CN109095660B - 一种城市景观水体除磷与磷回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了城市景观水体除磷与磷回收装置，包括若干组潜水变频供水泵、磷转化‑磷回收装置，以及变频风机、磷钙难溶物聚集液回收泵、磷钙难溶物聚集液脱水干化设备和PLC电控系统；各个管路上设置的电动蝶阀分别与PLC电控系统连接；变频风机向输水干管内输入气体；磷转化‑磷回收装置为包括四个主要功能区域的圆筒容置体，反应区、三相分离区、重力沉降区和斜板固液分离区；反应区入口段的填料为CaCO₃矿粒，水流中的磷酸盐与CaCO₃生成的难溶性磷转化物除磷。本发明在强化反应区矿粒与水流间传质、反应的同时，强化对CaCO₃矿粒表面覆盖的Ca₃(PO₄)₂、Ca₅(PO₄)₃OH等难溶物的清除，并使难溶物随水流进入多种形式的固液分离区、被截留聚集。

Description

一种城市景观水体除磷与磷回收装置

技术领域

本发明涉及一种景观水体除磷-磷回收结构，属于环境工程技术领域，尤其是一种景观水体在线除磷-磷回收装置。

背景技术

随着城市化的发展，出现了越来越多的城市景观水体。对于大部分封闭缓流的城市景观水体，磷是引起富营养化及蓝藻水华的关键性因素。藻类同化作用的磷源主要是磷酸盐，所以磷酸盐的控制问题也是城市景观水体水华抑制的关键问题。

由于磷也是一种不能自然再生且面临枯竭的有限资源，国土资源部已将磷矿列为2010年之后不能满足国民经济发展需求的重要矿种之一。在控制城市景观水体磷酸盐浓度的同时，实现磷的回收，具有资源和环境方面的双重意义。

目前，涉及水中磷酸盐回收方式主要有生成磷酸铵镁的MAP法和生成磷酸钙盐的CP、HAP法。

MAP法是利用水中PO₄ ^3-与Mg²⁺、NH₄ ⁺反应生成难溶性磷酸铵镁(MgNH₄PO₄·6H₂O)，从而实现对水中磷的去除和回收。因磷酸铵镁的生成需要水中有足够的镁离子，而要做到经济、便利的镁盐提供及镁离子浓度控制较困难；同时，磷酸铵镁的溶度积并不是特别低(2.5*10^-13)【田永彬等，城市污水的化学除磷及磷回收技术与应用，黑龙江环境通报，2013,37(4):52-53】，这样，当水中磷酸盐浓度不是足够高时，磷酸铵镁形成条件不容易达到。所以针对城市景观水体在线除磷与磷回收，MAP法的适应场合受到一定限制。

CP、HAP法是利用Ca2+与水中PO43-形成难溶性磷酸钙盐Ca₃(PO₄)₂、Ca₅(PO₄)₃OH，，从而实现对水中磷的去除和回收。通常采用天然碳酸钙矿物(如方解石、文石)离解出的Ca²⁺与水中PO₄ ^3-形成难溶性磷酸钙盐【钟山等，方解石去除水体中高浓度磷酸盐的反应动力学，中南大学学报(自然科学版)，2010,41(5):2039-2045.】；【许虹等，利用矿物方解石进行水体除磷实验研究，地学前缘，2008,15(4):138-141.】，主要涉及的反应如下：

CaCO₃↓≒Ca²⁺+CO₃ ^2-(溶度积Kc＝2.9*10^-9)

3Ca²⁺+2PO₄ ^3-≒Ca₃(PO₄)₂↓(溶度积Ksp＝2.07*10^-33)

5Ca²⁺+3PO₄ ^3-+OH^-≒Ca₅(PO₄)₃OH↓(溶度积Ksp＝2.5*10^-59)

基于CaCO₃溶解平衡，关联碳酸根、碳酸氢根在水中的平衡关系：

H₂CO₃≒H⁺+HCO₃ ^-，离解平衡常数为K₁(K₁＝4.3*10-7)，

HCO₃ ^-≒H⁺+CO₃ ^2-，离解平衡常数为K₂(K₂＝5.61*10-11)

水中CaCO₃溶解平衡对应的钙离子浓度

[Ca²⁺]＝{Kc*[1+[H⁺]/K₂+[H⁺]^2/(K₁*K₂)]}^0.5

通常情况，湖库类水体pH偏碱性【莫美仙,云南高原湖泊滇池和星云湖pH值特征及其影响因素分析,农业环境科学学报,2007,26(S):269-273】；【张雪,太湖原水pH值季节性变化规律及突变成因探索,供水技术，2015，9(5)：13-17】；【隋昕等，松花湖藻类光合作用对pH值和溶解氧的影响，科技创新导报，2015，33，：168-170】。对于pH＝7.5-8.5的水体，CaCO₃溶解平衡对应的钙离子浓度4.09*10-4～1.33*10-3mol/L。

当该水质背景钙离子与PO₄ ^3-反应生成Ca₃(PO₄)₂↓时，可将水中PO₄ ^3-浓度降到9.38*10-13～5.5*10-12mol/L，鉴于PO₄ ^3-、HPO₄ ^2-、H₂PO^4-、H₃PO₄的平衡共存关系，最后能达到的、对应的总P为0.00003-0.00035mg/L。

当该水质背景钙离子与PO₄ ^3-反应生成Ca₅(PO₄)₃OH↓时，可将水中PO₄ ^3-降到2.61*10^-13～8.58*10^-13mol/L，同样鉴于PO₄ ^3-、HPO₄ ^2-、H₂PO^4-、H₃PO₄的平衡共存关系，可得出最后能达到的、对应的总P为0.0002-0.00086mg/L。

所以，以碳酸钙矿物为钙源的CP、HAP法，为水体维持较低的PO₄ ^3-浓度、抑制水华形成提供了一种可能。但是，随着Ca₃(PO₄)₂、Ca₅(PO₄)₃OH等难溶物的生成，CaCO₃矿粒表面将逐渐被Ca₃(PO₄)₂、Ca₅(PO₄)₃OH等难溶物覆盖，CaCO₃矿粒表面与溶液的接触逐渐被阻隔，限制了CaCO₃矿粒进一步溶出Ca²⁺与水中磷酸盐反应；CaCO₃不能被有效利用，使其在水体磷转化与磷回收方面的优势不能充分发挥。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种景观水体除磷-磷回收系统装置，以较高的效能实现水体在线除磷与磷回收。

本发明的目的是这样实现的：一种城市景观水体除磷与磷回收装置，其特征在于，包括设置在城市景观水体的若干组潜水变频供水泵、磷转化-磷回收装置，以及变频风机、磷钙难溶物聚集液回收泵、磷钙难溶物聚集液脱水干化设备和PLC电控系统；潜水变频供水泵经管道与输水干管连接，潜水变频供水泵出口管道上设有水流电动蝶阀，磷转化-磷回收装置与输水干管活动连接，在磷转化-磷回收装置的管道设置有装置进水水流电动蝶阀、装置出液水流电动蝶阀，各个电动蝶阀分别与PLC电控系统连接；变频风机向输水干管内输入气体；

磷转化-磷回收装置为包括四个主要功能区域的圆筒容置体，容置体底部带有进水口、出液口、放空管；进水口在容置体内与反应区接通、在容置体外进水口接水流电动蝶阀，然后与底部总管接通；出液口在底部相互连通后，接水流电动蝶阀，再与底部总管连通；

四个主要功能区域的反应区在容置体内，为由圆筒、锥筒所构成的空间；反应区之上为三相分离区，反应区之外的环隙空间为重力沉降区，重力沉降区之上为斜板固液分离区；

反应区按水流方向包括下部的锥筒气水混合进入段，中部的圆筒矿粒填料段，上部为锥筒扩大段；锥筒气水混合进入段与中部的圆筒填料段之间为分布板，分布板为多孔板，使含气水流可以均匀进入圆筒填料段；圆筒填料段的填料为CaCO₃矿粒；

在反应区内，圆筒填料段上，分别设置内旋导流挡板，导流挡板直径小于圆筒填料段圆筒内壁直径，导流挡板可拆卸式安装；导流挡板中部区域为若干内旋布置的斜向叶片；

反应区上部的锥筒扩大段的出口区域，设上口小、下口大的控流锥筒；

在反应区之上为由三相分离组件构成的三相分离区，三相分离组件主要包括上口大、下口小的锥筒，以及位于锥筒之下的圆形分离片；

重力沉降区与三相分离区相连通，重力沉降区顶部为通过入流环隙通道相连通的斜板固液分离区；入流环隙通道为通道圆筒与容置体外圆筒之间的空间；

顶盖设置在对应三相分离区的顶端，由顶部排口、中心带孔顶板、圆锥筒、定位三角环构成，定位三角环设置在圆锥筒的内侧，顶部排口设置有格网；定位三角环用于顶盖安装时圆锥筒在通道圆筒顶端的定位；

在斜板固液分离区设置有斜板，在斜板固液分离区的斜板填料顶面，设置有环形格网；

磷钙难溶物聚集液回收泵的进口管道设置电动蝶阀，与底部总管连通；电动蝶阀与PLC电控系统连接；磷钙难溶物聚集液脱水干化设备与磷钙难溶物聚集液回收泵的出口管道连接；

进一步的特征在于，所述磷转化-磷回收装置经自耦机构与输水干管活动连接；所述装置自耦机构由自耦活动接口、底座、管式导轨和导轨定位支架四部分构成；

磷转化-磷回收装置通过底部总管的连接法兰与自耦活动接口连接；底座由座体、导轨定位凸柱、带法兰过水管、固定在过水管上的带耦合斜面的定位加强环构成；

管式导轨的两端分别套于下部的底座的导轨定位凸柱、上部导轨定位支架的导轨定位凸柱；

当自耦活动接口带着与底部总管相连的磷转化-磷回收装置，沿导轨滑下到最低位置时，活动接口的挂齿与定位加强环的耦合斜面接触贴紧，通过耦合斜面竖直方向、水平方向的分力，将底座管道口与活动接口间的密封圈压紧，从而完成连接安装；当活动接口带着磷转化-磷回收装置沿导轨吊起时，活动接口的挂齿沿定位加强环的耦合斜面斜向上移动的同时，活动接口也向水平逆压紧方向移动，从而使底座与底部总管的活动接口脱离。

导流挡板支撑于其下的、沿圆筒壁圆周平均分布的4个直角三角支撑筋板；在三角支撑筋板之上45-55mm的位置，设直角三角竖向定位筋板，用于限制导流挡板向上移动。

在导流挡板边缘、沿圆周平均分布有4个安装槽，当导流挡板的安装槽与三角支撑筋板、竖向定位筋板位置对应时，导流挡板可通过三角支撑筋板、竖向定位筋板上下移动进行安装、拆卸。

在控流锥筒下方、锥筒扩大段的内壁面，设置三角形断面凸环，三角形突出点与锥形扩大段的壁面距离为20-30mm。

在通道圆筒上部、沿筒周均匀分布固定有12块直角三角形筋板，筋板外凸尺寸小于环隙通道宽度，筋板的长直角边固定于圆筒的外壁；

在12块筋板的短直角边所构成的环形平面区域均匀分布固定有圆柱状环形栅条，环形栅条竖向位置低于通道圆筒顶端面一定尺寸，便于顶盖的圆锥筒定位安装。

锥筒以轴心线为对称轴，分离片的圆心在轴心线上、水平投影面积大于锥形筒下口面积、与水平面的倾斜角大于45度。

控流锥筒上口直径与圆筒填料段直径相同，其下口圆周与锥筒扩大段壁面的环隙宽度为15-30mm。

在容置体的圆筒顶端，设置有若干个用于起吊操作的吊环。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明在强化反应区矿粒与水流间传质、反应的同时，强化对CaCO₃矿粒表面覆盖的Ca₃(PO₄)₂、Ca₅(PO₄)₃OH等难溶物的清除，并使难溶物随水流进入多种形式的固液分离区、被截留聚集；使矿粒填料中CaCO₃能持续与水中磷酸盐反应生成Ca₃(PO₄)₂、Ca₅(PO₄)₃OH等；

2、方便、有效截留、聚集、回收由磷酸盐与CaCO₃生成的Ca₃(PO₄)₂、Ca₅(PO₄)₃OH等难溶性磷转化物；

3、磷转化-磷回收装置结构紧凑，集反应、矿粒表面难溶覆盖物清除、并随水流输送至沉淀区、在沉降区被截留、沉降聚积等功能于一体；

4、沉降区高效截留、沉降聚集难溶物；矿粒表面难溶覆盖物清除系统构成简炼、自动化程度高、操作方便；可根据水体水质状况，通过触摸屏人为设定不同区域潜水变频供水泵运行条件、设定磷转化-回收装置矿粒填料表面清理时间与周期；

5、矿粒表面覆盖物清理时，既可避免因水流、气流强度大引起矿粒填料层膨胀、矿粒间距增大、矿粒接触摩擦减弱、能量有效利用率低、矿粒夹带流失等问题，也可避免因水流、气流强度小致使清理不充分的问题；矿粒表面覆盖物清理工况与难溶物聚集液回收工况切换所涉及的机构与操作简洁；

6、当需要进行CaCO₃矿粒填料补充时，自耦机构可方便地完成磷转化-回收装置在水下的拆除、安装，无需水下作业。

附图说明

图1为水体除磷与磷回收系统图；

图2为磷转化-磷回收装置正剖面图；

图3为磷转化-磷回收装置侧剖面图；

图4为磷转化-磷回收装置功能分区图；

图5磷转化-磷回收装置底部接管图；

图6容置体圆筒正剖面图；

图7容置体圆筒俯视面图；

图8导流挡板平面图；

图9导流挡板局部剖面图；

图10矿粒填料层压降与水流量关系图；

图11通道圆筒与容置体支撑筋板、顶盖圆锥筒装配关系局部放大图；

图12通道圆筒及其连接附件平面图；

图13通道圆筒及其连接附件剖面图；

图14顶盖正剖面与平剖视图；

图15磷转化-磷回收装置俯视图；

图16自耦机构活动接口立剖视图；

图17自耦机构活动接口侧剖视图；

图18自耦机构活动接口与磷转化-磷回收装置底部总管连接关系俯视图；

图19自耦机构底座立面图；

图20自耦机构底座右侧面图；

图21自耦机构底座俯视图；

图22导轨定位支架仰视图；

图23导轨定位支架正立面图；

图24自耦机构与磷转化-磷回收装置底部总管连接关系正立面图；

图25自耦机构与磷转化-磷回收装置底部总管连接关系右侧面图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种城市景观水体除磷与磷回收装置，包括设置在城市景观水体的若干组潜水变频供水泵1、磷转化-磷回收装置2，以及设于设备间的变频风机4、磷钙难溶物聚集液回收泵5、磷钙难溶物聚集液脱水干化设备6和PLC电控系统等组成，如图1所示。

基于磷酸盐在水体中的平面分布特征，在具有较高磷酸盐浓度的平面位置、于水体底泥层之上，设置潜水变频供水泵1和磷转化-磷回收装置2，潜水变频供水泵1通过地脚螺栓固定在水下、高度超过水体底泥层厚度的混凝

土基础上。多个潜水变频供水泵1经管道与输水干管3连接，潜水变频供水泵1出口管道上设有水流电动蝶阀1-1，磷转化-磷回收装置2与输水干管3活动连接，本发明具体实施例经配套的自耦机构2-1与输水干管3活动连接，在磷转化-磷回收装置2的管道设置有水流传感器2-2、装置进水水流电动蝶阀2-3、装置出液水流电动蝶阀2-4等控制阀门，各个电动蝶阀分别与PLC电控系统连接，PLC电控系统发出控制信号，根据需要开启或关闭管道。

磷转化-磷回收装置2(图1、图2、图3、图4)为包括四个主要功能区域的圆筒容置体7(图4)，容置体7底部带有进水口7-A、出液口7-B、放空管7-C(图5、图6、图7)；进水口7-A在容置体7内通过法兰与反应区7-1接通、在容置体外进水口7-A通关弯头接水流电动蝶阀2-3，然后与底部总管7-D接通，底部总管7-D末端为带密封圈的法兰，底部总管7-D通过紧固管箍7-E固定在容置体7外底部(图2、图5)；出液口7-B在底部相互连通后，接水流电动蝶阀2-4，再与容置体7底部总管7-D连通(图2、图5)；放空管7-C接常闭手动蝶阀(放空时开启)。在容置体圆筒内壁中上部，沿筒周平均分布固定有8个支撑筋板7-F，厚5-8mm、外凸37-57mm(图6、图7)；四个主要功能区域的反应区7-1在容置体7内轴向、1/2-2/3总高度的中心区域，为由圆筒、锥筒所构成的空间；反应区7-1之上为三相分离区7-2，反应区7-1之外的环隙空间为重力沉降区7-3，重力沉降区7-3之上为斜板固液分离区7-4(图4)。

反应区7-1按水流方向包括下部的锥筒气水混合进入段7-1A，中部的圆筒矿粒填料段7-1B，上部为锥筒扩大段7-1C(图3)；下部的锥筒气水混合进入段7-1A与中部的圆筒填料段7-1B之间为分布板7-1-1，使含气水流可以均匀进入填料段7-1B，分布板7-1-1为多孔板，孔径3.5mm，开孔率9％；圆筒填料段7-1B的填料为CaCO₃矿粒，矿粒粒径5-8mm，填料装填高度占圆筒填料段7-1B高度70-90％，填料颗粒粒径大时填料装填高度比例取高值，填料颗粒粒径小时填料装填高度比例取低值；填料层的填料是不固定的，CaCO₃矿粒在有水流时会膨胀，过大水流甚至会将填料带出。导流挡板7-1-2在填料填充段，每300-500mm高度设置一块。

在反应区7-1内，圆筒填料段7-1B上，分别设置内旋的导流挡板7-1-2(图中具体设置在圆筒填料段7-1B的1/3、2/3矿粒填充高度处)，导流挡板7-1-2直径小于圆筒填料段7-1B圆筒内壁直径20-30mm，内旋导流挡板7-1-2可拆卸式安装，可以方便拆卸与安装；导流挡板7-1-2支撑于其下的、沿圆筒壁圆周平均分布的4个直角三角支撑筋板7-1-3(图2)，三角支撑筋板7-1-3厚5-8mm、外凸30-50mm；同时在三角支撑筋板7-1-3之上45-55mm的位置，设直角三角竖向定位筋板7-1-4(图2)，厚5-8mm、外凸30-50mm，用于限制导流挡板7-1-2向上移动。

在导流挡板7-1-2边缘、沿圆周平均分布有4个安装槽7-1-5(图8)，安装槽7-1-5宽10-20mm、内凹尺寸大于三角支撑筋板7-1-3与竖向定位筋板7-1-4的外凸尺寸；当导流挡板7-1-2的安装槽7-1-5与三角支撑筋板7-1-3、竖向定位筋板7-1-4位置啮合对应时，导流挡板7-1-2可通过三角支撑筋板7-1-3、竖向定位筋板7-1-4上下移动进行安装、拆卸；当在水平面将导流挡板7-1-2旋转一定角度，导流挡板7-1-2的安装槽7-1-5与三角支撑筋板7-1-3、竖向定位筋板7-1-4位置相互错开，导流挡板7-1-2可支撑于三角支撑筋板7-1-3上，并受竖向定位筋板7-1-4限制不能向上移动。

导流挡板7-1-2中部区域为若干内旋布置的斜向叶片7-1-2-1(图8、图9)，引导水流作近乎旋转的运动，增强矿粒与叶片7-1-2-1、水流、气泡的接触摩擦作用，强化矿粒表面与水流间的传质、反应，并促进在矿粒表面生成的磷钙难溶物脱离矿粒表面、随水流进入后续的三相分离区7-2、重力沉降区7-3、斜板固液分离区7-4。

在圆筒填料段7-1B底部(分布板7-1-1之下)、在圆筒填料段7-1B之上(锥筒扩大段7-1C下部)分别设置压力传感器7-1-6(图3)，信号传送至PLC；在锥筒扩大段7-1C下部的压力传感器7-1-6之上，设置固含率光导检测器7-1-7，发射与接收光纤经数模转换后，连接PLC电控系统(图3)。

圆筒填料段7-1B设置CaCO₃矿粒填料，矿粒填料层压力降随水流量变化关系如图10，当水流量由A增加到B时，矿粒填料空隙保持不变，填料层厚度几乎不发生变化，水流阻力将随水流流量增加呈线性增加，填料层压力降也随水流流量呈线性增加；该水流量条件下矿粒间不存在相对运动、不存在相互摩擦作用，颗粒表面仅受到强度不大的水流、气泡的接触摩擦作用；当水流量由B继续增加，矿粒受到的水流摩擦作用力增加，使形状、粒径等有差异的矿粒间相对运动幅度增大、矿粒间空隙增大、矿粒填料层膨胀；

因矿粒间空隙增大，空隙间水流速度受水量增加影响不大，水流量对填料层阻力影响不大，矿粒填料层压力降随水流量几乎不变化；同时，由于颗粒间距离增大，对颗粒间相互摩擦作用的影响不大，且颗粒随水流运动，颗粒与水流、气泡的相对运动变化幅度有限，矿粒表面受到的水流、气泡摩擦作用的增加幅度也较为有限。

利用水流经过填料层时对填料层状态影响的规律，本发明采用潜水变频供水泵1的脉冲水流、变频风机4的脉冲气流交替运行方式，使能达到的、不夹带矿粒流失的最大瞬时水量、气量较大，矿粒间碰撞摩擦剧烈，表面覆盖物清除强度大，同时因大流量持续时间短，不致使矿粒填料层膨胀幅度过大，可避免水流夹带矿粒流失。通过变频风机4向输水干管3内输入气体，使输水干管3内水流产生气泡。

当系统除磷功能启动时，变频风机4先于潜水变频泵1运行，变频风机4的电机转率由小到大不断变化，增加气泡对矿粒表面的摩擦、扰动。

当变频风机4的电机转率达到最大设定值时，启动潜水变频供水泵1、开启其出口管水流电动蝶阀1-1，潜水变频供水泵1的电机转率由小到大逐渐增加，同时不断降低变频风机4的电机转率，不断降低变频风机4的输送气量。

当潜水变频供水泵1水流量增加到矿粒填料层压降达最大时，继续增大水流量，强化矿粒与导流挡板7-1-2的摩擦作用，同时关闭变频风机4、及其出口管道的气体电动蝶阀4-1(图1)。

因当水流量增加到一定幅度、矿粒层膨胀到一定程度，矿粒间距增大，矿粒与导流挡板的摩擦作用增加较为有限；为避免水流量过大引起矿粒层过度膨胀，避免矿粒因水量过大水流夹带而流失，避免动力无谓消耗，在水流量不断增加、而维持填料层压降最大平台稳定值，同时在固含率光导检测器位置的固含率达到10％时，由PLC控制，关闭潜水变频供水泵1、及其出口管道水流电动蝶阀1-1，开启变频风机4、及其出口管道气体电动蝶阀4-1，并不断增加变频风机4的电机转率，不断增加变频风机4的输送气量，在使反应区7-1矿粒填料层膨胀的厚度逐渐减小、颗粒间的空隙逐渐减小的同时，而气泡量不断增加，强化水中矿粒与气泡的摩擦，强化矿粒间碰撞、摩擦。

随着潜水变频供水泵1关闭、反应区7-1矿粒填料层膨胀的厚度不断减小，当固含率光导检测器位置的固含率降低到1％时，则通过PLC控制，又开启潜水变频供水泵1、及其出口管道水流电动蝶阀1-1，不断增加潜水变频供水泵1的电机转率，增加输水流量，不断增加反应区7-1矿粒与水流、导流挡板的摩擦剪切作用，同时不断降低变频风机4的电机转率，不断降低变频风机4的输送气量。

当潜水变频供水泵1水流量又增加到矿粒填料层压降达最大时，再次关闭变频风机4；当固含率光导检测器位置的固含率达到10％时，再次关闭潜水变频供水泵1、及其出口管道水流电动蝶阀1-1，并启动变频风机4、增加变频风机4的电机转率；

这样交替地使潜水变频供水泵1的水流量、变频风机4的气流量脉冲变化，在强化矿粒表面与水流间传质、反应的同时，不断使矿粒表面之间、矿粒与导流挡板之间碰撞摩擦，不断使矿粒与水流、气流因相对运动发生剪切作用与摩擦，使矿粒表面生成的磷钙难溶物脱离矿粒表面、随水流进入后续的三相分离区7-2、重力沉降区7-3、斜板固液分离区7-4，直到满足设定的运行时间要求。

潜水变频供水泵1脉冲水流、变频风机4脉冲气流交替运行控制过程如下表：

表1潜水变频供水泵脉冲水流、变频风机脉冲气流交替运行控制过程

在反应区7-1上部的锥筒扩大段7-1C，因过水断面不断增大，水流在该区域速度降低、停留时间增加，为矿粒沉降创造条件，减少水流夹带矿粒出反应区。

反应区7-1上部的锥筒扩大段7-1C的出口区域，设上口小、下口大的控流锥筒7-1D(图3)，引导水流及其中的气、固成分靠轴心线附近区域流动；同时，从控流锥筒7-1D上口带出的、粒径较小的矿粒，在进入控流锥筒7-1D外壁与扩大段7-1C内壁之间的区域后，因过流面积增大，水流速度减慢，为矿粒进一步沉降进入反应区提供充足时间；控流锥筒7-1D上口直径与圆筒填料段7-1B直径相同，其下口圆周与锥筒扩大段7-1C壁面的环隙宽度为15-30mm；

在控流锥筒7-1D下方、锥筒扩大段7-1C的内壁面，设置三角形断面凸环7-1E(图3)，引导上升水流及其中的气、固成分避开环隙、靠轴心线附近区域流动，三角形突出角120度、上顶角14度、下顶角46度，三角形突出点与锥形扩大段7-1C的壁面距离为20-30mm。

在反应区7-1之上为由三相分离组件构成的三相分离区7-2(图3)，三相分离组件主要包括上口大、下口小、以轴心线为对称轴的锥筒7-2-1，以及位于锥筒7-2-1之下的圆形分离片7-2-2，分离片7-2-2的圆心在轴心线上、水平投影面积大于锥形筒7-2-1下口面积、与水平面的倾斜角大于45度；装置三相分离区7-2顶部排口7-2-3设置有格网7-2-3A，孔径3.5mm，进一步阻挡水流中夹带的细小填料颗粒，同时防止水体中大体积物体进入。

经过控流锥筒7-1D的水流，被锥筒7-2-1、分离片7-2-2阻挡，进一步使水流夹带的矿粒脱离流线、降落返回反应区；气体则沿锥筒7-2-1、分离片7-2-2外壁、上升到反应器顶部从排口7-2-3排出，直接进入水体、增加水体溶解氧；当水流达及磷转化-磷回收装置2顶部顶板7-2-4，水流中矿粒被顶板阻挡，进一步使水流夹带的微细矿粒脱离流线、降落到锥筒7-2-1内壁，然后从锥筒7-2-1下口落至分离片7-2-2，最后进入反应区7-1(图3)。

随着水流通过重力沉降区7-3，由于过流断面更大，水流速度进一步降低，水中一部分聚积态磷钙难溶物借助于重力，而沉降、聚集在重力沉降区7-3底部(图2、图3、图4)。

重力沉降区7-3与三相分离区7-2相连通，重力沉降区7-3顶部为相连通的斜板固液分离区7-4，当水流通过斜板固液分离区7-4的入流环隙通道7-4-1，进入斜板固液分离区7-4，因高效浅池沉降效应，水中微小聚积态磷钙难溶物遂得以从水中分离，并进入重力沉降区3，沉降、聚集在重力沉降区3底部(图2、图3、图4)。

斜板固液分离区7-4的入流环隙通道7-4-1为通道圆筒7-4-1A与容置体7外圆筒之间的空间(图2、图3、图11)；

在通道圆筒7-4-1A上部、沿筒周均匀分布固定有12块直角三角形筋板7-4-1B(图12、图13)，筋板7-4-1B厚5-8mm、外凸尺寸(短直角边长)小于环隙通道7-4-1宽度15-25mm，直角三角形筋板7-4-1B两锐角分别为30°、60°，筋板7-4-1B的长直角边固定于圆筒7-4-1A的外壁。

在12块筋板7-4-1B的短直角边所构成的环形平面区域均匀分布固定有圆柱状环形栅条7-4-1C(图11、图12、图13)，栅条7-4-1C直径6-8mm、间距20-35mm；环形栅条7-4-1C竖向位置低于通道圆筒7-4-1A顶端面一定尺寸，便于顶盖7-4-1D的圆锥筒7-2-5定位安装(图11)。

顶盖7-4-1D设置在对应三相分离区7-2的上部，由顶部排口7-2-3、中心带孔顶板7-2-4、圆锥筒7-2-5、定位三角环7-2-6构成(图14)；固定在圆锥筒7-2-5的定位三角环7-2-6，截面为直角三角形(图11)，该直角三角形所在平面通过圆锥筒7-2-5的轴心线，三角形长直角边固定在圆锥筒7-2-5上，定位三角环7-2-6用于顶盖7-4-1D安装时圆锥筒7-2-5在通道圆筒7-4-1A顶端的定位。

斜板固液分离区7-4的斜板7-4-2为商品塑料斜板，材质包括聚丙烯(PP)聚氯乙烯(PVC)和玻璃钢(FRP)，斜板间距35-55mm，安装倾斜角60°(安装俯视图为图15)。

在斜板固液分离区7-4的斜板填料顶面，设置有环形格网7-4-3(图2)，孔径3.5mm，进一步阻挡水流中夹带的细小磷钙难溶物，同时防止水体中大体积物体进入。

在容置体7的圆筒顶端内壁，固定有4个带起吊链7-5的吊环7-6(图2、图3、图15)，用于磷转化-磷回收装置2的起吊操作，便于磷转化-磷回收装置2放置在水体中，或从水体中吊起。

输水干管3与装置自耦机构2-1连接，或者输水干管3设有若干支管与装置自耦机构2-1连接；自耦机构2-1与磷转化-磷回收装置2的底部总管7-D之间活动连接(快拆快接)，其活动连接的方式有很多，包括现有技术的合适结构；本发明提供一种配套使用的装置自耦机构2-1(图1)通过地脚螺栓固定在水下、高度超过水体底泥层厚度的混凝土基础上，用于磷转化-磷回收装置2

自耦机构2-1由自耦活动接口2-1-1(图16、图17、图18)、底座2-1-2(图19、图20、图21)、管式导轨2-1-3(图24、图25)、导轨定位支架2-1-4(图22、图23)四部分构成。

磷转化-磷回收装置2通过底部总管7-D的连接法兰与自耦活动接口2-1-1紧密连接在一起(图24、图25)；底座2-1-2(图19、图20、图21)由座体2-1-2A(图19、图24)、导轨定位凸柱2-1-2B、带法兰过水管2-1-2C、固定在过水管2-1-2C上的带耦合斜面2-1-2D的定位加强环2-1-2E构成。

底座2-1-2通过地脚螺栓固定在水下混凝土基础上，混凝土基础顶面在水体底泥层厚度之上；对于靠边岸设置的底座，导轨定位支架2-1-4(图22、图23)，通过膨胀螺栓固定在平面位置与底座2-1-2对应的、在底座2-1-2上方的、常态水位之下的垂直边岸壁；对于远离边岸设置的底座，导轨定位支架2-1-4固定在常态水位之下的混凝土定位柱上；管式导轨2-1-3(图24、图25)的两端分别套于下部底座的导轨定位凸柱2-1-2B、上部导轨定位支架2-1-4的导轨定位凸柱2-1-2B。

当自耦活动接口2-1-1带着与底部总管7-D相连的磷转化-磷回收装置2，沿导轨2-1-3滑下到最低位置时，活动接口2-1-1的挂齿2-1-1A与定位加强环2-1-2E的耦合斜面2-1-2D接触贴紧(图24)，通过耦合斜面2-1-2D竖直方向、水平方向的分力，将底座管道口与活动接口2-1-1间的密封圈2-1-1B压紧，从而完成连接安装。当活动接口2-1-1带着磷转化-磷回收装置2沿导轨2-1-3吊起时，活动接口2-1-1的挂齿2-1-1A沿定位加强环2-1-2E的耦合斜面2-1-2D斜向上移动的同时，活动接口2-1-1也向水平逆压紧方向移动，从而使底座2-1-2与带着底部总管7-D(连同磷转化-磷回收装置2)的活动接口2-1-1脱离。

当动力设备不运行时，磷转化-磷回收装置2附近水体的磷酸盐，通过顶部排口7-2-3的格网7-2-3、斜板固液分离区7-4的顶部格网7-4-3向装置内反应区扩散，在磷转化-磷回收装置2内完成磷的转化、聚集；

当潜水变频供水泵1启动运行，其出口管道水流电动蝶阀1-1、磷转化-磷回收装置2的进水管水流电动蝶阀2-3开启，而系统磷钙难溶物聚集液回收泵-5及其进口管道电动蝶阀5-1、磷转化-磷回收装置2的重力沉降区7-3出液管水流电动蝶阀2-4关闭(图1、图5)。

变频风机4的启闭控制按表1进行，其出风口气体电动蝶阀4-1的启闭控制与变频风机4同步。各个电动蝶阀分别与PLC电控系统连接，在PLC电控系统的控制信号作用下开启或关闭；此时，该潜水变频供水泵1周围水体带着溶解性磷酸盐被输送至各磷转化-磷回收装置2，在其中完成磷的转化、聚集；利用PLC编程、通过触摸屏操作，可使不同位置的潜水变频供水泵1、磷转化-磷回收装置2按一定数量、不同时间与周期自动运行。

磷钙难溶物聚集液回收泵5的进口管道设置电动蝶阀5-1，与底部总管7-D连通，或者通过连接输水干管3后再与底部总管7-D连通；电动蝶阀5-1控制线与PLC电控系统连接；磷钙难溶物聚集液回收泵5的出口接至磷钙难溶物聚集液脱水干化设备6；当磷钙难溶物聚集液回收泵5开启运行，其进口管道电动蝶阀5-1、磷转化-磷回收装置2的重力沉降区7-3出液管水流电动蝶阀2-4开启，而系统潜水变频供水泵1及其出水口水流电动蝶阀1-1、磷转化-磷回收装置2的进水管水流电动蝶阀2-3关闭(图1、图5)。

此时，磷钙难溶物聚集液回收泵5，将各磷转化-磷回收装置2内聚集的磷钙难溶物聚集液，输送至设备间的脱水-干化设备6进行脱水、干化，最后外运作为磷工业原料。利用PLC编程、通过触摸屏操作，可灵活设定磷钙难溶物聚集液回收泵5、脱水-干化设备6运行周期、运行时间。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解。那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种城市景观水体除磷与磷回收装置，其特征在于，包括设置在城市

景观水体的若干组潜水变频供水泵（1）、磷转化-磷回收装置（2），以及变频风机（4）、磷钙难溶物聚集液回收泵（5）、磷钙难溶物聚集液脱水干化设备（6）和PLC电控系统 ；潜水变频供水泵（1）经管道与输水干管（3）连接，潜水变频供水泵（1）出口管道上设有水流电动蝶阀（1-1），磷转化-磷回收装置（2）与输水干管（3）活动连接，在磷转化-磷回收装置（2）的管道设置有装置进水水流电动蝶阀（2-3）、装置出液水流电动蝶阀（2-4），各个电动蝶阀分别与PLC电控系统连接；变频风机（4）向输水干管（3）内输入气体；

磷转化-磷回收装置（2）为包括四个主要功能区域的圆筒容置体（7），容置体（7）底部带有进水口（7-A）、出液口（7-B）、放空管（7-C）；进水口（7-A）在容置体（7）内与反应区（7-1）接通、在容置体外进水口（7-A）接装置进水水流电动蝶阀（2-3），然后与底部总管（7-D）接通；出液口（7-B）在底部相互连通后，接装置出液水流电动蝶阀（2-4），再与底部总管（7-D）连通；

四个主要功能区域的反应区（7-1）在容置体（7）内，为由圆筒体、锥筒体所构成的空间；反应区（7-1）之上为三相分离区（7-2），反应区（7-1）之外的环隙空间为重力沉降区（7-3），重力沉降区（7-3）之上为斜板固液分离区（7-4）；

反应区（7-1）按水流方向包括下部的锥筒气水混合进入段（7-1A），中部的圆筒矿粒填料段（7-1B），上部为锥筒扩大段（7-1C）；锥筒气水混合进入段（7-1A）与中部的圆筒填料段（7-1B）之间为分布板（7-1-1），分布板（7-1-1）为多孔板，使含气水流均匀进入圆筒填料段（7-1B）；圆筒填料段（7-1B）的填料为CaCO₃矿粒；

反应区（7-1）上部的锥筒扩大段（7-1C）的出口区域，设上口小、下口大的控流锥筒（7-1D）；

在反应区（7-1）之上为由三相分离组件构成的三相分离区（7-2），三相分离组件主要包括上口大、下口小的锥筒（7-2-1），以及位于锥筒（7-2-1）之下的圆形分离片（7-2-2）；

重力沉降区（7-3）与三相分离区（7-2）相连通，重力沉降区（7-3）顶部为通过入流环隙通道（7-4-1）相连通的斜板固液分离区（7-4）；入流环隙通道（7-4-1）为通道圆筒（7-4-1A）与容置体（7）外圆筒之间的空间；

顶盖（7-4-1D）设置在对应三相分离区（7-2）的顶端，由顶部排口（7-2-3）、中心带孔顶板（7-2-4）、圆锥筒（7-2-5）、定位三角环（7-2-6）构成，定位三角环（7-2-6）设置在圆锥筒（7-2-5）的内侧，顶部排口（7-2-3）设置有格网（7-2-3A）；定位三角环（7-2-6）用于顶盖（7-4-1D）安装时圆锥筒（7-2-5）在通道圆筒（7-4-1A）顶端的定位；

在斜板固液分离区（7-4）设置有斜板（7-4-2），在斜板固液分离区（7-4）的斜板填料顶面，设置有环形格网（7-4-3）；

磷钙难溶物聚集液回收泵（5）的进口管道设置电动蝶阀（5-1），与底部总管（7-D）连通；电动蝶阀（5-1）与PLC电控系统连接；磷钙难溶物聚集液脱水干化设备（6）与磷钙难溶物聚集液回收泵（5）的出口管道连接。

2.如权利要求1所述的城市景观水体除磷与磷回收装置，其特征在于，

所述磷转化-磷回收装置（2）经自耦机构（2-1）与输水干管（3）活动连接；

所述自耦机构（2-1）由自耦活动接口（2-1-1）、底座（2-1-2）、管式导轨（2-1-3）和导轨定位支架（2-1-4）四部分构成；

磷转化-磷回收装置（2）通过底部总管（7-D）的连接法兰与自耦活动接口（2-1-1）连接；底座（2-1-2）由座体（2-1-2A）、导轨定位凸柱（2-1-2B）、带法兰过水管（2-1-2C）、固定在过水管（2-1-2C）上的带耦合斜面（2-1-2D）的定位加强环（2-1-2E）构成；

管式导轨（2-1-3）的两端分别套于下部的底座的导轨定位凸柱（2-1-2B）、上部导轨定位支架（2-1-4）的导轨定位凸柱（2-1-2B）；

当自耦活动接口（2-1-1）带着与底部总管（7-D）相连的磷转化-磷回收装置（2），沿导轨（2-1-3）滑下到最低位置时，活动接口（2-1-1）的挂齿（2-1-1A）与定位加强环（2-1-2E）的耦合斜面（2-1-2D）接触贴紧，通过耦合斜面（2-1-2D）竖直方向、水平方向的分力，将底座管道口与活动接口（2-1-1）间的密封圈（2-1-1B）压紧，从而完成连接安装；当活动接口（2-1-1）带着磷转化-磷回收装置（2）沿导轨（2-1-3）吊起时，活动接口（2-1-1）的挂齿（2-1-1A）沿定位加强环（2-1-2E）的耦合斜面（2-1-2D）斜向上移动的同时，活动接口（2-1-1）也向水平逆压紧方向移动，从而使底座（2-1-2）与底部总管（7-D）的活动接口（2-1-1）脱离。

3.如权利要求1所述的城市景观水体除磷与磷回收装置，其特征在于，在反应区（7-1）内，圆筒填料段（7-1B）上，分别设置内旋导流挡板（7-1-2），导流挡板（7-1-2）直径小于圆筒填料段（7-1B）圆筒内壁直径，导流挡板（7-1-2）可拆卸式安装；导流挡板（7-1-2）中部区域为若干内旋布置的斜向叶片（7-1-2-1）。

4.如权利要求3所述的城市景观水体除磷与磷回收装置，其特征在于，导流挡板（7-1-2）支撑于其下的、沿圆筒壁圆周平均分布的4个直角三角支撑筋板（7-1-3）；在三角支撑筋板（7-1-3）之上45-55mm的位置，设直角三角竖向定位筋板（7-1-4），用于限制导流挡板（7-1-2）向上移动。

5.如权利要求3或4所述的城市景观水体除磷与磷回收装置，其特征在于，在导流挡板（7-1-2）边缘、沿圆周平均分布有4个安装槽（7-1-5），当导流挡板（7-1-2）的安装槽（7-1-5）与三角支撑筋板（7-1-3）、竖向定位筋板（7-1-4）位置对应时，导流挡板（7-1-2）可通过三角支撑筋板（7-1-3）、竖向定位筋板（7-1-4）上下移动进行安装、拆卸。

6.如权利要求1—4任一所述的城市景观水体除磷与磷回收装置，其特征在于，在控流锥筒（7-1D）下方、锥筒扩大段（7-1C）的内壁面，设置三角形断面凸环（7-1E），三角形突出点与锥形扩大段（7-1C）的壁面距离为20-30mm。

7.如权利要求1—4任一所述的城市景观水体除磷与磷回收装置，其特征在于，在通道圆筒（7-4-1A）上部、沿筒周均匀分布固定有12块直角三角形筋板（7-4-1B），筋板（7-4-1B）外凸尺寸小于环隙通道（7-4-1）宽度，筋板（7-4-1B）的长直角边固定于圆筒（7-4-1A）的外壁；

在12块筋板（7-4-1B）的短直角边所构成的环形平面区域均匀分布固定有圆柱状环形栅条（7-4-1C），环形栅条（7-4-1C）竖向位置低于通道圆筒（7-4-1A）顶端面一定尺寸，便于顶盖（7-4-1D）的圆锥筒（7-2-5）定位安装。

8.如权利要求1—4任一所述的城市景观水体除磷与磷回收装置，其特征在于，锥筒（7-2-1）以轴心线为对称轴，分离片（7-2-2）的圆心在轴心线上、水平投影面积大于锥形筒（7-2-1）下口面积、与水平面的倾斜角大于45度。

9.如权利要求1—4任一所述的城市景观水体除磷与磷回收装置，其特征在于，控流锥筒（7-1D）上口直径与圆筒填料段（7-1B）直径相同，其下口圆周与锥筒扩大段（7-1C）壁面的环隙宽度为15-30mm。

10.如权利要求1—3任一所述的城市景观水体除磷与磷回收装置，其特征在于，在容置体（7）的圆筒顶端，设置有若干个用于起吊操作的吊环（7-6）。

Images