CN111362406A - 悬浮式太阳能一体化净水设备及净水方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种悬浮式太阳能一体化净水设备及净水方法，属于污水处理技术领域。所述净水设备包括箱体、提升系统以及动力系统，箱体包括吸水井、浮筒、滤筒，滤筒内放置级配滤料；提升系统包括潜污泵、提升管道和洒水喷头，潜污泵置于吸水井内，提升管道与潜污泵连接，洒水喷头通过管道安装于提升管道上且位于滤筒上方；动力系统包括太阳能面板和控制箱，太阳能面板通过支架安装于箱体上方，太阳能面板通过控制箱与潜污泵连接。本申请通过太阳能供给潜污泵动力，利用潜污泵提升污水至洒水喷头，污水呈扇面雾状喷洒落入滤筒内，使污水自然充氧，在滤料表面生成的生物膜对污水中的有机物进行降解，同时滤料对污水过滤并吸附未被降解的氨氮、总磷。

Description

悬浮式太阳能一体化净水设备及净水方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种悬浮式太阳能一体化净水设备及净水方法。

背景技术

目前，我国是世界上水产养殖第一大国，2018年我国水产养殖总量超5000万吨，占我国水产品总产量的78％以上，与此同时，部分地区出现了水产养殖污染环境的情况，水产养殖与生态环境关系成为社会热点问题，水产养殖与生态之间的冲突日益明显，人类开始意识到水产养殖对生态造成的不良影响。水产养殖产生的影响在农业面源污染中占据的比重非常大。农业农村部出台的《关于加快推进水产养殖绿色发展的若干意见》将改善养殖环境作为水产养殖业绿色发展的重要内容。此外，随着社会经济的发展、城市的建设和城镇人口的急剧扩张，河道沿岸工厂及城镇排放的工业废水、生活污水、大气降尘和城市垃圾大幅增加，导致贯穿城镇的内河水质日趋恶化。我国80％以上的城市河道受到了污染，其中很多出现了季节性和常年性水体黑臭现象。

水产养殖污染以及黑臭水体目前的主要处理技术有以下几方面：

1.物理修复技术

物理修复技术主要包含以下几种：人工曝气、调水冲污、底泥生态疏浚等。

(1)人工曝气

人工曝气净化技术是根据湖泊水库水体受到污染后缺氧的特点，人工向水体中充入空气(或氧气)，加速水体复氧过程，以提高水体的溶氧水平，恢复水体中好氧微生物的活力，使水体的自净能力增强，从而改善水体的水质状况，促进水体生态系统的恢复。

主要优点：是一种快速、高效、简便易行的污染水体治理技术。

主要不足：投资成本高，运行和管理费用比大。

(2)调水冲污

调水冲污是用清洁、营养元素浓度低的水更换富营养化湖水，或增加进水量将发生藻华的湖水冲刷出去通过水体置换，外流引水，可稀释水体营养物浓度，增加水体流动性，从而防止和抑制藻类爆发性繁殖。

主要优点：“引清冲污”能够引起污染物转移。

主要不足：单纯用调水冲污的办法控制富营养化藻类的过度生长繁殖，往往难以奏效，是一项治标不治本的应急措施，操作不当会引发更大面积的水污染。

2、化学修复技术

化学修复技术就是利用污染物的化学反应来分离、回收污水中的有害物质，或使其转化为无害的物质。化学方法处理污染水体主要是添加化学药剂和吸附剂改变水体中氧化还原电位、pH，吸附沉淀水体中悬浮物质和有机质。利用物质的胶体化学性质，应用絮凝原理，使水华生物凝聚沉淀到水体底部，同时维持一定浓度的Cu²⁺的浓度可以产生杀藻的作用。

主要优点：化学法具有操作简单、用量少等优点，且其见效一般较快，通常可以作为一种应急方案。

主要不足：化学法用于富营养化水体的治理通常具有可持续性，并没有解决问题的根本。因此，如果采用化学法的同时没有其它适宜的辅措施，水体很快便又会出现富营养化问题。

3、生物修复技术

生物修复技术主要包括生物膜修复技术、植物修复技术、人工浮岛技术、生物操纵技术、微波技术等。

(1)生物膜修复技术

生物膜法是指天然材料(如卵石)、合成材料(如纤维)为载体，在其表面形成一种特殊的生物膜，生物膜表面积大，可为微生物提供较大的附着表面，有利于加强对污染物的降解作用。

主要优点：具有较高的处理效率，对于受有机物及氨氮轻度污染水体有明显的效果。它的有机负荷较高，接触停留时间短，减少占地面积，节省投资。此外，运行管理时没有污泥膨胀和污泥回流问题，且耐冲击负荷。

(2)植物修复技术

植物修复是按照生态学规律，利用植物自然演替、人工种植或两者兼顾，使受到人为破坏、污染或自然毁损而产生的生态脆弱区重新建立植物群落，恢复生态功能的技术体系。水生植物可降低水的流速与水动力扰动作用，稳定沉积物，为底栖生物提供良好的栖息地，并可通过光合作用将光能转化为有机能，向水体释放氧气，促进生物地球化学循环，达到净化水体的目的。

(3)生物操纵技术

生物操纵技术即通过去除食浮游生物者或添加食鱼动物降低浮游生物食性鱼的数量，使浮游动物的生物量增加或体型增大，从而提高浮游动物对浮游植物的摄食效率，降低浮游植物的数量。

(4)微波技术

微波可用于污染物的降解。在污染水体中，由于微波仅对其中的极性分子起作用电磁场使极性分子产生高速旋转并发生碰撞加剧分子活性，降低反应活化能和分子的化学键强度，提高化学反应速率；剧烈的极性分子震荡，可使化学键断裂，使污染物得到降解。

中国专利：一种河道治理用漂浮式微生物处理装置及其使用方法，专利号：CN201911120803.X，公开了一种漂浮式微生物处理装置，通过高强度牵引束带将多个处理箱相连接在一起，处理箱低端的铅锤沉入水底，漂浮球浮于水面，以实现处理箱较为稳定地处于河道内；处理箱沉入水底后，河水通过处理箱左右两端的过滤框导入至处理箱内部，过滤框内部的筛网与活性炭吸附层分别对污水中的较大漂浮物以及水中的颗粒物进行拦截以及吸附，处理后的污水通过通孔导入至处理箱内，污水中未被处理的颗粒物以及难以分解的杂质被微生物载体上的微生物絮团进行分解处理，与此同时，技术人员可启动驱动电机，带动微生物载体进行适度旋转，进一步有效提高污水的处理效果；技术人员可定时通过外接曝气机构与连通管相连接，通过曝气管底端的多个曝气孔对处理箱内部进行曝气处理，而旋转中的微生物载体能够充分与气体相接触，易于提高氧气供给的均匀性，同时旋转过程中更有利于提高处理箱内的含氧量，处理后的水体同样通过通孔排出。该专利利用微生物载体对水中的杂质进行分解，并通过驱动电机带动微生物载体旋转，再利用曝气装置对处理箱进行曝气以提高氧气供给的均匀性，导致设备构造复杂，曝气及生物膜载体运转均需要动力维持，耗能较高，导致成本较高。

发明内容

本发明通过提供一种悬浮式太阳能一体化净水设备及净水方法，以解决现有技术中污水处理设备构造复杂，成本较高，运营维护费用高的问题。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种悬浮式太阳能一体化净水设备，包括箱体、提升系统以及动力系统，所述箱体包括吸水井、至少一个浮筒、至少一个滤筒，滤筒内放置级配滤料；所述提升系统包括潜污泵、提升管道和洒水喷头，所述潜污泵置于吸水井内，提升管道与潜污泵连接，洒水喷头通过管道安装于提升管道上且位于滤筒上方；所述动力系统包括太阳能面板和控制箱，所述太阳能面板通过支架安装于箱体上方，太阳能面板通过控制箱与潜污泵连接。

优选地，所述吸水井设于箱体中间，浮筒和滤筒均为四个，分别间隔设置于吸水井的四周。

优选地，所述洒水喷头为四个，洒水喷头与滤筒一一对应设置于滤筒上方。

优选地，所述级配滤料包括膨化蛭石和陶粒，所述滤筒中从上至下滤料依次为膨化蛭石、陶粒。

优选地，所述浮筒上方设有盖板。

优选地，所述吸水井底部设有进水口，滤筒底部设有出水口，出水口处设有钢丝网。

优选地，所述控制箱安装于太阳能面板下方的支架上，控制箱包括蓄电池、控制器和逆变器，蓄电池与太阳能面板连接，控制器与蓄电池和逆变器连接；所述潜污泵通过管道和控制线与控制箱相连。

一种利用悬浮式太阳能一体化净水设备的净水方法，包括以下步骤：

S1：将净水设备悬浮在池塘或河道设计摆放的位置中，在净水设备上固定绳索，根据离岸边的距离预留足够长度的绳索，采用岸边固定的方法，用绳索连接固定物体将绳索的一端拴在预先制定的堤岸固定圈上；

S2：利用太阳能面板对潜污泵提供动力，潜污泵将污水从净水设备底部进水孔提升至洒水喷头，污水呈扇面雾状喷洒落入滤筒内，经过级配滤料进行层层过滤去除悬浮物，同时在滤料表面生成生物膜，生物膜中的微生物通过好氧、缺氧的生物反应降解污水中的COD、氨氮以及总磷，未被微生物降解的氨氮、总磷可被膨化蛭石和陶粒吸附，净化后的水从滤筒底部的出水口排出；

S3：对吸附饱和后的膨化蛭石和陶粒进行更换，更换出来的膨化蛭石和陶粒施用于蔬菜、果林，以补充土壤中的氮、磷等营养元素，同时改善土壤结构。

本发明的有益效果是：

本申请净水设备通过绳索及岸边固定圈将其固定在预先设计的位置，通过密封的浮筒将净水设备浮起同时起到固定水位的作用，通过太阳能供给潜污泵动力，设备底部进水孔进水，由潜污泵靠太阳能供电将水提升至洒水喷头，无需额外提供动力，解决了池塘、湖泊、河流机械复氧供电及水质净化的问题。

1.本申请利用潜污泵将污水抽进提升管道并通过洒水喷头将污水呈扇面雾状喷洒落入滤筒内，此过程中由于水雾与空气中的氧存在浓度差，空气中的氧向水雾中扩散而实现充氧，无需动力曝气充氧，级配滤料表面生成生物膜，生物膜中的微生物因消耗水中溶解氧致使滤料中从上到下依次形成好氧区、缺氧区，微生物通过好氧、缺氧的生物反应降解污水中的COD、氨氮等；此外，水中部分未被生物处理的氨氮、总磷可被膨化蛭石和陶粒吸附，吸附饱和后的膨化蛭石和陶粒进行更换，更换出来的膨化蛭石和陶粒可施用于蔬菜、果林，可以补充土壤中的氮、磷等营养元素，同时改善土壤结构，实现污染物的资源化利用。

2.本申请滤筒内置的膨化蛭石，膨化蛭石是一种非金属矿物，具有很强的吸附能力和离子交换能力，对水体中的氨氮有吸附作用；而蛭石对单价离子的选择随离子得水化半径减小而增大，因此蛭石对NH4+有较高的选择性，解决了氨氮去除问题，尤其是在冬天温度较低的情况下，蛭石对氨氮的有较好的去除率。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的剖视结构示意图。

图3是本发明的侧视结构示意图。

图4是本发明的俯视结构示意图。

图5是本发明的剖视结构示意图。

图6是箱体的俯视结构示意图。

图7是太阳能面板充电流程示意图。

图中：10-吸水井；11-进水口；20-浮筒；30-滤筒；31-出水口；32-膨化蛭石；33-陶粒；40-潜污泵；41-提升管道；42-洒水喷头；43-四通管道；44-管道；45-阀门；50-太阳能面板；51-控制箱；52-支架。

具体实施方式

下面将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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参见图1至图7，一种悬浮式太阳能一体化净水设备，包括箱体、提升系统以及动力系统，所述箱体包括吸水井10、至少一个浮筒20、至少一个滤筒30，滤筒30内放置级配滤料，所述浮筒20上方设有盖板，使浮筒密封；所述提升系统包括潜污泵40、提升管道41和洒水喷头42，所述潜污泵40置于吸水井10内，提升管道41与潜污泵40连接，洒水喷头42通过管道安装于提升管道上且位于滤筒20上方；所述动力系统包括太阳能面板50和控制箱51，所述太阳能面板50通过支架52安装于箱体上方，太阳能面板50通过控制箱51与潜污泵40连接。优选地，所述吸水井10底部设有进水口11，滤筒30底部设有出水口31，出水口31处设有钢丝网。

以上所述的悬浮式太阳能一体化净水设备悬浮在水体中，箱体均采用玻璃钢材质制成，把净化设备固定在设计位置，采用岸边固定的方法，用绳索连接固定物体。净水设备中的虑筒内置级配滤料，浮筒漂浮支撑悬浮式一体化设备，筒体内空置，筒顶上加盖板，盖板上装有太阳能面板。利用太阳能面板50为潜污泵提供动力，潜污泵40将污水抽进提升管道41，再通过洒水喷头42使水呈扇面雾状喷出，落入滤筒30，水雾在下落的过程中与空气接触，由于水雾与空气中的氧存在浓度差，空气中的氧向水雾中扩散而实现充氧过程，在滤筒中通过滤料以及滤料表面生成的生物膜对污水进行净化处理，再从滤筒下方出水口排出。

进一步地，所述吸水井10设于箱体中间，浮筒20和滤筒30均为四个，分别间隔设置于吸水井10的四周。浮筒20和滤筒30的数量也可以根据实际需求设置两个、三个或者更多个，这里不做限制，所述洒水喷头42也为四个，洒水喷头与滤筒的数量对应，洒水喷头与滤筒一一对应设置于滤筒上方，提升管道41通过四通管道43以及管道44与洒水喷头连接，所述管道44上设有阀门45，用于调节水量。优选地，滤筒和浮筒的高度为1200mm，宽度为400mm，太阳能面板下方的支架高度为500mm。

优选地，所述级配滤料包括膨化蛭石32和陶粒33，所述滤筒中从上至下滤料依次为膨化蛭石32、陶粒33。在充氧的条件下，微生物在滤料表面聚附着形成生物膜，经过充氧的污水以一定的流速流过滤料时，生物膜中的微生物吸收分解水中的有机物，使污水得到净化。本申请中采用膨化蛭石(粒径φ4～8mm)、陶粒(粒径φ8～16mm)作为滤料，在滤料表面将生成生物膜，生物膜中的微生物因消耗水中溶解氧致使滤料中从上到下依次形成好氧区、缺氧区。在好氧区微生物的作用下COD转变成CO₂、氨氮转化为NOX-，在缺氧区微生物的作用下进行脱氮反应NOX-转化为N₂；同时，级配滤料过滤水中悬浮物并吸附水中未被降解的氨氮及总磷，从而实现净化污水的目的。

进一步地，所述控制箱51安装于太阳能面板下方的支架52上，控制箱52包括蓄电池、控制器和逆变器，蓄电池与太阳能面板连接，控制器与蓄电池和逆变器连接；所述潜污泵通过管道和控制线与控制箱相连。本申请增设太阳能面板、控制箱，使操作管理更具科学性。

一种利用悬浮式太阳能一体化净水设备的净水方法，包括以下步骤：

S1：将净水设备悬浮在池塘或河道设计摆放的位置中，在净水设备上固定绳索，优选的，可以在太阳能面板下方的支架上设计固定孔，用于固定绳索的一端，根据离岸边的距离预留足够长度的绳索，采用岸边固定的方法，用绳索连接固定物体将绳索的另一端拴在预先制定的堤岸固定圈上；

S2：利用太阳能面板对潜污泵提供动力，潜污泵将污水从净水设备底部进水孔提升至洒水喷头，污水呈扇面雾状喷洒落入滤筒内，经过级配滤料进行层层过滤去除悬浮物，同时在滤料表面生成生物膜，生物膜中的微生物通过好氧、缺氧的生物反应降解污水中的COD、氨氮以及总磷，未被微生物降解的氨氮、总磷可被膨化蛭石和陶粒吸附，净化后的水从滤筒底部的出水口排出；

S3：对吸附饱和后的膨化蛭石和陶粒进行更换，更换出来的膨化蛭石和陶粒施用于蔬菜、果林，以补充土壤中的氮、磷等营养元素，同时改善土壤结构。

本发明的作用原理为：

(1)池塘或河道的水从吸水井底部的进水孔经潜污泵进入洒水蓬头，水呈扇面雾状喷出，水雾在下落的过程中与空气接触，水雾与空气中的氧存在浓度差，空气中的氧向水雾中扩散而实现充氧过程；

(2)充氧后的水雾掉入滤筒，滤筒内从上到下依次填装有膨化蛭石(粒径φ4～8mm)、陶粒(粒径φ8～16mm)，在滤料表面将生成生物膜，生物膜中的微生物因消耗水中溶解氧致使滤料中从上到下依次形成好氧区、缺氧区；在好氧区微生物的作用下COD转变成CO₂、氨氮转化为NOX-，在缺氧区微生物的作用下进行脱氮反应NOX-转化为N₂；级配滤料同时过滤水中悬浮物。膨化蛭石(960℃)对氨氮饱和吸附能力为17mg/g、对PO4-P饱和吸附能力为6.4mg/g；陶粒(400℃)对PO4-P饱和吸附能力为4.48mg/g，水中部分未被生物处理的氨氮、总磷可被膨化蛭石和陶粒吸附，吸附饱和后的膨化蛭石和陶粒进行更换，更换出来的膨化蛭石和陶粒可施用于蔬菜、果林。由此实现了对水中COD、氨氮、总氮、总磷、悬浮物的去除。

(3)本申请通过密封的浮筒使设备悬浮于水中，通过太阳能供给潜污泵动力，解决了池塘、湖泊、河流机械复氧供电及水质净化的问题。

本发明具有以下特点：

1)悬浮式一体化设备通过太阳能供给潜污泵电力，解决动力能耗问题；

2)通过洒水喷头将污水洒入滤筒的过程可使污水进行自然充氧，生物膜中的微生物因消耗水中溶解氧致使滤料中从上到下依次形成好氧区、缺氧区；

3)级配滤料中的膨化蛭石和陶粒不仅起到物理过滤作用还可对水中的氨氮及总磷进行吸附，更换出的膨化蛭石和陶粒由于吸附了N和P可施用于蔬菜、果林。

试验案例

一、试验条件：晴天较多的月份，日照充足；池塘属于微污染，水深不小于1.5m。

二、试验步骤：

选取某池塘，面积约200平方米，水深1.5米左右，放置设备前取水样对其进行污染物指标检测，检测结果为：CODcr：45mg/l，BOD5：11.5mg/l，NH3-N：1.55mg/l，TP：0.42mg/l，TN：1.9mg/l，pH：6～9。根据天气预报，选取合适的月份，将1台悬浮式太阳能一体化净水设备放置在池塘水体中悬浮。该设备设计的处理能力为夏季8-10t/d，冬雨季为3t/d。

于2019年11月进行试验，控制器设计潜污泵开启时间为3小时/天，处理一个月之后，取池塘水进行污染物指标检测。

三、试验结果：见下表。

由上表可知，本申请的净水设备对水中的CODcr、BOD₅的处理效果非常好，对NH₃-N、TP、TN的处理能力较强，并且本申请操作简单，适于推广用于池塘、湖泊、河道的水质净化。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种悬浮式太阳能一体化净水设备，其特征在于，包括箱体、提升系统以及动力系统，所述箱体包括吸水井、至少一个浮筒、至少一个滤筒，滤筒内放置级配滤料；所述提升系统包括潜污泵、提升管道和洒水喷头，所述潜污泵置于吸水井内，提升管道与潜污泵连接，洒水喷头通过管道安装于提升管道上且位于滤筒上方；所述动力系统包括太阳能面板和控制箱，所述太阳能面板通过支架安装于箱体上方，太阳能面板通过控制箱与潜污泵连接。

2.根据权利要求1所述的悬浮式太阳能一体化净水设备，其特征在于，所述吸水井设于箱体中间，浮筒和滤筒均为四个，分别间隔设置于吸水井的四周。

3.根据权利要求2所述的悬浮式太阳能一体化净水设备，其特征在于，所述洒水喷头为四个，洒水喷头与滤筒一一对应设置于滤筒上方。

4.根据权利要求1所述的悬浮式太阳能一体化净水设备，其特征在于，所述级配滤料包括膨化蛭石和陶粒，滤筒中从上至下滤料依次为膨化蛭石、陶粒。

5.根据权利要求1所述的悬浮式太阳能一体化净水设备，其特征在于，所述浮筒上方设有盖板。

6.根据权利要求1-5任一项所述的悬浮式太阳能一体化净水设备，其特征在于，所述吸水井底部设有进水口，滤筒底部设有出水口，出水口处设有钢丝网。

7.根据权利要求6所述的悬浮式太阳能一体化净水设备，其特征在于，所述控制箱安装于太阳能面板下方的支架上，控制箱包括蓄电池、控制器和逆变器，蓄电池与太阳能面板连接，控制器与蓄电池和逆变器连接；所述潜污泵通过管道和控制线与控制箱相连。

8.一种利用权利要求1所述的悬浮式太阳能一体化净水设备的净水方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将净水设备悬浮在池塘或河道设计摆放的位置中，在净水设备上固定绳索，根据离岸边的距离预留足够长度的绳索，采用岸边固定的方法，用绳索连接固定物体将绳索的一端拴在预先制定的堤岸固定圈上；

S2：利用太阳能面板对潜污泵提供动力，潜污泵将污水从净水设备底部进水孔提升至洒水喷头，污水呈扇面雾状喷洒落入滤筒内，经过级配滤料进行层层过滤去除悬浮物，同时在滤料表面生成生物膜，生物膜中的微生物通过好氧、缺氧的生物反应降解污水中的COD、氨氮以及总磷，未被微生物降解的氨氮、总磷可被膨化蛭石和陶粒吸附，净化后的水从滤筒底部的出水口排出；

S3：对吸附饱和后的膨化蛭石和陶粒进行更换，更换出来的膨化蛭石和陶粒施用于蔬菜、果林，以补充土壤中的氮、磷等营养元素，同时改善土壤结构。

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