CN102180561B - 一种治理水体富营养化的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种治理水体富营养化的方法和装置，属环保科技领域。其要点是：由在水体表面设置的一坐标固定、淹没在水的表面并沿水平方向旋转的叶轮与处于同一平台上的臭氧发生器、沿其周边一定距离上分布于水中的N个“曝气岛”及连接臭氧至“曝气岛”的导管组成本装置。其中臭氧发生器生成的含有臭氧的空气经导管送至“曝气岛”曝气，形成臭氧气液混合区；叶轮带动的水被旋转着推向四周，形成“∞”形螺旋纵向环流遍历流经各“曝气岛”与之发生氧化反应，并使底层水周而复始地循环至表层进行曝光曝气，从而实现对水体中氨氮等营养盐的清除和病原体的抑制。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种治理水体富营养化的方法和装置，属环保科技领域。
背景技术
治理水体的富营养化，在切断外营养源的前提下，必须同时解决下列问题：1、使水体流动起来；2、清除其中的氨氮；3、减少或清除其中的总磷；4、将水体中其他COD、BOD降低到允许的程度等。为此，人们采用了生物、化学、物理及其复合技术治理水体的富营养化。如目前世界上有代表性的治理水体富营养化的方法中，微生物法、清除水底淤泥法有效但成本高昂、治理大水体时工程浩大且需定期治理；灭藻剂只治标不治本，单一臭氧法成本更为高昂且不能持续有效，没有解决水体流动等问题而导致再腐再治，因而难于实现低价低碳、持续高效、广谱、生态治污。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：克服背景技术之不足，提供一种持续高效、廉价广谱、低碳节能、适用于治理大水体富营养化的方法和装置。内容包括：
1、一种治理水体富营养化的方法。对所在水体形成一纵剖面为“∞”形的螺旋纵向环流，该环流以双环连接部为纵轴，在水平方向上做向外的螺旋运动，在垂直方向上做剖面为“∞”形的运动。在离开该环流中心的一定距离上沿方位分布设制N个“曝气岛”，将含有臭氧的空气向水中曝气。在螺旋纵向环流的持续运动中，水及其中溶质、悬浮物的不同质点遍历通过各个“曝气岛”，“曝气岛”释放出的臭氧将抵达的有害物质氧化降解，将病原体杀灭。由于“曝气岛”在不同时刻相遇的是水体的不同单元和质点，因此在持续作用下，渐次实现了对所在作用范围内水体的治污；由于水对臭氧的饱和溶解度高于对氧气的饱和溶解度，臭氧经约20分钟又还原为氧，因此实现了向水体的高效充氧；同时，纵向环流又将处于水底层的氨氮、硫化氢、微生物等带至水体表面，达成了对底层水及其载荷的曝气、曝光和光合作用；使水体内原非均匀分布的溶氧和温度趋向均氧和均温；被氧化后的磷化合物、被杀灭后的菌尸、水流带起的表层底泥中较轻的物质被冲至岸边，以泡沫的形式滞留下来，从而实现了对整个水体的净化。在整个过程中，除“曝气岛”气水混合作用范围之内的有限区域外，并未改变水体其余部分的理化性质，因而不影响水体的整体生态。
2、一种实现上述治理水体富营养化方法的装置。在水体表面设置一坐标固定、纵轴位置固定、淹没在水的表面并沿水平方向旋转的叶轮，将叶轮周边的水推向四周，从而在叶轮旋转轮廓线的法向上形成表层水的旋转水平流。该水平流的旋转方向与叶轮旋转方向相一致。该水平流一方面向四周扩散，一方面在重力作用下向下运动。而该水中任一质点在叶轮旋转的离心作用和重力作用下，逐渐沿旋转方向向外、向下运动，形成受制于叶轮转向的螺旋形轨迹。而叶轮底部水体产生的负压，引起其下部的水向上补充，形成涌升流。二者的综合作用，在水体的一定范围内形成以叶轮轴为轴心且向上向外的、剖面为“∞”形的纵向环流。同时，臭氧发生器生成的含有臭氧的空气，经气泵驱动和导管传输至围绕该纵向环流形成装置周边设置的N个“曝气岛”，实现含臭氧空气与水体的混合、溶入。
以上所述之叶轮在水平向的旋转方向，可以是左旋，也可以是右旋。
该装置由控制器，气泵、臭氧发生器及导气管，低速电机，与之相连接的减速器，与该减速器输出轴相连接的、由3片以上叶片组成的叶轮系及底部带水割刀的叶片，整机总成、承载整个装置的浮体及限位器、用于决定整个装置在水体中的坐标并可使该装置上下滑动的定位支架、曝气岛等组成。
以上所述之驱动源，采用低速电机，以降低减速比；
以上所述之减速器，为同步带轮或链轮减速器之一，其输出转速在小于5.6Hz的前提下取决于该减速器输出的扭矩与叶轮转动时克服水阻所需的力。
以上所述之叶片，系垂直于水面、由上自下呈“L”形直角弯的金属板，位于其底部的水平部分构成减少水体粘滞阻力的水割刀。该叶片在水平方向上，与减速器输出轴之法线间有一角度在5°-85°的滞后角α。
以上所述承载整个装置之浮体，系由三或四个支撑臂及浮球组成。其中间部分用于固定整机总成。臂的端部装有使所述之装置在垂直方向上可滑动的限位器，靠近每个臂端的垂直向下处分别装有浮球。
以上所述承载整个装置之浮体的另一种形式，是将浮筒直接固定在每个叶片上端，由浮筒经输出轴承载整个装置的重量。
以上所述之臭氧发生器的输出管分别沿浮体的支撑臂至其端部入水，将臭氧或空气送至曝气岛曝气，达成气液混合并将臭氧溶入水中。
以上所述之定位支架，系金属制圆环横向连接成整体的二根以上(典型使用为三根)纵向导轨，其直径略大于浮体的限位器所构成的圆的直径，位置对应于各限位器的可运动轨迹，使该装置能随水平面高度涨落自由上下移动而装置的机体不发生旋转、坐标位置不变。
以上所述装置所形成环流的水平直径(水平范围)和纵向直径(深度范围)，主要取决于叶片的形状、长度、宽度和叶轮系的转速等因素，可由试验决定。
该装置巧妙地运用了水的液态导管现象，叶轮只在水平方向作功，在纵向上不作功，因而用很小的能量可使较大的水体流动起来。例如一台输出功率为60W的该装置，可以将水深为1.5m、面积为3000m2的水体运动起来。水体在运动中与阳光的光合作用又会激活埃尔顿金字塔，使水体生态趋于良性稳态循环，因而达成了对水体的生态修复。
螺旋纵向环流的设计流速，在水体的上表面受制于单元水体及其载荷曝光、曝气所需时间，在水体下表面，受制于单元水体及其载荷充氧、氧化反应、杀灭病原体所需时间。由这两个因素可以确定流速的大小。
水体的载荷指水中的溶质、悬浮物。
该装置除可用于对水生态的快速修复，防治因水体富营养化导致的污染之外，尚可用于人工高密度水产养殖，将水体中的氧气含量增加到满足生物耗氧需要、减少其中的病原体并清除或降解其他因水产养殖导致的污染(主要是氨氮及药物)，有助于实现无抗生素养殖。
附图说明
图1：本装置形成的表层水的旋转水平流及臭氧混合区示意图。图中1为本装置；2为曝气岛及臭氧气液混合区；3为表层旋转水平流的示意曲线。
图2：本装置形成的旋转纵向环流的纵剖面示意图。图中1为本装置；2为曝气岛及臭氧气液混合区；3为旋转纵向环流的示意曲线。
图3：右旋叶轮的叶片在水平方向上，与减速器输出轴之法线之间的滞后角示意图。图中1为输出轴在某一点上的法线；2为减速器输出轴；3为根部与输出轴某一点上的法线在同一点上的叶片；α为该法线与叶片之夹角。
图4：本装置组成的概略示意图。图中1为本装置主机。控制器、气泵、臭氧发生器、低速电机及减速器均装在其中；2为本装置浮体支撑臂；3为叶轮；4为浮球；5为浮体支撑臂上的限位器；6为固定支架；7为固定支架上的纵向导轨。
具体实施方法
1、基本型气液混合纵向环流装置
上面已经以基本型气液混合纵向环流装置为例进行了说明，其具体实施方式，均为人们已经熟知的各种机械零部件的组合，已无须详述。其中最重要的，是各部件的布局，在总体上应达成以输出轴为重心的平衡。
2、小型气液混合纵向环流装置
小型(60W以下)气液混合纵向环流装置与基本型气液混合纵向环流装置的区别，在于取消了原浮体，而将浮筒直接固定在叶片的上端。
3、对底泥有强改善作用的气液混合纵向环流装置
本例的显著特征，在于取消了浮动平台上的臭氧发生器，而将臭氧发生器经气液混合装置与水底高压泵组合成单机，由水下电缆与浮动平台达成电气控制连接，臭氧发生器以空气为气源，由高于水面的进气口导入。有高含量臭氧混入的水流经高压水泵高速喷出冲击并搅起底泥进行充分氧化。
Claims (6)
1.一种治理水体富营养化的装置，其特征是：所述装置在水体表面设置一坐标固定的平台，平台上的控制器控制低速电机带动一淹没在水表面并沿水平方向旋转的叶轮系，将叶轮带动的水旋转着推向四周，继而形成周边水的“∞”形螺旋纵向环流；受同一控制器控制的臭氧发生器发生的臭氧，经分布在水体中的N个“曝气岛”形成含臭氧的空气与水的气液混合区。
2.根据权利要求1所述的治理水体富营养化的装置，其特征是：所述装置由控制器，低速电机，与之相连接的减速器，与该减速器输出轴相连接的、由3片以上叶片组成的叶轮系及底部带水割刀的叶片，整机总成，承载整个装置的浮体及限位器，臭氧发生器及导气管，使本装置上下滑动的定位支架，曝气岛组成。
3.根据权利要求2所述的治理水体富营养化的装置，其特征是：所述的底部带水割刀的叶片为：垂直于水面、由上自下呈“L”形直角弯、在水平方向上与减速器输出轴之法线间有一个5°至90°滞后角的矩形金属板。
4.根据权利要求2所述的治理水体富营养化的装置，其特征是：所述的承载整个装置的浮体及限位器为：由长度相等的三叉或三角式支撑臂及浮筒组成，三个臂的端部装有使该装置上下滑动的限位器，靠近每个臂端的垂直向下处分别装有浮筒。
5.根据权利要求2所述的治理水体富营养化的装置，其特征是：所述的承载整个装置的浮体及限位器的另一种形式为：将浮筒直接固定在每个叶片上端，由浮筒经输出轴承载整个装置的重量。
6.根据权利要求2所述的治理水体富营养化的装置，其特征是：所述的使本装置上下滑动的定位支架为：固定于水底的、轨道与限位器上下运动轨迹相对应而使机体不发生旋转、坐标位置不变的、连接成整体的纵向导轨。
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Addressee: Yang Jitian Document name: Notification of Decision on Request for Restoration of Right |
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Addressee: Yang Jitian Document name: Notification to Pay the Fees |
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Addressee: Yang Jitian Document name: Notification of Termination of Patent Right |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130403 Termination date: 20190307 |