CN114249414B - 用于河湖底泥的巡航式水体修复装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水处理技术领域，尤其是一种用于河湖底泥的巡航式水体修复装置，其包括：船体，具有船头与船尾，船体能够在水面上巡航；和呼吸式底泥曝气系统，包括设置于船尾的氧化曝气泵、与河湖底泥接触的刚性支撑架以及头尾均固定连接在刚性支撑架上的至少一条呼吸软管，刚性支撑架与船体柔性连接，各条呼吸软管均开设有多个贯通呼吸软管内外侧的呼吸孔，氧化曝气泵与至少一条呼吸软管流体连通并且氧化曝气泵能够通过至少一条呼吸软管向河湖底泥曝气；其中，刚性支撑架具有至少两条纵向延伸的刚性支撑条，呼吸软管纵向布置并且呼吸软管的长度长于刚性支撑条的长度，以使得呼吸软管在向河湖底泥曝气时能够搅动水体和河湖底泥。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，特别是一种用于河湖底泥的巡航式水体修复装置。
背景技术
随着城镇化急速扩展造成工业和生活污废水排量急剧增加，水体藻华、腐黑和发臭等现象频发，有损我们美好生活目标的实现。现阶段，我国河湖水体藻华和黑臭问题相对严峻，其主要成因是有机污染物和氮磷等营养素在水体中的富集而造成是水体富营养化。
现有技术已包含物理、化学和生物等多项技术手段，但其仍然存在以下问题：1）物理手段中的引水冲洗，虽然可快速稀释水体中的污染物，但需要巨大的人力、物力和财力支撑，且难以有效解决底泥污染物再次释放的内源污染问题，而物理手段中的底泥疏浚则直接降低了水体中微生物浓度，造成回水后续河道自净能力降低，不利于河道生态的修复；2）化学手段中的混凝沉淀剂-生物活化剂联用技术，仅能去除局部小范围内的污染物，无法有效解决内源污染的问题；3）现阶段生物生态修复最常用的技术手段为人工/强化生态浮岛，通过接入模拟/自然的水生植物，通过水体中的根系营造微环境中生物（特别是微生物）对污染物的吸收、吸附、转移、过滤和降解，达到净化水体的目的，但该技术条件相对苛刻，治理成效缓慢，对水体中底泥尚未见修复和治理的效果。综上所述，水污染治理修复，特别是底泥内源污染治理，是一个长期而复杂的系统化工程，亟待开发一套针对我国水体内源污染修复的工艺和技术设备。
发明内容
针对上述的各类现有技术对河湖底泥内源污染治理存在的缺陷，本发明的目的是提供一种用于河湖底泥的巡航式水体修复装置，其能够有效改善河湖底泥的微生物生态，进而改善或解决河湖底泥的内源污染问题。
为了达到上述的目的，本发明提供以下技术方案：一种用于河湖底泥的巡航式水体修复装置，包括：船体，具有船头与船尾，所述的船体能够在水面上巡航；和呼吸式底泥曝气系统，包括设置于所述船尾的氧化曝气泵、与河湖底泥接触的刚性支撑架以及头尾均固定连接在所述刚性支撑架上的至少一条呼吸软管，所述的刚性支撑架与所述的船体柔性连接，各条所述的呼吸软管均开设有多个贯通所述呼吸软管内外侧的呼吸孔，所述的氧化曝气泵与所述的至少一条呼吸软管流体连通并且所述的氧化曝气泵能够通过所述的至少一条呼吸软管向河湖底泥曝气；其中，所述的刚性支撑架具有至少两条纵向延伸的刚性支撑条，所述的呼吸软管纵向布置并且所述呼吸软管的长度长于所述刚性支撑条的长度，以使得所述的呼吸软管在向河湖底泥曝气时能够搅动河湖底泥。
相较于现有技术，本技术方案能够在对河湖底泥曝气的同时，通过呼吸软管搅动河湖底泥，使得藏匿于河湖底泥内的微生物暴露于空气下，从而为该区域内的为好氧生化反应提供充足的生物量所需的DO，提高好氧微生物的含量并同时抑制厌氧微生物，实现改善河湖底泥生态环境。
在上述的技术方案中，优选地，所述的巡航式水体修复装置还包括净化反应器与清水泵，所述的船体还开设有供污水进入的进水口以及与所述进水口流体连通的净化腔，所述的净化腔位于所述船头与所述船尾之间，所述的净化反应器设置于所述的净化腔，当污水进入所述的净化腔后，能够在自身重力的作用下通过所述的净化反应器并且被过滤成清水；所述的清水泵与所述净化腔的底部流体连动，以抽吸出所述净化腔底部的清水。
在上述的优选方案中，进一步优选地，所述净化腔设置有与所述进水口流体接通的液体分配器，所述的液体分配器位于所述进水口与所述净化反应器之间并且能够将流入所述净化腔的污水均匀分配至所述净化反应器的上部。该优选方案可有效避免净化反应器应过滤符合分配不均而造成缩短净化反应器可用工作时长和降低筛分效果。
在上述的优选方案中，进一步优选地，所述的进水口布置于所述的船尾处，所述船体的底表面被配置成相对水平面呈一3°—15°的夹角，并且所述船尾处的底表面高于所述船头处的底表面。呼吸软管进行曝气式时所产生的气泡能够使得部分底泥以及底泥处的微生物上升至船体处，该优选方案中船体底表面的设置方式能够将该部分底泥以及微生物引流至进水口处。
在上述的优选方案中，进一步优选地，所述净化腔的底部还设置有水质监测装置。
在上述的优选方案中，进一步优选地，所述的清水泵为一双向泵并且能够向所述净化腔的底部输送清水，所述的氧化曝气泵通过一反冲洗控制阀与所述净化腔的底部流体连通，当所述的反冲洗控制阀开启时，所述的氧化曝气泵能够向所述净化腔的底部充气。该优选方案能够实现对净化腔内的净化反应器进行反冲洗。
在上述的技术方案中，优选地，所述呼吸软管的长度与所述刚性支撑条长度的比值在1.15-1.55范围内。
在上述的技术方案中，优选地，所述的刚性支撑架还包括横向延伸的呼吸总管，所述的呼吸式底泥曝气系统还包括同时接通所述氧化曝气泵与所述呼吸总管的连通管，各条所述的呼吸软管均接通所述的呼吸总管。还可以进一步优选地，所述的进气总管采用质量位于0.95kg/m—1.10kg/m之间的软管制成。该优选方案能够使得呼吸总管与呼吸软管内充满气体时，仍与河湖底泥保持接触。
在上述的技术方案中，优选地，所述呼吸式底泥曝气系统还包括设置于所述氧化曝气泵处的抽吸控制阀与可切换阀门，所述的可切换阀门集成有曝气单向阀与抽吸止回阀，所述的曝气单向阀限定流体从所述的氧化曝气泵流向所述的至少一条呼吸软管，所述的抽吸止回阀限定流体从所述的至少一条呼吸软管流向所述的氧化曝气泵，所述的抽吸控制阀打开并且所述的可切换阀门切换至所述的抽吸止回阀时，所述的氧化曝气泵能够通过所述的至少一条呼吸软管抽吸水体和河湖底泥。
在上述的技术方案中，优选地，所述的船体设置有控制装置，所述的控制装置包括用于定位的地理定位模块、用于提供电能的电能模块以及用于通讯的通讯模块，所述的电能模块与所述巡航式水体修复设备的各用电部件电连接，所述的通讯模块与所述巡航式水体修复装置的各可控部件信号连接。该控制装置能够实现巡航式水体修复装置实现自动运行，减低人力与时间运行成本。
附图说明
图1为本发明所提供的巡航式水体修复装置的侧视半剖示意图；
图2为本发明所提供的净化腔、净化反应器、液体分配器与水质监测装置的相对位置关系示意图；
图3为本发明所提供的刚性支撑架与呼吸软管的俯视结构示意图。
具体实施方式
为详细说明发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对发明的各种示例性实施例或实施方式的详细说明。然而，各种示例性实施例也可以在没有这些具体细节或者在一个或更多个等同布置的情况下实施。此外，各种示例性实施例可以不同，但不必是排他的。例如，在不脱离发明构思的情况下，可以在另一示例性实施例中使用或实现示例性实施例的具体形状、构造和特性。
此外，本申请中，诸如“在……之下”、“在……下方”、“在……下”、 “下”、“在……上方”、“上”、“在……之上”、“较高的”、“侧”(例如，如在“侧壁”中)等的空间相对术语，由此来描述如附图中示出的一个元件与另一(其它)元件的关系。空间相对术语意图包括设备在使用、操作和/或制造中除了附图中描绘的方位之外的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它元件或特征“下方”或“之下”的元件随后将被 定位为“在”所述其它元件或特征“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可以包括上方和下方两种方位。此外，设备可以被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应 地解释在此使用的空间相对描述语。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。
图1示出了本发明所提供的用于河湖底泥的巡航式水体修复装置100（以下简称修复装置100），该修复装置100能够在河湖的水面上航行并对河湖底泥进行生态修复。修复装置100包括能够在水面上航行的船体7、部分与河湖底泥相接触的呼吸式底泥曝气系统、设置于船体7内的净化反应器5以及布置于船体7上的控制装置4。其中，船体7包括相互远离的船头与船尾。
结合图3，呼吸式底泥曝气系统包括设置在船尾处的氧化曝气泵1、放置于河湖底泥处的刚性支撑架10以及设置在刚性支撑架10上的多条呼吸软管10-3。刚性支撑架10具有多条沿纵向方向延伸的刚性支撑条10-2与一条横向延伸并同时固定连接多条刚性支撑条10-2的呼吸总管10-1。多条呼吸软管10-3沿横向排列布置，各条呼吸软管10-3均纵向布置并且头尾均固定连接于刚性支撑架10上，各条呼吸软管10-3上开设有贯通自身内外侧的多个呼吸孔（图中未标示出）。刚性支撑架10通过一对柔性连接支架9与船体7柔性连接并由船船体7拖动，在其它实施例中，柔性连接支架还可以采用绳索或链条代替。
呼吸总管10-1通过一连通管（图中未标示出）流体连通氧化曝气泵1，各条呼吸软管10-3均与呼吸总管10-1接通。氧化曝气泵1能够向多条呼吸软管10-3输送空气以对河湖底泥进行曝气以及通过多条呼吸软管10-3吸入含有河湖底泥的污水。呼吸总管10-1采用质量为0.95kg/m—1.10kg/m之间的软管制成，通过该配重方式，使得刚性支撑架10与多条呼吸软管10-3内部充满气体时仍能够与河湖底泥保持接触。
各条呼吸软管10-3的长度均长于刚性支撑条10-2的长度并呈弯曲状延伸，该布置方式使得呼吸软管10-3在对河湖底泥进行曝气时，能够在气压与水压的冲击波动下搅动底泥。具体地，呼吸软管10-3的长度与刚性支撑条10-2长度的比值在1.15—1.55范围内，进一步地，该比值范围还可以优选为1.2—1.3，以获得较好的搅动效果。
呼吸式底泥曝气系统还包括设置于氧化曝气泵1处的抽吸控制阀2以及集成有曝气单向阀与抽吸止回阀的可切换阀门12，可切换阀门12设置于氧化曝气泵1与连通管的连接处。其中，曝气单向阀用于限定流体从氧化曝气泵1流向呼吸总管10-1，抽吸止回阀用于限定流体从呼吸总管10-1流向氧化曝气泵1。在抽吸控制阀打开并且可切换阀门12切换至抽吸止回阀时，氧化曝气泵1能够通过多条呼吸软管10-3抽吸水体和河湖底泥。
呼吸式底泥曝气系统工作可分为曝气阶段与抽吸阶段，曝气阶段（持续时间2.0 h– 8.0 h，优选4.0 h – 6.0 h）时通过多条呼吸软管10-3向河湖底泥曝气，以增加水体中DO浓度。抽吸阶段（持续时间3.0 min – 15.0 min，优选3.0 min – 7.0 min）时通过多条呼吸软管10-3吸入底泥与水体，以使得底泥向刚性支撑架10处聚集。在曝气阶段与抽吸阶段时，多条呼吸软管10-3在气压与水压形成的波动下不断搅动底泥，使得该区域藏匿于底泥下的微生物充分地暴露在含氧气体下，从而为该区域内的为好氧生化反应提供充足的生物量所需的DO，提高好氧微生物的含量并同时抑制厌氧微生物，实现改善河湖底泥生态环境。
结合图2，船体7包括设置于船尾处的进水口11与形成于船体7内部的净化腔13，船体7由轻质发泡材料制成，以减小巡航时所需的动力以及增加修复装置100的可持续工作时间。船体7的底面被配置成相对水平面呈一3°—15°范围内的角度α且船尾处的底面高于船头处的底面，多条呼吸软管10-3在对河湖底泥进行曝气时产生的大量气泡，这些气泡在上升时能够产生的携带有底泥的污水水流，该污水水流到达船体7底面被导流至船尾处。进一步地，该角度α可优选为6°—10°，以获得较好的对污水的导流效果。
进水口11处设置有滤网，该滤网能够拦截树叶、枯枝等大颗粒漂浮物。净化腔13内设置有与进水口11流体接通的液体分配器14，净化反应器5设置于净化腔13内并位于液体分配器14的下侧。液体分配器14用于将进入净化腔13的污水均匀分配至净化反应器5的上部，该分配方式可有效避免净化反应器5因过滤负荷不均而造成缩短反应器可用工作时长和降低筛分效果。
净化反应器5由生物滤料球（可由PE、PP、PVC或PU材质组成，优选PE和PU材质，堆砌密度为0.805 g/cm3 – 1.015 g/cm3，优选0.910 g/cm3 – 1.010 g/cm3）或生物栅填料（可由PE、PP、SP或PU材质组成，优选SP和PU材质，堆砌密度为0.910 g/cm3 – 1.020 g/cm3，优选1.015 g/cm3 – 1.020 g/cm3）堆砌而成。当污液进入净化反应器5内，在重力作用下渗流，污液与生物滤料球/生物栅填料接触，污液中存在微生物在此过程中不断附着聚集与生物滤料球/生物栅填料表面。净化反应器5还能够去除水中颗粒态污染物（即收集再悬浮底泥和原水体颗粒物SS）而降低出水SS浓度，实现底泥削减并减缓河湖底泥沉积速率。因曝气作用，水体含高DO浓度，因此在吸附沉降过程中，上层滤料/填料层进行好氧生化接触氧化而降解污染物，在去除有机物的同时氧化氨氮和富集水体中磷素，而随着渗滤深度增加进而在中层/底层滤料/填料层进行兼氧-厌氧生化降解有机物，同时实现反硝化脱氮，流出净化反应器5的清水与原污水相比，其颗粒物（SS）和溶解态污染物（BOD、TN/TP等）浓度可实现大幅降低。
修复装置100还设置有位于船头处的清水泵6，清水泵6与净化腔13的底部流体连通，以将净化腔13内的清水抽出净化腔13，在此过程中，清水经过清水泵6后进一步与空气接触，提高其DO值。清水泵6在净化腔内形成的负压还能够使得进水口11吸入附近的污水。
净化腔13内还设置有一水质监测装置8，以监测净化腔13底部清水的水质。氧化曝气泵1通过一放冲洗控制阀3与净化腔13底部流体连通。清水泵6为一双向泵并且能够向净化腔13的底部充水。在净化反应器5或进水口11堵塞而造成工作异常时，氧化曝气泵1与清水泵6能够对净化反应器5与进水口11进行气水联和的反冲洗。
控制装置4上设置有用于定位的地理定位模块（GPS或北斗，优选北斗定位模块，根据实际水体状况和底泥淤积点位输入成套装备运行轨迹设定为“回”字形路线或蛇形路线，优先从周围向中心设定“回”字形路线）、用于提供电能的电能模块（交直流互变器和蓄电池，优选交直流互变器用于成套装备功能）以及用于通讯的通讯模块（与相应的中控平台实时进行数据通讯和交互，进行远程化控制和程序化调配）。电能模块与修复装置100的各个用电部件（如氧化曝气泵1，清水泵6以及相关动力设备）电连接并为其提供电能，通讯模块与修复装置100的各可控部件（如可切换阀门12）以及水质监测装置8信号连接，以向相应的中控平台发送净化腔13内清水的水质参数（SS、BOD、TN/TP、DO、ORP等）以及接收相应中控平台的信号并基于该信号控制各可控部件运行。
下面利用上述修复装置100对一景观湖进行河湖底泥修复处理，其处理效果与传统技术处理的比较见下表。
表1 传统技术与巡航式水体修复装置对河湖底泥修复和水质治理效果比较
本发明工艺装置有如下优点：（1）根据实际河湖底泥淤积状况，设计运行轨迹和曝气-回抽呼吸时间周期，并采用地理定位和5G-WIFI-蓝牙等通讯模块联合将数据回传至中控平台，在出水达到GB3838-2002中IV类标准前提下，有效提高装置底泥清淤和水体修复效率；（2）优化装置呼吸式底泥活化曝气系统、船体7污水入流及布水系统、净化反应器5等运行和控制参数，实现目标水体中底泥削减和控制，且协同降低SS、BOD和TN/TP等污染物浓度，为后续水体持续改善提供长效保障；（3）辅以程控与数据交互系统用于成套装备程序化控制，实现定点定位河湖底泥削减和BOD、TN/TP和SS颗粒污染物的高效去除，以降低人力和时间运行成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种用于河湖底泥的巡航式水体修复装置，其特征在于，包括：
船体，具有船头与船尾，所述的船体能够在水面上巡航；和
呼吸式底泥曝气系统，包括设置于所述船尾的氧化曝气泵、与河湖底泥形成面接触的刚性支撑架以及头尾均固定连接在所述刚性支撑架上的至少一条呼吸软管，所述的刚性支撑架还包括横向延伸的呼吸总管，各条所述的呼吸软管均接通所述的呼吸总管，所述的刚性支撑架通过一对柔性连接支架与所述的船体柔性连接，各条所述的呼吸软管均开设有多个贯通所述呼吸软管内外侧的呼吸孔，所述的氧化曝气泵与所述的呼吸总管流体连通并且所述的氧化曝气泵能够通过各所述的呼吸软管向河湖底泥曝气；其中，所述的刚性支撑架具有至少两条纵向延伸的刚性支撑条，所述的呼吸软管纵向布置并且所述呼吸软管的长度长于所述刚性支撑条的长度并呈弯曲状延伸，以使得所述的呼吸软管在向河湖底泥曝气时能够搅动河湖底泥；
所述呼吸式底泥曝气系统还包括设置于所述氧化曝气泵处的抽吸控制阀与可切换阀门，所述的可切换阀门集成有曝气单向阀与抽吸止回阀，所述的曝气单向阀限定流体从所述的氧化曝气泵流向各所述的呼吸软管，所述的抽吸止回阀限定流体从各所述的呼吸软管流向所述的氧化曝气泵，所述的抽吸控制阀打开并且所述的可切换阀门切换至所述的抽吸止回阀时，所述的氧化曝气泵能够通过各所述的呼吸软管抽吸水体和河湖底泥。
2.根据权利要求1所述的巡航式水体修复装置，其特征在于，还包括净化反应器与清水泵，所述的船体还设置有供污水进入的进水口以及与所述进水口流体连通的净化腔，所述的净化腔位于所述船头与所述船尾之间，所述的净化反应器设置于所述的净化腔，当污水进入所述的净化腔后，能够在自身重力的作用下通过所述的净化反应器并且被过滤成清水；所述的清水泵与所述净化腔的底部流体连通，以抽吸出所述净化腔底部的清水。
3.根据权利要求2所述的巡航式水体修复装置，其特征在于，所述净化腔设置有与所述进水口流体接通的液体分配器，所述的液体分配器位于所述进水口与所述净化反应器之间并且能够将流入所述净化腔的污水均匀分配至所述净化反应器的上部。
4.根据权利要求2所述的巡航式水体修复装置，其特征在于，所述的进水口布置于所述的船尾处，所述船体的底表面被配置成相对水平面呈一3°—15°的夹角，并且所述船尾处的底表面高于所述船头处的底表面。
5.根据权利要求2所述的巡航式水体修复装置，其特征在于，所述净化腔的底部还设置有水质监测装置。
6.根据权利要求2所述的巡航式水体修复装置，其特征在于，所述的清水泵为一双向泵并且能够向所述净化腔的底部输送清水，所述的氧化曝气泵通过一反冲洗控制阀与所述净化腔的底部流体连通，当所述的反冲洗控制阀开启时，所述的氧化曝气泵能够向所述净化腔的底部充气。
7.根据权利要求1所述的巡航式水体修复装置，其特征在于，所述呼吸软管的长度与所述刚性支撑条长度的比值在1.15-1.55范围内。
8.根据权利要求1所述的巡航式水体修复装置，其特征在于，所述的呼吸总管采用质量位于0.95kg/m—1.10kg/m之间的软管制成。
9.根据权利要求1所述的巡航式水体修复装置，其特征在于，所述的船体上设置有控制装置，所述的控制装置包括用于定位的地理定位模块、用于提供电能的电能模块以及用于通讯的通讯模块，所述的控制装置用于控制所述的巡航式水体修复装置运行。
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