CN104817228A - 一种用于富营养化缓流水体原位净化的太阳能动力脱氮除磷生物箱阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于富营养化缓流水体原位净化的太阳能动力脱氮除磷生物箱阵列。所述生物箱阵列为纵列或其他阵列组合，由外形相似，功能不同的生物箱单体组成。所述的生物箱单体包括主体框架、浮体、光伏动力系统、曝气或推流设施、生物箱。所述的生物箱箱体为不锈钢或塑料网笼，箱体内装填组合生物载体。生物箱分为好氧生物箱和缺氧生物箱，以一定的方式组合成阵列。曝气盘设置于好氧箱体底部，推流装置的布置需结合水流确定。本发明采用特定比例的组合生物载体，采用分步硝化反硝化脱氮，可有效提高填料的利用率，从而可提高净化效率。且不依赖于植物，避免了植物类浮岛不易管理的缺点。同时采用太阳能清洁能源，不受供电条件限制。

Description

一种用于富营养化缓流水体原位净化的太阳能动力脱氮除磷生物箱阵列

技术领域

本发明属于河湖原位水质净化技术领域，具体涉及一种应用于富营养化缓流水体，对污染物具有拦截吸附和生物净化功能的太阳能生物箱阵列。

背景技术

随着工农业的快速发展，地表水体的水质逐渐恶化，水体中的氮、磷、钾、碳等营养元素增加，使水体呈现出富营养化的现象。藻类和其他浮游生物的大量繁殖导致水体中的溶解氧量迅速下降，使其他水生生物因缺氧窒息死亡，直接破坏了水生生态系统，影响经济效益，同时对人类健康造成危害。

针对富营养化水体亟需治理的问题，研究人员开发了很多方法。目前常用的水体原位修复技术主要包括人工浮岛，生物栅，曝气增氧技术。

传统的人工浮岛是一种生长有水生植物或陆生植物的漂浮结构，由于其独特的特点，被广泛应用于滨水区，能为水域提供重要的生态功能。人工浮岛由植物、载体和固定装置三个部分组成。传统的人工浮岛主要靠植物的吸收作用去除富营养化水体中的氮磷营养元素，植物吸收水体中的氮磷合成自身的组成成分，同时，植物根系的巨大的比表面积，也可以为微生物的生长繁殖提供良好的环境。

针对浮岛技术已经大量研究。郭佳等人设计了一种人工生态浮岛植物载体，该发明有效应用载体的栽植空间，栽植了更多的种类和数量的植物(申请号201420408757.X)。高镜清等人发明了一种双层复合型人工浮岛，将浮岛设计成两层结构，有效的开发和利用了水体纵向的空间，进一步增加了植物的种植密度(申请号201120009875.X)。周丽等人开发的软性人工浮岛生态护岸技术，该技术将干式浮岛和湿式浮岛结合，沿岸向水域内的方向有层次的种植不同类型的植物，增强岸坡的景观效果(申请号201320360931.3)。上述浮岛技术利用栽种不同植物及植物的排列方式，增加栽种空间的利用率，提高浮岛净化富营养化水质的能力。但该种植物型浮岛过于依赖植物，因此依据植物的生长过程，有较明显的季节性变化，多为夏季的富营养化水质修复效果优于冬季，处理效果不稳定。另外，大量收割的浮岛植物没有进一步的出路，成为废物垃圾。

夏志祥等人公开了一种用于富营养化水体治理的净化装置，该装置由若干浮岛单体组成，每个浮岛单体均种有水生植物，可以改善水流水质条件增强生态浮岛的净化作用，有利于微生物群落形成(申请号201120172869.6)。王素君等人设计了一种组合式景观浮岛，该浮岛具有连接装置，可将若干个浮岛组合连接，操作方便，应用灵活，可以起到很好的净水作用(申请号201220077889.X)。崔建平设计了一种人工浮岛单元，由其构成的人工浮岛克服了浮岛承受力小的缺点，可承受较大风浪(申请号201120206413.7)。上述发明主要通过改变浮岛的组合方式，将多个浮岛单体合并，增大植物种植空间，提 供更多的微生物附着载体，并且可以改善水流水质条件，增强生态浮岛的净化作用，但该发明方向并不能解决植物型浮岛修复效果季节性明显的根本问题。

针对上述植物型浮岛季节性明显，净化效果不稳定的缺点，研究者为了强化浮岛的水质净化能力，在浮岛工艺中加入不同填料以形成生物膜。王玉国等人发明的集成式人工生态浮岛模块，采用水生植物与高分子纤维材料的生物绳载体结合，依靠植物吸收、微生物作用及拦截沉降吸附等作用全方位净化水体(申请号201020620397.1)。任红星提出的净化水体浮岛采用网孔结构层支撑植物，悬挂柔性材料，综合利用植物和生物膜净化水质，分解水中的污染物(申请号200820162447.9)。马潮江等人开发了一种多功能复合人工生态浮岛载体，该种载体采用多层网状结构布置多层纤维束填料层，有效的增加了微生物的净化效果(申请号201110146612.8)。方宏达等人研发了一种复合型生态浮岛，采用植物种植篮下悬挂纤维束填料，达到生态、物化和生物的协同作用(申请号201320838611.4)。王丽妹等人提出了一种景观河道水质净化的生态浮岛，该浮岛仍是采用植物与纤维束填料结合，纤维束填料为碳纤维生物载体，并投加微生物菌剂，结合生态浮岛技术、生物膜技术及微生物投加技术，进一步提高了浮岛的净化效果(申请号201320839605.0)。胡勇有等人研发了一种增强型复合生态浮岛，采用纤维束柔性填料，并且将多个复合型浮岛单体相连，提高了浮岛的污染负荷，缩短了水体的净化时间(申请号201010542977.8)。上述发明主要采用的填料多为不同类型的纤维束，该种类型的填料具有比表面积大，容易挂膜等特点，对净化水质能起到一定的效果，但该种填料需要固定安装，管理困难，并且容易结球堵塞。汤颖等人发明的人工浮岛水体净化装置，采用在浮体上种植植物，浮体下悬挂装有陶粒、纤维球等颗粒型填料的网笼，集合了传统生态浮床和吸附填料净水装置之长，大大提高了治污效率(申请号201220015813.4)。朱亮等人发明了一种净化微污染水体的生态浮岛装置，上部为浮体支撑层和植物，浮体下方悬挂可调节位置的杉木笼，内装柱状填料，增强了对水体中污染物净化能力的同时更加有效的利用了水体空间(申请号201110075321.4)。以上发明采用硬性颗粒型填料，该种填料挂膜性能好，便于管理，在水流水力推动下处于活跃流态，传质效率高，但该种填料易流失，并且挂膜阶段溶解氧消耗大，造成局部缺氧环境，影响净化。综上所述，上述浮岛在原有传统植物型浮岛的基础上有了很大改进，采用植物与纤维束填料或硬性颗粒型填料结合，能在一定程度上提高浮岛的修复能力，但研究表明，该浮岛虽然可以部分克服植物型浮岛净化效果不稳定，但不能解决植物不易管理的缺点。并且，填料挂膜后对溶解氧消耗大，易造成局部缺氧，大大弱化了填料在浮岛技术中所起的作用。

生物栅强化净化技术是将生物膜技术与筛料阻留技术加以结合，在较小的空间内浮游植物、微生物、水生动物为一体，利用填料作为微生物的载体，加大微生物量，净化水质。所用的填料主要为高分子纤维束填料。冯辉等人设计了一种生物栅水体净化装置，采用在矩形框架上交叉固定多种纤维束填料，更有益于水体中的生物多样化的形成(申请号201220042629.9)。李蒙英等人发明了一种污染河道水体原位治理生物栅，同样采用将纤维束填料固定在框架结构上，但增加了驱动装置，可以在水体内一定范围的 移动，增加了灵活性(申请号200820160720.4)。上述生物栅发明均采用了生物膜技术，不能克服填料挂膜对溶解氧的消耗造成局部厌氧的缺点，净化效果不理想，并且生物栅装置相对固定，灵活性小，填料管理不当易打结。

人工曝气作为另一种原位水质净化技术，可以在短时间内进行人工复氧，对提高水体的溶解氧浓度以及消除水体恶臭有一定的作用，但是由于缺乏微生物生长的载体，使微生物只能悬浮生长，不仅缺乏反硝化环境，脱氮效果差，而且会使水体浑浊，局部时间水质变差，并且会增加河底不稳定的淤泥沉积。

综上所述，单纯的使用一种原位修复技术，由于其自身的局限性，对富营养化水质的净化效果并不理想，所以，为强化水质净化效果，可以综合应用多种不同技术的组合技术。

邓黛青等人设计了一种太阳能浮岛水体修复成套设备，该设备采用太阳能电池，通过独特的驱动造流曝气充氧方式，使深层水体通过导流筒提升至表层，被浮体周围植物种植篮的植物及悬挂于篮下的填料净化(申请号201210182549.8)。赵耘凡发明了一种浮岛装载型微孔曝气装置，其特点为，在原有结合植物与多种填料的浮岛的基础上，增加了曝气充氧的装置，结合了植物吸收、生物膜技术及表面曝气技术，进一步提高了水处理效率(申请号201210211639.5)。胡细全等人研发的一种复合生态浮岛净水装置，采用植物与纤维束填料结合，并采取少量曝气的方式，推动水体物质循环，通过生物膜介质，填料，植物根系的截留，吸收，降解作用有效的降解氮磷等营养物(申请号200620097874.4)。如上所述的植物与填料结合，并辅以曝气推流装置的综合型浮岛，虽然提高了对水体的净化效率，但由于水质水量等因素的影响，使浮岛局部的溶解氧浓度难以控制，溶解氧过低会使硝化效果较差，而溶解氧过高会降低反硝化效果，致使填料的利用率较低，失去了植物与填料结合的意义。

以上所有类的浮岛研究表明，采用组合型填料能提高浮岛对富营养化水质的净化效果，但是组合型填料的各部分之间必须以适当的比例填充才能使净化效果最优；曝气能提高浮岛的净化效率，但是需要严格控制曝气量，使浮岛填料区局部溶解氧浓度适宜，研究表明，由于水质水量的变化，溶解氧浓度难以控制理想。本发明采用组合填料，克服了植物的不易管理，并采用分步脱氮的原理代替原有同步硝化反硝化的脱氮机理，避免了溶解氧浓度难以控制理想的问题，有效的解决了填料利用率低，功能发挥有限的缺点。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种新型太阳能驱动原位水体修复设备，适用于缓流低溶解氧富营养化水域，同时使用曝气、推流装置和生物箱技术，其中生物箱结合了吸附与生物膜净化技术，故具有高效净化水质的能力。

本发明的技术解决方案是提供一种具有以下结构的富营养化缓流水体原位净化的太阳能动力脱氮除磷生物箱阵列，包括一纵列或其他阵列形式的类似生物箱单体，所述的生物箱单体包括浮体，植物种 植篮，设置于浮体顶面的蓄电池，气泵，支架，以及固定于支架上的太阳能电池板，设置于浮体下方的箱体和推流器，所述的箱体为镂空网笼，内部装填有多种填料以一定比例组合而成的混合填料，所述的推流器固定于生物箱净化系统的一侧，浮体下方，所述的风机以导气管与设置于箱体下方的曝气盘相连，所述的曝气盘设置于支架内，以金属扣扣于网笼肋条上悬挂于箱体下方，曝气装置间隔安装于生物箱单体。

所述的浮体为整个设备提供浮力，材质为轻质、高强度的塑料。

所述的太阳能电池板为曝气装置提供能源，底部与支架相连，支架两端均为可调节角度的连接，分别以金属连接固定于太阳能电池板底部和浮体顶面，太阳能电池板可自由选择安装角度或调节安装角度。

所述的填料为有机填料与无机填料的组合填料，有机填料为直径25mm的空心球，无机填料为粒径2～5cm的沸石和钢渣，沸石和钢渣以一定的质量比组合后再与有机填料组合，通过优化使组合填料的真实密度适宜，前期研究表明，好氧功能区填料密度约为1.2g/cm³的装填方式净化效果最好，缺氧功能区填料密度约为1.0g/cm³的装填方式净化效果最好，按照不同的功能区最适装填方式称量填料，混合均匀后装填于箱体内。

所述的箱体为镂空网笼，其框架为不锈钢焊接而成，肋条为不锈钢焊接或塑料粘结而成，箱体底面与侧面有肋条，顶面无肋条，相邻肋条中心间距为1～1.5cm。箱体顶面周围焊接方形金属环，环上均匀布有八个螺孔，箱体以螺钉与浮体相连，每个生物箱单体设置一个箱体。

所述的箱体最适的沿水体流向长度可根据该系统所应用水域的流量确定，前期研究表明，实验室小试反应器中，填料填充体积为1L，每天的更替水量为20L的时候，其去除量最大，在实验室的小试中，其水力停留时间为：

$\mathrm{HRT}=\frac{V}{Q}=\frac{1}{20}=0.05\left(d\right)$

推进至实际目标河流中，设计生物箱填料体积方法如下：

假设河流水流速度为v，填料区视为矩形，体积为V，沿河流向长度为d，过水断面面积为A，则：

$\mathrm{HRT}=\frac{V}{Q}=\frac{d\·A}{A\·v}=\frac{d}{v}$

d＝v.HRT

根据实验所得水力停留时间，可计算填料区沿河流向长度为0.05v。若河流流速为0.5cm/s，则：

$d=\frac{0.5\×0.05\×3600}{100}=0.9\left(m\right)$

假设填料区体积为V，其过水断面面积为

$A=\frac{V}{0.05v}$

所述的曝气盘设置于箱体下方，金属托盘之上，金属托盘周围均匀焊接八根金属条，金属条顶端连接金属扣，扣于箱体肋条上，曝气盘以导气管与设置于浮体顶面的气泵相连，既为生物箱设备提供溶解氧，又提供部分浮力。

所述的推流器设置于浮体下方，每两个生物箱单体组成的净化系统设置四个不同方向的推流器，安装于系统的四角，使水体在生物箱净化系统区域内形成环流，并根据目标河流的流量流速调节推流强度的大小，使水流在生物箱系统的两个不同的功能区之间保持一定的水体交换率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的太阳能生物箱原位水体净化装置结合了物化吸附、生物膜、强化曝气和分阶段脱氮技术，水质净化效果显著。

本发明的填料采用有机填料与无机填料的组合填料，既能起到生物膜净化的效果，又具备吸附和拦截水中污染物的作用。

本发明采用清洁能源太阳能，不需另加供能装置，结构简单，安装方便，可应用于城市河流、湖泊等各类水体。

本发明主要依靠填料的吸附与生物膜净化，不依赖植物，克服了植物型浮岛不易管理，腐烂的植物遗体易造成二次污染，管理方便，净化效果稳定，无明显季节性变化。

本发明采用分步硝化反硝化脱氮原理，与原基质浮岛依靠生物膜完成同步硝化反硝化脱氮相比，具有条件易于控制，脱氮效果更加的效果，提高了填料的利用效率。

附图说明

图1为本太阳能生物箱水体原位修复设备的示意图。

图2为一种可能的推流布置方案(示例)。

图3为箱体的俯视图。

具体实施方式

如图1所示，太阳能生物箱水体原位净化系统，包括一列相似的生物箱单体，生物箱单体间隔设置有曝气系统，其中生物箱单体包括浮体2，太阳能电池板支架13，太阳能电池板1，蓄电池12，镂空箱体5，填料6，推流器4，其中气泵11，曝气盘支架9，曝气盘8，导气管10组成生物箱的曝气系统。

生物箱浮体2采用轻质、高强度塑料，并根据箱体5大小、填料6多少以及其他组件的重量制作成合适大小板状以提供整个生物箱的浮力。太阳能电池板1及其支架13固定于生物箱顶面中心位置，并根据所需净化的水域的光照情况合理选择安装角度，以提高能量转化效率，白天太阳能电池板1为曝气装置供能，并将多余的能量储存在蓄电池12内，夜晚由蓄电池12为曝气装置供能，可保证连续曝气。生物箱净化系统包括两个相同的生物箱单体，沿河流方向布置，每个生物箱单体设置一个箱体，箱体7框架为不锈钢焊接而成，肋条为不锈钢焊接或硬质塑料粘合而成，相邻肋条中心间距为1～1.5cm，可根据填料的粒径级别适当调整，需保证填料不致流失，箱体顶面无肋条，周围焊接环形连接盘15，连接盘15与浮体2上对应 位置穿孔，箱体大小根据应用水域的水位特性确定。根据所需，箱体5内装入适当体积填料后，以螺钉16相连。填料6为空心球，沸石和钢渣混合而成的混合填料，空心球直径25mm，沸石与钢渣粒径级别为2～5cm，沸石和钢渣以质量比2∶1混合后，再混合空心球并将其真实密度组合至适当值，混合均匀后装入箱体7内。生物箱单体间隔设置有曝气系统，曝气盘8固定于箱体下方中心位置处，支架9内，支架9用金属扣7扣于箱体肋条扣紧。每个生物箱净化系统设置四个推流器4，固定于净化系统四角，浮体下方，推流器4推流方向使水流在生物箱净化系统内形成环流，根据应用水体的水文特性调节推流器，使好氧功能区和缺氧功能区保持适当的水体交换率。浮体下方边缘对称固定四个配重金属块3，以保证生物箱能够抵御风浪。最后将组装好的生物箱装置应用于缓流富营养化水体。

使用本发明时，水流经过该净化系统，污染物在推流的情况下，反复经过好氧功能区和缺氧功能区，一方面被填料表面的生物膜净化，另一方面水中的氮磷元素被吸附拦截于无机填料之上，为有机填料表面生物膜的更替提供所需，能达到较好的脱氮及去除污染物的效果，使富营养化水体在填料的生物膜净化和吸附拦截的共同作用下，得到持续不断的净化。

Claims (9)

1.一种用于富营养化缓流水体原位净化的太阳能动力脱氮除磷生物箱阵列，其特征在于：包括一列或多列按一定规则排列的具有不同功能的生物箱单体。所述的生物箱单体包括浮体，箱体，植物种植篮，设置于浮体顶面的蓄电池，支架，以及固定于支架上的太阳能电池板，气泵，气泵由导气管与设置于生物箱设备下方的曝气盘相连，曝气盘设置于好氧生物箱单体的填料区下方，所述的箱体为镂空网笼，固定于浮体下方，内部放置以一定比例组合而成的组合填料，所述的推流器设置于浮体下方四角各一个。

2.根据权利要求书1所述的用于富营养化缓流水体原位净化的太阳能动力脱氮除磷生物箱阵列，其特征在于：所述的浮体为高强度轻质塑料空心容器。

3.根据权利要求书1所述的用于富营养化缓流水体原位净化的太阳能动力脱氮除磷生物箱阵列，其特征在于：所述的箱体为不锈钢或塑料网笼，侧面及底面有网孔，顶面周围焊接有方形或圆形金属连接盘。

4.根据权利要求书1所述的用于富营养化缓流水体原位净化的太阳能动力脱氮除磷生物箱阵列，其特征在于：曝气的好氧生物箱单体与不曝气的缺氧生物箱单体沿水流流向以一定的间隔布置，分别作为好氧功能区和缺氧功能区。或者在水流流向不明显的水域，依赖设置于单体上的推流装置形成环流。

5.根据权利要求书1所述的用于富营养化缓流水体原位净化的太阳能动力脱氮除磷生物箱阵列，其特征在于：所述的填料为有机填料与无机填料混合而成，有机填料为空心球、鲍尔环、柱状填料中的一种，无机填料为沸石和钢渣，根据待处理富营养化水体的水质特征，三种填料以一定的比例进行组合利后使用。

6.根据权利要求书5所述太阳能生物箱水体原位修复设备中的填料组合方式，其特征在于：当富营养化污染物以氮类化合物为主时，减少或者停止钢渣的使用，沸石与有机填料的质量比为0.43～1.21之间；当富营养化污染物中磷元素浓度较高时，应增加钢渣的用量，但其与有机填料的质量比不应高于1.06。

7.根据权利要求书1所述的用于富营养化缓流水体原位净化的太阳能动力脱氮除磷生物箱阵列，其特征在于：所述的曝气盘悬挂于好氧功能区的填料区下方，以金属托盘支撑。

8.根据权利要求书1所述的用于富营养化缓流水体原位净化的太阳能动力脱氮除磷生物箱阵列，其特征在于：所述的推流器设置于生物箱净化系统的一侧，固定于浮体底面，以一定的速度推动水体流动，使两个不同的功能区保持适当的水体交换率。

9.根据权利要求书1所述的用于富营养化缓流水体原位净化的太阳能动力脱氮除磷生物箱阵列，其特征在于：所述的植物种植篮固定于浮体的周围，篮内种植水生植物或设置人造植物，美化生物箱外形。