CN107777793A - 一种基于太阳能的混合充氧水质改善装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太阳能的混合充氧水质改善装置，包括水泵系统、水流上升系统、文丘里进气系统、浮体和锚固墩；其中，浮体用于漂浮在水面上，锚固墩设置在水体底部，并与浮体连接；水泵系统包括设置在浮体上的太阳能发电装置以及设置在水中的水泵，且太阳能发电装置用于为水泵供电；文丘里进气系统包括两端开口且纵向设置的文丘里管以及连通在文丘里管喉部的若干进气管，进气管的进气口位于水面之上；水流上升系统在纵向贯穿于浮体，其底部与文丘里管的上部直筒连接，文丘里管的下部直筒底部与水泵的进水口连通。本发明能够绿色低碳运行，可经济、高效、无电耗地原位改善浅水河流湖库水体水质、控制水体富营养化。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于太阳能的混合充氧水质改善装置，适合用于各类湖泊水库、景观水等水体，以太阳能作为动力，通过混合水体及负压充氧来控制水体富营养化。
背景技术
随着社会经济的快速发展，湖泊水库等水体萎缩、富营养化形势非常严峻。根据调查与研究表明，自20世纪50年代以来，全国大于10km2湖泊中，干涸面积4326km2，萎缩减少面积9570km2，蓄水量减少516亿立方米。上世纪70年代，我国湖泊富营养化面积约为135km2，目前该面积已激增了60倍。水温分层是目前大水深湖泊水库水质污染的一个主要诱因。由于中间跃温层阻碍了表层和底层之间物质和能量交换，底层等温层溶解氧补充量非常小，加上水体内部自然的生物和化学反应的发生而不断消耗溶解氧，一旦处于缺氧厌氧状态，底泥中各种无机和有机污染物就会大量释放，形成内源污染，在春季翻库季节造成整个湖库水体污染，氮、磷浓度升高，继而在水温较高、太阳辐射较强的季节，引起浮游植物大量繁殖。进行人工混合循环、破坏水温分层是原位控制湖库水质污染的一个重要技术方法。
随着生活水平的提高，人们越来越向往小桥流水如诗如画般的生活环境，向往碧波荡漾，鱼鸟成群的自然美景。在城市绿地、公园建设和大型标志性建筑中，人工湖泊、人工河道及景观水池不断涌现，房地产开发中水景住宅也成为一大热点。城市景观水体多为静止或流动性差的封闭缓流水体，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。故水体富营养化不仅在湖泊、水库这些大尺度封闭或半封闭性水体中发生，而且也可能在城市各类小尺度人工景观水体中发生，使藻类异常增殖，产生水华或湖靛，水体透明度下降，溶解氧降低，水质严重恶化，严重影响居民生活。因此，如何改善景观水的水质也已成为迫切需要解决的一个难题。
目前湖泊水库、景观水体富营养化原位控制技术主要有三种：采用化学(如投加硫酸铜)、生物(如养鱼)、物理(捕捞收割)等方法直接去除已生长的藻类；投加化学氧化剂和钝化剂对沉积物进行氧化和钝化处理，沉积物覆盖和疏浚也有使用，但成本较高、实施不易、还会新增污染物；通过混合充氧破坏水体分层和增加溶解氧浓度(机械、水力、曝气)，抑制底泥中污染物释放和形成不利于藻类生长的环境来控藻。综合各类技术的环境、经济和社会效益，曝气混合充氧是目前相对较好、应用较广的技术。但尽管如此，目前的曝气混合充氧技术都是在湖泊水库底部进行曝气充氧，同时利用气体提升水体进行混合，由于供气压力必须大于水深，导致混合充氧系统的能量需求很大、需要大型空压机，并且能耗高、能量效率低(一般在10％以下)，此外水下安装维护困难。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于太阳能的混合充氧水质改善装置，运用基于太阳能的电机驱动装置混合上下层水体，同时通过负压吸气的方法对被提升的底部水体在表层进行充氧，实现经济、高效、便捷地原位改善水体水质。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种基于太阳能的混合充氧水质改善装置，包括水泵系统、水流上升系统、文丘里进气系统、浮体和锚固墩；其中，
浮体用于漂浮在水面上，锚固墩设置在水体底部，并与浮体连接；
水泵系统包括设置在浮体上的太阳能发电装置以及设置在水中的水泵，且太阳能发电装置用于为水泵供电；
文丘里进气系统包括两端开口且纵向设置的文丘里管以及连通在文丘里管喉部的若干进气管，进气管的进气口位于水面之上；
水流上升系统在纵向贯穿于浮体，其底部与文丘里管的上部直筒连接，文丘里管的下部直筒底部与水泵的进水口连通。
本发明进一步的改进在于，锚固墩通过尼龙吊绳与浮体连接。
本发明进一步的改进在于，水泵通过尼龙绳与浮体连接。
本发明进一步的改进在于，水泵为立式水泵，其吸水口在立式水泵中部，出水口在立式水泵顶端。
本发明进一步的改进在于，若干进气管周向均匀连通在文丘里管喉部，且进气管的进气口朝下设置。
本发明进一步的改进在于，水流上升系统包括在纵向贯穿于浮体的出水延伸筒，该出水延伸筒的底部与文丘里管的上部直筒连接，顶部通过周向设置的若干支撑杆连接有顶部水平导流板。
本发明进一步的改进在于，出水延伸筒的底部内侧开设有内螺纹，文丘里管的上部直筒外侧设置有外螺纹，使得出水延伸筒的底部与文丘里管的上部直筒螺纹连接。
本发明进一步的改进在于，出水延伸筒的顶部外侧设置有一圈硅胶面，若干支撑杆通过卡箍周向设置在出水延伸筒的顶部外侧。
本发明进一步的改进在于，顶部水平导流板的底部设置有流线型导流锥台，且流线型导流锥台的中心线与出水延伸筒的中心线重合。
本发明进一步的改进在于，文丘里管和出水延伸筒的尺寸与水泵流量以及最大安装高度之间的关系式为：
其中，D1－文丘里管的缩小管内径；
D2－文丘里管的上部直筒内径；
D3－出水延伸筒内径；
g－重力加速度；
ρ－水的密度；
Q－水泵出水流量；
ΔD1－进气管的出气口最大水下安装高度；
λ－摩擦阻力系数；
P1－大气压；
基于文丘里管中空气流速的曝气量的计算公式为：
其中，β－气体体积膨胀系数；
v文－文丘里管中空气流速；
t－气体平均温度，℃；
K－局部阻力系数；
Dg－进气管直径；
ΔD2＝ΔD1+0.15，其中0.15表示进气管的进气口高于水面0.15m。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明可以根据水体污染情况及景观要求选择混合模式。当水流上升系统的顶部位于水面上方时，水流在水泵作用下依次流经文丘里管的上部直筒、缩小管、下部直筒和水流上升系统，在缩小管处因过流断面变小获得一个较大的流速，根据文丘里原理，当流速大到一定数值时，会在缩小管中产生负压，空气则从进气管中进入缩小管，完成充氧过程；当水流冲击到水流上升系统顶部时，向四周喷射，形成二次充氧过程；从水流上升系统流出的水流可以混合一定范围的水体，将下层水体提升到水体上层并充氧；露出水面的喷射水流还可以作为一个景观喷泉。当水流上升系统顶部位于水面下时，从水流上升系统流出的水流可以混合更大范围的水体，但水流只完成一次充氧过程。
进一步，水泵为立式水泵，其吸水口在立式水泵中部，出水口在立式水泵顶端，进而方便水泵进水，并且可以避免将水底的杂物吸入。
进一步，若干进气管周向均匀连通在文丘里管喉部，且进气管的进气口朝下设置，如此便可以有效避免从水流上升系统喷出的水堵塞进气管。
进一步，水流上升系统包括在纵向贯穿于浮体的出水延伸筒，该出水延伸筒的底部与文丘里管的上部直筒连接，顶部通过周向设置的若干支撑杆连接有顶部水平导流板，且顶部水平导流板的底部设置有流线型导流锥台，且流线型导流锥台的中心线与出水延伸筒的中心线重合，这样，当顶部水平导流板伸出水面，水流会依次经过出水延伸筒和顶部水平导流板，经流线型导流锥台导流像喷泉一样向四周喷水，此为二次曝气过程。
附图说明
图1为文丘里进气系统和水流上升系统的第一断面图。
图2为文丘里进气系统和水流上升系统的第一断面图。
图3为本发明基于太阳能的混合充氧水质改善装置的结构示意图；
图4为本发明水流上升系统的示意图。
图5为本发明文丘里进气系统的示意图。
图中：1、水泵；2、文丘里进气系统；201、文丘里管；3、进气管；4、出水延伸筒；5、流线型导流锥台；6、螺钉；7、浮体；8、吸水口；9、尼龙绳；10、锚固墩；11、顶部水平导流板；12、尼龙吊绳；13、太阳能发电装置；14、支撑杆；15、卡箍。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图3至图5所示，本发明提供的基于太阳能的混合充氧水质改善装置，包括水泵系统、水流上升系统、文丘里进气系统2、浮体7和锚固墩10，各个单元均可拆卸，方便维修。
其中，文丘里进气系统2包括两端开口且纵向设置的文丘里管201以及连通在文丘里管喉部的若干进气管3，进气管3的进气口朝下，为U型防水进气口。文丘里管201包括缩小管、下部直筒和上部直筒，上部直筒外部有30cm的外螺纹，用于连接出水延伸筒4，可以通过两装置螺纹的拧实程度来调节水泵导流板距水面的高度。
水泵系统包括太阳能发电装置13(含面板、蓄电池及逆变器)和水泵1；水泵1为立式水泵，吸水口8在立式水泵中部，出水口在立式水泵顶端。
水流上升系统包括出水延伸筒4、流线型导流锥台5、顶部水平导流板11和卡箍15。顶部水平导流板11和流线型导流锥台5通过4根支撑杆14固定在卡箍15上，工作时，将卡箍15固定在出水延伸筒4上部的硅胶面上。
出水延伸筒4上部设计一定长度的硅胶面包裹黏附于其上，下部直筒内有一圈30cm的内螺纹用于连接文丘里管201。
如图1所示，文丘里进气系统2的出气口最大水下安装高度(即淹没深度，△H1)和吸气量的确定方法，如下：
缩小管内径D1、上部直筒内径D2、出水延伸筒内径D3和进气管直径Dg，1-1断面为缩小管断面，2-2断面为突扩断面，3-3断面为水平面，根据Bernoulli方程可知：
其中Z1、Z3为断面1-1、断面3-3相对水体底部的标高，P1和P3分别为断面1-1和断面3-3处压强，V1和V3为缩小管和出水延伸筒内流速，忽略较短的缩小管的沿程阻力，得到：
当已知水泵流量，即可得到V1和V3以及上述方程中各项参数；由于该方程只有1项未知数(△H1)，故当刚能发生吸气现象时，P1和P3均为大气压，从而可以计算出出气口最大水下安装高度ΔH1＝Z3-Z1。
根据连续性方程可知：
其中
将带入(1)式，可得1-1断面负压P1、水泵流量Q与最大安装高度ΔH1之间的关系式：
令P1＝0时即可算出最大安装高度。
如图2所示，缩小管内径D1、上部直筒内径D2、出水延伸筒内径D3，进气管直径Dg，1-1断面为缩小管断面，0-0断面进气管吸气口断面，根据Bernoulli方程可知：
其中：
l---进气管总长，m；
β---气体体积膨胀系数，1/273；
v文---文丘里管中空气流速；
λ---摩擦阻力系数，取工程计算中粗略值0.03；
t---气体平均温度，℃；
K---局部阻力系数，K＝K1+K2，K1＝0.15，为90°弯管处阻力系数，K2＝0.5，为U型管处局部阻力系数；
代入各参数数值得：
其中，ΔH2＝ΔH1+0.15(文丘里进气管高于水面0.15m)。
当确定水泵流量Q后，可以根据①式确定最大安装高度。安装设备时可以根据情况来确定合适的安装高度。水泵流量Q以及安装高度都确定之后，可以根据①式计算得出缩小管处负压的大小，再将求出的负压P1的值代入②式，即可算出文丘里管中空气流速v文，以及曝气量Q吸。
顶部水平导流板11的垂直位置可以调节，通过螺纹调节出水延伸筒4与上部直筒的重合程度，可以根据水体情况选择使顶部水平导流板11露出水面或在水面下。
为了防止进气管进水，将进气口设计为U型进气口，进气口开口向下。
将装置整体通过浮体7漂浮垂直立于水面下；同时为了使装置固定，在水体底部设置锚固墩10；水泵1通过尼龙绳9和浮体7相连，浮体7用锚固墩10固定使其不随水体流动；装置与锚固墩10采用锚钩法相连接。
浮体7左右有两块太阳能板接收光能发电，给水泵1供电；浮体7中心开一直径400mm圆洞供出水延伸筒4露出水面，以满足不同的水质改善和水体景观要求。
为了对本发明进一步了解，现对其工作原理做一说明。
本发明提供的基于太阳能的混合充氧水质改善装置，其安放在各类景观水体中，依靠装置外人工浮岛的浮力，使其漂浮、垂直立于水中；依靠尼龙吊绳12将装置底部与锚固墩10相连，使装置固定水体中。四根对称布置的进气管3伸出水面。工作时水泵1的出水通过文丘里进气系统2的下部直筒，从渐缩管流入缩小管时，水流速度因过水断面的减小增大，从而在缩小管处产生负压，空气因负压被吸入缩小管中，此为一次曝气过程。当顶部水平导流板11伸出水面，水流会依次经过出水延伸筒4和顶部水平导流板11，经流线型导流锥台5导流像喷泉一样向四周喷水，此为二次曝气过程。整个过程有着充足的曝气量，并使下部水体经充氧提升至上部水体，形成一定范围内的水体循环。不仅可以解决水质问题，而且整个装置都在水面以下，水面上可以形成一个喷泉景观。当水泵导流板在水面下时，可以形成一个范围更大的水体循环。
实施例：
如图3所示，整个装置用有机玻璃加工而成，各个主要单元均可拆卸，便于安装维修。选用水泵6SPSC78/17-D216/2500，水泵最大流量为78m3/h，最大扬程为17m，电机功率为2.5kW，水泵出水口直径为60mm；选定水泵正常工作流量为60m3/h，扬程为14m，缩小管内径D1＝50mm、上部直筒内径D2＝100mm、出水延伸筒内径D3＝110mm，进气管直径Dg＝10mm根据①式算出1-1断面负压P1、水泵流量Q与最大安装高度ΔH1之间的关系式：
令P1＝0，算出最大水下安装高度为ΔH1＝1.37m，确定最终安装在水面下0.5m，算出负压P1＝-10.26pa，代入②式中，得v文＝4.064m/s，曝气量Q吸＝1.28×10-3m3/s。
为使装置漂浮、垂直立于水中，在水底用锚固墩固定。水泵的底部上升筒、文丘里进气系统缩小管(内径100mm)、顶部上升筒、出水出水延伸筒(内径105mm)均通过螺纹方式连接，顶部水平导流板则通过卡箍形式固定在出水出水延伸筒上。通过太阳能驱动叶轮的搅动，水流从水泵吸水口吸入并向上流动，空气从进气管(管径l0mm)和进入缩小管中，充氧后的水体经顶部水平导流板导流，并反复在表层和底层之间循环流动。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (10)
1.一种基于太阳能的混合充氧水质改善装置，其特征在于，包括水泵系统、水流上升系统、文丘里进气系统(2)、浮体(7)和锚固墩(10)；其中，
浮体(7)漂浮在水面上，锚固墩(10)设置在水体底部，并与浮体(7)连接；
水泵系统包括设置在浮体(7)上的太阳能发电装置(13)以及设置在水中的水泵(1)，且太阳能发电装置(13)用于为水泵(1)供电；
文丘里进气系统(2)包括两端开口且纵向设置的文丘里管(201)以及连通在文丘里管喉部的若干进气管(3)，进气管(3)的进气口位于水面之上；
水流上升系统在纵向贯穿于浮体(7)，其底部与文丘里管(201)的上部直筒连接，文丘里管(201)的下部直筒底部与水泵(1)的进水口连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能的混合充氧水质改善装置，其特征在于，锚固墩(10)通过尼龙吊绳(12)与浮体(7)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于太阳能的混合充氧水质改善装置，其特征在于，水泵(1)通过尼龙绳(9)与浮体(7)连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于太阳能的混合充氧水质改善装置，其特征在于，水泵(1)为立式水泵，其吸水口(8)在立式水泵中部，出水口在立式水泵顶端。
5.根据权利要求1所述的一种基于太阳能的混合充氧水质改善装置，其特征在于，若干进气管(3)周向均匀连通在文丘里管喉部，且进气管(3)的进气口朝下设置。
6.根据权利要求1所述的一种基于太阳能的混合充氧水质改善装置，其特征在于，水流上升系统包括在纵向贯穿于浮体(7)的出水延伸筒(4)，该出水延伸筒(4)的底部与文丘里管(201)的上部直筒连接，顶部通过周向设置的若干支撑杆(14)连接有顶部水平导流板(11)。
7.根据权利要求6所述的一种基于太阳能的混合充氧水质改善装置，其特征在于，出水延伸筒(4)的底部内侧开设有内螺纹，文丘里管(201)的上部直筒外侧设置有外螺纹，使得出水延伸筒(4)的底部与文丘里管(201)的上部直筒螺纹连接。
8.根据权利要求6所述的一种基于太阳能的混合充氧水质改善装置，其特征在于，出水延伸筒(4)的顶部外侧设置有一圈硅胶面，若干支撑杆(14)通过卡箍(15)周向设置在出水延伸筒(4)的顶部外侧。
9.根据权利要求6所述的一种基于太阳能的混合充氧水质改善装置，其特征在于，顶部水平导流板(11)的底部设置有流线型导流锥台(5)，且流线型导流锥台(5)的中心线与出水延伸筒(4)的中心线重合。
10.根据权利要求6所述的一种基于太阳能的混合充氧水质改善装置，其特征在于，文丘里管和出水延伸筒的尺寸与水泵流量以及最大安装高度之间的关系式为：
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其中，D1－文丘里管的缩小管内径；
D2－文丘里管的上部直筒内径；
D3－出水延伸筒内径；
g－重力加速度；
ρ－水的密度；
Q－水泵出水流量；
ΔD1－进气管的出气口最大水下安装高度；
λ－摩擦阻力系数；
P1－大气压；
基于文丘里管中空气流速的曝气量的计算公式为：
其中，β－气体体积膨胀系数；
v文－文丘里管中空气流速；
t－气体平均温度，℃；
K－局部阻力系数；
Dg－进气管直径；
ΔD2＝ΔD1+0.15，其中0.15表示进气管的进气口高于水面0.15m。
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