CN113307424A - 一种基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统，其特征在于：包括依次连接的湖泊下游含藻浊水多点取水系统、岸基物化处理净化系统、清水管道输送上游多点还湖系统，及与三个系统配套的辅助系统，四个子系统联合运行：从下游多点抽取含藻浊水到湖岸水源厂的水处理设施，经物化法旁路净化处理后，获清澈透明的富氧清水出厂，该清水经过管道长距离输送到上游湖岸，以跌水瀑布水景形式多点还湖，形成湖泊活水自我循环。本发明系统水循环能效高、交互传质效果好、活水供应不限量、水生态易修复、富氧清澈水质有保障。

Description

一种基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统

技术领域

本发明属于湖泊污染治理与湖水再生技术领域，具体涉及一种基于物化法旁路净化水质的湖泊循环供应活水系统。

背景技术

我国共有1km²以上湖泊2759个，绝大多数是半封闭的淡水湖。三四十年来，随着社会经济的快速发展，湖泊周边城镇化兴起，湖泊流域内的人类活动加剧，持续的和累积的污染触目惊心，致使湖泊原有生态系统破坏殆尽，特别是太湖、巢湖、滇池等著名湖泊，在蓝藻水华爆发时鱼类死亡，水草锐减，水体犹如绿油漆一般，以湖泊为水源的自来水厂(如无锡、武汉东湖)被迫减产甚至停产或转用其他水源(如滇池)，人居环境恶化，严重影响了人们的生活质量和身心健康。

近年来，通过大力建设环湖截污管道和污水处理厂，精细化控制流域面源污染，禁用含磷洗涤剂等，广泛运用海绵城市建设理念，甚至建造大型初雨调蓄处理设施，积极建设大面积河滩河口滨湖湿地，实施河湖底泥清淤、建造生态堤岸，取缔湖泊网箱养鱼，配合生态引水补水稀释换水和开展湖泊生态修复等工作，经过坚持不懈地落实这些系统化的综合措施，极大扭转并减轻了湖泊污染的趋势和程度，湖泊水质出现可喜好转，但要真正恢复到被污染破坏之前的清澈见底、水草摇曳、鱼翔浅底的美好状态，仅仅凭借已有的系统化治理技术措施和管理措施，多年来的实践已经表明仍然难以凑效和根治。

究其根本原因是：入湖污染物总量(含底泥缓释量，为便于理解假定总量以无量纲值150 计)已大大超过湖泊目前的微弱自净能力(已演变为藻型浊水湖的生态自净能力假定值10)，也明显超过了50年前(1970s)草型清水湖的生态系统自净能力(假定值100)，因此，仅仅将湖泊生态系统简单复原到50年前的生态健康水平(自净量100)，仍然不足以抵御当今超量入湖的污染物总量(150)，最为关键的现实情况是，湖泊流域内的人类活动强度已不可能回到50年前的稀少和纯自然状态(100)，而只会比50年前入湖污染物的总量更多(有可能 200)，无法做到比50年前(1970s)更少(≤100)。

故，当今必须建立强有力的且持续有效的人工干预措施，才能逐步达成湖泊水生态修复恢复和美好水生态的长久维持。如果仅仅寄希望于湖泊自身的自愈能力，或自愈后的自净能力，不外加人工强制干预任其自然、顺其自然的话，一是实现美好水生态的过程将过于漫长 (有可能需要十数年甚至百年之久)，二是极大可能永远无法实现预想目标。这或许是经济社会发展的必然，也是人类活动单向增加和人们对美好生活的要求越来越高的必然。

为此，我们有理由认为，成功再造草型清水湖泊的健康生态，并且努力维持其健康生态的可行办法，必定是人工强制干预(无量纲值140～50)和湖泊健康生态(由10逐渐再生到 100)两者共同对湖泊更多本底污染物(≥150)进行削减；只有彼此相互协同，才能保障清澈见底、水草摇曳、鱼翔浅底的美好景象得以顺利重现，并长久维持。

为了实现上述目标，近年来，污水处理和环保领域、流域治理及湖泊生态修复业界，已经开展人工强制干预和水生态自然净化(前者相对主动，后者略微被动)两相结合的研究和尝试，并取得了一些成果和实际应用，为众多已经演变为藻型浊水湖的水体，转型恢复为草型清水湖带来了希望，但这些方式方法和工程技术措施尚有诸多不足，需要更多开拓创新。

专利申请《低碳节能治理湖泊或景观湖污染水质的方法》(授权公告号CN101913708B，公告日2014.07.16，以下简称现有技术1)，是通过设置一个或多个太阳能曝气式增氧设备，对水体充氧和增加水体循环流动性，用人工强制措施和水生态自净措施共同改善污染水质。因该方法必须使用较多曝气式增氧设备，致使景观水体看上去更像养鱼塘，因而推广运用受到极大局限，当今稍微大些的湖泊景观已极少采用该方法(改为多处人工瀑布)。

专利申请《一种湖泊景观水体的水质保持与生态修复方法》(申请公布号CN106045213A，公布日2016.10.26，以下简称现有技术2)，是利用曝气生物滤池旁路强化处理系统、水生植物处理系统和球状碳素纤维组合填料处理系统三者联合，该方法对小型水体和无藻类污染水体有一定效果，但因曝气生物滤池进水浓度低而处理效率不高，水生植物处理系统的生态效能占比低，因而总体成本较高，性价比不足，难以应用于稍微大型的藻类污染湖泊的修复。

专利申请《一种富营养化湖泊的联合修复方法》(授权公告号CN104512986B，公告日 2016.12.07，以下简称现有技术3)，是通过水泵将湖水抽送至生物滤池中处理，然后在曝气生物巢中进行深度处理，此后再进行自然沉淀处理，之后流回湖中经由曝气机和导流墙组成的造流系统、生物膜净化系统、水生态系统等净化处理，又被水泵抽送至生物滤池进入下一循环。鉴于填充沸石分子筛滤料的生物滤池极易被水体生物粘性物质堵塞，且自然沉淀后的水体达不到沉水植物要求的充分透明度，加上湖泊中曝气机造流的整体接力流动效果勉强，实际能耗高，且会误认为是养鱼塘，因而该联合修复方法的可行性和适用性尚存不足。

专利申请《一种退化湖泊的修复方法》(申请公布号CN106348449A，公布日2017.01.25，以下简称现有技术4)，是直接向湖泊加入絮凝剂和微生物菌剂，同时在湖泊沿岸建立人工湿地及沿岸种植水生植物的修复方法，确实可以见到短期的局部效果，但因为湖泊并非处于隔绝的静止状态，而是有外源污染不断输入，因而投加制剂难以长久持续而且制剂投加总量巨大，菌剂亦难以成为湖中优势菌种且容易流失，加上湖中水体无法与沿岸湿地或植物进行质能交换，因而难以持续向好地改变湖泊状态，修复时间过于漫长而且可能永远难以真正修复。

专利申请《一种用于污染水体快速修复的装置及方法》(申请公布号CN107445240A，公布日2017.12.08，以下简称现有技术5)，是向水体大面积喷洒铝铁混合改性膨润土，以期实现污染水体的原位修复，据称其经过特殊方法改性的水体修复剂，对特定污染物吸收能力可提高数倍，然而，吸附了污染物的膨润土沉降成底泥，其污染物并未降解或移出系统，随着水体污染的持续和日积月累，底泥越积越多反倒增加了水体的污染负担，因为吸附沉降的污染物最终还是会释放回水体内形成新的叠加污染，因此，直接向水体投加物质的方法应归类为临时性应急措施，治标不治本，不是长久之计。

专利申请《一种湖泊治理系统》(授权公告号CN106638458B，公告日2019.02.05，以下简称现有技术6)，是通过在湖泊一侧设置漂浮带形成河道，利用底层推流器产生湖泊循环流，利用供氧机提高水体含氧量，再配合水草种植和生态浮岛等水生态，这样的人工强制措施和水生态两者，共同实现微小型湖泊污水治理的目的。鉴于用推流器强制循环湖泊大水体极易短流，能耗高且效率低，实际循环效果大打折扣，故，最终治理成效有待实践检验。

专利申请《用于浅水型污染湖泊的生态修复系统》(授权公告号CN211664912U，公告日 2020.10.13，以下简称现有技术7)，是通过低污水处理结构、引种结构以及草型清水结构在水体透明度及外界自然条件满足的前提下，逐步削减污染物和逐步改善水质，逐步构建健康的水生态系统。鉴于该系统的水体透明度不可控、污染物在此三种结构中并没有强制循环和有效的传质交换，因而生态修复的效率平平，适应范围较窄，不能直接应用于水体含藻量较高的浑浊情况，需要在前端建设藻水分离站(常规分离站分离不彻底、出水透明度很差、分离出的藻浆难处置等)，必要时还需布设水动力改善设备(如水泵、推流机、涌浪机等，效果有限)，因此，该系统仅是草型湖泊生态修复再生系统的一小部分，需要对其进行大刀阔斧的补充完善。

专利申请《改善受污染城市中小型湖泊水质的补水装置及补水方法》(申请公布号CN111943357A，公布日2020.11.17，以下简称现有技术8)，是通过抽取受污染湖水经上向流缺氧/上向流好氧生物滤池净化处理，对湖泊进行污染物去除后再入湖作为补水，该方法侧重于把相对较低浓度的湖水当作城镇污水进行脱氮除磷生化处理，众所周知其缺氧/好氧和内回流的重点在于脱氮(即污水处理业界著名的AO工艺之生物膜法版)，而除磷为顺带，因其进水浓度低而处理总效率并不高。故，对于当今以磷污染为首而致蓝藻泛滥的藻型浊水湖来说，该方法的除藻、除浊、除磷功能相对较弱，难以让湖泊水生态尽快恢复协同发挥水生态功能作用，因而有一定局限性。

上述已有发明或公开技术中，旁路净化处理大多以生物滤池为主(归类为生化处理技术的生物膜法)，以水体充氧、低效循环等简单的物化处理技术为辅，如前述现有技术2、技术 3、技术8等生物滤池生化处理技术，该类技术用于较低氮磷浓度的含藻浊水并无明显优势。因此，针对上述各项湖泊污染治理系统及方法在高效除藻、彻底除浊、强制除磷、持续削减水体污染物、低能耗充氧、节能造流循环和强化传质、保障引种的本土沉水植物存活和增殖、岸上强制净化和水下生态净化协同等方面的不足，非常有必要创造性地发明并设计出一种流程简短、运行简便、长久稳定、技术可靠、易于实施、总运行成本低廉、标准化操作、环境友好的基于物化法净化的藻类污染湖泊循环供应活水系统，该系统应具备技术成熟稳定、能耗低、效率高、污染物削减可控、沉水植被易存活等优点，能够确保藻型浊水湖顺利转型草型清水湖，并且在成功转型后能够长久维持稳定并具有抗污染缓冲能力。

总之，在湖泊污染治理与湖水再生技术领域持续创新，并切实满足湖泊水环境水生态的实际需要，将是一项长期艰巨的任务。同时，本发明的提出非常有时代意义，并且有十分显著的实际应用价值。

发明内容

为解决湖泊污染治理与湖水再生技术中存在的各种问题和不足，本发明的一种基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统(以下简称本发明循环活水系统)，并没有继续沿用城市污水处理常用的生化法(活性污泥法、生物膜法等等)，也没有采用在湖泊中添加某种特异功能制剂、在湖泊内部千方百计造流、改头换面曝气充氧、推出各种新式打捞船和特殊装置打捞和过滤蓝藻等等这些低效的“头痛医头，脚痛医脚”无法解决根本问题的方法，而是另辟蹊径，开创性采用跨界关键技术——应用于城市供水(自来水)领域的藻类污染水源物化法净化再生技术，是首次从水处理(自来水)工程技术领域跨界到湖泊污染再生技术领域，通常，前者归类于市政给排水工程技术类，后者归类于环境保护环境生态学类，因此，本发明循环活水系统属于跨界横向联合技术，是基于高效低耗的物化法——加药混凝沉淀、气浮除藻、均质滤料深床过滤等成熟技术手段，获取极高透明度的富氧清水从上游还湖，形成湖体内外大循环(类似于一个巨大的“人工肾”)，为水生态重建创造先决条件的核心创新技术。

本发明循环活水系统，总体技术方案概述如下：

从湖泊下游多点抽取含藻浊水到湖岸水源厂的水处理设施，经格栅除渣和配水、加药混凝沉淀、气浮除藻、除浊除磷和均质滤料气水反冲洗砂滤池深床过滤等物化法净化处理，获清澈透明的富氧清水，再经过管道长距离输送到上游湖岸，以跌水瀑布水景等形式多点还湖，成为湖泊自我循环供给的活水；该还湖清水与原湖水(含藻浊水)逐渐自然混合并徐徐流向下游，在流经取水口断面时≥50％的水流又被抽取做下一轮净化循环，如此反复吐故纳清；与此同时，在还湖清水与湖水混合形成的次清澈透明区域，为引种本土沉水植物并确保其存活繁茂创造了先决条件——合适的光照透明度以保障光合作用顺利进行；随着活水循环旷日持久，沉水植物逐渐获得优势，草型清水区范围稳步扩大，最终成功再造清澈秀美、鱼翔浅底的草型清水湖。

一种基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统，其特征在于：包括依次连接的湖泊下游含藻浊水多点取水系统、岸基物化处理净化系统、清水管道输送上游多点还湖系统，及配套的辅助系统，四个子系统联合运行：从下游多点抽取含藻浊水到湖岸水源厂的水处理设施，经物化法净化处理后，获清澈透明的富氧清水出厂，该清水经过管道长距离输送到上游湖岸，以跌水瀑布水景等形式多点还湖，成为湖泊自我循环供给的活水逐渐将全湖污浊的一潭死水自我替换为清澈透明的缓流循环活水。

所述取水系统，包括湖泊下游或主导风向下风向位置处，与湖泊总体流向垂直的截面上，设置的间距大致相等的若干取水井13，取水井的顶部设表层取水口11，部分位于深水处的取水井下部接近湖床处设下层取水口12，各取水井依次通过湖底引水管道14相连，最终与位于湖岸边的取水泵房15进口衔接，取水泵房15出口经过取水阀门流量计16和取水压力管道 17，与位于岸上的高位格栅配水池相连。

所述取水井的数量不少于2个，表层取水口数量不少于2个，下层取水口数量不少于1 个。

所述净化系统，包括高位格栅配水池20，高位格栅配水池通过连接管道29，依次与混凝沉淀(澄清)气浮除藻池23、均质滤料气水反冲洗砂滤池27、反冲洗泵房28相连接，后端的反冲洗泵房，通过连接管道与还湖系统的缓冲吸水井连接。

所述净化系统还包括格栅除污机21、混凝剂投加机22、刮吸泥机24、指型集水槽25、气浮刮藻机26。

所述还湖系统，包括缓冲吸水井31，缓冲吸水井通过管道与清水加压泵房32相连，然后经过清水阀门流量计33、结合井及排气阀34，再经过较长距离的清水输送管道35，将清水输送到湖泊上游方向或主导风向上风向湖岸处的清水还湖补水点36。

所述清水还湖补水点36数量不少于5个，并将补水点设置成多种形式的入湖跌水瀑布水景37为补水点的还湖清水继续充氧。

所述还湖清水在入湖即将掺混湖水之前的溶解氧DO≥5mg/L，透明度≥12m，浑浊度≤1NTU。

所述辅助系统，至少包括变配电间、加药间、废水处理及回收系统、生物质碳化车间、污泥深度脱水/干化车间、化验室/中控室和其它设施措施，所述变配电间为取水系统、净化系统、还湖系统及辅助系统自身的用电设备提供动力；所述加药间：为混凝沉淀(澄清)气浮除藻池提供配置好的混凝剂药液如FeCl₃、PAC以及加压溶气；所述废水处理及回收系统：用于处理混凝沉淀(澄清)气浮除藻池的排泥水和污泥深度脱水车间的压榨残液，并将均质滤料气水反冲洗砂滤池的反冲洗排水经沉淀处理后回收利用；所述生物质碳化车间：用于处理气浮工序分离出来的藻浆、格栅配水池拦截的水葫芦(凤眼莲)及湖泊中打捞/收割的衰亡水生植物等生物质残体，这些有机物生物质经沥干挤压后被粉碎，采用不使用粘合剂的高压压制机制炭工艺在缺氧情况下高温烧制，生产出可用于生活取暖、烧烤、炭火锅等用途的环保机制炭(属国际公认的绿色环保产品)，从根本上解决了湖泊日常大量生物质的最终处置和利用难题，消除了生物质的二次污染问题，解除了现有技术存在的后顾之忧；所述污泥深度脱水/干化车间：用于将废水处理系统分离出的泥浆进行深度脱水/干化，干化后的泥饼中所含物质，除了少部分是生产过程中投加的混凝剂如FeCl₃、PAC外，大部分实际就是从湖泊中强制性去除的已经转化成固体形态的污染物，包括有机污染物(COD等)、氮(N)磷(P) 污染物、胶体污染物和SS等等；所述化验室/中控室和其它设施措施，包括软措施(软件、管理方法)等，为正常生产提供保障，为持续发展提供经验积累。

本发明最直接的目的是：通过功能强劲的物化法净化工程技术手段，强制性、持续性去除湖泊污染物和实现湖泊整体造流，从湖泊内部源源不断获取清澈富氧的洁净水(无需从湖泊外部生态引水换水或用自来水大量补水)，告别过去的一潭死水和一湖黑水臭水“绿油漆”水，达到“问渠那得清如许为有源头活水来”的清爽目的。

本发明具有如下五方面优点，同时也是本发明的5个目的：

1、强制性去除湖泊高影响因子污染物，持续削减污染物总量，去污效率高；

2、为水生态成功建立创造了先决条件，可确保引种的本土沉水植物存活和增殖；

3、所采用的技术成熟可靠，建造成本和运行成本可控，规模化运用无后顾之忧；

4、人工强制净化和生态自然净化完美协同，具有自我调节和抗污染缓冲能力；

5、绿色低碳，节能减排，水体循环能效高、交互传质效果好、活水供应不限量。

本发明是利用如下五大创新技术手段和简捷过程来实现上述目的的：

1、利用了首创的高影响因子污染物岸基循环净化技术

该技术是基于物化法原理和人工肾原理的湖水循环净化技术，是通过抽取湖水加药混凝沉淀、气浮除藻和均质滤料深床过滤等强大的工程技术手段，直接强制性去除湖泊高影响因子污染物TP(总磷)等，持续削减污染物总量，为湖泊污染治理与湖水再生提供“活水”源泉支撑。

湖泊本底污染物有百千种，但可分为三类，主要是①有机污染物(用化学需氧量COD、生化需氧量BOD表示)、②氮(N)磷(P)污染物和③次生污染藻类污染物。根据中国科学院水生生物研究所对长江中下游50多个湖泊的多年调查和自1987年以来对湖北省大冶保安湖的常年监测，研究发现：当湖水TP浓度超过0.08～0.12mg/L时，生态系统将从草型稳态向藻型稳态发生转换；若要实现从藻型稳态向草型稳态转换，TP需要低于0.04～0.06mg/L。因此，全系统控磷非常重要，无论是向湖泊排放尾水的市政污水处理厂出厂尾水的TP，还是农业面源的磷肥施用，以及湖泊水体(含底泥)自身的TP，都需要尽一切可能进行TP削减去除。

本发明是全国首次利用岸基“人工肾透析”水处理设施，通过加药混凝沉淀、气浮和深床过滤等高效率物化法净化手段，人工强制性地将出厂返湖清水的TP浓度牢牢控制在≤0.04 mg/L甚至更低值，然后通过管道输送到远处湖岸再返还湖中(以免短流)，从而持续性去除湖泊高影响因子污染物TP等；除TP外，该工序还能够同步将藻类污染物、COD和浑浊胶体污染物强力去除，对氮(氨氮和总氮)亦有部分去除效果，特别是通过加药混凝沉淀气浮 (第一级)和深床过滤(第二级)的两级工序，对藻类、SS(悬浮固体)和胶体污染物的去除非常彻底，对TP、藻类、COD的去除效率最高，对氮的去除效率其次。最后表现为出水浑浊度≤1NTU，透明度12m以上，DO≥4～5mg/L，几乎达到与城市自来水水质相同的水平，是真正意义的优质活水。

2、利用了首创的人工强制增加湖水透明度促进水下光合作用的扶植技术

该技术是基于物化法净化原理和沉水植物极度依赖光合作用的原理，通过前述的两级工序获得浑浊度≤1NTU，透明度12m以上的优质清水，然后在掺混湖水后形成的次清澈透明区域引种本土沉水植物等，为水生态成功建立创造先决条件，确保了引种的本土沉水植物获得优势而存活和增殖。正所谓：问渠哪得清如许，为有源头活水来。

经验表明，过去盲目地在沉水植物快速生长期人工种植本土沉水植物，虽然积极地采取了入湖TP的控制措施(可能并不十分有效和彻底)，也采取了降低水位以增加光照等配套措施，但总是效果不佳或不能持续，究其原因无外乎三点：一是沉水植物种植区域的光照透明度不足或得不到保障，降低水位增加光照与本发明采取主动使水清澈的方式相比属于较被动措施；二是死水一潭没有流动不能持续传质交换带来养分；三是种植区域TP浓度没有达到≤0.04～0.06mg/L的阈值范围要求(有可能在0.1mg/L左右甚至更高)，使得种植区域藻类非常容易孳生成先锋生物，引起水体光照透明度严重下降，因而引种的沉水植物难以存活和增殖，无法顺利恢复到草型水生态。

本发明正是利用首创的人工强制增加湖水透明度促进水下光合作用的扶植技术，将自产的富氧清水源源不断还湖，在与湖水混合形成的次清澈透明区域，不仅光照充足有保障，而且流动活水持续带来N、P等养分，使得引种的本土沉水植物极易存活并茁壮成长，最终形成沉水植被丰茂、健康稳定的水生态。

3、利用了首创的跨界关键技术——藻类污染水源物化法净化再生技术

本发明另辟蹊径，开创性采用跨界关键技术——应用于城市供水(自来水)领域的藻类污染水源物化法净化再生技术，是首次从水处理(自来水)工程技术领域跨界到湖泊污染治理与湖水再生技术领域，该成熟可靠技术在做出适应性创新后作为本发明组成的一部分，在规模化工程化实际运用中将无后顾之忧。

我们知道，水处理(自来水)领域归类于市政给排水工程技术类，而湖泊污染治理与湖水再生技术领域归类于环境科学环境生态学类，故，本发明循环活水系统属于跨界横向联合技术，在湖泊污染治理跨界领域内仍将一如既往保持其高效性和稳定可靠性。

本发明循环活水系统所引用的关键技术，是基于物化法的加药混凝沉淀、加压溶气气浮和深床过滤等成熟技术，其中的加药混凝沉淀技术已有百多年历史，广泛应用于全球城市自来水生产；加压溶气气浮(DAF)技术在国内外同样应用广泛，也有90余年历史(始于1930 年瑞典某造纸厂)，气浮技术对除藻有奇效，适用于处理高色度、高有机质含量、低含油量、低表面活性物质含量或富藻的水体，该技术在规模化高效除藻和除磷的同时，也同步去除 COD、SS及胶体物，且出水DO高；均质滤料气水反冲洗砂滤池深床过滤技术，在我国亦有 30余年历史(引进法国得利满公司技术于1990年7月在南京投产)，目前大型高品质自来水厂几乎都有采用，该技术是将混凝沉淀和气浮处理后的水中少量残留污染物进一步彻底出去，将水体透明度从过滤前约0.8～1.2m提高到过滤后12m以上，浑浊度从3～5NTU下降到≤1NTU。

鉴于此，本发明循环活水系统完全可以实现高品质水质目标：滤后水几乎不含任何藻类和SS等污染物和浑浊物，出水品质与城市自来水基本一致，浑浊度标准与城市自来水的国家标准相同(≤1NTU)，使得还湖清水的透明度达12m以上，DO≥4～5mg/L，除了不生活饮用和制备纯净水外，用于还湖作为湖泊自我循环的生态补水绰绰有余，因其水质优异，自我循环不限量，故，在水质和水量两方面相比其他任何方式的生态补水都更有保障性优势。

另外，本发明循环活水系统的工艺流程，比城市自来水生产流程更简单，原因是无需沉砂工序(江河水洪水期需沉砂)、无需消毒(因用途不同)、无需大型调节池(不用考虑小时变化)等，因此，参照城市自来水而言本发明循环活水系统，运行简便、长久稳定、技术可靠、易于实施、标准化操作、环境友好，完全能够规模化应用，在稳定性和可靠性方面没有任何后顾之忧，且建造成本和运行成本均可控。

反观其他的湖泊旁路净化技术，其技术体系远没有城市自来水成熟，高影响因子或特征污染物的去除远没有本发明高效，其他技术在应用过程中难免出现这样或那样的问题，都将影响湖泊污染治理的效果甚至细节决定成败。

4、利用了创新的人工强制净化/强制大循环协同水生态动态重建的耦合技术

本发明循环活水系统的旁路净化污染物去除量、水生态自净污染物去除量这两者，在水生态重建的初始恢复阶段(可能2～5年甚至更久，依湖泊大小、污染程度、水体置换和工程规模大小不同而不同)、平稳运行阶段和远期发展阶段，均处于动态平衡之中。而且，该耦合技术的水生态系统，能够将其生产力逐渐发挥到最大，以便节省人工强制净化的动力和药剂成本。

粗略的动态协同能力计算如下：

假定人工强制的旁路净化污染物去除量在最初为无量纲值140，此后根据实际需要逐年下调到50，而成功再造草型清水湖的过程中，水生态自净的污染物去除量将由初始的10逐渐再生恢复到100，两相协同的污染物去除总量150(初始140+10＝平稳期50+100)将总是与入湖污染物总量(含底泥缓释量)的150处于平衡状态，因此，藻类污染湖泊再生的效果从动态试产第一天就清晰可见。

在湖泊成功修复达到自净能力100时，系统总的污染物去除能力(140+100＝240)将大于此时入湖污染物总量(含底泥缓释量，总量为150)，因而系统具有90的自我调节和抗污染缓冲能力，该调节和缓冲能力大约相当于初始污染物总量150的60％。因此，系统的富余能力可以为湖泊流域未来更大的发展打下良好基础，这也是其他任何系统无法企及的优势。

5、巧妙利用了如下的简捷过程，实现了绿色低碳，节能减排和各项功能的高效率

本发明利用正常生产所需的堰口自由流梯级跌水进行充氧，利用水泵动力提升到净化设施净化后用管道输送到上游湖岸强制形成湖体内外大循环，使得系统能够以最低的能耗药耗付出获取最大化的生态总收益，因而是真正绿色低碳，节能减排的活水系统，具体理由如下：

本发明循环活水系统的水体充氧是这样实现的：

在生产过程中，水流经过湖泊表层取水口的取水堰、湖岸水源厂内高位格栅配水池的配水堰、指型集水槽、均质滤料气水反冲洗砂滤池的进出水布水堰等多次跌落充氧，以及混凝沉淀(澄清)气浮除藻池的加压溶气微气泡气浮工序顺带充氧，最后再加上入湖跌水瀑布水景的再次充氧，在实现本系统水质净化功能的同时，同步实现了对水体高效充氧而无额外能耗，确保了还湖清水的溶解氧DO≥5mg/L。因此，本发明循环活水系统的水体充氧方式方法，属于高效低耗、绿色低碳、节能减排的环保型可持续方式方法。该方式方法的有效性，通过检测地表水源城市自来水厂出厂水的溶解氧DO值，即可轻易获得证明。

与现有技术的湖泊水体充氧方法相比，如前述现有技术1、技术3、技术6等曝气机供氧机等，本发明不设曝气充氧机或充氧曝气鼓风机，不采用专门对水体进行曝气充氧的动力装置，而是充分利用流程中各级堰口跌水进行自然充氧，利用这些细心观察体会而得的并不复杂的工程技术措施和细节，即获得了令人满意的水体充氧效果，因而本发明是绿色低碳的重要体现。

本发明循环活水系统的整体造流是这样实现的：

本发明对湖泊水体整体造流，不是通过其他方法的推流器方式(局部剧烈，稍远处短流，能耗高，无法真正整流流动，构成能量严重浪费，运行成本居高不下)，也不是通过深层曝气形成局部上下循环流(即使设置再多深层曝气，也无法形成湖泊整体水平流动)，如现有技术 1、技术3、技术6、技术7等，而是通过水泵提升的大循环低能耗强制方式——从湖泊下游或下风向处多点取水，通过岸基净化后用管道输送到湖泊上游或上风向处多点还湖，从湖泊整体层面构成多条基本平行的流线型大循环，因而湖泊的整体造流效率高，水体缓慢流动的单位能耗低，湖内污染物与沉水植物之间传质效果好，活水循环能效高，因而本发明是绿色低碳的再次体现。通过这一简捷的工程技术措施，即可长久保持湖泊整体处于清澈活水流动之中，永远告别了一潭死水和一湖黑水臭水绿油漆水，湖泊水环境水生态进入预期的良性循环。

本发明通过以上五个方面的技术创造性、先进性、实用性与多种保障手段协同，较圆满地实现了本发明的目的，而工作过程与原理却并不复杂玄妙，甚至十分简洁明了。

本发明循环活水系统的工作过程与原理是这样的：

在湖泊下游或主导风向下风向，在与湖泊总体流向垂直的截面上，设置间距大致相等的取水井，取水井的数量不少于2个；取水井的顶部设表层取水口，表层取水口数量不少于2 个；部分位于深水处的取水井下部接近湖床处设下层取水口，下层取水口数量不少于1个；各取水井依次通过湖底引水管道相连，最终与位于湖岸边的取水泵房进口衔接；取水泵房出口经过取水阀门流量计和取水压力管道，与位于岸上的高位格栅配水池相连。从取水井的取水口到取水压力管道，包括引水管道和取水泵房等，构成了湖泊含藻浊水多点取水系统①。

前述高位格栅配水池，通过连接管道，依次与混凝沉淀(澄清)气浮除藻池、均质滤料气水反冲洗砂滤池、反冲洗泵房相连接，构成旁路物化处理净化系统②。后端的反冲洗泵房，通过连接管道与下一个系统的缓冲吸水井连接。

缓冲吸水井通过管道与清水加压泵房相连，然后经过清水阀门流量计、结合井等，再经过较长距离的清水输送管道，将清水输送到湖泊上游方向或主导风向上风向湖岸处的清水还湖补水点，该还湖补水点数量不少于5个，并将补水点设置成多种形式的入湖跌水瀑布水景为该还湖清水继续充氧。从缓冲吸水井到入湖跌水瀑布水景，包括清水加压泵房和清水输送管道等，构成清水管道输送多点还湖系统③。此时，从多点还湖系统③的上游还湖，到多点取水系统①的下游取水，巧妙形成了湖泊的强制性均匀流动，并源源不断循环，实现了湖泊人工自循环“为有源头活水来”的预期愿景。

与上述3个系统配套的辅助系统，至少包括变配电间、加药间、废水处理及回收系统、生物质碳化车间、污泥深度脱水/干化车间、化验室/中控室和其它设施措施。辅助系统的 6个主要硬件设施如下(不限于)：

1、变配电间：为取水系统、净化系统、还湖系统及辅助系统自身的用电设备提供动力；

2、加药间：为混凝沉淀(澄清)气浮除藻池提供配置好的混凝剂药液如FeCl₃、PAC等的计量投加，还为该气浮除藻池供应加压溶气；

3、废水处理及回收系统：用于处理混凝沉淀(澄清)气浮除藻池的排泥水和污泥深度脱水车间的压榨残液，并将均质滤料气水反冲洗砂滤池的反冲洗排水经沉淀处理后回收利用；

4、生物质碳化车间：用于处理处置气浮工序分离出来的藻浆、格栅配水池拦截的水葫芦 (凤眼莲)及湖泊中打捞/收割的衰亡水生植物等生物质残体，这些有机物生物质经沥干挤压后被粉碎，采用不使用粘合剂的高压压制机制炭工艺在缺氧情况下高温烧制，生产出可用于生活取暖、烧烤、炭火锅等用途的环保机制炭(属国际公认的绿色环保产品)，从根本上解决了湖泊日常大量生物质的最终处置和利用难题，消除了生物质的二次污染问题，解除了现有技术存在的后顾之忧；

5、污泥深度脱水/干化车间：用于将废水处理系统分离出的泥浆进行深度脱水/干化，干化后的泥饼中所含物质，除了少部分是生产过程中投加的混凝剂如FeCl₃、PAC外，大部分实际就是从湖泊中强制性去除的已经转化成固体形态的污染物，包括有机污染物(COD等)、氮(N)磷(P)污染物、胶体污染物和SS等等；

6、化验室/中控室和其它设施措施，包括软措施(软件、管理方法)等，为正常生产提供保障，为持续发展提供经验积累。

上述工作过程，表面上看较复杂，实则可归纳为3个紧密关联的过程：1是取水系统①和还湖系统③联合打造的强制全湖活水循环过程；2是岸基净化系统②的物化法处理水质的人工强制净化过程；3是前2个过程为水生态重建创造了先决条件的第三部分水质自然净化过程。

以上3个工作过程的工作原理简述如下：

1、全湖活水循环的工作原理：利用水泵动力将湖水提升到湖岸合适高度位置净化成清水后，利用水往低处流的水力学原理，该清水在势能作用下通过管道远距离输送到湖泊上游或上风向处还湖，迫使湖泊水力流态发生改变，形成湖泊下游或下风向处不停抽水→上游或上风向处源源不断清水还湖的连续工作过程，过程中湖泊水量和水位不发生变化，均匀缓流活水在湖体内外进行大循环，彻底改变了先前一潭死水和一湖黑水臭水绿油漆水的面貌，湖泊水环境水生态进入预期的良性循环。

2、人工强制净化的工作原理：利用加药混凝沉淀、混凝气浮除藻、化学除磷和石英砂深床过滤等物化处理的净化原理，采用二级处理强制手段，对含藻浊水进行高效率除藻、TP削减、COD、SS和浑浊度、胶体态污染物的强制去除，同时去除部分氨氮和TN(总氮)污染物，这些污染物最终将以泥饼、生物质机制炭等固体形态排出系统，实现了源源不断强制削减湖泊污染物的目的；同时，借助生产过程中必须的水流梯级跌水(主要目的是均匀配水和均匀出水，确保水处理构筑物内部的设计水位)自然充氧、加压溶气气浮除藻的顺带充氧、为营造水景的入湖跌水瀑布充氧等，获得最终的还湖清水达到COD≤20mg/L、TP≤0.04mg /L、浑浊度≤1NTU、透明度≥12m、DO≥5mg/L的优异水质指标，保障了“为有源头活水来”的预期愿景得以实现。

3、水生态自然净化的工作原理：湖泊水质依赖于健康良好的水生态进行自然净化，稳态的草型清水湖水生态系统自净能力较强，水生态系统中绿色植物和微生物起着重要作用，湖泊中的浮游生物、底栖动物、水草植物等生物类群，通过代谢活动(异化作用和同化作用) 使水体中有机污染物和氮磷污染物数量减少、浓度下降，使污染物得以转化固定和分解降解，再配合微生物、昆虫、螺蚌、鱼类等构建生态食物链和生物多样性，最终实现“水草丰茂，鱼翔浅底”的和谐美丽景象。

随着草型水生态逐渐恢复，水生态系统对湖泊污染物的净化能力越来越强，水生态在整个系统中的贡献愈来愈大，将直接减轻岸基物化法净化系统的任务负担和运行成本，但成功构建水生态却又十分依赖于岸基物化法净化系统来提供先决条件(保证水体TP浓度低、清澈而且要缓缓流动)，主要是为沉水植物提供生物竞争优势环境，即TP≤0.04mg/L的阈值浓度和充裕的透明度以获取阳光，以及流动水体带来的持续N、P养分供应，使水体中有害蓝藻处于竞争劣势。因此，岸上的人工净化和水下的自然净化，两者相辅相成，互不可缺，互相协同和促进，共同为美好健康水生态做出贡献。

与其他的湖泊污染治理系统相比，本发明在以下3个方面具有无可比拟的优越性：

1、在湖泊造流和水体大循环方面：本发明造流方式独特、可靠，循环能耗低而循环效果好、交互传质效果好，完全不同于以往水下推进器或各种形式的曝气机造流，确保了内在活水源源不断，循环能效更高；

2、在污染物强制削减和持续削减方面：本发明变被动为主动，采用高效率的物化法净化技术，污染物能够人工强制去除，污染物总量削减持续可控并有保障，体系内部循环补水的水质清澈透明并富含溶解氧，为草型水生态的成功建立创造了先决条件；

3、在水生态建立与水生态自然净化方面：本土沉水植物因TP、透明度、流动养分三项关键因素而获得竞争优势，草型水生态能够强力复活，水生态自然净化与岸上人工强制净化互补，两相协同，全系统的净化总能力强劲，有明显的抗污染缓冲能力，具备明媚的生态发展前景。

本发明的技术独创性、技术可靠性和显著技术优势，体现在以下三个方面：

一、技术独创性体现在以下4个维度：

1、是高影响因子污染物的针对性清除和循环清除技术的独创性。

该技术独创性解决了受污染湖水的相对较低TP浓度(0.1～0.2mg/L)降至更低(TP≤0.04mg/L)的成本和效率问题。

我们深知，国家标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918－2002)的最高标准一级A标准中TP≤0.5mg/L，而现有技术2、技术3、技术8等生物滤池生化处理技术或其他技术，若要将湖水TP浓度从0.1～0.2mg/L量级通过生化处理技术达到TP≤0.04mg/L，将是多么困难或者说是非常不合算不合理的事情，而采用本发明基于物化法的化学除磷方法，则能够轻松解决该问题，而且能够做到快速、效率高、技术可靠、成本低廉。

2、是人工强制增加湖水透明度促进水下光合作用的扶植技术的独创性。

该技术独创性解决了其他现有技术种植沉水植物往往难以存活的问题。

本发明基于物化法净化的两级工序(混凝沉淀气浮+深床过滤)，确保了还湖清水区域的光照有充分保障，而且流动活水持续带来N、P等养分，再加上该低TP区域藻类处于竞争劣势不会抢夺光照资源，因此使得引种的本土沉水植物极易存活并茁壮成长，最终形成沉水植被丰茂、健康稳定的水生态。

3、是关键技术藻类污染水源物化法净化再生技术跨界应用的独创性。

通过创新应用于湖泊污染治理再生领域，解决了湖水大流量、低浓度、要求低成本、高品质的可行性和可靠性问题。

本关键技术可以轻松保证活水系统在入湖之前的透明度≥12m，浑浊度≤1NTU，溶解氧 DO≥5mg/L，其品质与城市自来水基本一致，浑浊度标准与城市自来水的国家标准相同 (≤1NTU)，除了不生活饮用和制备纯净水外，用于湖泊自我循环的生态补水绰绰有余，因其水质优异，自我循环供应不限量，故，在水质和水量两方面相比其他任何方式的生态补水都更有保障性优势。

4、人工强制净化/强制大循环耦合水生态动态重建技术的独创性。

利用该耦合技术，既获得了和谐优美的水环境水生态，又直接减轻了岸基物化法净化系统的任务负担和运行成本，还具备自我调节和抗污染缓冲能力，可谓一举三得。

二、技术可靠性体现在以下3点：

1、是所采用的物化法原理、人工肾原理、水体造流的水力学原理和系统技术参数等，都十分可靠，已经被多年来的水处理工程实践反复证明，包括我国国家标准如《室外给水设计规范》、《泵站设计规范》、《含藻水给水处理设计规范》等等，都有详细的技术规定，足见其技术可靠性；

2、是本发明循环活水系统的取水设施构造形式、岸基净化设施的各种池型与内部装备、上游还湖系统的工程技术内容等，包括各种构筑物、管道、设备、材料、仪器等等，其设计、施工、采购、安装、运行维护等，都十分成熟可靠，只需要按照国家现行的质量标准进行控制，其系统可靠性就毋庸置疑；

3、是本发明循环活水系统在应用实施过程中，没有晦涩难懂的概念、更没有玄妙机巧和隐秘难解的细节，只有规范的、清晰的具体工程内容，和成熟的、丰富的运行管理规章，系统构造一目了然，清晰可辨，其技术可靠性得到了十分明确的彰显。

总之，本发明所采用的多项新技术，只需管控好土建工程质量和安装工程质量，遵守操作规程，在运行时就是稳定的、可靠的，可以长久使用。

三、显著技术优势体现在以下3点：

1、是体现在高效率、高适用性方面。

本发明循环活水系统所基于的物化法旁路净化技术，对藻类污染湖水的净化总效率远远高于现有技术。如前述现有技术2、技术3、技术8等生物滤池生化处理技术，或者采用充氧机/曝气鼓风机等动力设备专门对水体充氧(如现有技术1、技术3、技术6等)、底层推流器/深层曝气机等动力设备对水体造流循环(如技术1、技术3、技术6、技术7等)这些简单的低效物化处理技术，都无法完成对湖泊污染物的高效去除，它们对同步除藻除浊除磷、持续削减水体污染物、充氧造流循环、保障引种的本土沉水植物存活和增殖等，都显得无能为力或者能力极其疲弱，而本发明则能够轻松自如地做到同步高效除藻、彻底除浊、强制除磷、持续削减水体污染物、低能耗充氧、节能造流循环和强化传质、保障引种的本土沉水植物存活和增殖等，因此，本发明所彰显的技术能力突出，效率高，适用性广。

2、是显著技术优势体现在自成一体，自我再生，不依赖外界。

现有湖泊污染治理技术中较有成效的，是从遥远的外部跨流域进行生态引水换水(如滇池从牛栏江跨流域引水稀释，线路长116km，扬程225m；西湖从钱塘江泵水换水等)或用城市自来水大量补水，然而，优质清洁的地表水资源肯定是优先供给城市作为饮用水源，剩下作为生态引水换水的水资源量就十分有限，而用自来水大量补水的代价十分高昂，少量尚可 (但作用甚微)，大量则经济上无法接受，且跨流域生态引水换水的综合代价明显高出本发明循环活水系统的代价，故，本发明是湖泊与湖岸净化设施自成一体、自我再生、活水供应不限量，其显著技术优势是不依赖外界，而只需简单做好自己即可，不用把希望寄托于从外部生态引水换水或用自来水大量补水。因此，本发明因不依赖外界而易于实施，易于实现湖泊污染治理。

3、是显著技术优势体现在技术成熟可靠、节能低碳、各项成本可控、技术经济性好。

本发明循环活水系统所基于的物化法旁路净化技术十分成熟，所采用的充氧方式和湖体内外大循环方式与现有技术相比截然不同，具有明显节能优势，再加上总流程比熟知的自来水生产流程简短，因而其建造成本和运行成本可控无隐秘且相对低廉，具体表现在运行简便、长久稳定、标准化操作、环境友好、持续削减水体污染物、水生态易修复、岸上强制净化和水下生态净化易协同、成本低可接受，特别适用于藻类污染湖泊的强化根治，显著技术优势得到充分体现。

与现有技术相比，本发明具有以下五方面的有益效果：

1、强制性去除湖泊高影响因子污染物，持续削减污染物总量，去污效率高。

本发明循环活水系统指向性明确，对高影响因子或特征污染物去除十分精准，特别是对 TP、藻类、COD、浊度、SS、胶体污染物等的去除非常高效，也就是对湖泊污染治理与湖水再生有极强的针对性，特别适用于藻类污染湖泊的强化根治。

2、为水生态成功建立创造了先决条件，保障了引种的本土沉水植物存活和增殖。

由于本发明循环活水系统采用了加药混凝沉淀气浮(第一级)和深床过滤(第二级)的两级工序，对藻类、SS和胶体污染物的去除非常彻底，使得出水浑浊度≤1NTU，透明度12m 以上，DO≥4～5mg/L，水质几乎达到与城市自来水相同的水平，为水生态成功建立创造了先决条件。该清澈透明的水质极有利于沉水植物进行光合作用，加上流动活水持续带来N、P 等养分，使得引种的本土沉水植物极易存活并茁壮成长，最终形成沉水植被丰茂、健康稳定的水生态。

3、所采用的技术成熟可靠，建造成本和运行成本可控，规模化运用无后顾之忧。

本发明循环活水系统所基于的物化法净化技术，与城市自来水的地表水净化技术同源，特别是与前述国家标准《含藻水给水处理设计规范》中的主要技术内容极为类似，只是应用场景和用途有所不同，因此，作为用于湖泊自我循环的生态补水净化技术，其技术成熟可靠度高，又因其总流程比熟知的自来水生产流程简短，因而其建造成本和运行成本可控无隐秘，在规模化运用上亦无后顾之忧，特别适用于藻类污染湖泊的强化根治，再加上自身活水供应不限量，故，在水质和水量两方面相比其他任何技术的生态补水都更有保障性优势。

4、人工强制净化和生态自然净化完美协同，具有自我调节和抗污染缓冲能力。

在水生态重建的初始恢复阶段、平稳运行正常阶段和远期发展阶段，人工强制净化和生态自然净化的污染物去除总量，与湖泊污染物总量在三个阶段均处于动态平衡之中。湖泊污染治理与湖水再生的效果从动态试产第一天就清晰可见。与现有技术相比，本发明循环活水系统具有相当于湖泊初始污染物总量60％的盈余调节和缓冲能力，该富余能力可以为湖泊流域未来更大的发展打下良好基础，这是目前其他技术无法企及的优势。

5、绿色低碳，节能减排，水体循环能效高、交互传质效果好、活水供应不限量。

与现有技术相比，本发明循环活水系统因采用的充氧方式和湖体内外大循环方式完全不同于现有技术，体现出充氧的高效低耗和水体循环的高能效，同时还体现出交互传质效果好、活水供应不限量的有益效果。

上述各项优势表明，本发明循环活水系统在强制性、持续性削减湖泊污染物的同时，还永不枯竭地自我供给富氧洁净且透明度≥12m的活水；本发明不仅水循环能效高、交互传质效果好、活水供应不限量、富氧清澈水质有保障，而且为水生态修复创造了先决条件，为藻类污染湖泊的强化根治提供了强有力的技术支撑。因此，本发明的应用前景十分广阔。

附图说明

图1为系统整体示意图。

图2为系统流程框图。

图3为系统流程结构连接示意图。

其中：①－取水系统，②－净化系统，③－还湖系统；11－表层取水口，12－下层取水口，13－取水井，14－引水管道，15－取水泵房，16－取水阀门流量计，17－取水压力管道； 20－高位格栅配水池，21－格栅除污机，22－混凝剂投加机，23－混凝沉淀(澄清)气浮除藻池，24－刮吸泥机，25－指型集水槽，26－气浮刮藻机，27－均质滤料气水反冲洗砂滤池， 28－反冲洗泵房，29－连接管道；31－缓冲吸水井，32－清水加压泵房，33－清水阀门流量计，34－结合井及排气阀，35－清水输送管道，36－清水还湖补水点，37－入湖跌水瀑布水景。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例一

请参阅附图1、图2、图3，同时结合某城市中小型湖泊采用本发明循环活水系统作为实施例，对本发明做进一步详细的技术说明。

本实施例的湖泊地处长江中下游地区，湖面面积6.38km²，长约3.23km，宽约2.6千米，绕湖一周约12千米，平均深2.27m，最深5m，最浅＜1米，库容量约1429.4万m³，年降水量约1500mm，水自然交替为1次/年，年日照时数1800～2100小时。该湖泊受周边城市化的多年污染，在进行环湖截污并建设污水处理厂后，湖泊污染程度明显减轻，但按国家《地表水环境质量标准》评价仍属于Ⅳ～Ⅴ类地表水，处于相对稳定状态，水体年均透明度0.437m。

采用本发明循环活水系统技术进行治理，治理目标是达到Ⅲ类水质。具体技术方案如下：

在湖泊下游方向设置4个点位的取水设施抽取含藻浊水，同时在湖岸设置一座水源厂作为净化设施，采用物化法净化工艺，即格栅除渣和配水、加药混凝沉淀、气浮除藻、除浊除磷和均质滤料气水反冲洗砂滤池深床过滤工艺，具体详见图2和图3，将处理后的富氧清水用管道输送到上游湖岸的7个点位，以7处跌水瀑布水景等形式还湖，成为湖泊自我循环供给的活水，该还湖清水与湖水逐渐混合并徐徐流向下游，在流经下游取水口断面时大部分(约 80％)又被抽取做下一轮净化循环，如此反复吐故纳清；与此同时，在还湖清水与湖水混合形成的次清澈透明区域，积极引种本土沉水植物并确保其存活繁茂；随着活水循环旷日持久，沉水植物逐渐获得优势，草型清水区范围稳步扩大，将成功再造清澈秀美、鱼翔浅底的草型清水湖。

本实施例的具体组成和主要技术规格参数如下：

本发明循环活水系统的设计规模为16万m³/d，即湖泊含藻浊水多点取水系统①、岸基物化处理净化系统②、清水管道输送多点还湖系统③和辅助系统的规模，均为16万m³/d。

具体包括：取水系统①的4个表层取水口11(其中2个相对较深位置的取水口11的下方各设1个下层取水口12)、4座取水井13(为取水口提供依托)、长约720m的引水管道14(将取水井串联)、一座内径17m的取水泵房15、配套取水阀门流量计16和长约240m的取水压力管道17(输往净化系统)等，上述设施布置在湖泊下游出水口方向；还包括净化系统②的一座高位格栅配水池20，该池包含2台格栅除污机21以及设置于配水堰上方的混凝剂投加口22；一座两格式的混凝沉淀(澄清)气浮除藻池23，该池包含2台刮吸泥机24、若干指型集水槽25、2台气浮刮藻机26；一座均质滤料气水反冲洗砂滤池27配套反冲洗泵房28，以及各水处理构筑物之间的连接管道29等；还包括还湖系统③的一座两格式的缓冲吸水井 31、一座清水加压泵房32、配套清水阀门流量计33和结合井及排气阀34，以及总长约7100m 的清水输送管道35，向湖岸上游方向7处清水还湖补水点36输送清水，并将该补水点设置成入湖跌水瀑布水景37等；最后还包括辅助系统的变配电间、加药间、废水处理及回收系统、生物质碳化车间、污泥深度脱水/干化车间、化验室/中控室和其它设施措施。

本实施例的湖泊换水周期为90d，系统设置的水源厂为地上式，位于湖泊下游靠中游方向岸边，用地面积约为30000m²(合45亩)，系统装机容量≤640kW。

详细设计参数：絮凝时间t＝25min，斜管沉淀区清水区表面负荷V＝8.5m/h，滤池表面负荷V＝10m/h，控制出水浊度1≤NTU，TP≤0.04mg/L，COD≤20mg/L、DO≥5mg/L。

按湖水年平均浊度10NTU计，可每年减少进入湖泊的淤泥3520t(绝干固体)，若以湖体淤泥含水率90％计，则每年减少淤泥共3.52万m³。

本实施例的具体工作过程和细节特性如下：

进一步的，所述取水井13的井深约10m，内径为3.0m；4座取水井13一字排开，相互间距约240m，由引水管道14串联；4座取水井13顶部各设置1个朝天的喇叭口形的表层取水口11，便于获取表层含藻水，同时利于水体充氧，其中2个相对较深位置的取水口11的下方井筒筒壁上各设1个下层取水口12，便于获取底层杂质含量相对较高的底层湖水；引水管道14的规格为首端DN700～末端DN1400，引水管道14的末端与取水泵房15连接，取水泵房15内设4台取水泵(3用1备)，水泵出口与配套取水阀门流量计16和长约240m的取水压力管道17与高位格栅配水池20相连接。取水压力管道17的规格为DN1400。

前述取水之后，含藻浊水进入水源厂按流程进行净化处理：所述高位格栅配水池20，内含2台格栅除污机21，用于拦截去除漂流进入的垃圾和水草残体等，并设有配水堰进行流量分配均匀进入混凝沉淀(澄清)气浮除藻池23，该配水堰同时起到为水体充氧的作用。另外，为了节省能源消耗，也为了均匀加药让药剂迅速扩散混合到水体中，以及为了加药可视化操作的三重目的，在该配水堰上方设置混凝药剂(FeCl₃、PAC等)喷淋加药管即混凝剂投加口 22(药液来源于辅助系统的加药间)，喷淋出的药液洒入水流并被随后的跌水水跃快速地混合；此后，水流等量进入各混凝沉淀(澄清)气浮除藻池23，在该池先进行混凝反应和沉淀过程以去除大部分污染物，沉泥将由2台刮吸泥机24排出到辅助系统的废水处理及回收系统；混凝沉淀(澄清)后的水经若干指型集水槽25均匀收集，在收集过程中跌水进一步充氧，再进入该池后部进行气浮除藻处理，上浮的藻浆由2台气浮刮藻机26收集刮除，并输送到辅助系统的生物质碳化车间碳化处理；水流经过气浮除藻后，此时90％以上的污染物得到了处理(变成为沉泥和藻浆)，水体透明度由之前约0.4m增加到0.8～1.2m左右，但仍然不够清澈见底，需要再进入均质滤料气水反冲洗砂滤池27做深床过滤处理，原理类似于地下水下渗。过滤处理后的水质，几乎等同于未加氯消毒的自来水，此时，水质清澈透明，污染物得到极大去除，被去除的污染物吸附在深床滤料的石英砂层之中，通过配套的反冲洗泵房28的气水反冲洗，将反洗水排入到辅助系统的废水处理及回收系统中再处理和回收利用。过滤处理后的清水完成了岸基物化法净化处理全过程，清水通过连接管道29以重力自流方式，进入到还湖系统③的构筑物中。

前述净化处理之后，清水进入到缓冲吸水井31之中，该吸水井与清水加压泵房32的水泵吸水管相连，该泵房设有4台(3用1备)大功率的清水加压泵，加压后的清水经过配套的清水阀门流量计33计量和结合井及排气阀34排气之后，进入到总长约7100m的清水输送管道35，向湖岸上游方向7处(1^#～7^#)清水还湖补水点36输送清水，清水输送管道35的起端口径DN1400，末端口径DN600。所述各还湖补水点的清水流量参数如下：

湖泊自循环供应活水的详细水量分配计算：结合本湖泊的具体形状、现状入流出流位置、主导风向、湖泊周边环境等因素，依据MIKE21软件模型进行水动力模拟。MIKE21软件模型由丹麦水力学研究所开发，主要用于模拟湖泊、海湾、水流、波浪、泥沙及环境场，在湖泊水环境整治中得到了广泛应用。本实施例通过MIKE21软件模型进行水动力模拟分析后，拟定了本例7处清水还湖点的还湖水量，从水源厂由近及远1^#～7^#点位的流量分别为：1.2、 1.9、2.6、3.3、2.8、2.3、1.9万m³/d，合计为16万m³/d。

经模拟分析，湖泊自循环供应活水并同步开展水生态修复工作3个月后，位于湖中心及湖泊上游的水质明显改善，部分水质指标优于《地表水环境质量标准》Ⅲ类水标准值，已稳定达到Ⅳ类水标准值，COD_Cr降低了5.1mg/L，TP降到＜0.04mg/L，TN＜1.45mg/L；随着水生植被的逐渐恢复，预计2～3年后TN＜1.0mg/L，因为湖水中TN的去除，主要依赖于水生生物特别是水生植物的同化作用去除。预计，在湖泊自循环供应活水并持续修复水生态1 年后，湖水年均透明度达0.54m，2年后达0.65m，3年后达0.78m，4年后达0.83m以上。

本实施例的湖泊循环供应活水每m³的电耗(含湖水进厂提升和加压输送)、药耗、人工费及维修费等直接成本合计为0.39元(每年日常支出仅2246.4万元，每年按5天停产检修计)，其建设投资、占地、运行成本等与其他系统的跨流域生态补水或自来水补水相比，均可节约 50％左右，因而，本发明的技术经济效益非常显著。该项目采用本发明的基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统，取得了良好的湖泊污染治理与湖水再生效果和技术经济效果。

实施例二

请参阅附图1、图2、图3，同时结合某城市大中型湖泊采用本发明循环活水系统作为实施例，对本发明再做进一步详细的技术说明。

本实施例的湖泊地处长江中上游地区，湖面面积30.75km²，长约7km，宽约5千米，绕湖一周约115.5千米，平均深2.48m，最深6m，最浅＜1米，库容量约8150万m³，流域降雨径流5000.4万m³，水自然交替为0.614次/年，年日照时数1555～2106小时。该湖泊受周边城市化的多年污染，在进行环湖截污并建设污水处理厂后，湖泊污染程度明显减轻，但按国家《地表水环境质量标准》评价仍属于Ⅳ～Ⅴ类地表水，处于相对稳定状态，水体年均透明度0.4m。

采用本发明循环活水系统技术进行治理，治理目标是达到Ⅲ类水质。具体技术方案如下：

在湖泊下游方向设置5个点位的取水设施抽取含藻浊水，同时在湖岸设置一座水源厂作为净化设施，采用物化法净化工艺，即格栅除渣和配水、加药混凝沉淀、气浮除藻、除浊除磷和均质滤料气水反冲洗砂滤池深床过滤工艺，具体详见图2和图3，将处理后的富氧清水用管道输送到上游湖岸的11个点位，以11处跌水瀑布水景等形式还湖，成为湖泊自我循环供给的活水，该还湖清水与湖水逐渐混合并徐徐流向下游，在流经下游取水口断面时大部分 (约66.7％)又被抽取做下一轮净化循环，如此反复吐故纳清；与此同时，在还湖清水与湖水混合形成的次清澈透明区域，积极引种本土沉水植物并确保其存活繁茂；随着活水循环旷日持久，沉水植物逐渐获得优势，草型清水区范围稳步扩大，将成功再造清澈秀美、鱼翔浅底的草型清水湖。

本实施例的具体组成和主要技术规格参数如下：

本发明循环活水系统的设计规模为45万m³/d，即湖泊含藻浊水多点取水系统①、岸基物化处理净化系统②、清水管道输送多点还湖系统③和辅助系统的规模，均为45万m³/d。

具体包括：取水系统①的5个表层取水口11(其中2个相对较深位置的取水口11的下方各设1个下层取水口12)、5座取水井13(为取水口提供依托)、长约2000m的引水管道14(将取水井串联)、一座内径23m的取水泵房15、配套取水阀门流量计16和长约680m的取水压力管道17(输往净化系统)等，上述设施布置在湖泊下游出水口方向；还包括净化系统②的一座高位格栅配水池20，该池包含4台格栅除污机21以及设置于配水堰上方的混凝剂投加口22；三座两格式的混凝沉淀(澄清)气浮除藻池23，该池包含6台刮吸泥机24、若干指型集水槽25、6台气浮刮藻机26；三座均质滤料气水反冲洗砂滤池27配套反冲洗泵房 28，以及各水处理构筑物之间的连接管道29等；还包括还湖系统③的一座两格式的缓冲吸水井31、一座清水加压泵房32、配套清水阀门流量计33和结合井及排气阀34，以及总长约17km 的清水输送管道35，向湖岸上游方向11处清水还湖补水点36输送清水，并将该补水点设置成入湖跌水瀑布水景37等；最后还包括辅助系统的变配电间、加药间、废水处理及回收系统、生物质碳化车间、污泥深度脱水/干化车间、化验室/中控室和其它设施措施。

本实施例的湖泊换水周期为180d，系统设置的水源厂为地上式，位于湖泊下游靠中游方向岸边，用地面积约为52000m²(合78亩)，系统装机容量≤1800kW。

详细设计参数：絮凝时间t＝25min，斜管沉淀区清水区表面负荷V＝8.5m/h，滤池表面负荷V＝10m/h，控制出水浊度1≤NTU，TP≤0.04mg/L，COD≤20mg/L、DO≥5mg/L。

按湖水年平均浊度10NTU计，可每年减少进入湖泊的淤泥9900t(绝干固体)，若以湖体淤泥含水率90％计，则每年减少淤泥共9.9万m³。

本实施例的具体工作过程和细节特性如下：

进一步的，所述取水井13的井深约12m，内径为4.5m；5座取水井13一字排开，相互间距约400m，由引水管道14串联；5座取水井13顶部各设置1个朝天的喇叭口形的表层取水口11，便于获取表层含藻水，同时利于水体充氧，其中2个相对较深位置的取水口11的下方井筒筒壁上各设1个下层取水口12，便于获取底层杂质含量相对较高的底层湖水；引水管道14的规格为首端DN1000～末端DN2200，引水管道14的末端与取水泵房15连接，取水泵房15内设4台取水泵(3用1备)，水泵出口与配套取水阀门流量计16和长约680m的取水压力管道17与高位格栅配水池20相连接。取水压力管道17的规格为DN2200。

前述取水之后，含藻浊水进入水源厂按流程进行净化处理：所述高位格栅配水池20，内含4台格栅除污机21，用于拦截去除漂流进入的垃圾和水草残体等，并设有配水堰进行流量分配均匀进入混凝沉淀(澄清)气浮除藻池23，该配水堰同时起到为水体充氧的作用。另外，为了节省能源消耗，也为了均匀加药让药剂迅速扩散混合到水体中，以及为了加药可视化操作的三重目的，在该配水堰上方设置混凝药剂(FeCl₃、PAC等)喷淋加药管即混凝剂投加口 22(药液来源于辅助系统的加药间)，喷淋出的药液洒入水流并被随后的跌水水跃快速地混合；此后，水流等量进入各混凝沉淀(澄清)气浮除藻池23，在该池先进行混凝反应和沉淀过程以去除大部分污染物，沉泥将由6台刮吸泥机24排出到辅助系统的废水处理及回收系统；混凝沉淀(澄清)后的水经若干指型集水槽25均匀收集，在收集过程中跌水进一步充氧，再进入该池后部进行气浮除藻处理，上浮的藻浆由6台气浮刮藻机26收集刮除，并输送到辅助系统的生物质碳化车间碳化处理；水流经过气浮除藻后，此时90％以上的污染物得到了处理(变成为沉泥和藻浆)，水体透明度由之前约0.4m增加到0.8～1.2m左右，但仍然不够清澈见底，需要再进入均质滤料气水反冲洗砂滤池27做深床过滤处理，原理类似于地下水下渗。过滤处理后的水质，几乎等同于未加氯消毒的自来水，此时，水质清澈透明，污染物得到极大去除，被去除的污染物吸附在深床滤料的石英砂层之中，通过配套的反冲洗泵房28的气水反冲洗，将反洗水排入到辅助系统的废水处理及回收系统中再处理和回收利用。过滤处理后的清水完成了岸基物化法净化处理全过程，清水通过连接管道29以重力自流方式，进入到还湖系统③的构筑物中。

前述净化处理之后，清水进入到缓冲吸水井31之中，该吸水井与清水加压泵房32的水泵吸水管相连，该泵房设有4台(3用1备)大功率的清水加压泵，加压后的清水经过配套的清水阀门流量计33计量和结合井及排气阀34排气之后，进入到总长约17km的清水输送管道35，向湖岸上游方向11处(1^#～11^#)清水还湖补水点36输送清水，清水输送管道35的起端口径DN2200，末端口径DN800。所述各还湖补水点的清水流量参数如下：

湖泊自循环供应活水的详细水量分配计算：通过MIKE21软件模型进行水动力模拟分析后，拟定了本例11处清水还湖点的还湖水量，从水源厂由近及远1^#～11^#点位的流量分别为： 5.1、4.7、4.4、4.2、4.0、3.8、3.7、3.7、3.7、3.8、3.9万m³/d，合计为45万m³/d。

经模拟分析，湖泊自循环供应活水并同步开展水生态修复工作6个月后，位于湖中心及湖泊上游的水质明显改善，部分水质指标优于《地表水环境质量标准》Ⅲ类水标准值，已稳定达到Ⅳ类水标准值，COD_Cr降低了4.8mg/L，TP降到＜0.04mg/L，TN＜1.4mg/L；随着水生植被的逐渐恢复，预计2.5～4年后TN＜1.0mg/L，因为湖水中TN的去除，主要依赖于水生生物特别是水生植物的同化作用去除。预计，在湖泊自循环供应活水并持续修复水生态1年后，湖水年均透明度达0.5m，2年后达0.6m，3年后达0.7m，4年后达0.8m以上。

本实施例的湖泊循环供应活水每m³的电耗(含湖水进厂提升和加压输送)、药耗、人工费及维修费等直接成本合计为0.40元(每年日常支出仅6516万元，每年按3天停产检修计)，其建设投资、占地、运行成本等与其他系统的跨流域生态补水或自来水补水相比，均可节约 55％左右，因而，本发明的技术经济效益非常显著。该项目采用本发明的基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统，取得了良好的湖泊污染治理与湖水再生效果和技术经济效果。

如上所述，通过创新思考、统筹计算和详细设计可较好地实现本发明。

从以上两个实施例可以看出，本发明一种基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统，不仅可以强制持续削减污染物，自我供给富氧洁净且透明度≥12m的活水，还能够不依赖于从外部生态引水换水或用自来水大量补水，只需要在湖边合适位置设置物化处理净化设施，根据湖水水质逐年动态变化情况添加少量药剂(如PAC等)处理，即可长期保持湖泊水体稳定达到清澈见底、水草摇曳、鱼翔浅底的美好状态和不劣于地表水Ⅲ类水体标准，而费用在城市运营层面上是完全可以接受的水平。因此，本发明与其他湖泊污染治理与湖水再生系统相比，获得了人工可控、稳定可靠、建造低成本、运行低成本的有益效果。

综上，本发明一种基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统，其构思新颖，独特，简捷，可靠，工程实施性强，具有普遍适用性和广阔的市场运用前景，若本发明广泛运用到城市湖泊污染治理和优美水环境水生态建设项目中，将为全球碳排放减量做出巨大贡献。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (8)

1.一种基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统，其特征在于：包括依次连接的湖泊下游含藻浊水多点取水系统、岸基物化处理净化系统、清水管道输送上游多点还湖系统，及与三个系统配套的辅助系统，四个子系统联合运行：从下游多点抽取含藻浊水到湖岸水源厂的水处理设施，经物化法净化处理后，获清澈透明的富氧清水出厂，该清水经过管道长距离输送到上游湖岸，以跌水瀑布水景形式多点还湖，形成湖泊活水自我循环。

2.如权利要求1所述的一种基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统，其特征在于：所述取水系统，包括湖泊下游或主导风向下风向位置处，与湖泊总体流向垂直的截面上，设置的间距大致相等的若干取水井，取水井的顶部设表层取水口，部分位于深水处的取水井下部接近湖床处设下层取水口，各取水井依次通过湖底引水管道相连，最终与位于湖岸边的取水泵房进口衔接，取水泵房出口经过取水阀门流量计和取水压力管道，与位于岸上的高位格栅配水池相连。

3.如权利要求2所述的一种基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统，其特征在于：所述取水井的数量不少于2个，表层取水口数量不少于2个，下层取水口数量不少于1个。

4.如权利要求1所述的一种基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统，其特征在于：所述净化系统，包括高位格栅配水池，高位格栅配水池通过连接管道，依次与混凝沉淀(澄清)气浮除藻池、均质滤料气水反冲洗砂滤池、反冲洗泵房相连接，后端的反冲洗泵房，通过连接管道与还湖系统的缓冲吸水井连接。

5.如权利要求4所述的一种基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统，其特征在于：所述净化系统还包括格栅除污机、混凝剂投加机、刮吸泥机、指型集水槽、气浮刮藻机。

6.如权利要求1所述的一种基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统，其特征在于：所述还湖系统，包括缓冲吸水井，缓冲吸水井通过管道与清水加压泵房相连，然后经过清水阀门流量计、结合井及排气阀，再经过较长距离的清水输送管道，将清水输送到湖泊上游方向或主导风向上风向湖岸处的清水还湖补水点。

7.如权利要求6所述的一种基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统，其特征在于：所述清水还湖补水点数量不少于5个，并将补水点设置成多种形式的入湖跌水瀑布水景为补水点的还湖清水继续充氧。

8.如权利要求1所述的一种基于物化法净化水质的湖泊循环供应活水系统，其特征在于：所述还湖清水在入湖即将掺混湖水之前的溶解氧DO≥5mg/L，透明度≥12m，浑浊度≤1NTU。

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