CN107097918A - 湖体内源污染治理的水下机器人及沉积污染物的清理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湖体内源污染治理的水下机器人及沉积污染物清理方法。所需设备包括水下机器人以及与之配套的工作船。所述机器人配置气囊和多只推进器，用于空载时的沉浮、进退及转向；机器人壳体内配置翻动及冲刷沉积污染物的犁头和射流排，分散沉积污染物于水相中。在系统沉降历时和沉降间距相同的条件下，水相中粗颗粒泥沙沉降形成新的覆盖层,细颗粒污染物和藻种细胞悬浮于洗刷水。所述工作船为机器人提供动力、气流以及控制程序。作业时机器人沉底，由工作船绞盘拉拽在泥面行走。机器人排出的洗刷水由高压软管输送至工作船进行污/水分离，清水还湖，污染物和藻种压滤减容、装袋上岸，实现内源污染转移和底泥原位覆盖的双重目的。

Description

湖体内源污染治理的水下机器人及沉积污染物的清理方法

技术领域

本发明涉及一种富营养化水体治理和生态修复技术，尤其涉及的是一种湖体内源污染治理的水下机器人及沉积污染物的清理方法。

背景技术

近百年来，湖泊富营养化现象在世界范围内普遍发生。据统计，我国富营养湖泊占统计湖泊总数的56％。许多大型湖泊，如太湖、巢湖和滇池等，都处于重度富营养状态，成为我国一个非常突出的水环境问题。

富营养水体污染来源分外源(点源和/或非点源)与内源。外源污染可从源头上进行综合治理，减少污染物的输入。对污染较轻的湖泊，削减外源污染可使水质得到改善；但对富营养化程度较高的湖泊，减少外源营养负荷短期内并不一定能取得理想的效果，即使将外源营养盐输入降至水域受害前的水平，由于底泥积累的历史性负荷的长期影响，使得水域可能无法按照预想的轨迹恢复到未受损害前的水平而仍会长期处于富营养化状态。可见，在外源污染得到初步控制的情况下，湖泊内源污染治理显得更加迫切而重要。

湖泊内源污染主要起因于底泥沉积物。点源的污水排放、非点源的大气沉降和地表径流注入、水生生物残体的腐烂分解等，其中大部分的污染物最终被湖泊底泥所吸纳，使得沉积物中的污染物逐步富集起来。在一定条件下，这些污染物或分解释放或悬浮，将从三个方面对水质和水生态产生严重影响。其一，沉积有机物为微生物、原生动物和无脊椎动物提供食物和能量，这些生物的代谢呼吸消耗深层水中的氧气，并释放原先与有机物结合在一起的氮、磷等营养元素，使水体缺氧、营养水平上升；其二，沉积物覆盖秋末冬初下沉的藻细胞，不仅维持细胞周围一定的温差使其顺利越冬，而且为春季细胞复苏提供营养，成为夏秋藻华发生的种源；其三，沉积物由大量的极细的有机颗粒物组成，受到微小作用力即可悬浮且沉降缓慢，长期影响水体的透光性，使得沉水植物光合作用产生的有机质不足以补偿其呼吸作用的消耗而衰亡，导致水体从草型清水稳态转向藻型浊水稳态，生态严重退化、服务功能散失。

针对湖泊内源污染的成因，工程治理常用的物理方法有覆盖法和清淤疏浚法。对于浅水型湖泊，新增覆盖层可能垫高湖床影响水环境容量，清淤又可能带来次生污染。实际上，湖泊沉积物中的氮、磷等污染物含量大约占总量的千分之几，大部分是无害的泥沙。理想状况是使泥沙与污染物分离，将污染物转移出水，而泥沙原位覆盖形成新的沉积层。

发明内容

本发明集成现有技术的优点、克服其不足，提供了一种湖体内源污染治理的水下机器人及沉积污染物的清理方法，即通过水下机器人分散湖泊底泥沉积物于水相中，粗颗粒沉降形成新的沉积层，细颗粒污染物和藻种与水分离转移出水。

本发明是通过以下技术方案实现的。所述一种湖体内源污染治理的水下机器人，所述机器人壳体内安装至少一排翻泥机构，每排翻泥机构后安装一排射流喷嘴，冲刷翻动后的泥面，使得沉积污染物和藻种细胞分散于水相中；在系统沉降历时和沉降间距相同的条件下，粗颗粒泥沙沉降形成新的覆盖层，悬浮于水中的污染物和藻种与水分离而转移出水。

所述水下机器人与一艘工作船配套使用，所述工作船配置动力件、起吊装置、拉拽绞盘、空压机和污水处理系统。

所述水下机器人携带至少一只用于沉浮的气囊和多只用于进退转向的推进器，空载时可到达任何起始作业位置；水下机器人作业时沉入水底，由工作船上的绞盘缆绳拉拽行走；水下机器人壳体上垂直骨架的下部连接有弹性伸缩件/弹簧腿，沿拉拽行走方向两侧的弹簧腿的底部各安装有一条一定宽度的履带式承载板，便于机器人在凸凹不平的泥面拖行而不至于陷入泥中。

所述机器人壳体骨架的顶部和四侧面弹簧腿以上由轻型板材敷面，弹簧腿及以下部分为柔性材料(如帆布)围隔，下垂的围隔始终与泥面接触，构成与周边水体相对隔离的腔体，腔体内的任何扰动，如沉积物翻动、射流的冲刷等，不影响周边水体。

所述翻泥机构包括组装板和一组可拆卸(更换)的犁头，所述犁头包括犁杆和犁刀，犁刀紧固在犁杆的一端，犁杆另一端安装在组装板上，组装板固定在履带式承载板上，安装时，保证犁刀与泥面呈一定的角度，随机器人行进而翻动5～10cm深度的底泥沉积物。

每一排翻泥机构后设置一排射流冲刷机构，射流冲刷机构固定在承载板上，所述射流冲刷机构包括水射流件和/或气体射流件，所述水射流的高速水流由固定在机器人顶部的水枪提供；所述气体射流的高压气流由工作船上空压机提供。

履带式承载板还安装有平泥刷，所述平泥刷安装位置在所有翻泥/射流冲刷机构之后。

机器人壳体的板材壁面、四侧面板内表面沿重力方向安装的多个挡流板，以及翻动后的起伏泥面，共同构成固体边界限制的湍流水力学构型。射流冲刷产生湍流，泥面湍流的剪切力使更大面积的沉积污染物分散于洗刷水。湍流含有物相互混掺、流体质点紊动，以及质点与壁碰撞、与水摩擦等使得不同粒度的颗粒物进一步分散开来。分散开的颗粒受重力和流体力的作用或沉降或悬浮，在系统沉降历时和沉降间距相同的条件下，粒径>30μm的颗粒将沉降，在泥面形成新的覆盖层，而细颗粒污染物和沉底藻细胞(藻种)悬浮于洗刷水。

壳体尾部固定于顶部骨架至少有一台潜水泵。潜水泵总流量为100～150m³/h。上层洗刷水被潜水泵泵出，由高压软管输送至工作船污水处理系统进行污/水分离。所述高压软管的长度由机器人与工作船的作业距离确定，一般50～200m为宜。高压软管事先由浮球吊装于水面，不仅作为机器人排出的洗刷水输送至工作船污水处理系统的管道，也作为工作船为机器人提供动力、信号和压缩空气等管线的载体。

所述工作船配置起吊装置、动力件、空压机、机器人拉拽机构和污水处理系统。所述起吊装置用于机器人下水，以及所有上下工作船的重物(如船用部件、絮凝剂、分离后的污染物等)搬运；所述动力件包括为工作船和机器人提供动力的发电机组和配电柜；所述空压机为机器人气射流提供高压气流、为气囊充气；所述拉拽机构包括拉拽机器人的绞盘、滑轮组和缆绳；所述污水处理系统包括絮凝剂投加、搅拌桨、絮凝沉淀池和压滤机等。

所述水下机器人湖体内源沉积污染物清理的方法，包括以下步骤：

(1)工作船锚定，绞盘拉拽缆绳与机器人拉拽钩连接；高压软管(包括电缆、控制线和压缩空气管)两端与水下机器人和工作船对应接口、接头连接；启动推进器，机器人抵达起始工作位置，调整方位，关闭推进器；气囊放气，机器人沉底，启动水(气)射流；

(2)绞盘拉拽机器人在底泥上行走，行走速度1.0～2.0m/min；翻泥机构翻动底泥，射流冲刷翻动后的泥面，同时产生湍流，使得沉积物和藻种细胞分散于冲刷水中；湍流含有物相互碰撞或与水、器壁的摩擦碰撞进一步分散开来；

(3)在系统沉降历时和沉降间距相同的条件下，粗颗粒泥沙沉降形成新的覆盖层，细颗粒污染物和藻细胞悬浮于洗刷水，由置于机器人顶部的潜水泵经高压软管输送至工作船污水处理系统，污水经絮凝沉淀，上层清水还湖，污泥沉淀后定期清出，压滤减容后装袋运至岸上；

(4)水下机器人抵近工作船完成第一轮工作片作业；浮起，横移一定位置，回退到起始作业位，沉底进行相邻片区(第二轮工作片)的作业。如此重复，直至设定水域内的底泥沉积污染物和藻种洗刷完毕，转移出水。

本发明的水下机器人适用于局部水深<6m的湖泊、水库、缓流河流和景观水的内源污染治理；对于水深>6m的水域，水下机器人可自带行走机构在泥面行走；对于宽度<100m的河流或小型湖泊、景观水，工作船可用车载机构代替。

本发明与现有技术比较具有以下特点：本发明既转移了沉积污染物，又使洗净的粗颗粒泥沙原位沉降形成新的覆盖层，即不仅同时实现了传统清淤和覆盖法的功效，而且克服了它们的不足。本发明适用于局部水深<6m的湖泊、水库、缓流河流和景观水的内源污染治理。对于水深>6m的水域，水下机器人可自带行走机构在泥面行走；对于宽度<100m的河流或小型湖泊、景观水，工作船的功能可用车载机构代替。

附图说明

图1是本发明水下机器人的结构示意图；

图2是工作船的结构示意图；

图3是本发明的工作示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例所述的湖体内源污染治理水下机器人包括图1所示的机器人和图2所示的与机器人配套的工作船。

如图1所示，箭头所指为机器人作业时的行进方向。所述机器人壳体1长(行进方向)4～5m、宽3～4m、高0.6～0.8m，垂直骨架的下部连接可伸缩件6(弹簧腿)；沿行进方向两侧的弹簧腿底部各安装一条宽15～20cm履带式承载板12。弹簧腿和履带式承载板配合，使机器人能够在凹凸不平的泥面上滑行。

所述壳体的上表面和四侧面弹簧腿以上部分由轻型板材敷面，敷面板内表面沿重力方向安装多个挡流板9；弹簧腿及以下部分为柔性材料(如帆布)围隔3。下垂的柔性围隔始终贴在凹凸不平的泥面上，使得壳体内任何扰动不影响周边的水体。

机器人壳体的顶部安装两个气囊14，每个气囊充气体积为1m³、充气压力0.12-0.15兆帕；壳体前后左右分别安装有螺旋桨推进器2。通过控制气囊压力、驱动推进器，实现机器人沉浮、进退和转向。配合GPS定位仪28，机器人可到达任何作业地点、调整到最佳的工作状态。

所述机器人壳体内设置多排翻泥机构和射流冲刷机构。翻泥机构8固定在履带式承载板12上。所述翻泥机构包括组装板和一组可拆卸(更换)的犁头。所述犁头包括犁杆和犁刀，犁刀紧固在犁杆的一端，犁杆另一端安装在组装板上。安装时，保证犁刀与泥面呈一定的角度，随机器人行进而翻动5～10cm深的底泥沉积物。

每一排翻泥机构后设置一排射流冲刷机构，射流冲刷机构固定在承载板上。所述射流冲刷机构包括水射流件和/或气体射流件。本实施例的气体射流10由工作船上空压机产生的压缩空气通过气管17提供高压气流；水射流由安装在壳体顶部的水枪7提供高速水流。所述射流的喷嘴距离泥面2～3cm，通过水(气)射流冲刷翻起的底泥沉积物，使其分散于洗刷水中。

所述履带式承载板还安装有平泥刷11。所述平泥刷位于泥面翻转机构8、射流冲刷机构10之后。通过平泥刷滚动或平动，平整处置后的泥面。

机器人壳体的板材壁面、挡流板以及翻动后的起伏泥面，共同构成固体边界限制的湍流水力学构型。射流冲刷产生湍流，泥面湍流的剪切力使更大面积的沉积污染物分散于洗刷水。湍流含有物相互混掺、流体质点紊动，以及质点与壁碰撞、与水摩擦等使得不同粒度的颗粒物进一步分散开来。分散开的颗粒受重力和流体力的作用或沉降或悬浮，在系统沉降历时和沉降间距相同的条件下，粒径>30μm的颗粒将沉降，在泥面形成新的覆盖层；而细颗粒污染物和沉底藻细胞(藻种)悬浮于洗刷水。

壳体顶部(尾部)设有潜水泵13，流量为100～150m³/h。上层洗刷水被潜水泵13泵出，由管道16的法兰27连接的高压软管29输送至工作船污水处理系统进行污/水分离。

壳体顶部设有用于固定管线的支撑杆18和26。通过装配管道15的潜水泵出水管16、压缩空气管17由支撑杆26和18的紧固环紧固，便于与高压软管29连接。压缩空气管17上设有气体射流阀19和两根为气囊充气的支管：通过左进气阀21和左进气管24、右进气阀22和右进气管25分别向左右气囊14充气。两根支管上还分别设有左放气阀20和右放气阀23。

如图2所示，与水下机器人配套使用的工作船长18～25m、宽8～10m，吃水深度0.8m。工作船安装有起吊装置50、空压机36、发电机房41、控制室44，以及水下机器人拖拽机构和污水处理系统等。机器人动力电缆从发电机房41、控制管线从控制室44、压缩空气管从空压机36通过穿线管40，在出口33将与绑定在高压软管29上的相对应的管线接头连接。所述拖拽机构包括缆绳31、滑轮组件34和绞盘35；所述污水处理系统包括絮凝剂溶解池49、搅拌桨48、压滤机39，以及污水处理槽。所述污水处理槽总长10～12m、宽6m、深0.8m，前部为混凝池37，后部为沉淀池38。

高压软管29是连接水下机器人和工作船的纽带，由浮球吊装于水面。高压软管29不仅作为机器人壳体内洗刷水的输送管道，而且作为工作船控制水下机器人的动力电缆、控制信号线和压缩空气管等的载体。高压软管29及绑定在其上的管线的长度视机器人与工作船预设的作业距离确定，如50m、100m、150m和200m不等。

如图3所示，在湖体预定水域(如湖湾、入湖河流冲积区等)需要进行内源污染治理之前，测量船采用声纳探测仪确定湖底基本地形，通过GPS技术将测试点数据传递至一台控制机器人运行的PC机或平板电脑中。被测试的水域可以数值形式分成地形或水深基本相近的若干区位(小块面积)，标出固定构筑物坐标，移出粗大障碍物。各小区底泥取样分析，为作业区底泥洗刷方式提供参考。通过地形、水深和沉积物特征编制机器人运行程序。

所述工作船通过水路抵达图3所示作业区附近的码头，水下机器人运至码头装卸平台，用备用压力软管连接图1中进气管17和图2中空压机36。开启空压机、打开充气阀21和22为左右气囊14充气。达到气囊压力后关闭充气阀，卸下备用压力软管。

机器人顶部前后吊钩4挂在工作船起吊机50上，吊起机器人放至水面。

驱动工作船抵达作业区边线2～3m处，调整方位，船头朝向水域，船体轴线与水域边线垂直，由船尾锚钩42锚定。

所述高压软管29预先由浮球吊挂漂浮在工作船附近水面，其长度视工作片区大小在50m～200m之间选定。高压软管及其上绑定的电缆、信号线和压缩空气管的两端分别与工作船和机器人相对应的接口、接头连接。

工作船缆绳31与机器人拉拽钩30连接，吊钩4与工作船起吊机50脱钩。松开绞盘放线(缆绳)，驱动机器人推进器抵达起始作业位置L0，启动转向推进器调整方位，使得机器人的轴线与拉紧的缆绳重合。

打开放气阀20和23使左右气囊14放气，机器人下沉触底，由工作船绞盘拖拽行走。行走过程中翻泥机构8的犁刀翻动底泥沉积物。

开启水枪7，启动空压机36、打开射流阀19，冲刷翻动后的沉积物，同时产生固体边界约束的高湍度湍流(紊流)。泥面紊流的剪切力使机器人四周壁面限定的所有泥面沉积污染物分散于洗刷水而不扰动腔体外的水体。高湍度紊流充分洗涤其中的含有物，使得不同粒度的颗粒物进一步分散开来。在重力和流体力作用下，粗颗粒沉降泥面形成新的覆盖层，细颗粒污染物和藻细胞(藻种)悬浮于洗刷水。

由于底泥沉积物分散、洗刷、粗颗粒沉降需要足够的时间，机器人行走速度控制在1.0～2.0m/min。由此确定绞盘35转动的线速度不超过2.0m/min。

潜水泵13泵出洗刷水。洗刷水经管道16、高压软管29，由工作船接口32输送至混凝池37。从溶解池49向混凝池投加絮凝剂，启动搅拌桨48，洗刷水含有物与絮凝剂充分混凝形成絮体，漫过堰板47，进入沉淀池38。沉淀池水流平缓，便于絮体发育长大，最终沉入池底。沉淀池上层清水由集水槽46，通过船尾出水口43还湖；沉入池底的底泥沉积污染物和藻细胞定期由污泥泵管道45输入压滤机39，压滤减容后装袋，由起吊机吊起放入运输船运往岸上，实现沉积污染物和藻种的转移。

机器人完成第一轮工作片区沉积污染物清理任务后抵近工作船(图3中的终点线L)，停止射流阀19、停止潜水泵13和水枪7电源，打开充气阀21和22为气囊14充气。机器人上浮，清除格栅5收集的故障物(如塑料袋、酒瓶、石块及其他杂物)。

拖拽绳31从滑轮①转换至滑轮②(滑轮①、②、③、④间距为3～4m)。横移机器人，使得中心轴移至滑轮②的位置。

机器人自驱动抵达起始工作线L0，调整方位，下沉，重复上一轮的运行程序进行紧邻第一工作片区的第二轮片区沉积污染物清理。

当机器人完成四个工作片区沉积污染物清理任务后，工作船平移9～12m，停泊、锚定，重复上述程序，进行下四个作业片区的清理。

如果机器人作业距离60m，泥面行走速度2.0m/min，每一轮工作片洗刷时间30min。相邻工作片转换时间为10min，则每2小时40分钟移动一次工作船。工作船移动一次20min，则，一只水下机器人每天工作8小时可洗刷泥面约1920-2560m²。以此类推，直到所预定水域底泥全部洗刷一遍为止。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种湖体内源污染治理的水下机器人，其特征在于，所述水下机器人壳体内安装至少一排翻泥机构，每排翻泥机构后安装一排射流喷嘴，冲刷翻动后的泥面，使得沉积污染物和藻种细胞分散于水相中；在系统沉降历时和沉降间距相同的条件下，粗颗粒泥沙沉降形成新的覆盖层，悬浮于洗刷水中的污染物和藻种与水分离而转移出水。

2.根据权利要求1所述的一种湖体内源污染治理的水下机器人，其特征在于，所述水下机器人与一艘工作船配套使用，所述工作船配置动力件、起吊装置、拉拽绞盘、空压机和污水处理系统。

3.根据权利要求1所述的一种湖体内源污染治理的水下机器人，其特征在于，所述水下机器人携带至少一只用于沉浮的气囊和多只用于进退转向的推进器，空载时可到达任何起始作业位置；水下机器人作业时沉入水底，由工作船上的绞盘缆绳拉拽行走；水下机器人壳体上垂直骨架的下部连接有弹性伸缩件/弹簧腿，沿拉拽行走方向两侧的弹簧腿的底部各安装有一条履带式承载板。

4.根据权利要求3所述的一种湖体内源污染治理的水下机器人，其特征在于，所述壳体的骨架的顶部和四侧面弹簧腿以上部分由板材敷面，四侧敷面板内表面沿重力方向安装多个挡流板，弹簧腿及以下部分为柔性材料敷面，构成与周边水体相对隔离的腔体。

5.根据权利要求3所述的一种湖体内源污染治理的水下机器人，其特征在于，所述翻泥机构包括组装板和一组可拆卸和更换的犁头，所述犁头包括犁杆和犁刀，犁刀紧固在犁杆的一端，犁杆另一端安装在组装板上，组装板固定在履带式承载板上，犁刀与泥面呈一定的角度，随水下机器人行进而翻动底泥沉积物。

6.根据权利要求5所述的一种湖体内源污染治理的水下机器人，其特征在于，每一排翻泥机构后设置一排射流冲刷机构，射流冲刷机构固定在承载板上，所述射流冲刷机构包括水射流件和/或气体射流件，所述水射流的高速水流由固定在水下机器人顶部的水枪提供，所述气体射流的高压气流由工作船上空压机提供。

7.根据权利要求6所述的一种湖体内源污染治理的水下机器人，其特征在于，所述履带式承载板还安装有平泥刷，平泥刷位于所有翻泥/射流冲刷机构之后。

8.根据权利要求2所述的一种湖体内源污染治理的水下机器人，其特征在于，所述的水下机器人排出的污水由高压软管输送至工作船污水处理系统，所述高压软管由浮球吊装于水面，其长度匹配水下机器人与工作船预设的作业距离，水下机器人所需动力电缆、控制信号线和压缩空气管绑定在高压软管上，所述污水处理系统将水下机器人排出的污水絮凝沉淀，上层清水还湖，沉淀的污泥定期清出，压滤减容后装袋运至岸上。

9.一种使用如权利要求1～8任一项所述的水下机器人进行沉积污染物清理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)工作船锚定，绞盘拉拽缆绳与机器人拉拽钩连接；高压软管、电缆、控制线和压缩空气管两端与水下机器人和工作船对应接口、接头连接；启动推进器，水下机器人抵达起始工作位置，调整方位，关闭推进器；气囊放气，机器人沉底，启动水和气体射流；

(2)绞盘拉拽水下机器人在底泥上行走，行走速度1.0～2.0m/min；翻泥机构翻动底泥，射流冲刷翻动后的泥面，同时产生湍流，使得沉积物和藻种细胞分散于冲刷水中；湍流含有物相互碰撞或与水、器壁的摩擦碰撞进一步分散开来；

(3)在系统沉降历时和沉降间距相同的条件下，粗颗粒泥沙沉降形成新的覆盖层,细颗粒污染物和藻细胞悬浮于洗刷水，由置于水下机器人顶部的潜水泵经高压软管输送至工作船污水处理系统，污染物与水分离而转移上岸；

(4)水下机器人抵近工作船完成第一轮工作片区作业，水下机器人浮起，横移一定间距，回退到起始作业位，沉底进行相邻片区的作业，如此重复，直至设定水域内的底泥沉积物洗刷完毕，污染物转移出水。

10.如权利要求1～9任一项所述的一种湖体内源污染治理的水下机器人在水域中的应用，其特征在于，所述水下机器人适用于局部水深<6m的湖泊、水库、缓流河流和景观水的内源污染治理；对于水深>6m的水域，水下机器人可自带行走机构在泥面行走；对于宽度<100m的河流或小型湖泊、景观水，工作船可用车载机构代替。