CN106517499B - 强化河道底泥富氧的可升降式旋转曝气装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强化河道底泥富氧的可升降式旋转曝气装置，由太阳能光伏发电系统和蓄电池组成供电系统，白天和夜晚均可为曝气泵供电。曝气泵连接旋转曝气盘，该曝气盘为扁圆形无底的壳体结构且与其圆心中央垂直设置的一锥形体组成一个整体，锥形体内设置有逆止阀。旋转曝气盘采用PTFE，防水性强且机械损失小；其内部还设置有旋转叶轮和格栅/导流孔，水头损失小。启动曝气泵，旋转曝气盘工作，气体呈螺旋式均匀扩散至服务面域中底泥表层，使底泥氧化还原电位得到显著提高，厌氧化得到有效控制。间歇期可上浮曝气盘对其进行检修。本发明还可与其他生态浮床相结合，适用范围广泛，长期用于水体，以保障水体的自净能力，强化河道底泥富氧。

Description

强化河道底泥富氧的可升降式旋转曝气装置
技术领域
本发明是关于水环境生态修复设备的，具体涉及一种高均匀性、高便利性、高适应性的，用于改善河道底泥污染物释放潜力及微生态环境的一种强化黑臭/富营养化河道底泥富氧的原位曝气装置。
背景技术
随着污水处理厂尾水水质要求不断提高、工业排污的严格管控以及海绵城市建设减少了面源污染等，受污染河流的点源与面源型污染比例逐渐下降，而内源型污染(底泥释放)控制的重要性受到重视。河道的底泥中赋存着大量的污染有机物和营养盐，其由水体-底泥界面控制，与上浮水体污染物及营养盐浓度保持动态平衡。因此仅以上覆水为生态修复的客体无法真正的解决水质恶化的问题，当上覆水污染削减后，底泥中的污染物将大量释放使得上覆水被二次污染。
黑臭及富营养化的形成首先是由于大量有机质或营养盐诱发特定微生物类群大量繁殖，引发水体溶解氧的急剧下降造成的。当水体长期处于缺氧/厌氧的环境时，原本的好氧型代谢将逐步向厌氧型代谢转化。因为有机物的厌氧代谢速率远小于好氧代谢速率，水体的自净能力也将消失殆尽。此时，大量污染物与营养盐在沉积作用下形成河道的表层底泥。并且在厌氧条件下，污染物与营养盐逐渐向还原态物质转化，例如H2S、FeS、NH4+等。这些还原态物质容易使河流水体产生令人不悦的色、味。因此无论是上覆水曝气还是底泥曝气，改善氧含量普遍被认为是控制黑臭和富营养化的一个重要的手段。上覆水曝气由于对底部的传质效率较低，几乎无法影响到底泥的氧化还原环境。由此衍生出了深层曝气以及底泥曝气技术，用以提高表层底泥的氧化还原电位，抑制还原的厌氧代谢，促进污染物好氧分解与营养盐转化。
河道底泥具有有机质与营养盐丰富、厚度不断淤积等特点，从而导致河道底泥厚度是不断变化的，并且短期的富氧会被底泥微生物快速代谢消耗进而恢复缺氧厌氧状态。这使得底泥曝气需要能够持续、稳定运行并且能适应再发生的沉积作用。现有的底泥曝气技术装置中，许多借鉴了污水处理领域的生物池曝气装置，其采用曝气板或管的形式进行铺设。
与污水处理厂不同的是，在底泥曝气装置的电力系统设计上采用了非强电的组合方式，如风力+太阳能供电系统(CN 105906037 A)、微生物燃料电池(CN 104787900 A)等。这些特点导致了上述装置一旦铺设不可轻易移动，风能、太阳能受气候影响较大，并不是一个稳定的电力能源。随着河道底泥的继续沉积，曝气装置存在被掩埋或堵塞的风险，从而影响正常工作和装置回收工作。太阳能目前应用相对成熟，但受阴雨天气影响较大，由此需要配合辅助电力。风能受地域性差异以及有效风时间的影响，其供电能力也是分散、不稳定的；微生物燃料电池是新兴的一种供电方式，尚处于研究阶段，技术并不成熟，也不适合一般性推广。因此上述装置并不能很好的适应河道底泥曝气的要求。除了曝气板/管的形式外，还有射流式充氧曝气(CN 103848548 A)，其构造类似射流泵。此法难以保持大面积均匀曝气，因此最终仍需在终端引入板/管使气水均匀布散，使得整个系统仍显笨重。
在曝气深度控制方面，布设曝气板/管的形式无疑对曝气深度的调节能力是十分欠缺的。有研究者提出了将数段短管相接从而对曝气深度进行调节(CN 105906037 A)。此方法会受到水深泥厚的显著影响，不仅需要实施前的精确调研还需要实施过程繁琐的操作进行调节。对底泥曝气的距离无法实现便捷精确的控制，难免出现曝气效果欠佳或曝气扰动过强等问题。
因此，在本发明中从电力系统续航能力，曝气均匀性以及装置便利性等方面入手，进行了蓄电池补充供电、旋转曝气盘、伸缩承托腿、可浮式气囊以及防水逆止阀等设计，以解决上述技术应用问题。
发明内容
本发明的目的，是为了解决现有河道底泥曝气装置的可调节性差、均匀性以及稳定性欠佳的弊端，提供一种适用于河道底泥的可升降移动的旋转曝气装置，可用于黑臭/富营养化水体原位修复过程中的底泥曝气。
本发明通过如下技术方案予以实现：
一种强化河道底泥富氧的可升降式旋转曝气装置，包括承托浮床、曝气泵、发电系统、曝气管和曝气盘；其特征在于，所述承托浮床1的上面设置有曝气泵2、太阳能光伏发电系统3和蓄电池4；所述太阳能光伏发电系统3和蓄电池4及其电路系统组成曝气装置的供电系统，为曝气泵2提供正常供电；
所述曝气盘为旋转曝气盘8，为扁圆形无底的壳体结构且与其圆心中央垂直设置的一锥形体组成的一个整体结构；旋转曝气盘8的锥形体的顶端设置有进气罩81，进气罩81通过曝气管5与曝气泵2相连接；进气罩81下端的锥形体内设置有逆止阀84；
所述逆止阀84为60～90°的漏斗形结构，其外部为导流罩841，导流罩841内设置有导流板842，导流板842上设置有第一导流孔843，导流板842的中心为一圆孔，该圆孔内设置有活塞杆844，活塞杆844的上下两端分别设置有挡片845；
旋转曝气盘8的扁圆形无底的壳体结构内的圆周边缘内设置有滚珠轴承83，滚珠轴承83内设置有旋转叶轮82，旋转叶轮82的中心处设置有导流锥体822；沿旋转叶轮82的每两叶片823顶端的连线处垂直设置有格栅/导流孔821；
旋转曝气盘8上面的两对称位置设置有两个可浮式气囊6，沿旋转曝气盘8的边缘内等距设置有4个承托腿7，旋转曝气盘8的下缘距承托腿7的高度差为10～50cm。
所述曝气泵2选用非气水混合泵的增氧泵；
所述蓄电池4为铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、铁镍蓄电池、金属氧化物蓄电池、锌银蓄电池、锌镍蓄电池、氢镍蓄电池或锂离子蓄电池的任意一种；
所述曝气管5为PU管。
所述可浮式气囊6为防水橡胶气囊，提供5～25公斤浮力。
所述承托腿7采用防水伸缩杆；
所述旋转叶轮82采用摩擦系数较小的聚四氟乙烯材质；
所述旋转叶轮82的底部具有5～10°的坡度。
所述第一导流孔843的导流面积不低于导流板842总横截面积的75％；
所述活塞杆844采用密度小于水的硅橡胶或者聚甲基戊烯材料。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的旋转曝气盘能够旋转喷射压缩空气为底泥表层富氧，在保证强度的情况下更加均匀地在服务面积内曝气富氧；
(2)核心设备如旋转曝气盘选用PTFE(聚四氟乙烯)。其摩擦系数低且其静摩擦系数小于动摩擦系数，因此起动阻力小；对氧稳定，耐化学腐蚀，不易老化；对水、气的粘附性低；具有生理惰性等特点。这使得旋转曝气盘的机械损耗低，风阻小；对深层水体及各种污染耐受性强；对环境无毒害等众多优势，尤其适用于受污染河道底泥曝气使用；
(3)旋转曝气盘底部的坡度以及逆止阀可以阻止漏水倒灌意外的发生，并旋转曝气盘能够在再次启动曝气后快速将水排出；
(4)转动部件使用了滚珠轴承，通过风压驱动避免了使用机械能驱动的转轴，简化了动力驱动使旋转曝气盘更适宜水下便利作业；
(5)采用可浮式气囊，并与旋转曝气盘结合在一起，能够根据需求升降旋转曝气盘，方便整个装置在整个河道范围内进行移动曝气或者对旋转曝气盘进行检修维护及回收等工作；
(6)采用伸缩式承托腿设计，能够使曝气深度依据底泥表层进行调节，从而避免了从河面控制时需估算水深泥厚等一系列繁琐操作，简单易行；结合升降式操作可以定期重复定位适宜的曝气深度，具有极好的灵活性；
(7)承托浮床本身也可以作为生态浮床使用，可以与其他浮床形式相结合，配合技术适用范围广泛。
附图说明
图1是本发明的可升降式旋转曝气装置的结构示意图；
图2是旋转曝气盘的正视图；
图3是旋转曝气盘的底部示意图；
图4是逆止阀结构示意图
本发明的附图标记如下：
1———承托浮床 2———曝气泵
3———太阳能光伏发电系统 4———蓄电池，
5———曝气管 6———可浮式气囊
7———承托腿 8———旋转曝气盘
81———进气罩 82———旋转叶轮
83———滚珠轴承 84———逆止阀
85———气囊接口 821———格栅/导流孔
822———导流锥体 823———叶片
841———导流罩 842———导流板
843———第一导流孔 844———活塞杆
845———挡片
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步描述。
以某黑臭河道为例，采用本发明的可升降式旋转曝气装置对该河段底泥进行曝气修复。
首先，将曝气泵2、太阳能电池3以及蓄电池4在承托浮床1上加以固定。曝气泵2与曝气管5及进气罩81依次连接，用喉箍固定。同样，将可浮式气囊6与空压机、旋转曝气盘8连接好。调节承托腿7的伸缩杆使曝气装置平稳放置，旋转曝气盘距地面距离为10cm，然后将可浮式气囊充气。依次将旋转曝气盘8与承托浮床1置于河道之中，移动至目标点位后，空压机停止运作，使可浮式气囊失去浮力，旋转曝气盘8沉降至目标点位底泥上方约10cm处。每隔100m放置一套本发明装置。
所述曝气泵2选用增氧泵等非气水混合泵，曝气管5为PU管或其他塑料软管。
所述旋转曝气盘8为扁圆形无底的壳体结构且与其圆心中央垂直设置的一锥形体组成的一个整体结构；旋转曝气盘8的锥形体的顶端设置有进气罩81，进气罩81通过曝气管5与曝气泵2相连接；进气罩81下端的锥形体内设置有逆止阀84，逆止阀84为60～90°的漏斗形结构，其外部为导流罩841，导流罩841内设置有导流板842，导流板842上设置有第一导流孔843，导流板842的中心为一圆孔，该圆孔内设置有活塞杆844，活塞杆844的上下两端分别设置有挡片845；逆止阀84的功能是防止系统在停止工作时河水倒灌以及在正常工作时对压缩空气进行导流；第一导流孔843为方便曝气工作时压缩空气流通顺畅，其导流面积不低于挡片845总横截面积的75％；活塞杆和挡片采用密度小于水的轻质塑料，如硅橡胶或者聚甲基戊烯材料。
旋转曝气盘8的扁圆形无底的壳体结构内的圆周边缘内设置有滚珠轴承83，滚珠轴承83内设置有旋转叶轮82，旋转叶轮82的中心处设置有导流锥体822；沿旋转叶轮82的每两叶片823顶端的连线处垂直设置有格栅/导流孔821；所述旋转叶轮82为曝气盘的出气的部分，材质为摩擦系数较小的聚四氟乙烯；旋转叶轮82与滚珠轴承83相接合，并利用防水润滑油填补接合缝隙。
所述可浮式气囊6为防水橡胶气囊，工作时打入压缩空气使其提供5～25公斤浮力。
供电系统包括太阳能光伏发电系统与蓄电池；太阳能光伏发电系统包括太阳能电池、控制器、逆变器以及电力模式；太阳能电池采用晶硅电池，控制器采用的电压等级可为12V、24V、48V、110V或220V；所述逆变器将太阳能电池的直流电转化为220V交流电，采用方波或正弦波逆变器；电力模式采用离网光伏蓄电系统；所述蓄电池可以采用铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、铁镍蓄电池、金属氧化物蓄电池、锌银蓄电池、锌镍蓄电池、氢镍蓄电池或者锂离子蓄电池等；正常运作时由太阳能为曝气泵供电，多余电能以及停机时太阳能转化的电能储存于蓄电池中；阴雨天气以及夜间工作时由蓄电池为曝气泵供电工作。
启动曝气泵，旋转曝气盘8开始工作。在晴天或白天主要由太阳能供电，阴天或夜晚主要由蓄电池供电。每天连续曝气9h，待机15h。待机阶段河水会回流至旋转曝气盘内部，逆止阀84的活塞杆844在浮力作用下向上运动，活塞杆下端档片845使逆止阀84的底部封死，防止河水进一步回流。旋转叶轮82底部具有5～10°坡度，其功能是发生河水倒灌意外后方便河水快速排走。重新启动时，压缩空气迫使内室河水排除，活塞杆在重力和向下风压作用下下降，逆止阀84重新打开使压缩空气正常通过。
运行两周后，启动空压机使旋转曝气盘上浮，将所有装置向下游移动约30m后重复上述操纵继续使用。待修复结束，将旋转曝气盘上浮后与承托浮床一同移至岸边回收或用于其他黑臭水体的治理。本发明承托浮床除承托曝气泵和供电系统外，还可以与其他水体净化或水质改善用浮床相结合(如植物浮床、生态浮床、填料浮床等)，可长期用于水体，以保障水体的自净能力，保持良好的水质，强化河道底泥富氧。
曝气期间，上覆水溶解氧也可得到一定改善。气体呈螺旋式均匀扩散至服务面域中底泥表层，底泥氧化还原电位得到了显著提高，厌氧化臭味得到有效控制。
间歇期，上浮曝气盘对其进行检查，基本未发现堵塞及灌水对装置产生的影响。部分装置或有缠绕水草或内部存在泥沙(待机阶段河水携带进入)的现象，均属正常。使用时应尽量避开沉水植物繁盛的区域，或适当延长伸缩杆、提高曝气高度以减少与沉水植物的接触后再启动。沿旋转叶轮82的每两叶片823顶端的连线处垂直设置的格栅/导流孔821，其功能为剪碎压缩空气并兼具格栅作用以防止水草、粘性物质的堵塞。少量泥沙并不会影响装置使用，简单清理可用无悬浮杂质的水(如表层河水)进行冲洗；回收后再用自来水浸泡后冲洗。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种强化河道底泥富氧的可升降式旋转曝气装置，包括承托浮床、曝气泵、发电系统、曝气管和曝气盘；其特征在于，所述承托浮床(1)的上面设置有曝气泵(2)、太阳能光伏发电系统(3)和蓄电池(4)；所述太阳能光伏发电系统(3)和蓄电池(4)及其电路系统组成曝气装置的供电系统，为曝气泵(2)提供正常供电；
所述曝气盘为旋转曝气盘(8)，为扁圆形无底的壳体结构且与其圆心中央垂直设置的一锥形体组成的一个整体；旋转曝气盘(8)的锥形体的顶端设置有进气罩(81)，进气罩(81)通过曝气管(5)与曝气泵(2)相连接；进气罩(81)下端的锥形体内设置有逆止阀(84)；
所述逆止阀(84)为60～90°的漏斗形结构，其外部为导流罩(841)，导流罩(841)内设置有导流板(842)，导流板(842)上设置有第一导流孔(843)，导流板(842)的中心为一圆孔，该圆孔内设置有活塞杆(844)，活塞杆(844)的上下两端分别设置有挡片(845)；
旋转曝气盘(8)的扁圆形无底的壳体结构内的圆周边缘内设置有滚珠轴承(83)，滚珠轴承(83)内设置有旋转叶轮(82)，旋转叶轮(82)的中心处设置有导流锥体(822)；沿旋转叶轮(82)的每两叶片(823)顶端的连线处垂直设置有格栅/导流孔(821)；
旋转曝气盘(8)上面的两对称位置设置有两个可浮式气囊(6)，沿旋转曝气盘(8)的边缘内等距设置有4个承托腿(7)，旋转曝气盘(8)的下缘距承托腿(7)的高度差为10～50cm。
2.根据权利要求1所述的强化河道底泥富氧的可升降式旋转曝气装置，其特征在于，所述曝气泵(2)选用非气水混合泵的增氧泵。
3.根据权利要求1所述的强化河道底泥富氧的可升降式旋转曝气装置，其特征在于，所述蓄电池(4)为铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、铁镍蓄电池、金属氧化物蓄电池、锌银蓄电池、锌镍蓄电池、氢镍蓄电池或锂离子蓄电池的任意一种。
4.根据权利要求1所述的强化河道底泥富氧的可升降式旋转曝气装置，其特征在于，所述曝气管(5)为PU管。
5.根据权利要求1所述的强化河道底泥富氧的可升降式旋转曝气装置，其特征在于，所述可浮式气囊(6)为防水橡胶气囊，提供5～25公斤浮力。
6.根据权利要求1所述的强化河道底泥富氧的可升降式旋转曝气装置，其特征在于，所述承托腿(7)采用防水伸缩杆。
7.根据权利要求1所述的强化河道底泥富氧的可升降式旋转曝气装置，其特征在于，所述旋转叶轮(82)采用摩擦系数较小的聚四氟乙烯材质。
8.根据权利要求1所述的强化河道底泥富氧的可升降式旋转曝气装置，其特征在于，所述旋转叶轮(82)的底部具有5～10°的坡度。
9.根据权利要求1所述的强化河道底泥富氧的可升降式旋转曝气装置，其特征在于，所述第一导流孔(843)的导流面积不低于导流板(842)总横截面积的75％。
10.根据权利要求1所述的强化河道底泥富氧的可升降式旋转曝气装置，其特征在于，所述活塞杆(844)采用密度小于水的硅橡胶或者聚甲基戊烯材料。
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