CN103848548A - 一种强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置及曝气方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，包括导流罩；设置在导流罩内的潜水泵、文丘里管、吸气管和至少两个气水排管；和设置在导流罩外的控制柜；文丘里管的一端与潜水泵连通；吸气管与文丘里管连通，并向上延伸至导流罩外；气水排管与文丘里管的另一端连通，气水排管对称地设置在文丘里管的另一端，并向两侧伸展构成机翼状结构；控制柜与潜水泵通过电缆连接。本发明还公开了一种曝气方法，能够根据水动力特性及其动态变化优化调控曝气过程，促使体系中溶解氧水平和缺氧微环境的合理分布，实现内源营养盐的有效控释。

Description

一种强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置及曝气方法

技术领域

本发明涉及生态环境技术领域，尤其涉及一种强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置及曝气方法。

背景技术

底泥(沉积物)是水环境的重要组成部分，也是河湖富营养物质地球化学循环的重要环节与界面。在外源污染有效控制后，底泥的内源营养盐释放往往成为引发水体富营养化和黑臭的主要原因，开展底泥内源营养盐控制已成为河湖富营养化控制与生态修复的重要内容。

目前采用的底泥内源控释技术主要有底泥疏浚、底泥钝化、底泥原位覆盖和底泥原位曝气。底泥疏浚是应用较为广泛的一种内源污染控制技术，但在疏浚效果的问题上国内外争议颇大，尤其是在疏浚能否长效控制目标污染物及其对底栖生境的影响。底泥钝化主要是用于限制底泥内源磷的释放，其实施过程中投入的药剂会对底栖生境产生一定的不利影响。底泥原位覆盖不适合于底泥淤积较多或水动力强度较大的水体。

底泥原位曝气可以通过影响泥水界面的氧含量和氧分布来控制内源营养盐的迁移转化行为，因此其日益成为富营养化水体底泥原位修复的重要技术。目前常用的底泥曝气设备主要有鼓风曝气-微孔布气管曝气系统、纯氧增氧系统、叶轮吸气推流式曝气器、水下射流曝气器、叶轮式增氧机、太阳能曝气机和移动船曝气系统等。然而，目前底泥原位曝气工程实施中运行模式相对粗放，主要是以溶解氧(D0)作为技术参数进行调控，忽略了曝气扰动对底泥内源污染物特别是营养盐行为的重要作用，也没有根据水动力特性及其动态变化制订科学的运行调控方案。

曝气扰动可使底泥在局部范围内大量扬起并悬浮在水体中，促使内源污染物的快速释放，同时可以通过改变泥水界面的氧含量和缺氧微环境分布这一矛盾平衡来控制内源氮的硝化-反硝化和内源磷的“厌氧释磷”和“好氧吸磷”耦合过程。在保持上覆水D0含量一致的条件下，曝气产生的泥水界面扰动对于不同的曝气装置及布置均会有所不同，其直接影响体系中溶解氧水平和缺氧微环境的分布，进而影响内源营养盐的迁移和转化。因此，如何构建合理的技术手段来优化调控曝气产生的扰动作用是内源营养盐控释高效实施的重要环节。

以往的底泥修复曝气多采用微孔曝气装置，通过风机或空压机向水下布气管输送空气来完成充氧过程，容易产生噪声、堵塞以及上覆水的浑浊甚至黑臭，而且没有根据水动力特性及其动态变化进行曝气过程调控，往往引起曝气过量，不利于内源氮的硝化-反硝化和内源磷的“厌氧释磷”和“好氧吸磷”耦合过程，进而影响底泥内源营养盐的控释。

虽然目前已有研究者开始重视曝气扰动在底泥内源营养盐行为的影响作用，但过程分析仅仅局限于曝气产生的悬浮底泥有利于对上覆水体中污染物的吸附去除，没有考虑底泥扰动悬浮会导致上覆水浑浊甚至黑臭以及曝气设备的堵塞等，也没有对曝气扰动作用进行过程调控以促使体系中溶解氧水平和缺氧微环境的合理分布，来强化底泥内源营养盐的控释，而且多采用微孔曝气装置，需要通过在河湖岸边布置固定式充氧站或移动式充氧平台(曝气船)来安装风机或空压机提供一定压力的空气，运行过程噪声较大，布气管水下安装复杂、施工精度要求高，容易被扰动悬浮底泥堵塞。

发明内容

本发明为了解决现有底泥原位曝气技术中存在的不足及缺陷，提出了一种基于扰动特征值雷诺数(Re)反馈调控的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其结构紧凑、安装方便、节省能耗、适应性广、克服了底泥扰动悬浮致上覆水浑浊、曝气设备堵塞及噪音的影响，能够根据水动力特性及其动态变化优化调控曝气过程，促使体系中溶解氧水平和缺氧微环境的合理分布，实现底泥内源营养盐的有效控释。

本发明提出了一种强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，包括：

导流罩，所述导流罩包括：第一罩体和至少两个第二罩体，所述第一罩体的末端与所述第二罩体连通；

设置在所述导流罩内的潜水泵、文丘里管、吸气管和至少两个气水排管；和设置在所述导流罩外的控制柜；

其中，所述潜水泵、所述文丘里管和所述吸水管设置在所述第一罩体内；所述气水排管设置在相应的所述第二罩体内；所述文丘里管的一端与所述潜水泵连通；所述吸气管设置在所述文丘里管上，与所述文丘里管连通，并向上延伸至所述导流罩外；所述气水排管与所述文丘里管的另一端连通，所述气水排管对称地设置在所述文丘里管的另一端，并向两侧伸展构成机翼状结构；所述控制柜与所述潜水泵通过电缆连接。

本发明提出的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置中，进一步包括流速传感器，所述流速传感器设置在所述导流罩外，并与所述控制柜连接。

本发明提出的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置中，所述潜水泵包括：电机，和设置在所述电机下方并且开口向下的吸水口；所述吸水口延伸到所述导流罩外；所述流速传感器与所述吸水口之间的距离为2-3米。

本发明提出的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置中，所述气水排管向下倾斜，并与所述文丘里管所在平面呈15-45°。

本发明提出的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置中，对称设置在所述文丘里管两侧的所述气水排管之间的夹角为60-90°。

本发明提出的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置中，所述气水排管设置有至少一个水力喷嘴，所述水力喷嘴分布在所述气水排管上，并延伸到所述导流罩外。优选地，所述气水排管上设置5个所述水力喷嘴。

本发明提出的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置中，所述导流罩为网状结构，其上分布有孔口，所述孔口的直径为1-1.5厘米。

本发明提出的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置中，所述吸气管长度为0.8-1.5米。

本发明还提出了一种强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置的曝气方法，包括以下步骤：

步骤一：将强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置通过任意漂浮支架固定安置在需修复的水域中；

步骤二：所述控制柜调控潜水泵的吸水口，自所在水域内吸水，并对吸入的水进行加压，形成加压水流后，将加压水流输送进入文丘里管；

步骤三：所述加压水流在文丘里管内部形成负压区；

步骤四：通过负压的作用，吸气管吸入空气与所述加压水流混合；

步骤五：与空气混合后的所述加压水流进入气水排管内，经由水力喷嘴喷至所述水域内实现曝气。

本发明还提出的曝气方法中，所述水力喷嘴设置在所述水域中，其与所述水域泥水界面的距离为10-20厘米。

本发明还提出的曝气方法中，所述吸气管的吸气端露出所述水域水面的高度大于等于10厘米。

本发明还提出的曝气方法中，所述控制柜控制所述潜水泵包括以下步骤：

步骤a：通过流速传感器实时采集所在水域的水流速度；

步骤b：将所述流速传感器采集的水流速度传送给所述控制柜，由所述控制柜计算出所述水域的雷诺数；

步骤c：判断当所述雷诺数大于2000时，所述控制柜减少所述潜水泵的输出，降低所述吸水口的吸水量；当所述雷诺数小于1600时，所述控制柜增加所述潜水泵的输出，提高所述吸水口的吸水量；所述雷诺数在1600-2000之间时，保持当前所述潜水泵的输出不变。

本发明还提出的曝气方法中，所述雷诺数的计算公式为：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{VR}}{v};$

其中，R为水力半径，v为水动力粘度，V为水流速度。

本发明还提出的曝气方法中，所述步骤c中进一步包括：所述控制柜按调整量增加或减少所述潜水泵的输出，所述调整量为5-10％。

本发明根据河湖强化内源营养盐控释的实际需求，开发了适合于强化内源营养盐控释的低影响型强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置及曝气方法，其有益效果是：

(1)能够根据水动力特性及其动态变化优化调节曝气过程，促使底泥和上覆水界面溶解氧水平和缺氧微环境的合理分布，实现对底泥内源营养盐的优化控释，同时将包括风浪扰动等自然水动力条件底泥再悬浮过程考虑在内，能够节省曝气能耗；

(2)采用机翼型曝气装置，尤其是翼部降落式水力喷嘴的布置，比现有的采用直管分布充氧效率更高，而且防止了采用穿孔管的堵塞问题，能够实现底泥最大辐射面积的充氧过程；

(3)采用机翼型导流罩，并与潜水泵、文丘里管和气水排管集成在一起，不仅为它们提供结构支撑点，也减少底泥扰动再悬浮对上覆水的影响以及对底泥的导流，防止曝气装置周围底泥吹空现象。

附图说明

图1是本发明强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置的平面图。

图2是本发明强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置的立体图。

图3是本发明强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置中导流罩的俯视图。

图4是本发明强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置中导流罩的侧视图。

图5是本发明中曝气扰动自动控制的流程图。

图6为本发明强化内源营养盐控释的底泥修复曝气方法的步骤图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

图1至图6中，1-潜水泵，11-电机，12-吸水口，2-文丘里管，3-吸气管，4-气水排管，41-水力喷嘴，5-控制柜，6-流速传感器，7-导流罩，71-第一罩体，72-第二罩体，711-电缆出口，712-吸气管出口，713-吸水管进口。

本发明中的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置是一种机翼式潜水射流曝气机，通过潜水泵产生的加压水经文丘里射流器形成负压使空气从水面上经吸气管自动吸入，并通过固定于气水排管上的水力喷头完成充氧过程。

本发明装置的使用过程控制也不同于现有技术中的曝气装置，其通过流速传感器传来的信号建立基于扰动特征值雷诺数Re的反馈控制，促使底泥于上覆水界面溶解氧水平和缺氧微环境的合理分布，实现对底泥内源营养盐的优化控释；另外，为了减少曝气扰动使底泥悬浮对上覆水的影响，本发明曝气装置设置有导流罩。

如图1至图4所示，本发明中的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，包括导流罩7，以及设置在导流罩7内的潜水泵1、文丘里管2、吸气管3和至少两个气水排管4和设置在导流罩7外的控制柜5。

其中，导流罩7包括：第一罩体71和至少两个第二罩体72，第一罩体71的末端与第二罩体72连通。导流罩7呈机翼式网状结构，第二罩体72与气水排管4的结构相对应。在导流罩7上分布有孔口73，孔口73的直径为1-1.5厘米，用于减少底泥扰动再悬浮对上覆水的影响及对底泥的导流，防止底泥吹空的现象。潜水泵1、文丘里管2和吸水管3设置在第一罩体71内。气水排管4设置在相应的第二罩体72内。

本发明提出的曝气装置中，潜水泵1包括：电机11，和设置在电机11下方并且开口向下的吸水口12；吸水口12延伸到导流罩7外。潜水泵1通过吸水管进口713吸水，经过潜水泵1内部的电机11加压送出，形成加压水流。

本发明提出的曝气装置中，文丘里管2的一端与潜水泵1通过连接阀连通，加压水流流过文丘里管2，使文丘里管2内形成一个负压区。吸气管3设置在文丘里管2上，与文丘里管2通过进气阀连通，并向上延伸至导流罩7外，吸气管3通过负压吸入空气至负压区内与加压水流混合。

本发明提出的曝气装置中，气水排管4与文丘里管2的另一端连通，气水排管4对称地设置在文丘里管2的另一端，并向两侧伸展构成机翼状结构，气水排管4将与空气混合后的加压水流喷射至水体中实现曝气。气水排管4向下倾斜，并与文丘里管2所在平面呈15-45°。

本发明提出的曝气装置中，控制柜5与潜水泵1通过电缆连接，控制柜5实时控制潜水泵1电机11的功率，实现实时调控加压水流的流速。控制柜5内设置有PLC控制系统、变频器和漏电保护器组成，每个控制回路均设有漏电保护器。控制柜5内PLC控制系统通过电缆出口711将变频器与潜水泵1的电机11信号连接，变速调节潜水泵1的转速，从而实现曝气扰动的控制。

本发明提出的曝气装置中，进一步包括流速传感器6，流速传感器6设置在导流罩7外，并与控制柜5连接，流速传感器6，用来测量曝气装置所在水域的水流速度，并实时将数据发送至控制柜5中。流速传感器6与潜水泵1吸水口12之间的距离为2-3米。

本发明提出的曝气装置中，对称设置在文丘里管2两侧的气水排管4之间的夹角为60-90°。

本发明提出的曝气装置中，气水排管4设置有至少一个水力喷嘴41，水力喷嘴41分布在气水排管4上，并延伸到导流罩7外。

本发明提出的曝气装置中，吸气管3的长度为0.8-1.5米。

本实施例中，导流罩7的第一罩体71呈圆柱体，其顶部设置有电缆出口711和吸气管出口712，第一罩体71的底部设置有吸水管进口713。每根气水排管4上均罩有一个第二罩体72，第二罩体72呈弧形体，弧度为240°，第二罩体72笼罩在气水排管4的上方。第一罩体71与第二罩体72一体设置。

本发明中的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气方法，包括以下步骤：

步骤一：将强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置通过任意漂浮支架安置在需修复的水域中；

步骤二：控制柜5调控潜水泵1的吸水口12，自所在水域内吸水，并对吸入的水进行加压，形成加压水流后，将加压水流输送进入文丘里管2；

步骤三：加压水流在文丘里管2内部形成负压区；

步骤四：通过负压的作用，吸气管3吸入空气与加压水流混合；

步骤五：与空气混合后的加压水流进入气水排管4内，经由水力喷嘴41喷至水域内实现曝气。

本发明提出的曝气方法中，水力喷嘴41与水域泥水界面的距离为10-20厘米。

本发明提出的曝气方法中，吸气管3的吸气端露出水域水面的高度大于等于10厘米。

本发明提出的曝气方法中，控制柜5控制潜水泵1包括以下步骤：

步骤a：通过流速传感器6实时采集所在水域的水流速度；

步骤b：将流速传感器6采集的水流速度传送给控制柜5，由控制柜5计算出水域的雷诺数；

步骤c：判断当雷诺数大于2000时，控制柜5减少潜水泵1的输出，降低吸水口12的吸水量；当雷诺数小于1600时，控制柜5增加潜水泵1的输出，提高吸水口12的吸水量；雷诺数在1600-2000之间时，保持当前潜水泵1的输出不变。

本发明提出的曝气方法中，步骤c中进一步包括：控制柜5按调整量增加或减少潜水泵1的输出，调整量为5-10％。

本发明提出的曝气方法中，雷诺数的计算公式为：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{VR}}{v};$

其中，R为水力半径，v为水动力粘度，V为水流速度。

本发明提出的曝气方法中，首先根据河湖底泥污染和淤积程度，变速调节潜水泵1，使得雷诺数Re在1600-2000之间，底泥污染和淤积程度严重的取最大值。30分钟后，控制柜5按照雷诺数Re的实时反馈控制曝气装置的运行。

本发明的实际操作如下：首先通过任意漂浮支架固定导流罩7，将本发明的曝气装置浸没式安装于水下，保证最深处的水力喷嘴41距离泥水界面10-20厘米，吸气管3吸气端高出水面10厘米以上，然后根据需要修复水体的水力半径，确立雷诺数Re与水流速度V的对应关系，并通过PLC将雷诺数Re与水流速度V之间的关联性存储，同时设定控制柜5调控的曝气装置运行的程序；随后开启电源，根据河湖底泥污染和淤积程度变速调节潜水泵1，使得雷诺数Re在1600-2000之间，底泥污染和淤积程度严重的取最大值，然后控制柜5采用基于雷诺数Re的反馈实时控制曝气装置的运行，即可以实施强化内源营养盐控释的底泥修复曝气过程。

实施例：

本实施例中采用本发明提出的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置及曝气方法对某中度富营养化湖泊示范区进行底泥曝气修复实验。

本实施例中，示范段水深为2.2米，底泥厚度约为15厘米，风应力对水流驱动有显著的影响，湖泊风生流场的平均速度达0.04-0.07m／s。

首先，根据湖泊底泥淤积厚度调整气水排管4的倾角为30°，气水排管4之间的夹角为60°。导流罩7第二罩体72的倾角作对应调整，然后将集成一体的机翼型曝气装置固定于四周有钢脚架支撑的PVC材质漂浮支架上，通过￠14的尼龙绳将漂浮支架四周进行锚石固定，调整在湖泊最深处的水力喷嘴41距离泥水界面10-20厘米，吸气管3吸气端高于湖泊水面10厘米以上。随后进行电缆的布设和控制柜5的安装，每个控制回路均需设置漏电保护器。

取水深2.2米作为水力半径R，水动力粘度v为1.01×10^-6，确立雷诺数Re与水流速度V之间的对应关系，通过PLC系统将雷诺数Re与水流速度V之间的关联性存储，同时设定如图5所示的曝气自动调控程序；

随后，开启曝气装置的电源，变速调节潜水泵1，使得雷诺数Re为1800±50，然后通过控制柜5实时调控曝气装置的运行。

本实施例中，底泥内源总氮和总磷的控释率比采用D0控制模式的控释率分别提高30％和50％左右，实现了底泥内源营养盐控释的强化。

从本实施例中可看出，本发明提出的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置及曝气方法不仅可强化底泥内源营养盐的控释，而且可以减少曝气扰动底泥悬浮对上覆水的影响，节省曝气过程中的能耗。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (14)

1.一种强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其特征在于，包括：

导流罩(7)，所述导流罩(7)包括：第一罩体(71)和至少两个第二罩体(72)，所述第一罩体(71)的末端与所述第二罩体(72)连通；

设置在所述导流罩(7)内的潜水泵(1)、文丘里管(2)、吸气管(3)和至少两个气水排管(4)；和

设置在所述导流罩(7)外的控制柜(5)；

其中，所述潜水泵(1)、所述文丘里管(2)和所述吸水管(3)设置在所述第一罩体(71)内；所述气水排管(4)设置在相应的所述第二罩体(72)内；

所述文丘里管(2)的一端与所述潜水泵(1)连通；

所述吸气管(3)设置在所述文丘里管(2)上，与所述文丘里管(2)连通，并向上延伸至所述导流罩(7)外；

所述气水排管(4)与所述文丘里管(2)的另一端连通，所述气水排管(4)对称地设置在所述文丘里管(2)的另一端，并向两侧伸展构成机翼状结构；

所述控制柜(5)与所述潜水泵(1)通过电缆连接。

2.如权利要求1所述的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其特征在于，进一步包括流速传感器(6)，所述流速传感器(6)设置在所述导流罩(7)外，并与所述控制柜(5)连接。

3.如权利要求2所述的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其特征在于，所述潜水泵(1)包括：电机(11)，和设置在所述电机(11)下方并且开口向下的吸水口(12)；所述吸水口(12)延伸到所述导流罩(7)外；所述流速传感器(6)与所述吸水口(12)之间的距离为2-3米。

4.如权利要求1所述的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其特征在于，所述气水排管(4)向下倾斜，并与所述文丘里管(2)所在平面呈15-45°。

5.如权利要求1所述的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其特征在于，对称设置在所述文丘里管(2)两侧的所述气水排管(4)之间的夹角为60-90°。

6.如权利要求1所述的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其特征在于，所述气水排管(4)设置有至少一个水力喷嘴(41)，所述水力喷嘴(41)分布在所述气水排管(4)上，并延伸到所述导流罩(7)外。

7.如权利要求1所述的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其特征在于，所述导流罩(7)为网状结构，其上分布有孔口(73)，所述孔口(73)的直径为1-1.5厘米。

8.如权利要求1所述的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置，其特征在于，所述吸气管(3)的长度为0.8-1.5米。

9.一种强化内源营养盐控释的底泥修复曝气方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将权利要求1-8所述的强化内源营养盐控释的底泥修复曝气装置安置在需修复的水域中；

步骤二：所述控制柜(5)调控潜水泵(1)的吸水口(12)，自所在水域内吸水，并对吸入的水进行加压，形成加压水流后，将加压水流输送进入文丘里管(2)；

步骤三：所述加压水流在文丘里管(2)内部形成负压区；

步骤四：通过负压的作用，吸气管(3)吸入空气与所述加压水流混合；

步骤五：与空气混合后的所述加压水流进入气水排管(4)内，经由水力喷嘴(41)喷至所述水域内实现曝气。

10.如权利要求9所述的曝气方法，其特征在于，所述水力喷嘴(41)设置在所述水域中，其与所述水域泥水界面的距离为10-20厘米。

11.如权利要求9所述的曝气方法，其特征在于，所述吸气管(3)的吸气端露出所述水域水面的高度大于等于10厘米。

12.如权利要求9所述的曝气方法，其特征在于，所述控制柜(5)控制所述潜水泵(1)包括以下步骤：

步骤a：通过流速传感器(6)实时采集所在水域的水流速度；

步骤b：将所述流速传感器(6)采集的水流速度传送给所述控制柜(5)，由所述控制柜(5)计算出所述水域的雷诺数；

步骤c：判断当所述雷诺数大于2000时，所述控制柜(5)减少所述潜水泵(1)的输出，降低所述吸水口(12)的吸水量；当所述雷诺数小于1600时，所述控制柜(5)增加所述潜水泵(1)的输出，提高所述吸水口(12)的吸水量；所述雷诺数在1600-2000之间时，保持当前所述潜水泵(1)的输出不变。

13.如权利要求12所述的曝气方法，其特征在于，所述雷诺数的计算公式为：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{VR}}{v};$

其中，R为水力半径，v为水动力粘度，V为水流速度。

14.如权利要求12所述的曝气方法，其特征在于，所述步骤c中进一步包括：所述控制柜(5)按调整量增加或减少所述潜水泵(1)的输出，所述调整量为5-10％。

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