CN108178225B - 一种深水型水体的原位修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深水型水体的原位修复方法，所述修复方法包括以下内容：在深水型水体中，向位于水体中、上部的一定体积的不完全封闭的空间内通入气体，使气体与水体形成气水混合物，在气水混合物上浮的过程，通过连通装置带动水体底部的泥水混合物上升进入该空间内。本发明可对深水型水体进行底部污泥的原位修复，修复中无需对水体进行更换、清淤作业，修复后不再出现二次污染。

Description

一种深水型水体的原位修复方法

技术领域

本发明属于涉及一种水污染处理的方法。

背景技术

我国目前有大量的水体存在各类污染，如93%以上的公园水体存在富营养化，85%以上的湖泊存在富营养化，全国地级以上城市有接近2000条河道为黑臭水体，这些污染问题不仅严重影响了城市形象，更是严重损害了城市人居环境及人民的身心健康。

现有技术中对水体污染的处理方式包括物理法、化学法、生物法。使用净水设备等物理方法对水体进行净化、抽换；向水体通入氧气；增加水体循环；向水体中添加化学、生物试剂进行净化等。其中添加化学、生物试剂的处理方法有可能进一步损伤水体生态系统，带来二次污染等新的危害；使用净水设备进行净化、抽换水体的方式通常能源、资源消耗大，只适合单次去污处理，处理效果难以持续保持；增加水体循环、向水体通入氧气的方式通常处理效率低，处理周期长，且处理效果不佳。

现有技术中使用到的其它水体净化方法或设备通常都具有上述问题中的一种或多种，更普遍具有以下难以解决的问题：覆盖范围浅，仅能对水域中上部的水体进行处理，对于较深的水体则无能为力；仅能对水体进行净化，而对水体的自身生态净化能力没有带来提升；通常只能定点作业，覆盖范围小，不能多点同时作业或移动式作业。

发明内容

本发明的目的在于解决以上现有技术中存在的问题，提供一种可在深水中进行水体净化并同时具有改善水体生态能力，处理过程中不需对水体进行更换的方法，本发明在处理底部具有淤泥的黑臭水体时相对于现有技术具有显著的优势。

本发明的技术方案如下：

一种深水型水体的原位修复方法，其包括以下内容：在深水型水体中，向位于所述水体中、上部的一定体积的不完全封闭的空间内通入气体，使通入的气体与该空间内的水体形成气水混合物，在气水混合物上浮的过程，通过连通装置带动水体底部的泥水混合物上升进入该空间内，其后泥水混合物在该空间内分散并接受该气体活化，形成活化后的泥水混合物，其后所述活化后的泥水混合物再排入水体中。

优选的是：所述气水混合物在常温下的密度为0~0.9g/cm³。

另外优选的是：所述气体含有氧气。

在具体的实施方式中，如所述气体为纯氧、含有氧气的空气、或含有氧气的其它气体。

另外优选的是：所述泥水混合物经过位于所述不完全封闭的空间底部的分配孔进入该空间中，所述分配孔的孔径大小为进入该空间的气体的进气孔的孔径大小的1/20~1/3倍。

另外优选的是：所述活化后的泥水混合物再排入水体中通过的排放口的孔径的大小为所述分配孔的孔径的大小的1/5~2/3倍。

另外优选的是：所述连通装置包括与该空间底部连通的弹性体及与该弹性体连通的吸收器，所述吸收器在水体内所受浮力小于其重力。

进一步优选的是：所述弹性体的质量M、其与所述吸收器接触处的截面积S、其杨氏模量E、在弹性变形区内的最大拉伸长度Lm、无外力情况下的自然长度L₀与吸收器的质量m及吸收器的总体积v满足以下数值关系式：m≤ES（Lm-L₀）/gL₀-M+v，其中g表示重力加速度，该数值关系式中以质量单位为g、ES（Lm-L₀）/gL₀的总单位为g、体积v的单位为cm³后的数值为计。该方案中所述弹性变形区是指的在该区域内，延伸体材料符合弹性形变。

另外优选的是：所通入的气体在该空间内的流速为5~30m/s。

另外优选的是：在该不完全封闭的空间的上方设置漂浮系统，所述漂浮系统位于水面上。

另外优选的是：所述气体进入该不完全封闭的空间的进气口与所述泥水混合物上升进入该空间的进泥口相对设置，使气体与泥水混合物在该空间内形成对流。

使用本发明进行去污处理的水体的深度可达100m以上。

使用本发明可对重污染水体进行原位修复，所述原位修复是指的不需对水体进行更换，不需对水体底部淤泥进行抽出、排放等，而直接在水体系统内部进行的修复。

本发明可借助一些专有的设备进行实现，如具有下述结构的设备：

一种用于深水型水体原位修复的设备，其包括漂浮系统、被动抽吸系统、延伸系统，其中所述漂浮系统用于所述设备在水面上的浮动，所述被动抽吸系统包括抽吸腔，向抽吸腔内通入外部气体的位于水面上的通气装置，所述抽吸腔包括供所述外部气体进入的进气口，与延伸系统相连的进泥口，位于抽吸腔上、远离进泥口一端的排放口，所述延伸系统包括与进泥口连通的弹性延伸体及与该延伸体连通的具有空腔的吸收器，所述吸收器表面设有自吸收器外部贯通入吸收器内部的吸收口，所述吸收器的平均密度大于水的密度。

在一种具体的实施方式中所述进泥口的口径可为所述进气口口径的1/20~1/3。

在一种具体的实施方式中所述排放口的孔径的大小为所述进泥口的孔径的大小的1/5~2/3倍。

在一种具体的实施方式中外部气体自风机进入抽吸腔的流速在常温常压下为5~30m/s。

在一种具体的实施方式中在抽吸腔中形成的气水混合物在常温下的密度为0~0.9g/cm³。

在一种具体的实施方式中所述漂浮系统可包括支架及连接于支架端部的浮体，所述被动抽吸系统连接于支架下方。

在一种具体的实施方式中上述浮体可包括多个单元浮体，所述单元浮体在支架端部围成正多边形或圆形。

在一种具体的实施方式中所述通气装置可包括位于漂浮系统上端的风机，输送风机内气体至抽吸腔内的输气管，及位于输气管靠近抽吸腔底部的一端的曝气盘。

在一种具体的实施方式中所述抽吸腔上端可设有自抽吸腔内部贯通出抽吸腔外部水体中的排放口。

在一种具体的实施方式中所述抽吸腔中部还可设有填料层。

在一种具体的实施方式中所述漂浮系统上端还可设有第一电子控制器，所述第一电子控制器两端连接有第一机械控制杆，其可控制第一机械控制杆水平方向的伸缩频率及持续时间，所述第一机械控制杆另一端与第二电子控制器连接；所述第二电子控制器下端连接有第二机械控制杆，其可控制第二机械控制杆垂直方向的伸缩和水平方向的旋转的频率及持续时间，所述第二机械控制杆另一端与导流板固定连接。

该实施方式中通过第一电子控制器和第一机械控制杆可以水平方向移动导流板，同时通过第二电子控制器和第二机械控制杆可以控制导流板的深度和水平角度，使导流板能够水平旋转0~360º，导流板之间形成一定角度时会影响水流、气流从抽吸腔排出时的方向，从而改变水流、气流对设备反推力的方向，使设备在向前移动的过程中能够向左或向右偏移，帮助设备的移动更加灵活，能更准确的到达水域坐标。

在一种具体的实施方式中所述漂浮系统上端还可设有太阳能板，所述太阳能板与风机相连。

在一种具体的实施方式中所述抽吸腔底端可均匀连接有多个延伸系统。

在一种具体的实施方式中所述多个延伸系统之间可设有连接器，所述连接器包括连接件和固定于连接件端部的卡扣件，所述卡扣件与延伸体可拆卸连接。

本发明具备以下有益效果：

（1）本发明可对深水型水体进行净化，净化过程中水体底部的淤泥可通过气水混合物的提升作用自动进入上方空间内，一方面被外部气体活化，从而消除污染的根源，再排入水体，另一方面与外部气体形成气水（泥）混合物，持续上浮，最终排入水体，形成持续的动力循环，该方法处理的过程中，不需对水体产生主动、直接的抽吸作用，因此不需水泵等高耗能设备，可显著节约能源；

（2）本发明通过连通装置可实现水体底部淤泥的提升与活化，其后排入水体，不需对底部淤泥进行清除，不需更换水体，从而实现了水体的原位修复；

（3）在本发明的优选方案中，通过特定的气体流速、气水混合物密度，可实现在深度超过100m的水域中的水污染处理；

（4）在本发明的优选方案中，通过特定的连通装置的结构和质量关系，可实现在原位修复时，连通装置中的吸收器始终与水体底部接触，并可最大效率地在气水（泥）混合物的作用下将底部淤泥自弹性体中传输上去；

（5）本发明在一个水域的处理工作完成后，净化效果明显、持久，不会产生二次污染。

附图说明

图1为本发明实施例1所述设备的主视示意图；

图2为本发明实施例1所述设备的俯视示意图；

图3为本发明实施例3的氧化还原电位趋势图。图中标记说明如下：

1、漂浮系统；2、支架；3、浮体；4、被动抽吸系统；5、抽吸腔；6、通气装置；7、风机；8、输气管；9、曝气盘；10、进气口；11、进泥口；12、延伸系统；13、延伸体；14、吸收器；15、吸收口；16、第一电子控制器；17、第一机械控制杆；18、第二电子控制器；19、第二机械控制杆；20、导流板；23、排放口；40、填料层；45、太阳能板。

具体实施方式

一种深水型水体的原位修复方法，其包括以下内容：在深水型水体中，向位于所述水体中、上部的一定体积的不完全封闭的空间内通入气体，使通入的气体与该空间内的水体形成气水混合物，在气水混合物上浮的过程，通过连通装置带动水体底部的泥水混合物上升进入该空间内，其后泥水混合物在该空间内分散并接受该气体活化，形成活化后的泥水混合物，其后所述活化后的泥水混合物再排入水体中。

优选的是：所述气水混合物在常温下的密度为0~0.9g/cm³。

另外优选的是：所述气体含有氧气，如：空气或纯氧。

另外优选的是：所述泥水混合物经过位于所述不完全封闭的空间底部的分配孔进入该空间中，所述分配孔的孔径大小为进入该空间的气体的进气孔的孔径大小的1/20~1/3倍。

另外优选的是：所述活化后的泥水混合物再排入水体中通过的排放口的孔径的大小为所述分配孔的孔径的大小的1/5~2/3倍。

另外优选的是：所述连通装置包括与该空间底部连通的弹性体及与该弹性体连通的吸收器，所述吸收器在水体内所受浮力小于其重力。

进一步优选的是：所述弹性体的质量M、其与所述吸收器接触处的截面积S、其杨氏模量E、在弹性变形区内的最大拉伸长度Lm、无外力情况下的自然长度L₀与吸收器的质量m及吸收器的总体积v满足以下数值关系式：m≤ES（Lm-L₀）/gL₀-M+v，其中g表示重力加速度，该数值关系式中以质量单位为g、ES（Lm-L₀）/gL₀的总单位为g、体积v的单位为cm³后的数值为计。该方案中所述弹性变形区是指的在该区域内，延伸体材料符合弹性形变。

另外优选的是：所通入的气体在该空间内的流速为5~30m/s。

另外优选的是：在该不完全封闭的空间的上方设置漂浮系统，所述漂浮系统位于水面上。

另外优选的是：所述气体进入该不完全封闭的空间的进气口与所述泥水混合物上升进入该空间的进泥口相对设置，使气体与泥水混合物在该空间内形成对流。

上述方法可通过例如以下的结构的设备实现：

一种用于深水型水体原位修复的设备，其包括漂浮系统、被动抽吸系统、延伸系统，其中所述漂浮系统用于所述设备在水面上的浮动，所述被动抽吸系统包括抽吸腔，向抽吸腔内通入外部气体的位于水面上的通气装置，所述抽吸腔包括供所述外部气体进入的进气口，与延伸系统相连的进泥口，位于抽吸腔上、远离进泥口一端的排放口，所述延伸系统包括与进泥口连通的弹性延伸体及与该延伸体连通的具有空腔的吸收器，所述吸收器表面设有自吸收器外部贯通入吸收器内部的吸收口，所述吸收器的平均密度大于水的密度。

在一种具体的实施方式中所述进泥口的口径可为所述进气口口径的1/20~1/3。

在一种具体的实施方式中所述排放口的孔径的大小为所述进泥口的孔径的大小的1/5~2/3倍。

在一种具体的实施方式中外部气体自风机进入抽吸腔的流速在常温常压下为5~30m/s。

在一种具体的实施方式中在抽吸腔中形成的气水混合物在常温下的密度为0~0.9g/cm³。

在一种具体的实施方式中所述漂浮系统可包括支架及连接于支架端部的浮体，所述被动抽吸系统连接于支架下方。

在一种具体的实施方式中上述浮体可包括多个单元浮体，所述单元浮体在支架端部围成正多边形或圆形。

在一种具体的实施方式中所述通气装置可包括位于漂浮系统上端的风机，输送风机内气体至抽吸腔内的输气管，及位于输气管靠近抽吸腔底部的一端的曝气盘。

在一种具体的实施方式中所述抽吸腔上端可设有自抽吸腔内部贯通出抽吸腔外部水体中的排放口。

在一种具体的实施方式中所述抽吸腔中部还可设有填料层。

在一种具体的实施方式中所述漂浮系统上端还可设有第一电子控制器，所述第一电子控制器两端连接有第一机械控制杆，其可控制第一机械控制杆水平方向的伸缩频率及持续时间，所述第一机械控制杆另一端与第二电子控制器连接；所述第二电子控制器下端连接有第二机械控制杆，其可控制第二机械控制杆垂直方向的伸缩和水平方向的旋转的频率及持续时间，所述第二机械控制杆另一端与导流板固定连接。

该实施方式中通过第一电子控制器和第一机械控制杆可以水平方向移动导流板，同时通过第二电子控制器和第二机械控制杆可以控制导流板的深度和水平角度，使导流板能够水平旋转0~360º，导流板之间形成一定角度时会影响水流、气流从抽吸腔排出时的方向，从而改变水流、气流对设备反推力的方向，使设备在向前移动的过程中能够向左或向右偏移，帮助设备的移动更加灵活，能更准确的到达水域坐标。

在一种具体的实施方式中所述漂浮系统上端还可设有太阳能板，所述太阳能板与风机相连。

在一种具体的实施方式中所述抽吸腔底端可均匀连接有多个延伸系统。

在一种具体的实施方式中所述多个延伸系统之间可设有连接器，所述连接器包括连接件和固定于连接件端部的卡扣件，所述卡扣件与延伸体可拆卸连接。

实施例1

如附图1~2所示的一种用于深水型水体原位修复的设备，所述设备包括漂浮系统1、被动抽吸系统4、延伸系统12，其中所述漂浮系统1包括支架2及连接于支架端部的浮体3，所述支架2中间下端与被动抽吸系统4固定连接，所述浮体3包括3个单元浮体，并由该3个单元浮体共同组成一个正三角形，所述被动抽吸系统4包括抽吸腔5，向抽吸腔内通入外部气体的通气装置6，所述通气装置6包括位于漂浮系统上端的风机7，位于抽吸腔5底端的曝气盘9以及连接风机7与曝气盘9的输气管8，所述风机7具体固定在支架2上端，所述输气管8通过抽吸腔5上的进气口10进入抽吸腔5内部，所述抽吸腔5上部设有自抽吸腔5内部贯通出抽吸腔5外部水中的排放口23，其中部设有填料层40，其底部还设有与延伸系统12相连的进泥口11，所述延伸系统12包括与进泥口11连通的延伸体13及与该延伸体13连通的具有空腔的吸收器14，所述吸收器14为中空吸收盘，其周围侧面及底面设有多个吸收口15。

实施例2

作为优选如附图1~2所示的一种用于深水型水体原位修复的设备，在实施例1的基础上，支架2顶部还设有太阳能板45，所述太阳能板45分别与风机7、第一电子控制器16、第二控制器19相连。

为了更好的提高设备的移动灵活性，所述支架2上端还设有第一电子控制器16，所述第一电子控制器16具体固定设置在风机7上端，所述第一电子控制器16两端连接有第一机械控制杆17，其可控制第一机械控制杆17水平方向的伸缩频率及持续时间，所述第一机械控制杆17另一端与第二电子控制器18连接；所述第二电子控制器18下端连接有第二机械控制杆19，其可控制第二机械控制杆19垂直方向的伸缩和水平方向的旋转的频率及持续时间，所述第二机械控制杆19另一端与导流板20固定连接。

为提高设备工作效率，使设备一次性净化的面积更大，在所述抽吸腔5底端均匀设置有多个独立的延伸系统12，且所述多个延伸系统12之间设有连接器32，所述连接器32包括连接件33和固定于连接件端部的卡扣件34，所述卡扣件34与延伸体12可拆卸连接，所述连接器32可将多个延伸系统12固定为一个整体或分离。

将实施例1或2的设备放置入污染严重，水深20~100m以上的静态黑臭水体（如污染严重的水深较大的公园、湖泊水体）中，通过电池接通风机，或由太阳能提供能源后启动风机，位于水面之上的风机7将外部含氧的空气通过输气管8、进气口10吹入抽吸腔5内，与位于水面下的抽吸腔5内的水形成汽水混合物，汽水混合物上浮，带动与之连通的弹性延伸体13内的泥水混合物自进泥口11进入抽吸腔5内，接受外部空气的活化，延伸体13内的泥水混合物来自与延伸体13连通的吸收器14内，该吸收器14通过拉伸延伸体13而深入水体底部，使水体底部的淤泥自吸收口15进入吸收器14内，在设备移动至新的位置后，若新的位置较先前的位置更深，则吸收器14继续下沉，进一步拉伸延伸体13，若位置更浅，则吸收器14受水体底部的支持，放松延伸体13，使其回复部分形变，由此实现吸收器14始终与水体底部接触的功能。

实施例3

（1）使用实施例1的设备，调整其中进泥口11的口径为进气口10口径的1/20~1/3倍，排放口23的孔径为进泥口11的孔径的大小的1/5~2/3倍，水面上空气自风机7进入抽吸腔5的流速在常温常压下为5~10m/s，抽吸腔5中形成的气水混合物在常温下的密度为0~0.9g/cm³，延伸体13为弹性管，其质量M、其与吸收器14接触处的截面积S、其杨氏模量E、在弹性变形区内的最大拉伸长度Lm、无外力情况下的自然长度L₀与吸收器14的质量m及吸收器14的总体积v满足数值关系式：m＝ES（Lm-L₀）/gL₀-M+v，其中g表示重力加速度，关系式中各数值为单位调整后的数值，单位调整的方式为：质量单位为g、ES（Lm-L₀）/gL₀作为一个整体的总单位为g、体积v的单位为cm³；

（2）自某重度污染湖泊随机采集底泥300mL，将底泥加入10kg自来水稀释后调制为样品，使用如实施例1的设备对底泥进行处理，其中吸收器14直接接触底泥，0~24h内样品中水体透明程度显著上升，底泥颜色显著变浅，水体氧化还原电位变化如附图3所示；

（3）将步骤（2）处理后的样品长期存放，未观察到水体的浊化。

实施例4

（1）使用实施例1的设备，调整其中进泥口11的口径为进气口10口径的1/20~1/3倍，排放口23的孔径为进泥口11的孔径的大小的1/5~2/3倍，水面上空气自风机7进入抽吸腔5的流速在常温常压下为5~10m/s，抽吸腔5中形成的气水混合物在常温下的密度为0~0.9g/cm³，延伸体13为弹性管，其质量M、其与吸收器14接触处的截面积S、其杨氏模量E、在弹性变形区内的最大拉伸长度Lm、无外力情况下的自然长度L₀与吸收器14的质量m及吸收器14的总体积v满足数值关系式：0＜m＜ES（Lm-L₀）/gL₀-M+v，其中g表示重力加速度，关系式中各数值为单位调整后的数值，单位调整的方式为：质量单位为g、ES（Lm-L₀）/gL₀作为一个整体的总单位为g、体积v的单位为cm³；

（2）使用该设备对某校核心景观湖进行处理，该景观湖面积约30亩，深50m，为封闭式人工湖泊，自2017年5月起全湖出现大量蓝藻爆发、水质恶化、气味恶臭，于2017年6月24日出现约1000余斤鱼虾死亡，于6月29日对水体进行取样检测，测试结果如下表所示：

按地表水环境质量标准（GB3838-2002），属于劣V类水质；

自2017年6月30日起使用本发明的方法展开水污染治理与生态修复的工作，在处理过程中对水质指标进行对比，如下表所示：

由上表可知，使用本发明的方法处理60天后，水质由原来的劣V质改善为提高至地表Ⅳ类，其中大部分指标达到地表Ⅲ类。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (5)

1.一种深水型水体的原位修复方法，其特征在于：所述修复方法包括以下内容：在深水型水体中，向位于所述水体中、上部的一定体积的不完全封闭的空间内通入气体，使通入的气体与该空间内的水体形成气水混合物，在气水混合物上浮的过程，通过连通装置带动水体底部的泥水混合物上升进入该空间内，其后泥水混合物在该空间内分散并接受该气体活化，形成活化后的泥水混合物，其后所述活化后的泥水混合物再排入水体中；

所述气水混合物在常温下的密度不超过0.9g/ cm³；所述气体含有氧气；

所述泥水混合物经过位于所述不完全封闭的空间底部的分配孔进入该空间中，所述分配孔的孔径大小为进入该空间的气体的进气孔的孔径大小的1/20~1/3倍；

所述活化后的泥水混合物再排入水体中通过的排放口的孔径的大小为所述分配孔的孔径的大小的1/5~2/3倍；

所述连通装置包括与该空间底部连通的弹性体及与该弹性体连通的吸收器，所述吸收器在水体内所受浮力小于其重力。

2.根据权利要求1所述的深水型水体的原位修复方法，其特征在于：所述弹性体的质量M、其与所述吸收器接触处的截面积S、其杨氏模量E、在弹性变形区内的最大拉伸长度Lm、无外力情况下的自然长度L₀与吸收器的质量m及吸收器的总体积v满足以下数值关系式：m≤ES（Lm-L₀）/gL₀-M+v，其中g表示重力加速度，所述数值关系式中以质量单位为g、ES（Lm-L₀）/gL₀的总单位为g、体积v的单位为 cm³后的数值为计。

3.根据权利要求1所述的深水型水体的原位修复方法，其特征在于：所通入的气体在该空间内的流速为5~30m/s。

4.根据权利要求1所述的深水型水体的原位修复方法，其特征在于：其还包括以下内容：在该不完全封闭的空间的上方设置漂浮系统，所述漂浮系统位于水面上。

5.根据权利要求1所述的深水型水体的原位修复方法，其特征在于：其还包括以下内容：所述气体进入该不完全封闭的空间的进气口与所述泥水混合物上升进入该空间的进泥口相对设置，使气体与泥水混合物在该空间内形成对流。

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