CN106986458A - 一种太阳能生态浮岛及水生态修复方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能生态浮岛及水生态修复方法，属于水处理领域。包括太阳能光伏板、太阳能支架、太阳能配电箱、蓄电池、太阳能控制器、太阳能逆变器、时间控制器、电源插座、空气压缩机、水上漂浮平台、水生植物、人工浮岛、中空花碟、花篮、内置塑料泡沫、渔网、生物碳纤维水处理填料、曝气沙头、硅胶软管、陶粒；分为水上部分、水面部分和水下部分。采用太阳能供电系统提供电能，在无外源污染物的条件下可以自主曝气使水体复氧，为水下生物碳纤维水处理填料提供好氧环境，可以有效降低受污染水体中的有机污染物，同时脱氮除磷，为水体中的生物提供栖息、繁殖场所，增加水体生物多样性，实现水体原位修复。

Description

一种太阳能生态浮岛及水生态修复方法

技术领域

本发明涉及景观水生态修复，属于水处理领域，特别涉及太阳能供电装置、曝气装置、人工浮岛体系、生物碳纤维水处理填料。

背景技术

近年来城市快速发展、城市人口迅速增长，相应的城市污染水体治理却常常滞后，城市中河流作为“末端载体”承受着生活污水、工业废水的污染，导致城市内湖、河流等水体水质发黑发臭、水体富营养化、大量水栖动物减少，严重的影响了居民的生活质量及环境保护。目前，国内外常用的湖泊、河道治理技术有人工浮岛。人工浮岛技术具有不需要占用土地面积，适用于软滩及硬质堤岸，直接漂浮在水中进行水质原位修复，浮岛上种有无土栽培的水生植物，可以通过植物的根系吸收水中氮磷污染物，同时可以为水生动物提供栖息、繁殖场所，景观效果较好。

但是，在实际城市河道治理工程应用中，人工浮岛处理技术中水生植物根部吸收污染物的能力有限，需要靠附着在植物根系周围的微生物同时进行污染物降解，但由于植物根系长度较短比表面积有限，不足以附着更多的微生物，导致水处理效果受到限制。与此同时，人工浮岛技术中水体复氧速度慢，通常需要结合曝气装置同时进行水体治理，需要电缆的施工布控，增加了前期投资，在后期运行、维护过程中，产生的电费也不容小觑。

发明内容

本着发明的目的在针对实际工程应用中的问题，提出一种新型太阳能生态浮岛及水生态修复方法，适用于城市湖泊、河流等受污染水的原位修复，且具有前后投资小，后期运行、维护费用低，水质情况提升效果显著，高效提高水生态多样性，达到构建水生态多样性的目的。

为了实现上述的目的本发明采用了以下的技术方案。

本发明的一种太阳能生态浮岛，分为三个部分：

水上部分包括：太阳能光伏板(1)、太阳能支架(2)、太阳能配电箱(3)、蓄电池(4)、太阳能控制器(5)、太阳能逆变器(6)、时间控制器(7)、电源插座(8)、空气压缩机(9)、水上漂浮平台(12)、水生植物(13)；蓄电池(4)、太阳能控制器(5)、太阳能逆变器(6)、时间控制器(7)、电源插座(8)、空气压缩机(9)位于太阳能配电箱(3)中；

水面部分包括：人工浮岛(14)、中空花碟(17)、内置塑料泡沫(15)、尼龙渔网(18)；

水下部分包括：生物碳纤维水处理填料(19)、曝气沙头(20)、硅胶软管(21)、花篮(16)、陶粒(22)。

太阳能光伏板贴于太阳能支架表面，太阳能支架置于太阳能配电箱之上，太阳能支架与太阳能配电箱表面构成三角板支架结构；太阳能光伏板与太阳能配电箱内的太阳能控制器相连，太阳能配电箱固定在水上漂浮平台上，水上漂浮平台的四角固定在人工浮岛上，防止随水漂走。

水上漂浮平台固定到人工浮岛上，人工浮岛上表面分为三部分，第一部分固定水上漂浮平台，第二部分用于固定中空花碟，中空花碟内嵌套内置塑料泡沫(17)，中空花碟下面对应有花篮，花篮内装有陶粒；花篮上长有水生植物，水生植物的根系固定到陶粒之间；水生植物茎叶部分通过内置塑料泡沫(15)伸出水面上；人工浮岛的第三部分表面设有渔网，渔网上有水生植物；优选第一部分位于中间，第三部分位于周边。

即水面部分中内置塑料泡沫内嵌于中空花碟中，花篮套进在中空花碟上，花篮种有水生植物由陶粒固定，中空花碟整体固定在人工浮岛上。中空花碟整体固定在人工浮岛上，可以为自身提供浮力，同时也可以为人工浮岛整体提供一部分浮力。

生物碳纤维水处理填料(19)为长串结构，竖直向下，上端固定到人工浮岛上，硅胶软管(21)一端与空气压缩机(9)相连，硅胶软管(21)的另一端与曝气沙头(20)连接；下面的四周均设有多个生物碳纤维水处理填料(19)在人工浮岛，至少每两根生物碳纤维水处理填料(19)之间设有一硅胶软管(21)和曝气沙头(20)；

太阳能光伏板(1)由电线(10)单向连接太阳能控制器(5)的输入端，太阳能控制器(5)的输出端单向连接至蓄电池(4)的正极，蓄电池的负极单向连接太阳能逆变器(6)的输入端，太阳能逆变器(6)的输出端单向连接电源插座(8)，时间控制器(7)连接在电源插座(8)上，空气压缩机单向连接在时间控制器(7)上。上述的所有连接均采用电线连接。太阳能配电箱(3)中有设计好的槽便于所述的电器的放置。可用多个蓄电池(4)串联成蓄电池组。

太阳能光伏板与太阳能控制器连接，太阳能控制器可有效保护蓄电池充电过饱和影响其使用寿命。在长期的使用过程中，蓄电池往往会因为充电过饱和的原因减短使用时间，所以需要太阳能控制器加以调控，太阳能控制器可以检测蓄电池电量从而确定蓄电池是否为电量饱和状态，从而可以断开或者链接太阳能板与蓄电池直接的连接。

进一步太阳能逆变器与蓄电池相连转换电压，太阳能逆变器可以将蓄电池24伏电压转换为220伏电压，从而为220伏的空气压缩机提供电能。

进一步时间控制器与太阳能逆变器相连用于灵活控制电器的供电时间。时间控制器可以调节蓄电池的供电时间，从而灵活控制空气压缩机曝气时间，既可以提供水中好氧条件，也可以提供缺氧及厌氧条件。

优选的水生植物包括美人蕉、香蒲、梭鱼草、菖蒲、鸢尾、狐尾藻、菹草、睡莲、水葱、千屈菜、黑藻、荷花、金钱草，具体植物种类根据当地具体条件确定。

进一步太阳能光伏板夏季时与水平方向夹角为30度，冬季时夹角为45度。因为不同季节正午太阳直射时光线与地面的正交夹角不同，需要太阳能支架可以灵活调整太阳能光伏板与地面的夹角。

进一步的硅胶软管的一端连于空气压缩机上，另一端连于曝气沙头上并置于水下。硅胶软管水下长度与生物碳纤维水处理填料长度一致，可为生物碳纤维水处理填料上附着的生物膜提供好氧条件。

进一步水下部分中生物碳纤维水处理填料绑于人工浮岛的框架上并沉于水中，生物碳纤维水处理填料可以在受污染水体中迅速聚集微生物达到生成生物膜的作用，悬挂的数量由受污染水体的严重程度决定，一般为8-20根每人工浮岛(14)。

太阳能配电箱(3)的顶部有固定太阳能支架(2)的开口，太阳能配电箱(3)的两侧面具有通风散热孔，内部分为两层，上层为置物层，下层为隔水层，隔水层的四角开有导水口；置物层上放置电器，隔水层为了防止水位上升带来的电器短路问题。

本发明提供一种水生态修复方法，所述方法包括如下步骤：

A、将所述的构建好的太阳能生态浮岛放置在受污染的水体中；

B、将所述的太阳能生态浮岛的前期运行模式用时间控制器调节以曝气为主的运行模式，其目的在于使水下部分中生物碳纤维水处理填料尽快形成生物膜，此阶段称为挂膜期；此阶段运行周期在每24小时内分平均分为3个等长的小周期，每个小周期长8小时。在这个8小时中，空气压缩机连续运行时间为6小时，停止2小时；此阶段运行时间为20天。这样的目的是因为在好氧的条件下，好氧微生物的挂膜速度快于厌氧微生物的挂膜速度，当生物膜形成后，生物膜内侧的好氧菌会由于生物膜厚度原因形成缺氧区，从而形成缺氧微生物；

C、在挂膜期后，将所述的太阳能生态浮岛的运行模式更改为以处理水质为目的的运行模式，将每天的24小时分为3个连续的、等时长的小周期，每个小周期长8小时；在这个8小时中，空气压缩机连续运行时间为3小时，停止3小时；按此运行模式处理受污染水质。这样的目的是因为在曝气的条件下有利于受污染水体中COD的去除，氨氮在好氧条件下易于通过硝化反应生成硝酸盐氮，但是在氮去除过程中需要提供缺氧条件，需要减少空气压缩机的曝气时间或曝气量。

基于上述技术方案，本发明的优点是：

本发明的新型太阳能生态浮岛可以通过太阳能光伏板吸收能量，通过蓄电池将能量储存起来作为能量源，从而不需要施工队对电缆的施工及布控。和传统的太阳能生态浮岛提供的氧气的螺旋桨造流的方式不同，本发明的新型太阳能生态浮岛通过空气压缩机、硅胶软管、曝气沙头，直接准确的、快速的、高效的将氧气提供至生物碳纤维水处理填料处，同时形成造流，从而极大的提高了受污染水体的净化效率。本发明的新型太阳能生态浮岛中生物碳纤维水处理填料具有高效的吸附能力，可以大大增加生物膜的表面积，从而在微生物的种类及数量上有着极大的优势，同时由于在水中竖直方向增加了生物碳纤维水处理填料，这对生态浮床的抗风浪能力及稳定性有着极大的提升，从而增加了本发明在实际应用中的稳定性以及寿命。同时，生物碳纤维水处理填料在水中可为水中的动物提供栖息、繁殖的场所，极大的增加了水体生物多样性。

本发明的新型太阳能生态浮岛在对实际受污染的水体中，能够高效的去除水体黑臭现象，对河流、湖泊的富营养化有着极大的改善作用，能够高效脱氮、除磷、降低COD等污染物，同时具有前期投资成本低、后期运行维护费用小、稳定性高、灵活性强、管理方便、美观实用和为水生动物提供栖息繁衍的场所等优点，对改善受污染水体水质及构建水体生态多样性有着极大作用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为新型太阳能生态浮岛结构示意图。

图2为太阳能配电箱结构示意图。

图3为太阳能配电箱内置物层俯视图。

图4为新型太阳能生态浮岛的电路原理图。

其中，1为太阳能光伏板，2为太阳能支架，3为太阳能配电箱，4为蓄电池，5为太阳能控制器，6为太阳能逆变器，7为时间控制器，8为电源插座，9为空气压缩机，10为电线，11为太阳能配电箱顶部，12为水上漂浮平台，13为水生植物，14为人工浮岛，15为内置塑料泡沫，16为花篮，17为中空花碟，18为渔网，19为生物碳纤维水处理填料，20为曝气沙头，21为硅胶软管，22为陶粒，23为置物板，24为支架固定孔，25为通风孔，26为排水口。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

本发明提供了一种新型太阳能生态浮岛，如图1-3所示，它包括三个部分，水上部分包括：太阳能光伏板1、太阳能支架2、太阳能配电箱3、蓄电池4、太阳能控制器5、太阳能逆变器6、时间控制器7、电源插座8、空气压缩机9、电线10、螺丝11、水上漂浮平台12、水生植物13；水面部分包括：人工浮岛14、中空花碟17、内置塑料泡沫15、渔网18；水下部分包括：生物碳纤维水处理填料19、花篮16、曝气沙头20、硅胶软管21、陶粒22。

太阳能光伏板1为250瓦36伏，可以将光能转化为电能储存在蓄电池4中。蓄电池4的额定电压为直流12伏电压，70安时的容量，需要将两块蓄电池4串联组成24伏蓄电池组。太阳能逆变器6将24伏的蓄电池4电压转化为220伏电压，可以为空气压缩机9提供电能。所述的空气压缩机9参数为220伏42瓦，有4个出气口。所述的空气压缩机9有两台，可以提供8个出气口，和硅胶软管21相连，曝气沙头20连接硅胶软管21的另一端。

太阳能光伏板1由电线10单向连接太阳能控制器5的输入端，太阳能控制器5的输出端单向连接至蓄电池4组的正极，2个蓄电池4串联成24伏的蓄电池组，蓄电池组的负极单向连接太阳能逆变器6的输入端，太阳能逆变器6的输出端单向连接电源插座8，时间控制器7连接在电源插座8上，空气压缩机单向连接在时间控制器7上。上述的所有的电器均置于设计好的太阳能配电箱3中，太阳能配电箱3中有设计好的槽便于所述的电器的放置，太阳能配电箱3。由于不同季节正午阳光直射地面的夹角不同，故需要调节太阳能支架2的角度以便于更高效的接受日照，夏季太阳能板与水平方向的夹角为30度，冬季为45度。

白天，太阳能能光伏板1不断为蓄电池4充电，同时控制空气压缩机9为水中曝气、造流。同时，水生植物13的根系在受污染水体中吸收氮、磷等物质进行生长，实现污染物的去除，生物碳纤维水处理填料19不断聚集微生物，在好氧与厌氧交替的条件下，不断的使水中的污染物降解，达到水体修复目的。夜晚，蓄电池4可以不断的为水中提供氧气，可以使得生物碳纤维水处理填料19上的生物膜不断降解水中污染物，达到24小时不停歇修复水体。本发明中采用节能、高效、环保的太阳能光伏板1提供能量，故不需要外加供电引入，实现了运行过程中的零成本。

太阳能配电箱3尺寸为0.8米*1.6米，置于水上漂浮平台12上，水上漂浮平台12置于人工浮岛14中央，水上漂浮平台12四角由尼龙绳固定在人工浮岛14四周，防止随水漂走，水上漂浮平台12尺寸为2米*4米。人工浮岛14不为水上漂浮平台12提供浮力，仅仅起到固定作用。人工浮岛14表面由渔网18覆盖，渔网18表面均匀播撒水生植物13，如金钱草、菹草等。花篮16中种上水生植物13，如美人蕉、菖蒲等，用陶粒22固定，花篮16置于中空花碟17中，中空花碟17有序排摆在人工浮岛上14。生物碳纤维水处理填料19拴绑在人工浮岛14的四周，数量由水体污染程度而定，一般为8-20根。人工浮岛14的尺寸为4米*8米。

本发明的新型太阳能生态浮岛的生态修复原理如下：

受污染水体中的污染物质只要靠水体中的微生物进行降解，不同污染物需要在不同的溶解氧含量中得到去除。本发明中的生物碳纤维水处理填料19可以有效的、大量的聚集不同种类的微生物，使微生物在生物碳纤维水处理填料19上形成生物膜，在空气压缩机9提供的氧气下，生物膜可以好氧分解COD、氨氮等污染物，有效使发黑、发臭水体水质变好；当空气压缩机9停止提供的氧气时，生物膜可以在缺氧或者厌氧的条件下使硝酸盐变为氮气移除水体。同时生物碳纤维水处理填料19及其上形成生物膜类似水生植物根部，可为鱼类等水生动物提供生存、繁殖场所，增加了水体生物的多样性，更有益于水体的修复。

实施例2

本发明还提供一种水生态修复方法，通过构建新型太阳能生态浮岛，将水中大量微生物聚集在生物碳纤维水处理填料19和水生植物根部上，达到水体修复目的，其具体方法包括以下步骤：

A、将所述的构建好的新型太阳能生态浮岛放置在受污染的水体中；

B、将所述的新型太阳能生态浮岛的前期运行模式用时间控制器调节至以曝气为主的运行模式，其目的在于使独创的水下部分中生物碳纤维水处理填料尽快形成生物膜，此阶段称为挂膜期。此阶段运行周期在每24小时内分平均分为3个等长的小周期，每个小周期长8小时。在这个8小时中，空气压缩机连续运行时间为6小时，停止2小时。此阶段运行时间为20天。这样的目的是因为在好氧的条件下，好氧微生物的挂膜速度快于厌氧微生物的挂膜速度，当生物膜形成后，生物膜内侧的好氧菌会由于生物膜厚度原因形成缺氧区，从而形成缺氧微生物；

C、在挂膜期后，将所述的新型太阳能生态浮岛的运行模式更改为以处理水质为目的的运行模式，将每天的24小时分为3个连续的、等时长的小周期，每个周期长8小时。在这个8小时中，空气压缩机连续运行时间为3小时，停止3小时。按此运行模式处理受污染水质。这样的目的是因为在曝气的条件下有利于受污染水体中COD的去除，氨氮在好氧条件下也易于通过硝化反应生成硝酸盐氮，但是在氨的去除过程中需要提供缺氧条件，这就需要减少空气压缩机的曝气时间。

本发明的一种新型太阳能生态浮岛及水生态修复方法对城市湖泊、河流等黑臭水体、富营养化水体进行处理，能够消除黑臭水体并能够高效降解有机污染物、氨氮化合物及磷的去除，而且具有前期投资小，后期运行、维护成本低，高效、节能、稳定、灵活、美观的治理受污染水体，同时有助于水环境生物多样性的提升，从而达到治理受污染水体的目的。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；上述的实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的技术人员应当理解。依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种太阳能生态浮岛，其特征在于，分为三个部分：

水上部分包括：太阳能光伏板(1)、太阳能支架(2)、太阳能配电箱(3)、蓄电池(4)、太阳能控制器(5)、太阳能逆变器(6)、时间控制器(7)、电源插座(8)、空气压缩机(9)、水上漂浮平台(12)、水生植物(13)；蓄电池(4)、太阳能控制器(5)、太阳能逆变器(6)、时间控制器(7)、电源插座(8)、空气压缩机(9)位于太阳能配电箱(3)中；

水面部分包括：人工浮岛(14)、中空花碟(15)、、内置塑料泡沫(17)、尼龙渔网(18)；

水下部分包括：生物碳纤维水处理填料(19)、曝气沙头(20)、硅胶软管(21)、花篮(16)、陶粒(22)；

太阳能光伏板贴于太阳能支架表面，太阳能支架置于太阳能配电箱之上，太阳能支架与太阳能配电箱表面构成三角板支架结构；太阳能光伏板与太阳能配电箱内的太阳能控制器相连，太阳能配电箱固定在水上漂浮平台上，水上漂浮平台的四角固定在人工浮岛上，防止随水漂走；

水上漂浮平台固定到人工浮岛上，人工浮岛上表面分为三部分，第一部分固定水上漂浮平台，第二部分用于固定中空花碟，中空花碟内嵌套内置塑料泡沫(17)，中空花碟下面对应有花篮，花篮内装有陶粒；花篮上长有水生植物，水生植物的根系固定到陶粒之间；水生植物茎叶部分通过内置塑料泡沫(17)伸出水面上；人工浮岛的第三部分表面设有渔网，渔网上有水生植物；

生物碳纤维水处理填料(19)为长串结构，竖直向下，上端固定到人工浮岛上，硅胶软管(21)一端与空气压缩机(9)相连，硅胶软管(21)的另一端与曝气沙头(20)连接；下面的四周均设有多个生物碳纤维水处理填料(19)在人工浮岛，至少每两根生物碳纤维水处理填料(19)之间设有一硅胶软管(21)和曝气沙头(20)；

太阳能光伏板(1)由电线(10)单向连接太阳能控制器(5)的输入端，太阳能控制器(5)的输出端单向连接至蓄电池(4)的正极，蓄电池的负极单向连接太阳能逆变器(6)的输入端，太阳能逆变器(6)的输出端单向连接电源插座(8)，时间控制器(7)连接在电源插座(8)上，空气压缩机单向连接在时间控制器(7)上。上述的所有连接均采用电线连接。太阳能配电箱(3)中有设计好的槽便于所述的电器的放置。

2.按照权利要求1所述的一种太阳能生态浮岛，其特征在于，人工浮岛上表面的第一部分位于中间，第三部分位于周边。

3.按照权利要求1所述的一种太阳能生态浮岛，其特征在于，多个蓄电池(4)串联成蓄电池组。

4.按照权利要求1所述的一种太阳能生态浮岛，其特征在于，水生植物选自美人蕉、香蒲、梭鱼草、菖蒲、鸢尾、狐尾藻、菹草、睡莲、水葱、千屈菜、黑藻、荷花、金钱草。

5.按照权利要求1所述的一种太阳能生态浮岛，其特征在于，太阳能光伏板夏季时与水平方向夹角为30度，冬季时夹角为45度。

6.按照权利要求1所述的一种太阳能生态浮岛，其特征在于，硅胶软管水下长度与生物碳纤维水处理填料长度一致，每人工浮岛(14)设有8-20根碳纤维水处理填料(19)。

7.按照权利要求1所述的一种太阳能生态浮岛，其特征在于，太阳能配电箱(3)的顶部有固定太阳能支架(2)的开口，太阳能配电箱(3)的两侧面具有通风散热孔，内部分为两层，上层为置物层，下层为隔水层，隔水层的四角开有导水口；置物层上放置电器，隔水层为了防止水位上升带来的电器短路问题。

8.采用权利要求1-7任一项所述的太阳能生态浮岛进行水生态修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、将所述的构建好的太阳能生态浮岛放置在受污染的水体中；

B、将所述的太阳能生态浮岛的前期运行模式用时间控制器调节以曝气为主的运行模式，其目的在于使水下部分中生物碳纤维水处理填料尽快形成生物膜，此阶段称为挂膜期；此阶段运行周期在每24小时内分平均分为3个等长的小周期，每个小周期长8小时；在这个8小时中，空气压缩机连续运行时间为6小时，停止2小时；此阶段运行时间为20天；这样的目的是因为在好氧的条件下，好氧微生物的挂膜速度快于厌氧微生物的挂膜速度，当生物膜形成后，生物膜内侧的好氧菌会由于生物膜厚度原因形成缺氧区，从而形成缺氧微生物；

C、在挂膜期后，将所述的太阳能生态浮岛的运行模式更改为以处理水质为目的的运行模式，将每天的24小时分为3个连续的、等时长的小周期，每个小周期长8小时；在这个8小时中，空气压缩机连续运行时间为3小时，停止3小时；按此运行模式处理受污染水质。