CN111533281B - 一种采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人，所述管道疏通净化机器人包括主机身，其特征在于主机身上设有机械爪系统、螺旋桨系统和清淤系统，清淤系统包括高压水枪，主机身包括双层密封舱体，舱体内层为冲洗水管，与高压水枪相连，舱体外层用于放置电气导管和固定支架，微生物净水系统位于管道机器人主机身后部，并会成绳条状被牵引在管道机器人后方，起净化污水的作用，螺旋桨系统驱动管道疏通净化机器人在管道内移动，并通过机械爪系统完成局部挪动和精准定位。本发明操作灵活，通过远程控制完成净水清淤，从而避免人员在污水管道内维护清淤的风险。

Description

一种采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人

技术领域

本发明属黑臭河道治理技术领域，涉及一种采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人，具体地涉及一种通过微生物凝胶里净化污水的微生物和高压水枪实现排水管道内污水净化和沉积物去除的装置。

背景技术

近年来，虽然城镇化建设的飞速发展，城市人口密度节节攀升，但由于城市基础建设不足，城市污水排放量也随之不断增长，导致大量的有机污染物排入水体，城市水环境收到严重的破坏。虽然在一些一线城市，污水直排已经通过城市管网的优化被大部分取代，但合流制管道内污水和市政管道中雨污汇合积存的污水中COD、氨氮、总磷等常规指标依然较高。随着管道内底物基质浓度增加，微生物繁殖加剧，易产生生物膜造成管道沉积物的生成和臭气散发。在雨天时，汇合积存的污水会通过泵站放江进入城市河道，混合污水中的有机物和氨氮进入水体后会产生富营养化现象，导致藻类或浮游类生物大量增殖，进而造成水中溶解氧消耗殆尽，使鱼类或其他水生生物大量死亡。同时水体中厌氧微生物种群的相对丰度也开始升高，造成污染物及腐烂物质发生厌氧水解，在水解过程中不仅会产生硫化氢和氨气等恶臭气味，大量的S^2-与Fe²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺会形成深黑色硫化物，这些硫化物易附着于悬浮物上使水体发黑。因此，越来越多的水体逐渐出现季节性或终年黑臭现象，对河道周边居民生活产生重大的影响。

黑臭水体的治理中，主要分为水体原位修复和控源截污两种技术路线。在水体原位修复方面，目前主要有增氧曝气、清淤疏浚、生物化学药剂修复、水生植物技术等工艺。虽然国内外对黑臭水体的原位水体修复技术已有诸多的研究，但大部分原位水体修复技术成本高、施工周期长、修复效果不稳定。经常会发生在大雨或者一段时间后，修复好的河道再次出现黑臭现象。因此，治理黑臭水体的核心还是要截污控源。现阶段截污管网的改造已取得长足的进步，从截污纳管的角度优化管线完成了很多技术研究，但从根源上直接削减管道内污水中净水清淤的技术研究仍有不足。我国主要城市排水管道的净水清淤工作依然还是采用人工下井的模式，这种模式不仅时间和金钱成本高，还对作业人员的身体健康产生威胁。对于一些较小管径的管道，人工下井的模式就无法实行。同时，人工清淤的方式只能对管道内的沉积物进行去除，但由于沉积物长时间淤积而导致管道内污水的有机物污染物浓度上升问题无法解决。

微生物包埋技术是将微生物包埋于载体或胶体中，使微生物细胞不随液体流动并保持良好的生物活性。利用微生物包埋技术对生物量及活性酶的有效截留，加强了微生物乃至整个处理工艺的功能。从理论上讲，任何一种限制细胞自由流动的技术，都可以用于细胞的固定化。目前微生物包埋的方法主要有3种：（1）絮凝：通过絮凝剂如阳离子、阴离子聚电解质等的作用使生物细胞聚集。（2）共价偶合：通过双官能团的交联剂作用，将载体物质和细胞或酶的离子团以牢固的化学键结合。以水凝胶或膜作为半透性惰性物质，能允许底物的流动而限制了细胞的流动性，利用多孔性纤维质如纤维素可以使细胞渗透进入孔隙内部。（3）吸附：通常是表面多孔性惰性载体引起细胞的附着，通过物理吸附、化学或离子结合，将微生物固定于非水溶性载体。包埋材料的物理化学性质直接影响到所固定细胞的和体系传质性能和生物活性，固定微生物的材料必有充足的孔道允许底物进入细胞内部同时允许产物流出细胞，而且保证限制住生物细胞不发生泄漏。目前常用的载体有:明胶、聚丙烯酰胺凝胶(ACAM)、海藻酸钙、PVA、PE、PP等。利用微生物包埋技术的优点，可将选择性地筛选出的优势菌种加以固定，构成一种高效、快速、能连续处理的污水处理系统，同时还可以免除污泥处理的二次污染。

目前可放置在管道内的小型高效同时完成净水和清淤的装置极少，相关领域的发明主要围绕管道内沉积物的清除，而没有针对管道内污染物质的去除技术方法。为了解决黑臭水体这一问题，本发明将微生物包埋技术与管道移动设备结合，实现长距离管道内污水净化和沉积物去除。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人，利用微生物凝胶里净化污水的微生物和高压水枪实现长距离管道内污水净化和沉积物的去除。通过减少污水管道内的有机物浓度和沉积物，降低泵站放江进入水体的污染物总量，根源上保护河道和自然水体，减少黑臭河道发生概率。

本发明的技术方案如下：一种采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人，所述机器人包括主机身，其特征在于主机身上设有机械爪系统、螺旋桨系统和清淤系统，清淤系统包括高压水枪，主机身包括双层密封舱体，舱体内层为冲洗水管，与高压水枪相连，舱体外层用于放置电气导管和固定支架，微生物净水系统位于管道机器人主机身后部，并会成绳条状被牵引在管道机器人后方，起净化污水的作用。

进一步地，螺旋桨系统包括设置在主机身上的若干个对称设置的水平螺旋桨框架，螺旋桨框架通过螺旋桨固定支架与主机身相连，螺旋桨双向电动机通过螺栓固定在螺旋桨框架上，螺旋桨桨叶为若干组不锈钢刀刃，通过尾轴安装在螺旋桨框架内，与螺旋桨双向电动机相连。由于管道内除了沉积物还会存在一定的植物或残渣，不锈钢刀刃在遇到这些物体时具有切割分离作用，协助高压水枪对管道内的沉积物进行去除。

进一步地，螺旋桨及螺旋桨框架可根据管径大小更换尺寸，螺旋桨的直径范围为30cm~150cm，螺旋桨框架的尺寸为35cm~160cm。

进一步地，螺旋桨框架外层采用耐腐蚀橡胶包裹，防止螺旋桨框架对管道的破坏。橡胶材料的类型科委氯丁胶、硅橡胶会氟橡胶等。

进一步地，螺旋桨双向电动机机壳使用耐腐蚀镀层不锈钢316，并采用密封橡胶圈密封，螺旋桨双向电动机通过污水管道内的水温对电动机进行水冷降温，同时双向电动机通过主机身舱体内电缆和地面电源相连。

进一步地，机械爪系统包括第一支撑臂壳焊接在主机身上，第一电动机通过主机身固定杆和第一电动机固定支架安装在第一支撑臂壳内，第一电动机通过第一电动机连杆与第二支撑臂壳连接，通过第一电动机上驱动轴旋转带动第一连杆从而使第一支撑臂在设定角度内旋转，第二电动机通过螺栓固定在第二支撑臂内，并与第二连杆相连，第二电动机驱动轴通过旋转第二电动机连杆从而使第二支撑臂在设定角度内旋转，第二电动机连杆与第三电动机相连，第三电动机通过螺栓固定在第三支撑臂内，第三电动机驱动轴通过齿轮与机械臂从动齿轮连接，机械臂从动齿轮与转子通过齿轮连接，第三电动机驱动轴使转子在其水平方向上完成360度旋转，转子与2自由度球关节固定壳相连，使其与转子保持同样的旋转角度，机械臂球关节嵌套在2自由度球关节固定壳内，并与机械爪相连，所述机械爪由3-自由度球关节固定壳、机械爪球关节、机械爪关节和机械爪指组成，机械爪球关节嵌套在3-自由度球关节固定壳内，机械爪关节固定在机械爪球关节上，机械爪指与机械爪关节相连。

进一步地，机械臂球关节与机械爪中间连接部分安装有照明灯环和压力传感器。

进一步的，照明灯环为LED灯带，在污水管道内为CCTV摄像提供光源。由于照明灯环安装在机械爪上，因此可根据机械爪的移动从移动，从而可以对一些沉积物死角进行照射。

进一步地，机械爪指的指节材料为可更换耐腐性橡胶，橡胶种类有丁基胶、氯丁胶、氟橡胶等防止污水管道被金属材质机械爪指破坏。在管道机器人进入管道前对污水内酸性物质的种类进行检测，匹配相应的爪指材料。

进一步地，机械爪系统里的主体臂壳和机械爪关节均采用耐腐蚀不锈钢316，同时对金属材料外层进行镀膜。

进一步地，机械爪系统通过主机身舱体内电缆和地面电源相连，并配有备用电源，防止管道机器人在电源被切断时丢失在管道中。

进一步地，微生物净水系统包括柔性双层套管，所述柔性双层套管与管道机器人主机身法兰密封连接，柔性双层套管为耐腐蚀双层套管结构，内层套管与主机身的舱体内层连通，并与地面变频水泵连接，用于填充冲洗清水，外层套管与主机身的舱体外层隔断，外层套管填充空气，与变频空压机连接，双层柔性曝气管上安装有若干个纳米曝气盘，纳米曝气盘通过纳米曝气盘支架与外层套管相连，同时纳米曝气盘内设有布气管球阀，通过纳米曝气盘上纳米曝气孔向污水管道内曝空气，双层柔性曝气管上每两个纳米曝气盘中间安装有一组微生物凝胶网罩，微生物凝胶网罩内填充有微生物凝胶和微生物种群。

进一步地，微生物凝胶网罩由内外子母网罩构成，内部子网套安装在母网套内，分别填充不同的微生物凝胶，微生物凝胶子母网罩通过微生物凝胶网罩支架固定在双层柔性曝气管上，微生物凝胶为海藻酸钠、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺或明胶。

进一步地。所述微生物凝胶的形状为方形、球形、圆柱形、饼形等。微生物包埋方法包含吸附法、共价结合法、化学交联法等。最终目的都是具有污水净化功能的微生物群落包埋在载体内不随管道内水流移动。

进一步地，微生物凝胶网罩中内外子母网罩填充微生物种群可以根据管道内污水特性进行选择。微生物凝胶网罩内部的子网罩主要包埋适合厌缺氧环境下生长的微生物，包含亚硝酸氧化菌、反硝化细菌、厌氧氨氧化菌等。微生物凝胶网罩外部的母网罩主要包埋适合好氧环境下生长的微生物，包含好氧氨氧化菌、好氧除磷菌、活性污泥优势异养菌等。根据水质的条件对凝胶内的微生物浓度进行调整，凝胶内的微生物浓度范围为0.5~5g-vss/L，微生物与凝胶的混合比范围为25~50%。

进一步地，柔性双层套管材质可用耐腐蚀PVDF、聚丙烯腈、聚砜等、氟碳树脂等。柔性双层套管的长度根据需要净化的污水管道长度可进行调整，柔性双层套管每间隔相同距离设有曝气孔或小型微纳米曝气盘，可通过阀门控制曝气强度。

进一步地，柔性双层套管上安装有检修阀，在每次启动微生物包埋系统时都会对空气管道的气压进行检测，避免漏气的可能性。

进一步地，纳米曝气盘上的曝气孔孔径为80~200nm，纳米曝气盘的材料可用陶瓷、钛板或EPDM。

本发明的采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人，清淤系统包括变频高压水泵、高压水枪、止回阀、水管阀门、高压水枪、高压水枪转轴。变频高压水泵将地面冲洗清水输送至柔性双层套管的内层水管中。柔性双层套管内层水管与高压水枪相连，连接处安装有水管阀门。在连通管道内安装止回阀，防止污水管道内污水进入双层套管中引起堵塞。高压水枪转轴焊接在管道机器人主机身上，通过销轴和高压水枪相连，控制高压水枪的喷射角度。高压水枪转轴、水管阀门与信息收集控制服务器电气相连。

进一步地，所述高压水枪的设定水压为800bar~1000bar，通过地面变频水泵和水管阀门进行控制。

进一步地，管道疏通净化机器人包括检测模块和信息收集控制服务器，检测模块包括沉积物探测器、溶解氧探头、压力传感器、水质检测仪和红外检测仪；沉积物探测器固定在装置主机身上，用以实时检测管道内沉积物厚度，当完成沉积物厚度探测后将数据上传至信息收集控制服务器，由信息收集控制服务器调整机械爪的伸展半径，并对高压水枪的喷射范围和角度进行设定；溶解氧探头安装在微生物凝胶网罩上，用以实时监测管道内污水的溶解氧浓度；压力传感器安装在机械爪上，在行驶过程中实时检测管道内壁沉积物厚度对管道机器人机械爪的压力影响，若沉积物厚度过厚，则会旋转机械爪使其对管道内沉积物进行物理刮擦，协助高压水枪清除管道内的沉积物；水质检测仪单独对污水管道内的水质进行间歇性监测，水质检测结果上传至所述信息收集控制器；红外检测仪通过红外检测仪转动轴安装在红外检测仪支架上，红外检测仪支架焊接在管道机器人主机身上，在运行过程中完成影像采集。

水质检测仪监测指标包括COD、氨氮、硝态氮、pH等。。

本发明的采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人，信息收集控制服务器通过电气收集压力传感器、沉积物探测器、水质检测仪和CCTV上传的数据。信息收集控制器安装在地面移动设备上，可以受工作人员控制。

进一步地，所述信息收集控制器可通过Python、Java等软件进行编程和修改，实现管道机器人的自动化控制。根据压力传感器实时监测的压力数据与提前设定的参数比较，自动调节机械爪的伸展角度和长度。根据沉积物探测器实时监测的数据与提前设定的参数比较，自动计算行走路线及高压水枪喷射频率、角度。根据实时监测的水质数据与污水内溶解氧的浓度，自动调整纳米曝气盘对空气的曝气量。行走路线的规划方式采用人工规划和自动辅助模式，由地面上的操作人员通过信息收集控制器远程操作主机身在管道内移动，信息收集控制器会在显示器上显示厚度超过一定厚度的沉积物的定位坐标，并显示红外检测仪检测到图像，以辅助操作人员的操作。

本发明的采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人，在长距离管道内进行污水净化和去除沉积物时包含以下步骤：

步骤1，选择需要净化的管道，将采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人牵引柔性双层套管和装有微生物凝胶的网罩放入污水检查井内，信息收集控制服务器远程控制管道移动设备从污水检查井移动至污水管道中；

步骤2，打开采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人主机身上的沉积物探测器和水质监测仪，对污水管道内的沉积物厚度和污染物浓度进行检测，并将监测数据上传至信息收集控制服务器终端，开启红外检测仪，采集管道内实时图像；

步骤3，根据测得管道内沉积物的厚度和分布规划采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人的移动路径和水枪喷射频率和角度，通过信息收集控制服务器远程操作采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人携带柔性双层套管、纳米曝气盘、微生物凝胶在管道内移动，同时打开采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人上的高压水枪对管壁进行喷水冲洗，针对沉积物厚度较小的区域采取高压水枪冲洗，针对沉积物厚度较大的区域伸展机械爪，利用机械爪指对管道内沉积物进行物理刮擦并结合高压水枪同步冲洗；

步骤4，根据测得管道内污染物质的浓度配置纳米曝气盘数量、包埋微生物的浓度和种类，利用螺旋桨装置驱动管道机器人牵引纳米曝气盘和微生物凝胶至指定位置，抵达指定位置后管壁螺旋桨装置，伸展机械爪，利用机械爪在管道内产生的摩擦力固定管道机器人，打开纳米曝气盘阀门进行曝气；

步骤5，对污水完成净化后，通过信息收集控制服务器远程操作采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人移动至初始位置，并将所有设备从检查井内取出。

本发明提供的一种采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人利用长距离管道作为处理反应池，通过高压水枪和包埋在凝胶中的微生物对管道内的沉积物和污染物进行原位去除和降解，从而完成污水的净化。且可通过机械爪的长度和支撑角度进入不同管径的管道，具有很强的适应性。本发明具有以下优点：

（1）该发明利用长距离管道作为反应池体，利用包埋在微生物凝胶中的硝化细菌、反硝化细菌、水解细菌、乙酸菌、硫酸盐还原菌等优势菌属完成对多种污染物进行高效降解，减少污染物质进入自然水体的可能性。

（2）该发明的微生物净化系统适用性广，可根据管道内污水污染物的类型选择对应的优势微生物种群。具有净化污水功能的微生物被固定在凝胶中不会流失到管道中，防止管道内生物膜的淤积。微生物凝胶可多次重复利用，成本低。

（2）该发明可同时去除污水管道内的沉积物，利用机械爪和高压水枪对沉积物较厚的区域协同处理，处理效率高。

（3）该发明无需对现有管道进行改造，操作简单，能够适应不同管径大小的管道，具有很高的灵活性和机动性，方法应用面广。

（4）该发明无需人员井下作业，同时利用信息收集控制服务器远程对设备进行控制，具有很高的安全性。

附图说明

图1为本发明用于排水管道的净水清淤的运行示意图。

图2为本发明中采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人主机身、高压水枪、柔性双层套管、纳米曝气盘和微生物凝胶网罩的结构示意图。

图3为本发明中采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人轴测图。

图4为本发明中机械爪局部结构示意图。

图5为本发明中机械爪内部结构示意图。

图6为本发明中机械爪与主机身的结构示意图。

图7为本发明中螺旋桨与主机身的结构示意图。

图8本发明中沉积物探测器、CCTV和柔性双层套管的剖面图。

图9为本发明中纳米曝气盘和柔性双层套管的剖面图。

图10为本发明中微生物凝胶网罩和柔性双层套管的剖面图。

图11为本发明中高压水枪和柔性双层套管的剖面图。

图12为本发明中信息收集控制服务器控制电路示意图

1-变频空压机；2-变频水泵；3-污水检查井；4-纳米曝气盘；41-纳米曝气孔；42-纳米曝气托盘；43-纳米曝气盘支架；44-布气管球阀；5-微生物凝胶网罩；51-微生物凝胶母网罩支架；52-微生物凝胶子网罩支架；53-母网罩微生物凝胶；54-子网罩微生物凝胶；55-溶解氧探头；6-柔性双层套管；7-高压水枪；71-高压水枪喷射头；72-高压水枪转轴；73-止回阀；74-水管阀门；8-主机身；81-CCTV；811-CCTV转动轴；812-CCTV支架；82-沉积物探测器；83-柔性双层套管检修阀；84-螺旋桨驱动装置；841-螺旋桨框架；842-不锈钢刀刃；843-螺旋桨固定支架；844-螺旋桨双向电动机；85-机械爪装置；851-机械爪关节；852-2自由度球关节固定壳；853-第二支撑臂壳；854-第一电动机；855-第一支撑臂壳；856-检修门；857-机械爪固定底座；858-机械爪指；859-3自由度球关节固定壳；8510-照明灯环；8511-转子；8512-第二支撑臂壳；8513-机械爪球关节；8514-压力传感器；8515-机械臂从动齿轮；8516-机械臂球关节； 8517-第二电动机驱动轴；8518-第三电动机； 8519-第二电动机；8520-第二电动机连杆；8521-第一电机驱动；8522-第一电动机连杆轴；8523-备用电池；8524-第一支撑臂壳固定底座；8525-第一电机固定支架。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合以下具体实施例和附图，对发明方法作进一步的详细说明。

实例1：

本实例中污水管道长度1600m，直径为400cm，管道内混合污水COD_Cr浓度为60mg/L，氨氮浓度为40mg/L。如图1所示，本发明通过污水检查井3进入污水管道，管道机器人的单个螺旋桨直径为120cm，机械爪装置的伸展半径范围为300~500cm。主机身与柔性双层套管6相连，柔性双层套管6材料为耐腐蚀PVDF，同时柔性双层套管6末端与地面变频水泵2、变频空压机1相连。纳米曝气盘4安装在柔性双层套管6上，间隔50cm。纳米曝气孔41直径为100nm，单个纳米曝气盘4的充氧能力为0.15Kg-O₂/m³∙h，纳米曝气托盘42使用陶瓷制成。微生物凝胶网罩5安装在柔性双层套管6上，每两个纳米曝气盘4中间安装一个微生物凝胶网罩5。如图微生物凝胶网罩5由一个子网罩和一个母网罩组成，子网罩在母网罩内部，分别填有子网罩微生物凝胶54和母网罩微生物凝胶53。根据水质特点，子网罩微生物凝胶54内包埋水解细菌、厌氧反硝化细菌，母网罩微生物凝胶53内包埋好氧氨氧化菌、硝化细菌。微生物凝胶尺寸为1m×1cm×1cm的正方体，凝胶材料为海藻酸钠。凝胶内的微生物浓度为0.8g-vss/L，微生物与凝胶的混合比为30%。

上述实施例中的一种通过微生物包埋技术的管道机器人实现长距离管道内污水净化和沉积物去除的方法包括以下步骤：

步骤一：完成溶解氧探头55的校准，将采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人和水质检测仪从地面降至污水检查井3内。启动管道机器人自检系统，对导轮压力传感器8514、沉积物探测仪82、CCTV81、水管阀门74、布气管球阀44和溶解氧探头55进行检查。打开水质检测仪，对污水管道内的污染物浓度进行检测，并将监测数据上传至信息收集控制服务器终端。

步骤二：使用信息收集控制服务器远程操控采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人，进入管道后打开螺旋桨装置，使其携带柔性双层套管6、纳米曝气盘4、微生物凝胶网罩5缓慢移入污水管道内。

步骤三：打开螺旋桨机械爪双驱动上的沉积物探测器82，对污水管道内沉积物厚度进行检测。沉积物探测器结果显示沉积物平均厚度为7.8cm，在管道7.8m位置存在枝叶缠绕情况，在管道1334.2m处存在一个厚度约为14.6cm的淤泥沉积凸起物。利用服务器内计算机分析数据，根据计算结果对螺旋桨机械爪双驱动的移动路线和高压水枪7喷射频率、角度进行设定。

步骤四：远程操控管道机器人移动至离入口处7.8m处，展开机械爪，利用机械爪对枝叶进行扰动。使枝叶随水流进入螺旋桨不锈钢铰刀内。枝叶被不锈钢铰刀破碎，打开高压水枪，使其随水流冲出管道。

步骤五：远程操控管道机器人移动至离入口处1334.2m处，计算当前管道内直径和机械爪旋转半径。展开机械爪，利用机械爪指刮擦管道内壁。同时检测机械爪臂上的压力传感器，保证机械爪指对管道内壁不产生物理性损伤。打开高压水枪，对污泥沉积凸起物进行冲洗，使淤泥随水流冲出管道。

步骤六：根据测得管道内污染物质的浓度配置纳米曝气盘4的曝气时间和溶解氧浓度，本实例中间歇曝气16小时，溶解氧浓度设定为1.4mg/L。使螺旋桨机械爪双推进机器人移动至距离管道起点1600m的位置，装有微生物凝胶网罩5的柔性双层套管6的长度为1598m，打开紫外光灯环5和纳米曝气盘4的布气管球阀44进行曝气。

步骤七：打开水质检测仪和沉积物探测器82，分析曝气后的污水水质参数和沉积物厚度。若污水水质不符合设定值，则继续打开纳米曝气盘4的布气管球阀44。和纳米曝气盘4的布气管球阀44。若某处沉积物未被去除，则移动高压水枪6至该位置，重新冲洗。当水质和沉积物厚度符合设定值后，通过信息收集控制服务器远程操控采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人返回至初始位置，并将所有设备从污水检查井3内取出。

数据显示，在监测时间段16小时内1600m管道内污水COD的平均去除率超过了82.2%，氨氮的平均去除率超过了72.4%，沉积物的平均厚度降低了83.8%。

实例2：

本实例中污水管道长度600m，直径为1200cm。管道内混合污水CODCr浓度为90mg/L，氨氮浓度为30mg/L。如图1所示，本发明通过污水检查井3进入污水管道，管道机器人的单个螺旋桨直径为300cm，机械爪装置的伸展半径范围为1200~1500cm。主机身与柔性双层套管6相连，柔性双层套管6材料为耐腐蚀PVDF，同时柔性双层套管6末端与变频水泵2、变频空压机1相连。纳米曝气盘4安装在柔性双层套管6上，间隔60cm。纳米曝气孔41直径为100nm，单个纳米曝气盘4的充氧能力为0.22Kg-O₂/m³∙h，纳米曝气托盘42使用陶瓷制成。微生物凝胶网罩5安装在柔性双层套管6上，每两个纳米曝气盘4中间安装一个微生物凝胶网罩5。如图微生物凝胶网罩5由一个子网罩和一个母网罩组成，子网罩在母网罩内部，分别填有子网罩微生物凝胶54和母网罩微生物凝胶53。根据水质特点，子网罩微生物凝胶54内包埋厌氧脱硫弧菌属细菌、水解细菌、厌氧反硝化菌、厌氧氨氧化菌，母网罩微生物凝胶53内包埋好氧氨氧化菌、硫酸盐还原菌。微生物凝胶为直径1.5cm的球体，凝胶材料为海藻酸钠。凝胶内的微生物浓度为2.5g-vss/L，微生物与凝胶的混合比为45%。

上述实施例中的一种通过微生物包埋技术的管道机器人实现长距离管道内污水净化和沉积物去除的方法包括以下步骤：

步骤一：将采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人和水质检测仪从地面降至污水检查井3内。启动管道机器人自检系统，对导轮压力传感器8514、沉积物探测仪82、CCTV81、水管阀门74、布气管球阀44和溶解氧探头55进行检查。打开水质检测仪，对污水管道内的污染物浓度进行检测，并将监测数据上传至信息收集控制服务器终端。

步骤二：使用信息收集控制服务器远程操控采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人，进入管道后打开螺旋桨装置，使其携带柔性双层套管6、纳米曝气盘4、微生物凝胶网罩5缓慢移入污水管道内。

步骤三：打开螺旋桨机械爪双驱动上的沉积物探测器82，对污水管道内沉积物厚度进行检测，将沉积物厚度及机械爪所在位置反馈至信息收集控制服务器，沉积物探测器结果显示沉积物平均厚度为8.9cm，在管道74.1m和443.7m处存在枝叶和淤泥混合缠绕情况，在管道305.2m和535.5m处分别存在厚度约为13.8cm和厚度约为6.8cm的淤泥沉积凸起物。利用服务器内计算机分析数据，根据计算结果对螺旋桨机械爪双驱动的移动路线和高压水枪7喷射频率、角度进行设定。

步骤四：远程操控管道机器人移动至离入口74.1m和443.7m处，展开机械爪，利用机械爪对枝叶和污泥进行扰动。同使枝叶随水流进入螺旋桨不锈钢铰刀内。枝叶被不锈钢铰刀破碎，打开高压水枪，使其随水流冲出管道。

步骤五：远程操控管道机器人移动至305.2m和535.5m处，计算当前管道内直径和机械爪旋转半径。展开机械爪，利用机械爪指刮擦管道内壁。同时检测机械爪臂上的压力传感器，保证机械爪指对管道内壁不产生物理性损伤。打开高压水枪，对污泥沉积凸起物进行冲洗，使淤泥随水流冲出管道。

步骤六：：根据测得管道内污染物质的浓度配置纳米曝气盘4的曝气时间和溶解氧浓度，本实例中间歇曝气24小时，溶解氧浓度设定为3.0mg/L。使螺旋桨机械爪双推进机器人移动至距离管道起点600m的位置，装有微生物凝胶网罩5的柔性双层套管6的长度为598m，打开纳米曝气盘4的布气管球阀44进行曝气。

步骤七：打开水质检测仪和沉积物探测器82，分析曝气后的污水水质参数和沉积物厚度。若污水水质不符合设定值，则继续打开紫外光灯环5和纳米曝气盘4的布气管球阀44。若某处沉积物未被去除，则移动高压水枪6至该位置，重新冲洗。当水质和沉积物厚度符合设定值后，通过信息收集控制服务器远程操控采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人返回至初始位置，并将所有设备从污水检查井3内取出。

数据显示，在监测时间段24小时内600m管道内污水COD的平均去除率超过了76.9%，氨氮的平均去除率超过了80.2%，沉积物的平均厚度降低了85.3%。

本发明方法无需对管道和检查井进行改造和施工，通过履带式管道机器人和微生物包埋技术对任意位置的污水管道内的污染物和沉积物进行原位削减，尤其对管道内污染物质浓度较低的污水具有优异的净化效率。

尽管本发明内容已经通过上述优选实施做了详细阐述，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制，本领域技术人员在查阅了上述内容后能够想到的变化和修改都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (7)

1.一种采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人，所述管道疏通净化机器人包括主机身，其特征在于主机身上设有机械爪系统、螺旋桨系统和清淤系统，清淤系统包括高压水枪，主机身包括双层密封舱体，舱体内层为冲洗水管，与高压水枪相连，舱体外层用于放置电气导管和固定支架，微生物净水系统位于管道疏通净化机器人主机身后部，并成绳条状被牵引在管道疏通净化机器人后方，起净化污水的作用，螺旋桨系统驱动管道疏通净化机器人在管道内移动，并通过机械爪系统完成局部挪动和精准定位；

机械爪系统包括：第一支撑臂壳焊接在主机身上，第一电动机通过主机身固定杆和第一电动机固定支架安装在第一支撑臂壳内，第一电动机通过第一电动机连杆与第二支撑臂壳连接，通过第一电动机上驱动轴旋转带动第一连杆从而使第一支撑臂在设定角度内旋转，第二电动机通过螺栓固定在第二支撑臂内，并与第二连杆相连，第二电动机驱动轴通过旋转第二电动机连杆从而使第二支撑臂在设定角度内旋转，第二电动机连杆与第三电动机相连，第三电动机通过螺栓固定在第三支撑臂内，第三电动机驱动轴通过齿轮与机械臂从动齿轮连接，机械臂从动齿轮与转子通过齿轮连接，第三电动机驱动轴使转子在其水平方向上完成360度旋转，转子与2自由度球关节固定壳相连，使其与转子保持同样的旋转角度，机械臂球关节嵌套在2自由度球关节固定壳内，并与机械爪相连，所述机械爪由3自由度球关节固定壳、机械爪球关节、机械爪关节和机械爪指组成，机械爪球关节嵌套在3自由度球关节固定壳内，机械爪关节固定在机械爪球关节上，机械爪指与机械爪关节相连；

微生物净水系统包括柔性双层套管，所述柔性双层套管与管道疏通净化机器人主机身法兰密封连接，柔性双层套管为耐腐蚀双层套管结构，内层套管与主机身的舱体内层连通，并与地面变频水泵连接，用于填充冲洗清水，外层套管与主机身的舱体外层隔断，外层套管填充空气，与变频空压机连接，柔性双层套管上安装有若干个纳米曝气盘，纳米曝气盘通过纳米曝气盘支架与外层套管相连，同时纳米曝气盘内设有布气管球阀，通过纳米曝气盘上纳米曝气孔曝气，柔性双层套管上每两个纳米曝气盘中间安装有一组微生物凝胶网罩，微生物凝胶网罩内填充有微生物凝胶和微生物种群。

2.根据权利要求1所述的采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人，其特征在于：螺旋桨系统包括设置在主机身上的若干个对称设置的水平螺旋桨框架，螺旋桨框架通过螺旋桨固定支架与主机身相连，螺旋桨双向电动机通过螺栓固定在螺旋桨框架上，螺旋桨桨叶为若干组不锈钢刀刃，通过尾轴安装在螺旋桨框架内，与螺旋桨双向电动机相连。

3.根据权利要求2所述的采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人，其特征在于：机械臂球关节与机械爪中间连接部分安装有照明灯环和压力传感器。

4.根据权利要求1所述的采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人，其特征在于：微生物凝胶网罩由内外子母网罩构成，内部子网罩安装在母网罩内，分别用于填充不同的微生物凝胶，微生物凝胶子母网罩通过微生物凝胶网罩支架固定在柔性双层套管上，微生物凝胶为海藻酸钠、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、或明胶。

5.根据权利要求4所述的采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人，其特征在于：根据管道内污水特性选择所述微生物凝胶网罩中内外子母网罩填充微生物种群，所述微生物凝胶网罩内部的子网罩包埋适合厌缺氧环境下生长的微生物，包含亚硝酸氧化菌、反硝化细菌、或厌氧氨氧化菌，所述微生物凝胶网罩外部的母网罩包埋适合好氧环境下生长的微生物，包含好氧氨氧化菌、好氧除磷菌、或活性污泥优势异养菌，根据水质的条件对凝胶内的微生物浓度进行调整，凝胶内的微生物浓度范围为0.5~5g-vss/L，微生物与凝胶的混合比范围为25~50%。

6.根据权利要求1所述的采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人，其特征在于：管道疏通净化机器人包括检测模块和信息收集控制服务器，检测模块包括沉积物探测器、溶解氧探头、压力传感器、水质检测仪和红外检测仪；沉积物探测器固定在装置主机身上，用以实时检测管道内沉积物厚度，当完成沉积物厚度探测后将数据上传至信息收集控制服务器，由信息收集控制服务器调整机械爪的伸展半径，并对高压水枪的喷射范围和角度进行设定；溶解氧探头安装在微生物凝胶网罩上，用以实时监测管道内污水的溶解氧浓度；压力传感器安装在机械爪上，在行驶过程中实时检测管道内壁沉积物厚度对管道疏通净化机器人机械爪的压力影响，若沉积物厚度过厚，则会旋转机械爪使其对管道内沉积物进行物理刮擦，协助高压水枪清除管道内的沉积物；水质检测仪单独对污水管道内的水质进行间歇性监测，水质检测结果上传至所述信息收集控制器；红外检测仪通过红外检测仪转动轴安装在红外检测仪支架上，红外检测仪支架焊接在管道疏通净化机器人主机身上，在运行过程中完成影像采集。

7.根据权利要求6所述的一种采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人，其特征在于：所述的管道疏通净化机器人运行包括以下步骤：

步骤1，选择需要净化的管道，将采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人牵引柔性双层套管和装有微生物凝胶的网罩放入污水检查井内，信息收集控制服务器远程控制管道移动设备从污水检查井移动至污水管道中；

步骤2，打开采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人主机身上的沉积物探测器和水质检测仪，对污水管道内的沉积物厚度和污染物浓度进行检测，并将监测数据上传至信息收集控制服务器终端，开启红外检测仪，采集管道内实时图像；

步骤3，根据测得管道内沉积物的厚度和分布规划采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人的移动路径和水枪喷射频率和角度，通过信息收集控制服务器远程操作采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人携带柔性双层套管、纳米曝气盘、微生物凝胶在管道内移动，同时打开采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人上的高压水枪对管壁进行喷水冲洗，针对沉积物厚度较小的区域采取高压水枪冲洗，针对沉积物厚度较大的区域伸展机械爪，利用机械爪指对管道内沉积物进行物理刮擦并结合高压水枪同步冲洗；

步骤4，根据测得管道内污染物质的浓度配置纳米曝气盘数量、包埋微生物的浓度和种类，利用螺旋桨装置驱动管道疏通净化机器人牵引纳米曝气盘和微生物凝胶至指定位置，抵达指定位置后关闭螺旋桨装置，伸展机械爪，利用机械爪在管道内产生的摩擦力固定管道疏通净化机器人，打开纳米曝气盘阀门进行曝气；

步骤5，对污水完成净化后，通过信息收集控制服务器远程操作采用微生物包埋技术管道疏通净化机器人移动至初始位置，并将所有设备从检查井内取出。

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