CN105858905A - 一种适用于静水湖泊的自升降式水质净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于静水湖泊的自升降式水质净化装置，包括浮岛基体、空气泵、生态净化箱、浮槽、输气管和曝气装置；浮岛基体漂浮在水面上且种植有水生植物；生态净化箱为透水结构，生态净化箱中设置有用于微生物降解和物理过滤吸附的物质；生态净化箱沿输气管上下滑动；曝气装置位于限位开关的下方，曝气装置与输气管的下端连接，曝气装置用于向湖泊水体中和浮槽输送氧气。通过水生植物，生态净化箱，曝气装置实现对湖泊水体的植物吸收、微生物降解、物理过滤吸附、充氧曝气集合于一体。本发明旨在克服普通浮床在对静水水体底层净化效率不佳的问题，通过自升降式净化装置达到对静水水体的三维净化，以取得较好的水质净化效果。

Description

一种适用于静水湖泊的自升降式水质净化装置

技术领域

本发明涉及一种适用于静水湖泊的自升降式水质净化装置，属于水环境保护技术领域。

背景技术

湖泊是地球上最大的淡水库，可利用地表淡水资源90%都蓄积在湖泊里。近30年随着我国经济的快速发展，对湖泊资源的开发利用规模及速度都在不断增强，这不但影响了湖泊的自然进化过程，同时对湖泊生态系统也造成了严重的破坏。通过对全国84个代表性湖泊营养状况评价结果表明,全年有44个湖泊呈富营养化状态，占评价湖泊总数的52.4%，其余湖泊均为中营养状态，这一调查结果表明湖泊保护与污染治理已成为我国环境保护的重点和难点。

静水湖泊指的是静止或流动性差的封闭缓流水体，在城市及周边广泛分布的自然湖泊、人工景观池塘等大多属于静水湖泊。这类湖泊一般具有水域面积小、易污染、水环境容量小、水体自净能力低等特点，由于静水湖泊缺乏水体的上下层对流，大量的污染物易沉积在湖泊底部或被底泥吸收，同时这些沉积污染物及湖泊底泥又会持续不断的向周围水体释放可溶性污染物，这就使得湖泊底部水体的污染物浓度远高于表层水体。近年来，大量的城市静水湖泊面临着严重的水体富营养化威胁，水生态系统受到了不同程度的破坏，出现了水体中藻类大量繁殖、透明度下降、沉水植物消亡等现象。对于某些污染严重而未得到有效治理的静水湖泊，由于水体的自我修复功能破坏严重，甚至会出现水体发黑或水华等现象，严重的威胁着人民的生命健康及社会经济的和谐发展。

根据静水湖泊水体的动力学特性及污染物分布特点，人们针对性地提出了一些污染控制和修复技术，如人工生态浮床法、化学沉淀法、生物接触氧化法等，能在一定程度上改善水体的污染现象。其中人工生态浮床法由于具有处理效果好、运行及维护成本低且具有较好的城市景观效果等优点，在城市静水湖泊的水污染控制及治理中得到了广泛的应用。然而，由于人工生态浮床的吸附净化能力具有一定的作用范围，应用于静水湖泊中时，对于湖泊的表层水体具有较好的净化作用，但对湖泊中部和底部水体的净化能力非常弱，这使得其应用受到了很大的限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种适用于静水湖泊的自升降式水质净化装置。

为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于静水湖泊的自升降式水质净化装置，包括浮岛基体（3）、空气泵（5）、生态净化箱（11）、浮槽（8）、输气管（12）、限位开关、曝气装置、控制器和供电装置；

所述浮岛基体（3）漂浮在水面上且种植有水生植物（2），所述空气泵（5）、所述供电装置和所述控制器均设置在所述浮岛基体（3）上，所述空气泵（5）的输入端电连接所述控制器均的输出端，所述供电装置电连接所述控制器和空气泵（5）；

所述生态净化箱（11）为透水结构，所述生态净化箱（11）中设置有用于微生物降解和物理过滤吸附的物质；所述浮槽（8）固定连接所述生态净化箱（11），所述生态净化箱（11）由轴心向外开设有一滑动孔（24）；

所述输气管（12）的上端穿过所述浮岛基体（3）连接所述空气泵（5），所述输气管（12）的下端穿过所述滑动孔（24）设置在湖床（15）中；所述生态净化箱（11）沿所述输气管（12）上下滑动；

所述限位开关设置在所述输气管（12）上，所述限位开关包括上限位开关（19）和下限位开关（20），所述上限位开关（19）位于生态净化箱（11）的上方，所述下限位开关（20）位于生态净化箱（11）的下方，所述生态净化箱（11）活动于所述上限位开关（19）和所述下限位开关（20）之间；所述曝气装置位于所述限位开关的下方，所述曝气装置与所述输气管（12）的下端连接，所述曝气装置用于向湖泊水体中和所述浮槽（8）输送氧气。

优先地，所述生态净化箱（11）包括尼龙网、网箱体（22）和网箱盖（23）；所述网箱体（22）开设有一与所述网箱盖（23）相配合的开口，所述网箱盖（23）枢接所述网箱体（22）；所述网箱体（22）和所述网箱盖（23）均采用PVC管和PVC接头相互连接构成的框架，所述网箱体（22）和所述网箱盖（23）的表面均覆盖有所述尼龙网。

优先地，所述生态净化箱（11）为三层圆柱形透水结构，所述物质包括生物填料球（9）和活性炭（10）；所述生态净化箱（11）的上层、下层均设置所述生物填料球（9），中层放置所述活性炭（10），上层和中层、中层和下层之间均通过所述尼龙网隔开。

优先地，所述曝气装置包括曝气管（13）、四个支撑管（14）和若干个支撑脚（17）；所述曝气管（13）包括多个不同直径的环形气管，多个所述环形气管以所述输气管（12）为轴心向外等间距的分布排列，环形气管上均开设有多个均匀分布的曝气孔（18）；四个所述支撑管（14）呈十字分布并固定连接于所述曝气管（13）的下方，所述支撑管（14）的一端均与所述输气管（12）连接，所述支撑管（14）的另一端密封，所述输气管（12）中的空气从所述支撑管（14）进入所述曝气管（13）中；所述支撑管（14）的下方均设置有至少一个所述支撑脚（7），所述支撑脚（7）固定于湖床（15）上。

优先地，所述上限位开关（19）位于所述浮岛基体（3）的下方20~30cm，所述下限位开关（20）位于所述曝气管（13）的上方20~30cm。

优先地，所述浮槽（8）为下表面有一开口的环形槽结构，所述浮槽（8）的内侧壁与所述生态净化箱（11）的外边缘固定连接；所述浮槽（8）的上表面开设有若干个均匀分布的排气口（7），所述排气口（7）上均设置有一阀门。

优先地，所述浮岛基体（3）为工程塑料材质，所述浮岛基体（3）在水平方向上的横截面为圆形。

优先地，所述供电装置为太阳能板（6）。

优先地，所述输气管（12）、曝气管（13）、支撑管（14）的材质均为不锈钢。

本发明所达到的有益效果：

（1）将水生植物种植到设有浮岛基体的富营养化的水面上，通过植物根部来吸收、吸附作用和物种竞争机理，削减富营养化水体中的氮、磷及有机物质, 遮蔽阳光抑制浮游藻类的生长，从而达到净化水质的效果, 以及增加作物产量；同时，浮岛基体还能够给鸟类、鱼类提供栖息处，栽种的植物与周围环境融为一体营造良好的水上景观。

（2）生物填料球9装有聚氨酯基体的生物填料，由于该生物载体的特殊结构，其飞跃性的优点是在曝气池内单个生物载体的外表面实现亚硝化反应，内部实现亚硝酸盐的反硝化，其中不仅有简单的物理吸附，还有正、负电荷的引力，使载体表面带有一定的阳离子活性基团及羟基等亲水性基团，可与污水中带有负电荷的微生物产生键、价的固定结合，从而将微生物及生物酶牢固的固定在载体上，使成活后的微生物不容易在水、气的剪切作用下流失，微生物的负载量大，容积负荷高，从而使污水中的氨氮、总氮达到同时下降的目的，它同时还具有切割气泡能力强，空间体积利用率大、无死区等特点。

生态净化箱中上层和下层设置的生物填料球中含有微生物，将水中的有机物质转化为简单的无机物质，对水体起到良好降解作用，从而保持生态系统的良性循环。

（3）生态净化箱的中层为活性炭吸附层，活性炭对有机物的吸附能力大，处理程度高，对水中绝大多数有机物都有效，包括微生物难于降解的有机物。适应性强，对水量及有机物负荷的变动有较强的适应性能，可得到稳定的处理效果；同时，生态净化箱一直在水下运动，上方设有浮岛，不影响环境美观。

（4）空气泵运行通过输气管输送空气至设置在湖底上的曝气装置，具有以下优点：

①在空气从湖底向上运动的过程中给空气和湖水提供了充足的接触时间，增加水中的含氧量，给生态净化箱中的微生物提供了充足的氧气，极大的提高了生态净化箱及水生植物根系表面的微生物对污染物的分解效率；

②曝气装置给浮槽输送了空气，使得生态净化箱在浮槽的带动下沿着输气管的管道在水体中缓慢往复升降浮动，从而对不同深度水体进行净化处理，全方位的净化湖水，具有较好的三维净化效果；

③空气向上运动的过程中促进了水体上下层间的对流，有效的降低污染物在水底的高浓度沉积；

④不锈钢材质的输气管的不仅给曝气装置输送空气，而且通过和曝气装置固定连接还给净化装置整体起到了定位的作用，使得浮岛基体不会任意浮动。

（5）采用浮槽储存和排出空气，为生态净化箱的升降提供动力，使得生态净化箱在上限位开关和下限位开关之间往复运动，具有结构简单、运动平稳缓慢、运动速度可调的优点，同时对底泥的整体扰动较小，有效的拟制底泥的再悬浮，并提高水体的净化效率。

（6）浮岛基体和浮槽采用工程塑料材质制造而成，具有较好的强度，能抵抗较大风浪的冲击，材质比重小，绿色环保，防腐蚀，防老化，可反复多次使用；不锈钢材质的输气管、曝气管和支撑管使用寿命长，刚度强，在一定程度上节约了成本。

（7）本发明采用太阳能板作为供电能源，将太阳能转化为电能无污染，适用性强。

（8）生态净化箱中的生物填料球及活性炭更换方便，定期更换可使得本发明能始终保持较高的净化效率。

（9）浮岛基体的建设、运行成本低，建成后运行和维护方便。

（10）本发明将植物吸收、微生物降解、物理过滤吸附、充氧曝气这四种水质净化技术集成于一体，充分发挥各种技术对水体中污染物去除的优势，形成多元互补型净化，可有效的降低水中的各类污染物的浓度，提高水质净化效率，处理效率高。本发明克服了普通浮床在对静水水体中层、底层净化效率不佳的问题，通过自升降式净化装置达到对静水水体的三维净化，以取得较好的水质净化效果。

附图说明

附图1是本发明的主视图；

附图2是本发明的俯视图；

附图3是图1的A-A向横截面图；

附图4是图1的B-B向横截面图；

附图5是生态净化箱的结构示意图；

附图6是浮槽的示意图；

附图7是曝气管的示意图。

附图标记，1是水面、2是水生植物、3是浮岛基体、4是支架、5是空气泵、6是太阳能板、7是排气口、8是浮槽、9是生物填料球、10是活性炭、11是生态净化箱、12是输气管、13是曝气管、14是支撑管、15是湖床、16是底泥层、17是支撑脚、18是曝气孔、19是上限位开关、20是下限位开关、22是网箱体、23是网箱盖、24是滑动孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种适用于静水湖泊的自升降式水质净化装置，包括浮岛基体3、空气泵5、生态净化箱11、浮槽8、输气管12、限位开关、曝气装置、控制器（未示出）和供电装置，所述空气泵5的输入端电连接所述控制器均的输出端，所述供电装置电连接所述控制器和空气泵5；

如图2所示，浮岛基体3漂浮在水面上且种植有水生植物2，空气泵5、供电装置和控制器均通过支架4固定设置在浮岛基体3的轴心；输气管12的上端穿过浮岛基体3的轴心连接空气泵5，输气管12的下端穿过滑动孔24设置在湖床15中，输气管12垂直设置在水中；供电装置为太阳能板6，太阳能板6为空气泵5提供电能，控制器可储存电能并控制空气泵5的启动和停止。

生态净化箱11为透水结构，生态净化箱11中设置有用于微生物降解和物理过滤吸附的物质，生态净化箱11能沿输气管12上下滑动；浮槽8固定连接生态净化箱11，浮槽8用于给生态净化箱11的升降提供动力；

限位开关设置在输气管12上；限位开关包括上限位开关19和下限位开关20；上限位开关19位于浮岛基体3的下方20~30cm，下限位开关20位于曝气管13的上方20~30cm，生态净化箱11只能活动于上限位开关19和下限位开关20之间。限位开关用于限制生态净化箱11的升降运动区间，并触发空气泵5的启动和停止。

曝气装置位于限位开关的下方，曝气装置与输气管12的下端连接，曝气装置用于向水体和浮槽8输送氧气。

生态净化箱11包括尼龙网、网箱体22和网箱盖23；网箱体22开设有一与网箱盖23相配合的开口，网箱盖23枢接网箱体22；网箱体22和网箱盖23均采用PVC管和PVC接头相互连接构成框架，网箱体22和网箱盖23的表面均覆盖有尼龙网，网箱盖23可打开或关闭。生态净化箱（11）沿轴心向外方向开设有一滑动孔（24），输气管（12）通过滑动孔（24）与生态净化箱（11）滑动连接；

如图5所示，生态净化箱11为三层圆柱形透水结构，直径3.5m；物质包括生物填料球9和活性炭10；生态净化箱11的上、下层均设置生物填料球9，中层放置活性炭10，上层和中层、中层和下层之间均通过尼龙网隔开 。上述生物填料球9由聚烯烃塑料制成镂空球形，球内装有聚氨酯基体的生物填料，生物填料球9上带有微生物，用来吸附水中的N、P等污染物质。生物填料球9装有聚氨酯基体的生物填料，孔与孔相互贯通，使得整块填料全方位培菌载体。

如图4所示，曝气装置包括曝气管13、四个支撑管14和八个支撑脚17；曝气管13包括七个不同直径的环形气管，多个环形气管以输气管12为轴心向外等间距的分布排列；如图7所示，环形气管上均开设有多个均匀分布的曝气孔18，孔径为4mm，孔间距为10~15cm，内部空气可从曝气孔中18溢出，可在水中形成大量连续气泡，为水体充氧曝气。；四个支撑管14呈十字分布并固定连接于曝气管13的下方，支撑管14的一端均与输气管12连接，支撑管14的另一端密封，输气管12中的空气从支撑管14进入曝气管13中；支撑管14的下方均设置有至少一个支撑脚7，支撑脚7固定于湖床15上。

如图3和图6所示，浮槽8为下表面有一开口的环形槽结构，浮槽8的内侧壁与生态净化箱11的外边缘固定连接；浮槽8的上表面开设有若干个均匀分布的排气口7，排气口7上均设置有一阀门，阀门由技术员在净化装置未运行状态下手动调节大小。

浮岛基体3、浮槽8均为工程塑料材质；浮岛基体3在水平方向上的横截面为圆形，直径4米；浮槽8外径4.2m，内径3.5米，高度0.5m，壁厚0.8m。

输气管12、曝气管13、支撑管14的材质均为不锈钢。

本发明的工作过程：

初始状态下，生态净化箱11位于下限位开关20处；

当净化装置开始运行时，下限位开关20被触发，控制器21驱动空气泵5运转，压缩空气通过输气管12和支撑管14进入到曝气管13中，并由曝气孔18溢出，在水中形成大量的连续气泡；大部分的气泡通过上方生态净化箱11后从水面1溢出，另一部分气泡进入到浮槽8中，由于浮槽8上部排气口7的排气量小于来自于曝气孔18中的气泡的进气量，因此气体逐渐在浮槽8的凹槽内聚集，气泡将槽内的水排出，使得浮槽8所受的浮力逐渐加大；

当浮槽8所受的浮力大于生态净化箱11和浮槽8的总重量时，生态净化箱11开始沿着输气管12向上缓慢运动。当生态净化箱11上行至上限位开关19位置时，上限位开关19被触发，控制器21关闭空气泵5，水底的曝气管13慢慢不再产生气泡。由于浮力作用浮槽8内的气泡通过其上方的排气口7排出，槽内的气体量逐渐减少，浮力也逐渐减小。当浮槽8所受的浮力小于生态净化箱11和浮槽8的总重量时，生态净化箱11开始沿着输气管12向下缓慢运动，直至下行到下限位开关20位置，空气泵5再次启动，进入下一个升降循环；

生态净化箱11在循环往复升降过程中，箱内的生物填料球9和活性炭10可对不同深度的水体进行吸附和净化，一部分气泡在上升的过程中溶解于湖泊中，提高了水中的含氧量，同时也提高生态净化箱11中微生物的降解效率，从而对静水湖泊起到三维净化的效果；

运行净化装置前预先调整浮槽8的排气口7阀门大小，可以控制浮槽8的排气量，从而达到调整生态净化箱11升降速度的目的，以适应不同的水体环境。同时，定期更换生物填料球9和活性炭10，可使得本装置保持较高的净化效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于静水湖泊的自升降式水质净化装置，其特征是，包括浮岛基体（3）、空气泵（5）、生态净化箱（11）、浮槽（8）、输气管（12）、限位开关、曝气装置、控制器和供电装置；

所述浮岛基体（3）漂浮在水面上且种植有水生植物（2），所述空气泵（5）、所述供电装置和所述控制器均设置在所述浮岛基体（3）上，所述空气泵（5）的输入端电连接所述控制器均的输出端，所述供电装置电连接所述控制器和空气泵（5）；

所述生态净化箱（11）为透水结构，所述生态净化箱（11）中设置有用于微生物降解和物理过滤吸附的物质；所述浮槽（8）固定连接所述生态净化箱（11），所述生态净化箱（11）由轴心向外开设有一滑动孔（24）；

所述输气管（12）的上端穿过所述浮岛基体（3）连接所述空气泵（5），所述输气管（12）的下端穿过所述滑动孔（24）设置在湖床（15）中；所述生态净化箱（11）沿所述输气管（12）上下滑动；

所述限位开关设置在所述输气管（12）上，所述限位开关包括上限位开关（19）和下限位开关（20），所述上限位开关（19）位于生态净化箱（11）的上方，所述下限位开关（20）位于生态净化箱（11）的下方，所述生态净化箱（11）活动于所述上限位开关（19）和所述下限位开关（20）之间；所述曝气装置位于所述限位开关的下方，所述曝气装置与所述输气管（12）的下端连接，所述曝气装置用于向湖泊水体中和所述浮槽（8）输送氧气。

2.根据权利要求1所述的一种适用于静水湖泊的自升降式水质净化装置，其特征是，所述生态净化箱（11）包括尼龙网、网箱体（22）和网箱盖（23）；所述网箱体（22）开设有一与所述网箱盖（23）相配合的开口，所述网箱盖（23）枢接所述网箱体（22）；所述网箱体（22）和所述网箱盖（23）均采用PVC管和PVC接头相互连接构成的框架，所述网箱体（22）和所述网箱盖（23）的表面均覆盖有所述尼龙网。

3. 根据权利要求1和2任一所述的一种适用于静水湖泊的自升降式水质净化装置，其特征是，所述生态净化箱（11）为三层圆柱形透水结构，所述物质包括生物填料球（9）和活性炭（10）；所述生态净化箱（11）的上层、下层均设置所述生物填料球（9），中层放置所述活性炭（10），上层和中层、中层和下层之间均通过所述尼龙网隔开。

4.根据权利要求1所述的一种适用于静水湖泊的自升降式水质净化装置，其特征是，所述曝气装置包括曝气管（13）、四个支撑管（14）和若干个支撑脚（17）；所述曝气管（13）包括多个不同直径的环形气管，多个所述环形气管以所述输气管（12）为轴心向外等间距的分布排列，环形气管上均开设有多个均匀分布的曝气孔（18）；四个所述支撑管（14）呈十字分布并固定连接于所述曝气管（13）的下方，所述支撑管（14）的一端均与所述输气管（12）连接，所述支撑管（14）的另一端密封，所述输气管（12）中的空气从所述支撑管（14）进入所述曝气管（13）中；所述支撑管（14）的下方均设置有至少一个所述支撑脚（7），所述支撑脚（7）固定于湖床（15）上。

5.根据权利要求1所述的一种适用于静水湖泊的自升降式水质净化装置，其特征是，所述上限位开关（19）位于所述浮岛基体（3）的下方20~30cm，所述下限位开关（20）位于所述曝气管（13）的上方20~30cm。

6.根据权利要求1所述的一种适用于静水湖泊的自升降式水质净化装置，其特征是，所述浮槽（8）为下表面有一开口的环形槽结构，所述浮槽（8）的内侧壁与所述生态净化箱（11）的外边缘固定连接；所述浮槽（8）的上表面开设有若干个均匀分布的排气口（7），所述排气口（7）上均设置有一阀门。

7.根据权利要求1所述的一种适用于静水湖泊的自升降式水质净化装置，其特征是，所述浮岛基体（3）为工程塑料材质，所述浮岛基体（3）在水平方向上的横截面为圆形。

8.根据权利要求1所述的一种适用于静水湖泊的自升降式水质净化装置，其特征是，所述供电装置为太阳能板（6）。

9. 根据权利要求1和4任一所述的一种适用于静水湖泊的自升降式水质净化装置，其特征是， 所述输气管（12）、曝气管（13）、支撑管（14）的材质均为不锈钢。