CN103641237A - 一种用于富营养化水体的太阳能推流循环、复氧装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于富营养化水体的太阳能推流循环、复氧装置及其方法，属于生态治理和水处理领域。它包括起支撑作用的浮体、太阳能供电装置和蓄电池，浮体包括三块平行设置的浮板，即第一浮板、第二浮板和第三浮板，两根平行转轴的两端分别设置在第一浮板和第三浮板上，第二浮板垂直设置在该两平行转轴的中间，第二浮板的一端设置有DO溶解氧装置，太阳能供电装置和蓄电池设置在第二浮板的中部；还包括太阳能跟踪装置、水平推流混合平台、水平推流混合装置、垂直曝气传动装置，垂直曝气循环装置。本发明将水平推流混合循环和垂直曝气循环相结合，实现了水体复氧和推流两大功能的统一。

Description

一种用于富营养化水体的太阳能推流循环、复氧装置及其方法

技术领域

本发明属于生态治理和水处理领域，更具体地说，涉及一种用于富营养化、低溶解氧、水体滞留、无法接电河道、湖泊水体立体的循环和复氧处理的装置和方法。

技术背景

污染河流和湖泊生态修复是国内外近年来发展很快的一种新技术，具有广泛的应用前景。我国河流污染情势日益严峻，尤其是中小河流，由于它们大多数环绕居民区、农田，临近禽畜养殖场，又受养鱼塘、中小型工业等的影响，其水质受污程度相当严重。随着城市化和工业化进程的不断加快，水体的功能和作用不断被弱化。尤其是城市缓流水体，由于受城市发展的影响较大，水体流动性小，自净能力弱，破坏更为严重。我国的河道生态治理起步较晚，但在实际操作中，也取得一定的经验，例如：减少外污染源，消除黑臭是修复水生态的前提条件；利用生态治理的手段，通过消化内污染源，以达到进一步提高水质的目的；在河道整治中创造条件，实现水边、水中、水底的生态多样性，逐步修复水生态，通过生态链的作用，消化和吸收内外污染源，增强水体的自净能力等。在上海市黄浦江、苏州河、太浦河、川杨河等16条骨干河道以及辽河等河道的治理中，均采用了生态治理的方法。

河道曝气和推流是生态治理的基础和关键，根据河流受到污染后缺氧的特点，人工向水体中充入空气（或氧气），加速水体复氧过程，以提高水体的溶解氧水平，恢复和增强水体中好氧微生物的活力，使水体中的污染物质得以分解，从而改善河流的水质。常用的生态治理中的生物膜法是根据微生物的生长特点，培养适宜的条件使微生物固定生长或附着生长在固体填料（载体）的表面，形成胶质相连的生物膜。通过河道和湖泊水体内水的流动和空气的搅动，生物膜表面不断和水接触，水体中的有机污染物和溶解氧为生物膜所吸收从而使生物膜上的微生物生长壮大。随着有机物的去除，生物膜本身也在不断更新，衰老的生物膜脱落后通过沉淀使泥水分离。生物膜法与活性污泥法相比具有生物多样化、生物量多、剩余污泥量少、运行管理方便等优点。把生物膜法跟曝气复氧技术相结合运用于污染河道和湖泊的水质改善就构成了河道曝气+生物膜原位净化技术。

公开号为103011429A的专利文献，公开了一种用于改善水质的太阳能循环装置。该装置促进水体循环，打破溶氧分层，从而起到改善水池水体环境的作用。其不足之处在于：

（1）太阳能板对太阳能捕获并未达到最佳状态，只是采用固定的一个角度对太阳能进行捕捉，实际情况是太阳能随着时间和天气等因素是变化的；

（2）发明中仅仅对垂直方向，上下进行循环和复氧，并未对水平方向进行循环和复氧，这对于河流流速不大或是停滞的河流来说，水平方向循环和复氧更为重要和关键；

（3）发明中并未对水质实际变化情况进行相应调整，对水质适应性差；

（4）发明中并未对曝气叶片进行说明，作为一个高效曝气装置，曝气叶片需要具有良好的水力学条件，才能具有最佳充氧效果。

综上，目前河道或是湖泊治理中曝气和推流装置存在的问题是：

（1）在富营养化生态修复工程中，复氧和循环是一个举足轻重且能耗最大的过程，是生态修复的基础和关键，但是占据了生态修复过程中总能耗的90-100%。同时如果采用普通曝气机，不仅需要交流电需要布置电缆，增加投资，且在运行过程中存在用电安全隐患，给运行管理带来极大麻烦；

（2）目前采用的河道曝气多为喷泉曝气和液下推流曝气，无法同时曝气和推流循环的两个功能，导致河道虽然存在一定的溶解氧浓度，但是仍然无法达到理想的治理效果；

（3）目前曝气系统的运行通过经验设定的模式进行，无法实现与水体中溶解氧浓度的联动，形成时间或是空间上的缺氧、好氧阶段，这样造成能源浪费，无法真正发挥河道内净化效果。

综上，目前河道或湖泊曝气装置耗能高，运行效果差，安全性低，功能单一，水质适应性差，给生态治理工作带来极大困难。

发明内容

1、本发明要解决的技术问题

针对现有技术中存在的河道或是湖泊富营养化水体生态修复中曝气装置功能单一、水质适应性差的问题，本发明提供了一种用于富营养化水体的太阳能推流循环、复氧装置及其方法，它将水平推流混合循环和垂直曝气循环相结合，实现了水体复氧和推流两大功能的统一。

2、技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种用于富营养化水体的太阳能推流循环、复氧装置，它包括起支撑作用的浮体、太阳能供电装置和蓄电池，所述的浮体包括三块平行设置的浮板，即第一浮板、第二浮板和第三浮板，两根平行转轴的两端分别设置在第一浮板和第三浮板上，所述的第二浮板垂直设置在该两平行转轴的中间，所述的第二浮板的一端设置有DO溶解氧装置，太阳能供电装置和蓄电池设置在第二浮板的中部；

还包括太阳能跟踪装置，所述的太阳能跟踪装置设置在所述的太阳能供电装置上，与太阳能供电装置、蓄电池电路连接；

所述的太阳能供电装置的两端分别设置有水平推流混合平台，所述的水平推流混合平台上设置有通过水平推流电机驱动的水平推流混合装置；

在每个所述的转轴的中部设置有驱动转轴转动的垂直曝气传动装置，所述的垂直曝气传动装置包括垂直曝气电机；

所述的转轴上位于所述的垂直曝气传动装置的两侧分别设置有垂直曝气循环装置；

所述的太阳能供电装置、蓄电池为整个装置提供电能。

优选地，水平推流混合装置为水平搅拌浆，所述的水平搅拌浆通过垂直轴固定在水平推流混合平台上，水平搅拌浆包括叶片和搅拌轴，搅拌轴上设置有凹槽，所述的叶片通过固定在不同的凹槽内调整距离水面高度。

优选地，所述的垂直曝气循环装置为圆盘状，以该圆盘的圆心为中心，等间距的圆环上均布有菱形尖锥。

一种用于富营养化水体的太阳能推流循环、复氧方法，其步骤为：

（A）通过太阳能跟踪装置捕获太阳能至太阳能供电装置上，能量储存于蓄电池内，将太阳能转化成电能，然后供电给水平推流电机和垂直曝气电机；

（B）水平推流电机通过驱动水平推流混合装置进行水平方向的循环复氧；同时，垂直曝气电机通过驱动垂直曝气循环装置进行循环复氧；

（C）DO溶解氧装置对水体进行溶解氧测量，当溶解氧浓度低于预设值时，同时开启水平推流混合装置和垂直曝气循环装置，或延长工作时间；当溶解氧浓度高于预设值时，开启水平推流混合装置，间歇开启或停止垂直曝气循环装置。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

（1）充分利用清洁能源太阳能，提高太阳能的转化能力和有效使用效率。本发明的设计结构中采用了太阳能跟踪装置和溶解氧控制系统，保证在同样太阳能获取的前提下，全部能源供给转化为复氧和循环动力，保障复氧和循环效果所需要的动力，提供有效工作时间的最佳溶氧传导，使水体中的有机物得到的分解，微生物利用氧气将氨氧化为亚硝酸盐，净化富营养化水体，恢复水体生态功能；

（2）优化水体流动性和改善水体中溶解氧，针对性强、适应性广、操作更灵活。水体流动性和溶解氧提高是水体修复中最关键的问题之一，也是开展综合治理的基础和关键，并直接决定治理效果和成败。本发明以最优复氧循环为设计理念，通过水平推流混合装置和垂直曝气循环装置，产生巨大的动水复氧效果。通过将富氧水与低溶解氧富营养化水体充分混合，使氧气有效均布在治理水平和垂直范围内，提高了水体中好氧微生物数量和活性，进而显著提高硝化效率，并有利于氨气的消散；富营养化水体溶解氧的增加有利于磷转换为易于生物吸收的可溶性磷，通过生物链移除水体。在复氧循环基础上，水体中水生生物种群数量逐步恢复平衡，食物链高端的鱼类数量增加，有利于污染物质的消耗与去除，经过1-2个生长周期，水体生态逐渐得到修复；同时，采用太阳能跟踪系统和DO溶解氧装置控制系统显著提高太阳能组件的发电效率和动力使用效率，为系统的稳定运行提供保障；

（3）控制富营养化水体藻类生长与消除黑臭河道效果显著。水平搅拌浆解决水体水流方向前后循环和混合问题。通过水平推流混合装置和垂直曝气循环装置实现水体立体的循环和复氧，将藻类由水面循环到水底，改变光照、温度、流速等藻类生长的环境，有效控制藻类生长，减少水体异味产生。打破水体水温分层局面，有效作用到水面1～3米以下的空间，促使均温层、跃温层水体有效流动与混合，不但能在水平和垂直方向形成立体水体交换消除水温分层的不利影响，也能使营养盐、溶解氧在作用范围内有效混合达到营养盐浓度降低，溶解氧升高的效果，消除黑臭河道。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的装置的主视图；

图3为本发明的垂直曝气循环装置的放大示意图；

图4本发明的垂直方向曝气循环原理示意图；

图5本发明的水平方向混合推流原理示意图。

图中：1、太阳能跟踪装置；2、太阳能供电装置；3、蓄电池；4、DO溶解氧装置；5、水平推流混合装置；51、垂直轴；6、水平推流混合平台；7、垂直曝气循环装置；8、垂直曝气传动装置；9、浮体；10、转轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例进一步介绍本发明的技术方案。

实施例1

如图1、图2，本发明的装置包括起支撑作用的浮体9、太阳能供电装置2和蓄电池3，浮体9包括三块平行设置的浮板，即第一浮板91、第二浮板92和第三浮板93，两根平行转轴10的两端分别设置在第一浮板91和第三浮板93上，第二浮板92垂直设置在该两平行转轴10的中间，第二浮板92的一端设置有DO溶解氧装置4。本实施例所采用的DO溶解氧装置4适用范围为pH范围6.5～8.5，量程范围0～10mg/L，标准偏差≤0.2mg/L。

太阳能供电装置2和蓄电池3设置在第二浮板92的中部；太阳能供电装置2上设置有太阳能跟踪装置1。太阳能跟踪装置1采用PV系统，时控，跟踪精度≤1°，最大抗风速30m/h，环境温度-15℃～50℃，温度范围-20℃～40℃。

太阳能跟踪装置1与太阳能供电装置2、蓄电池3电路连接。太阳能供电装置2的两端分别设置有水平推流混合平台6，水平推流混合平台6上设置有水平推流混合装置5；水平推流混合装置5通过水平推流电机驱动。具体的，水平推流混合装置5为推进式水平搅拌浆，水平搅拌浆通过垂直轴51固定在水平推流混合平台6上，水平搅拌浆包括叶片和搅拌轴，搅拌轴上设置有4个凹槽，相邻凹槽的间距为5mm，叶片通过固定在不同的凹槽内调整距离水面高度。

在每个转轴10的中部设置有垂直曝气传动装置8，垂直曝气传动装置8主要由垂直曝气电机构成，垂直曝气电机驱动转轴10转动，进而带动转轴10上的两个垂直曝气循环装置7转动。垂直曝气循环装置7为圆盘状，以该圆盘的圆心为中心，等间距的圆环上均布有菱形尖锥，如图3。相邻圆环的间距为5～10mm。设置菱形尖锥的目的在于优化水力效果，提高曝气效率。

太阳能供电装置2、蓄电池3为整个装置提供电能。

本装置的太阳能推流循环、复氧方法，其步骤为：

（A）通过太阳能跟踪装置1捕获太阳能至太阳能供电装置2上，能量储存于蓄电池3内，将太阳能转化成电能，然后供电给水平推流电机和垂直曝气电机。这样充分利用了清洁能源太阳能。

（B）水平推流电机通过驱动水平推流混合装置5进行水平方向的循环复氧，如图5；同时，垂直曝气电机通过驱动垂直曝气循环装置7进行循环复氧，如图4。通过水平推流混合装置和垂直曝气循环装置实现水体立体的循环和复氧，将藻类由水面循环到水底，改变光照、温度、流速等藻类生长的环境，有效控制藻类生长，减少水体异味产生。

（C）DO溶解氧装置4对水体进行溶解氧测量，当溶解氧浓度低于预设值时，同时开启水平推流混合装置5和垂直曝气循环装置7，或延长工作时间；当溶解氧浓度高于预设值时，开启水平推流混合装置5，间歇开启或停止垂直曝气循环装置7。采用太阳能跟踪系统和DO溶解氧装置控制系统显著提高太阳能组件的发电效率和动力使用效率，为系统的稳定运行提供保障。

采用本发明的装置和方法，根据水体中溶解氧的浓度优化运行模式，如溶解氧浓度低时，同时开启水平推流混合装置和垂直曝气循环装置，并延长工作时间；如溶解氧浓度高时，开启水平推流，间歇开启或停止垂直曝气循环装置，提高了系统工作效率。

Claims (4)

1.一种用于富营养化水体的太阳能推流循环、复氧装置，它包括起支撑作用的浮体（9）、太阳能供电装置（2）和蓄电池（3），其特征在于，所述的浮体（9）包括三块平行设置的浮板，即第一浮板（91）、第二浮板（92）和第三浮板（93），两根平行转轴（10）的两端分别设置在第一浮板（91）和第三浮板（93）上，所述的第二浮板（92）垂直设置在该两平行转轴（10）的中间，所述的第二浮板（92）的一端设置有DO溶解氧装置（4），太阳能供电装置（2）和蓄电池（3）设置在第二浮板（92）的中部；

还包括太阳能跟踪装置（1），所述的太阳能跟踪装置（1）设置在所述的太阳能供电装置（2）上，与太阳能供电装置（2）、蓄电池（3）电路连接；

所述的太阳能供电装置（2）的两端分别设置有水平推流混合平台（6），所述的水平推流混合平台（6）上设置有通过水平推流电机驱动的水平推流混合装置（5）；

在每个所述的转轴（10）的中部设置有驱动转轴（10）转动的垂直曝气传动装置（8），所述的垂直曝气传动装置（8）包括垂直曝气电机；

所述的转轴（10）上位于所述的垂直曝气传动装置（8）的两侧分别设置有垂直曝气循环装置（7）；

所述的太阳能供电装置（2）、蓄电池（3）为整个装置提供电能。

2.根据权利要求1所述的用于富营养化水体的太阳能推流循环、复氧装置，其特征在于，水平推流混合装置（5）为水平搅拌浆，所述的水平搅拌浆通过垂直轴（51）固定在水平推流混合平台（6）上，水平搅拌浆包括叶片和搅拌轴，搅拌轴上设置有凹槽，所述的叶片通过固定在不同的凹槽内调整距离水面高度。

3.根据权利要求1或2所述的用于富营养化水体的太阳能推流循环、复氧装置，其特征在于，所述的垂直曝气循环装置（7）为圆盘状，以该圆盘的圆心为中心，等间距的圆环上均布有菱形尖锥。

4.一种用于富营养化水体的太阳能推流循环、复氧方法，其步骤为：

（A）通过太阳能跟踪装置（1）捕获太阳能至太阳能供电装置（2）上，能量储存于蓄电池（3）内，将太阳能转化成电能，然后供电给水平推流电机和垂直曝气电机；

（B）水平推流电机通过驱动水平推流混合装置（5）进行水平方向的循环复氧；同时，垂直曝气电机通过驱动垂直曝气循环装置（7）进行循环复氧；

（C）DO溶解氧装置（4）对水体进行溶解氧测量，当溶解氧浓度低于预设值时，同时开启水平推流混合装置（5）和垂直曝气循环装置（7），或延长工作时间；当溶解氧浓度高于预设值时，开启水平推流混合装置（5），间歇开启或停止垂直曝气循环装置（7）。

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