CN105417681B - 一种水体风能复氧装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水体风能复氧装置及其方法，水体风能复氧装置包括水上结构、水中结构、水下结构以及连接结构，其中，所述水上结构包括捕风装置以及顶端连接杆，在所述顶端连接杆的两端分别设置有所述捕风装置，所述水下结构包括下端连接杆，所述下端连接杆为两根，两根所述下端连接杆在其中间位置交叉固定连接，在每根所述下端连接杆的两端分别设置有滑水板，所述水中结构包括圆形浮盘，所述连接结构包括固定杆，所述固定杆中设置有连接杆，所述连接杆上缠绕有弹簧组。

Description

一种水体风能复氧装置及其方法

技术领域

本发明涉及环保类水质净化技术领域，具体涉及一种水体风能复氧装置及其方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，环境污染形势日益严峻，城市河流、湖泊等自然水体不同程度地受到污染，特别是中小型水体长期处于富营养化状态，甚至出现黑臭现象，严重影响了居民生活和城市环境，制约了生态型城市建设。城市污染水体均表现出共同的现象，即溶解氧含量过低，甚至趋近于零，其根本原因是水中污染物引起异养微生物大量生长繁殖，造成水体的耗氧速率大于复氧速率，耗尽了水体中的溶解氧，使好氧微生物逐渐失去生长优势，厌氧微生物占据主导，水体呈现厌氧状态，有机污染物被厌氧微生物分解生成甲烷、氨气、硫化氢等物质，水体散发异味，水质变差。

提高水体溶解氧含量的最直接措施是采用人工向水体充入空气的方法，弥补自然复氧的不足，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，使水体中的污染物得以净化，改善水体的环境质量，尽快恢复水体生态系统。

目前，国内外河、湖复氧技术方法主要分为动力型和工程型。动力型复氧主要是向水中充空气和向水中充纯氧的曝气系统。包括鼓风机-微孔布气管曝气系统、纯氧-微孔管曝气系统、纯氧-混流增压系统、叶轮吸气推流式曝气器、水下射流曝气设备等。工程型复氧主要包括采用不同形式的水工建筑物、水土建筑物溢流坝面加糙、接触氧化透水堤坝、跌水曝气充氧等水力学方法。

纯氧曝气制氧设备在工程投资中比例很大，设备运行成本也很高，普适性较差。在空气曝气系统中，鼓风机-微孔布气管曝气系统的氧转移效率可达25-35％(水深5米)，被广泛运用于城市生活污水与工业废水的好氧生化处理中，其布气管安装工程量较大，水平定位施工精度要求高，损坏后维修困难，低水位曝气动力不足，鼓风机房占地面积大，噪声大，投资费用较大。

叶轮吸气推流式曝气器，其工作原理是通过在水下高速旋转的叶轮在进气通道中形成负压，空气通过进气孔进入水中，但运行噪音大，叶轮易被堵塞缠绕，影响航运。

水下射流曝气设备。其利用潜水泵降水吸入增压从泵体高速推出，设置在出水导管上的水射器将空气吸入，气-水混合液经水力混合切割后进入水体，但维修麻烦，噪音较大。

结构型复氧方式中的水工泄水建筑物对耗氧性污染河流中溶解氧的恢复有明显作用，其通常可分为自由溢流复氧和闸下出流复氧两种情况。但在自由溢流复氧和闸下出流复氧这两种情况下，泄水建筑物上游溶解氧一般不会很低，经过自由溢流复氧和闸下出流复氧作用，下游溶解氧较高，甚至会出现超饱和的状态。

溢流坝面加糙。增加水体紊动作用，能够增加水中溶解氧含量，在溢流坝面上设置人工加糙物后，水体紊动加剧，空气被卷吸进入水体形成溶解氧在橡胶坝面上粘贴有阶梯情况下，当水流遇到阶梯时，与阶梯强烈碰撞，使水体表面产生大小不等的旋涡，同时引起水面变形，增大水气界面比表面积，并且旋涡大小与水面变形程度取决于水体的紊动特性。由于水体紊动旋涡的作用，会使界面附近气体被卷吸进入水体内部，造成界面处气体浓度远大于水体内部的溶解氧浓度，形成表面气体富集层，气体富集层中的一部分氧气会与水体作用形成溶解氧，然后向水下扩散，而另一部分未形成溶解氧的气体会被重新释放回到大气中，由于这一相互过程的作用，使氧亏水体溶解氧浓度不断补充，增加了水体溶解氧。

接触氧化透水堤。在河道中间沿水流方向建一条可透水的隔堤(即用多孔材料砌筑的接触氧化透水堤)，将河隔成两条，并在两条河的上下游端建闸，通过闸门的操作，使隔堤两侧产生水位差。即开启上游一侧和下游另一侧的闸门，关闭另两个闸门，使一侧河道水流通过接触氧化透水堤流向另一侧，进行水质净化。然后，依次变化闸门的开闭组合，使水流改变透水方向。

跌水曝气充氧是使水体从高处多级跌落自然复氧，以满足接触氧化池对溶解氧的需求。利用相邻两接触氧化池间的高差，使水在跌落过程中与空气接触进行充氧，单池中设隔板，水从隔板一侧流入，穿过隔板底部从另一侧流出。

综上，传统的动力复氧效率高，但运行时主要面临如下问题：高能耗，易产生二次污染，影响水温，产生噪声等。运行成本昂贵，移动性差，设备维护繁琐不便。而工程型复氧方法能耗和效率相对较低，但工程造价昂贵，占地面积大，对地形地势要求较高，尤其是如何对已有构筑物进行改造难度和局限性较大。因此，如何经济、节能、有效的增加水中溶解氧含量，并不产生二次污染，是地表水水质改善的关键问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明提供的一种水体风能复氧装置及其方法，以经济、节能、有效的增加水中溶解氧含量，并且不产生二次污染。

为了解决上述技术问题，本发明方案包括：

一种水体风能复氧装置包括水上结构、水中结构、水下结构以及连接结构，其中，所述水上结构包括捕风装置以及顶端连接杆，所述顶端连接杆为两根且交叉连接，在所述顶端连接杆的两端分别设置有所述捕风装置，所述捕风装置为具有开口的不完整球体，所述捕风装置的开口依次按照同一方向排列，所述水下结构包括下端连接杆，所述下端连接杆为两根，两根所述下端连接杆在其中间位置交叉固定连接，所述下端连接杆的长度小于所述顶端连接杆的长度，在每根所述下端连接杆的两端分别设置有滑水板，所述滑水板为圆形，两侧均为突出弧状，所述滑水板的半径小于所述捕风装置球体半径，四个所述滑水板形成转轮，所述水中结构包括圆形浮盘，所述圆形浮盘的直径大约所述顶端连接杆的长度，所述连接结构包括固定杆，所述固定杆为轻质空心结构，所述固定杆的上端设置为单向转动齿轮，所述单向转动齿轮包括突出部以及活动结构，所述突出部固定于固定杆上端口，所述活动结构设置于所述顶端连接杆上，使之向同一方向转动，所述固定杆中设置有连接杆，所述连接杆上缠绕有弹簧组，所述弹簧组的一端与所述顶端连接杆的交叉位置固定连接，所述弹簧组的另一端与所述下端连接杆的变叉位置固定连接。

所述水体风能复氧装置，其中，所述捕风装置的开口依次按照顺时针排列。

所述水体风能复氧装置，其中，所述滑水板的半径为所述捕风装置球体半径的二分之一。

所述水体风能复氧装置，其中，两根所述顶端连接杆交叉夹角为90°，两根所述下端连接杆交叉夹角为90°。

所述水体风能复氧装置，其中，所述捕风装置为三分之二球体。

一种水体风能复氧方法，其中，

将所述水体风能复氧装置安置在静水水体中，当有风来时，由于所述捕风装置的开口为依次按照同一方向排列，所以风力会带动四个所述捕风装置向同一方向旋转；

由于所述捕风装置的旋转，会带动所述连接装置中的所述弹簧组拉伸形变，从而将风能转化为弹簧势能，在由弹簧势能带动下方所述滑水板与所述捕风装置同方向运动；

所述滑水板转动的同时，所述滑水板会搅动周围水体，进行复氧；

当所述弹簧组的形变达到极限状态时，会将储存的弹簧势能通过下方的所述下端连接杆转化为动能，带动所述滑水板进行与所述捕风装置反方向的旋转并搅动周围水体进行复氧。

本发明提供了一种水体风能复氧装置及其方法，其通过自然风驱动转轮搅动水体实现复氧的过程，是利用自然界中的风能带动复氧装置运行，能够有效降低能耗，该装置结构简单，安装维修方便，节省资金成本，能够在湖泊、水库等水流流速较低的静水中起到良好的复氧效果，普适性高。

附图说明

图1为本发明中水体风能复氧装置的结构示意图。

图2为本发明中水体风能复氧装置中单向转动齿轮的结构示意图。

图3为本发明中水体风能复氧装置的主视图。

图4为本发明中水体风能复氧装置的俯视图。

具体实施方式

本发明提供了一种水体风能复氧装置及其方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种水体风能复氧装置及其方法，图1为本发明中水体风能复氧装置的结构示意图，图2为本发明中水体风能复氧装置中单向转动齿轮的结构示意图，图3为本发明中水体风能复氧装置的主视图，图4为本发明中水体风能复氧装置的俯视图。如图1、图2、图3以及图4所示，所述水体风能复氧装置包括水上结构1、水中结构2、水下结构3、捕风装置4、顶端连接杆5、圆形浮盘6、连接杆7、弹簧组8、固定杆9、下端连接杆10、滑水板11，连接结构12、单向转动齿轮13、突出部14以及活动结构15。

其中所述水上结构1包括捕风装置4以及顶端连接杆5，所述顶端连接杆5为两根且交叉连接，在所述顶端连接杆5的两端分别设置有所述捕风装置4，所述捕风装置4为具有开口的不完整球体，所述捕风装置4的开口依次按照顺时针排列。所述水下结构3包括下端连接杆10，所述下端连接杆10为两根，两根所述下端连接杆10在其中间位置交叉固定连接，并且所述下端连接杆10的长度小于所述顶端连接杆5的长度，在每根所述下端连接杆10的两端分别设置有滑水板11，所述滑水板11，所述滑水板11为圆形，两侧均为突出弧状，其半径为所述捕风装置4球体半径的二分之一，四个所述滑水板11形成转轮。所述水中结构2包括圆形浮盘6，所述圆形浮盘6的直径大约所述顶端连接杆5的长度，且工作时，所述圆形浮盘6的三分之一露于水面，三分之二在水下，保证整个工作过程中复氧装置工作的稳定性。所述连接结构12包括固定杆9，所述固定杆9为轻质空心结构，所述固定杆9的上端设置为单向转动齿轮13，如图2所示，所述单向转动齿轮13包括突出部14以及活动结构15，所述突出部14固定于固定杆9上端口，所述活动结构15设置于所述顶端连接杆5上，使之向同一方向转动，所述固定杆9中设置有连接杆7，所述连接杆7上缠绕有弹簧组8，所述弹簧组8的一端与所述顶端连接杆5的交叉位置固定连接，所述弹簧组8的另一端与所述下端连接杆10的交叉位置固定连接。所述单向转动齿轮15的结构可以控制所述弹簧组8不会通过上方旋转结构释放弹性势能。水面下所述滑水板11转动后，推动整个水体风能复氧装置在垂直于水面方向上做上下往复运动，即在垂向上持续搅动，以实现水体垂直方向搅动复氧，达到无动力恢复水体溶解氧的预期效果。

更优选的方案是，两根所述顶端连接杆5交叉夹角为90°，两根所述下端连接杆10交叉夹角为90°。

更优选的方案是，所述捕风装置4为三分之二球体。

本发明还包括利用所述水体风能复氧装置完成的水体风能复氧方法：

1、将水体风能复氧装置安置在静水水体中，当有风来时，由于所述捕风装置4的开口为依次顺时针排列，所以风力会带动四个所述捕风装置4向同一方向旋转；

2、由于所述捕风装置4的旋转，会带动所述连接装置12中的所述弹簧组8拉伸形变，从而将风能转化为弹簧势能，在由弹簧势能带动下方所述滑水板11与所述捕风装置4同方向运动；

3、所述滑水板11转动的同时，所述滑水板11会搅动周围水体，进行复氧；

4、当所述弹簧组8的形变达到极限状态时，会将储存的弹簧势能通过下方的所述下端连接杆10转化为动能，带动所述滑水板11进行与所述捕风装置4反方向的旋转并搅动周围水体进行复氧。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (2)

1.一种水体风能复氧装置，包括水上结构、水中结构、水下结构以及连接结构，其特征在于，所述水上结构包括捕风装置以及顶端连接杆，所述顶端连接杆为两根且交叉连接，在所述顶端连接杆的两端分别设置有所述捕风装置，所述捕风装置为具有开口的不完整球体，所述捕风装置的开口依次按照同一方向排列，所述水下结构包括下端连接杆，所述下端连接杆为两根，两根所述下端连接杆在其中间位置交叉固定连接，所述下端连接杆的长度小于所述顶端连接杆的长度，在每根所述下端连接杆的两端分别设置有滑水板，所述滑水板为圆形，两侧均为突出弧状，所述滑水板的半径小于所述捕风装置球体半径，四个所述滑水板形成转轮，所述水中结构包括圆形浮盘，所述圆形浮盘的直径大于所述顶端连接杆的长度，所述连接结构包括固定杆，所述固定杆为轻质空心结构，所述固定杆的上端设置为单向转动齿轮，所述单向转动齿轮包括突出部以及活动结构，所述突出部固定于固定杆上端口，所述活动结构设置于所述顶端连接杆上，使之向同一方向转动，所述固定杆中设置有连接杆，所述连接杆上缠绕有弹簧组，所述弹簧组的一端与所述顶端连接杆的交叉位置固定连接，所述弹簧组的另一端与所述下端连接杆的交叉位置固定连接，所述捕风装置的开口依次按照顺时针排列，所述滑水板的半径为所述捕风装置球体半径的二分之一，两根所述顶端连接杆交叉夹角为90°，两根所述下端连接杆交叉夹角为90°，所述捕风装置为三分之二球体。

2.一种水体风能复氧方法，其特征在于，

将权利要求1所述水体风能复氧装置安置在静水水体中，当有风来时，由于所述捕风装置的开口为依次按照同一方向排列，所以风力会带动四个所述捕风装置向同一方向旋转；

由于所述捕风装置的旋转，会带动所述连接装置中的所述弹簧组拉伸形变，从而将风能转化为弹簧势能，再由弹簧势能带动下方所述滑水板与所述捕风装置同方向运动；

所述滑水板转动的同时，所述滑水板会搅动周围水体，进行复氧；

当所述弹簧组的形变达到极限状态时，会将储存的弹簧势能通过下方的所述下端连接杆转化为动能，带动所述滑水板进行与所述捕风装置反方向的旋转并搅动周围水体进行复氧。