CN106186288A - 黑臭水体溶解氧增强方法及氧溶解方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种黑臭水体溶解氧增强方法及氧溶解方法与设备，黑臭水体溶解氧增强方法包括以下步骤：1)采用压力增强设备从目标河道的河道下游中抽取河水；2)将经步骤1)的河水与气体氧产生设备中的氧气在氧溶解设备中混合，混合达到饱和，并氧气全部溶解在水中，不形成气泡；3)将经步骤2)的溶解了氧气的河水送至目标河道上游。本发明实现了点源控制、活水循坏、异位净化、生态强化及生态修复五项技术的综合治理。

Description

黑臭水体溶解氧增强方法及氧溶解方法与设备

技术领域

本发明涉及水处理及增氧技术领域，具体是一种黑臭水体溶解氧增强方法及氧溶解方法与设备。

背景技术

黑臭水体：一是明确范围为城市建成区内的水体，也就是居民身边的黑臭水体；二是从“黑”和“臭”两个方面界定，即呈现令人不悦的颜色和(或)散发令人不适气味的水体，以百姓的感观判断为主要依据。

城市黑臭水体整治工作系统性强，工作涉及面广。国务院颁布实施的《水污染防治行动计划》(“水十条”)明确，城市人民政府是整治城市黑臭水体的责任主体，由住房城乡建设部牵头，会同环境保护部、水利部、农业部等部委指导地方落实并提出目标：2017年年底前，地级及以上城市实现河面无大面积漂浮物，河岸无垃圾，无违法排污口，直辖市、省会城市、计划单列市建成区基本消除黑臭水体；2020年年底前，地级以上城市建成区黑臭水体均控制在10％以内；到2030年，全国城市建成区黑臭水体总体得到消除。

因为污染物的来源和影响因素比较多，故城市黑臭水体整治是一个很复杂的事情。且水体整治存在周期性反复问题，如果治理工程不到位，治理后的水体很快又会恢复到黑臭状况，因此，整治效果评估不是仅仅看工程完工后这段时间的效果，更重要的是看其持续性的效果，看其受不同环境条件影响之后的效果。

水中的溶解氧含量是评价水体有机污染的重要指标，水体复氧过程直接影响到水中有机污染物的迁移、扩散、降解、直至整个水体的自净过程。当水体中存在溶解氧时，河水中的有机物往往为好氧菌所分解，使水中溶解氧含量下降，浓度低于饱和值，而水面大气中的氧就溶解到河水中，补充消耗掉的氧。如果有机物含量太多，溶解氧消耗太快，大气中的氧来不及供应，水体的溶解氧将会逐渐下降，乃至消耗殆尽，从而影响水生态系统的平衡。当河水中的溶解氧耗尽之后河流就出现无氧状态，有机物的分解就从有氧分解转为无氧分解，水质就会恶化，甚至出现黑臭现象。此时，水生态系统已遭到严重破坏，无法自行恢复。河道曝气技术是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净化，从而改善河流的水质。通常的复氧方式采用机械曝气等形式，能耗较大且需不定期维护。

发明内容

本发明针对背景技术中存在的问题，提供一种黑臭水体溶解氧增强方法及氧溶解方法与设备。

技术方案：一种黑臭水体溶解氧增强方法，包括以下步骤：

1)采用压力增强设备从目标河道的河道下游中抽取河水；

2)将经步骤1)的河水与气体氧产生设备中的氧气在氧溶解设备中混合，混合达到饱和，并氧气全部溶解在水中，不形成气泡；

3)将经步骤2)的溶解了氧气的河水送至目标河道上游。

优选的，步骤2)进行河水、氧气混合之前先将河水通过水质净化设备去除水体中的部分污染物和固体悬浮物。

在更优的实施例中：水质净化设备为重力沉降式净化装置、磁分离式净化装置、膜分离式净化装置中的一种。

优选的，步骤1)中从目标河道的河道下游的上半部分取水；步骤3)中将河水送至目标河道上游的下半部分；所述上半部分和下半部分是以河道的深度定义：上半部分是远离河床底部淤泥端；下半部分是近河床底部淤泥端。从河道上半部分取水，防止河床底部淤泥被抽取堵塞设备；送水只河道下半部分，以便使得富含氧气的水能与河水充分接触反应。

更优的，步骤3)送至目标河道上游前添加微生物菌种增强其净化能力。

更优的，步骤3)送至目标河道上游后放置复合型生态浮岛增强其净化能力，所述复合型生态浮岛采用上层种植水生植物，下层悬挂生物绳的结构。

复合型生态浮岛可通过上层植物根系在水中形成富氧环境，结合根系表面生物膜以及下层生物绳能高效降解水中COD、氮、磷等污染物，并且能有效吸附水中悬浮物，改善水体透明度。修复水面设计8个单元的生物绳复合型生态浮岛，单元尺寸5.0m(L)×5.0m(W)。生物绳是化学纤维通过先进的编织工艺，编织而成的生物载体。生物绳在净化措施中，主要起到过滤、截留悬浮物的作用对透明度的改善有很大帮助；同时，绳心外围纤维丝比表面积大，微生物可在纤维丝上生长，形成生物膜，通过生物降解，可对BOD、TN等污染物有一定的去除效果。

优选的实施例中，气体氧产生设备为氧气储罐、变压吸附制氧装置、膜分离富氧装置中的一种。

本发明还公开了一种氧溶解方法，包括以下步骤：

1)水从水入口进入设备本体并和氧气在混合器中进行第一次气液混合；

2)氧气和水落入内侧筒体内，内侧筒体的壁面开设多孔，水从孔内逐渐溢出，构成第二次气液混合；

3)中层筒体的下侧设有带有多孔管的曝气装置，氧气通过多孔管形成气泡溶解，构成第三次气液混合；

4)在前三次混合过程中溢出液面的设备内氧气，通过管道与外部管道连通，通过氧气回流增压器升压后进入上述步骤1)或步骤3)，构成第四次气液混合；

5)溶解后的水从底部的水出口排出。

优选的，所述混合器为双流体喷枪或水射流喷射器，双流体喷枪的气水体积比为50:1～250:1。

优选的，本发明还公开了一种氧溶解设备，它包括设备本体、中层筒体、内层筒体、多孔管、水入口、混合器、氧气引射管、氧气引射阀门、氧气回流增压器、氧气回流管阀门、氧气回流管、氧气供给管阀门、氧气供给管、氧气供给总管阀门、氧气供给入口、曝气装置入口阀门、曝气装置、水出口，所述中层筒体设置在设备本体内，内层筒体设置在中层筒体内；水入口自设备本体顶端引入并接通混合器，混合器的底部对应内层筒体，水和氧气在混合器中混合后落入内层筒体；内层筒体的壁面开有多孔，优选的，多孔开设在内侧筒体的壁面上部距离筒顶10～40％筒体高度；水和氧气通过多孔结构落入中层筒体；中层筒体的底部设置多孔管及与多孔管连接的曝气装置；曝气装置通过曝气装置入口阀连接氧气供气管的一端，氧气供气管上连接氧气供给入口；氧气供给入口与氧气供气管连接段设置有氧气供给管总阀门；在氧气供给管上设置有氧气供给管阀门；氧气供给管的另一端分两个支路，分别连接氧气回流管和氧气引射管；氧气回流管上设置有氧气回流管阀门和氧气回流增压器，氧气引射管上设置氧气引射阀门；氧气引射管接通混合器提供氧气；氧气回流管对准混合器的底部；水出口设置在设备本体的底部。

优选的，在水出口外设置传感器以检测出水中的溶解氧量，所述传感器连接处理器，处理器连接阀门开度控制装置，根据出水中的溶解氧量动态调整氧气引射阀门、氧气回流管阀门、曝气装置入口阀的开度。

优选的，所述多孔管是管式橡胶曝气器；或，由不锈钢粉末为原料，采用模压、等静压技术形成片式、管式坯体，再经高温烧结形成的多孔管。其特点是机械强度高，耐温性好，抗热震性强、孔径可控，空隙均匀稳定，易加工，可焊接。多孔不锈钢的孔径、孔隙率主要受粉体粒径组成、成型方式、烧结温度、保温时间等控制，常规多孔不锈钢的孔径可控制在0.5～100μm范围内，孔隙率为25～50％。

优选的实施例中，设备本体的高度/直径比为5：1～15：1。

本发明的有益效果

本发明将河水从河道下游抽取，经处理后送至河道上游进行活水循环；通过在河岸上设置水质净化设备对可溶COD、SS及TP进行主动脱除，从而快速提升河道水质，达到异位净化；通过设置气体氧产生设备将氧气与河水进行混合，强化河道自净能力，加快污染物的降解速度，达到生态强化；在河道上游放置复合型生态浮岛及生物绳设施逐步恢复水体自净能力，逐步降低并去除对异位净化装置的依赖，完成生态修复。本发明通过以上方案的部分选择或完全选择，而达到点源控制、活水循坏、异位净化、生态强化及生态修复五项技术的综合治理。

本发明还公开了一种氧溶解方法，通过本技术方案，氧溶解指标可达到55ppm的峰值，达到峰值时间短(仅需18min)，且衰减速度较慢(30至25ppm衰减时间达1200min)，大幅优于现有技术。将氧气完全溶解于水中再泵入河道，有助于增强氧气的扩散能力，增加氧气在水中的停留时间，从而提升处理效果。

本发明还公开了一种氧溶解设备，通过从水体底部进行高浓度气体溶解水供给；利用水分子原理进行气体置换，无气泡；完全溶解供给气体，无损失，减少运营成本；利用水分子原理，气体滞留时间长，无需大量供给气体。

附图说明

图1为实施例1的黑臭水体溶解氧增强方法的系统示意图。

图2为实施例2的黑臭水体溶解氧增强方法的系统示意图。

图3为实施例4的黑臭水体溶解氧增强方法的系统示意图。

图4为实施例5的黑臭水体溶解氧增强方法的系统示意图。

图5为实施例9的氧溶解设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1：结合图1，一种黑臭水体溶解氧增强方法，包括以下步骤：

1)采用压力增强设备111从目标河道100的河道下游101中抽取河水；

2)将经步骤1)的河水与气体氧产生设备113中的氧气在氧溶解设备112中混合，混合达到饱和，并氧气全部溶解在水中，不形成气泡；

3)将经步骤2)的溶解了氧气的河水送至目标河道上游102。

实施例中，将河水从河道下游101抽取，经处理后送至河道上游102进行活水循环；通过设置气体氧产生设备将氧气与河水进行混合，强化河道自净能力，加快污染物的降解速度，达到生态强化。

实施例2：结合图2，如实施例1所述的一种黑臭水体溶解氧增强方法，步骤2)进行河水、氧气混合之前先将河水通过水质净化设备115去除水体中的部分污染物和固体悬浮物。

实施例中，通过在河岸上设置水质净化设备115对可溶COD、SS及TP进行主动脱除，从而快速提升河道水质，达到异位净化。

优选的实施例中：水质净化设备115为重力沉降式净化装置、磁分离式净化装置、膜分离式净化装置中的一种。

实施例3：如实施例1或2所述的一种黑臭水体溶解氧增强方法，步骤1)中从目标河道100的河道下游101的上半部分取水；步骤3)中将河水送至目标河道上游102的下半部分；所述上半部分和下半部分是以河道的深度定义：上半部分是远离河床底部淤泥端；下半部分是近河床底部淤泥端。从河道上半部分取水，防止河床底部淤泥被抽取堵塞设备；送水只河道下半部分，以便使得富含氧气的水能与河水充分接触反应。

实施例4：结合图3，如实施例1所述的一种黑臭水体溶解氧增强方法，步骤3)送至目标河道上游102前添加微生物菌种114增强其净化能力。

实施例5：结合图4，如实施例2所述的一种黑臭水体溶解氧增强方法，步骤3)送至目标河道上游102前添加微生物菌种114增强其净化能力。

实施例6：如实施例1或2所述的一种黑臭水体溶解氧增强方法，步骤3)送至目标河道上游102后放置复合型生态浮岛增强其净化能力，所述复合型生态浮岛采用上层种植水生植物，下层悬挂生物绳的结构。

复合型生态浮岛可通过上层植物根系在水中形成富氧环境，结合根系表面生物膜以及下层生物绳能高效降解水中COD、氮、磷等污染物，并且能有效吸附水中悬浮物，改善水体透明度。修复水面设计8个单元的生物绳复合型生态浮岛，单元尺寸5.0m(L)×5.0m(W)。生物绳是化学纤维通过先进的编织工艺，编织而成的生物载体。生物绳在净化措施中，主要起到过滤、截留悬浮物的作用对透明度的改善有很大帮助；同时，绳心外围纤维丝比表面积大，微生物可在纤维丝上生长，形成生物膜，通过生物降解，可对BOD、TN等污染物有一定的去除效果。

实施例中，在河道上游102放置复合型生态浮岛及生物绳设施逐步恢复水体自净能力，逐步降低并去除对异位净化装置的依赖，完成生态修复。

优选的实施例中，气体氧产生设备113为氧气储罐、变压吸附制氧装置、膜分离富氧装置中的一种。

实施例7：结合图5，一种氧溶解方法，包括以下步骤：

1)水从水入口5进入设备本体1并和氧气在混合器6中进行第一次气液混合；

2)氧气和水落入内侧筒体3内，内侧筒体3的壁面开设多孔，水从孔内逐渐溢出，构成第二次气液混合；

3)中层筒体2的下侧设有带有多孔管4的曝气装置17，氧气通过多孔管4形成气泡溶解，构成第三次气液混合；

4)在前三次混合过程中溢出液面的设备内氧气，通过管道与外部管道连通，通过氧气回流增压器9升压后进入上述步骤1)或步骤3)，构成第四次气液混合；

5)溶解后的水从底部的水出口18排出。

实施例8：如实施例7所述一种氧溶解方法，所述混合器6为双流体喷枪或水射流喷射器，双流体喷枪的气水体积比为50:1～250:1。

实施例9：结合图5，一种氧溶解设备，它包括设备本体1、中层筒体2、内层筒体3、多孔管4、水入口5、混合器6、氧气引射管7、氧气引射阀门8、氧气回流增压器9、氧气回流管阀门10、氧气回流管11、氧气供给管阀门12、氧气供给管13、氧气供给总管阀门14、氧气供给入口15、曝气装置入口阀门16、曝气装置17、水出口18，所述中层筒体2设置在设备本体1内，内层筒体3设置在中层筒体2内；水入口5自设备本体1顶端引入并接通混合器6，混合器6的底部对应内层筒体3，水和氧气在混合器6中混合后落入内层筒体3；内层筒体3的壁面开有多孔，优选的，多孔开设在内侧筒体3的壁面上部距离筒顶10～40％筒体高度；水和氧气通过多孔结构落入中层筒体2；中层筒体2的底部设置多孔管4及与多孔管4连接的曝气装置17；曝气装置17通过曝气装置入口阀16连接氧气供气管13的一端，氧气供气管13上连接氧气供给入口15；氧气供给入口15与氧气供气管13连接段设置有氧气供给管总阀门14；在氧气供给管13上设置有氧气供给管阀门12；氧气供给管13的另一端分两个支路，分别连接氧气回流管11和氧气引射管7；氧气回流管11上设置有氧气回流管阀门10和氧气回流增压器9，氧气引射管上设置氧气引射阀门8；氧气引射管7接通混合器6提供氧气；氧气回流管11对准混合器6的底部；水出口18设置在设备本体1的底部。

实施例10：如实施例9所述的一种氧溶解设备，在水出口18外设置传感器以检测出水中的溶解氧量，所述传感器连接处理器，处理器连接阀门开度控制装置，根据出水中的溶解氧量动态调整氧气引射阀门8、氧气回流管阀门10、曝气装置入口阀16的开度。

曝气过程中氧的传输速率(即溶解氧浓度的变化率)和氧亏值成正比，如下式所示。所谓氧亏值是氧饱和浓度和实际达到的溶解氧浓度之差。

$\frac{dc}{dt}=K_L\frac{A}{V}(C_S-C_T)$

式中：

K_L—氧传递系数，h^-1

C_S—饱和溶解氧浓度，mg/L

C_T—实际溶解氧浓度，mg/L，氧亏值为C_S-C_T

A—气液相界面面积，m²

V—液体体积，m³

在空气曝气时氧的分压为21kPa，而纯氧曝气时氧压力可达101kPa。于是，纯氧曝气时氧饱和浓度是43.74mg/L(20℃)，这是空气曝气时9.17mg/L的4.8倍。如果实际要求达到溶解氧浓度5mg/L，则空气曝气时氧亏值是4.17mg/L，而纯氧曝气时氧亏值高达38.74mg/L。显然，纯氧曝气时溶解氧的增长速率是空气曝气时的38.74/4.17＝9.3倍，可见，纯氧曝气可显著提高氧的转移速率。同时，由于现有的曝气装置大都以气泡的形式进入水体，横向扩散有限，大量的气体未经利用便排出河道，利用率较低。

在南京城区的一个具体应用中，采用氧溶解设备充分利用河流本身所蕴藏的能量为河流复氧、提高城市河流污染水体的溶解氧含量、改善水质状况。该氧溶解设备从奥体北河与向阳河交汇处取水经过仪器的增氧装置后将高溶解氧含量的河水排入河道的北段，利用河道河水自然的流动，提升整个河道的溶解氧含量。该氧溶解设备主要是通过从水体底部进行高浓度气体溶解水供给；利用水分子原理进行气体置换，无气泡；完全溶解供给气体，无损失，减少运营成本；利用水分子原理，气体滞留时间长，无需大量供给气体。下表给出了氧溶解设备与其他技术的比较结果：

项目	本项目技术	微纳米技术	机械曝气
				溶解氧最高峰值(ppm)	55	40.3	33.4
达到最高峰值所需时间(min)	18	30	130
				30至25ppm衰减时间(min)	1200	800	690
氧气消耗量比值	1	28.8	144

实施例11：如实施例9所述的一种氧溶解设备，所述多孔管4是管式橡胶曝气器；或，由不锈钢粉末为原料，采用模压、等静压技术形成片式、管式坯体，再经高温烧结形成的多孔管。其特点是机械强度高，耐温性好，抗热震性强、孔径可控，空隙均匀稳定，易加工，可焊接。多孔不锈钢的孔径、孔隙率主要受粉体粒径组成、成型方式、烧结温度、保温时间等控制，常规多孔不锈钢的孔径可控制在0.5～100μm范围内，孔隙率为25～50％。

在优选的实施例中，设备本体1的高度/直径比为5：1～15：1，此结构的设备本体1细长，增加氧气与水的接触时间。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种氧溶解设备，其特征在于，它包括设备本体(1)、中层筒体(2)、内层筒体(3)、多孔管(4)、水入口(5)、混合器(6)、氧气引射管(7)、氧气引射阀门(8)、氧气回流增压器(9)、氧气回流管阀门(10)、氧气回流管(11)、氧气供给管阀门(12)、氧气供给管(13)、氧气供给总管阀门(14)、氧气供给入口(15)、曝气装置入口阀门(16)、曝气装置(17)、水出口(18)，所述中层筒体(2)设置在设备本体(1)内，内层筒体(3)设置在中层筒体(2)内；水入口(5)自设备本体(1)顶端引入并接通混合器(6)，混合器(6)的底部对应内层筒体(3)，水和氧气在混合器(6)中混合后落入内层筒体(3)；内层筒体(3)的壁面开有多孔，水和氧气通过多孔结构落入中层筒体(2)；中层筒体(2)的底部设置多孔管(4)及与多孔管(4)连接的曝气装置(17)；曝气装置(17)通过曝气装置入口阀(16)连接氧气供气管(13)的一端，氧气供气管(13)上连接氧气供给入口(15)；氧气供给入口(15)与氧气供气管(13)连接段设置有氧气供给管总阀门(14)；在氧气供给管(13)上设置有氧气供给管阀门(12)；氧气供给管(13)的另一端分两个支路，分别连接氧气回流管(11)和氧气引射管(7)；氧气回流管(11)上设置有氧气回流管阀门(10)和氧气回流增压器(9)，氧气引射管上设置氧气引射阀门(8)；氧气引射管(7)接通混合器(6)提供氧气；氧气回流管(11)对准混合器(6)的底部；水出口(18)设置在设备本体(1)的底部。

2.根据权利要求1所述的一种氧溶解设备，其特征在于，在水出口(18)外设置传感器以检测出水中的溶解氧量，所述传感器连接处理器，处理器连接阀门开度控制装置，根据出水中的溶解氧量动态调整氧气引射阀门(8)、氧气回流管阀门(10)、曝气装置入口阀(16)的开度。

3.根据权利要求1所述的一种氧溶解设备，其特征在于，所述多孔管(4)是管式橡胶曝气器；或，由不锈钢粉末为原料，采用模压、等静压技术形成片式、管式坯体，再经高温烧结形成的多孔管。

4.一种氧溶解方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)水从水入口(5)进入设备本体(1)并和氧气在混合器(6)中进行第一次气液混合；

2)氧气和水的气液混合物落入内侧筒体(3)内，内侧筒体(3)的壁面开设多孔，水从孔内逐渐溢出，构成第二次气液混合；

3)中层筒体(2)的下侧设有带有多孔管(4)的曝气装置(17)，氧气通过多孔管(4)形成气泡溶解，构成第三次气液混合；

4)在前三次混合过程中溢出液面的设备内氧气，通过管道与外部管道连通，通过氧气回流增压器(9)升压后进入上述步骤1)或步骤3)，构成第四次气液混合；

5)溶解后的水从底部的水出口(18)排出。

5.根据权利要求4所述一种氧溶解方法，其特征在于，所述混合器(6)为双流体喷枪或水射流喷射器，双流体喷枪的气水体积比为50:1～250:1。

6.一种黑臭水体溶解氧增强方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用压力增强设备(111)从目标河道(100)的河道下游(101)中抽取河水；

2)将经步骤1)的河水与气体氧产生设备(113)中的氧气在氧溶解设备(112)中混合并达到饱和，且氧气全部溶解在水中，不形成气泡；

3)将经步骤2)的溶解了氧气的河水送至目标河道上游(102)。

7.根据权利要求6所述的一种黑臭水体溶解氧增强方法，其特征在于，步骤2)进行河水、氧气混合之前先将河水通过水质净化设备(115)去除水体中的部分污染物和固体悬浮物。

8.根据权利要求6或7所述的一种黑臭水体溶解氧增强方法，其特征在于，步骤1)中从目标河道(100)的河道下游(101)的上半部分取水；步骤3)中将河水送至目标河道上游(102)的下半部分；所述上半部分和下半部分是以河道的深度定义：上半部分是远离河床底部淤泥端；下半部分是近河床底部淤泥端。

9.根据权利要求6或7所述的一种黑臭水体溶解氧增强方法，其特征在于，步骤3)送至目标河道上游(102)前添加微生物菌种(114)增强其净化能力。

10.根据权利要求6或7所述的一种黑臭水体溶解氧增强方法，其特征在于，步骤3)送至目标河道上游(102)后放置复合型生态浮岛增强其净化能力，所述复合型生态浮岛采用上层种植水生植物，下层悬挂生物绳的结构。