CN108726691B - 一种水体移动复氧环保船 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型水体移动复氧环保船，包括船体，且所述船体为对称固定的双浮体结构，所述环保船还包括曝气系统和垃圾收集系统；所述曝气系统包括生物催化反应曝气装置和驱动耦合射流曝气机，所述生物催化反应曝气装置包括过氧化氢储罐、生物催化反应容器以及膜组件，所述生物催化反应容器中部固定有过氧化氢酶催化床，所述驱动耦合射流曝气机包括一对固定于船体的双浮体结构之间的射流曝气；所述垃圾收集系统包括设于双浮体之间的格栅。本发明通过生物催化曝气和驱动耦合曝气相结合，能够高效增加水体溶解氧，强化水体的自净能力，降低移动曝气的能耗，且本发明还具有自动化程度高、无噪音污染、全天候工作等优点。

Description

一种水体移动复氧环保船
技术领域
本发明涉及景观水处理设备领域，尤其涉及一种适于城市景观水体治理的水体移动复氧环保船。
背景技术
我国城市河道约80%已受不同程度污染，表面漂浮垃圾污染严重，景观效果差，造成严重的城市生态环境问题。国家环保局污染控制司对城市河段进行了调查统计，约87%的河段受不同程度的污染，其中11%重度污染，16%严重污染，15%中度污染，33%轻度污染，仅23%的城市河段水质较好。基于污染现状，国务院于2015年发布了《水污染防治行动计划》（简称“水十条”），其中对黑臭水体问题提出明确要求，到2020年，我国地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内；到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除，城市水体污染治理形势紧迫。污水中的有机物在水体微生物的作用下氧化分解需要消耗水中的溶解氧，有机物的分解产物如氨，氧化成亚硝酸盐和硝酸盐也要消耗溶解氧，水底的淤泥分解也需要从水中吸取氧，水生植物夜间的呼吸也需要消耗溶解氧。因此，国内外的实际运行经验表明，在水体中进行充氧不但能有效地消减水体黑臭，能在较短时间内降低水体有机物含量，提高水体DO浓度，增强水体的自净作用，改善水生态。
目前广泛应用于水净化处理中的曝气方式有固定曝气和移动曝气，固定曝气机以曝气器为中心，依靠氧分子的浓度差进行扩散，具有充氧速度缓慢的缺点，且会造成中心处的DO值过高，而远处DO值偏低的现象，虽然这样会使氧的传质推动力增大，但中心点过高的DO值却严重阻碍了大气复氧的传质速度，从而降低了曝气器的充氧速率；而移动式曝气机是以曝气器的移动路线上的各点为中心，即相当于有多个固定曝气机同时运转，显著缩短了氧分子传递的距离和消耗的时间，同时含氧水随曝气机的移动而迁移，也不存在大气复氧困难的问题。目前的移动式曝气机如射流曝气机，依托于浮体且自身重量较重，能耗较高，且受能耗的限制，无法增加曝气机其他的耗能的功能。
因此，传统曝气充氧方法缺点较为突出：一是能耗过高，消耗大量的电能；二是氧传质率低，氧利用率不高；三是可移动性差，覆盖面积小。所以开发能能耗低，氧传质率高可移动曝气设备是目前环保设备研发的热点。但我国目前受曝气能耗的技术限制，移动式环保船的开发仍处在起步阶段。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种适于城市景观水体治理的水体移动复氧环保船，具有节能、高效等优点。本发明通过生物催化曝气和驱动耦合曝气相结合，能够高效增加水体溶解氧，强化水体的自净能力，降解水体有机污染物，尤其是能提高曝气中的氧动力传递效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种水体移动复氧环保船，包括船体，且所述船体为对称固定的双浮体结构，所述环保船还包括曝气系统和垃圾收集系统；
所述曝气系统包括生物催化反应曝气装置和驱动耦合射流曝气机，所述生物催化反应曝气装置包括过氧化氢储罐、生物催化反应容器以及膜组件，所述生物催化反应容器中部固定有过氧化氢酶催化床，且所述生物催化反应容器上部设有连通过氧化氢储罐的滴滤喷头，生物催化反应容器下部设有连通膜组件的管道，所述膜组件设于船体下方，所述驱动耦合射流曝气机包括一对射流曝气器，且所述射流曝气器对称固定于船体的双浮体结构之间，所述射流曝气器包括电机、泵、空滤器、进水口、混气室和扩散管，所述泵由电机驱动，并将水体从进水口泵入混气室，所述空滤器通过管道连通混气室，所述扩散管前端连通混气室，且扩散管末端指向船体后方，所述船体上固定有太阳能电池板和蓄电池，且所述太阳能电池板通过光伏控制器连接蓄电池，所述蓄电池与电机电连接；
所述垃圾收集系统包括设于双浮体之间的格栅，且所述格栅与船体前行方向呈120°～160°夹角。
作为本发明对上述方案的优选，所述膜组件为中空纤维微滤膜组件或中空纤维超滤膜组件。
作为本发明对上述方案的优选，所述过氧化氢酶催化床为过氧化氢酶经琼脂水凝胶包埋固定。
作为本发明对上述方案的优选，所述垃圾收集系统还包括对称设于所述船体前端的围栏张收装置，所述围栏张收装置包括挡杆、弧形弯头和锁紧螺栓，所述双浮体的内侧设有对称的固定杆，所述挡杆末端与固定杆通过锁紧螺栓固定连接，且挡杆前端设有所述弧形弯头。
作为本发明对上述方案的优选，所述生物催化反应容器顶部设有压力指示器。
作为本发明对上述方案的优选，所述太阳能电池板、蓄电池、生物催化反应容器、膜组件以及射流曝气器均通过钢结构支架螺栓固定在船体上，且钢结构支架与船体焊接连接。
作为本发明对上述方案的优选，所述环保船还包括中心控制器，所述中心控制器为嵌入STM32单片机的主板，所述环保船还包括连接所述中心控制器的超声波传感器，且所述超声波传感器设于船体下方，用于探测船体前方的障碍，所述环保船还包括氧浓度传感器，用于探测水中氧气浓度，所述环保船还包括高清摄像头和高清摄像头所连接的图传发射模块，所述图传发射模块用于向地面控制台发送实时图像，所述环保船还包括嵌于中心控制器主板上的无线收发模块，所述无线收发模块与地面控制器通讯连接，所述环保船还包括连接于中心控制器的GPS/GSM/GPRS组合模块，所述GPS/GSM/GPRS组合模块用于定位和向地面控制台通过GPRS通讯。
作为本发明对上述方案的优选，所述高清摄像头通过电动云台固定在船体上。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明利用过氧化氢生物酶催化产生纯氧，在生物反应催化容器内生成高浓度富氧水，在自生压力驱动下，利用膜组件的膜剪切力产生微米或纳米级微泡，从而提高溶解氧的转移率，减少曝气船的能耗的同时，提高氧的传质系数，有效增加水体DO和ORP值，强化有机物的氧化分解能力。
（2）本发明中一对射流曝气器的喷射的流量和流速的不同，导致水体给与环保船的反作用力也不同。因此通过调节电机转速控制流量和流速，从而能控制船体速度。左右两个射流曝气机独立驱动，当喷射量不同时，两边的推力具有差异，从而实现了转向的目的，曝气流量差异越大，转向角度越大。通过传统曝气技术和船体驱动相结合，摒弃传统螺旋浆驱动设计思路，使船在作业前进的同时，也能达到传统曝气的效果，不但简化了曝气清洁船的功能系统，节省了建造成本，还降低了能量需求，减少能耗。两方面技术的有效融合，有效解决了目前环保曝气船能耗高、功能单一、效率差等开发和应用困境。
（3）本发明中的环保船以STM32单片机为中心控制器，结合超声波传感器、氧气浓度传感器感知水体的氧气浓度和附近的障碍物位置，结合高清摄像头对水质和空间信息进行数据收集，并通过图传装置和GPRS发送到地面控制台，同时能够通过中心控制器进行路径规划和远程控制等功能。
此外，本发明还具有无噪音污染、具有水面垃圾收集处理功能的优点。
附图说明
图1为实施例1中的一种水体移动复氧环保船的结构示意图。
图2为实施例1中的一种水体移动复氧环保船的仰视图。
图3为实施例1中的一种水体移动复氧环保船的侧视图。
图4为实施例1中的生物催化反应曝气装置的结构示意图。
图5为实施例1中的射流曝气器的结构示意图。
图6为实施例1中的环保船的智能控制拓扑图。
图7为固定模式曝气下的DO值分布示意图。
图8为移动模式曝气下的DO值分布示意图。
其中，1-浮体，2-过氧化氢储罐，3—生物反应催化容器，4—膜组件，5—过氧化氢酶催化床，6—滴滤喷头，7—射流曝气器，8—太阳能电池板，9—蓄电池，10—光伏控制器，11—格栅，12—挡杆，13—弧形弯头，14—锁紧螺栓，15—固定杆，16—压力指示器，17—钢结构支架，71—电机，72—泵，73—空滤器，74—进水口，75—混气室，76—扩散管。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的附图标记表示相同或具有相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图3所示的一种水体移动复氧环保船，包括船体，且所述船体包括对称固定的两个浮体1，所述环保船还包括曝气系统和垃圾收集系统；
所述曝气系统包括生物催化反应曝气装置和驱动耦合射流曝气机，所述生物催化反应曝气装置包括过氧化氢储罐2、生物催化反应容器3以及膜组件4，所述生物催化反应容器3中部固定有过氧化氢酶催化床5，且所述生物催化反应容器3上部设有连通过氧化氢储罐2的滴滤喷头6，生物催化反应容器3下部设有连通膜组件4的管道，所述膜组件4设于船体下方，所述驱动耦合射流曝气机包括一对射流曝气器7，且所述射流曝气器7对称固定于船体的双浮体1结构之间，所述射流曝气器7包括电机71、泵72、空滤器73、进水口74、混气室75和扩散管76，所述泵72由电机71驱动，并将水体从进水口74泵入混气室75，所述空滤器73通过管道连通混气室75，所述扩散管76前端连通混气室75，且扩散管76末端指向船体后方，所述船体上通过钢结构支架17固定有太阳能电池板8和蓄电池9，且所述太阳能电池板8通过光伏控制器10连接蓄电池9，所述蓄电池9与电机71电连接；
所述垃圾收集系统包括设于双浮体1之间的格栅11，且所述格栅11与船体前行方向呈120°～160°夹角。
在本实例中，所述膜组件4为中空纤维微滤膜组件，其滤孔孔径在0.1～1微米之间，可以产生微米级纯氧气泡进行曝气，能够有效提高水中溶解氧含量。
在本实例中，所述过氧化氢酶催化床5为过氧化氢酶经琼脂水凝胶包埋固定，通过滴滤喷头6能够连续的向过氧化氢酶催化床5滴入过氧化氢，从而连续产生纯氧和水，同时通过滴滤喷头6更可以方便控制生物反应催化容器3内的压力数值，避免压力过大，在标态下，1 mol过氧化氢酶每分钟可以催化105 mol的H2O2分解，是一般化学催化效率的1010倍，催化效率极高。
在本实例中，所述垃圾收集系统还包括对称设于所述船体前端的围栏张收装置，所述围栏张收装置包括挡杆12、弧形弯头13和锁紧螺栓14，所述双浮体1的内侧设有对称的固定杆15，所述挡杆12末端与固定杆15通过锁紧螺栓14固定连接，且挡杆12前端设有所述弧形弯头13，该种围栏张收装置通过调节锁紧螺栓14可以调整挡杆12的张开角度，从而更有利于水面漂浮垃圾的收集，且能够增大垃圾收集量，净化水面环境。
在本实例中，所述生物催化反应容器3顶部设有压力指示器16。通过所述压力指示器16能够调整滴滤喷头6的速率，避免生物催化反应容器3内压力失控。
在本实例中，所述太阳能电池板8、蓄电池9、生物催化反应容器3、膜组件4以及射流曝气器7均通过钢结构支架17螺栓固定在船体上，且钢结构支架17与船体焊接连接。
在本实例中，所述环保船还包括中心控制器，所述中心控制器为嵌入STM32单片机的主板，所述环保船还包括连接所述中心控制器的超声波传感器，且所述超声波传感器设于船体下方，用于探测船体前方的障碍，所述环保船还包括氧浓度传感器，用于探测水中氧气浓度，所述环保船还包括高清摄像头和高清摄像头所连接的图传发射模块，所述图传发射模块用于向地面控制台发送实时图像，所述环保船还包括嵌于中心控制器主板上的无线收发模块，所述无线收发模块与地面控制器通讯连接，所述环保船还包括连接于中心控制器的GPS/GSM/GPRS组合模块，所述GPS/GSM/GPRS组合模块用于定位和向地面控制台通过GPRS通讯。
在本实例中，所述高清摄像头通过电动云台固定在船体上。
实施例二
与上述实施例一不同之处在于，在本实例中，所述的膜组件4采用中空纤维超滤膜，孔径为0.01微米以下，其能够产生纳米级纯氧气泡，其溶氧转移率更高。
基于上述的环保船，摒弃了传统涡轮螺旋驱动的船体动力结构，将船体的驱动力与曝气有机耦合，利用射流曝气器水氧混合液的射速快，反冲力强的特点，将这种曝气过程中反冲力作为船体驱动力，既达到曝气功能的同时，又能借力驱动船体，节约能耗的同时，简化船体组成，减少制造成本；再者，本发明采用传统曝气和无动力时生物助力纯氧膜曝气相结合的方式，在太阳能丰富的白天，应用驱动耦合射流曝气机和生物催化反应曝气装置同时开启；夜晚，单独采用生物催化反应曝气装置曝气。两种曝气方式的结合，解决了太阳能不足时，传统的移动曝气的能量不足问题，实现全天侯工作。
上述生物催化反应曝气装置中，在过氧化氢酶（CAT酶）催化床中，在CAT酶的作用下，H2O2可以被迅速地水解为氧气和水，从而保护生物机体不受损伤。反应式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
相比较化学催化剂，其反应条件温和、对环境没有污染。最为关键是其催化效率极高，在相同的条件下，1 mol过氧化氢酶每分钟可以催化105 mol的H2O2分解，是一般化学催化效率的1010倍。设H2O2计量为1 L，20℃下，H2O2密度为1.13 g/mL，根据反应方程，产物氧气的物质的量：n2=16.62 mol，根据理想气体状态方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，氧气在20℃条件下的体积V 0 ：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
单位换算：V 0 =399.6 L。若污染水体溶解氧为1 mg/L，现将水体溶解氧提升到6mg/L，不考虑O2氧化消耗，设氧气传质效率为80% ，1 L的H2O2制得的氧气可作用水体体积为V 1 ，则有效氧体积为V 2 =319.68 L。
Figure DEST_PATH_IMAGE004
结果表明1L H2O2可将91 立方水体DO值从提升到6 mg/L。因此，本发明不但能够降低能耗，还能通过生物催化反应曝气装置以纯氧曝气的方式，进一步提高氧的利用率和传质效率，避免传统曝气降低复氧效率的问题，此外，采用这种曝气方式还具有安全性高、无噪音污染的优点。
测试实验：
将上述的实施例一的环保船样机分别展开移动和固定（外力固定环保船）两种曝气模式，比较工作的氧传递动力效率。实验地点选择划定统一湖泊的两处近圆水域（面积均约为1000平方），平均水深1.8米，两种模式曝气深度同为1.5米，进行氧传递动力效率的比较实验（以水域中溶解氧量计算）。
环保船样机的功率为750W，固定模式为固定于实验水域中心处，移动模式为采用往返路径模式曝气，往返一次3-4分钟。实验前测量两处水域的DO值为3.2mg/L，在两种模式下分别工作40分钟，固定模式以中心点位基准，指向岸边方向每隔5米采样，如图7所示，DO值呈由中心向外递减的趋势；移动模式采样采用5点法，如图8所示可以看出DO值基本趋于平均水平。
因此，对于固定模式曝气，以中心点为基准点，把曝气区分为5个断面，设断面内溶解氧是连续的，建立数学模型如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
Q为所测面积内含氧量总量，q为所测面积内平均溶氧量，a，b值为相邻两点的DO浓度，x为所测圆面积的半径。对于移动模式曝气，则Q=q·s，则Q 移动/ Q 固定=1.77。两种模式下使用电机相同，但是移动曝气比固定曝气，其氧的动力使用效率提高了77%。实验进一步论证了本发明的环保船其移动曝气的节能特点。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种水体移动复氧环保船，包括船体，且所述船体为对称固定的双浮体结构，其特征在于，所述环保船还包括曝气系统和垃圾收集系统；
所述曝气系统包括生物催化反应曝气装置和驱动耦合射流曝气机，所述生物催化反应曝气装置包括过氧化氢储罐、生物催化反应容器以及膜组件，所述生物催化反应容器中部固定有过氧化氢酶催化床，且所述生物催化反应容器上部设有连通过氧化氢储罐的滴滤喷头，生物催化反应容器下部设有连通膜组件的管道，所述膜组件设于船体下方，所述驱动耦合射流曝气机包括一对射流曝气器，且所述射流曝气器对称固定于船体的双浮体结构之间，所述射流曝气器包括电机、泵、空滤器、进水口、混气室和扩散管，所述泵由电机驱动，并将水体从进水口泵入混气室，所述空滤器通过管道连通混气室，所述扩散管前端连通混气室，且扩散管末端指向船体后方，所述船体上固定有太阳能电池板和蓄电池，且所述太阳能电池板通过光伏控制器连接蓄电池，所述蓄电池与电机电连接；
所述垃圾收集系统包括设于双浮体之间的格栅，且所述格栅与船体前行方向呈120°～160°夹角。
2.根据权利要求1所述的一种水体移动复氧环保船，其特征在于，所述膜组件为中空纤维微滤膜组件或中空纤维超滤膜组件。
3.根据权利要求1所述的一种水体移动复氧环保船，其特征在于，所述过氧化氢酶催化床为过氧化氢酶经琼脂水凝胶包埋固定。
4.根据权利要求1所述的一种水体移动复氧环保船，其特征在于，所述垃圾收集系统还包括对称设于所述船体前端的围栏张收装置，所述围栏张收装置包括挡杆、弧形弯头和锁紧螺栓，所述双浮体的内侧设有对称的固定杆，所述挡杆末端与固定杆通过锁紧螺栓固定连接，且挡杆前端设有所述弧形弯头。
5.根据权利要求1所述的一种水体移动复氧环保船，其特征在于，所述生物催化反应容器顶部设有压力指示器。
6.根据权利要求1所述的一种水体移动复氧环保船，其特征在于，所述太阳能电池板、蓄电池、生物催化反应容器、膜组件以及射流曝气器均通过钢结构支架螺栓固定在船体上，且钢结构支架与船体焊接连接。
7.根据权利要求1所述的一种水体移动复氧环保船，其特征在于，所述环保船还包括中心控制器，所述中心控制器为嵌入STM32单片机的主板，所述环保船还包括连接所述中心控制器的超声波传感器，且所述超声波传感器设于船体下方，用于探测船体前方的障碍，所述环保船还包括氧浓度传感器，用于探测水中氧气浓度，所述环保船还包括高清摄像头和高清摄像头所连接的图传发射模块，所述图传发射模块用于向地面控制台发送实时图像，所述环保船还包括嵌于中心控制器主板上的无线收发模块，所述无线收发模块与地面控制器通讯连接，所述环保船还包括连接于中心控制器的GPS/GSM/GPRS组合模块，所述GPS/GSM/GPRS组合模块用于定位和向地面控制台通过GPRS通讯。
8.根据权利要求7所述的一种水体移动复氧环保船，其特征在于，所述高清摄像头通过电动云台固定在船体上。
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