CN114212893A - 一种无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，包括：气候室的顶端开口上设置所述太阳能光伏板；所述气候室的底端开口内固定设置所述组合框架；所述植物固定框架设置在所述组合框架的植物安装位上；所述蓄电池和空气压缩机分别设置在所述植物固定框架周围的所述组合框架内；所述蓄电池的供电端子，分别与所述太阳能光伏板和空气压缩机电气连接；所述传氧膜组件设置在所述组合框架的底部，伸出至所述气候室下方。该装置无需外部能源和动力，集成了膜传氧和植物系统，具有增氧效率高，运行费用低，处理效果好，与环境协调性好的特点。

Description

一种无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置

技术领域

本发明涉水污染处理领域，具体涉及一种无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置。

背景技术

黑臭水体治理是一项复杂的系统工程，选用单一的方法治理难以恢复河流生态系统，需要综合应用多种方法同时治理。

目前生物-生态修复方法应用较为广泛，如：人工生态浮岛、人工水下森林，利用构造合适的生态系统，增加生物多样性，修复水体生态系统平衡，提高自净能力，从而标本兼治。

但目前这些方法还不成熟，在恢复黑臭水体的自净能力、长效保持水质稳定时，并未重视水体中微生物含量极低而总氮高的特点。

目前有的项目中，通过水体曝气增氧技术，目的是提升微生物数量，但水体曝气增氧技术面临能耗高运行成本高的问题，导致充氧效果不足，也使得水体中微生物数量不足，污染物降解速度慢；同时充氧设备中的鼓风机和供气管路与水体周围自然环境不协调，对整体景观效果造成影响。而且现有曝气技术往往会导致河道底泥中气体释放，致使水体周围臭味超标，同时鼓风机噪声严重，导致周边居民投诉严重。

并且，现有的人工生态浮岛技术单体面积小，大多数是在小面积的河湖中使用，难以对较大的河湖进行生态修复，小型的生态浮岛管理维护只能在船上进行，操作难度高，工作量大。常用的生态浮岛植物季节影响较大，不能连续净化水体。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供了一种无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，能方便用于黑臭水体的修复与净化，无需外部能源，处理效果好，噪音小，适用范围广，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，气候室、太阳能光伏板、组合框架、蓄电池、空气压缩机和传氧膜组件；其中，

所述气候室的顶端开口上设置所述太阳能光伏板；

所述气候室的底端开口内固定设置所述组合框架；

所述植物固定框架设置在所述组合框架的植物安装位上；

所述蓄电池和空气压缩机分别设置在所述植物固定框架周围的所述组合框架内；

所述蓄电池的供电端子，分别与所述太阳能光伏板和空气压缩机电气连接；

所述传氧膜组件设置在所述组合框架的底部，伸出至所述气候室下方。

与现有技术相比，本发明所提供的无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，其有益效果包括：

通过组合框架将蓄电池、空气压缩机、传氧膜组件和植物固定框架集成在一起，并将组合框架和太阳能光伏板集成设置在气候室上，实现通过气候室将传氧膜组件和水生植物集成在一起，结合生物膜和食物链反应器双重作用，极大的提高了水体治理效率，同时由于气候室的调节作用，整体净化能力持续性好，克服了传统生态治理手段效率低和有效时间短的缺点；通过太阳能、蓄电池与空气压缩机配合实现无动力曝气，无需外部能源和动力，显著降低了管理运行的费用和难度，并且曝气过程中无臭味无噪音，水面上的植物气候室形成了景观亮点，让周边居民更易接受；该装置由于采用模块化结构，可以灵活的拼装拆卸，既可以浮动在水面上，又可以固定在水池上，使用利用率高于现有的生态浮岛装置。该装置具有增氧效率高，运行费用低，处理效果好，与环境协调性好的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置的结构示意图；

图中：11-太阳能光伏板；12-蓄电池；13-空气压缩机；14-浮筒；15-膜架；16-传氧膜组件；17-中空纤维传氧膜丝；21-植物；22-定植栅；23-植物固定框架；24-气候室；3-组合框架。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，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，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。

术语“质量份”是表示多个组分之间的质量比例关系，例如：如果描述了X组分为x质量份、Y组分为y质量份，那么表示X组分与Y组分的质量比为x:y；1质量份可表示任意的质量，例如：1质量份可以表示为1kg也可表示3.1415926kg等。所有组分的质量份之和并不一定是100份，可以大于100份、小于100份或等于100份。除另有说明外，本文中所述的份、比例和百分比均按质量计。

除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。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文中的具体含义。

当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。

术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。

下面对本发明所提供的无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

如图1所示，本发明实施例提供一种无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，包括：气候室24、太阳能光伏板11、组合框架3、蓄电池12、空气压缩机13和传氧膜组件16；其中，

所述气候室24的顶端开口上设置所述太阳能光伏板11；

所述气候室24的底端开口内固定设置所述组合框架3；

所述植物固定框架23设置在所述组合框架3的植物安装位上；

所述蓄电池12和空气压缩机13分别设置在所述植物固定框架23周围的所述组合框架3内；

所述蓄电池12的供电端子，分别与所述太阳能光伏板11和空气压缩机13电气连接；

所述传氧膜组件16设置在所述组合框架3的底部，伸出至所述气候室24下方。

上述水体净化装置中，所述传氧膜组件16为多组，分布固定设置在所述组合框架3的底层。

上述水体净化装置中，每组传氧膜组件16由膜架15和中空纤维传氧膜组成，所述中空纤维传氧膜上端通过所述膜架15固定在所述组合框架3上，下端悬吊在所述组合框架3下方。采用中空纤维传氧膜，增加了膜装填密度，同时该膜组件还可以将传氧膜中剩余的尾气以大气泡的形式释放到池体中，通过擦洗作用控制传氧膜上生物膜的厚度。

上述水体净化装置中，所述膜架15为中空架身，能植物传氧通道，将空气压缩机13的空气传导至中空纤维传氧膜。

上述水体净化装置中，所述植物安装位为设置在所述组合框架3中间部位的中空结构，所述植物固定框架23固定设置在该中空结构内，所述植物固定框架23内设置种植植物用的定植栅22。进一步的，上述水体净化装置还包括：植物21，种植在所述定植栅22内。植物的根部伸出至所述组合框架下方，植物叶子生长在气候室内。优选的，植物21采用适于处理区域的水生植物。

种植在定植栅上的植物，其根系不断在水体生长，形成约1.5m长的根茎区，可以作为固定生物膜的天然载体，由于植物根系的天然属性，可以形成人工载体无法达到的复杂食物链，形成从细菌、原生动物、无脊椎动物到鱼虾，水生植物等复杂的生态系统，其微生物量可达到12～18kg/m³，生物种类可达3000种以上，水体中营养物质和有机物的去除过程更加环保节能。同时，由于丰富的营养物质，在水面上的植物生长旺盛，通过植物景观设计形成一座浮动在水体表面的植物花园，提升了水体的环境效果，解决了传统水体治理设施与环境不协调的问题，同时成为景观亮点。

上述水体净化装置中，所述太阳能光伏板11倾斜设置在所述气候室24的顶端开口上。

上述水体净化装置中，所述气候室24为两端开口的筒形结构体。优选的，所述气候室24的横截面为圆形(也包括椭圆形)、多边形(长方形、正方形、五边形、六边形)中的任一种。

上述水体净化装置中，所述气候室24的侧壁为透光侧壁。如采用玻璃、有机玻璃或其它透光材质制成的气候室。

进一步的，上述水体净化装置还包括：浮筒14，固定设置在所述组合框架3内。优选的，浮筒14可以为一个，也可以为多个，通过浮筒的作用该水体净化装置能浮动在湖泊、河道和池塘等水面上进行生态修复。若不设置浮筒，使该水体净化装置固定在钢筋混凝土或不锈钢池体上作为固定式污水处理设施使用。

上述水体净化装置中，分为无动力膜传氧模块和植物根系模块两大部分，通过模块组合框架整合为一体，其中，太阳能光伏板、蓄电池、空气压缩机、浮筒和传氧膜组件组成无动力膜传氧模块，该无动力膜传氧模块利用太阳能光伏板转化电能后在蓄电池中储能，连续的驱动空气压缩机产生压缩空气。压缩空气通过传氧膜组件的中空结构膜架向中空纤维传氧膜提供空气，空气进入中空纤维传氧膜后，其中的氧气通过中空纤维传氧膜表面的微孔以无泡的形式释放到水体中，逐渐在中空纤维传氧膜表面形成生物膜；空中的其他气体通过中空纤维传氧膜尾端释放到水体中；在中空纤维传氧膜表面形成的生物膜，有明显的分层结构，生物膜内层主要为硝化细菌，可以有效的降低水体中的氨氮形成硝酸盐或亚硝酸盐氮，生物膜外层主要为异养菌可以有效的降低水体中有机物，同时发生硝化反硝化和短程硝化反硝化作用，从而去除水体中高浓度的营养物质和有机物；

通过在气候室底端开口固定设置模块组合框架，为种植的植物提供了良好的生存条件，通过气候室温度湿度的条件可以维持植物全年正常生长，解决了传统人工湿地或生态浮岛受季节性影响大，实际发挥效力时间短，运行维护难的问题。

本发明的水体净化装置可以在水体生态修复、黑臭水体治理和小微水体治理中广泛使用，同时也可以在农村污水处理等分散式污水处理场景中使用，很好解决现有生态治理中曝气增氧和生态浮岛技术的缺陷。

综上可见，本发明实施例的无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，通过气候室将传氧膜组件和水生植物集成在一起，结合生物膜和食物链反应器双重作用，极大的提高了水体治理效率，同时由于气候室的调节作用，整体净化能力持续性好，克服了传统生态治理手段效率低和有效时间短的缺点；通过太阳能、蓄电池与空气压缩机配合实现无动力曝气，无需外部能源和动力，显著降低了管理运行的费用和难度，并且，曝气过程中无臭味无噪音，水面上的植物气候室形成了景观亮点，让周边居民更易接受；该装置由于采用模块化结构，可以灵活的拼装拆卸，既可以浮动在水面上，又可以固定在水池上，使用利用率高于现有的生态浮岛装置。该装置具有增氧效率高，运行费用低，处理效果好，与环境协调性好的特点。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置进行详细描述。

实施例

以下结合图1和具体实施例对本发明进行进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此，以采用本发明在某黑臭水体生态恢复项目中的应用为例对本实施例的无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置进行说明，主要包括：

某黑臭水体治理项目中，有黑臭河段约1.3km，根据综合治理方案，已经完成河底淤泥清理，两岸污水直排口转接市政污水管道等工程，但由于河道周围地区雨污分流不完全，雨水溢流污染和初期雨水污染较为严重，河道营养物质超标。为了保持河道水环境的长期稳定健康，需要采取生态修复措施，提高河道自净能力。

采用本发明，重点提高河道水体内营养物质去除能力，同时要求施工便捷快速，对周围居民环境影响小。

1)该水体净化装置组成：

首先根据水质分析结果，计算传氧膜生物膜面积和植物根系面积，进而配置传氧膜组件数量和植物数量。

本发明的无动力膜传氧模块包括：太阳能光伏板11、蓄电池12、空气压缩机13、浮筒14(可根据使用状态设置)、膜架15、传氧膜组件16(包括膜架15和中空纤维传氧膜)，各部件集成在组合框架3内，单个模块外形尺寸为1.5×1.0×0.3m，配置1块面积为2.2m²的太阳能光伏板11，蓄电池12额定电压12V，容量200Ah，为空气压缩机13提供电能。空气压缩机选型为流量290L/min，压力40kPa，额定电压12V，电流10A，外形尺寸174×89×145mm，重量3.5kg。其中太阳能光伏板11固定在气候室24顶端，蓄电池12和空气压缩机13固定在组合框架3上层。

在组合框架3下层安装固定了膜架15，空气压缩机13产生的空气通过膜架15的空气分配管传导至传氧膜组件16的中空纤维传氧膜丝17，空气中的氧气通过中空纤维传氧膜丝17传导到水体中；其中，中空纤维传氧膜丝17的带有螺纹的膜头固定连接到空气分配管上的分配器上，空气中其他气体通过中空纤维传氧膜丝17尾端形成大气泡释放到水体中。

本发明中植物模块包括：植物21、植物定植栅22、植物固定框架23和气候室24等部件；其中，植物21选择适合当地生长的水生植物，种植在植物定植栅22上，植物21和植物定植栅22固定在植物固定框架23上，植物固定框架23和组合框架3可快速灵活组合，与无动力膜传氧模块快速组合起来。气候室24固定在组合框架3上，为植物21提供一个温度湿度可控的生长环境。同时，太阳能光伏板11固定在气候室24顶端。

根据河道宽度特点，利用2个无动力膜传氧模块和1个植物模块形成1个膜传氧生物膜食物链水体净化装置。利用安装在组合框架3内的浮筒14使得该水体净化装置浮动在水面上。根据河道长度每隔300m设置一个水体净化装置，共设置4个水体净化装置。

2)处理运行：

工作过程中，太阳能光伏板11和蓄电池12为空气压缩机13提供电能，空气压缩机13产生空气输送至传氧膜组件16的膜架15，膜架15分配空气到中空纤维传氧膜丝17。空气中的氧气通过中空纤维传氧膜丝17传导到水体中，逐渐在中空纤维传氧膜丝17表面形成生物膜，利用传氧膜的传氧特性，后期氧气将直接输送至生物膜。在生物膜内形成硝化菌为菌群，利用水体中的氨氮和传氧膜输送的氧气，实现氨氮的硝化，生物膜外层的反硝化菌利用形成的硝酸盐进行反硝化作用形成氮气，从而脱除了水体中的氮。

本发明中的植物21逐渐形成根系系统，根系系统上形成复杂的生物链，可以有效的去除水体的BOD，同时对水体中的P有较好的吸收作用，从而降低了水体中的有机物和P类营养物质的含量。

3)日常维护

本发明的无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，利用太阳能光伏提供动力，不用连接市政用电，没有电耗，同时由于膜传氧的氧利用效率高，需要的空气量和空气压力远远小于机械曝气，空气压缩机13可以做到小型化，高效节能且产生的声音小于50dB，对周边居民无噪声影响，不用日常维护保养，仅需定期检查设备运行情况。

由于植物21种植在气候室24内，湿度温度有一定的调节范围，植物生长管理简便，仅需定期对植物进行修剪。

本发明的水体净化装置安装就位后，曝气无臭静音，对周边居民生活无不良影响，植物逐渐生长后形成具有景观效果的植物花园，在河道内形成了独特的风景线。

综上可见，本发明的膜传氧食物链水体净化装置融合了曝气+生物膜+食物链的原位水体净化技术，可充分发挥水体曝气富氧和生态浮岛的技术有点，且具有增氧效率高，运行费用低，处理效果好，与环境协调性好的特点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，其特征在于，包括：气候室(24)、太阳能光伏板(11)、组合框架(3)、蓄电池(12)、空气压缩机(13)和传氧膜组件(16)；其中，

所述气候室(24)的顶端开口上设置所述太阳能光伏板(11)；

所述气候室(24)的底端开口内固定设置所述组合框架(3)；

所述植物固定框架(23)设置在所述组合框架(3)的植物安装位上；

所述蓄电池(12)和空气压缩机(13)分别设置在所述植物固定框架(23)周围的所述组合框架(3)内；

所述蓄电池(12)的供电端子，分别与所述太阳能光伏板(11)和空气压缩机(13)电气连接；

所述传氧膜组件(16)设置在所述组合框架(3)的底部，伸出至所述气候室(24)下方。

2.根据权利要求1所述的无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，其特征在于，所述传氧膜组件(16)为多组，分布固定设置在所述组合框架(3)的底层。

3.根据权利要求2所述的无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，其特征在于，每组传氧膜组件(16)由膜架(15)和中空纤维传氧膜丝(17)组成，所述中空纤维传氧膜丝(17)上端通过所述膜架(15)固定在所述组合框架(3)上，下端悬吊在所述组合框架(3)下方。

4.根据权利要求3所述的无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，其特征在于，所述膜架(15)上空气分配管，该空气分配管一端与所述空气压缩机(13)的出风端连接，另一端与所述中空纤维传氧膜丝(17)的膜头固定连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，其特征在于，所述植物安装位为设置在所述组合框架(3)中间部位的中空结构，所述植物固定框架(23)固定设置在该中空结构内，所述植物固定框架(23)内设置种植植物用的定植栅(22)。

6.根据权利要求1至4任一项所述的无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，其特征在于，还包括：植物(21)，种植在所述定植栅(22)内。

7.根据权利要求1至4任一项所述的无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，其特征在于，所述太阳能光伏板(11)倾斜设置在所述气候室(24)的顶端开口上；

所述气候室(24)为两端开口的筒形结构体。

8.根据权利要求7所述的无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，其特征在于，所述气候室(24)的横截面为圆形、多边形中的任一种。

9.根据权利要求7所述的无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，其特征在于，所述气候室(24)的侧壁为透光侧壁。

10.根据权利要求1至4任一项所述的无动力模块化膜传氧食物链水体净化装置，其特征在于，还包括：浮筒(14)，固定设置在所述组合框架(3)内。

Images