CN114249412B - 一种水中碳源可智能定位释放的多层净化装置及净化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水中碳源可智能定位释放的多层净化装置，包括立柱，所述立柱顶端安装有第一电机，第一电机与柱体螺杆连接，柱体螺杆下方与圆状托盘连接，圆状托盘可沿立柱上下移动；在所述圆状托盘上安装有可旋转的大齿轮和小圆环柱体，小圆柱体上安装有若干个伞骨，伞骨通过折杆与卡箍铰接，卡箍套在小连杆上，小连杆安装在小圆环柱体上，在所有小连杆中，其中两个对称设置的小连杆与第二电机连接，小连杆上设有螺纹，卡箍内固定安装有螺母，小连杆与螺母适配。本发明除了在中下部设置可智能定位投放碳源的平台，还在兼性塘上部富氧区域，设置了多层可漂浮的植物平台，可种植挺水植物和沉水植物进一步提高污染物的去除效率。

Description

一种水中碳源可智能定位释放的多层净化装置及净化方法

技术领域

本发明涉及水中碳源可智能定位释放的多层净化装置及净化方法，属于生态领域。

背景技术

目前在提升污水厂尾水治理中生态塘技术是常用的技术之一，生态塘中的兼性塘以其水力停留时间长，兼有好氧区和缺氧区等特点而常被使用。兼性塘内部水体的上、中、下区域含氧量不同，氧气浓度高的区域适合净水植物的生长，氧气低的区域适合反硝化反应去除氮元素。污水处理厂的尾水一般都是低碳氮比污水。碳源的缺乏，一方面难以维持反硝化微生物的正常生长。另一方面在反硝化过程中，碳源作为反应所需，缺乏会影响微生物的除氮效率。提高污水中C/N，能解除反硝化脱氮的限制因子，通过外加碳源提供电子供体，进一步促进反硝化反应，大幅提高脱氮率。在兼性塘中，反硝化反应主要发生在塘体的中下部的缺氧和厌氧区域，该区域需要投加碳源提高脱氮效率。目前兼性塘中固体碳源投放方式主要是直接将碳源扔到塘底，堆积的碳源不能与水体充分接触，碳源在塘底扩散效果不佳，被微生物利用的效率不高，再者碳源很难得到定期更换，造成浪费甚至二次污染水体。目前CN211338949U专利针对农业固体缓释碳源的投放方式和增大与水体的接触面积两方面有一定的提高，但是仍存在需要屡次打捞的问题，以及实际碳源与水体的接触仅局限于箱体内部的问题，脱氮效率受到严重影响。此外，不同季节水位和塘体氧环境会发生变化，最适宜发生反硝化反应的区域也随之发生变化。如何智能将碳源投放到适宜区，且提供具有可充分接触水体和方便回收等特点的投放平台是本专利要解决的重点问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种水中碳源可智能定位释放的多层净化装置及净化方法，除了在中下部设置可智能定位投放碳源的平台，还在兼性塘上部富氧区域，设置了多层可漂浮的植物平台，可种植挺水植物和沉水植物进一步提高污染物的去除效率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种水中碳源可智能定位释放的多层净化装置，包括立柱，所述立柱顶端安装有第一电机，第一电机与柱体螺杆连接，柱体螺杆下方与圆状托盘连接，圆状托盘沿立柱上下移动；在所述圆状托盘上安装有小圆环柱体，小圆环柱体上安装有若干个伞骨，伞骨通过折杆与卡箍铰接，卡箍套在小连杆上，小连杆安装在小圆环柱体上，在所有小连杆中，其中两个对称设置的小连杆与第二电机连接，小连杆上设有螺纹，卡箍内固定安装有螺母，小连杆与螺母适配，通过第二电机带动螺母上下移动，从而带动卡箍上下移动；所述伞骨的两端分别设有伞骨顶端阀门和伞骨根部阀门，伞骨下方的大齿轮和圆状托盘与伞骨根部对应的位置开贯穿孔，贯穿孔最下方设有收集袋。

作为优选，所述小圆环柱体上安装有溶解氧探头，溶解氧探头与第一和第二控制器连接，第一控制器与第一电机连接，第二控制器与第二电机连接。

作为优选，所述圆状托盘上通过轴承安装有大齿轮，大齿轮与小圆柱体固定在一起，在圆状托盘上安装有第三电机，第三电机通过小齿轮与大齿轮啮合，第三电机带动大齿轮和小圆环柱体一起旋转，第三电机与第三控制器连接。

作为优选，所述立柱上安装有挺水植物平台。

作为优选，所述立柱上安装有沉水植物平台。

作为优选，所述挺水植物平台和沉水植物平台通过铝合金管固定连接。

作为优选，所述立柱底部安装有底座爪子。

一种水中碳源可智能定位释放的多层净化装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)本装置在工厂组装完毕，伞骨结构处于初始收拢状态，此时伞骨直立，伞骨根部阀门与其下方的大齿轮和圆状托盘上的贯穿孔，以及贯穿孔下方的收集袋位于一条垂线上；将装置运至现场后，安装之前打开伞骨顶端阀门往其中投加固体碳源，投加结束后关闭伞骨顶端阀门，随后将立柱的底部插入塘底固定好，打开底座爪子协助立柱保持直立，装置顶部高出水面一段距离，装置顶部置物台上放置第一控制器、第一电动机和蓄电池，通过绳子将圆环状的挺水植物平台与立柱软性连接起来，在挺水植物平台下方约0.5～0.8米的富氧范围内设置一个圆环状的沉水植物平台，通过直立的铝合金管将两个植物平台在垂向硬性连接，铝合金管的上端连接挺水植物平台的外环，下端连接沉水植物平台的内环；

(2)装置安装完毕后，装置接通电源开始运行，收集当前水位条件下的不同水深处的溶解氧数据，此时伞骨结构一直处于收拢状态，首先圆状托盘在柱体螺杆上面往下移动，下降到最下端的一个点位，即底部沉积物上方10cm处；然后由下至上依次在各个点位停留30s，每隔10cm一个点位，圆状托盘上方的小圆环柱体上的溶解氧探头收集每个点位的溶解氧浓度数据，采集至最后一个点位即完成一个周期，一个周期的数据采集结束后，溶解氧探头将溶解氧数据无线传输给第一控制器和第二控制器；

(3)第一控制器上收到数据后，根据预设的溶解氧浓度数据范围寻找到符合该范围内的溶解氧数据对应的点位，确定出适宜反硝化反应的垂向区间范围，令该区间的最下端点位为x，最上端点位为y，然后第一控制器给第一电动机发出指令，使其带动小圆环柱体移动至适宜范围的最下端点位x所在之处并固定在此处；

(4)第二控制器收到数据后，同样根据预设的溶解氧浓度数据范围寻找到所有符合该范围内的溶解氧数据中的最下端点位x，同时找到最高处位点y，这两个位点之间距离H₀＝y-x，已知伞骨长度为L₀，折杆长度为L₁，折杆与伞骨的铰接处到小圆环柱体距离为L₂，伞骨完全合拢时卡箍在小连杆上的高度为H₁，小连杆和伞骨之间的距离为D。伞骨将撑开一个适宜的角度θ，θ＝cos^-1(H₀/L₀)＝cos^-1[(y-x)/L₀]，此时长度为L₀的伞骨在垂向投影高度就等于H₀(即y-x)，从而使得伞骨中的碳源所在的垂向投影高度与适宜发生反硝化的溶氧区域范围完全匹配，具体是由第二控制器计算出卡箍所需移动距离

(式中H₂为伞骨打开θ角度时卡箍在小连杆上的高度)，第二控制器计算得出ΔH后，给第二电动机发出指令，使其带动卡箍在小连杆上运动实现的；

(5)伞骨在水中展开角度到位后，第三控制器给第三电机发出指令，第三电机带动小齿轮开始旋转，小齿轮动力传输到大齿轮，从而带动大齿轮和小圆环柱体一起旋转，进而带动其上的伞骨和其中的固体碳源，以及折杆和卡箍一起旋转；

(6)根据碳源缓释复合的二级动力学方程，可得到碳源缓释周期，从而计算更换时间，更换时间预先写入第一控制器、第二控制器和第三控制器中，时间到了以后自动开启碳源更换流程，更换完毕后，重复步骤(2)-(5)。

作为优选，所述步骤(6)具体为：首先，第三控制器发出指令控制第三电动机使小齿轮停止旋转，从而带动大齿轮以及其上方的小圆柱体和伞骨结构停止旋转；然后，第二控制器发出指令控制第二电动机带动卡箍在小连杆上移动直到伞骨完全收拢，恢复到出厂时的初始收拢状态；接着，第一控制器发出指令控制第一电动机带动圆状托盘上升至最高点位(即接近水面的位置)，完全收拢的伞骨升出水面，此时伞骨根部阀门打开，废弃碳源在重力作用下通过管穿孔自动落入碳源收集袋。一般的常见固体碳源如玉米芯，稻杆等，被利用后剩下木质素，木质素可运用于其他领域，将其回收后可留作它用。在结束收集后，伞骨根部阀门闭合，伞骨顶端阀门开启，可向其中投加新的碳源。收集袋都可拆卸下，清空废弃碳源后，可再重新挂回去，实现下一轮的废弃碳源收集。

在本发明中，除了在中下部设置可智能定位投放碳源的平台，还在兼性塘水体的上部富氧区域，设置了多层可漂浮的植物平台，可种植挺水植物和沉水植物进一步提高污染物的去除效率。本专利还通过软性连接，可以简便的实现植物平台在不同水位条件下始终漂浮于水面，且不会在水流或者风作用下飘走，此外，两层环形平台设计解决了光照竞争，提供了不同类型植物适宜生长空间的问题。

在本发明中，根据兼性塘水体垂向氧浓度的差异，分层设置了不同净化水体的装置与方法。兼性塘中上部好氧区设置植物平台，下部设置可智能定位的伞状固体碳源缓释结构，该伞状固体碳源缓释结构主要作用为在水位可变化的兼性塘内的中下部，智能定位适宜投放固体碳源的垂向区间，在该垂向区间内通过伞骨状碳源投放平台的开合，可让适宜发生反硝化反应的所有垂向空间被充分利用，中空且打有孔眼的伞骨中投加固体碳源，不仅可以提供反硝化反应所需要的碳源，还可以提供微生物挂膜的附着体，从而发生反硝化反应去除氮元素；此外通过伞骨结构的旋转，可使碳源与水充分接触，且碳源浸出液可被甩出，扩散到周围更大范围的水体，为悬浮反硝化菌提供碳源，从而全面提升脱氮效率。该装置充分利用兼性塘中垂向不同的氧浓度施以适合的处理方式处理水体，提高了水体净化效果。伞状固体碳源缓释结构为塘内水体提供了固体碳源适宜的放置空间，将所有适宜反硝化的垂向区域完全利用，且增大固体碳源与水体的接触面积，并通过伞骨结构的变速旋转可使碳源浸出液扩散至数倍于伞骨长度的空间，提高了碳源利用率和水体脱氮效率。同时，该装置的伞骨结构可完全收拢，并升出水面，使得投放新碳源和收集废弃碳源的操作都很方便，此外，完全收拢的伞骨结构使得该装置的运输和安装也很方便。

在本发明中，所述可自动定位的伞状固体碳源缓释结构由伞骨结构和收集袋组成。其中伞骨结构包括中空的伞骨、小圆环柱体、大齿轮、圆状托盘、小连杆、折杆和卡箍，伞骨结构具有智能开合和变速旋转功能。中空的伞骨上打有孔眼，伞骨顶端阀门可打开，用于投放固体碳源，伞骨根部阀门可打开，用于排空废弃的固体碳源。多根伞骨均匀分布在小圆环柱体的四周，小圆环柱体上装有溶解氧探头，用于分层测量水体垂向氧气含量，小圆柱体与大齿轮固定在一起，其下方是圆状托盘，其可在立柱上面上下移动。折杆两端有铰接球，分别连接伞骨和卡箍，卡箍套在小连杆上，并可在上面移动，从而通过折杆带动伞骨的开合。

在本发明中，所述伞状固体碳源缓释结构的自动定位，是由圆状托盘在第一电动机带动下在柱体螺杆上移动实现的，其最终锁定的适宜垂向位置由第一控制器根据溶解氧探头在上下移动过程中收集的溶氧数据处理后发出的指令确定的，使小圆环柱体停留在适宜反硝化的溶氧所在范围的最下端点位；

在本发明中，所述伞骨结构的智能开合，是由卡箍在第二电动机带动下在小连杆上移动从而带动折杆实现的，其展开后锁定的适宜角度是由第二控制器根据溶解氧探头在上下移动过程中收集的溶氧数据处理后发出的指令确定的，该适宜角度可使伞骨在垂向投影高度正好等于适宜反硝化的溶解氧所在的高度范围；

在本发明中，所述伞骨结构的变速旋转，是由第三控制器控制第三电动机变速旋转实现的，首先第三控制器给第三电机发出指令，第三电机带动小齿轮开始旋转，小齿轮动力传输到大齿轮，从而带动大齿轮和小圆环柱体一起旋转，进而带动其上的伞骨和其中的固体碳源一起旋转；展开适宜角度的伞骨在缓慢旋转时，其中固体碳源通过孔眼可与水体充分接触，从而提供反硝化所需的碳源，而且固体碳源还为反硝化微生物提供优良的附着体；此外，提高旋转速度后伞骨中的部分碳源浸出液可被离心力甩出，通过改变旋转速度可实现伞骨中碳源浸出液被甩到伞骨外径的不同倍数的水体中，为悬浮反硝化菌提供碳源，进一步提高脱氮效率。

在本发明中，所述收集袋挂在圆状托盘下方，每个收集袋上方的圆状托盘和大齿轮上打有一个贯穿孔，当伞骨结构处于初始收拢状态时，直立的伞骨根部阀门与贯穿孔和收集袋正好在一条垂线上，伞骨根部阀门打开后碳源可通过贯穿孔直接落入收集袋中，收集袋具有拆卸功能用于清空废弃碳源。

在本发明中，所述可活动连接的植物平台，包括挺水植物平台和沉水植物平台。挺水植物平台为可漂浮在水面的浮板组成的圆环形状平台，平台上可种植挺水植物，立柱置于其内环中，内环的直径大于圆状托盘的外直径，可使完全收拢状态的伞骨结构通过，不阻碍伞骨结构在立柱上的移动。立柱上打有孔洞，在孔上系绳，通过绳子将挺水植物平台与立柱软性连接起来，使挺水植物平台在不同水位下始终悬浮在水面上，并固定在立柱周围而不会漂走。在挺水植物平台下方约0.5～0.8米的富氧范围内设置一个圆环状的沉水植物平台，沉水植物平台的内环直径大于挺水植物平台的外环直径，不仅可使伞骨结构穿过，而且可以避开挺水植物平台的遮阳作用，使其有充足的光照，利于沉水植物的生长。沉水植物平台为具有浮力的浮板拼接所成，浮板中包含基质填料层，浮力与基质重力相当，通过直立的铝合金管将两个植物平台在垂向硬性连接，铝合金管上端位于挺水植物平台的外环处，下端位于沉水植物平台的内环处，从而使沉水植物平台不会在水下随意飘荡，此外基质填料层中种植沉水植物，基质填料层可拆卸。

在本发明中，所述的顶部置物台，其上放置第一电动机、第一控制器和蓄电池。

在本发明中，除了植物平台，其他组件都在工厂内组装完毕，运输和安装过程中伞骨结构处于完全收拢的初始状态，节省空间，方便省事。打开伞骨顶端阀门向伞骨内投加固体碳源，关闭阀门，在兼性塘之类的水体中将立柱垂直安装完毕后再安装植物平台，对于水深大的水体可配置挺水和沉水两层植物平台，水深小的水体可只配置一层挺水植物平台。

在本发明中，整个装置安装完毕后在水体中的工作流程为：完全收拢的伞状固体碳源缓释结构下降到最下端的一个点位，即底部沉积物上方10cm处；然后由下至上移动，每隔一定距离溶解氧探头测量一个溶氧数据，采集至最后一个点位(即接近水面的位置)即完成一个周期；数据无线传输给第一控制器和第二控制器后，确定出适宜反硝化的溶解氧范围所在的垂直区域；第一控制器发出指令让伞状固体碳源缓释结构下端的小圆环柱体定位到该垂直区域最下端点位，第二控制器发出指令让小圆环柱体上的伞骨展开一个适宜的角度，该角度可使伞骨在垂向投影高度正好等于适宜反硝化的溶解氧所在的垂直高度范围；随后展开的伞骨在第三电动机带动下缓慢旋转，水流通过伞骨上孔眼可与其中固体碳源充分接触，且碳源可为微生物挂膜提供附着体；提升伞骨旋转速度，离心力使得伞骨内部分碳源浸出液甩出，通过改变旋转速度可实现伞骨中碳源浸出液被甩到伞骨外径的不同倍数的水体中，为悬浮反硝化菌提供碳源，进一步提高脱氮效率；根据碳源缓释复合的二级动力学方程，计算出碳源更换时间，到达该更换时间后，第三控制器使得伞骨停止旋转，第二控制器使得伞骨结构完全收拢，第一控制器将完全收拢的伞状固体碳源缓释结构上升到安装初始时的最高位置；此时伞骨升出水面，打开伞骨根部阀门使废弃碳源在重力作用下落入收集袋，取出收集袋，清空废弃碳源后重新挂上碳源收集袋；关闭伞骨根部阀门，打开伞骨顶端阀门，重新加入新的固体碳源；后续再重复上述步骤，使得该装置继续工作。

在本发明中，对于不同水深的兼性塘，可将装置上各个组件长度以及程序的各项参数做相应的调整。该装置也可以用于类似于兼性塘的存在不同氧分区的其他水体，如湖泊，具体实施方式跟兼性塘相同。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.为具有不同氧分区的水体提供一种多层净化平台，尤其可以为水体下方适宜反硝化反应的缺氧、厌氧区域提供精准定位的碳源释放平台；

2.该发明中的伞状固体碳源缓释结构具有自动定位功能，伞骨结构具有智能开合功能，可以自动确定出水体中反硝化反应所需氧气浓度范围对应的垂向区间，并使得添加碳源的伞骨在垂向投影高度正好等于该垂向区间的高度，不浪费任何适宜反硝化的空间，这种空间利用精准性是其他水体中固体碳源投加装置不具备的。

3.该发明中的伞骨结构展开适宜角度后，具有变速旋转功能，伞骨缓慢旋转时，其中固体碳源通过伞骨上孔眼可与水体充分接触，不仅可提供反硝化所需的碳源，还能为反硝化微生物提供优良的附着体；伞骨快速旋转时，伞骨中的部分碳源浸出液可被离心力甩出，不同的旋转速度可将伞骨中碳源浸出液甩到伞骨外径的不同倍数距离的水体中，为悬浮反硝化菌提供碳源，进一步提高脱氮效率，该发明的碳源投放方式可使碳源与水体充分混合，且轻松扩散至更大的空间范围，是其他水体中固体碳源投加装置无法实现的。

附图说明

图1本发明整体结构正视图1(伞骨撑开状态)

图2本发明整体结构正视图2(伞骨收拢状态)

图3本发明整体结构俯视图

图4本发明整体结构剖面图(1-1剖面图)

图5伞骨结构撑开状态下细节图

图6伞骨结构收拢状态下细节图

图7大齿轮和小齿轮的俯视图

图8圆状托盘的俯视图

图9只装配单层植物平台结构示意图1(伞骨撑开状态)

图10只装配单层植物平台结构示意图2(伞骨收拢状态)

图中：1挺水植物平台，2立柱，3伞骨，4小圆环柱体，5大齿轮，6收集袋，7小连杆，8折杆，9卡箍，10第一控制器，11第一电动机，12置物台，13蓄电池，14挺水植物，15溶解氧探头，16伞骨顶端阀门，17伞骨根部阀门，18绳结，19柱体螺杆，20第二电动机，21第二控制器，22底座爪子，23沉水植物，24沉水植物平台，25铝合金管，26第三电动机，27第三控制器，28小齿轮，29圆状托盘，30贯穿孔，31内柱体，32导向块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图8所示，本发明为一种可在兼性塘之类存在氧分区水体中使用的多层净水装置，其中固体碳源可自动定位和充分释放。装置由一根立柱2作为主体部分，柱体从下到上安装有可自动定位的伞状固体碳源缓释结构、可活动连接的植物平台(包括挺水植物平台1和沉水植物平台24)和顶部置物台12。

所述可自动定位的伞状固体碳源缓释结构由可智能开合和变速旋转的伞骨结构和可拆卸的收集袋6组成。其中伞骨结构包括中空的伞骨3、小圆环柱体4、大齿轮5、圆状托盘29、小连杆7、折杆8和卡箍9。中空的伞骨3上打有孔眼，伞骨顶端阀门16可打开，可向其中投放固体碳源，伞骨根部阀门17可打开，用于排空废弃的固体碳源。六根伞骨3均匀分布在小圆环柱体4的四周，小圆环柱体4上装有溶解氧探头15，用于测量水体垂向氧气含量。小圆柱体4与大齿轮5固定在一起，其下方是圆状托盘29，其可在立柱2上面上下移动。折杆8两端有铰接球，分别连接伞骨3和卡箍9，卡箍9套在小连杆7上，并可在上面移动，从而通过折杆8带动伞骨3的开合。

所述伞状固体碳源缓释结构的自动定位，是由第一控制器10发出的指令控制第一电机11转动而带动圆状托盘29在柱体螺杆19上运动实现的，小圆环柱体4上的溶解氧探头15在上下运动过程中将测量的溶解氧数据无线传输到第一控制器10，第一控制器10对溶解氧数据处理后确定出反硝化反应所需氧气范围的垂向区间(即适宜投放碳源的垂向区间位置)，然后发出指令将小圆环柱体4停留在该垂向区间的最下端位置。圆状托盘29具体结构可包含内柱体31和外柱体，外柱体位于立柱2外，内柱体位于立柱2内，在立柱2的两侧对称设有导向槽，外柱体和内柱体31通过导向块32连接，导向块32沿导向槽移动，内柱体通过螺纹与柱体螺杆19连接。

所述伞骨结构的智能开合，是由第二控制器21发出指令控制第二电动机20带动卡箍9在小连杆7上运动实现的，溶解氧探头15测量到的溶解氧数据也同步无线传输到第二控制器21，第二控制器21对溶解氧数据处理后确定出反硝化反应所需氧气范围的垂向区间(即适宜投放碳源的垂向区间位置)，第二控制器21计算出卡箍所需移动距离，发出指令实现伞骨撑开适宜的角度，可使伞骨3的垂向投影高度H₀等于适宜反硝化反应的垂向溶氧区间范围(图5)。

所述伞骨结构的变速旋转，是由第三控制器27控制第三电动机26变速旋转实现的，首先第三控制器27给第三电机26发出指令，第三电机26带动小齿轮28开始旋转，小齿轮28动力传输到大齿轮5，从而带动大齿轮5和小圆环柱体4一起旋转，进而带动其上的伞骨3和其中的固体碳源一起旋转；展开的伞骨3保持在上述适宜的位置和角度后，开始缓慢旋转，此时伞骨3中的固体碳源通过孔眼可与水体充分接触，从而提供反硝化所需的碳源，而且固体碳源还为反硝化微生物提供优良的附着体；此外，提高旋转速度后，伞骨3中的部分碳源浸出液可被离心力甩出，通过改变旋转速度可实现伞骨中碳源浸出液被甩到伞骨外径的不同倍数的水体中，为悬浮反硝化菌提供碳源，进一步提高脱氮效率。

所述收集袋6挂在圆状托盘29下方，每个收集袋6上方的圆状托盘29和大齿轮5与收集袋6对应位置打有贯穿孔30，当伞骨结构处于初始收拢状态时，直立的伞骨根部阀门17与贯穿孔30和收集袋6正好在一条垂线上，伞骨根部阀门17打开后碳源可通过贯穿孔30直接落入收集袋6中，收集袋6可拆卸，清空其中废弃碳源后可重新挂在圆状托盘29下方再次收集碳源。

所述可活动连接的植物平台，包括挺水植物平台1和沉水植物平台24，其中挺水植物平台1为可漂浮在水面的浮板组成的圆环形状平台，平台上可种植挺水植物14，立柱2置于其内环中，内环的直径大于圆状托盘的外直径，可使完全收拢状态的伞骨结构通过，不阻碍其在立柱2上的移动。立柱2上部打有孔洞，在孔上系绳，通过绳子18将挺水植物平台1与立柱2软性连接起来，使挺水植物平台1在不同水位下始终悬浮在水面上，并固定在立柱2周围而不会漂走。在挺水植物平台1下方约0.5～0.8米的富氧范围内设置一个圆环状的沉水植物平台24，沉水植物平台24的内环直径大于挺水植物平台1的外环直径，这样不仅可使伞骨结构穿过沉水植物平台24，而且可以避开挺水植物平台1的遮阳作用，使沉水植物平台24有充足的光照，利于沉水植物的生长。沉水植物平台24为具有浮力的浮板拼接所成，浮板中包含基质填料层，浮力与基质重力相当，通过直立的铝合金管25将两个植物平台在垂向硬性连接，铝合金管25的上端连接挺水植物平台1的外环，下端连接沉水植物平台24的内环，从而使沉水植物平台24不会在水下随意飘荡，此外基质填料层中种植沉水植物23，基质填料层可拆卸。所述的顶部置物台12，其上放置第一电动机10和第一控制器11和蓄电池13，蓄电池在停电状态下为整个装置提供电力。

本发明在具体使用时的工作原理和操作方法：

该装置(1)针对一般的兼性塘，平均水深在2～4米范围内，立柱高度一般设为1.5～2倍平均水深，最终高度可根据水体的水位变化与底部沉积物厚度确定，本发明装置除了植物平台是分离的，其他部分在出厂阶段就已经安装成为一体，伞骨结构处于完全收拢的初始状态，初始状态即为伞骨3直立，伞骨根部阀门17与其下方的大齿轮5和圆状托盘29上的贯穿孔30，以及贯穿孔30下方的收集袋6位于一条垂线上，这样便于运输，且省去现场安装各个零件的麻烦，非常便捷。将本装置运至现场后，安装之前打开伞骨顶端阀门16往其中投加固体碳源，投加结束后关闭伞骨顶端阀门16，随后将立柱2的底部插入塘底固定好，打开底座爪子22协助立柱2保持直立，装置顶部高出水面一段距离，以确保水位变化条件下顶部置物台12一直在水面上方，装置顶部置物台12上放置第一控制器10、第一电动机11和蓄电池13，蓄电池在停电状态下为整个装置提供电力。挺水植物平台1为圆环形状，可漂浮于水面，立柱2置于其内环中，内环的直径大于圆状托盘29的外直径，可使完全收拢状态的伞骨结构通过，不阻碍其在立柱2上的移动。装置顶部置物台12下方5厘米位置的立柱2上打有孔洞，在孔洞上系绳，通过绳子18将挺水植物平台1与立柱2软性连接起来，使挺水植物平台1在不同水位下始终悬浮在水面上，并在立柱2周围，不会随意漂动，便于冬季对植物的打捞。在挺水植物平台1下方约0.5～0.8米的富氧范围内设置一个圆环状的沉水植物平台24，沉水植物平台24内环直径大于挺水植物平台1的外环直径，不仅可使伞骨结构穿过，而且可以避开挺水植物平台1的遮阳作用，使其有充足的光照，利于沉水植物23的生长。沉水植物平台24为具有浮力的浮板拼接所成，浮板中包含基质填料层，浮力与基质重力相当，通过直立的铝合金管25将两个植物平台在垂向硬性连接，铝合金管25的上端连接挺水植物平台1的外环，下端连接沉水植物平台24的内环，从而使沉水植物平台不会在水下随意飘荡，此外基质填料层中种植沉水植物23，基质填料层可拆卸，从而更换基质填料。在兼性塘中，沉水植物在兼性塘底泥缺氧环境中难以生存，中上层区域设置该平台可使植物获取充足的氧气和光照。

(2)装置安装完毕后，装置接通电源开始运行，首先收集该兼性塘该水位条件下的不同水深处的溶解氧数据。此时伞骨结构一直处于收拢状态，首先圆状托盘29在柱体螺杆19上面往下移动，下降到最下端的一个点位，即底部沉积物上方10cm处；然后由下至上依次在各个点位(每隔10cm一个点位)停留30s，小圆环柱体4上的溶解氧探头收集每个点位的溶解氧浓度数据。采集至最后一个点位(即接近水面的位置)即完成一个周期。一个周期的数据采集结束后，溶解氧探头15将溶解氧数据无线传输给第一控制器10和第二控制器21。

(3)第一控制器10收到数据后，根据预设的溶解氧浓度数据范围寻找到符合该范围内的溶解氧数据对应的点位，确定出适宜的垂向区间范围，令该区间的最下端点位为x，最上端点位为y，然后第一控制器10给第一电动机11发出指令，通过圆状托盘29在柱体螺杆19上运动，从而带动小圆环柱体4移动至适宜范围的最下端点位x所在之处并固定在此处。

(4)第二控制器21收到数据后，同样根据预设的溶解氧浓度数据范围寻找到所有符合该范围内的溶解氧数据中的最下端点位x，同时找到最高处位点y，这两个位点之间距离H₀＝y-x。已知伞骨长度为L₀，伞骨3将展开一个适宜的角度θ，θ＝cos^-1(H₀/L₀)＝cos^-1[(y-x)/L₀]，此时长度为L₀的伞骨3在垂向投影高度就等于H₀(即y-x)，从而使得伞骨3中的碳源所在的垂向投影高度与适宜发生反硝化的溶氧区域范围完全匹配，不浪费任何适宜反硝化的垂向空间，具体是由第二控制器21计算出卡箍9所需移动距离ΔH后，给第二电动机20发出指令，使其带动卡箍9在小连杆7上运动实现的，卡箍9所需移动距离的计算公式为

(式中L₁为折杆长度，L₂为折杆与伞骨的铰接处到小圆环柱体4的距离，H₁为伞骨完全合拢时卡箍9在小连杆7上的高度，H₂为伞骨打开θ角度时卡箍9在小连杆7上的高度，D为小连杆7和伞骨3之间的距离，见图5和图6)。

(5)伞骨3在水中展开角度到位后，第三控制器27给第三电机26发出指令，第三电机26带动小齿轮28开始旋转，小齿轮28动力传输到大齿轮5，从而带动大齿轮5和小圆环柱体4一起旋转，进而带动其上伞骨3和其中的固体碳源，以及折杆8和卡箍9一起旋转。伞骨3上有很多孔眼，可使水流进入伞骨而碳源不会漏出伞骨。伞骨3的旋转可大大提高水体与碳源的接触，伞骨3内的碳源在该处提供微生物附着体，此处发生反硝化反应；同时伞骨3的旋转也能将部分碳源浸出液甩出伞骨，扩散到周围水中，为悬浮反硝化菌提供碳源，大大提高脱氮效率。

(5)根据碳源缓释复合的二级动力学方程，可得到碳源缓释周期，从而计算更换时间，更换时间预先写入第一控制器10、第二控制器21和第三控制器27的程序中，时间到了以后自动开启碳源更换流程。首先，第三控制器27发出指令控制第三电动机26使伞骨结构停止旋转；然后，第二控制器21发出指令控制第二电动机21带动卡箍9在小连杆7上移动直到伞骨3完全收拢；接着，第一控制器10发出指令控制第一电动机11带动圆状托盘29上升至最高点位(即接近水面的位置)，处于完全收拢初始状态的伞骨升出水面。此时伞骨根部阀门17打开，废弃碳源在重力作用下自动通过贯穿孔30落入收集袋6而被收集。一般的常见固体碳源如玉米芯，稻杆等，被利用后剩下木质素，木质素可运用于其他领域，将其回收后可留作它用。在结束收集后，伞骨根部阀门17闭合，伞骨顶端阀门16开启，可向其中投加新的碳源。收集袋6都可拆卸下，清空废弃碳源后，可再重新挂回去，实现下一轮的废弃碳源收集。

(6)对于不同水深的兼性塘，可将装置上各个组件长度以及程序的各项参数做相应的调整。

也可以用于其他类似于兼性塘存在不同氧分区的水体，例如湖泊，具体实施方式跟兼性塘相同，不再赘述。

该装置也可以在顶部置物平台上增设太阳能电池板为蓄电池发电，用于该装置的电力供应。

该装置的2层植物平台是可以根据水深进行选配的，对于水深大的水体可配置挺水和沉水两层植物平台(图1和图2)，水深小的水体可只配置一层挺水植物平台(图9和图10)

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种水中碳源可智能定位释放的多层净化装置的使用方法，多层净化装置包括立柱，所述立柱顶端安装有第一电机，第一电机与柱体螺杆连接，柱体螺杆下方与圆状托盘连接，圆状托盘沿立柱上下移动；在所述圆状托盘上安装有小圆环柱体，小圆环柱体上安装有若干个伞骨，伞骨通过折杆与卡箍铰接，卡箍套在小连杆上，小连杆安装在小圆环柱体上，在所有小连杆中，其中两个对称设置的小连杆与第二电机连接，小连杆上设有螺纹，卡箍内固定安装有螺母，小连杆与螺母适配，通过第二电机带动螺母上下移动，从而带动卡箍上下移动；所述伞骨的两端分别设有伞骨顶端阀门和伞骨根部阀门，伞骨下方的大齿轮和圆状托盘与伞骨根部对应的位置开贯穿孔，贯穿孔最下方设有收集袋；所述小圆环柱体上安装有溶解氧探头，溶解氧探头与第一和第二控制器连接，第一控制器与第一电机连接，第二控制器与第二电机连接；所述圆状托盘上通过轴承安装有大齿轮，大齿轮与小圆柱体固定在一起，在圆状托盘上安装有第三电机，第三电机通过小齿轮与大齿轮啮合，第三电机带动大齿轮和小圆环柱体一起旋转，第三电机与第三控制器连接，其特征在于，使用方法包括以下步骤：

(1)本装置在工厂组装完毕，运至现场后，安装之前打开伞骨顶端阀门往其中投加固体碳源，投加结束后关闭伞骨顶端阀门，随后将立柱的底部插入塘底固定好，打开底座爪子协助立柱保持直立，装置顶部高出水面一段距离，装置顶部置物台上放置第一控制器、第一电动机和蓄电池，通过绳子将圆环状的挺水植物平台与立柱软性连接起来，在挺水植物平台下方约0.5～0.8米的富氧范围内设置一个圆环状的沉水植物平台，通过直立的铝合金管将两个植物平台在垂向硬性连接，铝合金管的上端连接挺水植物平台的外环，下端连接沉水植物平台的内环；

(2)装置安装完毕后，装置接通电源开始运行，收集当前水位条件下的不同水深处的溶解氧数据，此时伞骨结构一直处于收拢状态，首先圆状托盘在柱体螺杆上面往下移动，下降到最下端的一个点位，即底部沉积物上方10cm处；然后由下至上依次在各个点位停留30s，每隔10cm一个点位，小圆环柱体上的溶解氧探头收集每个点位的溶解氧浓度数据，采集至最后一个点位即完成一个周期，一个周期的数据采集结束后，溶解氧探头将溶解氧数据无线传输给第一控制器和第二控制器；

(3)第一控制器上收到数据后，根据预设的溶解氧浓度数据范围寻找到符合该范围内的溶解氧数据对应的点位，确定出适宜反硝化反应的垂向区间范围，令该区间的最下端点位为x，最上端点位为y，然后第一控制器给第一电动机发出指令，使其带动小圆环柱体移动至适宜范围的最下端点位x所在之处并固定在此处；

(4)第二控制器收到数据后，同样根据预设的溶解氧浓度数据范围寻找到所有符合该范围内的溶解氧数据中的最下端点位x，同时找到最高处位点y，这两个位点之间距离H₀＝y-x，已知伞骨长度为L₀，折杆长度为L₁，折杆与伞骨的铰接处到小圆环柱体距离为L₂，伞骨完全合拢时卡箍在小连杆上的高度为H₁，小连杆和伞骨之间的距离为D，伞骨将撑开一个适宜的角度θ，θ＝cos^-1(H₀/L₀)＝cos^-1[(y-x)/L₀]，此时长度为L₀的伞骨在垂向投影高度就等于H₀，从而使得伞骨中的碳源所在的垂向投影高度与适宜发生反硝化的溶氧区域范围完全匹配，具体是由第二控制器计算出卡箍所需移动距离

式中H₂为伞骨打开θ角度时卡箍在小连杆上的高度，第二控制器计算得出ΔH后，给第二电动机发出指令，使其带动卡箍在小连杆上运动实现的；

(5)伞骨在水中展开角度到位后，第三控制器给第三电机发出指令，第三电机带动小齿轮开始旋转，小齿轮动力传输到大齿轮，从而带动大齿轮和小圆环柱体一起旋转，进而带动其上的伞骨和其中的固体碳源，以及折杆和卡箍一起旋转；

(6)根据碳源缓释复合的二级动力学方程，可得到碳源缓释周期，从而计算更换时间，更换时间预先写入第一控制器、第二控制器和第三控制器中，时间到了以后自动开启碳源更换流程，更换完毕后，重复步骤(2)-(5)。

2.根据权利要求1所述的水中碳源可智能定位释放的多层净化装置的使用方法，其特征在于：所述挺水植物平台和沉水植物平台通过铝合金管固定连接。

3.根据权利要求1所述的水中碳源可智能定位释放的多层净化装置的使用方法，其特征在于：所述立柱的底部安装有底座爪子。

4.根据权利要求1所述的水中碳源可智能定位释放的多层净化装置的使用方法，其特征在于，所述步骤(6)具体为：首先，第三控制器发出指令控制第三电动机使伞骨结构停止旋转；然后，第二控制器发出指令控制第二电动机带动卡箍在小连杆上移动直到伞骨完全收拢，恢复初始收拢状态；接着，第一控制器发出指令控制第一电动机带动小圆环柱体上升至最高点位，完全收拢的伞骨升出水面，此时伞骨根部阀门打开，废弃碳源在重力作用下自动通过伞骨根部下方大齿轮和圆状托盘上的贯穿孔落入碳源收集袋，收集袋可拆卸将废弃碳源取出，在结束收集后，伞骨根部阀门闭合，伞骨顶端阀门开启，向其中投加新的碳源。

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