CN111377537B - 一种加快水体脱氮效率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加快水体脱氮效率的装置及方法，该装置包括制氧机、制氮机、气体压缩机和气体溶解器，所述制氧机和制氮机分别用于制备高纯度氧气和氮气，所述气体压缩机用于将高纯度氧气或氮气压缩成高压气体并将高压气体输入气体溶解器；所述气体溶解器置于需要进行脱氮处理的水层，并固定至需要的水深，用于对附近水体进行脱氮处理；所述制氧机、制氮机及气体压缩机均置于船舶上，船舶和气体溶解器同步移动。本发明可以加速水体脱氮，对应改善水体水质、修复水生态环境具有重要意义。

Description

一种加快水体脱氮效率的装置及方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，涉及到水环境领域，具体涉及一种加快水体脱氮效率的装置及方法。

背景技术

目前，我国部分水库及湖泊呈水体富营养化状态，并伴随有藻类水华暴发现象，对河湖生态系统及饮用水安全构成威胁。

氮、磷等营养盐超标是水体富营养盐及藻类水华发生的主要原因，因此，如何快速去除水体氮、磷等营养盐成为当前河湖生态治理与生态修复的重点和难点。

现有技术中存在的主要问题和缺陷如下：

目前，氮、磷等污染主要采用岸上拦截处理技术，包括污水处理厂集中处理、生态拦截带、氧化池等技术；对于已进入河湖水体中的氮、磷污染，多采用生态浮岛、微生物等技术进行处理，但因成本高、范围小等缺陷，很难对大体积水体的氮、磷进行有效去除。实际上，水体生态系统本身具有一定的脱氮(将溶解性氮转化为氮气进入空气)作用，包括反硝化作用、厌氧氨氧化作用和厌氧甲烷氧化作用，但是因一般性水体溶氧较饱和，缺少水体脱氮的厌氧环境，而沉积物中又因处于绝对厌氧环境，而缺少脱氮必须的硝酸盐，导致目前自然水体脱氮速率一般较低。因此，如何构建适宜水体脱氮的环境，对于加速水体脱氮、改善水体水质具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题和缺陷，本发明提供了一种加快水体脱氮效率的装置及方法，可以加速水体脱氮，对应改善水体水质、修复水生态环境具有重要意义。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种加快水体脱氮效率的装置，包括制氧机、制氮机、气体压缩机和气体溶解器，所述制氧机和制氮机分别用于制备高纯度氧气和氮气，所述气体压缩机用于将高纯度氧气或氮气压缩成高压气体并将高压气体输入气体溶解器；所述气体溶解器置于需要进行脱氮处理的水层，并固定至需要的水深，用于对附近水体进行脱氮处理；所述制氧机、制氮机及气体压缩机均置于船舶上，船舶和气体溶解器同步移动。

优选地，所述气体溶解器包括保护罩、曝气盘、溶解仓、储存仓、交换仓、注水器、活塞仓、活塞、配重仓、排气仓、进水仓、电池仓和浮球；

所述保护罩为整个气体溶解器的外部保护结构，下部为圆柱体，上部为圆锥体；

所述曝气盘紧邻溶解仓内壁，距底部约50mm，为一带进气管的上部开孔的圆环盘；

所述溶解仓底部与保护罩底部相连，直径为保护罩底部直径的1/2，为一上部小、下部大、内空的圆台；

所述储存仓为一中空仓体，储存仓底部与溶解仓底部通过小孔连通，顶部通过间隙与交换仓连通，中上部通过隔板与电池仓连接，在侧壁与电池仓连接处均匀分布4个排水管和排水泵；

所述交换仓为内部布满填料的圆筒；

所述注水器用于注水；

所述活塞仓为一上部封闭、底部开放的倒扣圆桶结构，活塞仓顶盖上开设有小孔，可供活塞的连杆通过；靠近顶盖环壁上开有3排排气孔；

所述配重仓为一顶部设有螺旋盖、内部含有配重盘的圆筒状结构；

所述排气仓为一内部中空的倒扣漏斗状结构，顶部与配重仓顶盖相连，底部与进水仓顶部相连，在顶部环壁均匀开设直径10mm的小孔，底部环壁均匀开设直径50mm的小孔；

所述进水仓为一圆筒状结构，顶部与排气仓底部相连，底部与电池仓和储存仓顶部相连，并将排气仓的底部环壁小孔完全包围在内部；

所述电池仓为一剖面为三角形的圆环体，内壁与储存仓顶部相连，顶部与进水仓底部相连；

所述浮球为空心球，通过不锈钢丝绳与配重仓底部相连。

优选地，整个保护罩由5mm厚304不锈钢制成；所述溶解仓由2mm厚304不锈钢制成，溶解仓底部开设有4排小孔，小孔孔径为20mm，相邻小孔间距为30mm；所述储存仓由2mm厚304不锈钢制成；所述活塞仓由2mm厚304不锈钢制成，排气孔直径为10mm，小孔圆心间距为20mm；所述排气仓由5mm厚304不锈钢制成；进水仓的外壁上均匀开设有直径为10mm的小孔，孔心间距为20mm，由5mm厚304不锈钢制成；所述浮球为一直径为500mm的聚乙烯空心球。

优选地，所述曝气盘包括上部开孔板、下部密封板和进气管，由2mm厚304不锈钢制成；所述开孔板上部均匀开孔432个，单孔直径为2mm；所述进气管内径为20mm；在曝气盘内部开有两个半圆形孔洞，用于连通溶解仓和储存仓。

优选地，交换仓的外壁由2mm厚304不锈钢制成；填料由直径20mm、10mm和5mm的玻璃球组成，比例为20mm：10mm：5mm＝5:3:2。

优选地，所述注水器包括进水管、固定架、喷水器，由2mm厚304不锈钢制成；进水管一端在进水仓内，另一端通过水泵与喷水器相连；固定架两端均焊接在活塞仓内壁上；喷水器一面焊接在固定架中部，另一面开设有均匀的小孔，小孔直径为2mm，小孔圆心间距为5mm。

优选地，所述活塞包括密封圈、底盘、连杆和顶盘，密封圈由硅胶制成，包裹在底盘外沿；连杆连接底盘和顶盘，均由304不锈钢制成。

优选地，配重仓的配重盘由8个可拆卸的50mm厚的铅盘组成；配重仓的其他结构均由5mm厚304不锈钢制成。

一种加快水体脱氮效率的方法，采用上述的加快水体脱氮效率的装置进行水体脱氮处理，过程如下：利用制氧机和制氮机分别制造高纯度氧气和氮气备用，首先关闭氮气阀，将氧气利用气体压缩机加压超过1MPa后，将高压氧气气体通入压力管，并通过压力管运输至所述气体溶解器的进气管内；同时打开所述气体溶解器注水器的水泵开关，将气体溶解器外部低溶解氧水体注入气体溶解器内；所述气体溶解器经过在高压环境中将氧气充分溶解到水体中，形成高溶解氧水，并通过储存仓水泵排出气体溶解器，促使气体溶解器周围环境中处于高氧环境，加速氨氮转化为硝酸盐氮；然后关闭氧气阀，打开氮气阀，经过上述相同的路径后，由气体溶解器排出低溶解氧高溶解氮水体，促使气体溶解器周围环境中处于厌氧环境，加速硝酸盐反硝化、厌氧氨氧化脱氮；这样反复运行，实现加快水体脱氮效率的目的。

优选地，所述气体溶解器处于高氧环境的时间持续1小时，气体溶解器处于厌氧环境的时间持续3小时，反复运行的时间是48小时。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)可以加速水体脱氮，对于改善水体水质、修复水生态环境具有重要意义。

(2)使用方便，可以大范围的进行水体脱氮处理，适用范围广，对河湖生态系统的环境改善及饮用水的安全提供保障。

(3)成本较低，处理效率高，经济和环境效益明显。

附图说明

图1是本发明所提供的一种加快水体脱氮效率的装置的结构组成示意图。

图2是本发明所提供的一种加快水体脱氮效率的装置中气体溶解器的剖面结构示意图。

图3是气体溶解器中保护罩的结构示意图。

图4是气体溶解器中曝气盘的结构示意图。

图5是气体溶解器中溶解仓的结构示意图。

图6是气体溶解器中储存仓的结构示意图。

图7是气体溶解器中交换仓的结构示意图。

图8是气体溶解器中注水器的结构示意图。

图9是气体溶解器中活塞仓的结构示意图。

图10是气体溶解器中活塞的结构示意图。

图11是气体溶解器中配重仓的结构示意图。

图12是气体溶解器中排气仓的结构示意图。

图13是气体溶解器中进水仓的结构示意图。

图14是气体溶解器中电池仓的结构示意图。

图15是本发明所提供的一种加快水体脱氮效率的方法的流程图。

附图标记说明：Ⅰ、制氧机；Ⅱ、制氮机；Ⅲ、气体压缩机；Ⅳ、气体溶解器；1、保护罩；2、曝气盘；3、溶解仓；4、储存仓；5、交换仓；6、注水器；7、活塞仓；8、活塞；9、配重仓；10、排气仓；11、进水仓；12、电池仓；13、浮球；2-1、上部开孔板；2-2、下部密封板；2-3、进气管；5-1、填料；5-2、外壁；6-1、进水管；6-2、固定架；6-3、喷水器；7-1、小孔；7-2、排气孔；8-1、密封圈；8-2、底盘；8-3、连杆；8-4、顶盘；9-1、螺旋盖；9-2、配重盘。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明公开了一种加快水体脱氮效率的装置，包括制氧机Ⅰ、制氮机Ⅱ、气体压缩机Ⅲ和气体溶解器Ⅳ，所述制氧机Ⅰ和制氮机Ⅱ分别用于制备高纯度氧气和氮气，所述气体压缩机Ⅲ用于将高纯度氧气或氮气压缩成高压气体并将高压气体输入气体溶解器Ⅳ；所述气体溶解器Ⅳ置于需要进行脱氮处理的水层，并固定至需要的水深，用于对附近水体进行脱氮处理；所述制氧机Ⅰ、制氮机Ⅱ及气体压缩机Ⅲ均置于船舶上，船舶和气体溶解器Ⅳ同步移动。

气体溶解器如图2所示，包括保护罩1、曝气盘2、溶解仓3、储存仓4、交换仓5、注水器6、活塞仓7、活塞8、配重仓9、排气仓10、进水仓11、电池仓12和浮球13。

所述保护罩1为整个装置的外部保护结构，下部为圆柱体，上部为圆锥体，整个保护罩由5mm厚304不锈钢制成，如图3所示。

所述曝气盘2紧邻溶解仓3内壁，距底部约50mm，为一带进气管的上部开孔的圆环盘，包括上部开孔板2-1、下部密封板2-2和进气管2-3，由2mm厚304不锈钢制成，如图4所示。所述开孔板2-1上部均匀开孔432个，单孔直径为2mm；所述进气管2-3内径为20mm。在曝气盘2内部开有两个半圆形孔洞，用以连通所述溶解仓3和储存仓4。

所述溶解仓3底部与保护罩1底部相连，直径为保护罩1底部直径的1/2，为一上部小，下部大，内空的圆台，由2mm厚304不锈钢制成，如图5所示。溶解仓3底部开设有4排小孔，小孔孔径为20mm，相邻小孔间距为30mm。

所述储存仓4为一复杂的中空仓体，由2mm厚304不锈钢制成，如图6所示。储存仓4底部与溶解仓3底部通过小孔连通，顶部通过间隙与交换仓5连通，中上部通过隔板与电池仓12连接，在侧壁与电池仓12连接处均匀分布4个排水管和排水泵。

所述交换仓5为内部布满填料5-1的圆筒，外壁5-2由2mm厚304不锈钢制成，如图7所示。填料5-1由直径20mm、10mm和5mm的玻璃球组成，比例为20mm：10mm：5mm＝5:3:2。

所述注水器6包括进水管6-1，固定架6-2，喷水器6-3，由2mm厚304不锈钢制成，如图8所示。进水管6-1一端在进水仓内，一端通过水泵与喷水器6-3相连。固定架6-2两端均焊接在活塞仓7内壁上。喷水器6-3一面焊接在固定架6-2中部，一面开设有均匀的小孔，小孔直径为2mm，小孔圆心间距为5mm。

所述活塞仓7为一上部封闭，底部开放的倒扣圆桶结构，由2mm厚304不锈钢制成，如图9所示。活塞仓7顶盖上开设有小孔7-1，可供活塞8的连杆通过；靠近顶盖环壁上开有3排排气孔7-2，排气孔直径为10mm，小孔圆心间距为20mm。

所述活塞8包括密封圈8-1，底盘8-2，连杆8-3和顶盘8-4，密封圈由硅胶制成，包裹在底盘外沿；连杆8-3连接底盘8-2和顶盘8-4，均由304不锈钢制成，如图10所示。

所述配重仓9为一顶部设有螺旋盖9-1，内部含有配重盘9-2的圆筒状结构。其中配重盘9-2由8个可拆卸的50mm厚的铅盘组；其他结构均由5mm厚304不锈钢制成，如图11所示。

所述排气仓10为一内部中空的倒扣漏斗状结构，顶部与配重仓9顶盖相连，底部与进水仓11顶部相连，在顶部环壁均匀开设直径10mm的小孔，底部环壁均匀开设直径50mm的小孔，由5mm厚304不锈钢制成，如图12所示。

所述进水仓11为一复杂的圆筒状结构，顶部与排气仓10底部相连，底部与电池仓12和储存仓4顶部相连，并将排气仓10的底部环壁小孔完全包围在内部，外壁上均匀开设有直径为10mm的小孔，孔心间距为20mm，由5mm厚304不锈钢制成，如图13所示。

所述电池仓12为一剖面为三角形的圆环体，如图14所示，内壁与储存仓4顶部相连，顶部与进水仓11底部相连。

所述浮球13为一直径为500mm的聚乙烯空心球，通过不锈钢丝绳与配重仓9底部相连。

一种加快水体脱氮效率的方法，流程图如图15所示。利用制氧机和制氮机分别制造高纯度氧气和氮气备用，首先关闭氮气阀，将氧气利用气体压缩机加压超过1MPa后，将高压气体通入压力管，并通过压力管运输至本发明所述气体溶解器的进气管内；同时打开本发明所述气体溶解器注水器水泵开关，将本发明所述气体溶解器外部低溶解氧水体注入气体溶解器内；本发明所述气体溶解器经过在高压环境中将氧气充分溶解到水体中，形成高溶解氧水，并通过储存仓水泵排出气体溶解器，促使本发明所述气体溶解器周围环境中处于高氧环境，加速氨氮转化为硝酸盐氮，持续1小时。然后关闭氧气阀，打开氮气阀，经过上述路径后，由气体溶解器排出低溶解氧高溶解氮水体，促使本发明所述气体溶解器周围环境中处于厌氧环境，持续3小时，加速硝酸盐反硝化、厌氧氨氧化脱氮。这样反复运行48小时，即可实现加快水体脱氮效率的目的。

在需要进行脱氮处理的大面积水体上，用将制氧机、制氮机及气体压缩机放置在船舶上并运输至需要进行脱氮的水体，将本发明所述气体溶解器放置到需要进行处理的水层，并用钢丝绳固定至需要的水深。根据图15所示流程进行充气操作，同时缓慢移动船舶和调整气体溶解器的深度范围，以增大脱氮水体范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种加快水体脱氮效率的装置，其特征在于：包括制氧机(Ⅰ)、制氮机(Ⅱ)、气体压缩机(Ⅲ)和气体溶解器(Ⅳ)，所述制氧机(Ⅰ)和制氮机(Ⅱ)分别用于制备高纯度氧气和氮气，所述气体压缩机(Ⅲ)用于将高纯度氧气或氮气压缩成高压气体并将高压气体输入气体溶解器(Ⅳ)；所述气体溶解器(Ⅳ)置于需要进行脱氮处理的水层，并固定至需要的水深，用于对附近水体进行脱氮处理；所述制氧机(Ⅰ)、制氮机(Ⅱ)及气体压缩机(Ⅲ)均置于船舶上，船舶和气体溶解器(Ⅳ)同步移动。

2.根据权利要求1所述的一种加快水体脱氮效率的装置，其特征在于：所述气体溶解器(Ⅳ)包括保护罩(1)、曝气盘(2)、溶解仓(3)、储存仓(4)、交换仓(5)、注水器(6)、活塞仓(7)、活塞(8)、配重仓(9)、排气仓(10)、进水仓(11)、电池仓(12)和浮球(13)；

所述保护罩(1)为整个气体溶解器的外部保护结构，下部为圆柱体，上部为圆锥体；

所述曝气盘(2)紧邻溶解仓(3)内壁，距底部约50mm，为一带进气管的上部开孔的圆环盘；

所述溶解仓(3)底部与保护罩(1)底部相连，直径为保护罩(1)底部直径的1/2，为一上部小、下部大、内空的圆台；

所述储存仓(4)为一中空仓体，储存仓(4)底部与溶解仓(3)底部通过小孔连通，顶部通过间隙与交换仓(5)连通，中上部通过隔板与电池仓(12)连接，在侧壁与电池仓(12)连接处均匀分布4个排水管和排水泵；

所述交换仓(5)为内部布满填料(5-1)的圆筒；

所述注水器(6)用于注水；

所述活塞仓(7)为一上部封闭、底部开放的倒扣圆桶结构，活塞仓(7)顶盖上开设有小孔(7-1)，可供活塞(8)的连杆通过；靠近顶盖环壁上开有3排排气孔(7-2)；

所述配重仓(9)为一顶部设有螺旋盖(9-1)、内部含有配重盘(9-2)的圆筒状结构；

所述排气仓(10)为一内部中空的倒扣漏斗状结构，顶部与配重仓(9)顶盖相连，底部与进水仓(11)顶部相连，在顶部环壁均匀开设直径10mm的小孔，底部环壁均匀开设直径50mm的小孔；

所述进水仓(11)为一圆筒状结构，顶部与排气仓(10)底部相连，底部与电池仓(12)和储存仓(4)顶部相连，并将排气仓(10)的底部环壁小孔完全包围在内部；

所述电池仓(12)为一剖面为三角形的圆环体，内壁与储存仓(4)顶部相连，顶部与进水仓(11)底部相连；

所述浮球(13)为空心球，通过不锈钢丝绳与配重仓(9)底部相连。

3.根据权利要求2所述的一种加快水体脱氮效率的装置，其特征在于：整个保护罩(1)由5mm厚304不锈钢制成；所述溶解仓(3)由2mm厚304不锈钢制成，溶解仓(3)底部开设有4排小孔，小孔孔径为20mm，相邻小孔间距为30mm；所述储存仓(4)由2mm厚304不锈钢制成；所述活塞仓(7)由2mm厚304不锈钢制成，排气孔(7-2)直径为10mm，小孔(7-1)圆心间距为20mm；所述排气仓(10)由5mm厚304不锈钢制成；进水仓(11)的外壁上均匀开设有直径为10mm的小孔，孔心间距为20mm，由5mm厚304不锈钢制成；所述浮球(13)为一直径为500mm的聚乙烯空心球。

4.根据权利要求2所述的一种加快水体脱氮效率的装置，其特征在于：所述曝气盘(2)包括上部开孔板(2-1)、下部密封板(2-2)和进气管(2-3)，由2mm厚304不锈钢制成；所述开孔板(2-1)上部均匀开孔432个，单孔直径为2mm；所述进气管(2-3)内径为20mm；在曝气盘(2)内部开有两个半圆形孔洞，用于连通溶解仓(3)和储存仓(4)。

5.根据权利要求2所述的一种加快水体脱氮效率的装置，其特征在于：交换仓(5)的外壁(5-2)由2mm厚304不锈钢制成；填料(5-1)由直径20mm、10mm和5mm的玻璃球组成，比例为20mm：10mm：5mm＝5:3:2。

6.根据权利要求2所述的一种加快水体脱氮效率的装置，其特征在于：所述注水器(6)包括进水管(6-1)、固定架(6-2)、喷水器(6-3)，由2mm厚304不锈钢制成；进水管(6-1)一端在进水仓(11)内，另一端通过水泵与喷水器(6-3)相连；固定架(6-2)两端均焊接在活塞仓(7)内壁上；喷水器(6-3)一面焊接在固定架(6-2)中部，另一面开设有均匀的小孔，小孔直径为2mm，小孔圆心间距为5mm。

7.根据权利要求2所述的一种加快水体脱氮效率的装置，其特征在于：所述活塞(8)包括密封圈(8-1)、底盘(8-2)、连杆(8-3)和顶盘(8-4)，密封圈(8-1)由硅胶制成，包裹在底盘(8-2)外沿；连杆(8-3)连接底盘(8-2)和顶盘(8-4)，均由304不锈钢制成。

8.根据权利要求2所述的一种加快水体脱氮效率的装置，其特征在于：配重仓(9)的配重盘(9-2)由8个可拆卸的50mm厚的铅盘组成；配重仓(9)的其他结构均由5mm厚304不锈钢制成。

9.一种加快水体脱氮效率的方法，其特征在于：采用如权利要求1-8任一项所述的加快水体脱氮效率的装置进行水体脱氮处理，过程如下：利用制氧机(Ⅰ)和制氮机(Ⅱ)分别制造高纯度氧气和氮气备用，首先关闭氮气阀，将氧气利用气体压缩机(Ⅲ)加压超过1MPa后，将高压氧气气体通入压力管，并通过压力管运输至所述气体溶解器(Ⅳ)的进气管内；同时打开所述气体溶解器注水器(6)的水泵开关，将气体溶解器(Ⅳ)外部低溶解氧水体注入气体溶解器内；所述气体溶解器(Ⅳ)经过在高压环境中将氧气充分溶解到水体中，形成高溶解氧水，并通过储存仓(4)水泵排出气体溶解器，促使气体溶解器(Ⅳ)周围环境中处于高氧环境，加速氨氮转化为硝酸盐氮；然后关闭氧气阀，打开氮气阀，经过上述相同的路径后，由气体溶解器(Ⅳ)排出低溶解氧高溶解氮水体，促使气体溶解器周围环境中处于厌氧环境，加速硝酸盐反硝化、厌氧氨氧化脱氮；这样反复运行，实现加快水体脱氮效率的目的。

10.根据权利要求9所述的一种加快水体脱氮效率的方法，其特征在于：所述气体溶解器处于高氧环境的时间持续1小时，气体溶解器处于厌氧环境的时间持续3小时，反复运行的时间是48小时。

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