污泵遇到藻类等物体容易造成堵塞的问题。

7、船舱内设有储藻仓，该储藏箱同时又是藻类、泥土、和水的分离装置。通过藻类、泥土和水的自然静置分层，采用隔板将自然沉降下来的泥隔开，并排出分离出来的水，从而达到分离开藻类、泥土和水并储存藻类的目的。

8、船舱内设有藻类净化装置、藻类脱水装置及管路系统。自吸无阻塞排污泵吸上来的藻、水、泥混合物进入藻类净化装置，通过浮选将藻类与泥及部分水分离，浮选出来的藻类进入藻类脱水装置与水分离，脱水装置排出的水与净化装置排出的水、泥一同通过管路系统排出船外。

9、本发明之应用于湖泊富营养化处理中的除藻船是集表层机械收藻、中层絮凝除藻、底层机械吸藻及藻类集中处理功能于一身的自动化除藻船，其特征在于船内设有发电机及电控系统操作台，各工序的进行可以在船上自动控制，操作简单、方便。

10、在船的两侧有可折叠的翻板，翻板的朝向湖面的一侧装有浮筒。运输时，可将翻板折叠起来，减少船体宽度，使用时将翻板放下增加操作空间，翻板下的浮筒有助于船体的稳定，从而一方面可缩小运输中船体的宽度，同时增加湖中操作时船体的稳定性。

附图说明：

图1是本发明自动化除藻船的侧立面图。图中1-船体，2-栏杆，5-絮凝剂存放装置，6-吸藻装置，7-吸藻管，8-吸藻头拖架，9-吸藻高度调整装置，11-藻类净化装置，12-藻类脱水装置

图2是本发明自动化除藻船的平面图。图中3-刮藻铲，4-絮凝剂喷洒装置，15-发电机，16-电控系统

图3是本发明自动化除藻船的改性土壤絮凝剂喷洒装置的正立面图。

图4是本发明自动化除藻船的吸藻装置的侧立面图。

图5是本发明自动化除藻船的吸藻装置的正立面图和剖面图。

图6是本发明自动化除藻船的吸藻头的正剖面图和平面图。

图7是本发明自动化除藻船的藻类处理系统的侧立面图。图中10-自吸无堵塞排污泵，13-管路系统，14-储藻仓

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参见附图1、图2、图7，该自动化除藻船包括船体1、栏杆2、发电机15、电控系统16、刮藻铲3、絮凝剂喷洒装置4及絮凝剂存放装置5，吸藻装置6是通过吸藻头拖架8控制的，其吸藻高度可以通过吸藻高度调整装置9调节，吸藻管7一端与吸藻装置6连接，另一端与自吸无堵塞排污泵10连接，自吸无堵塞排污泵10将吸取的藻类沉降物依次输送到藻类净化装置11、藻类脱水装置12，最后进入储藻仓14，净化及脱水排出的水、泥等经管路系统13排回到湖中。

实际除藻开始前，将自动化除藻船驶入预除藻水域，从絮凝剂存放装置5取出适量的当地改性土壤絮凝剂向絮凝剂喷洒装置4添加并将絮凝剂喷洒管路转为垂直于船体方向，启动发电机15，除藻船按设定速率匀速前进。

除藻开始，船体前端刮藻铲3开始收集富营养化湖泊表层藻类，由于刮藻铲底部与水平方向有一定的倾角且左右两端及后端均设有挡板，这样收集到的藻类大量聚集在刮藻铲后端，该后端连接一台小型管道泵将其集中输送到藻类净化装置。打开絮凝剂喷洒装置4管路上的阀门，使配比好的改性土壤絮凝剂从管路上的每个喷头均匀的向湖面喷洒(见附图3)，进而使改性土壤连同水中的藻华一并转入到水底，随着船体的匀速行驶，絮凝剂均匀的洒满了整个预除藻水域，与此同时，位于絮凝剂喷洒装置4后端的水下吸藻装置6对已沉降至湖底的藻类沉积物进行吸取，由于其特殊的组成(见附图5)，即多个伞形扁嘴结构的吸藻头(见附图6)并排于一根管轴上，外围由数根圆管相间组成的滚轮所包围，使吸藻头与湖底永远保持一个标准的距离，可选择性地吸取湖底的藻类而不把底泥带起。当吸藻装置6在湖底遇到硬物时，其前端设置的硬性挡板(见附图4)便会发挥其保护作用，利用反弹力将吸藻装置6一起带起越过障碍物后继续进行底层吸藻工作。当湖底坡度变化较大时，在船内调节吸藻高度调整装置9，将吸藻头拖架8拉起或下放一定距离，以保证吸藻装置6能够沿湖底坡度前进。从吸藻头吸上的藻类沉降物沿管轴进入到吸藻管7，并沿着吸藻管7通过为吸藻装置6提供吸力的自吸无堵塞排污泵10，与刮藻铲3收集到的湖泊表层藻类一起进入到藻类净化装置11中(见附图7)，由于进入藻类净化装置11的藻类沉降物、水、泥的混合物具有一定的向上流动性，泥水混和物平均密度较大，下沉进入到管路系统13排入原水体，而藻类平均密度较小，上涌进入到藻类脱水装置12进行脱水，得到含水率较小的藻类，最后储存到储藻仓14中，除藻完成后再行卸载。以上的整个流程就完成了对富营养化水体的表层机械收藻、中层絮凝除藻、底层机械吸藻及藻类集中处理的自动化除藻。

Claims (11)

1、本发明提供一种应用于湖泊富营养化和水华治理中集表层机械收藻、中层絮凝除藻、底层机械吸藻及藻类集中净化功能于一身的自动化除藻船。

2、根据权利要求1所述的除藻船，其特征在于该船包含表层铲藻装置、中层絮凝剂喷洒装置、底层吸藻装置、藻类净化装置、藻类脱水装置、储藻装置、管路系统、船宽伸缩及船身稳定装置。

3、根据权利要求2所述的除藻船，其特征在于底层吸藻装置是由多个吸藻头并排于一根管轴上，外围由数根圆管相间组成的滚轮所包围，吸头上部是一个空心的舱，在吸藻装置前端半包有硬性挡板，每一个吸藻头为伞形扁嘴结构，吸藻头拖架为硬性杆形材料，一端与船体固定，另外一端通过软性材料与吸藻装置的硬性挡板连接，在吸藻头拖架中段设置一连接环，与吸藻高度调整装置连接，吸藻管使用柔性管材。

4、根据权利要求2所述的底层吸藻头，其特征在于通过调节该吸藻头上方空心的舱中注入水的量，可调节吸嘴对底泥的压力与浮力，并与泵吸的力量的调节共同作用可达到选择性吸底层藻絮体，而不吸底泥的功能；通过吸头前的斜面护板使吸头在被拖动时，可有效越过湖底障碍物而不被卡住。

5、根据权利要求2所述的除藻船，其特征在于船体两侧和尾部设有伸向水面的空心横杆并在该横杆上设有若干喷头，可对改性土壤絮凝剂进行自动化喷洒。

6、根据权利要求2所述的除藻船，其特征在于船体前端设有表层刮藻铲，梯形刮藻铲底部与水平方向设有一定的可调倾角，铲入水面的深度可调节，左右两端及后端设有挡板，后端接吸藻泵。

7、根据权利要求2所述的除藻船，其特征在于船的两侧有可折叠的翻板，翻板的朝向湖面的一侧装有浮筒，从而一方面可缩小运输中船体的宽度，同时增加湖中操作时船体的稳定性。

8、根据权利要求2所述的除藻船，其特征在于船舱内设有自吸无阻塞排污泵来为吸藻装置提供吸力。

9、根据权利要求2所述的除藻船，其特征在于船舱内设有储藻仓，该储藏箱同时又是藻类、泥土、和水的分离装置。

10、根据权利要求2所述的除藻船，其特征在于船舱内设藻类脱水装置和管路系统。

11、根据权利要求2所述的除藻船，其特征在于船内设有发电机及电控系统操作台，可以使各工序在船上进行，便于自动控制。

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